Superréseaux - Structure électronique et transitions optiques dans certains semiconducteurs et hétérostructures III-V


Principaux résultats :

- Mise en évidence de l'échelle de Wannier-Stark de l'état excité 2s de l'exciton dans les Superréseaux. - Calcul, par la théorie des groupes de la symétrie des bandes électroniques et des règles de sélection optiques dans les superréseaux (GaAs)m(AlAs)n. Rapport de recherche :

1) Après avoir étudié au cours d'une période précédente les propriétés optiques des alliages GaInAsSb destinés à la couches active de lasers infrarouges, nous avons abordé l'étude des alliages GaAlAsSb qui constituent les couches de confinement et mis en évidence par photoluminescence (PL) les transitions X, L et G. La PL permet une mesure très précise des différences entre les énergies des trois transitions et révèle une variation linéraire avec la température des énergies des bandes interdites X et L entre 10 et 50 K.

2) L'étude des propriétés optiques des superréseaux (SRs) GaInAs/AlGaInAs accordés en maille avec des substrats InP a été poursuivie. Ces SRs constituent des modulateurs électro-optiques pour telecom sur fibre à haut débit à 1,55 'm. Les mesures de photocourant (PC), photocourant-voltage (PCV) et photoluminescence excitation (PLE) ont mis en évidence les échelles de Wannier-Stark associées à l'exciton lourd, a son premier état excité (2S), à l'exciton léger et au premier état excité du trou lourd.

Ces résultats permettent une mesure très précise du Rydberg de l'exciton lourd (11,5 meV). L'absence de laser accordable dans la gamme utile (vers 1.4 'm) nous a obligés à utiliser pour la PLE une lampe halogène dispersée par un monochromateur. Le niveau de signal est alors très faible, rendant le réglage de l'installation particulièrement critique.

Nous avons également étudié par PL les transitions excitoniques dans des SRs GaAS/AlGaAs de type I et mis quantitativement en évidence un écart à l'équilibre thermique de la population excitonique à basse température.

3) Nous avons commencé la modélisation de photodétecteurs infrarouges à puits quantiques GaAs/AlGaAs dopés p au carbone dans les puits. L'utilisation de fonctions d'Airy permet la prise en compte sans approximation (du moins dans le formalisme de la fonction enveloppe) du champ électrique appliqué à la structure.

Nous avons ainsi pu calculer les courbes de dispersion des trous (y compris les courbes dans le plan des couches) et l'absorption optique de la structure.

4) Une part théorique et importante de notre activité a été orienté vers les propriétés liées aux symétries des SRs :

- D'abord dans l'approximation des fonctions enveloppes. Les résultats ont permis la prise d'un brevet destiné à améliorer le contraste entre les états passant et bloquant d'un modulateur électro-optique à effet Wannier-Stark.
- Nous avons ensuite entrepris l'étude des SRs à symétrie exacte (i-e fait de deux composés stochiométriques accordés en maille. Ces SRs constituent de nouveaux cristaux avec un paramètre de maille en général grand le long de l'axe de croissance. Une méthode très récente en théorie des groupes (génération de représentations du groupe d'espace à partir de représentations irréductibles des groupes de symétrie des sites occupés par des atomes) permet une réduction drastique de la longueur des calculs. Nous avons ainsi commencé à déterminer les symétries des différentes bandes électroniques ainsi que les règles de sélection pour les transitions optiques bande à bande directes ou assistés par phonon dans les SRs [001] GaAs/AlAs.

5) A signaler enfin la publication de papiers de revue correspondant à des cours professés dans des écoles d'été (NATO ASI).

Projets

1) Le travail sur les composés de l'antimoine ne devrait pas donner lieu à développements ultérieurs.
2) L'étude des SRs GaInAs/AlGaInAs sera poursuivie avec la mise au point d'une installation de photoréflectivité. Nous prévoyons également des mesures de PL résolue en temps avec l'Université de Montréal.

3) La modélisation des photodétecteurs IR sera poursuivie en liaison avec l'Université du Colorado à Boulder qui prépare les échantillons. Une difficulté importante provient de l'insuffisance de nos calculateurs.

Les interactions à n-corps devront être prises en compte en raison du haut niveau de dopage dans les puits (de l'ordre de 1019 cm-3). Le calcul des termes d'échange et de corrélation pose un problème de principe : l'approximation LDA (local density approximation), quoique généralement utilisée, ne peut se justifier sur le plan théorique.

4) L'étude des SRs à symétrie exacte constituera une part importante de notre activité. L'utilisation des groupes de symétrie des sites est un bon point de départ pour l'étude des états de porteurs et d'excitons liés à des impuretés et des transitions optiques correspondantes.

La partie théorique sera mené en liaison avec l'Institut Ioffé de St. Petersbourg et l'Institut de Physique des Solides de Varsovie. Pour la partie expérimentale, les SRs [001] GaAs/AlAs seront fournis par le L2M (Bagneux). Une partie des mesures sera effectuée par notre équipe ; les mesures de PL sous pression seront effectuées au CRHEA Sophia-Antipolis et celles de Raman à l'Université de V alence (Espagne). La détermination de la structure électronique ou atomique d'agrégats supportés ou en matrice solide fait l'objet, depuis quelques années, d'une intense activité théorique et expérimentale. Le dépôt en surface d'agrégats sélectionnés ou non en taille conduit à une implantation dans le support dans certains cas, à la migration des espèces sur la surface ou encore à une oxydation probable dans d'autre cas.

Nous avons choisi de déposer dans des matrices de gaz rare les agrégats produits par une source à vaporisation laser. Les matrices solides de gaz rare permettent d'isoler les espèces et de les étudier dans un environnement entraînant une perturbation minimale de leur structure et à des températures proches du zéro absolu (2 à 5K ou plus).

Contact : Prof. Pierre TRONC


Retour à la page principale / Return to the top