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This work focuses on the many-body properties of semiconductor nanostructures for quantum engineering of infrared optoelectronic devices. In particular, we theoretically investigate the optical response accounting for collective effects in systems of tunnel-coupled quantum wells. A clear manifestation of these effects appears in the optical spectrum of highly doped quantum wells, where the absorption peaks are at completely different energies with respect to the single-particle electronic transitions. We calculate light-matter interaction in two steps. First, we consider the microscopic polarization associated with the electronic transitions between confined levels of the wells, which are all coupled by dipole-dipole Coulomb interaction. Then we calculate the interaction of the resulting collective states with the electromagnetic field. The absorption spectrum is finally expressed in terms of microscopic currents, describing the collective charge oscillations. The theoretical model is applied to a series of relevant systems, and its outcomes are compared with experimental results. As the collective states are issued from the coherent superposition of several electronic excitations, they have the properties of superradiant states. They are thus a promising entity for the realization of efficient light emitters in the mid- and far-infrared frequency range., Ce travail de thèse est centré sur l’étude des effets multicorps dans des nanostructures semiconductrices pour l'ingénierie quantique de dispositifs optoelectroniques infrarouges. Plus particulièrement, nous étudions la réponse optique de gaz d’électrons confinés dans des puits quantiques couplés par effet tunnel, en incluant les effets collectifs. On peut trouver une manifestation de ces effets dans les spectres d'absorption de puits quantiques très dopés, qui présentent des résonances optiques à des énergies complètement différentes par rapport aux transitions électroniques.L’interaction lumière-matière est calculée en deux étapes. Nous commençons par considérer les polarisations microscopiques associées aux transitions électroniques entre niveaux confinés des puits quantiques. Le couplage dipôle-dipôle entre polarisations électroniques donne lieu à des états collectifs, dont nous calculons successivement l’interaction avec le champ électromagnétique. Le spectre d’absorption est donc exprimé au travers de courants microscopiques, qui décrivent les oscillations collectives de charge. Le modèle théorique est appliqué à des systèmes pertinents et ses prédictions sont comparées aux résultats expérimentaux. Comme les états collectifs sont issus de la superposition cohérente de plusieurs excitations électroniques, ils ont les propriétés d’états superradiants. Ils représentent ainsi un système prometteur pour la réalisation de sources lumineuses efficaces dans les régions spectrales du moyen et lointain infrarouge.

The low flux infrared imaging needs performant high wavelength detectors. Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIP), thanks to the maturity of GaAs, the possibility to adjust the detected wavelength on a large range and to realize large uniform matrix are good candidate for such applications. In order to validate this interest, we have performed an electro-optic characterization of a 15µm sample. These measurements have been used to simulate the performance of a camera based on this QWIP and used in a low infrared photons flux scenario. We predict that this QWIP would succeed. Nevertheless these simulations also underline the detrimental role of the dark current. Thus we have developed a simulation tool based on a hoping approach between localized states, which provide us a better understanding of the transport in these heterostructures. The code has in particular underlines the role plays by the electron –ionized impurities interaction, which make the dark current very sensitive to the doping profile. Using this tool we have designed new structures, with optimized doping profile, in which the scattering rate has been decreased by a factor two. Moreover we have identified a quantum origin to the plateau shape of the I(V) curve. This code is more generally a useful simulation tool for the transport in hétérostructures. The influence of growth defects (non ideal interface and disorder) has been quantized and we have performed the first evaluation of The R0A in a THz QCD. Finally non local transport effects have been investigated. Saw teeth observation on the I(V) curves have been modeled and their influence on the detectivty estimated., L’imagerie infrarouge bas flux requiert des détecteurs grandes longueurs d’onde de hautes performances. Les détecteurs à puits quantiques (QWIP), de par la maturité de GaAs, la facilité à ajuster la longueur d’onde détectée sur une très large gamme et la possibilité de réaliser de larges matrices uniformes constituent d’excellents candidats pour ces applications. Afin de confirmer leur intérêt nous avons procédé à la caractérisation électro-optique fine d’un composant QWIP détectant à 15µm. Les performances mesurées ont été utilisées pour simuler celles d’une caméra basée sur ce détecteur et dédiée à un scénario faible flux et ont permis de valider la capacité de la filière QWIP à répondre à de telles missions infrarouges. Ces simulations ont aussi mis en évidence le rôle extrêmement préjudiciable joué par le courant d’obscurité. Nous avons alors mis au point une simulation basée sur un code de diffusion entre états localisés qui nous a permis de mieux appréhender le transport dans ces structures. Un important travail de développement de l’outil de simulation a été nécessaire. Ce code a révélé le rôle déterminant du profil de dopage sur le niveau de courant d’obscurité. Nous avons ainsi pu réaliser de nouvelles structures aux profils de dopage optimisés et dont le niveau de courant d'obscurité est abaissé de 50%. Nous avons par ailleurs pu apporter une interprétation quantique à la forme des courbes I(V) observée. Mais notre code de simulation s'avère plus généralement un outil puissant de simulation du transport dans les hétérostructures. L'influence des défauts de croissance (défauts d'interface et désordre) a pu être quantifiée et nous avons pu apporter les premières prédictions de performances de QCD THz. Enfin l'influence des effets non locaux sur le transport a été étudiée. L'observation de dents de scie sur les courbes I(V) de QWIP a pu être modélisée et son influence sur la détectivité évaluée.

