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Fort dopage en trou de coeurs/nanofils multicouches GaAs/AlAs

Nous montrons que l’introduction d’une structure multifeuillet dans des nanofils GaAs/AlAs (NWs) peut conduire fortuitement à un fort dopage de type p. Les nanofils dopés ont un grand nombre d’applications potentielles. Toutefois, le dopage de nanofils obtenus par la méthode vapeur-liquide-solide (VLS) reste un défi technique. La transposition directe des techniques de modulation de concentration de porteurs développées pour GaAs obtenu par voie épitaxiale, et qui ont été capitales dans la découverte de l’effet Hall fractionnaire, se sont révélées spectaculairement infructueuses dans le cas des nanofils. Cela est dû à la grande différence du régime de croissance VLS développé en vue de l’obtention de nanofils de grande qualité.

Nous étudions dans cet article une structure très simple dans laquelle un petit puits quantique est inséré dans les feuillets d’un nanofil. Un tel puits quantique pourrait être utilisé pour recevoir des dopants, par exemple comme dans la technique du dopage delta. Nous montrons que le simple fait de placer un petit puits quantique dans les feuillets du nanofil modifie ses propriétés électroniques de façon significative. Ce puits quantique agit comme un efficace piège du carbone résiduel dans la chambre de croissance, qui se comporte comme un accepteur, ce qui conduit à une forte concentration de porteurs de type p qui sont transférés à l’interface cœur/feuillets.

Un fort confinement des porteurs est observé dans les études de la photoluminescence et confirmé par des études théoriques qui prédisent un confinement quantique des porteurs à l’interface cœur/feuillets à cause de la présence de carbone ionisé accepteur dans la couche de GaAs de 1nm d’épaisseur dans le feuillet. Les mesures de micro-photoluminescence sous fort champ magnétique fournissent une signature définitive de la présence d’une grande densité de trous confinés ; on observe une signature claire de croisements évités du niveau de Landau n=0 en émission avec le niveau de Landau n=2 du phonon réplique TO. Ce couplage est dû à l’interaction résonante trou/phonon qui indique une grande densité de trous dans la structure 2D. De surcroit, le couplage avec le phonons TO est en soi une preuve de la nature bidimensionnelle des porteurs impliqués puisque le couplage aux phonons TO n’est pas observé en volume.

Nos résultats apportent une compréhension nouvelle du processus de dopage delta dans les nanofils. De plus, nous montrons que la composition des feuillets joue un rôle crucial pouvant conduire à un confinement quantique dans des nanofils typiques qui ont cependant un diamètre de cœur suffisamment grand pour exhiber des propriétés électroniques indiscernables de celles du GaAs massif.

Figure 1 : spectre de µPL differentielle d’un nanofil Coeur-multifeuillets GaAs/AlAs en function du champ magnétique. La puissance d’excitation est de quelques nW et les mesures ont été réalisées à une température de 1.7K. Les lignes montrent l’évolution de la position calculée des deux raies d’émission de haute énergie des porteurs 2D ainsi que leurs répliques phonon LO (tirets) et TO (trait plein) comme décrit dans le texte. Le croisement évité observé résulte d’un couplage polaron résonant.

Référence : “Unintentional High-Density p-Type Modulation Doping of a GaAs/AlAs Core–Multishell Nanowire”, J. Jadczak et al., Nano Lett., 14, p… (2014). http://pubs.acs.org/doi/full/10.102...