États collectifs et dispositifs basés sur les excitons indirects dans des puits quantiques à grand gap

Collective states and devices based on indirect excitons in wide bandgap quantum wells

• Auteur / Autrice : François Chiaruttini
• Direction : Masha Vladimirova, Thierry Guillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Cassabois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Masha Vladimirova, Thierry Guillet, Guillaume Cassabois, Bernhard Urbaszek, Alberto Bramati, François Dubin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernhard Urbaszek, Alberto Bramati

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de gallium

Excitons

Mots clés libres

Exciton indirect

États quantiques collectifs

GaN

Dispositif excitonique

Plasma électron-Trou

Transport excitonique

Indirect exciton

Many-Body physics

GaN

Excitonic device

Electron-Hole plasma

Excitonic transport

Résumé

Les excitons indirects dipolaires, sont des quasi-particules bosoniques dans les semi-conducteurs, composés d'un électron et d'un trou spatialement séparés mais toujours liés par interaction coulombienne. Leur grande durée de vie radiative et leur capacité à se déplacer sur de grandes distances avant leur recombinaison en font un système unique qui peut être à la fois optiquement actif mais également électriquement contrôlable. Ce système permet l'étude des propriétés fondamentales de la lumière et de la matière, mais aussi le développement de dispositifs excitoniques conceptuellement nouveaux. Les excitons dans les puits quantiques polaires en nitrure de gallium (GaN) peuvent être considérés comme des excitons naturellement indirects, en raison du fort champ électrique intrinsèque existant dans la direction de croissance cristalline. Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et une étude des excitons indirects dans des hétérostructures GaN/(Al,Ga)N, ainsi que les états collectifs, depuis la conception et la fabrication jusqu'à la spectroscopie optique de leurs états collectifs.Les principaux résultats de ce travail sont (i) la démonstration du confinement spatial dans le plan et du refroidissement des excitons indirects, lorsqu'ils sont piégés dans le potentiel électrostatique créé par des électrodes semi-transparentes de géométries diverses soigneusement conçues et déposées sur la surface de l'échantillon, qui est une condition préalable à l'étude du diagramme de phase complexe de ces bosons dipolaires à basse température ; (ii) la preuve de principe du contrôle électrique des densités et des flux d'excitons indirects dans le plan du puits quantique. Cela ouvre des perspectives intéressantes pour la réalisation de dispositifs excitoniques ; (iii) les premiers points sur le diagramme de phase des bosons dipolaires, fournissant une première mise en évidence non seulement de l'existence d'un phase fortement corrélée résultant des corrélations induites à forte densité (phase de liquide dipolaire) mais aussi la dissociation (transition de Mott) de ces excitons indirects dans les hétérostructures GaN/(Al,Ga)N.

Indirect, or dipolar excitons are bosonic quasi-particles in semiconductors composed of spatially separated but still Coulomb-bound electron and hole. They have long lifetime and can travel over large distances before recombination, offering a unique system that can be both optically active and electrically controllable. It is suitable for studies of fundamental properties of light and matter and for the development of conceptually new excitonic devices. Excitons in polar GaN quantum wells can be considered as naturally indirect excitons, because of the strong built-in electric field in the growth direction. This dissertation describes an experimental realization and investigation of indirect excitons engineered in GaN/(Al,Ga)N heterostructures, and the collective states that these can form. The main results of this work are (i) the demonstration of the in-plane confinement and cooling of indirect excitons, when trapped in the electrostatic potential created by semitransparent electrodes of various shapes carefully designed and deposited on the sample surface, this is a prerequisite for studies of the complex phase diagram of these dipolar bosons at low temperatures ; (ii) The proof-of-principle for electrical control of the indirect exciton densities and fluxes in the plane of the heterostructure, which opens attractive prospects for realization of excitonic devices ; (iii) the first points on the dipolar boson phase diagram, providing first evidence of the density-induced correlated state (dipolar liquid) and dissociation (Mott transition) of the indirect excitons in GaN/(Al,Ga)N heterostructures.