​​Depuis de nombreuses années, NPSC — une équipe mixte entre PHELIQS (UGA, CEA, Grenoble INP) et l'Institut Néel (CNRS) — étudie les semi-conducteurs à large bande interdite pour leurs propriétés optiques dans la gamme ultraviolet (UV). Récemment, nous avons commencé à nous intéresser à des couches optiquement actives émettant à des longueurs d’onde encore plus courtes, typiquement dans la région spectrale de 200 à 250 nm. Afin d’étudier leurs propriétés de photoluminescence sous excitation optique, nous avons installé une nouvelle source laser capable d’émettre des impulsions lumineuses jusqu’à 195 nm : un équipement encore très rare dans les laboratoires de spectroscopie optique (NPSC est seulement le deuxième laboratoire en France à disposer d’une telle source pour la spectroscopie UV des semi-conducteurs) ! Cette nouvelle source complète notre installation précédente émettant à 244 nm. Nous détaillons ci-après les possibilités offertes par ce nouvel instrument et présentons les premiers résultats obtenus peu après son installation.

La réalisation d’expériences optiques dans l’ultraviolet présente des défis plus importants que dans le visible ou le proche infrarouge. Les éléments optiques y sont plus coûteux et globalement moins performants. De plus, il existe très peu de sources laser commerciales dans cette gamme spectrale. Pourtant, l’optoélectronique UV connaît un essor notable, notamment pour des applications où la lumière UV est utilisée pour ses propriétés virucides et bactéricides. La nouvelle source installée consiste en un laser à titane-saphir émettant des impulsions dans le rouge/infrarouge (680 à 1080 nm), suivi d’un « générateur d’harmoniques » basé sur des cristaux non-linéaires permettant de diviser la longueur d’onde du faisceau initial par deux, trois ou quatre. Ce dispositif a été acquis en 2024 suite à une demande d’équipement soutenue par PHELIQS auprès de l’UGA et de Grenoble INP-UGA, puis complétée par des financements IRIG. La source peut théoriquement émettre à toutes les longueurs d’onde entre 195 nm et 1080 nm, à l’exception du domaine 540-680 nm. En pratique, nous utilisons principalement le faisceau quadruplé dans la gamme 195 à 230 nm. Le faisceau produit n’est, à proprement parler, pas un faisceau laser puisqu’il provient de processus de conversion non-linéaires, mais il possède des caractéristiques similaires (collimation, monochromaticité). Il s’agit d’un faisceau pulsé, avec des impulsions d’environ 150 fs espacées de 12,5 ns. Cela signifie que 99,999 % du temps, aucune lumière n’est émise ! Ce mode de fonctionnement permet, à l’aide d’un système de détection adapté, de réaliser des mesures de photoluminescence résolue en temps, donnant accès à la dynamique de recombinaison des paires électron-trou dans les échantillons étudiés.

Le laser a été installé en septembre 2024, et quelques semaines plus tard, les premières expériences ont pu être menées. Parmi celles-ci, l’une portait sur l’étude de nitrure d’aluminium (AlN) élaboré dans différentes conditions sous forme de nanofils. Alors que l’AlN cristallise habituellement dans la structure stable de type wurzite, il s’avère que dans le cas de nanofils, et sous conditions spécifiques de croissance, il peut former des hétérostructures alternant les phases zinc-blende et wurzite. La bande interdite du nitrure d’aluminium de type zinc-blende étant inférieur à celle de la phase wurzite, il en résulte la formation de structures de type puits quantiques, appelées défauts d’empilement (« stacking faults »). Lorsque l’on éclaire l’échantillon avec un faisceau à 195 nm, il est possible d’analyser la photoluminescence émise par ces défauts, qui se situe vers 210 nm (5,9 eV). Cette étude apporte ainsi un nouvel éclairage sur la croissance de l’AlN sous forme de nanostructures et sur ses propriétés optiques fondamentales.