Determination of the spin-orbit coupling and crystal-field splitting in wurtzite InP by polarization resolved photoluminescence

Les énergies liées au couplage spin-orbite ΔSO et au champ cristallin ΔCR dans l’InP en phase wurtzite (Wz) ont été déterminées par une étude optique réalisée sur des nanofils d’InP.
Dans un matériau en phase Wz, le champ cristallin et le couplage spin-orbite provoquent une levée de dégénérescence des trois premiers niveaux de la bande de valence notés usuellement A, B et C (Fig 1.a). Les différences d’énergie entre ces niveaux sont liées à celles de ΔCR et de ΔSO. La spectroscopie de photoluminescence par excitation est généralement utilisée pour déterminer la position de ces trois niveaux et en extraire les valeurs des énergies ΔCR et ΔSO. Cependant, les équations utilisées sont symétriques par rapport à ces deux paramètres et une hypothèse ΔCR>ΔSO ou ΔCR<ΔSO doit être faite pour pouvoir attribuer les valeurs numériques obtenues.

Pour résoudre ce problème, nous avons étudié une propriété du matériau, la polarisation de la lumière émise, qui dépend de ΔCR et de ΔSO mais de manière non symétrique. Cette étude a pu être menée sur des nanofils d’InP qui cristallisent en phase Wz à la différence de l’InP 3D ou en couche 2D qui cristallise en phase Zinc-Blende (ZB). Des mesures par microphotoluminescence résolue en polarisation ont donc été réalisées à température ambiante sur une forêt de nanofils InP Wz épitaxiés sur silicium. Les conditions de croissance ont été optimisées pour obtenir des nanofils verticaux avec une faible dispersion de diamètre (environ 90 nm). L’émission des nanofils a été collectée par la tranche pour permettre de remonter à l’intensité de la photoluminescence en fonction de l’orientation des nanofils (Fig 1.b). La géométrie 1D des nanofils impactant le diagramme de rayonnement, des calculs théoriques ont été réalisés pour quantifier ce phénomène et ainsi remonter à ΔCR et ΔSO.

Cette étude nous a permis de conclure que ΔCR > ΔSO pour l’InP en phase Wz et de déterminer expérimentalement que ΔCR≈145 meV et ΔSO≈ 74 meV.

Ce travail a été réalisé grâce au soutien financier des projets INSCOOP (ANR-11-NANO-0012) et TEMPOS (10-EQPX-0050) gérés par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR).

 

Légende: (a) Structure de bande de l’InP en phase wurtzite. (b) Photoluminescence résolue en polarisation des transitions optiques impliquant les bandes de valence A et B.

 

Contacts: Nicolas CHAUVIN – Michel GENDRY

 

Référence: N. Chauvin, A. Mavel, A. Jaffal, G. Patriarche, M. Gendry
“Determination of the spin orbit coupling and crystal field splitting in wurtzite InP by polarization resolved photoluminescence”
Applied Physics Letters, 112-071903 (2018)

 

Collaboration: Gilles Patriarche (Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies)

INL CNRS