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Mercury cadmium telluride (HgCdTe or MCT) is a time-honored material for condensed matter physics, whose history  nowadays more than fifty years long  may serve as an excellent example of remarkable progress made in research on semiconductors and semimetals. The ternary compound HgCdTe implies two important aspects, which largely contributed to its undoubted success in solid-states physics.The present PhD thesis primarily aims at filling some of existing gaps in our understanding of the electronic band structure in 2D and quasi-2D heterostructures based on HgTe/HgCdTe and InAs/InSb materials, which both may be tuned into topologically insulating phase using particular structural parameter. To explore their properties, the primal experimental technique, infrared and THz magneto-spectroscopy operating in a broad of magnetic fields, is combined with complementary magneto-transport measurements. This combination of experimental methods allows us to get valuable insights into electronic states not only at the Fermi energy, but also in relatively broad vicinity.The observed magneto-optical response - due to intraband (cyclotron resonance) and interband inter-Landau level excitations - may be interpreted in the context of previous studies performed on bulk samples , quantum wells and superlattices, but also compared with theoretical expectations. Here we aim at achieving the quantitative explanation of the collected experimental data, but also further developing a reliable theoretical model. The latter includes the fine-tuning of the band structure parameters present in the established Kane model, but even more importantly, identifying additional relevant (high-order) terms and finding their particular strengths, needed to achieve quantitative agreement with our experiments. One may expect that corrections due to these additional terms will more affect the valence subbands, which are in general characterized by relatively large effective masses. Consequently, valence subbands have larger density of states compared to conduction band or, when the magnetic field is applied, rather narrow spacing (and possibly large mixing) of Landau levels.; Le tellurure de mercure et de cadmium (HgCdTe ou MCT) est un matériau reconnu pour la physique de la matière condensée, dont l'histoire, datant aujourd'hui de plus de cinquante ans, constitue un excellent exemple des progrès remarquables réalisés dans la recherche sur les semi-conducteurs et les semi-métaux. Notre travail est principalement motivé par l’intérêt fondamental que suscitent ces systèmes, mais notre recherche peut également avoir un impact pratique (indirect) sur la médecine, la surveillance ou la détection de l’environnement ainsi que sur les systèmes de sécurité. Cela peut aider à améliorer les performances des photodétecteurs dans la limite des grandes longueurs d'onde ou à faciliter la fabrication de dispositifs émettant de la lumière.La présente thèse de doctorat vise principalement à combler certaines des lacunes de notre compréhension de la structure de bande électronique des hétérostructures 2D et quasi-2D basées sur les matériaux HgTe/HgCdTe et InAs/InSb, qui peuvent être transformés en phase topologiquement isolante à l'aide des paramètres de croissance. Pour explorer leurs propriétés, la technique expérimentale de base, la magnéto-spectroscopie infrarouge et THz fonctionnant dans un large éventail de champs magnétiques, est combinée à des mesures complémentaires de magnéto-transport. Cette combinaison de méthodes expérimentales nous permet d’obtenir de précieuses informations sur les états électroniques non seulement à l’énergie de Fermi, mais également dans son voisinage relativement large. Diverses hétérostructures ont été étudiées avec des caractéristiques globales et/ou spécifiques déterminées principalement par les paramètres de croissance.La réponse magnéto-optique observée, due aux excitations intra-bande (résonance cyclotron) et interbandes (entre les niveaux de Landau) peut être interprétée dans le contexte d'études antérieures sur des échantillons 3D, des puits quantiques et des super-réseaux, mais également en rapport aux attentes théoriques. Ici, nous visons à obtenir une explication quantitative des données expérimentales recueillies, mais également à développer un modèle théorique fiable. Ce dernier comprend le réglage précis des paramètres de structure de bande présents dans le modèle établi de Kane, mais surtout, l'identification de termes supplémentaires pertinents (d'ordre élevé) nécessaires pour parvenir à un accord quantitatif avec nos expériences. On peut s’attendre à ce que les corrections dues à ces termes supplémentaires affectent davantage les sous-bandes de valence, généralement caractérisées par des masses effectives relativement importantes et, par conséquent, par une grande densité d’états ou, lorsque le champ magnétique est appliqué, par un espacement assez étroit (et mélange important) des niveaux de Landau.

