Étude sous champ magnétique intense de nanostructures semi-conductrices à cascade quantique

François-Régis Jasnot (1)

1 LPA - Laboratoire Pierre Aigrain

The thesis work was about the study of quantum cascade structures in the quantum Hall regime. Two types of semi-conducting heterostructures have been studied : a terahertz emitting structure and a mid-infrared detecting one. In the first case, the Landau quantization resulting from the application of a magnetic field perpendicular to the layers of a multi-quantum well structure has allowed a clear observation of cyclotron emission. A magnetic field tunable electroluminescent device emitting directly by the surface has been demonstrated in this study. The scattering mechanism responsible for this emission is electron-electron (Auger like) interaction, a many-body mechanism. In this case the magnetic field is an external parameter which creates new electronic states allowing the emphasis of a non-conventional light emission. The study of the 8 m quantum cascade detector has been performed both in dark and under illumination. In each situation the electronics paths have been identified. A photocurrent model and the calculation of the electron-ionized impurities lifetime as a function of magnetic field have been developed. They allow to highlight the limiting factors in working condition and to optimize the future cameras based on quantum cascade detectors : crucial role of the ionized impurities location in the active region and importance of the cascade design. The magnetic field has shown in this second study his ability as a tremendous spectroscopic tool.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de structures à cascade quantique dans le régime de l'effet Hall quantique. Deux types d'hétérostructures semi-conductrices ont été étudiés : une structure émettrice térahertz et une structure détectrice moyen infrarouge. Dans le premier cas, une mise en évidence claire de l'émission cyclotron a pu être démontrée grâce à la quantification de Landau résultant de l'application d'un champ magnétique perpendiculaire aux couches d'une structure à multi-puits quantiques. Cette étude a permis de réaliser un composant électroluminescent accordable en champ magnétique et émettant directement par la surface. Le mécanisme de diffusion responsable de cette émission est l'interaction électron-électron, un mécanisme de type Auger à Ncorps. Le champ magnétique sert dans ce cas de paramètre extérieur pour créer de nouveaux états électroniques permettant d'observer de l'émission lumineuse non-conventionnelle. L'étude d'un détecteur à cascade quantique à 8 m a été réalisée dans l'obscurité et sous illumination. Les chemins électroniques ont pu être identifiés dans les deux cas. Un modèle de photocourant ainsi que le calcul du temps de vie en fonction du champ magnétique de l'interaction électron-impuretés ionisées ont été développés. Ils ont permis d'identifier les améliorations à réaliser pour la mise en oeuvre de futures caméras basées sur des détecteurs à cascade quantique : importance de la place des impuretés ionisées dans la région active et rôle crucial du dessin de la cascade. Le champ magnétique a montré dans cette deuxième étude son formidable pouvoir d'outil spectroscopique.

Mots clés: quantum cascade; surface emission; magneto-spectroscopy; scattering mechanism; inter-subband transition

Mots clés: cascade quantique; émission de surface; magnéto-spectroscopie; mécanisme de diffusion; térahertz; transition inter-sous-bande

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

François-Régis Jasnot. Étude sous champ magnétique intense de nanostructures semi-conductrices à cascade quantique. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00659600⟩