Magnéto-photoluminescence des alliages de GeSn : conception d'un montage et mesures préliminaires

Les spins des porteurs de charge dans les semiconducteurs peuvent être exploités pour la mise en place des qubits nécessaires au développement des processeurs quantiques. Ces qubits sont compacts et peuvent être compatibles avec les procédés de fabrication à grande échelle. Les semiconducteurs du groupe IV possèdent plusieurs avantages pour explorer et contrôler les propriétés du spin : existence d'isotopes stables sans spin nucléaire (nécessaires pour éliminer les interactions hyperfines), compatibilité avec les standards de fabrication de l'industrie des semiconducteurs, etc. Or, les semiconducteurs comme le silicium et le germanium possèdent une bande interdite indirecte ce qui limite l'efficacité de leur interaction (absorption et émission) avec la lumière. Cela rend difficile le développement d'interfaces photon-spin qui sont critiques pour la distribution de l'intrication quantique (du qubit volant au processeur statique à base de spin). Les semiconducteurs de GeSn (groupe IV) permettent de contourner ce problème puisque les alliages ayant une concentration d'étain supérieure à 9 % possèdent une bande interdite directe. De plus, ils sont compatibles avec le silicium, ont une grande mobilité des trous et possèdent un fort couplage spin-orbite. Le développement de dispositifs de communication quantique nécessite d'abord une bonne compréhension des propriétés de base des alliages de GeSn, surtout celles qui dictent le comportement du spin. Les objectifs de ce projet sont : de concevoir un montage de magnéto-PL adapté pour l'infrarouge entre 2 et 2,5 um, ainsi que de mesurer les propriétés optiques des alliages de GeSn. Le montage expérimental pourra être utilisé dans le futur pour déterminer le facteur g et autres propriétés magnétiques des alliages de GeSn. Ce mémoire présente les concepts physiques (photoluminescence, magnéto-photoluminescence, règles de sélection, mécanismes de relaxation de spin, etc.) nécessaires à la compréhension du projet. Les propriétés des alliages de GeSn sont également abordées (diagramme à bande, temps de vie des porteurs, temps de relaxation de spin, facteur g, etc.). Une attention particulière est portée aux méthodes utilisées dans la littérature pour réaliser les mesures expérimentales.

Abstract

The carriers spin in semiconductors can be used to set up qubits necessary for the development of quantum processors. These qubits are compact and can be compatible with large-scale manufacturing processes. Group IV semiconductors have several advantages for exploring and controlling spin properties: existence of stable isotopes without nuclear spin (necessary to eliminate hyperfine interactions), compatibility with the fabrication process of the semiconductor industry, etc. However, semiconductors such as silicon and germanium have an indirect band gap which limits the efficacy of their interactions (absorption and emission) with light. This hinders the development of photon-spin interfaces. The latter are critical for the quantum entanglement distribution (from flying qubit to static spin-based processor). GeSn semiconductors (group IV) allow to overcome this problem since alloys with tin content greater than 9 % have a direct band gap. In addition, they are compatible with silicon, have a high hole mobility and possess a strong spin-orbit coupling. To develop this type of quantum device, one must first understand the basic properties of GeSn alloys, especially those that dictate spin behavior. The objectives of this project are to design a magneto-PL setup adapted for the infrared between 2-2.5 um and to measure the optical properties of GeSn alloys. The experimental setup will be used in the future to determine the g factor of GeSn alloys. This thesis presents the physical concepts (photoluminescence, magneto-photoluminescence, selection rules, spin relaxation mechanisms, etc.) necessary for understanding this project. The properties of GeSn alloys are also discussed (band diagram, carrier lifetime, spin relaxation time, g factor, etc.). Particular attention is paid to the methods used in the literature to carry out the experimental measurements.