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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (08/11/2005), Gérald Bastard (Dir.)
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Confinements non-usuels dans les boîtes quantiques semiconductrices
Duc Phuong Nguyen1

Cette thèse porte sur des calculs numériques des propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques avec des confinements non-usuels tels que des boîtes de InGaN/GaN, des tétrapodes de CdSe,...

Après avoir présenté les méthodes de calculs numériques utilisées tout au long de cette thèse, nous commençons par étudier théoriquement un super-réseau des boîtes quantiques InAs/GaAs avec une petite périodicité. Cette petite périodicité entraîne l'alignement vertical des boîtes quantiques. Nous montrons que l'état fondamental ne couple qu'avec les états du continuum qui ont presque la même extension dans le plan pour les excitations avec la polarisation suivant la direction de croissance (z). En conséquence de ces couplages particuliers, les photo-réponses en polarisation z ne changent pas quand un champ magnétique est appliqué parallèle à z malgré la présence de nombreux états de quasi-Landau dans le continuum. Nous montrons ensuite qu'une absorption lié-continuum forte en polarisation dans le plan peut être obtenue si l'on réduit la taille latérale des boîtes. Ces résultats sont utilisés pour expliquer les résultats expérimentaux obtenus à Vienne. Dans ce travail effectué en collaboration, nous étudions théoriquement et expérimentalement les photo-détecteurs basés sur des boîtes quantiques InAs/GaAs insérées dans un super-réseau, sans ou avec les barrières de AlAs. Nous montrons que ces structures périodiques peuvent être utilisées pour fabriquer des photo-détecteurs dans la gamme infrarouge lointain. Les spectres de photo-courant sont en bon accord avec les spectres d'absorption optique obtenus par nos calculs.

Nous nous intéressons aussi à des hétéro-structures à base de nitrure. Ces semi-conducteurs présentent des propriétés physiques originales comme des grandes masses effectives, de grands offsets de bande, un champ piézo-électrique colossal, ... Nous nous focalisons sur les hétéro-structures InGaN/GaN sur lesquelles de nombreuses applications opto-électroniques sont basées. Nous montrons que les effets du désordre ainsi que les grandes valeurs physiques rendent l'Approximation du Cristal Virtuel non valable dans ces systèmes. Enfin, nous effectuons des calculs des structures électroniques des tétrapodes de CdSe. Nous montrons que les quatre premiers états sont confinés en grande partie dans le corps sphérique, ce qui est cohérent avec les spectres expérimentaux.
1 :  LPA - Laboratoire Pierre Aigrain
Boîte quantique – Tétrapode – Semiconducteur III-V – Semiconducteur II-VI – Transition optique – Propriétés électroniques

Unusual confinements in the semiconductor quantum dots
This thesis reports on numerical calculations of electronic and optical properties of quantum dots with unusual confinement such as InGaN/GaN dots, CdSe tetrapod,...

After having shown the numerical calculation methods used throughout this work, we begin with a theoretical study on a superlattice of InAs/GaAs quantum dots with a short period. This short period causes a vertical alignment of quantum dots. We show that the ground state couples only with the continuum states which have nearly the same in-plane extension for the excitations with polarization along the growth direction (z). Following these particular couplings, the photo-responses in z polarization do not change when a vertical magnetic field is applied despite numerous quasi-Landau states in the continuum. Next, we show that strong bound-to-continuum absorption with in-plane polarizations is possible if we reduce the planar dimension of the dots. The results above are applied to explain the experimental results obtained by the group in Vienna. In this collaboration work, we study theoretically and experimentally the photo-detectors based on InAs/GaAs quantum dots embedded in a superlattice, with or without AlAs barriers. We show that these periodic structures can be used to fabricate photo-detectors in the far infrared range. The photo-current spectra are in good agreement with calculated optical absorption spectra.

In the next part of the work, we are interested in nitride heterostructures. These semiconductors have original physical properties such as large effective masses, large band offsets, giant piezoelectric field, ... We are interested in particular in InGaN/GaN heterostructures on which numerous optoelectronic applications are based. We show that the disorder effect as well as the large physical parameters make the Virtual Crystal Approximation no more valid in these systems. Finally, the calculations of electronic structures of the CdSe tetrapods are performed. We show that the first four states are well confined in the spherical body, which is coherent with the experiments.
Quantum dot – Tetrapod – Semiconductor III-V – Semiconductor II-VI – Optical transition – Electronic properties