BOITES QUANTIQUES : INTERETS, ENJEUX ET ELABORATION
B OITES QUANTIQUES : DES ATOMES ARTIFICIELS
- Augmentation du confinement quantique dans les semi-conducteurs et conséquences
- a Le confinement dans les semi-conducteurs III-V
- b Du confinement 3D vers le confinement 0D
- Largeur homogène et inhomogène
- a Largeur homogène
- b Largeur inhomogène
- Potentialité des boites quantiques
- a Le laser à QDs
- b Boites quantiques et accordabilité : amplification et régénération du signal
- c Boites quantiques uniques
La réduction de la dimensionnalité du DOS peut s'accompagner de performances intéressantes pour les composants optoélectroniques existants, mais peut également offrir de nouvelles applications. Le suivi de la photoluminescence d'un nombre croissant de boîtes (en augmentant la taille de la mesa) révèle cette inhomogénéité (figure 0-3). Rappelons que la nature de la zone active (ici les QD) est un élément essentiel au fonctionnement du laser.
Arakawa84] avait montré en 1984 que réduire la dimensionnalité d'un système devait permettre de réduire la sensibilité du courant de seuil à la température. Le DOS jouera donc un rôle important, car la « forme » du gain spectral sera fortement dépendante du DOS et de la densité de porteurs injectés. Une variation du gain (après une variation de l'injection) entraîne donc une variation de l'indice de réfraction, qui change la phase du mode optique de la cavité et de la même manière la longueur d'onde d'émission.
Ainsi, zéro chirp permet une modulation « libre » du laser sans changements nuisibles dans la longueur d’onde d’émission. Ici aussi, la connaissance de la structure électronique exacte des points quantiques est essentielle (détails dans les chapitres 1 et 2).
E LABORATION DES BOITES QUANTIQUES PAR MBE
- Considérations générales sur la croissance des boites quantiques
- a Le principe général de la formation des boites quantiques
- b Quel matériau pour quelle longueur d’onde ?
- Croissance des boites quantiques InAs/InP par MBE
- a Epitaxie par jets moléculaires
- b Bâti à sources gazeuses
- c La méthode de croissance Stranski-Krastanov
- d Les boites quantiques InAs/InP (100)
- e les boites quantiques InAs/InP (311)B
- f La procédure « double cap » pour le contrôle de la longueur d’onde
La formation de points quantiques est le résultat d'une compétition entre la diminution d'énergie de la couche 2D, due à la relaxation de la. La symétrie des déformations dépend alors de la géométrie de l'hétérostructure considérée (C v pour une forme conique ou lenticulaire à base circulaire, C4v pour une pyramide à base carrée). Cette méthode peut donc fournir une estimation de la structure fine de nos points quantiques.
La partie suivante présente son utilisation pour une première description de la structure électronique des boîtes quantiques émettant à différentes longueurs d'onde m). Cependant, la structure électronique des boîtes quantiques dépend également de la forme considérée et de son extension spatiale. Il est donc essentiel de considérer l’effet de la couche mouillante sur les propriétés électroniques et optiques des points quantiques.
La hauteur des boîtes quantiques illustrée à la figure 1-20 est une approximation de la hauteur réelle des boîtes. Le problème de l'influence de la symétrie considérée sur les calculs et les propriétés optiques prédites dans les boîtes quantiques a déjà été étudié par Bester et al. [Bester05] Cependant, dans cette référence, les points quantiques sont considérés uniquement sur le substrat (100). Ainsi, la figure 2-1 présente le schéma de principe de la photoluminescence sur les boîtes quantiques.
Cependant, l’influence de la densité surfacique des points quantiques (QDD) sur les propriétés électroniques des points quantiques n’a pas été étudiée. Les rayons des points quantiques sélectionnés sont égaux à R = 15 nm et ils sortent de la couche mouillante avec L = 2,5 nm. Par conséquent, un réseau carré 2D de points quantiques a également été envisagé pour le calcul de la structure électronique.
De plus, la forme anisotrope des points quantiques conduit à une dépendance de la photoluminescence à la polarisation (voir Partie 1). Dans cette partie, nous présentons les résultats expérimentaux concernant l'étude de la dynamique des transitions dans les boîtes quantiques.
