Intersubband Magnetophonon Resonance in Unipolar Quantum Cascade Structures

This thesis presents a study of intersubband lifetime of electrons in unipolar quantum wells under strong magnetic field. We evidenced quantum oscillations of the intersubband lifetime as a function of magnetic field named Intersubband Magnetophonon Resonance. The oscillations, periodic with reciprocal of magnetic field, are detected by measuring GaAs/GaAlAs quantum cascade lasers emission intensity under pulsed magnetic field up to 60T. This experiment provides a direct evidence of the “phonon bottleneck” effect by the detection of periodic blockage of the emission of longitudinal optic phonons by excited electrons. We also evidenced Intersubband Magnetophonon oscillations in the magnetoresistance of the laser structure. From a spectral analysis of IMPR oscillations we obtain a spectroscopic identification of phonon modes involved in the intersubband energy relaxation mechanisms. We identified AlAs LO phonons contribution in samples having higher Al content in their barrier but could not evidence confined phonon modes. Finally, the intersubband lifetime as a function of magnetic field is derived from the laser threshold variation. The lifetime is then compared respectively with predictions of strong electron-phonon coupling model (magneto-polarons) and weak coupling model which takes into account broadening of energy levels.Cette thèse aborde la problématique de la durée de vie des électrons dans des puits quantiques unipolaires soumis à un fort champ magnétique selon l'axe de confinement. Plus particulièrement, le blocage de l'émission de phonons optiques longitudinaux en régime de confinement des électrons à 0-dimension est clairement démontré par la mise en évidence d'oscillations quantiques de la durée de vie. Cet effet est baptisé « résonance magnétophonon inter sous-bandes ». Le blocage de l'émission de phonons LO a été détecté sur la mesure de l'intensité de lasers à cascades quantiques GaAs/GaAlAs, émettant dans le moyen infra rouge autour de 10 µm, soumis à un champ balayé jusqu'à 60T. Le champ magnétique confine les électrons sur des orbites cyclotron, et transforme la dispersion quadratique de l'énergie des sous-bandes en niveaux de Landau discrets. Les oscillations de magnétophonons ont été également trouvées sur la magnétorésistance de la structure. La résonance magnétophonon inter sous-bande réalise une spectroscopie directe des modes de phonons pertinents pour la relaxation inter sous-bande. Entre autres, une contribution des modes de phonon LO de AlAs a été observée tandis que l'intervention attendue de modes confinés n'est pas apparue. La durée de vie inter sous-bandes en fonction du champ magnétique, obtenue par une méthode proposée, est comparée aux prévisions récentes d'un modèle de couplage fort électron-phonon (magnéto polarons). En conclusion, ces travaux ont dégagé des résultats et un nouvel outil performant de spectroscopie de phonons et de diagnostic des interactions électron-phonon dans un système à zéro dimension, analogue à un système de boites quantiques