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Thèse Année : 2004

GaN/AlN quantum wells and quantum dots for applications to telecommunications at 1,55µm

Puits et boîtes quantiques de GaN/AlN pour les applications en optoélectronique à 1,55 µm

Résumé

GaN/AlN nanostructures present great potentialities for applications to devices operating at telecommunication wavelengths. The large conduction-band discontinuity for this system allows intraband transitions between 1.3 and 1.55 µm. The samples presented in this work have been grown by molecular beam epitaxy using radiofrequency nitrogen plasma (CEA/Grenoble) or ammonia (CRHEA) as sources. The structural characterization has been carried out by means of RBS, high-resolutions X-ray diffraction and transmission electron microscopy measurements. Optical measurements including Fourier Transform infrared transmission, photo-induced absorption and photoluminescence have also been performed during this study. In GaN/AlN quantum wells, inter-subband (ISB) transitions are observed in the wavelength range of 1.4-2.1 µm depending on the quantum wells thickness. We show that carrier localization occurs even at room temperature in this system due to thickness fluctuations at the interfaces. The observed blue-shift of the IBS absorption with increasing doping level is attributed to many-body effects dominated by the exchange interaction. The first photo-detector device based on the intersubband absorptions has been designed and processed. Intraband absorptions resulting from the vertical confinement have been observed for the first time in GaN/AlN self-organized quantum between 2.4 and 1.2 µm. The signature of the in-plane confinement is found at longer wavelengths. We show that by increasing the internal field and by reducing the nanostructures height to 1.5-2 nm, absorption can be observed at 1.55 µm.
Les nanostructures de puits ou boîtes quantiques de GaN/AlN présentent des potentialités très intéressantes pour les applications aux composants optoélectroniques télécoms. Ceci tient à la forte discontinuité en bande de conduction qui permet d'observer des absorptions intrabandes entre niveaux électroniques confinés dans la gamme de longueurs d'onde de 1,3 à 1,55 µm. Les échantillons étudiés durant la thèse ont été fabriqués par épitaxie par jets moléculaires avec pour source d'azote soit de l'ammoniac (CRHEA) soit un plasma d'azote (CEA). Les échantillons ont été caractérisés par différentes techniques structurales (RBS, TEM, diffraction de rayons-X) ainsi que par des mesures optiques: spectroscopie de transmission à transformée de Fourier, d'absorption photo-induite et de photoluminescence. Nous montrons que les puits quantiques GaN/AlN présentent une absorption intersousbandes intenses à température ambiante et que celle-ci est ajustable entre 1,3 et 2,1 µm en fonction de l'épaisseur du puits GaN (4 à 10 monocouches). Nous observons aussi que le champ interne conjugué aux rugosités d'interfaces conduit à une forte localisation des porteurs dans le plan des couches à température ambiante. L'absorption des puits dopés est systématiquement décalée à haute énergie par rapport aux puits non dopés. Nous interprétons ce décalage comme la conséquence des effets à N-corps dominés par l'interaction d'échange. Nous discutons enfin les résultats sur un premier dispositif de photo-détection intersousbandes à puits quantiques GaN. Nous rapportons aussi les résultats originaux que nous avons obtenus sur la spectroscopie intrabande du confinement électronique dans les boîtes quantiques auto-organisées de GaN/AlN. Nos résultats montrent la présence d'absorption intrabandes liés au confinement vertical des électrons aux longueurs d'onde dans la gamme 2,4-1,2 µm. Les transitions fondamentales s-px régies par le confinement dans le plan sont observées à plus grande longueur d'onde. Nous montrons enfin qu'en jouant sur le champ interne et en réduisant la taille des îlots, l'absorption intrabande s-pz est aux longueurs d'onde télécoms pour des boîtes de hauteur 1,5 à 2 nm.
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Dates et versions

tel-00008330 , version 1 (02-02-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00008330 , version 1

Citer

Ana Helman. Puits et boîtes quantiques de GaN/AlN pour les applications en optoélectronique à 1,55 µm. Matériaux. Université Paris Sud - Paris XI, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00008330⟩
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