Etude optique de nanofils GaN et de microcavités GaN/AIN

par Diane Sam-Giao

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bruno Gayral.

Soutenue le 15-11-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Service de Physique des Matériaux et des Microstructures (équipe de recherche) .

Le président du jury était Pierre Lefebvre.

Le jury était composé de Bruno Gayral, David Ferrand, Raphaël Butte, Sophie Bouchoule.

Les rapporteurs étaient Joël Leymarie.


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l'étude optique de nanofils de GaN et de microcavités d'AlN contenant des boîtes quantiques de GaN. La largeur de raie de l'exciton lié au donneur neutre dans le spectre de photoluminescence des nanofils de GaN crûs par épitaxie par jets moléculaires met en evidence l'homogénéité des contraintes dans le matériau. S'ils ne présentent aucun confinement excitonique, la géométrie filaire permet une relaxation efficace des contraintes et permet d'étudier précisément le bord de bande du GaN relaxé en phase cubique. Par ailleurs, nous infirmons l'attribution de la transition à 3.45 eV observée dans le spectre des nanofils de GaN wurtzite à un satellite à deux électrons. En effet, les règles de sélection de son dipôle, ainsi que son évolution sous champ magnétique intense, montrent que cette transition n'a pas les propriétés d'un satellite à deux électrons. Nous avons également étudié la spectroscopie de microdisques d'AlN contenant des boîtes quantiques de GaN. Des facteurs de qualité record pour les cavités en AlN ont été mesurés autour de 3 eV. Des nanocavités d'AlN contenues dans des guides d'onde unidimensionnels ont également été étudiées. L'attribution de chaque mode au guide d'onde ou à la cavité, prédite par des calculs préliminaires, est confirmée expérimentalement par une localisation différente. Ces structures donnent lieu à d'excellents facteurs de qualité, de 2300 à 3.45 eV, jusqu'à 4400 à 3.14 eV. Si le facteur de Purcell attendu est très élevé (autour de 100), nous n'avons pas réussi à observer l'effet Purcell. Ceci s'explique soit par l'instabilité des modes de cavité et de l'émission des boîtes quantiques sous exposition prolongée, soit par l'importance des recombinaisons non radiatives. Enfin, il apparaît que le frein principal à l'obtention de l'effet laser dans ces structures est l'important champ électrique interne, qui ralentit l'émission spontanée des boîtes quantiques.

  • Titre traduit

    Optical study of GaN nanowires and GaN / AlN microcavities


  • Résumé

    This work focuses on the optical study of GaN nanowires and AlN microcavities containing GaN quantum dots. The 1-meV linewidth of the neutral donor-bound exciton line in the photoluminescence spectrum of MBE-grown GaN nanowires evidences that the strain is homogeneous in the material. These nanowires do not exhibit any excitonic confinement, but the efficient strain relaxation allows to grow strain-free zinc-blende GaN nanowires and then to conduct fine spectroscopy on cubic GaN near band edge. Beside, we show that the tentative attribution of the recombination line at 3.45 eV in the spectrum of wurtzite GaN nanowires to a surface-enhanced two-electron satellite does not hold. Indeed, its dipole polarization selection rules and its evolution with intense applied magnetic field do not match that of a two-electron satellite. We also performed the spectroscopy of GaN/AlN quantum dot microdisks. Record quality factors for AlN cavities were measured around 3 eV. GaN/AlN quantum dot nanocavities embedded in photonic crystal waveguides were also investigated. The attribution of each mode either to the waveguide or to the cavity, predicted by calculations, is experimentally confirmed by a different light localization. These structures allow excellent quality factors to be reached, from 2300 at 3.45 eV, up to 4400 at 3.14 eV. Although the expected Purcell factor is very high (around 100), we did not manage to observe the Purcell effect. This originates either from an enhancement of non-radiative recombination channels or from an instability of both the cavity modes and the quantum dot emission under intense exposure. Finally, it appears that the main limiting factor to achieve lasing in these structures is the strong built-in electric field, which slows up the spontaneous emission rate of the quantum dots


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