Application de la technique de photo réflectivité à la caractérisation de microcavités semi-conductrices

par Pierre-Damien Berger

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Catherine Bru-Chevallier.

Le jury était composé de Catherine Bru-Chevallier.


  • Résumé

    Le but de ce travail a été de caractériser optiquement des structures de microcavité réalisées par épitaxie par jets moléculaires à base de matériaux semi-conducteurs III-V. Nous utilisons la photo-réflectivité, méthode de spectrométrie de modulation optique, pour caractériser ces structures. Cette technique permet de mesurer la position du mode de la cavité Fabry-Pérot par rapport au niveau fondamental des puits quantiques, même lorsque cette transition se trouve masquée par le fort coefficient de réflectivité. De plus, les spectres de photo-réflectivité permettent d’obtenir la composition de l’alliage ternaire de la cavité, la valeur du champ électrique interne, l’épaisseur des puits quantiques. Ces résultats offrent ainsi la possibilité de calibrer les paramètres de croissance. Dans le cadre d'un projet avec le CENLETI, nous avons complété un programme de simulation concernant l’influence de la couche active des structures sur la réflectivité. Nous avons modélisé l'indice complexe des puits quantiques en ne tenant compte que de la contribution excitonique pour laquelle nous avons approximé la fonction d’onde au niveau des puits quantiques par une fonction Lorentzienne. Nous incluons aussi l’effet du champ électrique qui modifie l'énergie de la transition quantique par effet Stark. En faisant évoluer les transitions l'une par rapport à l'autre, nous mettons en évidence un phénomène d'anti-croisement entre les états excitoniques et photoniques, caractéristique du régime de couplage. A la résonance, le système oscille entre chacun de ces états. Nous avons étudié une structure VCSEL (Ga. S/AlGaAs) présentant un régime de couplage faible avec une énergie de séparation ЂΩ de 3,2meV en accord avec les résultats de simulation. Nous avons également observe un reg1me de couplage fort sur une structure de microcavité (InGaAs/ AIGaAs/GaAs) avec ЂΩ =8. 2me V.

  • Titre traduit

    Photo-reflectance technique applied to the characterization of semiconductor microcavities


  • Résumé

    The purpose of this work was to perform an optical characterization of microcavity structures grown by molecular beam epitaxy in III-V semiconductor alloys. We use the photo-reflectance modulation spectroscopy, a non-destructive method, to characterize these structures. Photo-reflectance allows to accurately measure the Fabry-Pérot cavity mode and the quantum well fundamental transition energy, even in the high reflectivity range. Moreover, photo-reflectance spectrum gives the composition of the cavity ternary alloy, the built-in electric field value, and the quantum well thickness. These results are used to calibrate the growth parameters. As part of the project with the CENLETI, we have completed a modelling of the structure reflectivity concerning the active layer influence. We have modelled the excitonic contribution absorption using a Lorentzian model. Experimental PR results are in good agreement with the reflectivity simulation of the structure taking account of the quantum confined Stark effect and electric field effect. If transitions are shifted one regard to the other, an anticrossing behavior appears when the excitonic state is resonant with the Fabry-Pérot cavity mode. Both states are coupled and separated by the Rabi splitting. These mixed states, also called cavity polaritons, can be considered as the result of a periodic oscillation of the energy between the exciton and the photon part of the state. We have performed PR measurements on a VCSEL structure (GaAs/AlGaAs) showing a weak coupling regime with a Rabi splitting of 3. 2meV. The results of simulation are in good agreement with these experimental values. We have also observed a strong coupling regime in a microcavity structure (lnGaAs/AJGaAs/GaAs) with a splitting of 8. 2meV.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (155 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.P.141-155

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(2077)
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