GaAs-based semiconductors for optoelectronic and spintronic applications
Alliages à base de GaAs pour applications optoélectroniques et spintroniques
Résumé
This thesis is devoted to the study of the electron spin properties for optoelectronic and spintronic applications of different GaAs-based semiconductor systems: GaAsN, GaAsBi, and InGaAs.The investigation of the spin properties of dilute nitride GaAsN-based semiconductors is centered on the properties of the hyperfine interaction between the electron and the nuclei at the paramagnetic centers naturally present in these compounds. The study is carried out, in the temporal domain, by a photoluminescence-based pump-probe technique and taking advantage of the spin-dependent relaxation mechanism via deep paramagnetic centers in GaAsN bulk. We demonstrate a novel detection scheme of the coherent electron-nuclear spin oscillations related to the hyperfine interaction and revealed by the band-to-band photoluminescence in zero external magnetic field and without the need of electron spin resonance techniques. GaAsBi semiconductors provide new opportunities for many optoelectronic applications thanks to possibility of greatly modulate the band gap and the spin-orbit interaction with the bismuth concentration. Using time-resolved photoluminescence spectroscopy experiment, we have characterized the optical and spin properties of bulk and quantum well GaAsBi structures elaborated by molecular beam epitaxy in a wide range of Bi-content. The experimental results revealed, on the one hand, the localization effect of exciton at low temperature and, on the other hand, the marked decrease of electron spin relaxation time when bismuth content increases. These results are consistent with Dyakonov-Perel spin relaxation mechanism whose efficiency is enhanced by the strong spin-orbit coupling interaction in GaAsBi alloy. The third study is focused on the demonstration of the control of the electron spin relaxation time in the III-V semiconductors by taking advantage of the symmetry properties allied to the piezoelectric effects in InGaAs (111)B heterostructures, without the need of any external electric field. We show that, in this system, the particular direction (111) associated with parameters related to InGaAs quantum wells such as indium concentration and quantum well width allows the control of spin electron relaxation time via piezoelectric field induced by the strain amplitude in the well. These observations demonstrate the possibility of monitoring electron spin relaxation process using intrinsic quantum confined structures, making them ideal candidates for use in quantum information storage and processing devices.
Ce travail de thèse est consacré à l’étude et au contrôle des propriétés de spin des électrons dans des structures à base de semi-conducteurs GaAs : GaAsN, GaAsBi et InGaAs. L'objectif est de donner une description fine de leurs propriétés électronique afin d'appréhender leur potentiel pour des applications en optoélectronique et spintronique. Nous avons focalisé l'étude des propriétés de spin des semi-conducteurs à base de nitrure dilué GaAsN sur les propriétés de l'interaction hyperfine entre l'électron et les noyaux des centres paramagnétiques naturellement présents dans ces matériaux. L'étude est réalisée par des expériences de photoluminescence pompe-sonde, en tirant parti du mécanisme de filtrage de spin par les centres paramagnétiques profonds présents dans le GaAsN massif : la recombinaison dépendante du spin (SDR). Nous démontrons, via l'enregistrement de la dynamique de la photoluminescence bande à bande, une nouvelle technique de détection des oscillations de spin cohérentes électron-noyau dues à l'interaction hyperfine. Ces oscillations sont observées dans l'application d'un champ magnétique externe et sans la nécessité d'utiliser les techniques de résonance de spin électronique. La caractérisation des matériaux bismures dilués GaAsBi en couches massives et en puits quantiques élaborés par épitaxie par jet moléculaire avec différentes concentrations de bismuth avec des expériences de spectroscopie de photoluminescence résolue en temps et en polarisation permet l’étude des propriétés de spin des électrons. Les résultats expérimentaux ont révélé une nette diminution du temps de relaxation de spin des électrons lorsque la fraction de bismuth augmente. Cette réduction significative du temps de relaxation de spin est liée à l'augmentation du couplage spin-orbite dans le matériau GaAsBi. La dynamique de relaxation observée est en bon accord avec le modèle de D'yakonov-Perel. Une troisième étude a porté sur le contrôle et la manipulation de spin des électrons dans les puits quantiques à semi-conducteurs III-V InGaAs/GaAs. Les hétérostructures élaborées sur des substrats d'orientation (111) présentent des propriétés de symétries particulières, qui combinées aux propriétés piézoélectriques, permettent sans application d’un champ électrique externe, de bloquer ou accélérer la dynamique de relaxation de spin. Ces observations démontrent la possibilité de contrôler le spin des porteurs à l'aide des propriétés intrinsèques de structures à puits quantiques, ce qui en fait de très bons candidats pour des applications futures de traitement et de stockage de l'information quantiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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