PROPRIETES ELECTRONIQUES ET OPTIQUES DES BOITES QUANTIQUES : THEORIE
L E CALCUL K • P POUR LES HETEROSTRUCTURES
- Introduction et principe du calcul
- a La méthode k•p pour les semi-conducteurs massifs
- b Le Hamiltonien k•p huit-bandes
- c Cas des hétérostructures
- d Etapes de calcul
- Les paramètres d’entrée du calcul
- a Calcul des déformations
- b Effet piézoélectrique et brisure de symétrie sur substrat (100)
- c Géométrie et composition
- Les paramètres de sortie du calcul
- a Energies propres et fonctions propres monoélectroniques
- b Dipôles des transitions optiques
- c Effets à N-corps : excitons, biexcitons, trions
- Approximation k•p 1 bande
- a Présentation et justification du modèle à 1 bande
- b Principe de l’approximation
- Boites quantiques idéales – coordonnées paraboliques
- a Les coordonnées paraboliques
- b Limitations du modèle : vers une description fine
- Boites quantiques InAs/InP pour le 1.55 m
- a Justification de la géométrie choisie
- b Fonctions d’onde, symétries et niveaux d’énergie
- Boites quantiques InAsSb/InP pour le 2-5 m
- a Position du problème et motivations
- b Raccords de bande pour différents alliages massifs (matériaux barrière) et masses effectives
- c Boites quantiques InAsSb : effets de confinement
- d Compétition entre les transitions optiques : un problème
- e Conclusion
- a Motivations et cadre général de l’étude
- b Géométrie des boites choisies
- c Calcul des contraintes et déformations
- d Calcul du champ piézo-électrique
- e Propriétés générales du potentiel de confinement dans le système InAs/InP
- Propriétés optiques des boites quantiques :validation du modèle
- a Fonctions d’onde monoélectroniques
- b Confrontation à l’expérience - validation du modèle
- c Spectres d’absorption excitonique
- Influence de l’orientation du substrat sur les propriétés optiques des boites quantiques
- a Transitions excitoniques fondamentales sur (311)B et (100)
- b Spectres d’absorption des boites sur (311)B et (100)
- c Discussion : effets des symétries
- Structure fine : excitons, biexcitons et trions
L'interdiffusion atomique dans les points quantiques InAs/InP (« intermixing ») est ainsi mise en évidence et confirmée par des mesures de microscopie à effet tunnel (X-STM) effectuées à la TU Eindhoven. Les boîtes quantiques considérées sont des boîtes InAs/InP sur substrat (311)B, de densité surfacique de 5,1010 cm-2. Les mesures sont effectuées à différentes températures pour distinguer les effets de cavité (indépendants de la température) de l'absorption des points quantiques (variant en fonction de la température).
Les spectres d'absorption relatifs à un plan de points quantiques sont ainsi représentés sur la figure 2-15. -1 : Caractéristiques comparatives des points quantiques (QD) et des puits quantiques (QW) sur substrats (311)B et (100) à température ambiante et à une longueur d'onde de 1,55 µm. En fait, les points quantiques avec un grand rayon (faible densité) devraient généralement avoir leur transition entre les états excités plus proche de la transition fondamentale que les points quantiques avec un rayon plus petit (haute densité).
Récemment, des études dynamiques ont été réalisées sur des points quantiques InAs/InP sur un substrat (100), [Salem03].
