Exciton condensation in silicon nanostructures
Condensation des excitons dans les nanostructures de silicium
Résumé
This work deals with the study of the different electron-hole phases created in silicon nanostructures at low temperature under ultra-violet illumination. Thanks to wavelength and time resolved photoluminescence techniques the exciton, electron-hole liquid and electron-hole plasma phases are clearly identified in such structures. The first two chapters give the necessary information to understand the physics of the condensation of excitons in bulk semiconductors. The experimental part developped in the following chapters concerns the spatial confinement of the liquid in Si/SiO$_2$ heterostructures obtained with Silicon On Insulator SOI (chapter three). The nucleation and coalescence of liquid droplets and a change in the condensation threshold are observed in these samples. The photoluminescence lineshape analysis gives the liquid equilibrium parameters (density, temperature). The chapter four shows that the three dimensional confinement obtained in sub-micronic boxes made on SOI involves an increase in the liquid-plasma transition temperature (pressure cooker effect). The chapter five deals with the influence of the electric field on the electron-hole liquid in SOI quantum wells. A redshift of the recombination line is observed due to the band curvature of the semiconductor in the Schottky junction. Finally, the chapter six deals with the study of the effect of quantum confinement on the liquid in thin wells. Data are analyzed with a model that takes account of the lowering of the dimensionality and the dielectric mismatch between the well and the barrier. The transition between ultra-thin SOI quantum wells and nanocrystals has been observed.
Le travail présenté ici concerne l'étude des différentes phases de porteurs de charge générées sous excitation optique à basse température dans les nanostructures de silicium cristallin. Après avoir rappelé et décrit brièvement les mécanismes physiques responsables de l'apparition et de l'équilibre entre le gaz d'excitons, le plasma et le liquide électron-trou dans les semiconducteurs massifs, il est montré, en s'appuyant sur les techniques de photoluminescence résolues en longueur d'onde et en temps, que le seuil de condensation des excitons en liquide électron trou est abaissé dans les puits de silicium sur isolant (SOI) du fait du confinement spatial unidimensionnel. Cet effet permet également de mettre en évidence la nucléation et la coalescence des gouttelettes de liquide. Une augmentation de la température de transition liquide-plasma est observée dans les milieux confinés dans les trois directions de l'espace, obtenus à partir de puits de SOI. L'influence du champ électrique sur le liquide est examinée grâce à la fabrication de jonctions métal-oxyde-semiconducteur pouvant servir à localiser les gouttelettes sous les électrodes. Enfin, l'effet du confinement quantique sur le liquide est observé dans les puits fins de SOI et conduit à la création d'un liquide bidimensionnel. Les données sont analysées en s'aidant d'un modèle prenant en compte l'abaissement de la dimensionalité du silicium ainsi que l'apparition de charges image dans le matériau barrière. Pour les puits les plus fins, l'apparition de raies de luminescence caractéristiques de celles émises par des nanocristaux de silicium atteste de l'observation de la transition puits/boîte.
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