Mercury cadmium telluride (HgCdTe or MCT) is a time-honored material for condensed matter physics, whose history  nowadays more than fifty years long  may serve as an excellent example of remarkable progress made in research on semiconductors and semimetals. The ternary compound HgCdTe implies two important aspects, which largely contributed to its undoubted success in solid-states physics.The present PhD thesis primarily aims at filling some of existing gaps in our understanding of the electronic band structure in 2D and quasi-2D heterostructures based on HgTe/HgCdTe and InAs/InSb materials, which both may be tuned into topologically insulating phase using particular structural parameter. To explore their properties, the primal experimental technique, infrared and THz magneto-spectroscopy operating in a broad of magnetic fields, is combined with complementary magneto-transport measurements. This combination of experimental methods allows us to get valuable insights into electronic states not only at the Fermi energy, but also in relatively broad vicinity.The observed magneto-optical response - due to intraband (cyclotron resonance) and interband inter-Landau level excitations - may be interpreted in the context of previous studies performed on bulk samples , quantum wells and superlattices, but also compared with theoretical expectations. Here we aim at achieving the quantitative explanation of the collected experimental data, but also further developing a reliable theoretical model. The latter includes the fine-tuning of the band structure parameters present in the established Kane model, but even more importantly, identifying additional relevant (high-order) terms and finding their particular strengths, needed to achieve quantitative agreement with our experiments. One may expect that corrections due to these additional terms will more affect the valence subbands, which are in general characterized by relatively large effective masses. Consequently, valence subbands have larger density of states compared to conduction band or, when the magnetic field is applied, rather narrow spacing (and possibly large mixing) of Landau levels.; Le tellurure de mercure et de cadmium (HgCdTe ou MCT) est un matériau reconnu pour la physique de la matière condensée, dont l'histoire, datant aujourd'hui de plus de cinquante ans, constitue un excellent exemple des progrès remarquables réalisés dans la recherche sur les semi-conducteurs et les semi-métaux. Notre travail est principalement motivé par l’intérêt fondamental que suscitent ces systèmes, mais notre recherche peut également avoir un impact pratique (indirect) sur la médecine, la surveillance ou la détection de l’environnement ainsi que sur les systèmes de sécurité. Cela peut aider à améliorer les performances des photodétecteurs dans la limite des grandes longueurs d'onde ou à faciliter la fabrication de dispositifs émettant de la lumière.La présente thèse de doctorat vise principalement à combler certaines des lacunes de notre compréhension de la structure de bande électronique des hétérostructures 2D et quasi-2D basées sur les matériaux HgTe/HgCdTe et InAs/InSb, qui peuvent être transformés en phase topologiquement isolante à l'aide des paramètres de croissance. Pour explorer leurs propriétés, la technique expérimentale de base, la magnéto-spectroscopie infrarouge et THz fonctionnant dans un large éventail de champs magnétiques, est combinée à des mesures complémentaires de magnéto-transport. Cette combinaison de méthodes expérimentales nous permet d’obtenir de précieuses informations sur les états électroniques non seulement à l’énergie de Fermi, mais également dans son voisinage relativement large. Diverses hétérostructures ont été étudiées avec des caractéristiques globales et/ou spécifiques déterminées principalement par les paramètres de croissance.La réponse magnéto-optique observée, due aux excitations intra-bande (résonance cyclotron) et interbandes (entre les niveaux de Landau) peut être interprétée dans le contexte d'études antérieures sur des échantillons 3D, des puits quantiques et des super-réseaux, mais également en rapport aux attentes théoriques. Ici, nous visons à obtenir une explication quantitative des données expérimentales recueillies, mais également à développer un modèle théorique fiable. Ce dernier comprend le réglage précis des paramètres de structure de bande présents dans le modèle établi de Kane, mais surtout, l'identification de termes supplémentaires pertinents (d'ordre élevé) nécessaires pour parvenir à un accord quantitatif avec nos expériences. On peut s’attendre à ce que les corrections dues à ces termes supplémentaires affectent davantage les sous-bandes de valence, généralement caractérisées par des masses effectives relativement importantes et, par conséquent, par une grande densité d’états ou, lorsque le champ magnétique est appliqué, par un espacement assez étroit (et mélange important) des niveaux de Landau.

