Propriรฉtรฉs physiques importantes du siliciumย
Cristallographieย
Le silicium possรจde la structure cristallographique du diamant. Son groupe dโespace est notรฉ m3Fd dans la notation internationale de Hermann-Mauguin, dans la notation de Shoenfliess. Son groupe ponctuel de symรฉtrie est le groupe 7 Oh m3m . Ce groupe contient notamment lโopรฉration dโinversion, et le cristal est dit centro symรฉtrique. Une consรฉquence importante est que le mรฉcanisme de Dyakonov Perel[40] qui joue un rรดle important dans la relaxation de spin dans les semi conducteurs non centro-symรฉtriques (type GaAs) est absent. Le rรฉseau direct est cubique face centrรฉe[41] (a=5.43 ร ร 295.7 ยฐK).
Maille รฉlรฉmentaire dans lโespace rรฉel
Le cristal est entiรจrement dรฉcrit par la rรฉpรฉtition pรฉriodique de 2 atomes de silicium, placรฉs en (0,0,0) et (a/4,a/4,a/4), suivant les vecteurs (a/2,a/2,0) (0,a/2,a/2) (a/2,0,a/2) qui forment la maille primitive rhomboรฉdrique. Cependant, on prรฉfรจre souvent la maille conventionnelle formรฉe par les vecteurs x=(a,0,0) y=(0,a,0) z (0,0,a) : les atomes occupent les 8 sommets du cube de cรดtรฉ a, le centre des 6 faces, ainsi quโun site tรฉtraรฉdrique sur deux (Figure 1-1). Le centre dโinversion est situรฉ en (a/8,a/8,a/8).
Structure de bandesย
Prรฉsentationย
Le silicium possรจde une structure particuliรจre ร tout point de vue. La premiรจre particularitรฉ est la prรฉsence dโun gap indirect : le minimum du bas de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence, en effet, ne sont pas situรฉs au mรชme point de lโespace rรฉciproque. Il en rรฉsulte que lโabsorption et la recombinaison dโรฉlectrons entre la bande de valence et la bande de conduction nโest pas un processus direct, comme nous allons le voir plus en dรฉtail (ยง 1.6.1). Une consรฉquence immรฉdiate est que le temps de vie des รฉlectrons dans la bande de conduction est trรจs long, typiquement de lโordre de la dizaine de microsecondes. Le gap indirect du silicium se situe autour de 1.12 eV, c’est-ร -dire dans le domaine du proche infrarouge. Cela rend les techniques de dรฉtection optique particuliรจrement difficiles, peu de dรฉtecteurs รฉtant sensibles ร ces รฉnergies-lร . La deuxiรจme particularitรฉ est la faiblesse du couplage spin-orbite. Le couplage spin-orbite est lโinteraction que ressent un รฉlectron, particule de spin ยฝ, lorsquโil est en mouvement dans un champ รฉlectrique, en lโoccurrence, le champ รฉlectrique dโun atome. Cette interaction entraรฎne une levรฉe de dรฉgรฉnรฉrescence dans la bande de valence et dans la bande de conduction, qui est de lโordre de quelques dizaines de meV : 44 meV dans la bande valence[43], environ 30 ร 40 meV dans la bande conduction[44]. Les calculs de structures de bande du silicium sur toute la zone de Brillouin par diffรฉrentes mรฉthodes (pseudo-potentiels[45], ou mรฉthode kp[46]) nรฉgligent souvent cette interaction.
Nous verrons que pour รชtre dans les conditions du pompage optique, lโรฉnergie dโexcitation doit รชtre comprise entre le gap et le gap plus le spin-orbite. Cela laisse une marge trรจs rรฉduite pour la gamme dโรฉnergie dโexcitation, et nรฉcessite lโemploi de sources accordables pour explorer les diffรฉrents rรฉgimes dโexcitation possibles.
Signalons enfin que le silicium possรจde aussi un gap direct, situรฉ en centre de zone, mais dans une gamme dโรฉnergie beaucoup plus รฉlevรฉe, de lโordre de 3.3 eV, c’est-ร -dire dans le domaine de lโUV. On se retrouve lร encore dans des conditions expรฉrimentales particuliรจres : la production dโune lumiรจre polarisรฉe circulaire dans lโUV requiert des composants optiques spรฉcialement adaptรฉs ร ces รฉnergies-lร , oรน peu de sources de lumiรจre accordables continues existent actuellement.
