BOîtes quantiques épiTaxiées dans une matrice d'OXyde de grand gap pour des applications en nanophotonique – BOTOX

1-Contexte scientifique et objectifs du projet Le projet proposé ici vise à étudier, comprendre et maîtriser la croissance et les propriétés structurales et optiques de boîtes quantiques (BQs) de semiconducteurs III-V (InAs, GaAs et InP) insérées dans une matrice épitaxiale d'oxyde de grand gap, en vue d'évaluer les performances de ces nanostructures pour réaliser des composants photoniques de type microsources à boîtes quantiques (microdisques et et microcavités à cristaux photoniques) et sources à boîte quantique unique pour l'optique quantique (sources à un photon, sources de photons indiscernables et intriqués). Actuellement, les nanostructures III-V les plus étudiées pour la réalisation de ces composants sont les boîtes quantiques InAs/GaAs et InAs/InP. Le confinement électronique limité dans ces nanostructures conduit à température ambiante à un échappement efficace des porteurs du niveau fondamental des BQs vers les niveaux excités, la couche de mouillage et les barrières par thermoémission. Ces mécanismes limitent le rendement radiatif et le gain des BQs à température ambiante, et conduisent en particulier à une sensibilité marquée du seuil des lasers à BQs à la température. Par ailleurs, l'efficacité des mécanismes de décohérence des porteurs piégés dans les BQs, et le faible écart énergétique entre les raies d'émission excitonique et bi-excitonique d'une BQ unique associé à ce confinement limité réduisent les performances des émetteurs à BQs uniques (sources à un photon, sources de photons indiscernables ou intriqués) et empêchent notamment leur fonctionnement à des températures supérieures à quelques K. 2-Description du projet, méthodologie Le présent projet propose une solution innovante pour dépasser les limitations décrites ci-dessus. Cette approche consiste à épitaxier des boîtes quantiques III-V dans une matrice d'oxyde épitaxial de grand gap, afin d'augmenter significativement le confinement électronique des porteurs dans les nanostructures et d'aboutir à terme à la réalisation de composants photoniques performants. L'épitaxie d'oxydes sur silicium est actuellement étudiée au niveau international et au LEOM. Ces oxydes de grand gap appartiennent à la famille des pérovskites (SrTiO3, LaAlO3) ou des fluorites (Gd2O3). Le fort désaccord de maille entre ces oxydes et les semiconducteurs III/V (environ 11% pour l'InAs et 8% pour l'InP) devrait permettre d'obtenir des épaisseurs de couche de mouillage très faibles voire nulles, favorables à une excellente isolation électronique des nanostructures). Par ailleurs, ces oxydes peuvent être épitaxiés sur silicium et éventuellement dopés, ce qui permet donc à terme d'envisager l'intégration sur ce substrat de composants photoniques performants adressés électriquement à base de BQs III-V. L'étude de l'épitaxie de BQs III-V sur ces oxydes et de l'encapsulation des BQs par une couche d'oxyde, qui sera menée au LEOM, constituera le cœur du projet. Elle s'appuiera sur l'expérience et les moyens technologiques de ce laboratoire. L'épitaxie de BQs III-V sera d'abord effectuée sur substrat d'oxyde. On s'attachera en particulier à définir des conditions de croissance permettant une optimisation de la qualité des BQs et un bon contrôle de leurs propriétés optiques. L'interface III-V/oxyde fera l'objet d'un travail approfondi, afin notamment d'éviter la formation d'états électroniques d'interface susceptibles de nuire à la qualité optique des BQs. Ces études seront soutenues par un ensemble complet de caractérisations structurales (AFM, XPS, TEM, RX) et optiques (PL, PLE, réflectance, microphotoluminescence et étude dynamiques), menées au sein de l'INL ou en collaboration avec des laboratoires nationaux. Ces études permettront d'une part de contrôler la croissance et les propriétés structurales et optiques des BQs, et d'autre part d'évaluer leurs performances en regard des applications visées. 3-Résultats attendus L'objectif de ce projet est d'aboutir à la maîtrise de l'épitaxie.