PROPRIETES ELECTRONIQUES ET OPTIQUES DES BOITES QUANTIQUES : MESURES
T ECHNIQUES EXPERIMENTALES
- Emission/Absorption dans les semiconducteurs : généralités
- a Généralités sur la luminescence des boites quantiques
- b Généralités sur l’absorption des boites quantiques
- Mesure d’absorption par spectroscopie FTIR
- a L’appareil de mesure FTIR
- b Problèmes expérimentaux
- Expériences de photoluminescence réalisées au LENS
- a Luminescence basse puissance, et transition fondamentale de boite quantique
- b Luminescence polarisée forte puissance, et transitions excitées de boite quantique
- Expériences de magnéto-photoluminescence réalisées à la KU Leuven
- a Influence d’un champ magnétique sur un électron dans une boite quantique
- b Influence d’un champ magnétique sur un exciton dans une boite quantique : modèle excitonique
- c Magnéto-photoluminescence : montage expérimental
M ESURE DU COEFFICIENT D ’ ABSORPTION DES BOITES QUANTIQUES PAR SPECTROSCOPIE FTIR
- Contexte de l’étude et travaux préliminaires
- a Motivations
- b Travaux préliminaires et choix de l’échantillon
- Mesures brutes et simulation des effets de cavité
- a Mesures brutes de 4 K à 293 K
- b Simulation des effets de cavité
- c Spectres d’absorption des boites quantiques après traitement numérique
- Le coefficient d’absorption des boites quantiques
- a Influence de la température
- b Mesure du coefficient d’absorption
- c Lien entre absorption optique et nombre d’atomes actifs
- d Conclusion
Une mesure d'absorption a été réalisée sur un échantillon constitué de 12 plans de points quantiques InAs/InP sur un substrat (311)B. Des études spectroscopiques antérieures ont déjà analysé les états fondamentaux des boîtes quantiques (GS), les états excités (ES) et les états de la couche mouillante (WL) par divers outils de caractérisation, tels que la photoluminescence, [Paranthoen03] [CornetAPL04], la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Expériences FTIR, [CornetAPL04] et photoluminescence résolue en temps (TRPL). MiskaSST02] [Miska03b] Un continuum énergétique est également observé entre les niveaux d'énergie des points quantiques et la couche mouillante.
Le problème considéré ici constitue un réseau périodique de points quantiques 2D dans le plan (x, y), comme le montre la figure 3-5 (a). En réalité, des effets minibandes (élargissement des niveaux d'énergie) peuvent apparaître dans les états de boîtes quantiques (cf. Dans la Figure 3-7, domaine (b), la couche mouillante renforce fortement le couplage initialement très faible entre boîtes quantiques.
Le chapitre 0 est une introduction aux enjeux, intérêts et limites de l'utilisation des points quantiques dans les composants optoélectroniques. Le coefficient d'absorption des boîtes quantiques a ainsi été mesuré et est égal à 4400 cm-1 à une longueur d'onde de 1,55 µm.
I NFLUENCE DU RECOUVREMENT DES BOITES QUANTIQUES ETUDIE PAR MAGNETO - PHOTOLUMINESCENCE
- a Motivations et cadre général de l’étude
- b Echantillons étudiés
- c Mesures sous champ magnétique
- d Interprétation
- Effets du confinement latéral sur les propriétés optiques
- a Etats excités et confinement latéral
- b Conséquences pour les lasers à boites quantique : Discussion
- Conclusions et perspectives :confirmation par X-STM
- a Conclusions
- b Confirmation par X-STM
LE COUPLAGE LATERAL DE BOITES QUANTIQUES ET SES CONSEQUENCES
C ROISSANCE DE BOITES QUANTIQUES HAUTES DENSITES : AUTO - ORGANISATION
- Vers les hautes densités
- Auto-organisation
- a Mise en évidence de l’auto-organisation
- b Topologie du réseau de boites quantiques et interprétation
D ESCRIPTION THEORIQUE DU COUPLAGE ENTRE BOITES QUANTIQUES , IMPORTANCE DE LA COUCHE DE
- Contexte de l’étude
- a Motivations et position du problème
- b Etat de l’art sur le sujet
- Principe du calcul dans l’espace réciproque
- a Equation de Schrödinger pour la bande de conduction
- b Utilisation d’un réseau périodique
- c Application à un réseau héxagonal de boites cylindriques
- Principaux résultats sur le couplage
- a Effet du couplage sur les états de boite quantique
- b Effet du couplage sur les états de couche de mouillage
- Application à des réseaux réels de boites quantiques
