III-V nanostructures for spintronics
Nanostructures III-V pour l'électronique de spin
Résumé
Self-organised growth of quantum dots seems to be one of the best methods to obtain nanostructures able to confine carriers in the three directions of space. Growth is performed by molecular beam epitaxy; this technique provides high quality crystals, coherently with their environment. However, its major drawback is that it generates randomly sized structures, which is detrimental for device applications. A solution to this odd is to pattern the substrate in order to create regularly spaced nucleation sites for the quantum dots. The technique employed to do so is nanoimprint, which prevents from creating non radiative recombination centers in the substrate. This work shows state of the art results of luminescence from nanoimprinted regrown structures. Quantum dots are here applied to spintronics, which principle is to use the spin of the carriers as a support of quantum information. Three major obstacles have to be overcome in this field; first, polarized carriers have to be injected in the semiconductor; second, the polarized carriers have to be transported through the material; finally, the carriers may recombine, providing polarized photons. In this thesis, we design a device that allows characterizing all these parameters: the spinLED. Quantum dots allow a particularly good efficiency in the conversion of polarized carriers into polarized photons. As the spin relaxation times of the carriers are short, about 100ps, it was necessary to adapt the spinLED structure to make it compatible with hyperfrequency measurements.
Parmi toutes les méthodes de confinement des porteurs dans les trois directions de l'espace, la croissance auto organisée de boîtes quantiques semble être la meilleure. La méthode de fabrication de ces nanostructures est l'épitaxie par jets moléculaires ; elle permet l'obtention de cristaux d'une grande qualité, de manière cohérente avec leur environnement. Cette technique d'auto organisation dite de Stranski Krastanov génère cependant des nanostructures de tailles diverses ; le spectre de leur luminescence s'en retrouve élargi, altérant les performances des composants à base de boîtes quantiques. Une solution consiste à localiser leur croissance en structurant à l'échelle nanométrique le substrat : lorsqu'elles sont régulièrement espacées, leur taille et leur géométrie sont plus homogènes. La technique employée, la nanoimpression, présente l'avantage majeur de ne pas altérer la cristallinité du substrat. Ces travaux mettent en exergue le fait que la luminescence des boîtes quantiques après reprise d'épitaxie sur ces surfaces nanostructurées par nanoimpression est intense. Les boîtes quantiques sont ici appliquées à un domaine en plein essor : l'électronique de spin. Le principe est d'utiliser le spin de l'électron pour coder l'information. Trois problèmes majeurs doivent être surmontés pour ce faire : l'injection de porteurs polarisés en spin dans le semiconducteur, le transport de ces porteurs polarisés, et enfin la recombinaison radiative, le cas échéant, pour émettre des photons polarisés avec un bon rendement. Dans cette thèse, nous présentons un composant qui permet de qualifier l'ensemble de ces paramètres, la spinLED. Les temps caractéristiques de relaxation de spin dans le semiconducteur sont courts, de l'ordre de 100ps ; il a été nécessaire d'adapter la structure de la spinLED pour la rendre compatible aux caractérisations en hyperfréquence, jusqu'à 20GHz.