Intersubband (ISB) transitions are energy transitions between electronic states in a quantum well. GaN/AlGaN nanostructures have emerged as promising materials for new ISB optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared spectrum. Their large conduction band offset (~1.8 eV for GaN/AlN) and sub-picosecond ISB recovery times make them appealing for ultrafast photonics devices in the short-wavelength infrared (SWIR, 1-3 µm), and mid-wavelength infrared (MWIR, 3-8 µm) regions. Moreover, the large energy of GaN longitudinal-optical phonon (92 meV, 13 µm) opens prospects for room-temperature ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs.The work described in this thesis has aimed at improving the performance and understanding of the material issues involved in the extension of the GaN/AlGaN ISB technology to the THz range. On the one hand, ISB photodetection requires n-type doping of the active nanostructures. In this work, we explore Si and Ge as potential n-type dopants for GaN. On the other hand, the presence of internal electric fields in the confinement direction of polar c-plane heterostructures constitutes one of the main challenges of the GaN-based ISB technology. In this thesis, we address the use of nonpolar a or m crystallographic orientations as an alternative to operate without the influence of these electric fields.Regarding the use of Si and Ge as n-type dopants for GaN, we show that the use of Ge as a dopant does not affect the morphology, mosaicity and photoluminescence properties of the doped GaN thin films. In the c-plane GaN/AlGaN heterostructures, no effect on the band-to-band properties was observed, but the structures with high lattice mismatch showed better mosaicity when doped with Ge. Regarding the alternative of nonpolar GaN, we compared GaN/AlN multi-quantum wells grown on a and m nonpolar free-standing GaN substrates. The best results in terms of structural and optical (both band-to-band and ISB) performance were obtained for m-plane structures. They showed room-temperature ISB absorption covering the whole SWIR spectrum, with optical performance comparable to polar c-plane structures, in spite of a too low structural quality to consider device processing. By introducing Ga in the AlN barriers, the lattice mismatch of the structure is reduced, leading to lower densities of cracks. Such m-plane structures showed room-temperature ISB absorption tunable in the 4.0-5.8 µm MWIR range, but still with structural defects. Finally, we extended the study to the far-infrared range, using AlGaN barriers with much lower Al content. As a result, the studied m-plane structures displayed an excellent crystalline quality, without extended defects, and showed low-temperature ISB absorption in the 6.3 to 37.4 meV (1.5 to 9 THz) range. This result constitutes an experimental demonstration of the feasibility of GaN devices for the 5-10 THz band, forbidden to GaAs-based technologies., Les transitions intersousbandes (ISB) sont des transitions d’énergie entre des états électroniques dans un puits quantique. Les nanostructures GaN/AlGaN sont prometteuses pour le développement de composants optoélectroniques ISB pouvant couvrir la totalité de la gamme infrarouge. Leur large décalage de bande de conduction (~1.8 eV pour les systèmes GaN/AlN) et temps de vie ISB inférieurs au picoseconde les rendent attractifs pour l’optronique ultra-rapide en régime infrarouge courte longueur d’onde (SWIR, 1-3 µm) et moyenne longueur d’onde (MWIR, 3-8 µm). De plus, la grande énergie de phonon longitudinal-optique du GaN (92 meV, 13 µm) offre la possibilité de développer des composants ISB couvrant la bande 5-10 THz, interdite au GaAs, et opérant à température ambiante.Le travail décrit dans ce manuscrit a eu pour objectif d'améliorer les performances des technologies ISB GaN/AlGaN et de contribuer à une meilleure compréhension des problématiques posées par leur extension à la gamme des THz. D’une part, la photodétection ISB nécessite le dopage n des nanostructures. Dans ce travail de thèse, on étudie le Si et le Ge en tant que dopants de type n potentiels pour le GaN. D’autre part, la présence de champs électriques internes dans la direction de confinement des hétérostructures plan c constitue l’un des principaux défis de la technologie GaN ISB. C'est pourquoi on étudie la possibilité d’utiliser des orientations cristalline non-polaires a ou m alternatives pour obtenir des systèmes opérant sans l’influence de ces champs électriques.Concernant l'étude du Ge et du Si comme dopants potentiels, on montre que l’incorporation de Ge dans des couches mince de GaN n’affecte pas leur morphologie, mosaïcité ni photoluminescence. Les propriétés bande-à-bande des nanostructures GaN/AlGaN plan c étudiées sont indifférentes à la nature du dopant, mais les structures à grand désaccord de maille voient leur qualité structurale améliorée par le dopage Ge. Concernant l’alternative non-polaire, on compare des structures à multi-puits quantiques GaN/AlN plan a et plan m. Les meilleurs résultats en termes de performances structurales et optiques (bande-à-bande et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. Elles montrent de l’absorption ISB à température ambiante couvrant la fenêtre SWIR, avec des performances comparables aux structures plan c, mais avec une qualité structurale trop faible pour envisager la fabrication de composants. En incorporant du Ga dans les barrières d’AlN, on réduit de désaccord de maille et donc la densité de fissures. Ces structures plan m montrent de l’absorption ISB à température ambiante dans la gamme MWIR 4.0-4.8 µm, mais présentent toujours des défauts de structure. Finalement, on a étendu l’étude à la gamme lointain infrarouge, en utilisant des barrières d’AlGaN avec une composition bien plus basse en Al. Les structures plan m étudiées présentent une excellente qualité cristalline, sans défauts de structures, et présentent de l’absorption intersousbande à basse température entre 6.3 et 37.4 meV (1.5 et 9 THz). Ce résultat constitue une démonstration expérimentale de la faisabilité de composants GaN opérant dans la bande 5-10 THz, interdite aux technologies GaAs.

The microelectronic devices designed in the silicon technology field are intrinsically limited due to the nature of this material and its derivatives (Si, SiO2, SiGe…). One of the solutions to further reach enhanced performances lies in the introduction of new materials within silicon technology. Good candidates for silicon replacement as a conduction channel are the arsenide-based III-V semiconductors (III-As), in order to benefit from their outstanding electronic transfer properties. However, as a preliminary for the achievement of such devices, III-As films with good crystalline quality have to be obtained on silicon substrates. Indeed, those two materials display properties differences this work intends to overcome by following crystalline growth strategies.This PhD work deeply study the growth of GaAs and InGaAs films on 300 mm-diameter silicon substrates by metalorganic vapour phase epitaxy. In the first instance, efforts will be put on the elimination of one of the crystalline defects being the most prohibitive for the use of such materials: antiphase boundaries. Then, the achievement of III-As quantum heterostructures will enable, by optical emission analysis (photo- and cathodoluminescence), to reflect the global and local quality of the resultant epitaxial films. Finally, localised growth, in decananometric designs, preliminary performed on silicon substrates, will be carried out, with the aim of understanding the defects reduction mechanisms for those geometries.; Les dispositifs microélectroniques réalisés en technologie silicium possèdent des limitations intrinsèques liées à ce matériau et ses dérivés (Si, SiO2, SiGe…). Une des solutions pour proposer à l’avenir des performances accrues passe par l’introduction de nouveaux matériaux en technologie silicium. De bons candidats pour le remplacement du silicium en tant que canal de conduction sont les semi-conducteurs III-V à base d’arséniures (III-As) pour bénéficier de leurs propriétés de transport électronique exceptionnelles. Cependant, en préliminaire à la réalisation de tels dispositifs, il faut obtenir des couches de III-As de bonne qualité cristalline sur des substrats de silicium. Ces deux matériaux montrent en effet des différences de propriétés que l’on se propose de surmonter au cours de ces travaux par des stratégies de croissance cristalline.Ces travaux de thèse portent sur l’étude en détail des croissances de couches de matériaux GaAs et InGaAs, sur des substrats de silicium de 300 mm de diamètres et par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Dans un premier temps, des efforts seront menés afin d’éliminer un des défauts cristallins les plus rédhibitoires pour l’utilisation de ces matériaux, à savoir les parois d’antiphase. Puis, la réalisation d’hétérostructures quantiques III-As permettra, via des analyses d’émissions optiques (photo- et cathodoluminescence), de rendre compte de la qualité globale ainsi que locale des couches ainsi épitaxiées. Enfin, des croissances localisées dans des motifs décananométriques préalablement réalisés sur les substrats de silicium seront conduites dans le but de comprendre les mécanismes de réduction des défauts pour ces géométries.