Lโรฉtude du pompage optique menรฉe dans ce travail couvre une gamme dโรฉnergie dโexcitation large, variant entre le gap indirect et le gap direct du silicium. Pour cette raison, on aura besoin dโune description assez complรจte de la structure de bandes du silicium, que nous rappelons dans les parties qui suivent. Nous donnerons les valeurs expรฉrimentales des paramรจtres importants de cette structure (masses effectives, gap direct et indirect), et nous attacherons une attention toute particuliรจre aux questions de propriรฉtรฉs de symรฉtrie des fonctions dโonde.
Structure de bandes et symรฉtries en centre de zoneย
De la physique atomique au semi-conducteurย
Le silicium (ZSi=14) a pour structure รฉlectronique 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 . La bande de valence et la bande de conduction sont formรฉes par la mise en commun dโorbitales atomiques lorsquโon rapproche progressivement des atomes infiniment รฉloignรฉs sans interaction jusquโร leurs positions dans le rรฉseau. Pour un atome isolรฉ, la symรฉtrie des orbitales atomiques s et p est parfaitement claire.
Dans un semi-conducteur, les bandes sont dites ยซ de symรฉtrie s ยป ou ยซ de symรฉtrie pยป suivant la faรงon dont les fonctions dโonde se transforment par les opรฉrations du groupe de symรฉtrie auquel appartient le cristal. Cette faรงon de nommer la symรฉtrie des bandes est donc empruntรฉe ร la physique atomique, et se justifie de la faรงon suivante. Dans une approche type ยซ liaisons fortes ยป (tight binding approximation), les fonctions dโonde du semi-conducteur sont obtenues par combinaison linรฉaire des orbitales atomiques (Linear Combination of Atomic Orbitals). Prenons les 2 atomes de la maille primitive du silicium, notรฉs A et Aโ, situรฉs en (0,0,0) et (a/4,a/4,a/4), et notons I le centre dโinversion, situรฉ en (a/8,a/8,a/8). Les orbitales 3s de lโatome A (respectivement Aโ) sont notรฉes sA (respectivement sAโ). Les orbitales 3p de lโatome A (respectivement Aโ) sont notรฉes xA, yA, zA (respectivement xAโ, yAโ, zAโ). En se limitant ร ces seules orbitales (hybridation sp3 ), lโapproximation des liaisons fortes permet de montrer que les fonctions dโonde dโun semi-conducteur centro-symรฉtrique, ร k=0, sont de la forme sA+sAโ, xA-xAโ, yA-yAโ, zA-zAโ pour la bande de valence, et de la forme sA-sAโ, xA+xAโ, yA+yAโ, zA+zAโ pour la bande de conduction. Elles sont qualifiรฉes de ยซtype sยป, ou ยซtype pยป, suivant la combinaison linรฉaire dโorbitales atomiques dont elles proviennent, car elles possรจdent effectivement les propriรฉtรฉs de symรฉtrie des fonctions ยซ s ยป et ยซ p ยป atomiques. Les fonctions dโonde de la bande de valence sont symรฉtriques (liantes) lorsquโon change r en โr, tandis que les fonctions dโonde de la bande de conduction sont antisymรฉtriques (antiliantes) pour la mรชme transformation. Le cas du silicium est particulier par rapport aux autres semi conducteurs cubiques, car les fonctions ยซtype pยป de la bande de conduction se trouvent en dessous des fonctions ยซtype sยป. Sans tenir compte du spin, les fonctions de ยซtype pยป sont trois fois dรฉgรฉnรฉrรฉes, et les fonctions ยซtype sยป ne sont pas dรฉgรฉnรฉrรฉes. En tenant compte du spin (mais sans tenir compte du couplage spin orbite), les fonctions ยซtype pยป sont six fois dรฉgรฉnรฉrรฉes, et les fonctions ยซtype sยป sont deux fois dรฉgรฉnรฉrรฉes.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
