Énergie des transitions

 Effet de la taille des BQs

Lorsqu'on réduit la taille des structures, on observe un décalage de l'énergie des transitions vers les plus hautes énergies (décalage vers le bleu) à cause de la variation de l’énergie de confinement33, 56, 74-76. Les modifications de l'énergie associée au niveau fondamental ont été attribuées à un changement de la forme ou de la composition des boîtes⁷⁴.

Cet effet a aussi été clairement observé pour des nanocristaux sphériques d'InAs de très petite taille (10 à 35 Å). Les résultats obtenus en étudiant une boîte quantique unique par spectroscopie optique et par effet tunnel concordent bien⁵⁶. La séparation entre les groupes de raies d’émission, ainsi que l'énergie entre les pics augmentent quand le diamètre des BQs diminue. L’augmentation de l’énergie interniveaux lorsque la dimension des boîtes est réduite est

attribuée à l'augmentation du confinement liée à la taille des boîtes. Ainsi, les observations confirment l'effet du confinement quantique attendu pour ces structures 0D.

Pour les BQs fabriquées par îlots de contrainte, la variation du rayon des structures et de l'épaisseur de la couche de recouvrement permet de modifier la taille des BQs, et donc leurs propriétés électroniques et optiques⁷⁷. Pour des BQs d'InGaAs/GaAs induites par contraintes, la partie du puits contrainte émet des photons à plus basse énergie que la zone non contrainte⁷⁸. Des mesures de PL montrent effectivement que l'énergie de la transition diminue à mesure que l'on réduit l'épaisseur de la couche entre les îlots et le puits.

 Effet des paramètres de fabrication

Dans le cas de boîtes auto-assemblées fabriquées par épitaxie, il est possible de modifier les énergies de transition et l'énergie interniveaux en ajustant les paramètres de croissance (température du substrat, quantité de matériau déposé, durée de l'interruption de croissance etc), ce qui modifie la forme, composition, … des boîtes^{16, 79}. Une étude montre que la quantité de matériau déposée est particulièrement critique et peut induire un fort décalage de l'énergie de transition optique⁸⁰. Ainsi, en comparant l'énergie du signal de PL (Ep) émis par des dizaines d'échantillons différents de BQs d'InAs fabriquées par MBE sous différentes conditions, en fonction de l'épaisseur d'InAs déposée (L), trois régimes distincts sont observés: pour L  1.5 monocouches (ML) l'énergie du pic Ep dépend linéairement de L, puis pour 1.5 ML  L  2 ML, proche de l'épaisseur critique Ep varie très fortement avec L, et pour L  2 ML une faible dépendance linéaire est observée semblable au cas où L  1.5 ML⁸⁰. Ces différents régimes peuvent être caractérisés par la forme des boîtes. En régime 1, des îlots en forme de lentille commencent à se développer. Au régime 2, ils tendent à prendre une forme pyramidale dont l'orientation des faces dépend des conditions de croissance. Puis dans le dernier régime, des boîtes quantiques à l'équilibre, pleinement formées, dominent l'ensemble de BQs⁸⁰.

 Effet du couplage entre les boîtes

Le couplage vertical ou latéral des BQs produit aussi un décalage de la raie d'émission.

Augmenter le nombre de couches de BQs et diminuer la largeur de barrière (entre les plans de BQs) conduisent au même résultat: le pic de PL se décale vers les plus basses énergies, à cause du couplage électronique croissant entre les couches de BQs³.

Quand la densité de BQs sur un même plan devient vraiment grande, des associations latérales de BQ (composées de plusieurs BQs arrangées soit en chaînes, soit en réseaux rectangulaires) apparaissent et on observe un net décalage vers le rouge de la raie d'émission⁸¹. En effet, un transfert de porteurs parmi les BQs couplées est possible, les porteurs photoexcités peuvent ainsi être capturés par des BQs plus larges ayant des niveaux de plus basse énergie, ce qui peut expliquer le décalage observé du pic de PL vers les plus basses énergies⁸². D'autre part, un décalage vers le bleu a aussi été observé lorsque la densité de BQs augmente (et que la distance entre les BQs diminue)⁸³. Il a été attribué à des déformations progressives des contraintes des potentiels de confinement et à l'effet de plus en plus significatif des interactions inter-boîtes. Les propriétés optiques sont donc largement influencées par les interactions entre BQs.

 Effet de la température

La température du réseau est aussi un facteur pouvant jouer sur le spectre d’émission des boîtes. On observe un décalage vers le rouge de la raie d’émission qui suit essentiellement le comportement en température de la bande interdite⁸⁴.

Il est possible d’observer, dans certains cas, une corrélation entre le décalage vers le rouge (pour T < 100 K) de la raie d’émission et une réduction de la largeur de raie inhomogène⁸⁵. Ces observations traduisent un transfert des charges vers les boîtes de plus grande taille (ayant des niveaux de plus basse énergie). À plus haute température, le décalage de la raie devient plus prononcé et la largeur de la raie augmente car la diffusion porteurs-phonons et la distribution thermique des porteurs deviennent importantes⁸⁶

 Effet de l'interdiffusion

Comme décrit précédemment, il existe une façon simple de "manipuler" les propriétés des boîtes quantiques auto-assemblées après leur croissance: l'interdiffusion par recuit thermique permet de modifier efficacement l'énergie des transitions des boîtes (Figure 1.14). En fait, trois effets sont principalement observés après recuit: la longueur d'onde d'émission est décalée vers le bleu, l'énergie interniveaux est réduite et les raies deviennent plus étroites^{13, 28}, ce qui correspond à une meilleure homogénéité de la distribution des BQs. L'amplitude ou l'efficacité de ces effets varient selon la durée et la température du recuit.

Figure 1.14: Interdiffusion thermique de BQs ayant différents espaces interniveaux. (a) Spectres de PL montrant le remplissage des niveaux. (b) Différents échantillons interdiffusés dans les mêmes conditions. (c) BQs interdiffusées à différentes températures⁶⁴.

De nombreux effets peuvent donc être responsables de la variation de l'énergie des transitions optiques, selon le mode de fabrication des boîtes. Autrement dit, plusieurs techniques permettent de modifier les propriétés optiques des BQs, de façon relativement bien contrôlée.