Étude de la dynamique des porteurs dans les semi-conducteurs III-V sous excitations optiques

par Jimmy Dubard

Thèse de doctorat en Physique atomique, moléculaire et optique non linéaire

Sous la direction de Jean Louis Oudar.

Soutenue en 1986

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Saturation d'absorption
• Non-linéarites optiques
• Hétérostructures à puits quantiques
• Lasers picoseconde et femtoseconde
• Émission stimulée
• Excitation optique
• Semiconducteurs
• Hétérostructures
• Interactions électron-phonon

Résumé

L'objet de cette thèse est l'étude de la dynamique des porteurs photoexcités dans les semiconducteurs III-V et plus particulièrement les couches épitaxiées GaAs et les multipuits quantiques GaAs-AlGaAs. La technique utilisée est la saturation d'absorption qui traduit le remplissage de bande par ces porteurs. Les outils utilisés sont des sources laser picoseconde et femtoseconde. Les résultats montrent une forte dépendance des phénomènes avec la température du réseau. Sur une échelle d temps de 100ps l'évolution de la saturation de l'absorption à température ambiante est lente alors qu'à 15K le retour à l'absorption bande à bande initiale est pratiquement complet 30ps après l'impulsion de pompe. Ceci est confirmé par la mesure de la durée de vie des porteurs que nous avons déduite des courbes de transmission, et qui est de l'ordre de 10ps à basse température. Ce temps très court ne peut s'expliquer que par l'émission stimulée de photons se propageant dans le plan des couches où la longueur d'interaction est la plus importante. La mise en évidence de ce processus a été faite en observant la luminescence émise par la tranche de l'échantillon, celui-ci étant excité près d'un bord. Une analyse temporelle montre la présence de plusieurs pics d'intensité de courte durée espacés du temps d'un aller-retour de la lumière d'un bord à l'autre de l'échantillon. L'étude spectrale a révélé une dépendance de la forme de la raie avec la taille de la zone excitée. Le modèle que nous proposons, basé sur une distribution thermalisée des porteurs, tient compte de ce mécanisme de recombinaison radiative stimulée, qui entre en competition avec les mécanismes habituels de relaxation de l'énergie comme l'émission de phonons ou la recombinaison spontanée.

Titre traduit

Carriers dynamics in III-V semiconducting compounds under optical excitations

Résumé

The subject of this thesis is the study of photoexcited carrier dynamics in III-V semiconductors, particularly in GaAs epitaxial layers and multi quantum wells GaAs-AlGaAs. The technique used is the absorption saturation due to band-filling by carriers. The experimental tools are picosecond and femtosecond lasers. The results show a strong dependance of the phenomena with lattice temperature. On a time scale of 100psec, the evolution of the absorption saturation at room temperature was slow while at 15K the absorption recovery takes place 30psec after the pump pulse. This is confirmed by the carrier life time of about 10psec deduced from the transmission curves at low temperature. This short time could be explained by stimulated photon emission in the plane of the layers. It is along this direction that the interaction length is greatest. To confirm this process we observed the luminescence emitted by the edge of a sample excited near this edge. A temporal analysis show several short intensity spikes separated by the time light takes to make a round-trip in the sample. The spectral study revealed a dependence of the line shape with the excited zone size. The model proposed, based on a thermalyzed carrier distribution, accounts for this stimulated radiative recombination mechanism which competes with the usual mechanisms of energy relaxetion like phonon emission or spontaneous recombination.