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Submitted on 12 May 2011
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semiconductrices insérées dans des micro-structures à confinement optique originales
Maela Bazin
To cite this version:
Maela Bazin. Contrôle de l’émission spontanée de boîtes quantiques semiconductrices insérées dans
des micro-structures à confinement optique originales . Matière Condensée [cond-mat]. Université
de Grenoble, 2010. Français. �tel-00592414�
Institut Nanosciences et Cryog´ enie – CEA
Contrˆ ole de l’´ emission spontan´ ee de boˆıtes quantiques semiconductrices ins´ er´ ees dans des micro-structures ` a
confinement optique originales
TH` ESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 25 juin 2010 pour l’obtention du
Doctorat de l’Universit´ e de Grenoble
Sp´ ecialit´ e Physique de la Mati` ere Condens´ ee et du Rayonnement
par
Maela BAZIN
Th` ese dirig´ ee par J.M. G´ erard
Composition du jury
J.P. Poizat Pr´ esident J. Even Rapporteurs A. Lemaˆıtre
G. Almuneau Examinateurs J.Y. Duboz
J.M. G´erard
Je tiens à remerier les membres de mon jury de thèse. Tout d'abord Jean-Philippe Poizat
qui a aepté de le présider. Meri à mes rapporteurs, AristideLemaître et Jaky Even d'avoir
rempliette missionainsiqu'à mesexaminateurs Guilhem Almuneau etJean-YvesDuboz.
Je remerie mon direteur de thèse, Jean-Mihel Gérard pour son enadrement, sa dispo-
nibilité et sa patiene. Un grand meri à Julien Claudon pour les étapes de fabriation, les
simulations numériques ainsi que sa disponibilité, sonenthousiasme et sa bonne humeur. Cté
optiquemeri àJoël Bleuse, lebreton de oeur, etson enthousiasme débordant,pour m'avoir
appris à débusquer LE photonunique, Megan Creasey pour lesexpérienes de temps de vie de
dernièresminutes,KuntheakKengetAdrienTributpourm'avoirforméeetaidéesurleset-upde
miro-photoluminesene.MeriàPérineJarennousansquijen'auraipunaliser mesmesures
sur les mirolasers, mais aussi pour nos nombreuses disussions sientiques et ses orretions
lorsdemarédation.MeriàNitinSinghMalikpoursapartiipationauxétapesdelithographie
etauxexpérienes deluminesene.
Jetiensàexprimertoutemagratitudeauxdiérentsmembresdesollaborations,l'équipede
P.Lalannedel'Institutd'Optiqued'OrsayetN.GregersenduDTUFotonideCopenhaguepour
touslesaluls réaliséssurles lsphotoniques ainsiquel'équipe de Reitzensteinde l'Université
deWürtzburg pour lagravure desmiropiliers.
Jeremerieaussihaleureusement YoannaNowikietsabonnehumeurpoursaformationsur
lamahineMBE III-Vettant d'autreshoses,Yann Genuist,mon sauveurde molyblos,ave
quijepenseavoirquasiment toutdémonté surette mahineetunebonnepartie delanouvelle,
JeanDussaut, MarionNoblet et Yoann Curé pour leurs nombreux oupsde main.Meri à Eri
Delamadeleine de Sinaps et sagrande gentillesse pour m'avoir formée surle FTIR.Meri aussi
àStéphanie Pouget pour sa formationà la diration X.Tous les épitaxieurs II-VI,aniens ou
présents, pour la bonne ambiane qui règne en salle etles oups de main en tous genres, Régis
André,dont lesonseils m'ont toujoursétéd'unegrandeutilité,HervéBoukari,ThomasAihele
etlesplus oasionnels.
Plus généralement je remerie Henry et toute l'équipe NPSC qui m'ont aueilli durant es
presquequatre annéesde thèse :Marlène, Serge, Catherine, JoëlE., Alexia,Edith, Eva, Bruno
G. etBruno D.,...;les thésards etpost-dosqui ont partagé une partie de es années :Fabien,
Sylvain,Mathieu,Olivier,Julien R.,Lise,Robert,Mohamed,...ainsiquetouslesnouveauxarri-
vésquiontribuentàmainteniretteambiane haleureusedanslelabo.Unepenséepartiulière
pour maseonde ex-o-bureauMiryamElouneg-Jamroz etsonhumourdéalé, prendsbien soin
de Crapouette. Je n'oublie pas ma hère Rita Najjar, ma première ex-o-bureau, meri pour
nosdisussions sientiques ou non, nos nombreux fousrires, ton soutien de haque instant et
surtout l'amitiéqui en adéoulé.
