Les semi-conducteurs sont au cœur des composants électroniques, photoniques et quantiques actuels. Leur fonctionnement dépend en grande partie de la façon dont ils évacuent l'énergie reçue lorsqu'ils absorbent de la lumière ou un signal électrique. Cette énergie est rapidement redistribuée entre les électrons, les trous, les porteurs de charge positifs, et les vibrations collectives des atomes du cristal, appelées phonons. Ces échanges déterminent notamment la quantité de chaleur produite et peuvent limiter les performances des composants. Pourtant, les différentes étapes de ce transfert d'énergie, qui se déroulent en quelques millièmes de milliardième de seconde, restaient difficiles à observer avec suffisamment de précision.
Observer le transfert d'énergie en temps réel
Pour suivre cette dynamique ultrarapide, les chercheurs ont combiné deux techniques de spectroscopie complémentaires. La première permet de suivre directement l'évolution des phonons optiques, c'est-à-dire les vibrations les plus énergétiques du réseau cristallin. La seconde mesure l'évolution de la réflectivité du matériau afin de suivre sa réponse électronique et mécanique. Les résultats expérimentaux ont ensuite été confrontés à des calculs issus de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et à des simulations de dynamique moléculaire. Cette approche conjointe, développée en collaboration avec l'Université de Bâle, l'Université de Cagliari, le laboratoire SATIE (CNRS, ENS Paris-Saclay, Université Paris-Saclay) et l'ICMAB-CSIC de Barcelone, permet de reconstituer les différentes étapes du transfert d'énergie avec une précision inédite.
Les trous chauffent le cristal… mais pas comme on l'imaginait
Les mesures montrent que les trous photoexcités transmettent très rapidement leur énergie aux phonons optiques du germanium, dont la température atteint un maximum en environ quatre picosecondes. Cette énergie est ensuite transférée vers des vibrations de plus basse énergie, les phonons acoustiques, en seulement 2,7 ± 0,2 picosecondes (jusqu'à 2,3 ± 0,1 picoseconde pour une excitation plus intense), en excellent accord avec les simulations.
Les chercheurs mettent également en évidence un résultat inattendu : la température des phonons, leur fréquence et la largeur de leur signature Raman ne reviennent pas à l'équilibre au même rythme. Les simulations montrent que ce décalage s'explique par les contraintes mécaniques locales créées par l'échauffement ultrarapide du matériau. Les expériences révèlent également des oscillations de Brillouin, signatures de la propagation d'une onde de contrainte à travers le cristal, dont l'évolution est corrélée à celle de la largeur de la raie Raman.
Mieux comprendre les matériaux de demain
Au-delà du cas du germanium, cette étude permet de distinguer les différentes voies par lesquelles l'énergie est dissipée dans un semi-conducteur et les échelles de temps associées à chacune d'elles. Elle montre que les propriétés vibratoires d'un matériau ne sont pas uniquement déterminées par sa température, mais aussi par les contraintes mécaniques transitoires créées lors d'une excitation ultrarapide. Ces résultats améliorent notre compréhension des phénomènes fondamentaux qui limitent les performances des semi-conducteurs et fournissent des connaissances précieuses pour le développement de futurs composants microélectroniques, photoniques et quantiques.