2.3 Transitions inter-sous-bandes dans les semiconducteurs III-N et II-VI
2.3.4 Etat de l’art des transitions inter-sous-bandes dans les puits GaN/AlGaN et ZnO/ZnMgO 45
𝑧 −∞ 𝜓1(𝑧′)𝜓2(𝑧′)) 2 +∞ −∞
La valeur 𝛼 augmente linéairement avec la densité surfacique de porteur 𝑛𝑠.
Dans le cas du décalage excitonique, la présence d’un électron excité et d’un trou dans la même inter-sous-bande induit une interaction Coulombienne qui décale vers le rouge l’énergie d’absorption.
L’interaction d’échange basée sur le principe de Pauli correspond à une répulsion entre électrons de même spin. L’interaction diminue l’énergie des sous-bandes, principalement la sous-bande fondamentale ce qui a pour effet de décaler vers le bleu l’énergie inter-sous-bandes.
Les effets du décalage excitonique et de l’interaction d’échange n’étant pas pris en compte dans ce travail, ils ne seront pas plus développés. Plus de détails peuvent être trouvés dans la référence [Helm 00] ou dans le cas des puits quantiques GaN/AlN dans la référence [Tche 06].
2.3.4 Etat de l’art des transitions inter-sous-bandes dans les puits
GaN/AlGaN et ZnO/ZnMgO
La maîtrise des transitions inter-sous-bandes dans les matériaux II-VI et III-N fait encore l’objet de nombreux travaux. Le but principal de ces recherches est d’atteindre les basses énergies mais pour ce faire différentes techniques de croissance ont été développées afin d’utiliser différents plans cristallographiques. Il est donc intéressant de détailler les progrès obtenus selon les différents plans cristallographiques.
La première absorption inter-sous-bande dans les puits en GaN/AlGaN est rapportée en 1999 aux alentours de 2.8 𝜇𝑚 [Suzu 99]. Les travaux suivants ont d’abord pour but de diminuer cette longueur d’onde jusqu’à 1.55 𝜇𝑚 [Gmac 20] [Gmac 20b], la longueur d’onde télécom étant atteinte en 2000. L’utilisation d’hétérostructures du type GaN/AlN permet l’accordabilité des transitions ISB dans la gamme 1 à 3.5 𝜇𝑚 [Iizu 00] [Kish 02] [Helm 03] [Tche 06a] [Liu 07a] [Kand 08] [Bayr 09] [Ande 09] [Berl 10]. Dans un second temps, l’augmentation des épaisseurs du puits ainsi que l’utilisation d’hétérostructures de type GaN/AlGaN ont permis d’atteindre des longueurs d’onde plus élevées [Sher 07] [Péré 09] [Kand 09] [Kand 10] [Huan 11] [Bayr 12]. Cependant le champ interne selon l’axe c induit un effet Stark confiné quantique qui piège les niveaux dans un potentiel triangulaire qui a pour effet de limiter l’accordabilité des transitions en-deçà de 12 µm [Kand 09].
Des alternatives aux puits quantiques classiques ont émergé permettant l’accès au LIR. Ces alternatives consistent à utiliser plusieurs matériaux dans la zone du puits afin de concevoir une structure de bande se rapprochant d’un potentiel carré. Ces puits sont appelés puits à marche et sont mesurés pour la première fois par H. Machhadani [Mach 10] dans l’équipe de F. H. Julien puis dans une autre configuration par Beeler [Beel 13] [Beel 14a] [Beel 14b] dans l’équipe de E. Monroy. Ces travaux
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rapportent des transitions à 2.1 et 4.2 THz pour Machhadani [Mach 10] et entre 1.9 et 5.6 THz pour Beeler [Beel 14a].
