| Opération de Recherche "Excitons Confinés" |
Nous étudions les propriétés optiques des nano-structures artificielles (puits et boîtes quantiques) à base de divers semiconducteurs, notamment ceux de la famille du GaN. Par des expériences de spectroscopie optique continue et résolue en temps, nous observons les états quantiques mis en jeu dans l'émission et la détection de lumière par ces nano-objets. Nous modélisons ces propriétés, afin d'en maîtriser l'ingénierie au niveau quantique.
Contact: Pierre Lefebvre (lefebvre@ges.univ-montp2.fr)
Rattachement - Participants :
Groupe d'Etude des Semiconducteurs (GES) - Unité Mixte de
Recherche N°5650 du CNRS - Université Montpellier II.
Opération de Recherche "Excitons Confinés" - P. Lefebvre
(lefebvre@ges.univ-montp2.fr), T. Bretagnon, B. Gil, T. Taliercio, P. Valvin.
Compétences Générales
- Domaine d'Activité:
Spécialisé depuis plus de quinze ans dans l'étude
des propriétés optiques des nano-structures artificielles
de type puits et boîtes quantiques, ce groupe de physiciens du GES
mène une recherche approfondie sur de tels objets élaborés
à partir de nitrures d'éléments III. Cette classe
de matériaux connaît un très fort développement,
principalement dû aux applications en matière de diodes électroluminescente
couvrant tout le spectre visible et de diodes laser émettant dans
l'ultraviolet. Le savoir-faire de l'équipe est centrée sur
l'utilisation du banc de spectroscopie résolue en temps, seul en
France, de par sa configuration actuelle, à permettre l'étude
détaillée de tous les nano-objets quantiques à base
de nitrures, ou autres semiconducteurs à grande bande interdite.
La position de l'équipe dans la communauté scientifique
se concrétise par de nombreuses collaborations nationales et internationales,
notamment dans le cadre de projets financés par la Communauté
Européenne, ou par le Réseau "Nanotechnologie" du Ministère
de la Recherche. En voici quelques exemples :
- "CLERMONT" est un Réseau "Capital Humain et Mobilité de la Commission Européenne, sur la physique des microcavités quantiques à base de nitrures (2000-2003). Il s'agit d'études fondamentales ayant un potentiel d'application pour la réalisation de lasers émettant par la surface (VCELs). Les partenaires sont : Université Blaise Pascal-Clermont-Ferrand II, CRHEA-CNRS Valbonne, Université Sheffield (GB), Uni. de Southampton (GB), Université de Linköping (Suède), Université de Florence (Italie), Université de Rome (Italie). Le réseau fonctionne en fait avec une réelle stratégie coopérative de recherche, alliant théorie, fabrication et études physiques poussées.
- "BOQUANI" pour "Boîtes Quantiques de Nitrures", est une action prospective "Nanotechnologie", sur les propriétés optiques des boîtes quantiques (In)GaN / Al(Ga)N et des fonctionnalités qui en découlent. Outre le GES et le CRHEA-CNRSde Valbonne, où N. Grandjean élabore les échantillons, le réseau réunit : l'IEMN-UMR 8520, de Lille, pour la modélisation de la croissance et des propriétés électroniques à l'échelle microscopique ; le LERMAT-ESA 6004, de Caen pour la microscopie électronique à transmission ; l'UTAP - EA N° 2061 de l'Université de Reims pour des mesures de cathodoluminescence en champ proche.
- "NANILUB" pour "Nanostructures Nitrures / Lumière Bleue et Blanche" (ACI Ministère 2000-2003) : Mise en place d'une filière d'élaboration industrielle par EJM de nano-structures InGaN/GaN, pour la production par PICOGIGA, qui coordonne le projet, de LEDs bleues et blanches. Participants : Thales CSF/LCR, Ecole Polytechnique, CRHEA-CNRS Valbonne et Université de Bordeaux.
- "INTRANIT" (début : fin 2001) sera consacré à l'utilisation des transitions intrabandes dans les structures quantiques de nitrures, élaborées au CRHEA-CNRS Valbonne et au CEA-Grenoble, pour applications aux télécommunications optiques. Ce projet est coordonné par l'IEF à Orsay.
Ces dernières années, les résultats les plus marquants ont été obtenus sur les puits et boîtes quantiques GaN/AlGaN et InGaN/GaN, notamment dans la compréhension des influences respectives des champs piézo-électriques internes et de la forte localisation des porteurs, sur les processus radiatifs et non-radiatifs. La compréhension profonde ainsi acquise de ces matériaux originaux, ouvre la voie à une ingénierie de bande utilisant ces nouveaux degrés de liberté.
La figure ci-dessus présente, en insertion, une photographie prise au CRHEA-CNRS de Valbonne, montrant la lumière émise, sous excitation ultraviolette indirecte, par un puits quantique In0.2Ga0.8N/GaN d'épaisseur graduelle. Cette dernière est de ~2 nm à droite de l'échantillon et de ~5,5 nm à gauche. En se déplaçant le long de cet échantillon, on observe les spectres représentés, qui couvrent tout le spectre visible, alors que le gap de l'In0.2Ga0.8N est dans le proche ultraviolet : c'est un effet d'un champ piézo-électrique de 2,5 MV/cm, présent le long de l'axe de croissance du puits. Parallèlement, les temps de déclins de photoluminescence, que nous avons mesurés, varient de plus de 4 ordres de grandeur, comme le montre la figure ci-dessous, en excellent accord avec le résultat de notre calcul de force d'oscillateur excitonique (courbe rouge).