In this introduction, i give an overview of the basic knowledge on quantum dots and nanoplatelets necessary to fellow the rest of the manuscript. I recall the basics on quantum confinement, colloidal nanocrystals and the specificities of colloidal quantum wells. Then, i review the forces acting between colloidal nanocrystals which lead to their self-assembly. This part has been written in the context of an invited mini-review article on the self-assembly of semi-conducting nanocrystals published recently in a special issue of ChemPhysChem dedicated to quantum dots. The second chapter deals with the colloidal stability of colloidal quantum wells and is adapted from a recent publication. Chapters 3 to 7 describe our recent work on the self-assembly of colloidal nanoplatelets into different kind of super-structures, from anisotropic supra-particles to (twisted) threads. Chapters 3 and 4 have already been published while chapters 5 and 6 have not appeared in the literature yet. Finally, i describe the main research direction in which i intend to work in a near future.

In this introduction, i give an overview of the basic knowledge on quantum dots and nanoplatelets necessary to fellow the rest of the manuscript. I recall the basics on quantum confinement, colloidal nanocrystals and the specificities of colloidal quantum wells. Then, i review the forces acting between colloidal nanocrystals which lead to their self-assembly. This part has been written in the context of an invited mini-review article on the self-assembly of semi-conducting nanocrystals published recently in a special issue of ChemPhysChem dedicated to quantum dots. The second chapter deals with the colloidal stability of colloidal quantum wells and is adapted from a recent publication. Chapters 3 to 7 describe our recent work on the self-assembly of colloidal nanoplatelets into different kind of super-structures, from anisotropic supra-particles to (twisted) threads. Chapters 3 and 4 have already been published while chapters 5 and 6 have not appeared in the literature yet. Finally, i describe the main research direction in which i intend to work in a near future.

In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons., Dans ma thèse, je discute des phénomènes collectifs dynamiques impliquant des excitons et des exciton-polaritons dans des nanostructures de semiconducteurs. Dans le premier chapitre j’introduis brièvement des éléments de physique des semiconducteurs. Les quatre chapitres suivants sont dédiés à la présentation de résultats originaux. Le chapitre 2 décrit les phénomènes d’interaction cohérente entre phonons et condensats d’exciton. Le chapitre 3 décrit un laser à boite quantique dont l’émission peut être amplifiée par l’excitation par un pulse acoustique. Les chapitres 4 et 5 sont respectivement dédiés à l’étude du phénomène de multistabilité des exciton-polaritons et à l’étude d’un condensat d’excitons indirects.

In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons.; Dans ma thèse, je discute des phénomènes collectifs dynamiques impliquant des excitons et des exciton-polaritons dans des nanostructures de semiconducteurs. Dans le premier chapitre j’introduis brièvement des éléments de physique des semiconducteurs. Les quatre chapitres suivants sont dédiés à la présentation de résultats originaux. Le chapitre 2 décrit les phénomènes d’interaction cohérente entre phonons et condensats d’exciton. Le chapitre 3 décrit un laser à boite quantique dont l’émission peut être amplifiée par l’excitation par un pulse acoustique. Les chapitres 4 et 5 sont respectivement dédiés à l’étude du phénomène de multistabilité des exciton-polaritons et à l’étude d’un condensat d’excitons indirects.