L’observation des premières transitions inter-sous-bandes dans une hétérostructure ZnO/ZnMgO sur substrat polaire ZnO orienté selon l’axe polaire [000-1] mesuré entre 3 et 4 𝜇𝑚 par M. Belmoubarik [Belm 08] remonte à 2008. Ce travail fut suivi par de nouvelles observations [Ohta 09], [Zhao 14], [Zhao 15], [Orph 17] avec une longueur d’onde de transition en deçà de 4 𝜇𝑚.
On peut noter l’utilisation des transitions inter-sous-bandes dans les nitrures pour le développement de modulateurs multi-Tbits/s tout-optique fonctionnant à 1.5 𝜇𝑚 à température ambiante [Iizu 06] et avec l’utilisation de puits couplés asymétriques [Tche 06b] de modulateurs à transfert de charge électro-optique [Khei 08]. Les transitions inter-sous-bandes dans les nitrures ont été la base du développement de détecteurs à boite quantique démontrés en 2005 [Doye 05] [Vard 06]. Il est aussi à noter l’observation de transport tunnel résonnant dans les puits GaN/AlGaN polaire par S. Sakr dans l’équipe de F. H. Julien [Sakr 12a] qui est un phénomène indispensable au fonctionnement des lasers à cascade quantique.
Le champ interne pouvant être fortement réduit selon ces plans, notamment de 0.5 - 0.6 MV/cm dans des puits crus selon l’axe (11-22) [Laho 08a] [Mach 13], il est alors plus aisé d’atteindre les domaines du MIR et du LIR. Les premières absorptions d’hétérostructures en GaN/AlN crues selon l’axe (11-22) dans la gamme 1.5 à 3.75 𝜇𝑚 sont rapportées en 2008 [Laho 08a] puis en 2013 [Mach 13]. A ce jour, aucun travail ne rapporte l’existence de transitions inter-sous-bandes dans les structures semi-polaires dans la gamme du MIR ou du LIR. Néanmoins un QWIP THz en GaN/AlGaN crû selon l’axe (20-2-1) détectant à 10.1 THz a été mentionné récemment [Durm 16].
Une hétérostructure GaN/AlN non-polaire épitaxiée sur un substrat de saphir orienté selon l’axe r a montré une absorption inter-sous-bande à 2.1 𝜇𝑚 avec un élargissement de 120 meV en 2003 [Gmac 03]. La disponibilité récente de substrats autoportés de GaN a permis la croissance de puits quantiques GaN/AlGaN selon l’axe m dans le MIR [Lim 15a] [Lim 16] et le PIR en 2014 [Edmu 14] puis en 2015 [Lim 15b]. Des diodes tunnels résonantes épitaxiées sur des substrats GaN orientés selon le plan m non-polaire ont aussi rapportées [Bayr 10].
Des absorptions inter-sous-bandes ont été observées dans des puits GaN/AlGaN cubiques non-polaires crus sur substrat SiC du PIR au THz par H. Machhadani dans l’équipe de F. H. Julien [Mach 11].
Les partenaires du projet ZOTERAC rapportent la première observation de transitions et de plasmons inter-sous-bandes respectivement par N. Le Biavan en 2017 [Lebi 17] et par M. Montes Bajo en 2018 [Mont 18] dans des hétérostructures ZnO/ZnMgO orientées selon le plan m.
2.4 Conclusion
Je présente, dans ce chapitre, les paramètres physiques pertinents et nécessaires à la simulation des semiconducteurs et des hétérostructures semiconductrices GaN/AlGaN et ZnO/ZnMgO. La valeur des paramètres utilisés dans ce manuscrit est présentée et s’appuie sur un travail bibliographique. Ce chapitre se focalise ensuite plus particulièrement sur la physique des transitions inter-sous-bandes dans les puits quantiques ainsi que sur l’avancement des travaux concernant la maîtrise de ces transitions dans les puits GaN/AlGaN et ZnO/ZnMgO orientés selon différents axes cristallographiques.
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Chapitre 3
Transition ISB dans des puits quantiques
GaN/AlGaN dans la gamme du Térahertz
3.1 Spectroscopie d’absorption Térahertz ... 48