Optical Absorption in InGaN/GaN Single and Multiple Quantum Wells for Optoelectronic Applications

Abstract

Ce travail est consacré à l’étude des effets des excitations internes et externes (Ex: la température, la pression, l’impureté, la composition, la dimension de la structure, la géométrie du système et les champs électriques et magnétiques appliqués) sur les coefficients d’absorption optique linéaires et non linéaires (OACs) dans les puits quantiques simple et multiples à base de matériaux semiconducteurs du groupe III-V ( semiconducteurs à large bande interdite: GaN, InGaN). Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé la méthode numérique des éléments finis (MEF) pour résoudre l’équation de Schrödinger dans les nanocristaux en tenant compte des différentes perturbations. Dans cette étude, nous avons considéré un potentiel de confinement quantique fini afin de rendre nos résultats plus réalistiques. La première partie de ce travail est consacrée à la présentation de l’état de l’art et du cadre théorique de cette étude. Cependant, dans la deuxième partie, nous avons exploré l’effet de la structure, de la taille et de la composition d’indium et de la position d’impuretés dans la structure sur l’absorption optique pour deux type de transitions optiques sous-bande(ISB) et inter-bande, BV-BC (BTB). Ensuite, nous avons montré l’effet de la température, de la géométrie du système et des champs électriques et magnétiques, et du nombre de puits quantiques par structure sur les coefficients d’absorption optique linéaire et non linéaire dans les doubles puits quantiques. Nous avons constaté que la position et l’amplitude des coefficients d’absorption optique linéaires et non linéaires dans les puits quantiques simples et doubles sont fortement influencées par les paramètres mentionnés ci-dessus. Les même résultats montrent que la structure optimale pour une grande absorption est celle des puits quantiques rectangulaires doubles (RDQW). Cependant, la plage d’énergie absorbée peut être ajustée en changeant la structure en une structure à double puits quantique parabolique ou triangulaire. De plus, il est très important de remarquer qu’un simple puits quantique parabolique inversé peut absorber plus qu’un simple puits aquatique triangulaire inversé. Cette étude sera un plus pour le développement des dispositifs optiques en raison que les nanostructures à double puits quantiques (DQWs) sont conçues comme étants des cavités couplées, elles consistes en l’amplification du gain optique des dispositifs à plusieurs niveaux car dans ces systèmes les fonctions d’onde se couplent pour former des mini-bandes. En raison de leur nature quasi-bidimensionnelle (2D), les électrons dans les puits quantiques ont une densité d’états en fonction de l’énergie qui a des étapes distinctes, par rapport à une dépendance de racine carrée lisse que l’on trouve dans les matériaux massifs. De plus, la masse effective des trous dans la bande de valence (m∗t , BV) est modifiée pour correspondre plus étroitement à celle des électrons dans la bande de conduction (m∗e , BC). Ces deux facteurs, associés à la quantité réduite de matière active dans les puits quantiques, conduisent à de meilleures performances dans les dispositifs optiques tels que les diodes laser. En conséquence, les puits quantiques sont largement utilisés dans les lasers à diode, y compris les lasers rouges pour les DVD et les pointeurs laser, les lasers infrarouges dans les émetteurs à fibre optique ou dans les lasers bleus. Ils sont également utilisés pour fabriquer des HEMT (transistors à haute mobilité électronique), qui sont utilisés dans l’électronique à faible bruit. Les photodétecteurs infrarouges à puits quantiques sont également basés sur des puits quantiques et sont utilisés pour l’imagerie infrarouge.