Optical spectroscopy of GaN/AlN nanostructures in planar microcavities and microdisks
Spectroscopie optique de nanostructures GaN/AlN en microcavités planaires et en microdisques
Résumé
This thesis addresses the light-matter interaction in nitride nanostructures embedded in
optical microcavities. By using micro-photoluminescence experiments, we study the optical properties
of GaN/AlN quantum dots embedded in planar microcavities and those of GaN/AlN
quantum wells in AlN microdisks. By placing quantum dots in planar microcavities, we are able
to modify the emission diagram and increase the collection efficiency. The design of the microcavities
is optimized by using numerical simulations based on transfer matrix method with an
internal emitter. For an AlN microcavity with AlN/AlGaN Bragg mirrors, we show that the collection
efficiency could be theoretical increase by one order of magnitude, which is confirmed by
our micro-photoluminescence experiments on single quantum dots. This observation opens the
way for advanced studies such as photon correlations experiments in the UV range. The second
part of our work is devoted to the realization of a micro-laser operating in the deep-UV range at
room-temperature. By using thin GaN/AlN quantum wells (2.8 monolayers), grown on silicon
substrate and embedded in AlN microdisks, we observe a laser emission at 275 nm under pulsed
optical pumping. This demonstration shows the strong potentiality for future developments of
nitride-on-silicon nano-photonics.
Cette thèse porte sur l’interaction lumière-matière au sein de nanostructures placées dans
des cavités optiques à base de semi-conducteurs nitrures. A l’aide d’expériences de microphotoluminescence
dans l’ultra-violet, nous étudions les propriétés optiques de boîtes quantiques
GaN/AlN dans des microcavités planaires et celles de puits quantiques GaN/AlN insérés dans
des microdisques AlN. Afin d’améliorer la collection du faible signal de photoluminescence de
boîtes quantiques uniques, nous utilisons des microcavités planaires pour modifier le diagramme
d’émission d’une boîte quantique. Le dessin des microcavités est optimisé grâce à des simulations
numériques basées sur la méthode des matrices de transfert en présence d’un émetteur.
Nous montrons que, pour une microcavité nitrure à base de miroirs de Bragg AlN/AlGaN, la
collection des photons émis par une boîte quantique peut être théoriquement améliorée d’un
ordre de grandeur, ce qui est confirmé par nos mesures sur boîtes quantiques uniques, ouvrant
ainsi la voie à des études avancées de corrélations de photons dans l’UV. La seconde partie
des travaux est dédiée à la réalisation d’un micro-laser opérant dans l’UV profond et à température
ambiante. En utilisant des puits quantiques GaN/AlN de 2,8 mono-couches, crûs sur
substrat silicium et insérés dans des microdisques AlN, nous observons une émission laser à
275 nm sous pompage optique impulsionnel. Cette démonstration montre le fort potentiel des
semi-conducteurs nitrures pour la nano-photonique UV sur silicium.