Recherche du couplage fort lumière-matière dans des microcavités nitrurées - Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2003

Recherche du couplage fort lumière-matière dans des microcavités nitrurées

Résumé

This memory is devoted to the study of the coupling light-matter in structures containing GaN (semiconductor with direct band gap). The objective of this work is the experimental description of the exciton-photon strong coupling in microcavities containing GaN. Difficulties related to the growth of nitrides have constrained us to carry out two preliminary studies : first of all, determination of the refractive indices of AlN, GaN and AlGaN by spectroscopic ellipsometry and reflectivity, then the characterization of Bragg mirrors AlN/GaN and AlN/AlGaN. From the results obtained, we imagined, then carried out the design of several structures of microcavities for which the light-matter strong coupling was reached theoretically. The microcavities were then grown by molecular beam epitaxy on silicon substrate and we characterized them by optical spectroscopy : reflectivity and photoluminescence at low temperature, as a function of the incidence angle and of the position. The angle resolved reflectivity experiments enabled us to highlight for the first time, the strong coupling regime in a microcavity containing GaN. The studied structure is a massive microcavity containing GaN, embedded between 4 alternations of dielectric layers SiO2/Si3N4 forming the top mirror and the silicon substrate acting as the bottom mirror. The strong coupling regime reached in this structure, is characterized by a Rabi splitting of 31 meV persistent at a temperature of 77K, but not remaining at room temperature, because of the widenings induced by the increase of the temperature. Finally, we proposed massive microcavities or with quantum wells theoretically allowing the observation of the strong coupling regime at room temperature. Thus, devices such as the polariton laser, laser with very weak threshold, could be considered.
Ce mémoire est consacré à l'étude du couplage lumière-matière dans des structures à base de GaN (semiconducteur à bande interdite directe). L'objectif de ce travail est la mise en évidence expérimentale du couplage fort exciton-photon dans des microcavités à base de GaN. Des difficultés liées à l'élaboration des nitrures nous ont contraint à effectuer deux études préliminaires : tout d'abord, la détermination des indices de réfraction d'AlN, GaN et AlGaN par ellipsométrie spectroscopique et par réflectivité, puis la caractérisation de miroirs de Bragg AlN/GaN et AlN/AlGaN. A partir des résultats obtenus, nous avons imaginé puis effectué le design de plusieurs structures de microcavités pour lesquelles le couplage fort lumière-matière était atteint théoriquement. Les microcavités ont ensuite été élaborées par épitaxie sous jets moléculaires sur substrat de silicium et nous les avons caractérisées par spectroscopie optique : réflectivité et photoluminescence à basse température, en fonction de l'angle d'incidence et de la position. Les expériences de réflectivité résolues en angle nous ont permis de mettre en évidence pour la première fois le régime de couplage fort dans une microcavité à base de GaN. La structure étudiée est une microcavité massive à base de GaN encastrée entre 4 alternances de couches diélectriques SiO2/Si3N4 formant le miroir haut et le substrat de silicium jouant le rôle du miroir bas. Le régime de couplage fort atteint dans cette structure est caractérisé par un dédoublement de Rabi de 31 meV persistant à une température de 77K, mais ne subsistant pas à température ambiante, à cause des élargissements induits par l'augmentation de la température. Finalement, nous avons proposé des microcavités massives ou à puits quantiques permettant théoriquement l'observation du régime de couplage fort à température ambiante. Ainsi, des dispositifs tels que le laser à polaritons, laser à très faible seuil, pourrait être envisagé.
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tel-00523220 , version 1 (04-10-2010)

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  • HAL Id : tel-00523220 , version 1

Citer

N. Antoine-Vincent. Recherche du couplage fort lumière-matière dans des microcavités nitrurées. Matière Condensée [cond-mat]. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00523220⟩
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