Optical properties of GaN quantum dots and nanowires

• Auteur / Autrice : Julien Renard
• Direction : Henri Mariette, Bruno Gayral
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble, Isère, France ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocristaux semiconducteurs

Microcavités

Nanofils

Résumé

Nous avons étudié par diverses techniques de photoluminescence les propriétés optiques d'hétérostructures à base de composés III-N de structure wurtzite. Des expériences de photoluminescence résolues en polarisation nous ont permis de mettre en évidence l'influence des contraintes et du confinement sur la structure de bande d'une hétérostructure. L'étude de boites quantiques unique GaN/AIN a pu être réalisée sur un système original: une boite quantique comme tranche d'un nanofil. Ce nouveau système nous a ainsi permis d'identifier les émissions de l'ex ci ton et du biexciton. Nous avons également démontré le caractère d'émetteur de photon unique d'une boîte quantique insérée dans un nanofil grâce à une expérience de corrélation de photon fonctionnant dans l'ultraviolet. Nous nous sommes également intéressés aux propriétés optiques de microdisques III-N et avons mesuré des facteurs de qualité atteignant 11000, ouvrant la porte à l'étude de l'effet Purcell dans ces structures. Finalement nous nous sommes penchés sur la dynamique des porteurs et du spin dans les hétérostructures GaN/AIN. Les boîtes quantiques se révèlent extrêmement efficaces pour éviter les recombinaisons non radiatives, les temps de déclin de la luminescence étant indépendants de la température même pour des boites présentant des déclins de l'ordre de la microseconde. Les boites quantiques semblent aussi être très efficientes pour supprimer les effets de diffusion sur le spin d'un exciton localisé. En effet des expériences d'alignement optique en pompage quasi résonnant nous ont permis de montrer que la polarisation induite était conservée sur la durée de vie de l'ex ci ton et ce jusqu'à température ambiante.

We studied the optical properties of wurtzite III-N heterostructures by means of various photoluminescence methods. Polarization resolved photoluminescence experiments allowed us to probe the combined effects of strain and confinement on the band structure of an heterostructure. We managed to perform the study of single GaN/AIN quantum dots on and original system: a quantum dot as a slice of a nanowire. This new system allowed us to identify the exciton and biexciton recombination. We also demonstrated that this structure behave as a single photon source thanks to a correlation experiment performed in the UV. We also studied the optical properties of III-N microdisks and measured quality factors up to 11000, which is promising to demonstrate the Purcell effect. Finally, we studied the carrier and spin dynamics in GaN/AIN heterostructures. The quantum dots are very efficient to inhibit the non radiative recombinations. The decay times are indeed not sensitive to temperature, ev en for lifetimes in the micro second range. The quantum dots seem also to be very effective to reduce the spin scattering mechanisms for a localized exciton. Optical alignment experiments, performed under quasiresonnant excitation, allowed us to show that the induced polarization was conserved on the lifetime of the exciton up to room temperature.