Les mesures de réflectivité résolue en angle nous ont permis d’évaluer la force d’oscillateur d’un puits quantique GaN/AlGaN en fonction de ses caractéristiques. La principale difficulté à laquelle nous nous sommes heurtés réside dans la présence d’oscillations interférentielles qui gênaient la détection du signal excitonique. De plus, les caractéristiques sensiblement voisines des échantillons dont nous disposions ne nous ont pas permis de dégager clairement une évolution de la force d’oscillateur qui, d’après la théorie de la fonction enveloppe, diminue avec l’augmentation de l’épaisseur ou de la concentration d’aluminium dans la barrière. Dans le premier cas, l’augmentation de l’épaisseur diminue le recouvrement des fonctions d’onde et par la même diminue la force d’oscillateur. Dans le second cas, l’augmentation de la concentration d’aluminium accentue le champ électrique dans la structure et induit une diminution de la force d’oscillateur. C’est sans doute pour cette raison que nous n’avons pas pu observer de signal excitonique relatif à des puits quantiques de 5.2 nm. Les seuls échantillons pour lesquels nous avons pu déterminer une force d’oscillateur étaient les échantillons présentant plusieurs puits de caractéristiques identiques et dont l’épaisseur n’excédait pas 2.5 nm. Parmi ces échantillons, une structure composée de puits quantiques de 2.5 nm, présentait deux signaux excitoniques distincts en réflectivité. Nous avons montré, grâce aux calculs de type fonction enveloppe, mais aussi grâce à des mesures issues de la littérature, qu’ils ne pouvaient pas provenir de fluctuations d’épaisseur mais bien de transitions entre les niveaux confinés relatifs à la bande de conduction et aux différentes bandes de valence.
La présence d’une contrainte dans un puits quantique entraîne non seulement une modification des énergies de transition des différentes bandes de valence en fonction de ses caractéristiques mais aussi une modification de leurs écarts relatifs. Le calcul de ces transitions a été possible grâce à une approche différente de la modélisation de l’alignement des bandes dans GaN et AlGaN. Elle consiste en l’égale répartition de la courbure de l’énergie de bande interdite de l’alliage (bowing) sur la bande de valence et sur la bande de conduction. L’ordonnancement des différents états excitoniques dépend des paramètres de la structure tels que la largeur du puits ou la concentration d’aluminium dans la barrière.
Dans le dernier chapitre nous avons utilisé une technique complémentaire pour étudier le déclin de la luminescence des transitions excitoniques et accéder à la force d’oscillateur via le temps radiatif: la photoluminescence résolue en temps (TRPL). Là encore, nous nous sommes heurtés à plusieurs difficultés liées à la technique de photoluminescence mais aussi à
la qualité des échantillons. Le phénomène de localisation des porteurs à basse température influe sur le temps de recombinaison radiative des excitons. Les mesures de photoluminescence sous excitation continue en fonction de la température ont montré que ce phénomène de localisation subsistait jusqu’à environ 100K.
Deux autres phénomènes sont également à prendre en compte : l’écrantage du champ électrique et le remplissage des bandes. En ce que concerne l’écrantage du champ électrique, seuls les puits de forte épaisseur sont affectés. Ainsi, tous les puits d’épaisseur inférieure à 2.5 nm ne subissent pas d’effet d’écrantage. L’avantage de la photoluminescence résolue en temps par rapport à la réflectivité est que les transitions excitoniques des puits épais sont détectables. Une tendance dans l’évolution de la force d’oscillateur en fonction de l’épaisseur du puits a pu alors être dégagée.
La qualité des échantillons constitue une difficulté que l’on rencontre en spectroscopie de photoluminescence. Pour pouvoir extraire un temps de vie radiatif, nous avons besoin d’étudier la photoluminescence en fonction de la température afin de séparer la contribution des processus non radiatifs de celle relative aux transitions radiatives. Lorsque la qualité de l’échantillon n’est pas suffisante, les processus non radiatifs sont très rapidement dominants et rendent difficile l’extraction du temps de recombinaison radiative. De plus, dès que le puits est assez large, la force d’oscillateur diminue très rapidement. La conjugaison de ces deux phénomènes entraîne un effondrement rapide du signal de photoluminescence en fonction de la température et rend donc plus difficile l’extraction du temps de vie des excitons.
Les puits quantiques qui ont été épitaxiés sur un substrat silicium présentaient un signal de photoluminescence qui s’effondrait très rapidement avec la température. En revanche ceux épitaxiés sur substrat saphir présentaient un signal de photoluminescence qui demeurait suffisamment intense à haute température pour que l’on puisse extraire proprement un temps de vie radiatif.
Les mesures semblent indiquer que la configuration optimale pour avoir une force d’oscillateur importante se situe autour de 2.5 nm pour l’épaisseur du puits et autour de 0.11 pour la composition de la barrière. Ces conclusions semblent assez raisonnables dans la mesure où l’épaisseur du puits ne doit pas être trop importante d’une part, et d’autre part, la composition d’aluminium doit être assez faible pour ne pas avoir un champ électrique trop intense.
Pour la structure élaborée sur substrat saphir, dont la qualité est supérieure à celle des autres échantillons, la valeur de la force d’oscillateur obtenue en réflectivité est voisine de celle
obtenue par la théorie des fonctions enveloppes. Mais elle correspond à environ la moitié de la valeur obtenue en TRPL.
Sur l’échantillon élaboré sur silicium un écart relatif est également observé entre les valeurs obtenues en réflectivité et les valeurs théoriques.
Il demeure donc assez délicat de déterminer la force d’oscillateur absolue dans un puits quantique GaN/AlGaN quelle que soit la méthode de spectroscopie utilisée, et de comparer les différentes valeurs ainsi obtenues.
Annexe : Schémas des échantillons
Echantillon A401 Echantillon A411 Echantillon A457