L’ingénierie et la modélisation de la localisation des porteurs de charge dans des QDs

23 janvier 2023

Le CEMES, l’Institut Ioffe et l’UNICUSANO ont développé des modèles vérifiés expérimentalement de l’émission optique de boites quantiques In(Ga)As et In(Ga)N. Ils prennent en compte la composition, la forme et les champs de déformation 3D des QDs. La fonction d’onde de trou dans l’état fondamental a été déterminée dans des QDs de In(Ga)As. De nouvelles propriétés d’émission ont été obtenues et expliquées avec une structure de QDs d’In(Ga)N couplés électro-mécaniquement.

Le confinement tridimensionnel (3D) des porteurs de charge dans des boîtes quantiques (QD) d’In(Ga)As et In(Ga)N épitaxiales permet d’améliorer considérablement l’efficacité des diodes électroluminescentes et des lasers. L’ingénierie de la localisation des électrons et des trous dans de tels QDs nécessite de prendre en compte la composition, la forme et les champs de déformation 3D dans les QDs, paramètres intrinsèques à la formation et à l’enfouissement des QDs au sein de la couche épitaxiale.

Le CEMES, l’Institut Ioffe et l’UNICUSANO ont développé des modèles vérifiés expérimentalement pour l’émission optique de telles boites quantiques intégrées dans des matrices GaAs et GaN. La composition chimique 3D et la géométrie des QDs de taille nanométrique ont été déterminées en résolvant le problème de mécanique du solide du champ contrainte-déformation à l’intérieur et autour des QDs reconstruit à partir des champs de déformation 2D mesurés par holographie en chambre sombre en mode haute résolution.

Les paramètres des états fondamentaux des porteurs de charge ont été évalués dans les QDs d’InGaAs en résolvant le problème de mécanique quantique par éléments finis. Les résultats des calculs sont assez cohérents avec les spectres d’émission optique expérimentaux. Le modèle a révélé une fonction d’onde du trou à l’état fondamental en forme de beignet, ce qui devrait avoir un impact considérable sur les propriétés optique et magnétique des QDs.

Le caractère 3D du champ de déformation autour des îlots In(Ga)N a été exploité pour induire leur corrélation verticale dans une structure multicouche. Cette approche a permis d’obtenir des QDs produisant une émission à double longueur d’onde dans les gammes spectrales bleue et verte bien que toutes les couches aient une même faible composition en In, associée normalement seulement à l’émission bleue. Avec des calculs incluant des champs électromécaniques, les propriétés optoélectroniques modélisées d’une structure multicouche ont mis en évidence une organisation optimale du contenu en In dans les différentes couches permettant une réduction significative de l’effet Stark confiné quantique, le passage tunnel des porteurs dans les QDs, et l’émergence de trois pics distincts dans la gamme spectrale, c’est-à-dire un couplage électromécanique des QDs.

Publications :

Experimentally-Verified Modeling of InGaAs Quantum Dots
Kosarev, V. V. Chaldyshev, and N. Cherkashin
Nanomaterials 12 (12), 1967 (2022)
https://doi.org/10.3390/nano12121967

Electromechanically Coupled III-N Quantum Dots
Barettin, A. V. Sakharov, A. F. Tsatsulnikov, A. E. Nikolaev, and N. Cherkashin
Nanomaterials 13, 241 (2023)
https://doi.org/10.3390/nano13020241

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Nikolay Cherkashin | nikolay.cherkashin[chez]cemes.fr