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Laboratoire Pierre Aigrain

Accueil du site > La recherche au L.P.A. > Propriétés optiques et électroniques des nano-objets > Optique cohérente et non linéaire > Boîtes quantiques > Croissance-Etats électroniques

Croissance-Etats électroniques

En physique des semiconducteurs, une boîte quantique est petit volume de semiconducteur, entourée par un autre semiconducteur de plus grand bande interdite. Dans ce type de nanostructures, dont les tailles caractéristiques vont de quelques nanomètres à quelques centaines de nanomètres, les porteurs sont confinés dans les trois direction de l’espace sur des dimensions comparables à leur longueur d’onde de De Broglie. Leurs niveaux d’énergie sont donc quantifiés, comme dans un atome. C’est pour cette raison que les boîtes quantiques de semiconducteurs sont souvent appelées "atome artificiels" ou "macro-atomes". Un des systèmes les plus étudiés est le système InAs/GaAs. Les boîtes quantiques auto-organisées InAs/GaAs se forment pendant la croissance en régime Stranski-Krastanow du matériau InAs sur un substrat de GaAs. Ce mode de croissance repose sur le désaccord de paramètres de maille des deux matériaux, qui est de 7% pour le système InAs:GaAs (paramètres de maille de 6.058 et 5.653Å pour InAs et GaAs, respectivement). Au-dessus d’une épaisseur moyenne de 1.7 monocouches d’InAs, la contrainte accumulée dans le matériau InAs relaxe localement, de manière spontanée, par migration d’atomes d’In et d’As, qui conduit à la formation d’îlots dont le diamètre est typiquement d’une vingtaine de nanomètres et la hauteur de quelques nanomètres ( voir figure (a)). Dans ces nanostructures, l’énergie élastique est minimisée et la courbure des plans réticulaires à l’interface InAs/GaAs permet d’accomoder le désaccord de paramètres de maille des deux matériaux (voir figure (b)).

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(a) Topographie par microscopie à force atomique de la surface d’une hétérostructure InAs/GaAs en mode de croissance Stranski-Krastanow. Un ilôt d’InAs s’est formé à partir de la couche de mouillage d’InAs localement déplétée. Cliché réalisé avant recouvrement par une couche de GaAs (d’après J. M. Gérard, J. B. Genin, J. Lefebvre, J. M. Moison, N. Lebouche, and F. Barthe. Optical investigation of the self-organized growth of InAs/GaAs quantum boxes. J. Cryst. Growth, 150 :351, 1995) . (b) Plan de coupe par microscopie électronique en transmission à très haute résolution, montrant la courbure des plans réticulaires à l’interface InAs/GaAs (http://www.wsi.tu-muenchen.de.).

A l’intérieur de la boîte quantique, le confinement des électrons dans les trois directions de l’espace se traduit par un spectre discret des états électroniques. Les états confinés d’électrons et de trous sont définis par leurs nombres quantiques respectifs, et suivant la terminologie employée en physique atomique l’état électronique de plus basse énergie est appelé S_e et les suivants P_e, D_e... de façon similaire les états confinés de trous sont appelés S_h, P_h ... (partie gauche de la figure ci-dessous). En revanche, dans le puits quantique ultra-mince que constitue la couche de mouillage d’InAs, l’invariance par translation dans le plan des couches donne l’existence de quasi-continuums bidimensionnels pour les états électroniques délocalisés dans la couche de mouillage (bande jaune pour les électrons et verte pour les trous dans la partie gauche de la figure). Enfin, la matrice de GaAs est caractérisée par une densité d’états tridimensionnelle.

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[A gauche] Spectre d’énergie d’une boîte quantique et de sa couche de mouillage constitué par Les états discrets de la boîte, et des continua dus aux électrons et trous délocalisés dans le puits quantique que constitue la couche de mouillage (jaune et vert respectivement). [A droite] Spectre d’absorption calculé montrant les raies dues aux transitions entre états d’électrons et de trous localisés (flèches rouges dans la partie gauche). Le fond provient des transitions entre un trou localisé et un électron délocalisé (flèche jaune), ou un trou délocalisé et un électron localisé (flèche verte).

Le spectre d’absorption au voisinage de la bande interdite est déterminé par les transitions entre différents états d’électrons et de trous. Dans la partie droite de la figure, la raie de plus basse énergie correspond à la création d’une paire électron-trou, l’électron et le trou étant localisés respectivement dans l’état S_e et S_h ( ce qui correspond à la flèche rouge dans la partie gauche de la figure ci-dessus). La raie suivante correspond à la création d’un électron dans l’état P_e et d’un trou dans l’état P_h. Un fond dont l’importance croît avec l’énergie est superposé à ces raies. Ce fond est en fait une caractéristique intrinsèque des propriétés optiques d’un système constitué d’une boîte quantique (système 0D) située sur sa couche de mouillage (système 2D). Il est dû aux transitions entre un trou localisé dans la boîte et un électron délocalisé dans la couche de mouillage ( flèche jaune dans la partie gauche de la figure), ou à un trou délocalisé et un électron localisé (flèche verte). Ce fond est observable expérimentalement en spectroscopie d’excitation de photoluminescence d’une boîte quantique unique comme le montre la figure ci-dessous, où l’on reconnaît les caractéristiques du spectre d’absorption calculé. Sur la gauche de la figure on peut voir deux spectres de photoluminescence d’une boîte quantique unique. A basse puissance d’excitation (courbe bleu clair) n’est visible que la recombinaison d’une paire électron trou S_e, S_h. A plus forte puissance d’excitation (courbe bleue) on voit apparaître la recombinaison de la paire P_e, P_h, cette transition étant observable sur le spectre de PLE (courbe verte).

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En bas, à gauche, spectres de photoluminescence d’une boîte quantique unique et en haut à gauche, spectre d’excitation de la photoluminescence correspondant. A droite, spectre de PLE d’une boîte où on reconnaît la présence de niveaux excités, l’absorption de la couche de mouillage se produit à 1.47 eV.