M ISE EN EVIDENCE EXPERIMENTALE , CONSEQUENCES SUR LA REDISTRIBUTION DES PORTEURS
- Le couplage latéral des boites quantiques par l’expérience
- a Motivations et cadre général de l’étude
- b La magnéto-photoluminescence et le couplage
- c Photoluminescence sous haute puissance d’excitation
- Conséquences du couplage latéral sur la redistribution des porteurs de charge
- a Etude expérimentale de la largeur spectrale de l’émission laser
- Discussion
- a Largeur inhomogène et recouvrement des fonctions d’onde
- b Effet sur les courants de seuil lasers
- c Les boites quantiques couplées dans les composants
DYNAMIQUE DES TRANSITIONS OPTIQUES INTERBANDES DANS LES BOITES
L A DYNAMIQUE DES TRANSITIONS DANS LES BOITES QUANTIQUES : P OSITION DU PROBLEME
- Aspects dynamiques des composants optoélectroniques
- a Généralités
- b Remplissage des boites : effets multiexcitoniques
- Simulation des effets de dynamique dans les composants
- a Modèle de paires à 5 réservoirs
- b Equations dynamiques, et composants laser
Dans le cadre de l'étude des boîtes quantiques InAs/InP pour les télécommunications longue distance à 1,55 µm (voir chapitre 0), la transmission des informations depuis les fibres optiques est réalisée en modifiant l'intensité de la lumière laser d'excitation à l'entrée de la fibre. Une connaissance précise de la durée de vie des transitions de points quantiques est donc autrefois une information essentielle pour comprendre et simuler le fonctionnement de tels composants. Pour spécifier le type de transition et la dynamique associée, un diagramme schématique de la structure électronique prédite dans les points quantiques InAs/InP est présenté à la figure 4-0.
La figure 4-1 montre un diagramme des transitions énergétiques et des durées de vie dans nos points quantiques. I représente l'intensité injectée dans le laser (c'est à dire proportionnelle au nombre de porteurs arrivant effectivement dans les boîtes quantiques), c'est cette intensité qui peut être modulée ou non. Cette partie décrit l'expérience pompe-sonde utilisée pour mesurer la dynamique des transitions dans les boîtes quantiques.[Guézo04].
Le dispositif qui mesure de telles non-linéarités dans les points quantiques est illustré à la figure 4-5 dans sa configuration de transmission. Cette partie décrit les principaux résultats obtenus en pompe-sonde sur un échantillon de 72 niveaux de boîtes quantiques [CornetAPL06]. Ce travail de thèse porte principalement sur l'étude de la structure électronique et optique des boîtes quantiques sur substrat InP, tant d'un point de vue expérimental que théorique.
Le chapitre 1 décrit les travaux théoriques sur les propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques indépendantes, qui ont été réalisés dans le cadre de cette thèse. Le chapitre 2 présente ensuite les travaux expérimentaux réalisés pour mesurer les constantes fondamentales des points quantiques. Les simulations avec le modèle réservoir, réalisées dans le cadre du mémoire de diplôme, indiquent la nécessité de connaître les durées de vie des porteurs dans les boîtes quantiques.
Les mesures effectuées sur un échantillon à haute absorbance (72 plans) de points quantiques InAs/InP montrent que les durées de vie des excitons et des biexcitons dans l'état fondamental sont respectivement égales à 1720 ps et 530 ps. La coupe, réalisée en laboratoire, a permis d'améliorer la compréhension des propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques InAs/InP. En revanche, la prédiction théorique de l’émission de points quantiques InAsSb/InP jusqu’à 3,5 µm reste à confirmer expérimentalement.
D ISPOSITIF EXPERIMENTAL POMPE - SONDE EN TRANSMISSION
- Principe de la mesure
- Montage expérimental
- a Description de l’expérience
- b Difficultés expérimentales
D ETERMINATION DES DUREES DE VIE DE L ’ EXCITON ET DU BIEXCITON DANS LES BOITES QUANTIQUES
- Cadre général de l’étude, définition de l’échantillon
- a Motivations et cadre général de l’étude
- b Echantillons étudiés
- Mesures en photoluminescence et en pompe-sonde
- a Mesures préliminaires de photoluminescence
- b Transmission différentielle de 72 plans de boites quantiques
- Interprétation : durée de vie excitonique et biexcitonique