The field of plasmonics is experiencing a rapid development, due to the interest in studying the behavior of light at the nanometer scale. Key ingredients of plasmonics are the surface plasmons (SPs), electromagnetic modes localized at the interface between a metal and a dielectric. SPs rely on the interaction between electromagnetic radiation and conduction electrons at metallic interfaces or in "small" metallic nanostructures. The recent intense activity on plasmonics has been also enabled by state-of-the-art nano fabrication techniques and by high-sensitivity optical characterization techniques. These tools pave the way to promising applications (integration in electronics, chemical and biological detection...), which exploit the SP peculiarity of confining optical fields over sub-wavelength mode volumes. The number of publications concerning plasmonics has been continuously increasing over the last twenty years giving rise to a dynamic research context. Several plasmonic devices have been demonstrated during the last years (modulators, couplers, detectors ...). However their integration is limited by the absence of a compact generator (electrical pumping, small dimensions) and by the huge ohmic losses. Standard techniques for surface plasmon polariton (SPP) generation need an external alignment with a laser source on a prism or on a grating. Our approach is based on semiconductor lasers sources with a transverse magnetic (TM) polarization. Therefore, it is possible to obtain compact semiconductor devices suitable for the on chip integration. During my thesis I studied experimentally and numerically the performance of a diode laser as a function of the metal distance from its active region. The proximity of the gain to the metal is necessary to realize active plasmonic devices. I demonstrated the generation and the amplification of SPP in the telecom range (λ=1.3µm) with compact semiconductor based devices, operating at room temperature and by electrical injection. I realized an elegant architecture with an integrated coupler grating for the SPP generation. The SPPs are directly accessible at the device surface. An ultra-thin cladding device allowed the demonstration of a hybrid plasmonic laser with a consistent fraction of electric field at the metal/semiconductor interface. Finally I demonstrated that the metal patterning allows a loss reduction, decreasing the laser threshold. The results are strengthened by a new near-field technique (NSOM) which permitted to measure the SPPs at the metal/air interface and at the metal/semiconductor interface. Thanks to the NSOM we showed unambiguously the effect of the metal patterning on the optical mode.; La plasmonique est un domaine de la nano-photonique qui étudie le comportement de la lumière à des échelles sub-longueurs d'ondes en présence de métaux. Les plasmons polaritons de surface (SPPs) sont des modes électromagnétiques qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un métal. Les SPPs trouvent des applications dans plusieurs domaines comme la communication et le traitement tout-optique du signal, la spectroscopie, la détection en biologie et en chimie. De nombreux composants plasmoniques (modulateurs, coupleurs, détecteurs ...) ont été démontrés ces dernières années. Cependant, leur l'intégration reste conditionnée par l'absence d'un générateur compact (pompage électrique, dimensions réduites) et par les grandes pertes ohmiques. Les techniques standards de génération de SPs nécessitent l'alignement d'un laser externe sur un prisme ou un réseau de diffraction afin d'adapter le vecteur d'onde incident avec celui du plasmon. L'approche que nous avons choisie est basée sur l'utilisation de lasers à semiconducteur ayant une polarisation transverse magnétique (TM) comme source d'excitation et de gain. Notre approche, permet d'obtenir des dispositifs compacts et facilement intégrables sur puce. Pendant ma thèse j'ai étudié expérimentalement et numériquement les performances d'un laser en fonction rapprochement du contact métallique à sa région active. La proximité du gain optique au métal est nécessaire pour la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. J'ai démontré la génération et l'amplification des plasmons de surface dans la bande télécom (λ=1.3µm), avec des dispositifs compacts, à base de semiconducteurs, fonctionnant par injection électrique et à température ambiante. Notamment, j'ai réalisé une architecture élégante, avec coupleur intégré, pour la génération de SPPs accessibles sur le sommet du dispositif. Un dispositif avec gaine superficielle ultrafine a permis de démontrer un mode hybride plasmonique avec une fraction consistante de champ électrique à l'interface métal/semiconducteur. Finalement, j'ai montrée que la structuration nanométrique du contact métallique réduit les pertes du mode laser. Les résultats sont renforcés par une nouvelle technique de imagerie de champ proche (SNOM) qui a permis de mesurer les SPPs à l'interface métal/or et à l'interface métal/ semiconducteur. Grâce aux mesures SNOM, il a aussi été possible de démontrer sans aucune ambiguïté l'effet de la structuration du métal sur le mode optique.