Je tiensmaintenant àremerierles personnesplusprohesdemoi :Gildas pour nosdiverses
expéditionsde ndejournée, ainsiqueDavidpourles esapadesbibliothèque entre autres,sans
oublierGermain pour les pauses afé au soleil, meri à vouspour nos pétages de plombs ol-
letifs du vendredi soir. Enore meri à vous pour tout e temps passé ensemble, pour m'avoir
supportée et soutenue pendant es années. Je pense également à Danny pour les midis geek,
maisaussiaux plus oasionnelsqui ont ontribué à mavie grenobloise :Meryll, Mali,Oanna,
Je tiens à témoigner toute ma reonnaissane à mes parents pour leur soutien indéfetible,
aussibienmoralquenanier,pendantmathèseetplusgénéralementpendanttoutesmesétudes.
Les dernières lignes s'adressent à mon frère sans qui je n'en serais pas là, pour m'avoir
ommuniquésapassiondelaPhysiqueetsoutenuedansettevoie.Merid'avoirtoujoursrépondu
présent quee soit pendant mathèse,monursus universitaire oumême avant.
Introdution 1
Chapitre1 Exaltation etinhibition del'émissionspontanéedans les semiondu-
teurs 3
1.1 Emissiondans l'espaelibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Comment onnerlalumière?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Paramètres lefs d'uneavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Quelques géométriesde onnement photonique. . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Contrle dutaux d'émission spontanée enavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Connement bidimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 Connement unidimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3 Miroavité0D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Quelquesrésultatsexpérimentaux :ExaltationetInhibitiondel'émissionspontanée 20 1.4.1 Exaltation del'émission spontanée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2 Inhibition de l'émissionspontanée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5 Couplage fort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.1 Prinipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.2 Premières démonstrations expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Conlusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Chapitre 2 Méthodes expérimentales 31 2.1 L'épitaxie par jetsmoléulaires, tehnique de roissanesous ultravide . . . . . . 31
2.1.1 Shéma deprinipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.2 Caratérisation in-situ :leRHEED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Méthode etmode de roissanedesmatériauxIII-V. . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.1 Préparation dessubstrats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.2 Croissane bidimensionnelle etalibrationdes vitessesde roissane. . . . 36
2.2.3 Caratérisation életrique desouhes etalibration dudopage . . . . . . 42
2.2.4 Croissane deboîtesquantiques InAssurGaAs . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.5 Cavités àmiroirs deBragg AlAs/GaAs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3 Photoluminesene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3.1 Miro-photoluminesene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2 Photoluminesene résolue entemps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Chapitre 3 Soure de Photons Uniques : une nouvelle géométrie, les nanols 59 3.1 Propriétés d'unesoure de photonsuniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.1 Dénition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.2 Appliationspotentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.3 Obtention d'unphotonunique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Versune soure dephotons uniqueseae :ontrle de l'émissionspontanée . . 67
3.2.1 Approhe géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2 Contrle de l'émissionspontanéepar une miroavité . . . . . . . . . . . . 68
3.3 Une nouvelle géométrie de onnement optique:les lsphotoniques . . . . . . . 72
3.3.1 Contrle de l'émissionspontanée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.2 Méthode defabriation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.1 Mesuresde miro-photoluminesene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.2 Mesuresde temps devie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.3 Mesuresde orrélationde photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.4 Mesure d'eaité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.5 Perspetives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5.1 Pompage életrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5.2 Appliationspotentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5.3 Inonvénient etsolutions proposées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.5.4 Génération de photonsindisernables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.6 Inhibitionde l'émissionspontanéedansles lsphotoniques . . . . . . . . . . . . . 99
3.6.1 Mesure del'inhibition dans leslsphotoniques . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.7 Conlusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Chapitre 4 Etude de l'eet laser pour des modes de galerie dans des miropi- liers 103 4.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.1 Rappelhistoriquedesmodesdegalerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.2 Lesmirodisques semionduteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.1.3 Lasersà mirodisquessuspendus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.1 Miropiliers àmodesde galerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.2 Desription de l'éhantillon étudié . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2.3 Mesurespréliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3 Eet laserdansun miropilierà modesdegalerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.1 Conguration expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.2 Evolution del'intensité intégrée en fontion dela puissanede pompe . . 114
4.3.3 Largeur spetrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3.4 Evauation thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3.5 Températures defontionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4 Modèlethéorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.1 Modèleà deuxniveaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4.2 Extension du modèleà 4 niveaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.5 Conlusion etPerspetives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Conlusion 137 Annexe A Inhibition dans les miropiliers métallisés 139 A.1 Contrle de l'émissionspontanée dansunguide métallisé . . . . . . . . . . . . . . 139
A.2 Miroir deBragg métallisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
A.2.1 Premier as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
A.2.2 Seond as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.3 Appliation àl'expériene deBayeretal[13 ℄ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Bibliographie 145
Glossaire 157
Table des gures 159
C'estdurantlaseondemoitiéduXIX e
sièlequeMaxwellposalesfondementsdelaphysique
modernesurlalumièreenproposantlespostulatsdebasedel'életromagnétisme.AuXX e
sièle,
esontleslaunesnonexpliquéesdeettethéorie,ommel'eetphotoéletriqueoulesradiations
duorps noir, quimenèrent des physiiens tels quePlank ouEinstein àla notionde quanta et
donà lathéoriequantique. En sebasant surlemodèle deRutherford, Bohr, en1913, applique
es onepts de quantiation à l'atome en introduisant les niveaux d'énergie de ses életrons.
