electronic, optical and dynamic properties of self-organised and coupled quantum dots on InP substrate
propriétés électroniques, optiques et dynamiques de boites quantiques auto-organisées et couplées sur substrat InP
Résumé
This thesis deals with the understanding of InAs quantum dots on InP substrate.
Chapter 0 is a detailed introduction to quantum dots. This part presents the motivations for studying quantum dots, and especially in the InAs/InP system. Epitaxial growth principles are thus explained.
Chapter 1 presents a theoretical study of quantum dots on InP substrate. These dots are studied from a theoretical point of view, by a eight-band k•p calculation. The impact of the dot composition (InAs or InAsSb) and of the substrate orientation ((311)B or (100)) on quantum dots optical properties is analyzed for telecoms or gas detection applications between 1.5 and 5 µm.
In chapter 2, quantum dots are then studied experimentally. Various experimental spectroscopic setups have been used (photoluminescence, magneto-photoluminescence, absorption spectroscopy) in order to determine fundamental constants of our quantum dots. The absorption coefficient, exciton Bohr radius, effective mass, and binding energy are measured, as well as the separation between excited states transitions and ground state transition. It is then demonstrated that using a quaternary alloy InGaAsP is a judicious choice for laser applications.
The lateral coupling between quantum dots is studied both experimentally and theoretically in chapter 3. In the quaternary alloy InGaAsP, with optimised growth conditions, high quantum dot densities can be reached, with a good in-plane organisation. A new reciprocal space calculation method has been developed in order to simulate such a quantum dot lattice. These calculations predicts lateral coupling between dots for these quantum dot densities. Magneto-photoluminescence, photoluminescence and electroluminescence are used to study this lateral coupling. The impact of coupling on charge carrier redistribution is also discussed.
Finally, pump-probe experiments on InAs/InP quantum dots are presented in chapter 4. Decay times of quantum dots energy levels are measured. An interpretation of the measurements is given in term of exciton and biexciton lifetimes, and consequences for quantum dots-based devices are discussed.
Conclusions and prospects are also given, and a confrontation with existing literature is proposed in this manuscript.
Chapter 0 is a detailed introduction to quantum dots. This part presents the motivations for studying quantum dots, and especially in the InAs/InP system. Epitaxial growth principles are thus explained.
Chapter 1 presents a theoretical study of quantum dots on InP substrate. These dots are studied from a theoretical point of view, by a eight-band k•p calculation. The impact of the dot composition (InAs or InAsSb) and of the substrate orientation ((311)B or (100)) on quantum dots optical properties is analyzed for telecoms or gas detection applications between 1.5 and 5 µm.
In chapter 2, quantum dots are then studied experimentally. Various experimental spectroscopic setups have been used (photoluminescence, magneto-photoluminescence, absorption spectroscopy) in order to determine fundamental constants of our quantum dots. The absorption coefficient, exciton Bohr radius, effective mass, and binding energy are measured, as well as the separation between excited states transitions and ground state transition. It is then demonstrated that using a quaternary alloy InGaAsP is a judicious choice for laser applications.
The lateral coupling between quantum dots is studied both experimentally and theoretically in chapter 3. In the quaternary alloy InGaAsP, with optimised growth conditions, high quantum dot densities can be reached, with a good in-plane organisation. A new reciprocal space calculation method has been developed in order to simulate such a quantum dot lattice. These calculations predicts lateral coupling between dots for these quantum dot densities. Magneto-photoluminescence, photoluminescence and electroluminescence are used to study this lateral coupling. The impact of coupling on charge carrier redistribution is also discussed.
Finally, pump-probe experiments on InAs/InP quantum dots are presented in chapter 4. Decay times of quantum dots energy levels are measured. An interpretation of the measurements is given in term of exciton and biexciton lifetimes, and consequences for quantum dots-based devices are discussed.
Conclusions and prospects are also given, and a confrontation with existing literature is proposed in this manuscript.
Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude et la compréhension des boites quantiques InAs sur substrat InP, travail mené en collaboration avec l'université technique (TU) de Berlin en Allemagne, et l'université catholique (KU) de Leuven en Belgique, dans le cadre du réseau d'excellence européen SANDIE.
Le chapitre 0 est une introduction détaillée à la physique des boites quantiques. Cette partie mets en évidence les motivations et les enjeux scientifiques liés à l'étude des boites quantiques, et en particulier dans le système InAs/InP. Les principes de fabrication des boites quantiques par épitaxie par jet moléculaire sont également détaillés.
Le chapitre 1 présente une étude théorique des boites quantiques sur substrat InP. Ces boites sont tout d'abord étudiées à l'aide d'une méthode de calcul de type k•p à huit bandes. L'influence de la composition de la boite quantique (InAs ou InAsSb), ainsi que celle de l'orientation du substrat ((311)B ou (100)) sur les propriétés optiques des ces boites est ainsi analysée. Des solutions sont ainsi proposées pour l'utilisation de telles boites quantiques comme sources laser pour les applications télécom (1.5 µm), ou encore pour la détection de gaz, ou les transmissions en espace libre (entre 2 et 5 µm).
