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 telles QD nécessite de prendre en compte la composition, la forme et les champs de déformation 3D dans les QD, paramètres intrinsèques à la formation et à l’enfouissement des QD au sein de la couche épitaxiale.
Le CEMES, l’Institut Ioffe (Russie) et l’Université Cusano (Italie) 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 QD de taille nanométrique ont été déterminées en résolvant le problème de mécanique du solide du champ contrainte-déformation à l’intérieur et autour des QD, reconstruit à partir des champs de déformation 2D mesurés par holographie en microscopie électronique en transmission en chambre sombre et en mode haute résolution.
Les paramètres des états fondamentaux des porteurs de charge ont été évalués dans les QD 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 QD.
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 QD 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 k.p 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 QD, et l’émergence de trois pics distincts dans la gamme spectrale, c’est-à-dire un couplage électromécanique des QD.
Cartes bidimensionnelles de déformation hors-plan obtenues par holographie électronique en chambre sombre en mode haute résolution dans les QD d’In(Ga)As (à gauche) et In(Ga)N (à droite) utilisées pour la reconstruction des champs de déformation et de composition 3D dans les calculs par éléments finis et k∙p et les propriétés optoélectroniques modélisées de ces QD. Une forme de beignet de la fonction d’onde de trou dans l’état fondamental est révélée pour la QD d’In(Ga)As. Le spectre d’électroluminescence normalisé des structures multicouches de QD d’In(Ga)N démontre une double émission provenant de leur couplage électromécanique.
Publications :
Experimentally-Verified Modeling of InGaAs Quantum Dots
A. N. Kosarev, V. V. Chaldyshev, and N. Cherkashin
Nanomaterials 12 (12), 1967 (2022)
https://doi.org/10.3390/nano12121967
Electromechanically Coupled III-N Quantum Dots
D. Barettin, A. V. Sakharov, A. F. Tsatsulnikov, A. E. Nikolaev, and N. Cherkashin
Nanomaterials 13 (2), 241 (2023)
https://doi.org/10.3390/nano13020241
Contact :
Nikolay Cherkashin, nikolay.cherkashin[chez]cemes.fr