Principe de détection optique des oscillations cohérentes électron-noyau par photoluminescence pompe-sonde

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Introduction

À une ère où les semiconducteurs sont omniprésents et où le besoin en rapidité, eﬃcacité et faible consommation avec des coûts réduits rythme la recherche et le développement des matériaux et des dispositifs optoélectroniques, nous disposons aujourd’hui de nombreux types de semiconducteurs qui peuvent répondre aux enjeux technologiques et sociétaux.
Depuis l’invention du transistor en 1947, la recherche dans le domaine des semiconducteurs a connu un essor important et d’énormes progrès technologiques mus par le besoin accru de miniaturisation des composants électroniques et de développement de dispositifs aux fonction-nalités étendues. Une grande attention a été donc accordée à un nouveau type d’électronique appelé électronique de spin ou spintronique qui permet d’utiliser le spin des porteurs comme vecteur de l’information. Cette technologie a fait l’objet de vastes recherches durant ces dernières décennies [1]. Elle vise à manipuler et contrôler le spin dans les semiconducteurs pour diverses applications, dont entre autres, les dispositifs de stockage et le traitement de l’information quantique [2].
Le principal défi est d’identifier des matériaux ou des systèmes pour lesquels la relaxation et le temps de cohérence de spin sont assez longs pour les processus de traitement de l’information ou pour contrôler sa propagation. Comprendre le mécanisme régissant la relaxation de spin est donc crucial et a été le centre d’intérêt de vastes travaux théoriques et expérimentaux. Le processus dominant pour la relaxation de spin des électrons dans les puits quantiques des semiconducteurs III-V de la structure type blende de zinc est le mécanisme proposé par Dyakonov et Perel (DP) [3]. Dans ce cadre, diﬀérentes approches ont été proposées et développées par la communauté scientifique pour traiter le temps de relaxation de spin. Certaines approches sont utilisées afin d’obtenir de longs temps de relaxation de spin tels que :
(i) La première approche consiste à confiner les porteurs dans les trois directions spatiales dans des nano-objets tels les boites quantiques à base de (In)GaAs ou CdTe, ou plus récemment sur des matériaux (In)GaN à large bande interdite. Ceci permet le maintien d’une polarisation stable des porteurs à la température ambiante. Bien que les nano-objets diﬀèrent les uns des autres, la possibilité de manipuler optiquement ou électriquement une seule nanostructure s’est avérée être un terrain d’essai idéal pour les théories les plus avancées sur l’optoélectronique des semiconducteurs.
(ii) La deuxième approche repose plutôt sur l’ingénierie des défauts dans les semiconducteurs sous diverses formes : donneurs, accepteurs, lacunes ou centres paramagnétiques profonds. Les atomes P dans le Si, ou les centres NV dans le diamant et les centres paramagnétiques Ga dans les nitrures dilués ne sont que quelques exemples. Dans cette approche, la manipulation de l’ensemble des états de spin est réalisable grâce aux propriétés physiques de chacun de ces défauts.
(iii) La troisième approche tire parti de la symétrie cristalline pour renforcer les propriétés souhaitées. Elle s’est révélée être un outil eﬃcace pour manipuler les propriétés de spin dans les puits quantiques. La compensation des mécanismes de relaxation de spin selon la symétrie de la structure pour certaines ou toutes les directions spatiales élargit la possibilité de conception de structures semiconductrices comme l’ont montré les premières démonstrations dans la structure anisotrope orientée (110) caractérisée par des temps de relaxation de spin très long ou plus récemment dans les structures contrôlables orientées (111).
Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire sont consacrés à l’étude et au contrôle des propriétés de spin des électrons dans des structures à base de semiconducteurs GaAs en se basant sur certaines des approches sus-citées. Ces contributions sont scindées en trois parties consacrées aux matériaux ternaires GaAsN, InGaAs et GaAsBi. Ce mémoire est donc organisé de la manière suivante :
Le premier chapitre présente les semiconducteurs III-V et a pour but d’apporter les notions fondamentales ainsi que les méthodes physiques auxquelles nous avons accès pour étudier leur propriétés physiques. La structure blende de zinc des semiconducteurs III-V est définie, les propriétés structurales essentielles, le processus du pompage optique orienté ainsi que les mécanismes de relaxation de spin sont rappelés.
Le deuxième chapitre a pour objet l’étude des propriétés de spin des semiconducteurs
à base de nitrure dilué GaAsN massif où nous exploitons la recombinaison dépendante du spin des électrons de la bande de conduction avec les défauts paramagnétiques Ga2+ afin de démontrer la détection des oscillations cohérentes des spins du système électron-noyau couplés par interaction hyperfine sans la nécessité de toute technique de résonance électronique. Ces résultats expérimentaux sont appuyés par un modèle théorique.
Le troisième chapitre porte sur le contrôle et la manipulation de spin des électrons dans les puits quantiques InGaAs/GaAs. Cette étude est une extension du principe du contrôle électrique du temps de relaxation des spins électroniques dans des puits quantiques (111). Nous rappelons les diﬀérentes sources menant à la brisure de la symétrie dans les cristaux, nécessaires
à la compréhension et l’explication de l’impact du champ piézoélectrique induit dans les puits quantiques contraints InGaAs (111). A l’aide des expériences de photoluminescence résolue en temps et en polarisation, nous mettons en évidence le rôle direct du champ piézoélectrique
sur le mécanisme D’Yakonov-Perel de relaxation de spin d’électron dans les hétérostructures orientées (111).
Le quatrième chapitre est consacré au ternaire GaAsBi, sous forme de couches massives et de puits quantiques, pour l’étude des propriétés optiques ainsi que les propriétés de spin. Nous donnons un aperçu général sur l’historique de la croissance des alliages III-V-Bi, puis nous rappelons les propriétés électroniques et mécaniques des alliages GaAsBi ainsi que leurs applications potentielles. Ensuite, nous décrivons les échantillons étudiés et le dispositif expérimental, puis nous présentons et discutons les résultats des mesures obtenues par photoluminescence résolue en temps et en polarisation.
Enfin, nous concluons le mémoire en résumant les diﬀérents résultats obtenus et en discutant des extensions possibles de nos travaux.
En annexe A, nous ajoutons des détails de toute la chaîne du dispositif expérimental de la photoluminescence résolue en temps et en polarisation utilisé dans cette thèse.
En annexe B, nous donnons des outils complémentaires du chapitre II .

