Propriétés optiques et mécanismes de relaxation de l`énergie des

Propriétés optiques et
mécanismes de relaxation
de l'énergie des porteurs
dans des boîtes quantiques
Nathalie PERRET
Thèse présentée au département de Physique
en vue de l'obtention du grade de Docteur ès Science (Ph.D.)
FACULTÉ DES SCIENCES
UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE
Sherbrooke (Québec), Canada, Mai 2001

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Résumé
L’objet de ce doctorat est l’étude des propriétés optiques, et en particulier de la relaxation
de l’énergie des porteurs dans des structures à boîtes quantiques d’InAs/GaAs. Le travail
expérimental a été réalisé grâce aux techniques de photoluminescence (PL) continue et de
photoluminescence résolue dans le temps, sur des échantillons comprenant un très grand nombre
de boîtes. Pour l’analyse des résultats, nous nous sommes basés sur les connaissances déjà
établies quant aux propriétés structurelles et à la nature des transitions optiques dans des
systèmes semblables.
À l’aide des mesures expérimentales effectuées sur une série d'échantillons de boîtes
quantiques interdiffusées à divers degrés, et des calculs variationnels de leurs états électroniques,
nous avons démontré clairement que la largeur des raies d’émission de la PL, qui est due aux
inhomogénéités dans l’ensemble de boîtes étudié, peut être attribuée principalement à des
fluctuations de la hauteur des boîtes.
D’autre part, la détermination des temps de montée et de décroissance des intensités de
photoluminescence a montré l’importance de certains mécanismes de transport et de relaxation,
en fonction des conditions expérimentales. En effet, les temps caractéristiques de la capture, de la
relaxation interniveaux et de la recombinaison des porteurs varient significativement, selon le
mécanisme prédominant, en fonction de la température, de la densité d’excitation et de la
séparation interniveaux quantiques. Ainsi, les principaux mécanismes mis en évidence sont: la
localisation des porteurs dans les barrières à basse température dans le cas des échantillons
interdiffusés, les collisions de type Auger sous forte excitation, les processus multiphononiques
et la ré-émission thermique à haute température.
Un modèle de relaxation, basé sur les équations d’évolution de la population de porteurs
de chaque niveau quantique, a aussi été développé pour mieux identifier l’effet de chacun des
principaux mécanismes de relaxation des porteurs considéré séparément. Ces simulations ont
permis une analyse plus approfondie du rôle de ces mécanismes. Ainsi, nous avons mis en

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évidence l'importance de la localisation des porteurs dans la couche de mouillage, ainsi que
l'importance des mécanismes de collisions Auger lors de la capture, la capture et la relaxation
interniveaux des porteurs vers tous les niveaux d’énergie inférieure simultanément. De plus,
l’importance de la distribution initiale des porteurs dans les boîtes a été étudiée. Notre modèle
permet de reproduire de façon très satisfaisante l'évolution des populations de porteurs dans
quatre niveaux 0D confinés dans les boîtes.
Finalement, les résultats expérimentaux montrent que la relaxation de l’énergie des
porteurs est beaucoup plus rapide que cela avait été prédit initialement par la théorie du "phonon
bottleneck". Nos résultats indiquent que l'intensité lumineuse émise par les boîtes est régie
principalement par le taux de capture/relaxation interniveaux des porteurs dans les boîtes. Mais
elle est limitée par la ré-émission thermique des porteurs hors des boîtes, à haute température. La
relaxation rapide des porteurs et la forte intensité lumineuse émise par les boîtes quantiques
donnent enfin de grands espoirs pour le développement d’applications technologiques basées sur
ces matériaux.

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Remerciements
J'aimerais tout d'abord remercier mon directeur de recherche, Pr Denis Morris qui m'a
donné la chance de venir étudier au Québec et m'a guidé tout au long de ma thèse.
Je tiens à exprimer mes remerciements à tous nos collaborateurs, et en particulier au Dr
Simon Fafard pour nous avoir fourni des échantillons de très grande qualité, ce qui nous a permis
d'obtenir des résultats intéressants.
Je voudrais aussi remercier les professeurs, étudiants et techniciens du département de
physique et du département de génie électrique pour toute l'aide qu'ils m'ont apportée durant
toutes ces années passées à l'université de Sherbrooke.
Je profite de cette occasion pour remercier mes parents qui m'ont légué la "bosse des
sciences" et n'ont pas hésité à traverser l'atlantique pour venir m'encourager.
Je suis reconnaissante enfin à tous mes amis et particulièrement à mon mari qui m'ont
soutenue et encouragée dans les moments difficiles.

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Table des matières
RÉSUMÉ ................................................................................................................................... I
REMERCIEMENTS ............................................................................................................. III
LISTE DES FIGURES .......................................................................................................... VII
LISTE DES TABLEAUX ..................................................................................................... XVI
INTRODUCTION .................................................................................................................. .. 1
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR LES BOÎTES QUANTIQUES .................................... 7
1.1 PRÉAMBULE .............................................................................................................................. 7
1.2 PROPRIÉTÉS STRUCTURALES ET OPTIQUES DES BOÎTES QUANTIQUES ............................. 9
1.2.1 Croissance par auto-assemblage ............................................................................... 9
1.2.2 Autres techniques de fabrication ........................................................................... 13
1.2.3 Modélisation de la structure de bande .................................................................. 16
1.2.4 Nature des transitions optiques ............................................................................. 20
1.2.5 Énergie des transitions ............................................................................................ 30
1.3 DYNAMIQUE DES PORTEURS ................................................................................................ 34
1.3.1 Mécanismes de relaxation ....................................................................................... 34
1.3.2 Processus multi-phononiques ................................................................................ 41
1.3.3 Collisions entre porteurs, mécanismes Auger ...................................................... 48
1.3.4 Mécanismes assistés par les défauts ....................................................................... 53
1.3.5 Émission thermique ................................................................................................. 55
1.4 CONCLUSIONS ........................................................................................................................ 59