Emission et modulation intersousbande dans les nanostructures de nitrures

Intersubband emission and modulation in nitrides nanostructures

• Auteur / Autrice : Laurent Nevou
• Direction : François Julien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Transitions intersousbandes

Puit quantique

Boite quantique

Nitrure d'éléments III

Emission intersousbande

Modulation intersousbande

Relaxation intrabande

Saturation intrabande

Résumé

Depuis une vingtaine d’années, la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd’hui deux frontières à explorer : l’extension vers le THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, les puits et boîtes quantiques GaN/AlN étudiés dans cette thèse sont les candidats les plus sérieux car ils présentent une discontinuité de potentiel suffisamment élevée en bande de conduction (1,75 eV). Je présente en premier lieu mes expériences à température ambiante portant sur les puits quantiques GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je montre l’amplification résonante de la génération de second harmonique à λ~1 µm mais aussi la première observation de la luminescence intersousbande à λ~2,1 µm sous pompage optique. J’étudie ensuite le confinement quantique dans des structures à puits quantiques couplés GaN/AlN. Ces structures ont permis de mettre en évidence le transfert tunnel des électrons entre puits quantiques sous application d’une tension et de fabriquer un modulateur électro-optique rapide (3 GHz). Finalement, j’étudie le confinement quantique dans les boîtes quantiques GaN/AlN. Dans ces nano-objets, je mets en évidence à température ambiante l’émission intrabande pz-s à λ~1,48 µm. Je déduis de ces mesures la largeur de raie intrabande d’une boîte unique. Je montre en outre que la durée de vie des électrons excités est ~160 fs via des expériences de pompe-sonde. A partir des mesures de saturation d’absorption et d’émission, j’estime le temps de cohérence des électrons entre les sous niveaux à T2~320 fs.

Intersubband transitions in semiconductor heterostructures have been intensively studied since the mid 80s. Nowadays there are two frontiers to explore: extending the operation of intersubband devices to the THz domain and to the near infra-red range. To reach the optical fiber telecommunication spectral range, the GaN/AlN quantum wells and quantum dots under investigation in this manuscript are the most promising candidates due to their large conduction band offset (1. 75 eV). I first present room-temperature experiments on GaN/AlN quantum wells grown by molecular beam epitaxy on sapphire substrate (0001). I report on the resonant enhancement of second harmonic generation at λ~1 µm as well as the first observation of intersubband emission at λ~2. 1 µm under an optical pumping at room temperature. I then study the electron quantum confinement in GaN/AlN coupled quantum wells and demonstrate the electron tunnelling between the two quantum wells under applied bias. This process is then applied to the realization of a fast electro-optical modulator (3 GHz). Finally, I investigate the quantum confinement in GaN/AlN quantum dots. In these nano-objects, I describe the observation of intraband emission between the pz and s states at λ~1. 48 µm at room temperature. These measurements allow to estimate the homogeneous broadening of the intraband transition in a single quantum dot. I then present pump-probe experiments aimed at measuring the lifetime of excited electrons, T1~160 fs. The dephasing time of electrons between the quantum dot states is estimated to be T2~320 fs based on absorption saturation and emission measurements.