Bloch oscillations and Wannier Stark Ladder study in Semiconductor Superlattice

par Fanqi Meng

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Juliette Mangeney.

  • Titre traduit

    Oscillations de Bloch et échelle de Wannier Stark dans des superréseaux semiconducteurs


  • Résumé

    Le champ électromagnétique térahertz (THz) se situe dans l'intervalle de fréquence entre l'infrarouge et les micro-ondes, à peu près entre 1 THz à 10 THz. Ce domaine est hautement souhaitable tant pour la recherche fondamentale que pour les applications. Pourtant des sources THz compacts et accordables ne sont pas encore disponibles. Depuis la première proposition en 1970, les superréseaux semiconducteurs, dans lequel deux couches semi-conductrices atomiques avec bande interdite différente sont disposés périodiquement, fournissent de nouvelles possibilités. De nouvelles techniques et de nouveaux dispositifs deviennent réalisables. Dans cette thèse, les oscillations de Bloch dans des mini-bandes électroniques d’un superréseau polarise et la dispersion du gain associée sont utilisées pour réaliser une source THz compacte et accordable : l’oscillateur de Bloch THz. Un premier ensemble de dispositifs utilisent des réseaux dopes spécifiquement conçus pour éviter la formation de domaine d’accumulation de charges. Ces dispositifs utilisent une surface semi-isolante ou deux surfaces métalliques permettant un guidage par plasmon de surface. Cependant, malgré la réalisation de couplage par les bords ou par un réseau diffractant en surface et des mesures directes ou avec un interféromètre a transformation de Fourrier (FTIR), l’électroluminescence a été observée dans le domaine térahertz, avec un gain qui n’a pas pu etre relie aux oscillations de Bloch. Avec des superréseaux non dope, l'émission THz des oscillations de Bloch a été détectée par spectroscopie dans le domaine temporel. La dépendance de la fréquence d’émission avec le champ électrique appliqué constitue une preuve directe des oscillations de Bloch. L’échelle de Wannier Stark des trous sous pompage optique continu a aussi été observe dans les superréseaux non dopes. Avec l’augmentation de la puissance de pompage optique, les pics du photocourant se décalent et leurs formes deviennent asymétriques. L’évolution est attribue a l’accumulation des porteurs photogénérés dans les deux couches encadrant le superréseau. En outre, pour une puissance de pompage élevée, la bistabilité du photocourant a été également observée.


  • Résumé

    Terahertz (THz) electromagnetic field, which lies in the frequency gap between the infrared and microwave, roughly between 1 THz to 10 THz, is highly desirable for both fundamental research and application. Yet tuneable compact THz sources are still not available. On the other hand, ever since first proposed in 1970, semiconductor superlattice provides new playground for various new technique and devices of tremendous research and application interest. In this thesis, an innovative theme, relying on Bloch oscillations in a dc biased semiconductor superlattice, is explored to realize tunable compact THz source THz Bloch oscillator. For doped superlattice Bloch oscillator, we designed quantum cascade super-superlattice structure to realize Bloch oscillations whilst prohibit electrical domain formation. The designed structures were processed into various waveguide and grating devices for electroluminescence detection using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The Bloch gain of semi-insulating surface plasmon waveguide device was also measured using THz time domain spectroscopy. Even though the electroluminescence and gain at THz regime were observed, no direct evidence of Bloch emission was confirmed. For undoped superlattice, the THz emission from Bloch oscillations was observed by time domain spectroscopy. At last, the photocurrent corresponding to heavy hole and Wannier Stark Ladder (WSL) states transitions in undoped superlattice was studied. Under CW laser pumping, the photocurrent as function of the applied voltage showed multiple WSL peaks, which indicated laser induced and controllable negative differential conductance (NDC). With increasing pumping power, the nonlinear NDC regime and bistable states were investigated as well.


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