État de l’art sur les dispositifs électroluminescents inter-

La première proposition d’un dispositif électroluminescent basé sur les po- laritons inter-sous-bandes est présentée dans la référence [23]. Le principe est d’éviter l’inversion de population dans le puits principal afin de conserver une

1.6. Dispositifs électroluminescents à polaritons inter-sous-bandes 31

population importante sur la sous-bande fondamentale. Pour cela, le temps caractéristique de la transition depuis le niveau 1 vers la mini-bande d’extrac- tion doit être plus grand que le temps de vie électronique sur la deuxième sous-bande.

Le premier dispositif électroluminescent inter-sous-bande fonctionnant en régime de couplage fort a été démontré en 2008 [24]. Il est constitué de 30 pé- riodes d’une structure à cascade quantique réalisée en GaAs/AlGaAs insérée dans une microcavité planaire constituée d’un miroir supérieur en or et d’un miroir inférieur en GaAs dopé (qui possède un indice optique plus faible que le GaAs non dopé dans la gamme de longueurs d’onde concernée). Certains puits de la structure à cascade sont fortement dopés de façon à obtenir un gaz bidimensionnel dans le puits principal, de densité Ns = 7 × 1011 cm−2. Il

est démontré dans cette référence que les spectres d’électroluminescence sont différents des spectres d’absorption à cause du mécanisme d’injection élec- trique. Ces spectres, notés Lθ,V(E), sont le produit des spectres d’absorption

Aθ(E) (qui dépendent de l’angle de propagation de la lumière) par la fonction

spectrale du réservoir électronique IV(E) (qui dépend de la tension appliquée

à la structure à cascade) :

Lθ,V(E) = Aθ(E)IV(E)

Il a été démontré [26] que les branches de polaritons sont peuplées à l’éner- gie de la transition diagonale entre le niveau d’injecteur et le fondamental du puits principal. Comme cette énergie dépend de la tension appliquée au dispositif, il est possible d’injecter dans une large gamme d’énergie le long de la branche inférieure, attribuant au dispositif une accordabilité de 20 %. L’injection dans la branche supérieure est rendue impossible par le fait que l’injecteur s’aligne avec le niveau 2 du puits principal, et ne peut pas dépasser cette énergie en raison de l’instabilité des structures à effet tunnel résonant dans la zone de résistance différentielle négative. La figure 1.10 représente le signal d’électroluminescence en fonction de l’énergie et du vecteur d’onde du photon, à une tension fixée. On peut observer le signal d’électroluminescence associé à la branche polaritonique inférieure. De plus, la transition 2 → 1 du puits principal (à 161 meV) est rendue visible par couplage faible avec un mode photonique excité [62].

Ce dispositif peut également fonctionner dans un régime photovol- taïque [63], à la façon d’un détecteur à cascade quantique [64]. Dans ce régime, il est possible d’observer la dispersion des polaritons dans des mesures de photocourant résolues en angle. Une fois encore, la forme des spectres correspond à la densité d’états optiques des polaritons multipliée par la fonction décrivant l’état extracteur. Cette structure a donc permis de démontrer la première électroluminescence en régime de couplage fort

Figure 1.10 – figure extraite de la référence [62] : électroluminescence en fonction de l’énergie et du vecteur d’onde du photon, pour une tension de 4.5 V.

lumière-matière, jusqu’à 300 K, mais pas l’injection sur la branche supérieure, ni d’exaltation notable de l’émission spontanée.

En 2009 a été démontré théoriquement la possibilité d’émission stimulée de polaritons inter-sous-bandes [25]. Ce phénomène peut être exploité pour la réalisation de lasers à faible seuil, sans inversion de population. Il passe par le peuplement de la branche supérieure et la diffusion vers la branche inférieure par émission de phonon optique.

Dans cette optique, le prochain chapitre présente la caractérisation d’un dispositif électroluminescent permettant d’injecter dans la branche supérieure grâce à un dessin adapté de la région active.

Chapitre 2

Injection électrique et diffusion

polariton-phonon

Dans ce chapitre, nous allons présenter un dispositif à cascade quantique en cavité planaire conçu pour permettre de peupler électriquement la branche supérieure des polaritons [65].

Nous allons voir que ses spectres d’électroluminescence présentent la si- gnature d’une relaxation de la branche supérieure vers la branche inférieure avec émission d’un phonon longitudinal optique. Un tel processus de relaxa- tion pourrait être un moyen d’obtenir de l’émission de polaritons stimulée par la population de la branche inférieure, ouvrant la voie à la réalisation de lasers à polaritons [25] qui ne nécessitent pas d’inversion de population.

Après avoir décrit et caractérisé ce dispositif, nous estimerons le facteur d’occupation des états de polaritons. Nous montrerons qu’il dépasse 10 % pour certaines tensions appliquées, ce qui est assez prometteur car les effets d’émission stimulée sont attendus pour un facteur d’occupation supérieur à l’unité.

Nous tenterons finalement de modéliser le processus de diffusion polariton- phonon afin d’extraire un temps caractéristique de relaxation.

2.1

Présentation du dispositif en cavité pla-

naire

Le dispositif électroluminescent présenté dans ce chapitre a été conçu selon des principes analogues au dispositif étudié dans la référence [24] (voir partie 1.6.2). Il consiste en une structure à cascade quantique dont certains puits sont fortement dopés de façon à obtenir un gaz bidimensionnel d’électrons dans le niveau fondamental du puits principal. Cette structure à

cascade quantique est située dans une cavité planaire constituée d’un miroir inférieur obtenu grâce à une couche de semi-conducteur dopé, à bas indice optique, et en un miroir supérieur en or, entre lesquels on peut appliquer une tension électrique.

Le dispositif a été conçu et réalisé en partenariat avec l’équipe de Roland Teissier et Alexei Baranov, de l’Institut d’électronique du Sud (Université de Montpellier II) : la région active et la cavité ont été dessinées par David Barate et optimisées par nos soins ; la croissance et la fabrication ont été effectuées par J.-C. Moreno.

Les caractéristiques et les spécificités de cette structure à cascade en cavité sont détaillées dans cette section.