Experimental demonstration of a Two-Dimensional Hole Gas (2DHG) in a GaN/AlGaN/GaN based heterostructure by optical spectroscopy

The polarization discontinuity across interfaces in polar nitride-based heterostructures can lead to the formation of two-dimensional electron and hole gases. In the past, the observation of these electron and hole gases has been achieved through various experimental techniques, most often by electronic measurements but occasionally by optical means. However, the occurrence of a two-dimensional hole gas has never been demonstrated optically. The objective of this article is to demonstrate, thanks to the combination of various optical spectroscopy techniques coupled to numerical simulations, the presence of a two-dimensional hole gas in a GaN/AlGaN/GaN heterostructure. This is made possible thanks to a GaN/AlGaN/GaN heterostructure displaying a micrometer-thick AlGaN layer and a GaN cap thicker than in conventional GaN-based HEMTs structures. The band structure across the whole heterostructure was established by solving self-consistently the Schr\"odinger and Poisson equations and by taking into account the experimentally determined strain state of each layer. Continuous and quasi-continuos photoluminescence reveal the presence of a broad emission band at an energy around 50 meV below the exciton emission and whose energy blueshifts with increasing excitation power density, until it is completely quenched due to the complete screening of the internal electric field. Time-resolved measurements show that the emission arising from the two-dimensional hole gas can be assigned to the recombination of holes in the potential well with electrons located in the top GaN as well as electron from the bottom AlGaN, each of them displaying different decay times due to unequal electric fields. Besides the optical demonstration of a two-dimensional hole gas in a nitride-based heterostructure, our work highlights the optical recombination processes involved in the emission from such a hole gas

Lasing in a ZnO waveguide: clear evidence of polaritonic gain obtained by monitoring the continuous exciton screening

The stimulated emission of exciton-polaritons was proposed as a means of lowering the lasing threshold because it does not require the dissociation of excitons to obtain an electron-hole plasma, as in a classical semiconductor laser based on population inversion. In this work we propose a method to prove unambiguously the polaritonic nature of lasing by combining experimental measurements with a model accounting for the permittivity change as a function of the carrier density. To do so we use angle resolved photoluminescence to observe the lasing at cryogenic temperature from a polariton mode in a zinc oxide waveguide structure, and to monitor the continuous shift of the polaritonic dispersion towards a photonic dispersion as the optical intensity of the pump is increased (up to 20 times the one at threshold). This shift is reproduced thanks to a model taking into account the reduction of the oscillator strength and the renormalization of the bandgap due to the screening of the electrostatic interaction between electrons and holes. Furthermore, the measurement of the carriers lifetime at optical intensities in the order of those at which the polariton lasing occurs enables us to estimate the carrier density, confirming it is lower than the corresponding Mott density for zinc oxide reported in the literature

Experimental observation of strong light-matter coupling in ZnO microcavities: influence of large excitonic absorption

We present experimental observation of the strong light-matter coupling regime in ZnO bulk microcavities grown on silicon. Angle resolved reflectivity measurements, corroborated by transfer-matrix simulations, show that Rabi splittings in the order of 70 meV are achieved even for low finesse cavities. The impact of the large excitonic absorption, which enables a ZnO bulk-like behavior to be observed even in the strong coupling regime, is illustrated both experimentally and theoretically by considering cavities with increasing thickness

Relaxation and emission of Bragg-mode and cavity-mode polaritons in a ZnO microcavity at room temperature

The strong coupling regime in a ZnO microcavity is investigated through room temperature photoluminescence and reflectivity experiments. The simultaneous strong coupling of excitons to the cavity mode and the first Bragg mode is demonstrated at room temperature. The polariton relaxation is followed as a function of the excitation density. A relaxation bottleneck is evidenced in the Bragg-mode polariton branch. It is partly broken under strong excitation density, so that the emission from this branch dominates the one from cavity-mode polaritons

Etude du couplage fort par spectroscopie optique dans des microcavités GaN élaborées sur silicium

