Spectroscopie térahertz d'hétérostructures à base de HgCdTe et de InAs/GaSb

Terahertz spectroscopy of HgCdTe - and InAs/GaSb - based heterostructures

• Auteur / Autrice : Mikhail Fadeev
• Direction : Frédéric Teppe, Sergey Morozov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Institutefor Physics of Microstructures RAS
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Teppe, Sergey Morozov, Alexander Andrianov, Jérôme Tignon, Isabelle Robert-Philip, Alexeï Baranov, Dmitry Khokhlov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexander Andrianov, Jérôme Tignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie infrarouge

Masers

Photoluminescence

Isolants topologiques

Mots clés libres

Isolant topologique

HgCdTe

Magnétospectroscopie Térahertz

InAs/GaSb

Photoluminescence

Émission stimulée

Topological Insulator

HgCdTe

Terahertz magnetospectroscopy

Magnetospectroscopy

Photoluminescence

Stimulated emission

Résumé

Ce travail de thèse concerne l’étude de la structure de bandes et des propriétés optiques d'hétérostructures à faibles gaps, à base de puits quantiques (QWs) de HgTe/HgCdTe et de AlSb/InAs/GaSb/AlSb. Leur structure de bandes peut passer d’un ordre normal à un ordre inversé, induisant une transition de phase topologique d'un isolant trivial à un isolant topologique. L'une des caractéristiques les plus remarquables de ces isolants topologiques est leurs propriétés de transport uniques, dues à des canaux de bord unidimensionnels polarisés en spin ayant une conductance quantifiée. Ces propriétés de transport sont d'un grand intérêt autant du point de vue fondamental qu’appliqué. Or, la phase isolant topologique a été observée à la fois dans des puits quantiques de HgTe/HgCdTe et dans InAs/GaSb. Cependant, dans les deux cas, l’utilisation des propriétés physiques étonnantes de ces systèmes est limitée par leur faible énergie de bande interdite.Nous présentons l’étude expérimentale de puits quantiques de géométrie innovante, à base de triples couches InAs/GaSb/InAs. Les résultats de spectroscopie par magnéto-absorption et par photoluminescence montrent que la nouvelle géométrie de puits accroît la bande interdite comparativement aux bicouches InAs/GaSb. Nous confirmons également la prédiction théorique selon laquelle la conception de ces triples couches peut être combinée avec un effet de contrainte pour amplifier la valeur du gap inversé. Les résultats présentés prouvent que InAs/GaSb/InAs a en effet un grand gap inversé, ce qui rend plausible l’observation à terme de l’effet Hall quantique de spin à haute température.Des hétérostructures tri-couches HgTe/CdHgTe/HgTeformant un double puits quantique sont ensuite présentées. Dans cet autre système, l'interaction entre les états de deux puits se traduit par un riche diagramme de phase topologique. Nous montrons spécifiquement que la structure de bandes des puits doubles deHgTe subit plusieurs transitions de phase topologiques induites par la température. La première transition est similaire à celle observée auparavant dans des puits simples. La seconde transition pourrait conduire à la formation d'un nouvel état topologique d'ordre plus élevé. Une autre propriété des hétérostructures HgTe/HgCdTe et Alb/InAs/GaSb/InAs/AlSb de faibles gaps repose sur la dispersion des porteurs de charges imitant celle des particules relativistes. La loi de conservation de la quantité d'énergie dans les systèmes relativistes interdit la recombinaison Auger non radiative, c’est-à-dire le facteur fondamental limitant le fonctionnement des sources de rayonnement inter-bandes. Ainsi, les hétérostructures à dispersions relativistes peuvent être utilisées pour le développement de sources pour l’infrarouge moyen et lointain à base de semi-conducteurs. Ils sont particulièrement intéressants dans la gamme 24-60 microns où les lasers à cascades quantiques unipolaires à base de semi-conducteurs A3B5 ne peuvent pas fonctionner en raison de l'absorption élevée du réseau cristallin.L'objectif de la deuxième partie de ce travail de doctorat est donc d'étudier la structure de bandes et les propriétés radiatives des hétérostructures à base de HgTe/CdTe et de développer les bases physiques des lasers à semi-conducteurs pour le THz. Des résultats d'émission de plusieurs échantillons sont présentés et leur structure de bandes est analysée dans le but de déterminer la structure optimale permettant l'amplification du rayonnement THz. Nous démontrons que la suppression de la recombinaison Auger est obtenue dans des puits minces de HgTe ayant une concentration de cadmium nulle, entourés de barrières HgCdTe avec 70% de CdTe. Enfin, les paramètres de pompage optique sont étudiés et nous affirmons que l'augmentation de la longueur d'onde d'excitation améliore les caractéristiques de l'émission stimulée. Ces résultats démontrent le potentiel des hétérostructures HgTe/CdHgTe entant que sources infrarouge lointain et Thz.

