PHYSICS OF INTERSUBBAND TRANSITIONS IN GAN / ALN HETEROSTRUCTURES FOR OPTOELECTRONIC APPLICATIONS AT 1.3 - 1.55 MICRON
PHYSIQUE DES TRANSITIONS INTERSOUSBANDES DES HETEROSTRUCTURES DE GAN / ALN POUR L'OPTOELECTRONIQUE À LAMBDA = 1,3 - 1,55 MICRON
Résumé
Intersubband transitions in semiconductor heterostructures have been intensively studied since the early 80s. Today there are still two frontiers to be explored: extending the intersubband devices to the long wavelengths of THz domain and to fiber optics telecommunication wavelengths. To reach the1.3 - 1.55 micron domain, one should use semiconductor heterostructures with large band discontinuity. GaN/AlN heterostructures, studied in this work, have large conduction band offset (<1.75 eV) and therefore are very promising candidates for the development of unipolar optoelectronic devices operating at 1.3-1.55 micron.
This work is focused on the experimental and theoretical study of the intersubband transitions in GaN/AlN quantum wells and quantum dots grown by molecular beam epitaxy on sapphire (0001) substrate. Firstly, I show the results of optical and structural characterizations of the quantum well samples and also the modeling of the quantum confinement in these heterostructures. The influence of doping is discussed. Then I focus on the study of coupling between two quantum wells separated by an ultra-thin barrier and on the application of these system to electro-optical modulators and quantum fountain lasers. Finally, I present the results on the intraband absorption of GaN/AlN quantum dots at telecommunication wavelengths and I discuss first applications to infrared photodetection.
This work is focused on the experimental and theoretical study of the intersubband transitions in GaN/AlN quantum wells and quantum dots grown by molecular beam epitaxy on sapphire (0001) substrate. Firstly, I show the results of optical and structural characterizations of the quantum well samples and also the modeling of the quantum confinement in these heterostructures. The influence of doping is discussed. Then I focus on the study of coupling between two quantum wells separated by an ultra-thin barrier and on the application of these system to electro-optical modulators and quantum fountain lasers. Finally, I present the results on the intraband absorption of GaN/AlN quantum dots at telecommunication wavelengths and I discuss first applications to infrared photodetection.
Dans les années 80-90 la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd'hui deux frontières à explorer : l'extension vers les grandes longueurs d'onde du domaine THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, il faut disposer d'hétérostructures présentant une discontinuité de potentiel élevée. Les hétérostructures de GaN/AlN, étudiées dans cette thèse, ont une discontinuité de potentiel en bande de conduction voisine de 1,75 eV et sont aujourd'hui les candidats les plus sérieux pour le développement de composants optoélectroniques unipolaires à 1,3-1,55 micron.
Ce travail de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique des transitions intersousbandes dans des puits quantiques et boîtes quantiques de GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je présente les résultats des caractérisations optiques (spectroscopie à transformée de Fourier et de photoluminescence) et structurales (diffraction des rayons-X, microscopie électronique à transmission) des échantillons et je montre également la modélisation du confinement quantique dans ces hétérostructures. Les effets dus au dopage sont discutés. Je me focalise ensuite sur l'étude du couplage entre deux puits séparés par une barrière ultra-mince et j'aborde la conception d'un modulateur électro-optique et d'un laser à fontaine quantique basés sur des puits couplés. Enfin, je présente mes résultats sur l'absorption intrabande de boîtes quantiques GaN/AlN aux longueurs d'ondes des télécommunications ainsi que les premières applications à la photodétection infrarouge.
Ce travail de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique des transitions intersousbandes dans des puits quantiques et boîtes quantiques de GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je présente les résultats des caractérisations optiques (spectroscopie à transformée de Fourier et de photoluminescence) et structurales (diffraction des rayons-X, microscopie électronique à transmission) des échantillons et je montre également la modélisation du confinement quantique dans ces hétérostructures. Les effets dus au dopage sont discutés. Je me focalise ensuite sur l'étude du couplage entre deux puits séparés par une barrière ultra-mince et j'aborde la conception d'un modulateur électro-optique et d'un laser à fontaine quantique basés sur des puits couplés. Enfin, je présente mes résultats sur l'absorption intrabande de boîtes quantiques GaN/AlN aux longueurs d'ondes des télécommunications ainsi que les premières applications à la photodétection infrarouge.