Chapitre 2 : Description des techniques et des dispositifs expérimentaux utilisées
4. La photoluminescence
La photoluminescence (PL) est l'une des techniques les plus utilisées dans la caractérisation optique des matériaux semi-conducteurs. Son principal avantage est qu'elle est relativement simple à mettre en œuvre, assez rapide et surtout qu'elle n'est pas destructive. La spectroscopie de PL est la technique privilégiée pour caractériser les échantillons dès qu’ils sont sortis de la chambre de croissance sans la moindre préparation, afin de confirmer la qualité des matériaux obtenus.
Son principe consiste à exciter un matériau semi-conducteur ayant une bande interdite plus faible que l’énergie du photon incident par une source de lumière intense (laser) afin de générer par absorption des paires électron-trou. Les porteurs photo-créés relaxent vers les niveaux les plus bas de bande où ils se recombinent par émission spontanée (figure 2.7).
Figure 2.7 : Principe de la photoluminescence
Si on prend le cas de la boîte quantique qui a une densité d’état correspondant à des distributions de Dirac, son pic d’émission à faible température est très fin. Si on considère la surface entière sondée par le faisceau laser, on obtient un spectre de photoluminescence assez large (quelques meV) qui résulte de l’ensemble des émissions provenant des boîtes quantiques. La largeur à mi-hauteur (FWHM) renseigne alors sur la dispersion inhomogène des BQs.
Ces îlots peuvent avoir des formes assez variées : cubique, pyramidale, pyramidale tronquée, sphérique. Mais les échantillons étudiés contiennent des BQs qui sont très larges en comparaison de leur hauteur, ce qui permet de les regrouper en familles.
distribution des largeurs peut être bien modélisée par une gaussienne. La figure 2.8 montre clairement la réponse optique d’une série de BQs qui sont parfaitement homogènes d’où un spectre fin de PL et une deuxième série ayant une variété de taille de BQs ce qui donne un spectre large de PL.
Figure 2.8 : Illustration du spectre d’émission des boîtes quantiques idéales et isotropes et
d’autre inhomogène. Pour la structure de bande énergétique, seule la transition d’état fondamental est représentée. L’écart entre deux niveaux énergétiques diminue lorsque la
taille de la boîte augmente
4.2. Dispositif de mesure de la photoluminescence
Les mesures de photoluminescence (PL) ont été réalisées avec une excitation par un laser Argon à λ=514nm. Le faisceau passe par un filtre interférentiel approprié (qui ne laisse passer que la raie principale) puis est focalisé sur l’échantillon. Au niveau de l’échantillon le diamètre de spot du laser est d’environ 300µm. Pour atténuer
l’intensité du faisceau on peut, volontairement interposer un filtre neutre entre le filtre interférentiel et l’échantillon. Une partie de la lumière émise par luminescence est collectée dans un dispositif Cassegrain et focalisée sur la fente d’entrée d’un monochromateur. Sur la fente d’entrée du monochromateur est fixé un filtre passe-haut à 850 nm qui coupe le faisceau d’excitation. Grâce à un réseau de 600 traits/mm motorisé, la luminescence est mesurée par une photodiode en germanium placée après la fente de sortie du monochromateur (pendant les mesures, la photodiode est refroidie par de l’azote liquide). La largeur des fentes d’entrée et de sortie sont ajustables. Pour les mesures à basses températures, 13°K, l’échantillon est mis dans un cryostat relié à un compresseur d’hélium liquide. Afin d’améliorer le rapport signal/bruit par filtrage par détection synchrone, le faisceau d’excitation est choppé à une fréquence de 16 Hz, et le signal mesuré est passé par un filtre de rayons cosmiques. Le signal optique est converti en signal électrique grâce à une photodiode Ge très sensible, puis filtré au moyen d’une détection synchrone, et finalement, envoyé sur un système d’acquisition interfacé à un micro-ordinateur où est enregistré le spectre (figure 2.9).
L’étude de la photoluminescence en fonction de température permet la détermination des différent L’énergie de bande interdite (gap) d’un semiconducteur diminue lorsque sa température augmente. Les causes de cette diminution sont :
- La dilatation thermique : lorsque la température augmente, l’anharmonicité du potentiel des atomes induit une augmentation de la distance interatomique. L’augmentation consécutive du paramètre de maille diminue le gap.
-Les interactions électron-phonon : lorsque la température augmente, la densité de phonons et leur couplage avec les électrons augmente, ce qui diminue le gap.
De ces causes, la seconde est responsable d’environ 75% de la diminution de l’énergie de bande interdite lorsque la température augmente. Une relation semi-empirique a été proposée par Varshni [Varshni’67] pour rendre compte de la diminution de l’énergie de bande interdite avec la température :
Eq II - 48
où α et β sont des constantes. Eg représente le gap.
5 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons décrit les différents types des défauts qui peuvent exister dans un cristal et qui participe à la rupture de sa périodicité. Nous avons détaillé les différentes méthodes de détection de ces défauts : nous avons commencé par une description de la cinétique au sein d’un défaut profond et nous avons détaillé par la suite le principe de la technique DLTS et de la photoluminescence. Ces techniques de caractérisation mises en jeu dans ce travail de thèse pour analyser des boîtes quantiques, sorte de défauts géants sont deux techniques complémentaires qui vont permettre une analyse relativement complète de nos structures à boîtes quantiques.