The field of plasmonics is experiencing a rapid development, due to the interest in studying the behavior of light at the nanometer scale. Key ingredients of plasmonics are the surface plasmons (SPs), electromagnetic modes localized at the interface between a metal and a dielectric. SPs rely on the interaction between electromagnetic radiation and conduction electrons at metallic interfaces or in "small" metallic nanostructures. The recent intense activity on plasmonics has been also enabled by state-of-the-art nano fabrication techniques and by high-sensitivity optical characterization techniques. These tools pave the way to promising applications (integration in electronics, chemical and biological detection...), which exploit the SP peculiarity of confining optical fields over sub-wavelength mode volumes. The number of publications concerning plasmonics has been continuously increasing over the last twenty years giving rise to a dynamic research context. Several plasmonic devices have been demonstrated during the last years (modulators, couplers, detectors ...). However their integration is limited by the absence of a compact generator (electrical pumping, small dimensions) and by the huge ohmic losses. Standard techniques for surface plasmon polariton (SPP) generation need an external alignment with a laser source on a prism or on a grating. Our approach is based on semiconductor lasers sources with a transverse magnetic (TM) polarization. Therefore, it is possible to obtain compact semiconductor devices suitable for the on chip integration. During my thesis I studied experimentally and numerically the performance of a diode laser as a function of the metal distance from its active region. The proximity of the gain to the metal is necessary to realize active plasmonic devices. I demonstrated the generation and the amplification of SPP in the telecom range (λ=1.3µm) with compact semiconductor based devices, operating at room temperature and by electrical injection. I realized an elegant architecture with an integrated coupler grating for the SPP generation. The SPPs are directly accessible at the device surface. An ultra-thin cladding device allowed the demonstration of a hybrid plasmonic laser with a consistent fraction of electric field at the metal/semiconductor interface. Finally I demonstrated that the metal patterning allows a loss reduction, decreasing the laser threshold. The results are strengthened by a new near-field technique (NSOM) which permitted to measure the SPPs at the metal/air interface and at the metal/semiconductor interface. Thanks to the NSOM we showed unambiguously the effect of the metal patterning on the optical mode.; La plasmonique est un domaine de la nano-photonique qui étudie le comportement de la lumière à des échelles sub-longueurs d'ondes en présence de métaux. Les plasmons polaritons de surface (SPPs) sont des modes électromagnétiques qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un métal. Les SPPs trouvent des applications dans plusieurs domaines comme la communication et le traitement tout-optique du signal, la spectroscopie, la détection en biologie et en chimie. De nombreux composants plasmoniques (modulateurs, coupleurs, détecteurs ...) ont été démontrés ces dernières années. Cependant, leur l'intégration reste conditionnée par l'absence d'un générateur compact (pompage électrique, dimensions réduites) et par les grandes pertes ohmiques. Les techniques standards de génération de SPs nécessitent l'alignement d'un laser externe sur un prisme ou un réseau de diffraction afin d'adapter le vecteur d'onde incident avec celui du plasmon. L'approche que nous avons choisie est basée sur l'utilisation de lasers à semiconducteur ayant une polarisation transverse magnétique (TM) comme source d'excitation et de gain. Notre approche, permet d'obtenir des dispositifs compacts et facilement intégrables sur puce. Pendant ma thèse j'ai étudié expérimentalement et numériquement les performances d'un laser en fonction rapprochement du contact métallique à sa région active. La proximité du gain optique au métal est nécessaire pour la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. J'ai démontré la génération et l'amplification des plasmons de surface dans la bande télécom (λ=1.3µm), avec des dispositifs compacts, à base de semiconducteurs, fonctionnant par injection électrique et à température ambiante. Notamment, j'ai réalisé une architecture élégante, avec coupleur intégré, pour la génération de SPPs accessibles sur le sommet du dispositif. Un dispositif avec gaine superficielle ultrafine a permis de démontrer un mode hybride plasmonique avec une fraction consistante de champ électrique à l'interface métal/semiconducteur. Finalement, j'ai montrée que la structuration nanométrique du contact métallique réduit les pertes du mode laser. Les résultats sont renforcés par une nouvelle technique de imagerie de champ proche (SNOM) qui a permis de mesurer les SPPs à l'interface métal/or et à l'interface métal/ semiconducteur. Grâce aux mesures SNOM, il a aussi été possible de démontrer sans aucune ambiguïté l'effet de la structuration du métal sur le mode optique.

This thesis focuses on the study of spin waves in n-doped CdMnTe quantum wells using respectively time-resolved Kerr rotation (TRKR) and four-wave mixing (FWM) techniques. We studied three high mobility samples with different characteristics.The TRKR technique gives access only to zero wave vector excitations, in our case the spin- flip wave q = 0 . We studied the anticrossing that appears between the spin -flip wave and the manganese spin -flip excitation. We studied the gap variation energy between these modes as function on the power excitation and the magnetic field. In particular, we have extended the measurements of mixed modes at lower Mn concentration (up 0.07 %) and contrary to what were expected; we found that the strong coupling regime persists at this concentration.We are then interested in determining the two dimensional electron gas spin polarization ζ, which can be deduced from the energy coupling between the mixed modes. We found that the measured polarization exceeds the theoretical polarization calculated taking into account the increased susceptibility by many-body effects. We also measured the electron spin relaxation time and we have shown that it is influenced by thermal effects inherent to optical pump-probe experiments on this time.In the second part of this thesis, we studied by FWM the damping and the dispersion of the non-zero wave vector spin waves for one of our samples. We have demonstrated that we can actually generate spin waves in femtosecond excitation and deted them by FWM. We found that the dispersion is lower than that observed in the Raman experiments. This low dispersion may be due to the strong excitation density used in the FWM experiments (typically three to four orders of magnitude higher than the Raman ones) and / or the fact that two waves of wave vector q and - q, having different dispersions are simultaneously probed in FWM ., Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et –q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM.

Quantum cascade detectors are semi-conductor devices where infrared photons are absorbed in nanometric quantum wells on a picosecond timescale. These high performance infrared detectors are good candidates for thermographic and spectroscopic applications. To study electronic transport in these structures, one must organize the continuum of times and scales that span from the quantum phenomenon to the macroscopic device. In this thesis, we have shown that quantum coherent times and semi-classical scattering times must be taken properly into account to model the signal related quantities (current and noise). The so-called independence of Johnson ad shot noises in these structures is then discussed. They are proven to be the short and long time limits of a single phenomenon, ie the scattering of quantized charges. As a result, noise is calculated from quantum principles for the first time in intersubband structures. Lastly, the complete description of electronic transport enables us to discuss about the potentialities of this technology., Les détecteurs à cascade quantique (QCD) sont des composants semi-conducteurs, dans lesquels l'absorption de la lumière dans des puits quantiques de quelques nanomètres de large, à des temps caractéristiques de la picoseconde, permet de réaliser des caméras infrarouges de haute performance. L'enjeu de l'étude du transport électronique dans ces structures consiste à organiser le continuum d'échelles spatiales et temporelles qui relient le phénomène microscopique au dispositif macroscopique. Dans ces travaux de thèse, nous avons montré en particulier que pour modéliser le signal (courant et réponse) dans ces détecteurs, il est nécessaire d'articuler correctement les temps de cohérence quantique et les temps de diffusion semi-classique. Pour comprendre l'origine du bruit, il s'agit de voir que les contributions thermique et de grenaille, usuellement considérées comme indépendantes, ne sont que les deux limites aux temps courts et aux temps longs de la diffusion aléatoire de charges quantifiées. Cette description complète de la physique de ces détecteurs a permis dans un dernier temps de dégager les potentialités principales de cette filière technologique.

