Etude des propriétés optiques de boîtes quantiques d'InAs / InP (001) et d'un nouvel alliage InGaTIAs à base de thallium

= Study of the optical properties of InAs on InP(OO 1) quantum boxes and of a new InGaTlAs alloy

• Auteur / Autrice : José Olivares Flores
• Direction : Georges Brémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recuit thermique rapide

Polarisation (lumière)

Photoluminescence

Nanostructures

Thallium

Résumé

Nous étudierons deux axes importants concernant d'une part les propriétés et caractéristiques optiques de boîtes quantiques d'InAs pour la réalisation de laser fonctionnant à 1. 55micromètre et la possibilité d'élaborer de nouveaux alliages à base de thallium pour la photodétection infrarouge dans la gamme 1-10 micromètre. Nous mènerons une étude optique de ces boîte et fils quantiques d'AnAs épitaxiés par jets moléculaires sur substrat InP(001). L'intérêt de nos recherches étant de mieux comprendre ces objets et principalement les propriétés optiques très spécifiques de ces nanostructures liées au fort confinement quantiques présent dans les îlots d'InAs. Nous étudierons comment le confinement quantique dans ces nanostructures d'InAs peut modifier ses caractéristiques énergétiques (discrétisation de l'énergie et de la densité d'état, confinement spatiale) et quels intérêts potentiels ils représentent pour l'élaboration de laser. Enfin nous étudierons le rôle des différentes matrices utilisées pour l'élaboration des nanostructures d'InAs et principalement les systèmes InAs/AlInAs/InP. Nous verrons comment les différentes matrices ainsi que les conditions de croissance peuvent influer sur l'énergie des niveaux confinés des nanostructures d'InAs ainsi que sur la forme de ces objets donnant lieu dans certains cas à la formation de fils quantiques ou de boîtes quantiques. Nous regarderons l'incidence de ces divers paramètres sur la photoluminescence de ces objets ainsi que sur la polarisation de la pholuminescence issue de ces nanostructures. Nous étudierons dans un deuxième temps, la faisabilité de l'élaboration d'un nouvel alliage III-V à base de thallium, GaInTIP et GaInTIAs, dont les potentialité et les perspectives pour la photodétection infrarouge sont attirantes. En effet, ces alliages sont susceptibels de couvrir une large gamme de longueur d'onde (1-10 micromètre) en fonction de la teneur en thallium et pourraient ainsi bénéficier de la filière GaInAsP/InP pour leur intégration industrielle. Une petite fenêtre de fonctionnement à finalement été trouvé et a permis l'élaboration d'alliages monocristallin de GaInTIAs pour une concentration de 4% de thallium et d'alliages maclés pour des concentrations de 8 et 12%. Il a été constaté grâce à des mesures de transmission optique et de photolumescence une diminution de l'énergie de bande interdite (gap) lors de l'incorporation de thallium dans la matrice Zinc-Blende de GaInAs et cela en accord avec les prédictions théoriques. De plus nous avons mené des études de recuit rapide (RTA) sur ces échantillons qui ont contribué à améliorer les propriétés optiques de ces alliages. Finalement, à notre connaissance il s'agit là de la première mise en évidence au monde de façon claire de l'élaboration de tels alliages monocristallins.

We have studied the optoelectronical properties of lnAs Quantum Dots (QDs) for 1. 55 1-1m wavelength laser applications as well as the feasibility of new alloys based on thallium (Tl) compounds for the 1-10μm IR photodetection range. First we have made an optical analysis of lnAs quantum islands grown by Molecular Bearn Epitaxy (MBE) on InP (001) substrate. The aim of our research was to better understand the se structures and especially their specified optical properties resulting from a strong confinement effect. We have investigated how the quantum confinement in the InAs nanostructures change their energetic characteristics (density of states and energy discretisation) and how InAs nanostructures could be used to improve laser properties. We have closely observed the role of different matrix used for the elaboration of the InAs QDs and mostly InAs/InP and InAs/AllnAs/InP systems. We have studied how growth conditions and the use of different matrix modify the shape of the se InAs nanostructures leading to either QDs or Quantum wires (QWrs). Their effect on Quantum levels energies distribution were also analyzed. We have focused our attention on the influence of different parameters (shape, size, matrix) on the Photoluminescence (PL) and polarization of the PL emitted from the InAs nanostructures. Secondly we have studied the feasibility of the elaboration of a new III-V alloy based on thallium, GainTlP and GalnTIAs. Indeed these alloys are supposed to cover a large wavelength range ( 1-10μm) just by changing the Tl concentration leading therefore to a very promising industrial integration using the GainAsP/InP technology. One purpose of this thesis was to help fm ding the right growth parameters for the elaboration of these GalnTlP and GalnTlAs alloys by MBE. A sharp window of elaboration was finally found out and allowed us to obtain GainTlAs rnonocrystal with 4% Tl concentration but which became twinned with 8 and 12%. A decrease of the energy band gap was observed by optical transmission and PL measurements, when increasing the Tl concentration in the GainAs Zinc-Blende matrix, as predicted by theory. Rapid Thermal Annealing (RTA) experiments were made on these structures in order to determine if an increase of the optical properties of these alloys is possible or not. Finally, we have to point out that, to our knowledge, it is the first time in the world that a clear proof of a realization of these alloys was made.