L’optique non linéaire et ses matériaux
Propriétés optiques des semi-conducteurs
et de leurs hétérostructures
R. Plane1
Laboratoire de Microstructures et de Microélectronique (LZM), UPR-CNRS, BP. 107,
92225 Bagneur cedex, France
Résumé : Je pense, dans ce chapitre, présenter l’essentiel de ce qu’un opticien doit savoir pour utiliser
à bon escient les << matériaux n semi-conducteurs, avant d’approfondir son propre sujet. I1 est donc
d’abord question des propriétés optiques linéaires, secondairement de diverses causes possibles de
non-linéarités. Enfin, j e n’oublie pas qu’aujourd’hui, chacun doit avoir présent à l’esprit la possibilité
de réaliser, souvent à la demande, des hétérostructures de basse dimensionnalité. Les plus courantes
aujourd’hui restent les structures bidimensionnelles, que je présente plus en détail. Beaucoup sont
facilement réalisables ; de plus elles représentent encore l’optimum de ce qu’il est possible de faire en
matière de << génie des hétérostructures ». Les structures à zéro dimension font l’objet, sur un exemple
particulier, d’un chapitre différent dans ce livre.
1. INTRODUCTION
Les semi-conducteurs ne sont pas avant tout des matériaux pour l’optique. On les définit
d’abord, dans le vaste domaine de la physique des solides, par leur conductivité, intermédiaire
entre celle des métaux et des isolants ; et surtout par sa dépendance en température, la
conductivité étant thermiquement activée. Au plan des applications, c’est d’abord
d’électronique qu’il s’agit. On pourra, pour s’en convaincre, compter le nombre de pages
consacrées aux propriétés optiques des semi-conducteurs dans des livres de physique des
solides classiques de niveau 31ème cycle (Kittel [l], Ashcroft-Mermin [Z]), ou même dans un
livre plus centré sur la physique des semi-conducteurs et des composants (Mathieu [3]).
Cependant, ces livres sont très recommandables à ceux qui souhaiteront approfondir ce
chapitre introductif dans les domaines de la théorie des bandes et des propriétés électriques.
Celui d’Henry Mathieu va beaucoup plus loin que les deux autres dans le domaine des
composants (il est, de plus, écrit en français). Ces dernières années ont cependant vu
apparaître plusieurs cours où les propriétés optiques des semi-conducteurs sont beaucoup
mieux traités (Haug et Koch [4], Klingshim [5], Yu et Cardona [6]). Je recommande en
particulier ce dernier. On pourra d’abord y combler des lacunes de ce cours-ci, par exemple
sur les phonons. De plus afin de pouvoir ici aller à l’essentiel, j’ai choisi d‘y renvoyer le lecteur
plus curieux, pour des calculs plus rigoureux ou des situations plus complexes, sous la forme
suivante : [YC p. ...I ; dans la mesure du possible, j‘ai essayé d‘utiliser les mêmes notations. Le
livre de Klingshirn est plus expérimental, plus centré sur l’optique, mais plus qualitatif. Celui
Propriétés optiques des semi-conducteurs
et de leurs hétérostructures
R. Plane1
Laboratoire de Microstructures et de Microélectronique (LZM), UPR-CNRS, BP. 107,
92225 Bagneur cedex, France
Résumé : Je pense, dans ce chapitre, présenter l’essentiel de ce qu’un opticien doit savoir pour utiliser
à bon escient les << matériaux n semi-conducteurs, avant d’approfondir son propre sujet. I1 est donc
d’abord question des propriétés optiques linéaires, secondairement de diverses causes possibles de
non-linéarités. Enfin, j e n’oublie pas qu’aujourd’hui, chacun doit avoir présent à l’esprit la possibilité
de réaliser, souvent à la demande, des hétérostructures de basse dimensionnalité. Les plus courantes
aujourd’hui restent les structures bidimensionnelles, que je présente plus en détail. Beaucoup sont
facilement réalisables ; de plus elles représentent encore l’optimum de ce qu’il est possible de faire en
matière de << génie des hétérostructures ». Les structures à zéro dimension font l’objet, sur un exemple
particulier, d’un chapitre différent dans ce livre.
1. INTRODUCTION
Les semi-conducteurs ne sont pas avant tout des matériaux pour l’optique. On les définit
d’abord, dans le vaste domaine de la physique des solides, par leur conductivité, intermédiaire
entre celle des métaux et des isolants ; et surtout par sa dépendance en température, la
conductivité étant thermiquement activée. Au plan des applications, c’est d’abord
d’électronique qu’il s’agit. On pourra, pour s’en convaincre, compter le nombre de pages
consacrées aux propriétés optiques des semi-conducteurs dans des livres de physique des
solides classiques de niveau 31ème cycle (Kittel [l], Ashcroft-Mermin [Z]), ou même dans un
livre plus centré sur la physique des semi-conducteurs et des composants (Mathieu [3]).
Cependant, ces livres sont très recommandables à ceux qui souhaiteront approfondir ce
chapitre introductif dans les domaines de la théorie des bandes et des propriétés électriques.
Celui d’Henry Mathieu va beaucoup plus loin que les deux autres dans le domaine des
composants (il est, de plus, écrit en français). Ces dernières années ont cependant vu
apparaître plusieurs cours où les propriétés optiques des semi-conducteurs sont beaucoup
mieux traités (Haug et Koch [4], Klingshim [5], Yu et Cardona [6]). Je recommande en
particulier ce dernier. On pourra d’abord y combler des lacunes de ce cours-ci, par exemple
sur les phonons. De plus afin de pouvoir ici aller à l’essentiel, j’ai choisi d‘y renvoyer le lecteur
plus curieux, pour des calculs plus rigoureux ou des situations plus complexes, sous la forme
suivante : [YC p. ...I ; dans la mesure du possible, j‘ai essayé d‘utiliser les mêmes notations. Le
livre de Klingshirn est plus expérimental, plus centré sur l’optique, mais plus qualitatif. Celui