Ce travail présente une étude spectroscopique par réflectivité, photoluminescence et transmission (de 5 K à 300 K) pour la mise en évidence du couplage fort lumière-matière dans des microcavités nitrurées massives et à puits quantiques élaborées sur substrat de silicium. Les expériences sont interprétées grâce à une modélisation utilisant le formalisme des matrices de transfert et prenant en compte les phénomènes d'élargissement homogène et inhomogène des transitions excitoniques. A travers les résultats obtenus sur de nombreuses cavités, l'influence de la géométrie de la microcavité (épaisseur de la cavité, nombre de paires des miroirs de Bragg, nature des miroirs,....) sur l'obtention du régime de couplage fort a été étudiée. En s'appuyant sur les résultats expérimentaux obtenus, le modèle des matrices de transfert a été comparé à un modèle quasi-particule. Il a été démontré que ce dernier n'est réaliste que dans le cas où la réflectivité des miroirs est très élevée, le modèle des matrices de transfert restant le plus fidèle aux résultats expérimentaux grâce à la prise en compte de la structure réelle de la microcavité. Ce travail de thèse s'achève par l'étude de microcavités à deux miroirs diélectriques. Deux approches différentes visant à améliorer le facteur de qualité de la cavité ainsi que la finesse du mode excitonique (à travers l'amélioration de la qualité cristalline de la couche de GaN) sont presentées et le couplage fort est observé pour la première fois en transmissionCLERMONT FD-BCIU Sci.et Tech. (630142101) / SudocSudocFranceF

Etude des propriétes excitoniques de GaN par spectroscopies continue et résolue en temps à l'échelle de la femtoseconde

Ce travail de thèse porte sur l'étude des propriétés extrinsèques et intrinsèques d'échantillons de GaN massif autosupporté ou épitaxié sur saphir, avec des techniques classiques de spectroscopie (réflectivité et photoluminescence) ainsi qu'avec une technique de réflectivité résolue en temps à l'échelle de la femtoseconde. L'élargissement d'un exciton et sa force d'oscillateur sont difficiles à déterminer de façon indépendante et la simulation des spectres de réflectivité continue ne permet pas de les déterminer avec précision. Les spectres d'autocorrélation enregistrés avec la réflectivité résolue en temps présentent des battements dus à l'excitation simultanée des excitons Xa et Xb ayant des énergies voisines. L'amplitude de ces battements dépend des forces d'oscillateur et leur décroissance en fonction du temps dépend des élargissements des excitons. L'analyse combinée des deux types de réflectivité a permis la détermination précise de ces paramètres en utilisant un modèle "inhomogène" permettant de déterminer séparément les deux élargissements dépendant de la température et de la qualité cristalline d'un échantillon. Cette étude a permis de déterminer l'évolution des énergies et des forces d'oscillateur des excitons Xa, Xb, Xc en fonction de la contrainte. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les prédictions théoriques. La dépendance en température des propriétés excitoniques a été aussi étudiée : les paramètres de l'interaction phonon-exciton ont été déterminés avec précision, l'influence des impuretés sur les élargissements homogènes a été montrée. Une variation des forces d'oscillateur jusqu'à ~75 k a été observée, ce phénomène peut être attribué à la présence d'impuretés dans les échantillonsCLERMONT FD-BCIU Sci.et Tech. (630142101) / SudocSudocFranceF

Enhancement of light extraction in Y3Al5O12:Tb3+ thin films through nanopatterning

International audienceLight extraction is a key parameter to improve the performances of optical devices. Nanopatterned Y3Al5O12:Tb3+ luminescent coatings usable in such devices have been elaborated and have shown enhanced emission efficiency compared to their unpatterned counterparts. These nanostructured films were obtained by using the colloidal lithography combined with the Langmuir-Blodgett technique. It is the first time to our knowledge that this patterning technique is directly applied on YAG matrix. Resulting nanostructuring is a hexagonal network capable of modifying the light travelling path within the substrate. Conventional and angular-resolved photoluminescence were investigated on both unpatterned and patterned samples. Due to the nanostructuring, the extraction efficiency is improved by 26% and 131% depending on the crystallinity of the sample. Noticeably, nanostructuring is found to have an influence on the angular distribution of photoluminescence whose intensity has been evaluated to its maximum normal to the film surface

Ellipsométrie spectroscopique de composés à base de nitrures

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