This thesis presents the studies of the band structure and optical properties of narrow-gap heterostructures with HgTe/HgCdTe and broken-gap Alb/InAs/GaSb/AlSb quantum wells (QWs). A unique property of these solid-state systems is high sensitivity of their band structure to internal parameters, such as thickness and composition of the QWs. It allows changing the band structure from normal to inverted inducing topological phase transition from trivial band insulator to quantum spin Hall insulator (QSHI). One of the most remarkable features of QSHI is its unique transport properties, expressed by the current being transmitted via spin-polarized one-dimensional edge channels with quantized conductance.Transport properties of QSHI are of great scientific interest regarding fundamental effects as well as practical applications. Edge channels can be used for the dissipationless current transfer, resistance standards, in spintronics and quantum computing. Topological insulator states have been observed both in HgTe/HgCdTe and InAs/GaSb quantum wells structures. However, in both cases, further application of the amazing physical properties of these systems is limited by their low bandgap energy.In the first part of this Ph.D. project, we present experimental studies of innovative QW geometry on the basis of trilayer InAs/GaSb/InAs structures. The results of magnetoabsorption and photoluminescence spectroscopy show that new geometry increases the bandgap compared to bilayer InAs/GaSbQWs. We also confirm the theoretical prediction that trilayer design can be combined with strained QW layers to amplify the value of inverted bandgap. Presented results prove that InAs/GaSb/InAs can be a basis for QSHI with a large bulk band-gap and pave the way towards ultimately plausible high-temperature topological conductivity.We also investigate trilayer HgTe/CdHgTe/HgTe heterostructures with double QWs. In this system interaction between the states in two QWs results in rich topological behavior. We show that the band structure of double HgTe QWs experiences multiple topological phase transitions driven by temperature. The first transition is similar to the one observed previously in single HgTe QWs. However, the second transition can lead to a formation of a novel phase, high order topological insulator.Another property of HgTe/HgCdTe and Alb/InAs/GaSb/InAs/AlSb heterostructures which is realized in narrow gap structures is carrier dispersion mimicking that of relativistic particles. Energy-momentum conservation laws within quasirelativistic dispersion prohibit non-radiative Auger recombination, the main fundamental factor limiting the operation of interband radiation sources. Thus, the structures with quazirelativistic dispersion can be used for the development of solid-state sources of infrared radiation. They are especially appealing in the wavelength range from 24 to 60 microns where A3B5–based unipolar quantum cascade lasers cannot operate due to high lattice absorption.The goal of the second part of this Ph.D. project is to study the band structure and radiative properties of HgTe/CdTe based heterostructures with QWs and develop the physical foundation for the far-infrared semiconductor lasers. We present the results of emission from samples with Hg1-yCdyTe/Hg1-xCdxTe QWs and analyze their band structure in order to determine the most efficient designs for the amplification of long-wavelength radiation. We demonstrate that maximum suppression of Auger recombination is achieved in structures with thin HgTe QWs with zero cadmium concentration surrounded by HgCdTe barriers with 70% CdTe. Finally, we investigate the pumping parameters and show that the increase of the wavelength of optical excitation improves the characteristics of stimulated emission. These results demonstrate the potential of HgTe/CdHgTe heterostructures as a basis for far-infrared and terahertz sources.