Non-linearites optiques moyen-infrarouges et dispositifs dans les boites quantiques auto-assemblees de semi-conducteurs

par Thomas Brunhes

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Boucaud.

Soutenue en 2001

à Paris 11 .

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  • Résumé

    Cette these est consacree a l'etude des proprietes non-lineaires, de coherence et a la realisation de dispositifs opto-electroniques dans les boites quantiques auto-assemblees de semiconducteurs. Les etudes ont ete realisees sur deux types de structures : les boites quantiques inas/gaas et les boites quantiques ge/si. Nous avons etudie en premier les proprietes optiques non-lineaires des boites quantiques inas/gaas. Les transitions intra-bandes ont ete utilisees pour generer un signal de second harmonique, a la fois en bande de conduction (boites dopees n) et en bande de valence (boites dopees p). Dans les deux cas, le doublement de frequence peut etre obtenu dans des conditions de double resonance. Des susceptibilites elevees ont ainsi pu etre mesurees soit, pour un plan de boites, ( 2 ) z x x = 2 10 - 7 mv - 1 dans le cas des boites dopees p et ( 2 ) z x x = 2,5 10 - 6 mv - 1 pour les boites dopees n. La valeur elevee de la susceptibilite s'explique par les valeurs elevees a la fois des dipoles et des temps de coherence associes aux transitions intra-bandes dans les boites. Notons que les susceptibilites les plus elevees presentent un tenseur du type ( 2 ) z x x. Par la suite, les boites ont fait l'objet d'une etude de spectroscopie resolue en temps. Nous avons pour la premiere fois observe le phenomene d'echo de photons en resonance avec une transition intra-bande polarisee dans les plan des couches. A basse temperature, le temps de coherence de cette transition est egal a 20 ps. L'etude des boites quantiques ge/si a egalement constitue une partie importante de ce travail. La caracterisation optique de ces ilots a d'abord ete effectuee par des experiences de photoluminescence. Par la suite, nous avons etudie les proprietes spectroscopiques des boites dans la gamme du moyen-infrarouge. Ces dernieres mesures ont permis d'etablir un diagramme d'energie experimental des niveaux confines au sein des boites ge/si. Une autre partie importante de ce travail est consacree a la realisation et a la caracterisation de dispositifs opto-electroniques. Nous avons realise une diode electro-luminescente dont la partie active est composee de cinq plans de boites ge/si. Cette hetero-jonction est capable d'emettre un signal dans la gamme des longueurs d'onde des telecommunications ( 1,5 m) jusqu'a temperature ambiante. Enfin, nous avons realise deux types de photo-detecteurs a boites quantiques (qdips) fonctionnant dans la gamme du moyen-infrarouge. La region active du premier type de detecteur est composee de boites quantiques ge/si. Le second type de photo-detecteur possede une zone active constituee de boites inas/gaas. Dans les deux cas, nous avons etabli une comparaison directe entre l'absorption intra-bande des boites et les mecanismes participant au photo-courant. En particulier, les proprietes d'absorption des boites dans le plan des couches permettent a ces photo-detecteurs de fonctionner sous incidence normale.


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