Table des matières

Introduction
Bibliographie
1 Introduction aux propriétés électroniques et optiques des semiconducteurs
III-V à base de GaAs.
1.1 Les semiconducteurs III-V du massif à l’hétérostructure
1.1.1 Les semiconducteurs III-V : le massif
1.1.2 Les semiconducteurs III-V : les hétérostructures
1.2 Techniques de croissance des échantillons
1.3 Le pompage optique orienté
1.3.1 Les règles de sélection optique dans le massif
1.4 Principaux mécanismes de relaxation de spin
1.4.1 Mécanisme D’Yakonov-Perel
1.4.2 Mécanisme Elliot-Yafet
1.4.3 Mécanisme Bir-Aronov-Pikus
1.4.4 Mécanisme lié à l’interaction hyperfine
Bibliographie
2.1 Les semiconducteurs GaAsN
2.1.1 Mécanisme du SDR : description simplifiée
2.2 Rôle de l’interaction hyperfine
2.3 Principe de détection optique des oscillations cohérentes électron-noyau par photoluminescence pompe-sonde
2.4 Dispositif Expérimental
2.4.1 Description de l’échantillon étudié
2.4.2 Banc de mesure
2.5 Résultats expérimentaux
2.5.1 Mise en évidence de l’influence de la pompe
2.5.2 Influence du délai
2.5.3 Description analytique par les équations dynamiques
2.5.4 Influence d’un champ magnétique en configuration Faraday
Bibliographie
3 Manipulation de spin dans les puits quantiques InGaAs/GaAs (111)
3.1 Effets du couplage spin-orbite dans les semiconducteurs III-V
3.1.1 L’intéraction spin-orbite
3.1.2 Sources de la brisure de la symétrie dans les hétérostructures blende de
zinc
3.2 L’effet piézoélectrique dans les semiconducteurs III-V
3.2.1 Définition de l’effet piézoélectrique
3.2.2 Calcul de la déformation dans les puits quantiques orientés (111)
3.2.3 Calcul du champ piézoélectrique dans les puits quantiques orientés (111)
3.3 Échantillons et dispositif expérimental
3.3.1 Échantillons étudiés
3.3.2 Propriétés des matériaux InGaAs
3.3.3 Dispositif Expérimental
3.4 Résultats et discussion
3.4.1 Impact de l’effet Stark sur le puits quantique (111)
3.4.2 Impact sur la relaxation de spin
3.4.3 Comparaison avec les résultats de simulations
Bibliographie
4 Étude des propriétés optiques et de spin des alliages GaAsBi
4.1 Les semiconducteurs GaAsBi
4.1.1 Etat de l’art et contexte des travaux
4.1.2 Croissance des semiconducteurs III-V-Bi : un historique
4.1.3 Propriétés électroniques et mécaniques
4.1.4 Applications potentielles des matériaux III-V-Bi
4.2 Échantillons et dispositif expérimental
4.2.1 Description des échantillons étudiés
4.2.2 Technique de caractérisation
4.3 Résultats des mesures
4.3.1 Le signal de photoluminescence
4.3.2 Effet de la température
4.3.3 Effet de la puissance
4.3.4 Étude des propriétés de spin
Bibliographie
A Dispositif expérimental
A.1 Spectroscopie de photoluminescence résolue en temps
A.1.1 Sources d’excitation :
A.1.2 Oscillateur Titane : Saphir
A.1.3 Pompage du cristal Ti :Sa
A.1.4 La Caméra à balayage de fente
A.1.5 Dispositif cryogénique
Bibliographie
B Modèle théorique complément du Chapitre II
B.1 Modèle théorique complément du Chapitre II
Bibliographie
C Publications scientifiques