Dans le chapitre 2, les boites quantiques sont étudiées expérimentalement. De nombreuses techniques de spectroscopie ont été utilisées (photoluminescence, magnéto-photoluminescence, spectroscopie d'absorption) afin de déterminer les constantes fondamentales de nos boites quantiques. Ainsi, le coefficient d'absorption, le rayon de Bohr de l'exciton, sa masse effective et son énergie de liaison sont mesurés dans le système InAs/InP, ainsi que les écarts énergétiques entre les états fondamentaux et excités de boites quantiques. Il est ainsi démontré expérimentalement que l'utilisation d'un alliage quaternaire InGaAsP est plus adapté pour les applications laser que l'alliage binaire InP.
Le couplage latéral de boites quantiques est étudié à la fois expérimentalement et théoriquement dans le chapitre 3. Lorsque l'alliage quaternaire InGaAsP est utilisé avec des conditions de croissance optimisées, une très haute densité de boites quantiques peut être obtenue, avec une bonne organisation de ces boites dans le plan de croissance. Une nouvelle méthode de calcul dans l'espace réciproque a été développée afin de simuler un tel super-réseau de boites quantiques. Ces calculs prédisent qu'il peut exister un couplage latéral entre ces boites quantiques pour de si fortes densités. Des expériences de magnéto-photoluminescence, de photoluminescence et d'électroluminescence sont utilisées afin de mettre en évidence ce couplage latéral. L'influence de ce couplage sur la redistribution des porteurs de charge dans les composants laser est discutée. Il est montré qu'un régime de couplage judicieusement choisi permet d'améliorer les performances des lasers à boite quantique.
Finalement, des expériences pompe-sonde sur les boites quantiques InAs/InP sont présentées dans le chapitre 4. Les temps de vie radiatifs des niveaux d'énergie de boites quantiques sont mesurées. Une interprétation de ces mesures est donnée en terme de durée de vie de l'exciton et du biexciton dans nos boites quantiques, et les conséquences de ces mesures sur le comportement dynamique des composants lasers à base de boites quantiques sont discutées.
Des conclusions et des perspectives à ce travail de thèse sont enfin présentées, ainsi que la bibliographie utilisée comme support et point de départ de ce travail de thèse.
Le chapitre 0 est une introduction détaillée à la physique des boites quantiques. Cette partie mets en évidence les motivations et les enjeux scientifiques liés à l'étude des boites quantiques, et en particulier dans le système InAs/InP. Les principes de fabrication des boites quantiques par épitaxie par jet moléculaire sont également détaillés.
Le chapitre 1 présente une étude théorique des boites quantiques sur substrat InP. Ces boites sont tout d'abord étudiées à l'aide d'une méthode de calcul de type k•p à huit bandes. L'influence de la composition de la boite quantique (InAs ou InAsSb), ainsi que celle de l'orientation du substrat ((311)B ou (100)) sur les propriétés optiques des ces boites est ainsi analysée. Des solutions sont ainsi proposées pour l'utilisation de telles boites quantiques comme sources laser pour les applications télécom (1.5 µm), ou encore pour la détection de gaz, ou les transmissions en espace libre (entre 2 et 5 µm).
Dans le chapitre 2, les boites quantiques sont étudiées expérimentalement. De nombreuses techniques de spectroscopie ont été utilisées (photoluminescence, magnéto-photoluminescence, spectroscopie d'absorption) afin de déterminer les constantes fondamentales de nos boites quantiques. Ainsi, le coefficient d'absorption, le rayon de Bohr de l'exciton, sa masse effective et son énergie de liaison sont mesurés dans le système InAs/InP, ainsi que les écarts énergétiques entre les états fondamentaux et excités de boites quantiques. Il est ainsi démontré expérimentalement que l'utilisation d'un alliage quaternaire InGaAsP est plus adapté pour les applications laser que l'alliage binaire InP.
Le couplage latéral de boites quantiques est étudié à la fois expérimentalement et théoriquement dans le chapitre 3. Lorsque l'alliage quaternaire InGaAsP est utilisé avec des conditions de croissance optimisées, une très haute densité de boites quantiques peut être obtenue, avec une bonne organisation de ces boites dans le plan de croissance. Une nouvelle méthode de calcul dans l'espace réciproque a été développée afin de simuler un tel super-réseau de boites quantiques. Ces calculs prédisent qu'il peut exister un couplage latéral entre ces boites quantiques pour de si fortes densités. Des expériences de magnéto-photoluminescence, de photoluminescence et d'électroluminescence sont utilisées afin de mettre en évidence ce couplage latéral. L'influence de ce couplage sur la redistribution des porteurs de charge dans les composants laser est discutée. Il est montré qu'un régime de couplage judicieusement choisi permet d'améliorer les performances des lasers à boite quantique.
Finalement, des expériences pompe-sonde sur les boites quantiques InAs/InP sont présentées dans le chapitre 4. Les temps de vie radiatifs des niveaux d'énergie de boites quantiques sont mesurées. Une interprétation de ces mesures est donnée en terme de durée de vie de l'exciton et du biexciton dans nos boites quantiques, et les conséquences de ces mesures sur le comportement dynamique des composants lasers à base de boites quantiques sont discutées.
Des conclusions et des perspectives à ce travail de thèse sont enfin présentées, ainsi que la bibliographie utilisée comme support et point de départ de ce travail de thèse.
Domaines
Physique [physics]
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