This work reports on electronic design, epitaxial growth and characterization of GaN/Al(Ga)N quantum wells which constitute the active region of intersubband (ISB) devices for near-, mid- and far-infrared. The design of the GaN/Al(Ga)N quantum wells to tune the ISB transitions in the infrared spectrum was performed using the 8-band k.p Schrödinger-Poisson Nextnano3 solver. The investigated structures were synthesized using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PAMBE). The strain issues arising due to the lattice mismatch during the epitaxial growth of GaN/Al(Ga)N heterostructures are investigated by combination of in-situ and ex-situ techniques. The optimal buffer layer, Al content and relaxation mechanisms during the PAMBE growth are determined. Achieving efficient ISB absorption at longer wavelengths requires heavy silicon doping of the quantum wells, so that the single-particle theory leads to a large discrepancy with the experimental results. Therefore, a study of silicon doping of GaN/Al(Ga)N superlattices for near- and mid-infrared spectral region are presented. This work also contributes to a better understanding of the infrared quantum cascade detector technology. Relevant achievements of room-temperature detection at 1.5 µm and 3-5 µm spectral range are demonstrated. Finally, the first observation of far-infrared (4.2 THz) ISB absorption in III-nitrides is reported., Ce mémoire résume des efforts dans la conception électronique, la croissance épitaxiale et la caractérisation des puits quantiques GaN/Al(Ga)N qui constituent la région active des composants inter-sous-bande (ISB) à base de semi-conducteurs nitrures pour l'optoélectronique dans l'infrarouge proche, moyen et lointain. Le dessin des puits quantiques GaN/Al(Ga)N pour ajuster la longueur d'onde d'absorption dans le spectre infrarouge a été réalisé en utilisant la méthode k.p à 8 bandes du logiciel Nextnano3 pour la résolution des équations de Schrödinger-Poisson. Les structures ont été synthétisées par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PAMBE). Les problèmes de gestion de la contrainte qui apparaissent liés au désaccord de maille pendant la croissance épitaxiale des hétérostructures GaN/Al(Ga)N ont été investigués par combinaison de techniques in-situ et ex-situ. La couche tampon optimale, la teneur en aluminium et les mécanismes de relaxation pendant la croissance par PAMBE ont été déterminés. Pour obtenir une absorption ISB efficace, on a besoin de niveaux élevés de dopage au silicium dans le puits quantiques, situation dans laquelle les théories à une particule conduisent à des déviations significatives par rapport aux résultats expérimentaux. Donc une étude du dopage au silicium des super-réseaux GaN/Al(Ga)N pour les régions spectrales infrarouges proche et moyen est présentée. Ce travail contient aussi une contribution à la compréhension de la technologie de photodétection à cascade quantique. Des résultats importants tels que l'obtention de photodétecteurs cascade fonctionnant à 1.5 µm et dans la plage spectrale de 3-5 µm sont démontrés. Finalement, on décrit la première observation de l'absorption ISB dans l'infrarouge lointain (4.2 THz) utilisant des nanostructures à base de semi-conducteurs nitrures.

Interfaces between materials having opposite dielectric constants support electromagnetic waves confined close to these interfaces called surface waves. For metals and polar crystals, they are respectively called surface plasmon-polaritons and surface phonon-polaritons. The goal of this thesis is to revisit some theoretical aspects associated to these surface waves.Using the Green formalism, we derive an expression of the surface wave field as a sum of modes. With losses, these waves must have a complex wave vector or frequency. Thus we give two expressions of their field, for each of these cases, and discuss when each of these expressions should be used.We then give the basis of a surface wave Fourier optics and geometrical optics. We derive a 2D Helmholtz equation for surface waves, a Huygens-Fresnel principle for surface waves, and an eikonal equation for surface waves. We then take a look at Pendry’s superlens, in which surface waves play a major role. We study the behavior of the superlens in pulsed mode taking losses into account, and show that its resolution can be increased for some pulse shapes compared to the steady state, at the expense of a signal decay.We then develop a quantum treatment of surface waves. We first calculate their energy, and then give an expression of their hamiltonian and field operators. Without losses, we show that the Purcell factor given by our quantum theory is perfectly equal to the Purcell factor given by the classical theory. We then compare this Purcell factor to the lossy case on an example, and show that losses can often be neglected. We then derive the Einstein coefficients associated to surface wave emission and absorption, which allow studying the population inversion dynamics of a gain medium. We then use this quantum formalism to study the interaction between electrons and surface phonon-polaritons in quantum wells, particularly their interaction with a phonon mode which features high confinement thanks to an epsilon near zero (ENZ) effect.; Il existe au niveau d’interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d’ondes de surface. C’est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L’objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d’obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d’onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l’opportunité d’utiliser l’une ou l’autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d’une optique de Fourier et d’une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d’Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu’une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s’applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s’appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu’en présence de pertes, il est possible d’obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d’impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d’une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d’Einstein associés aux ondes de surface permettant d’étudier la dynamique de l’inversion de population d’un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l’interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ).