1 PROPRIETES PHYSIQUES IMPORTANTES DU SILICIUM
1.1 CRISTALLOGRAPHIE
1.1.1 Maille รฉlรฉmentaire dans lโespace rรฉel
1.1.2 Maille รฉlรฉmentaire dans lโespace rรฉciproque
1.2 PROPRIETES DES NOYAUX
1.3 STRUCTURE DE BANDES
1.3.1 Prรฉsentation
1.3.2 Structure de bandes et symรฉtries en centre de zone
1.3.2.1 De la physique atomique au semi-conducteur
1.3.2.2 Propriรฉtรฉs de symรฉtrie des fonctions dโonde ร k=0
1.3.2.3 Fonctions dโonde du semi-conducteur ร k=0
1.3.2.4 Introduction du couplage spin-orbite
1.3.2.5 Structure de bandes ร k=0 avec couplage spin-orbite
1.3.3 Bandes de valence
1.3.3.1 Bandes de trous lourds et de trous lรฉgers
1.3.3.2 Bande split-off
1.3.4 Bandes de conduction
1.3.4.1 Bande de conduction ฮ6-
1.3.4.2 Bande de conduction ฮ8-
1.4 PRINCIPAUX GAPS
1.4.1 Le gap indirect ยซ X ยป
1.4.2 Le gap indirect ยซ L ยป
1.4.3 Le gap direct ยซ ฮ ยป
1.5 MODES DE VIBRATION
1.6 ABSORPTION OPTIQUE
1.6.1 Transitions indirectes
1.6.2 Transitions directes
1.7 CONCLUSION
2 PRINCIPES DU POMPAGE OPTIQUE DANS LES SEMI-CONDUCTEURS
2.1 POLARISATION DE LA LUMIERE
2.2 POLARISATION ELECTRONIQUE
2.3 LIEN ENTRE POLARISATION ELECTRONIQUE ET POLARISATION DE LA LUMIERE
2.4 CALCUL DE LA POLARISATION INITIALE DANS LE CAS DU SILICIUM
2.4.1 Principe
2.4.2 Transitions ร partir de ฮ8+
2.4.3 Transitions ร partir de ฮ7+
2.4.4 Remarques importantes
2.5 POLARISATION ELECTRONIQUE EN REGIME PERMANENT
2.6 MECANISMES INTERNES DE RELAXATION DE SPIN
2.7 EVOLUTION DE LA POLARISATION EN CHAMP MAGNETIQUE EXTERIEUR
2.7.1 Polarisation dans un champ magnรฉtique transverse : effet Hanle
2.7.2 Polarisation dans un champ magnรฉtique longitudinal
3 PHOTOLUMINESCENCE EN CONDITIONS DE POMPAGE OPTIQUE
3.1 PRINCIPE
3.2 PARTIE EXPERIMENTALE
3.2.1 Excitation et polarisation
3.2.2 Echantillons รฉtudiรฉs
3.2.3 Dรฉtection et analyse de la polarisation
3.2.4 Principe dโune mesure de polarisation
3.2.5 Paramรจtres expรฉrimentaux explorรฉs
3.2.6 Lecture des spectres de luminescence
3.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
3.3.1 Etude en fonction de lโรฉnergie dโexcitation
3.3.2 Etude en fonction du dopage
3.3.3 Etude en fonction de la tempรฉrature
3.3.4 Etude sous champ transverse
3.3.5 Etude sous champ longitudinal
3.4 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
4 ETUDE PAR PHOTO-EMISSION RESOLUE EN ENERGIE ET EN SPIN
4.1 PROCESSUS DE PHOTO-EMISSION
4.1.1 Absorption optique
4.1.2 Transport : diffusion de spin ร une dimension
4.1.2.1 Premier cas : faible coefficient dโabsorption et รฉpaisseur d faible devant L et LS
4.1.2.2 Deuxiรจme cas : membrane de silicium massive, et fort coefficient dโabsorption
4.1.3 Emission
4.1.3.1 Photo-รฉmission ร partir de la vallรฉe X
4.1.3.2 Photo-รฉmisssion ร partir de la vallรฉe L
4.1.3.3 Photo-รฉmission ร partir de la vallรฉe ฮ
4.2 PARTIE EXPERIMENTALE
4.2.1 Lโenceinte dโรฉtude
4.2.2 Le porte-รฉchantillon
4.2.3 Nettoyage et activation de photocathode en silicium
4.2.3.1 Affinitรฉ รฉlectronique nรฉgative
4.2.3.2 Nettoyage chimique de la surface du silicium
4.2.3.3 Nettoyage thermique sous UHV de la surface du silicium
4.2.3.4 Procรฉdure dโactivation de la surface de silicium
CONCLUSION
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