Spectroscopy of excitonic transitions in GaN/AlGaN quantum wells

Spectroscopie des transitions excitoniques dans des puits quantiques GaN/AlGaN

Georges Rakotonanahary (1, 1)

1 LASMEA - Laboratoire des sciences et matériaux pour l'électronique et d'automatique

This work deals with the study of optical and electronic properties of GaN / AlGaN quantum wells, by classical techniques of spectroscopy including angle resolved reflectivity or photoluminescence, but also by time resolved photoluminescence. The continuous wave photoluminescence experiments allowed estimating the energies of the excitonic transitions, which are also available through reflectivity. These techniques highlighted the Stark effect in GaN / AlGaN quantum wells. The influence of the Stark effect on the energies of the excitonic transitions is well reproduced by envelop functions theory. Reflectivity spectra give access to the oscillator strength via their fitting by transfer matrix formalism, taking in account both homogeneous and inhomogeneous broadenings of the optical transitions. Finally, time resolved photoluminescence measurements as a function of temperature were performed to extract the oscillator strength, which is proportional to the inverse of the radiative recombination time. This technique also highlighted the Stark effect which is responsible of the vanishing of the oscillator strength with the thickness of the well and the aluminium composition. Increasing of the quantum well’s thickness induces decreasing of wave functions overlap, as well as an increasing of the aluminium composition which intensifies the electric field and splits the wave functions.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques et électroniques des puits quantiques de GaN / AlGaN grâce à des techniques classiques de réflectivité résolue en angle et de photoluminescence, ainsi qu’avec la technique de photoluminescence résolue temporellement. Les expériences de photoluminescence en régime continu ont permis d’estimer les énergies des transitions excitoniques qui sont également accessibles en réflectivité. Ces techniques ont ainsi permis de mettre en évidence l’effet Stark dans les puits quantiques GaN / AlGaN. L’effet Stark sur les énergies de transition est cohérent avec la théorie des fonctions enveloppes. Les spectres de réflectivité permettent d’accéder à la force d’oscillateur des excitons grâce à leur modélisation par le formalisme des matrices de transfert, prenant en compte les phénomènes d’élargissement homogène et inhomogènes des transitions optiques. Enfin, les mesures de photoluminescence résolue en temps en fonction de la température, ont également permis d’extraire la force d’oscillateur qui est inversement proportionnelle au temps de recombinaison radiative. Cette étude a également permis de mettre en évidence l’effet Stark responsable de la diminution de la force d’oscillateur en fonction de l’épaisseur du puits quantique mais aussi en fonction de la composition d’aluminium. L’augmentation de l’épaisseur du puits entraîne une diminution du recouvrement des fonctions d’onde, et une augmentation de la composition d’aluminium intensifie le champ électrique et diminue également le recouvrement des fonctions d’onde.

Mots clés: Quantum wells; Gallium nitride; Exciton; Oscillator strength; Stark effect; Reflectivity; Photoluminescence; TRPL

Mots clés: Nitrure de allium; Puits quantiques; Réflectivité; Force d’oscillateur; Effet Stark

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Georges Rakotonanahary. Spectroscopie des transitions excitoniques dans des puits quantiques GaN/AlGaN. Autre [cond-mat.other]. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2011. Français. ⟨NNT : 2011CLF22117⟩. ⟨tel-00662445⟩