Terahertz Spectroscopy of HgCdTe / CdHgTe quantum wells

par Maksim Zholudev

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Frédéric Teppe et de Vladimir Aleshkin.

Le président du jury était Wojciek Knap.

Le jury était composé de Frédéric Teppe, Vladimir Aleshkin, Wojciek Knap, Gerald Bastard, Yuri Mityagin, Vladimir I. Gavrilenko, David Carpentier.

Les rapporteurs étaient Gerald Bastard, Yuri Mityagin.

  • Titre traduit

    Spectroscopie Terahertz de puits quantiques HgCdTe / CdHgTe


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l'étude de puits quantiques de HgCdTe / CdHgTe dans le plan [013]. Les données expérimentales sont obtenues par photoconductivité et résonance cyclotron et concordent avec les résultats de simulations numériques. Les calculs sont effectués par approximation des fonctions enveloppe avec un Hamiltonien effectif 8x8. Afin de décrire les hétérostructures dont la croissance est faite sur un plan atomique arbitraire, une approche générale basée sur l'expansion d'invariants et les transformations par rotation, a été développé. La rotation généralisée peut être appliquée à un modèle avec l'ensemble des bandes de façon arbitraire. Le spectre d'énergie du Hamiltonien effectif a été calculé en utilisant l'expansion en onde plane des fonctions enveloppe dans la direction de croissance de l'hétérostructure. Un champ magnétique quantifiant a été pris en compte avec la substitution et l'expansion de Pierls sur les fonctions d'onde des électrons libres en présence du champ magnétique. Les mesures de photoconductivité ont montré une photoréponse correspondant à des transitions interbandes pour des énergies de photons allant jusqu'à 30 meV. Dans l'intervalle de 7 à 30 meV nous avons observé une photoconductivité vraisemblablement due à la photo-ionisation de certains centres de diffusion dans les barrières de CdHgTe. L'analyse théorique de la possibilité d'amplification du rayonnement Terahertz sur les transitions intrabandes dans les puits quantiques HgCdTe / CdHgTe a été effectuée. Des mesures de résonance ont montré la dépendance de la masse cyclotron sur la concentration des porteurs de charges due à la forte non-parabolicité de la bande de conduction. En champs magnétiques quantifiants (jusqu'à 45 T) des résonances interbandes et intrabandes ont été observées. Les mesures de magnétoabsorption ont été également effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier en champs magnétiques quantifiants allant jusqu'à 16 T. Les transitions interbandes et intrabandes ont été étudiés. Dans les puits quantiques de HgTe ayant une structure de bande inversée, une ligne de résonance cyclotron (CR) liée aux trous a été observée. Dans les échantillons ayant des bandes normales, en plus des transitions CR liées aux électrons, une ligne très marquée et probablement liée à des transitions d'impuretés a été découverte. Un anti-croisement des niveaux de Landau d'électrons et de trous dans les échantillons de bandes inversées a été confirmée par l'observation du splitting d'une résonance. Des simulations numériques ont montré que l'anticroisement des niveaux de Landau est causé par l'asymétrie par inversion du cristal massif (Bulk Inversion Asymmetry - BIA) et devrait disparaître pour certaines directions de croissance des hétérostructures. La comparaison des résultats expérimentaux et théoriques a montré de manière générale un bon accord qualitatif, mais un désaccord quantitative systématique allant dans le même sens pour toutes les expériences en champs magnétique. L'accord a été obtenu par l'ajustement de l'offset de la bande de valence du CdTe et du HgTe, et du paramètre de Kane, Ep.


  • Résumé

    The thesis is devoted to study of narrow-gap HgCdTe/CdHgTe quantum wells grown on [013] plane. The experimental data are obtained by means of photoconductivity and cyclotron resonance measurements and fit with results of numerical simulations.The calculations are made within envelope functions approximation with 8x8 effective Hamiltonian. In order to describe heterostructures grown on arbitrary atomic plane a general approach based on expansion over invariants and rotation transformation was developed. The generalized rotation can be applied to a model with arbitrary basis band set.The energy spectrum of the effective Hamiltonian was calculated using plain wave expansion of the envelope functions in heterostructure growth direction. Quantizing magnetic field have been taken into account with Pierls substitution and expansion over wave functions of free electron in magnetic field.Photoconductivity measurements have demonstrated interband photoresponse for photon energies down to 30~meV. In the range from 7 to 30 meV we have observed photoconductivity presumably concerned with photoionization of some centers in CdHgTe barriers. Theoretical analysis of possibility of FIR radiation amplification on intraband transitions in HgCdTe/CdHgTe quantum wells have been performed.Cyclotron resonance measurements in quasiclassical magnetic fields have shown dependence of cyclotron mass on carrier concentration caused by strong non-parabolicity of conduction band. In quantizing magnetic fields (up to 45 T) both interband and intraband magnetoabsorption have been observed.Magnetoabsorption have been also measured with Fourier transform spectrometer in quantizing magnetic fields up to 16 T. Both interband and intraband magnetoabsorption have been studied. In semimetallic HgTe quantum well with inverted band structure, a hole CR line was observed. In normal-band sample in addition to electron CR transitions a strong absorption line presumably related to impurity transitions was discovered.Avoided crossing of electron and hole Landau levels in inverted-band sample was confirmed by splitting of two spectral lines. Numerical simulations showed that Landau level anticrossing is caused by bulk inversion asymmetry and should disappear for some heterostructure growth directions.Comparison of experimental and theoretical results have shown good qualitative agreement with systematic quantitative disagreement in the same direction in all experiments involving magnetic fields. The agreement was achieved by adjustment of valence band offset of CdTe and HgTe, and the Kane parameter Ep.


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