This work focuses on the molecular-beam epitaxial growth and characterization of nanostructures based on nitride semiconductors (GaN, AlN and alloys) in order to develop advanced optoelectronic devices based on intraband transitions, towards the next generation of high-speed telecommunication systems. A first set of results reports on the growth of nitride thin layers, including AlGaN alloys. Our study has demonstrated that the growth of layers whose Al molar fraction stays below 35% requires an excess of Ga. For higher Al content, it is necessary to use In as a surfactant or to grow super-alloys GaN/AlN. Studies on doping these structures with Si have also been performed. We have then studied multilayered structures of Si-doped GaN/AlN quantum wells. They display p-polarized intersubband absorption peaks at wavelengths in the telecommunication range at room temperature. The effect of various growth and design parameters has been studied. Various characterizations were applied to the assessment of the internal electric field and the conduction band offset between GaN and AlN in our structures. About the fabrication of multilayered structures of Si-doped GaN/AlN quantum dots, we have adapted the growth techniques in order to minimize the size of the dots, to tune the intraband absorption within the telecommunication range. The absorption energy can be adjusted by modifying the amount of GaN in the dots, the growth temperature and the ripening time. Finally, these structures have been processed for the fabrication of optoelectronic devices. We have focused on devices based on absorption (quantum wells and quantum dots based photodetectors, electro-optical modulators) and based on the emission of infrared light at telecommunication wavelengths. The promising performance of these devices constitutes a first step towards the fabrication of telecommunication devices based on nitride semiconductors.; Ce travail a consisté en la croissance (par épitaxie à jets moléculaires) et la caractérisation de nanostructures à base de semiconducteurs nitrures (GaN, AlN et alliages) afin de développer de composants optoélectroniques avancés basés sur les transitions intrabandes pour la prochaine génération de systèmes de télécommunications à très haut débit. Une première série de résultats concerne la croissance de couches minces de nitrures, notamment celle des alliages d'AlGaN. D'après notre étude, la croissance de couches dont la fraction molaire d'Al reste en deçà de 35 % nécessite la présence d'un excès de Ga. Au delà, il est nécessaire d'utiliser l'In en tant que surfactant ou bien de réaliser des superalliages GaN/AlN. Des études du dopage Si de ce type de structures ont été menées. Nous avons ensuite étudié des structures à multicouches de puits quantiques GaN/AlN dopées Si. Celles-ci présentent les pics d'absorption ISB polarisée p à des longueurs d'onde de la gamme des télécommunications à température ambiante. L'effet de divers paramètres de croissance et de design a été étudié. L'analyse des caractérisations de ces échantillons a permis d'évaluer le champ électrique interne ainsi que l'offset de bande de conduction entre le GaN et l'AlN de nos structures. Concernant la synthèse des structures multicouches de boîtes quantiques GaN/AlN dopées Si, nous avons adapté la technique de croissance de ces structures pour minimiser la taille de boîtes, et ce, de manière à ce que leur absorption intrabande puisse atteindre les longueurs d'onde des télécommunications optiques. L'énergie du pic d'absorption des boîtes peut être ajustée en modifiant la quantité de GaN dans les boîtes, la température de croissance, et le temps d'interruption de croissance. Enfin, les résultats obtenus sur la réalisation de composants sont développés. Nous nous sommes focalisés sur les dispositifs basés sur l'absorption (photodétecteurs à puits et à boites quantiques, modulateurs électro-optiques) et l'émission de lumière infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde des télécommunications. Des résultats prometteurs ont été obtenus sur l'ensemble de ces composants, ils forment une première étape vers la fabrication de composants pour les télécommunications à base de semiconducteurs nitrures.

