Etude femtoseconde de la relaxation des électrons dans les semiconducteurs en régime non-markovien
Résumé
This work deals with the electron relaxation in semiconductors and, in particular, in gallium arsenide. The approach is experimental (femtosecond lasers) as well as theoretical (semiconductor Bloch equations and quantum kinetics). It provides new information on the fundamental processes, like carrier scattering, which cause a change of the electron energy and which are important for the functioning of electronic or optoelectronic devices. The study is based on the use of femtosecond lasers and on an original nondegenerate pump-probe technique : the pump pulse injects electrons and holes in a very short time, while the probe pulse is tuned to another higher-lying transition using the spin-orbit split-off valence band. This enables us to follow selectively with a 30-fs resolution the evolution of the electron distribution without superimposing the hole distribution to the signal. The very first instants of the electron relaxation were observed, during the injection, when the distribution is still completely out of equilibrium, until a thermalized distribution is reached (in less than 300 fs). The theoretical study shows the need of a non-markovian description of the processes. In order to take into account memory effects, quantum kinetics is used in the framework of the semiconductor Bloch equations. The Boltzmann equation and Fermi's golden rule are in fact not applicable in this case. The agreement between theory and experiment is all the more remarkable since no adjustable parameter was required. The influence of several parameters was also studied: a high carrier density slows down the relaxation, while the initial presence of cold carriers dramatically accelerates it. The initial excess energy seems on the other hand to be of less importance. The method has been also adapted to the study of the relaxation in quantum wells and the first results are presented.
Le travail présenté ici porte sur la relaxation des électrons dans les semiconducteurs et plus particulièrement dans l'arséniure de gallium. L'approche est à la fois expérimentale (lasers femtosecondes) et théorique (équations de Bloch pour semiconducteurs et cinétique quantique). Il nous renseigne sur les processus fondamentaux, notamment les collisions, qui permettent aux électrons de changer d'énergie et déterminent la rapidité des dispositifs électroniques ou optoélectroniques. L'étude repose sur l'utilisation de lasers à impulsions femtosecondes et sur une méthode pompe-sonde originale car non-dégénérée : l'impulsion pompe injecte des électrons et des trous en un temps très bref, tandis que l'impulsion sonde est accordée sur une autre transition utilisant une bande de valence plus profonde car découplée par l'interaction spin-orbite. Il est ainsi possible de suivre, avec une résolution temporelle de 30 fs, l'évolution de la distribution des électrons, et des électrons seulement, sans la superposer à celle des trous. On observe pour la première fois les tout premiers instants de la relaxation des électrons pour lesquels la distribution est encore complètement hors d'équilibre, jusqu'à la thermalisation qui se fait très rapidement, en moins de 300 fs. En parallèle, l'étude théorique montre la nécessité d'une description non-markovienne des processus (c'est-à-dire tenant compte du passé des distributions) que l'on prend en compte avec la théorie de la cinétique quantique utilisée dans le cadre des équations de Bloch pour semiconducteurs. L'équation de Boltzmann et la règle d'or de Fermi ne sont en effet plus valables pour des échelles de temps aussi courtes. L'accord théorie-expérience est d'autant plus remarquable qu'aucun paramètre ajustable n'a été requis. L'influence de plusieurs paramètres expérimentaux a aussi été étudiée : une forte densité de porteurs injectés ralentit la relaxation, alors que la présence initiale de porteurs froids l'accélère fortement. L'excès d'énergie initial donné aux électrons est en revanche de peu d'influence. Nous avons aussi adapté notre méthode à l'étude de la relaxation dans les structures à puits quantiques et nous en présentons les premiers résultats.