Theoretical study of the free carrier absorption in quantum cascade structures

The demand to produce reliable THz detectors and emitters has lead to a signicant improvement of the Quantum Cascade Lasers (QCLs). First demonstrated in 1994 in the mid-infrared range, these unipolar semiconductor lasers are one of the most promising photonic sources for THz emission. Nevertheless, various optical loss phenomena limit their performances and the improvement of these devices is intensively researched. Among the possible loss sources, the Free Carrier Absorption (FCA), that arises from intra- and inter-subband oblique transitions activated by any disorder source destroying the translational invariance in the layer plane, has to be accurately modeled. FCA is well documented for bulk materials where the semiclassical Drude model can be used. For QCLs, this model predicts FCA coefficients that are comparable or larger than the actual QCL gains. This work presents a quantum modeling of FCA in quantum cascade structures following two theoretical approaches : a perturbative expansion at the first order in the disorder potential and a numerical diagonalization of Hamiltonian in presence of disorder. These calculations show that FCA is very small in QCLs and radically differs from the semiclassical Drude result. Moreover, they point out the different contributions to the absorption spectrum and the possibility of ajusting the absorption linewidth and lineshape by dopant engineering. Important disorder-induced localization effects have been identified as well as their non negligible influence on the electronic scattering rates.
La demande croissante de dispositifs photoniques dans la gamme térahertz (THz) a conduit au développement des Lasers à Cascade Quantique (LCQ). Réalisés en 1994 dans l'infrarouge moyen, ces lasers unipolaires à semiconducteurs comptent désormais parmi les sources les plus prometteuses pour l'émission THz. Néanmoins, de nombreux phénomènes de pertes optiques limitent leurs performances et l'optimisation de ces dispositifs demeure d'actualité. Parmi les sources de pertes, l'absorption par porteurs libres, qui résulte de transitions intra- et inter-sousbande obliques activées par toute source de désordre brisant l'invariance par translation dans le plan des couches, doit être précisément modélisée. Ce processus est bien documenté pour les matériaux massifs où le modèle semi-classique de Drude peut être appliqué. En revanche, pour les LCQ, celui-ci prédit des coefficients d'absorption supérieurs aux réels gains laser. Ce travail de thèse expose un modèle quantique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique suivant deux approches théoriques différentes : un développement perturbatif au premier ordre du potentiel de désordre et une diagonalisation numérique du Hamiltonien du système désordonné. Ces travaux montrent que l'absorption par porteurs libres est très faible et diffère radicalement du résultat semi-classique. Ils font également l'analyse des différentes contributions au spectre d'absorption ainsi que la possibilité d'ajuster la forme et la largeur de raie par ingénierie de dopage. D'importants effets de localisation spatiale des états électroniques par le désordre et leur influence sur les taux de diffusion ont également été étudiés.