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Une nouvelle voie pour réaliser des boîtes quantiques : une tranche de fil

 La croissance des nanofils de semiconducteurs est un domaine en plein développement en raison de leurs potentialités pour la réalisation de dispositifs optoélectronique innovants. Nous sommes plus particulièrement intéressés par cette géométrie prometteuse pour deux raisons : (i) elle correspond à une nouvelle approche pour réaliser des boîtes quantiques parfaitement positionnées (une tranche du fil), dont la forme et la densité peuvent être mieux contrôlées que lors de leur fabrication par une transition 2D-3D auto-organisée. (ii) elle permet une extraction optimale de la lumière, le fil pouvant jouer le rôle de guide d’onde pour les photons émis par la boîte. L’efficacité de l’émission d’un tel nano-émetteur permet alors la génération de photons uniques, élément essentiel pour les communications quantiquement sécurisées et le traitement de l’information.


Nous avons développé la croissance de ce type d’objets avec des semiconducteurs à grands gaps (GaN/AlN et CdSe/ZnSe) qui permettent d’espérer le fonctionnement de ces sources de photons uniques à température ambiante. La croissance épitaxique de ces fils est réalisée en épitaxie par jets moléculaires soit directement (fig.1), soit en utilisant un catalyseur pour initier cette croissance unidimensionnelle (fig.2b). Dans le cas des semiconducteurs nitrures (fig.1), on peut induire une croissance colonnaires contrôlée en changeant le rapport des flux de Ga et N. Contrairement aux couches bidimensionnelles hétéroépitaxiées qui contiennent de fortes densités de dislocations (dues au fort désaccord de maille entre la couche et les substrats utilisés), les fils se présentent comme des objets isolés, relaxés élastiquement et sans défauts structuraux. 
 En changeant la composition le long de l’axe du fil, on réalise une insertion unique de GaN dans AlN (Fig.1c) : un tel fil est ensuite isolé afin d’étudier les propriétés optiques de l’émetteur individuel GaN. [1].
 
Un exemple de spectroscopie optique est présenté sur la figure 2 pour un nanofils ZnSe contenant une boîte CdSe. Dans ce cas une goutte d’or est utilisée pour catalyser la croissance en dessous de cette dernière (Fig.2b). Avec cet objet, nous avons pu démontrer la capacité de génération contrôlée de photons uniques (Fig.2a) jusqu’à la température de 220K (-53°C, température ambiante d’un hiver sibérien ;). C’est actuellement la température de fonctionnement la plus élevée jamais obtenue avec une structure de boîtes quantiques à base de semi-conducteurs, après la démonstration récente d’émission de photons uniques à 200K rapportée pour les boîtes épitaxiées GaN.







Fig. 2 (a) : Spectre d’émission d’une tranche d’un fil de CdSe de 10 nm de diamètre ZnSe wire, à 4 K et 220 K. (b) : Histogramme du nombre de coincidences n(t) pour ce fil à 4 K and 220 K. Ici n(t) est le nombre de fois qu’un photon est détecté à l’instant t après que le premier photon ait été détécté à t = 0 ; n(0) vaut zero pour un émetteur à un photon idéal.

Fig. 1 Gauche : Vue en tranche au microscope à balayage de fils de GaN obtenus par croissance par jet moléculaire à partir d’un substrat de silicium. Centre, droite : Micrographie haute résolution par microscopie électronique à transmission de tranche de GaN dans un fil d’AlN.

Contact : C. Bougerol
catherine.bougerol@grenoble.cnrs.fr
Tel : +33 47688


Pour en savoir plus :

“From nucleation to growth of catalyst-free GaN nanowires on thin AlN buffer layer “, R. Songmuang et al, Appl. Phys. Lett. 91, 251902 (2007).
J. Renard, R. Songmuang, C. Bougerol, B. Daudin, B. Gayral, Nanoletters, in press.
A. Tribu, G. Sallen, R. André, C. Bougerol, K. Kheng, J.P. Poizat, S. Tatarenko, submitted.
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