Ce modèle baptisé modèle de Bohr permet alors de prédire leurs propriétés spetrales. Il est
aujourd'huionnuquelestransitionsoptiquesdeetatome(absorptionouémissiondelalumière)
résultent d'unouplage entreesystèmeéletronique etlesmodesduhampéletromagnétique.
Cependant,ilafalluattendre lestravauxdePurell, en1946 [126 ℄,pourqu'onimagine modier
l'émission spontanée d'un atome en hangeant son environnement életromagnétique. Purell
prévoit, dans un artile sur les résonanes magnétiques, que le taux d'émission spontanée est
modiépour un atome isoléouplé ave un mode disret d'un résonateuréletromagnétique. Il
faut ensuite attendre les années 1980 pour que les premières démonstrations expérimentales de
telsphénomènessurdesatomessoientréaliséesdansledomaine desmiro-ondes[63℄.Onassiste
àlamême époqueàl'émergenede nouvellesapprohesbaséessurlaméanique quantiquepour
letraitement del'information, telleque laryptographiequantique[15 ℄.
C'est aussià lan des années 80 quese développent en physique du solideles méthodes de
roissanedites auto-organisées [62℄, [66 ℄, [75 ℄, [121 ℄, [138 ℄. C'est ainsi que la ommunauté des
semionduteurs voit émerger un nouveau type d'émetteurs : les boîtes quantiques. Ces stru-
turess'avèrenttrèsprohesdel'atome,departleuronnement tridimensionnel,ellesprésentent
uneémissionquasimonohromatiqueà bassetempérature et uneséparationnetteentreniveaux
énergétiques.C'est pourquoi es émetteurs seront par lasuite appelés atomes artiiels. C'est
grâe au progrès des tehniques de roissane et de lithographie des semionduteurs dans les
années90,qu'ildevientpossibledestruturerdesavitésàl'éhelledelalongueurd'ondeetainsi
de réaliserles expérienes d'életrodynamiquequantiquedans desmiroavités optiques mono-
lithiques.C'est ainsi que l'on a pu observer les prinipaux eets d'életrodynamique quantique
enavité dansdessystème solides:l'exaltation [61℄, l'inhibition de l'émissionspontanée[97 ℄ et
lerégimede ouplage fortentreémetteur etmode deavité[167 ℄.
Les études sur les miroavités optiques ont aussi onduit au développement de nouveaux
omposants, tels que le VCSEL (Vertial Cavity Surfae Emitting Laser). Ce omposant est
largementutilisédansl'industriedufaitdespropriétésintéressantesliéesàsagéométrievertiale
(faiseau à symétrie axiale, failité à le oupler à une bre optique, proédé à bas oût lié à
une fabriation massivement parallèle et un test aisé sur la plaque, possiblité de réaliser des
mirolasersà très basourant de seuil). On noteraependant que danse omposant,quelques
pourentsseulementdel'émissionspontanéesontouplésaumodelaser.Orl'émissionspontanée
joue un rle lef dans les lasers. Dans le mode laser, elle sert à délenher l'ampliation par
émissionstimulée, tandis que l'émissionspontanéedansles autres modes dissipe inutilement de
