Etude femtoseconde de la relaxation des electrons dans les semiconducteurs en regime non-markovien

• Auteur / Autrice : François-Xavier Camescasse
• Direction : Antigoni Alexandrou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Mots clés libres

Physique

Etat condense

Structure electronique. Proprietes electriques. Magnetiques et optiques

Physique

Physique des particules elementaires et champs

Relaxation electron

Spectrometrie pompe sonde

Transition niveau energie

Impulsion laser

Domaine temps fs

Densite porteur charge

Effet memoire

Equation bloch

Semiconducteur iii-v

Gallium arseniure

Gaas

As ga

Résumé

Cette these porte sur la relaxation des electrons dans les semiconducteurs et plus particulierement dans l'arseniure de gallium. Elle nous renseigne sur les processus fondamentaux, notamment les collisions, qui permettent aux electrons de changer d'energie et determinent la rapidite des dispositifs electroniques ou optoelectroniques. L'etude repose sur l'utilisation de lasers a impulsions femtosecondes et sur une methode pompe-sonde originale car non-degeneree: l'impulsion pompe injecte des electrons et des trous en un temps tres bref, tandis que l'impulsion sonde est accordee sur une autre transition utilisant une bande de valence plus profonde car decouplee par l'interaction spinorbite. Il est ainsi possible de suivre avec une resolution temporelle de 30 fs l'evolution de la distribution des electrons, et des electrons, et des electrons seulement, sans la superposer a celle des trous. On observe pour la premiere fois les tout premiers instants de la relaxation des electrons pour lesquels la distribution est encore completement hors d'equilibre, jusqu'a la thermalisation qui se fait tres rapidement, en moins de 300 fs. En parallele, l'etude theorique montre la necessite d'une description non-markovienne des processus (c'est-a-dire tenant compte du passe des distributions) que l'on prend en compte avec la theorie de la cinetique quantique utilisee dans le cadre des equations de bloch pour semiconducteurs. L'equation de boltzmann et la regle d'or de fermi ne sont en effet plus valables pour des echelles de temps aussi courtes. L'accord theorie-experience est d'autant plus remarquable qu'aucun parametre ajustable n'a ete requis. L'influence de plusieurs parametres experimentaux a aussi ete etudiee: une forte densite de porteurs injectes ralentit la relaxation, alors que la presence initiale de porteurs froids l'accelerent fortement. L'exces d'energie initial donne aux electrons est en revanche de peu d'influence. Nous avons aussi adapte notre methode a l'etude de la relaxation dans les structures a puits quantiques et nous en presentons les premiers resultats.