This work focuses on the molecular-beam epitaxial growth and characterization of nanostructures based on nitride semiconductors (GaN, AlN and alloys) in order to develop advanced optoelectronic devices based on intraband transitions, towards the next generation of high-speed telecommunication systems. A first set of results reports on the growth of nitride thin layers, including AlGaN alloys. Our study has demonstrated that the growth of layers whose Al molar fraction stays below 35% requires an excess of Ga. For higher Al content, it is necessary to use In as a surfactant or to grow super-alloys GaN/AlN. Studies on doping these structures with Si have also been performed. We have then studied multilayered structures of Si-doped GaN/AlN quantum wells. They display p-polarized intersubband absorption peaks at wavelengths in the telecommunication range at room temperature. The effect of various growth and design parameters has been studied. Various characterizations were applied to the assessment of the internal electric field and the conduction band offset between GaN and AlN in our structures. About the fabrication of multilayered structures of Si-doped GaN/AlN quantum dots, we have adapted the growth techniques in order to minimize the size of the dots, to tune the intraband absorption within the telecommunication range. The absorption energy can be adjusted by modifying the amount of GaN in the dots, the growth temperature and the ripening time. Finally, these structures have been processed for the fabrication of optoelectronic devices. We have focused on devices based on absorption (quantum wells and quantum dots based photodetectors, electro-optical modulators) and based on the emission of infrared light at telecommunication wavelengths. The promising performance of these devices constitutes a first step towards the fabrication of telecommunication devices based on nitride semiconductors., Ce travail a consisté en la croissance (par épitaxie à jets moléculaires) et la caractérisation de nanostructures à base de semiconducteurs nitrures (GaN, AlN et alliages) afin de développer de composants optoélectroniques avancés basés sur les transitions intrabandes pour la prochaine génération de systèmes de télécommunications à très haut débit. Une première série de résultats concerne la croissance de couches minces de nitrures, notamment celle des alliages d'AlGaN. D'après notre étude, la croissance de couches dont la fraction molaire d'Al reste en deçà de 35 % nécessite la présence d'un excès de Ga. Au delà, il est nécessaire d'utiliser l'In en tant que surfactant ou bien de réaliser des superalliages GaN/AlN. Des études du dopage Si de ce type de structures ont été menées. Nous avons ensuite étudié des structures à multicouches de puits quantiques GaN/AlN dopées Si. Celles-ci présentent les pics d'absorption ISB polarisée p à des longueurs d'onde de la gamme des télécommunications à température ambiante. L'effet de divers paramètres de croissance et de design a été étudié. L'analyse des caractérisations de ces échantillons a permis d'évaluer le champ électrique interne ainsi que l'offset de bande de conduction entre le GaN et l'AlN de nos structures. Concernant la synthèse des structures multicouches de boîtes quantiques GaN/AlN dopées Si, nous avons adapté la technique de croissance de ces structures pour minimiser la taille de boîtes, et ce, de manière à ce que leur absorption intrabande puisse atteindre les longueurs d'onde des télécommunications optiques. L'énergie du pic d'absorption des boîtes peut être ajustée en modifiant la quantité de GaN dans les boîtes, la température de croissance, et le temps d'interruption de croissance. Enfin, les résultats obtenus sur la réalisation de composants sont développés. Nous nous sommes focalisés sur les dispositifs basés sur l'absorption (photodétecteurs à puits et à boites quantiques, modulateurs électro-optiques) et l'émission de lumière infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde des télécommunications. Des résultats prometteurs ont été obtenus sur l'ensemble de ces composants, ils forment une première étape vers la fabrication de composants pour les télécommunications à base de semiconducteurs nitrures.

Room temperature continuous-wave (CW) operation is the crucial milestone that promotes a semiconductor laser from an object of research to a device for the world of technology. To achieve this, it is important to increase the maximum CW operating temperature, and to decrease the electrical injected power. The work presented in this thesis investigates these two points to enhance the performance of quantum cascade lasers (QCLs) emitting at lambda~9µm.Waveguide optimisation has been performed on GaAs-based QCLs, to reduce their threshold current and to improve their efficiency. Owing to waveguides with AlGaAs or GaInP cladding layers, new record performances have been obtained for these type of lasers.Selective current injection, realised by proton implantation, is used on GaAs-based QCLs to reduce their operating current and to improve their thermal properties. This technology has been experimented on InP-based QCLs.The benefit of a thick electroplated gold layer, deposit on the top of the ridge devices to improve the heat dissipation, has been also studied. The performances of the two QCLs materials are compared and their future development perspectives are discussed.; Pour un laser semiconducteur, la démonstration de fonctionnements en régime continu et à température ambiante est une étape cruciale à franchir pour en faire des dispositifs optoélectronique à part entière. Dans ce but, on cherche à améliorer leur température maximale de fonctionnement en régime continu et à limiter la puissance électrique injectée. Pour répondre à ces deux besoins essentiels, des travaux d'optimisation ont été menés au cours de cette thèse sur des lasers à cascade quantique (LCQ) émettant à lambda~9µm.Une optimisation des guides d'onde des LCQ en GaAs/AlGaAs a été entreprise afin de diminuer les densités de courant de seuil et augmenter les rendements de ces lasers ; grâce à des guides utilisant des couches en AlGaAs ou en GaInP, de nouvelles performances ont été atteintes pour ces lasers. La réalisation d'injection sélective de courant par implantation de protons permet aux LCQ en GaAs/AlGaAs de réduire leurs courants de fonctionnnement, et d'améliorer leur propriétés thermiques. Nous avons expérimenté cette technique sur des LCCQ en GaInAs/AlInAs/InP.L'influence d'une couche épaisse d'or, déposée sur le dessus des guides rubans pour améliorer la dissipation de chaleur, a également été étudiée. Les performances des deux types de LCQ seront comparées et les perspectives sur leur développement seront discutées.

