Relaxation femtoseconde des electrons dans les semiconducteurs en regime non-markovien

摘要

Le travail presente ici porte sur la relaxation des electrons dans les semiconducteurs et plus particulierement dans l'arseniure de gallium. L'approche est a la fois experimentale (lasers femtosecondes) et theorique (equations de Bloch pour semiconducteurs et cinetique quantique). Il nous renseigne sur les processus fondamentaux, notamment les collisions, qui permettent aux electrons de changer d'denergie et determinent la rapidite des dispositifs electroniques ou optoelectroniques. L'etude repose sur l'utilisation de lasers a impulsions femtosecondes et sur une methode pompe-sonde originale car non-degeneree: l'impulsion pompe injecte des electrons et des trous en un temps tres bref, tandis que l'impulsion sonde est accordee sur une autre transition utilisant une bande de valence plus profonds car decouplee par l'interaction spin-orbite. Il est ainsi possible de suivre, avec une resolution temporelle de 30 fs, l'evolution de la distribution des electrons, et des electrons seulement, sans la superposer a celle des trous. On observe pour la premiere fois les tout premiers instants de la relaxation des electrons pour lesquels la distribution est encore completement hors d'equilibre, jusqu'a la thermalisation qui se fait tres rapidement, en moins de 300 fs. En parallele, l'etude theorique montre la necessite d'une description non-markovienne des processus (c'est-a-dire tenant compte du passe des distributions) que l'on prend en compte avec la theorie de la cinetique quantique utilisee dans le cadre des equations de Bloch pour semiconducteurs. L'equation de Boltzmann et la regle d'or de Fermi ne sont en effet plus valables pour des echelles de temps aussi courtes. L'accord theorie-experience est d'autant plus remarquable qu'aucum parametre ajustable n'a ete requis. L'influence de plusieurs parametres experimentaux a aussi ete etudiee: une forte densite de porteurs injectes ralentit la relaxation, alors que la presence initiale de porteurs froids l'accelere fortement. L'exces d'energie initial donne aux electrons est en revanche de peu d'influence. Nous avons aussi adapte notre methode a l'etude de la relaxation dans les structures a puits quantiques et nous en presentons les premiers resultats.