I-4). Les hétérostructures à base
des semi-conducteurs III-V (GaAs/GaAlAs) :
De nombreux composants à hétérostructure
ont aujourd~hui produit industriellement, la plupart étant des
composants GaAs/GaAlAs comme : la diode laser à double
hétérostructure, les transistors bipolaires
hétérojonction, diode laser à puits quantiques&
Cependant les puits quantiques sont les premières structures
réalisées.
I-4-1). Puits quantiques [I-2] :
Un puits quantique simple est constitué à partir
de deux alliages semi-conducteurs (GaAs et de Ga1-xAlxAs non
dopés). La valeur de x permet d~avoir une barrière
importante pour l~hétérojonction tout en conservant un gap direct
(formule (I.1)). Ce couple de semi-conducteurs permet de créer des
interfaces abrites (La particule est confinée entre deux mures
séparé par la distance L) et donc de réaliser des
structures d~empilement assez complexes. Un puits quantique consiste en une
structure de GaAs (B), de longueur L, prise en sandwich entre
deux couches de Ga1-xAlxAs (A) ; c~est donc un dispositif
constitué de deux hétérojonctions. Ceci est
illustré dans la figure (figure.I.3.).
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Ga1-xAlxAs
GaAs
Ga1-xAlxAs
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Figure.I.3. (a) PQ carré de largeur
Lz et de hauteur V0 ; (b) : Couche d'un matériau
semi-conducteur
B (GaAs) possédant un gap inferieur à celui du
matériau semi-conducteur A (Ga1-xAlxAs).
Selon la nature de la discontinuité de bandes interdites
à l'interface puits-barrière, on distingue trois types de puits
quantiques :
Ä Puits quantique de type-I où
électrons et trous sont confinés dans le même
matériau (GaAs) constituant le puits
(Figure.I.4.).
Ä Puits quantiques de type-II où les
électrons et les trous sont confinés séparément
dans les deux matériaux puits et barrière respectivement.
Ä Puits quantiques dit de type-III qui est un cas
particulier du type-II, dont le bas de la bande de conduction est
situé en dessous du haut de la bande de valence.
Figure.I.4 Schéma des bandes
d'énergie d'un puits quantique
Nous allons maintenant uniquement nous intéresser aux
hétérostructures de type-I concernent le couple
GaAs/GaAlAs (Figure.I.4.).
Pour cet exemple, la transition est abrupte aux interfaces car
les semi-conducteurs ne sont pas dopés. S~ils l~étaient, les
bandes seraient donc courbées aux interfaces.
Donc, Avec la supposition (dans notre cas) :
Ä que la largeur L de puits est suffisamment grande
(L = 20 Å) pour que la couche de GaAs conserve les
caractéristiques du cristal macroscopique de GaAs.
Ä qu~elle est suffisamment faible (L= 400Å)
pour que L reste plus petit que le libre parcours moyen des
électrons.
Ä que la masse effective des électrons et des trous
sont les même dans le GaAs et dans le
Ga1-xAlxAs.
Le puits quantique sera orienté de façon
à ce que le confinement soit dans la direction z et que les interfaces
soient parallèles au plan de coordonnées xy.
L~énergie d~un électron dans la bande de conduction peut
s~écrire sous la forme [I-2] :
2
E n
( )
h k // (I.2)
2
*
m
Où : k// = k x +
k y est le vecteur d~onde des électrons dans la
direction xy.
L~origine des énergies est prise au bas de la bande de
conduction (Ec). L~énergie En
est dans l~approximation la plus simple, celle d~une particule confinée
dans un puits de potentiel, elle dépend du nombre quantique n
qui est un entier (n =1, 2, 3, ...). Par conséquent, la bande
se décompose en sous bandes qui correspondant aux différentes
valeurs du nombre quantique n. Notons qu~il y a toujours au moins un
niveau d~énergie dans le puits quel que soit sa largeur (dans les
limites fixées plus haut) et la hauteur de la barrière.
Par ailleurs, comme la hauteur des barrières de
confinement est finie, la fonction d~onde de l~électron confiné
dans le puits décroît à l~extérieur
(Figure.I.5.) de celui-ci comme :
exp 2 m E l
( )
*
é - h û (I.3)
ù
2
ë
Où E est mesuré à partir de
Ec (formule (I.2)) en fonction de n et l
(la distance à l~extérieur du puits) :
Figure.I.5 : Présentation de la
fonction d'onde de l'électron confiné dans un puits
quantique
[I-2]
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