Intersubband transitions in semiconductor heterostructures have been intensively studied since the early 80s. Today there are still two frontiers to be explored: extending the intersubband devices to the long wavelengths of THz domain and to fiber optics telecommunication wavelengths. To reach the1.3 - 1.55 micron domain, one should use semiconductor heterostructures with large band discontinuity. GaN/AlN heterostructures, studied in this work, have large conduction band offset (This work is focused on the experimental and theoretical study of the intersubband transitions in GaN/AlN quantum wells and quantum dots grown by molecular beam epitaxy on sapphire (0001) substrate. Firstly, I show the results of optical and structural characterizations of the quantum well samples and also the modeling of the quantum confinement in these heterostructures. The influence of doping is discussed. Then I focus on the study of coupling between two quantum wells separated by an ultra-thin barrier and on the application of these system to electro-optical modulators and quantum fountain lasers. Finally, I present the results on the intraband absorption of GaN/AlN quantum dots at telecommunication wavelengths and I discuss first applications to infrared photodetection.; Dans les années 80-90 la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd'hui deux frontières à explorer : l'extension vers les grandes longueurs d'onde du domaine THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, il faut disposer d'hétérostructures présentant une discontinuité de potentiel élevée. Les hétérostructures de GaN/AlN, étudiées dans cette thèse, ont une discontinuité de potentiel en bande de conduction voisine de 1,75 eV et sont aujourd'hui les candidats les plus sérieux pour le développement de composants optoélectroniques unipolaires à 1,3-1,55 micron.Ce travail de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique des transitions intersousbandes dans des puits quantiques et boîtes quantiques de GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je présente les résultats des caractérisations optiques (spectroscopie à transformée de Fourier et de photoluminescence) et structurales (diffraction des rayons-X, microscopie électronique à transmission) des échantillons et je montre également la modélisation du confinement quantique dans ces hétérostructures. Les effets dus au dopage sont discutés. Je me focalise ensuite sur l'étude du couplage entre deux puits séparés par une barrière ultra-mince et j'aborde la conception d'un modulateur électro-optique et d'un laser à fontaine quantique basés sur des puits couplés. Enfin, je présente mes résultats sur l'absorption intrabande de boîtes quantiques GaN/AlN aux longueurs d'ondes des télécommunications ainsi que les premières applications à la photodétection infrarouge.

This PhD thesis is devoted to the study of physical phenomena in SiGe devices involving high energy carriers which can induce impact ionization. A thirty-band k.p method has been developed to model energy band diagrams of bulk and strained Si, Ge and SiGe alloys on the whole Brillouin zone in a large energy range (11 eV around the band gap). This method gives access to the Luttinger parameters and the conduction band effective masses with a very good accuracy. Associated with an envelop function algorithm, the band diagrams of SiGe quantum wells have been obtained in the valence and in the conduction band. From these band diagrams, carrier densities of states are obtained in bulk and strained semiconductors and in quantum wells. Hole density of state masses in bulk and strained SiGe alloys have been calculated as a function of crystal temperature. Chapter 4 is devoted to transport study in SiGe alloys with a matrix resolution of the Boltzmann transport equation. From the density of state masses, hole mean mobilities are calculated in SiGe alloys. From high electric field transport simulation, impact ionization coefficients have been evaluated for electrons in strained Si and for holes in strained Ge. Electroluminescence measurements have been performed on Si/SiGe and Ge/SiGe HFETs. These data give access to experimental study of impact ionization.; Ce travail est consacré à l'étude des phénomènes physiques dans les composants à base d'alliage SiGe en présence de fort champ électrique donc mettant en jeu des porteurs très énergétiques susceptibles d'induire de l'ionisation par choc. A l'aide d'une méthode k.p à 30 bandes, nous avons modélisé les structures électroniques complètes du Si, du Ge et des alliages Si1-xGex massifs et contraints sur une large gamme d'énergie (11 eV autour de la bande interdite) avec une très grande précision sur les paramètres de Luttinger ou les masses effectives. Associée au formalisme de la fonction enveloppe, cette méthode nous a fourni les relations de dispersion des sous-bandes en bande de valence et de conduction de puits quantiques à base d'alliages SiGe. Pour intégrer les structures électroniques dans la simulation du transport, nous avons calculé les densités d'états pour des structures électroniques 3D et 2D. Nous avons aussi obtenu les masses de densité d'états en fonction de la température dans les alliages SiGe massifs et contraints sur Si. Le chapitre 4 est consacré à l'étude du transport dans les alliages SiGe à partir d'une résolution déterministe de l'équation de Boltzmann. A l'aide des masses de densité d'états, nous avons calculé les mobilités moyennes des trous dans le SiGe. A partir de la simulation du transport à fort champ électrique des électrons dans le Si contraint sur SiGe et des trous dans le Ge contraint sur SiGe, nous avons obtenu les coefficients d'ionisation par choc dans ces matériaux. Des mesures d'électroluminescence réalisées sur des HFET à base d'alliages SiGe ont permis de remonter à quelques propriétés de l'ionisation par choc dans ces composants.

The low flux infrared imaging needs performant high wavelength detectors. Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIP), thanks to the maturity of GaAs, the possibility to adjust the detected wavelength on a large range and to realize large uniform matrix are good candidate for such applications. In order to validate this interest, we have performed an electro-optic characterization of a 15µm sample. These measurements have been used to simulate the performance of a camera based on this QWIP and used in a low infrared photons flux scenario. We predict that this QWIP would succeed. Nevertheless these simulations also underline the detrimental role of the dark current. Thus we have developed a simulation tool based on a hoping approach between localized states, which provide us a better understanding of the transport in these heterostructures. The code has in particular underlines the role plays by the electron –ionized impurities interaction, which make the dark current very sensitive to the doping profile. Using this tool we have designed new structures, with optimized doping profile, in which the scattering rate has been decreased by a factor two. Moreover we have identified a quantum origin to the plateau shape of the I(V) curve. This code is more generally a useful simulation tool for the transport in hétérostructures. The influence of growth defects (non ideal interface and disorder) has been quantized and we have performed the first evaluation of The R0A in a THz QCD. Finally non local transport effects have been investigated. Saw teeth observation on the I(V) curves have been modeled and their influence on the detectivty estimated.; L’imagerie infrarouge bas flux requiert des détecteurs grandes longueurs d’onde de hautes performances. Les détecteurs à puits quantiques (QWIP), de par la maturité de GaAs, la facilité à ajuster la longueur d’onde détectée sur une très large gamme et la possibilité de réaliser de larges matrices uniformes constituent d’excellents candidats pour ces applications. Afin de confirmer leur intérêt nous avons procédé à la caractérisation électro-optique fine d’un composant QWIP détectant à 15µm. Les performances mesurées ont été utilisées pour simuler celles d’une caméra basée sur ce détecteur et dédiée à un scénario faible flux et ont permis de valider la capacité de la filière QWIP à répondre à de telles missions infrarouges. Ces simulations ont aussi mis en évidence le rôle extrêmement préjudiciable joué par le courant d’obscurité. Nous avons alors mis au point une simulation basée sur un code de diffusion entre états localisés qui nous a permis de mieux appréhender le transport dans ces structures. Un important travail de développement de l’outil de simulation a été nécessaire. Ce code a révélé le rôle déterminant du profil de dopage sur le niveau de courant d’obscurité. Nous avons ainsi pu réaliser de nouvelles structures aux profils de dopage optimisés et dont le niveau de courant d'obscurité est abaissé de 50%. Nous avons par ailleurs pu apporter une interprétation quantique à la forme des courbes I(V) observée. Mais notre code de simulation s'avère plus généralement un outil puissant de simulation du transport dans les hétérostructures. L'influence des défauts de croissance (défauts d'interface et désordre) a pu être quantifiée et nous avons pu apporter les premières prédictions de performances de QCD THz. Enfin l'influence des effets non locaux sur le transport a été étudiée. L'observation de dents de scie sur les courbes I(V) de QWIP a pu être modélisée et son influence sur la détectivité évaluée.