Interfaces between materials having opposite dielectric constants support electromagnetic waves confined close to these interfaces called surface waves. For metals and polar crystals, they are respectively called surface plasmon-polaritons and surface phonon-polaritons. The goal of this thesis is to revisit some theoretical aspects associated to these surface waves.Using the Green formalism, we derive an expression of the surface wave field as a sum of modes. With losses, these waves must have a complex wave vector or frequency. Thus we give two expressions of their field, for each of these cases, and discuss when each of these expressions should be used.We then give the basis of a surface wave Fourier optics and geometrical optics. We derive a 2D Helmholtz equation for surface waves, a Huygens-Fresnel principle for surface waves, and an eikonal equation for surface waves. We then take a look at Pendry’s superlens, in which surface waves play a major role. We study the behavior of the superlens in pulsed mode taking losses into account, and show that its resolution can be increased for some pulse shapes compared to the steady state, at the expense of a signal decay.We then develop a quantum treatment of surface waves. We first calculate their energy, and then give an expression of their hamiltonian and field operators. Without losses, we show that the Purcell factor given by our quantum theory is perfectly equal to the Purcell factor given by the classical theory. We then compare this Purcell factor to the lossy case on an example, and show that losses can often be neglected. We then derive the Einstein coefficients associated to surface wave emission and absorption, which allow studying the population inversion dynamics of a gain medium. We then use this quantum formalism to study the interaction between electrons and surface phonon-polaritons in quantum wells, particularly their interaction with a phonon mode which features high confinement thanks to an epsilon near zero (ENZ) effect.; Il existe au niveau d’interfaces séparant des milieux de constantes diélectriques de signes opposés des ondes électromagnétiques confinées à proximité de ces interfaces. On parle d’ondes de surface. C’est notamment le cas des métaux et des cristaux polaires : on parle alors de plasmons-polaritons de surface et de phonons-polaritons de surface respectivement. L’objectif de cette thèse est de revisiter certains aspects théoriques associés à ces ondes de surface.Dans un premier temps, en nous basant sur le formalisme de Green, nous donnons un moyen d’obtenir une expression du champ des ondes de surface sous forme de somme de modes. En présence de pertes, ces ondes ont nécessairement un vecteur d’onde ou une pulsation complexe. Nous donnons ainsi deux expressions de leur champ, correspondant à chacun de ces deux cas, et discutons de l’opportunité d’utiliser l’une ou l’autre de ces expressions.Nous posons par la suite les bases d’une optique de Fourier et d’une optique géométrique des ondes de surface. Nous montrons comment obtenir une équation de Helmholtz à deux dimensions pour les ondes de surface, un principe d’Huygens-Fresnel pour les ondes de surface, ainsi qu’une équation eikonale pour les ondes de surface, qui s’applique sous certaines hypothèses. Nous nous intéressons également à la superlentille proposée par Pendry, qui s’appuie sur les ondes de surface. Nous étudions notamment le fonctionnement de cette superlentille en régime impulsionnel, et montrons qu’en présence de pertes, il est possible d’obtenir une meilleure résolution avec certaines formes d’impulsion par rapport au régime harmonique, au prix d’une importante baisse de signal toutefois.Nous développons ensuite un traitement quantique des ondes de surface. Nous calculons au préalable une expression de leur énergie, et nous donnons une expression de leur hamiltonien et de leurs opérateurs champ. Sans pertes, nous montrons que le facteur de Purcell prédit par notre théorie quantique est rigoureusement égal au facteur de Purcell calculé avec des outils classiques. Nous comparons ensuite ce facteur de Purcell à celui calculé classiquement avec pertes, et montrons sur un exemple que les pertes peuvent être négligées dans de nombreux cas. Nous donnons enfin une expression des coefficients d’Einstein associés aux ondes de surface permettant d’étudier la dynamique de l’inversion de population d’un milieu fournissant un gain aux ondes de surface. Nous appliquons par la suite ce formalisme quantique à l’interaction électrons-phonons-polaritons de surface dans les puits quantiques, notamment leur interaction avec un mode de phonon du puits particulièrement confiné grâce à un effet de constante diélectrique proche de zéro (epsilon near zero, ENZ).

Most of the research on GaN-based intersubband transitions has been focused on near-infrared applications, benefiting from the large conduction band offset between GaN and AlN1.75 eV. Devices such as all-optical switches, electro-optical modulators, quantum cascadedetectors, or light emitters have been demonstrated at short infrared wavelengths. Nitridematerials are currently attracting a great interest at longer infrared wavelengths, for example, forthe development of high-speed quantum cascade detectors and imagers in the range 2-5 µm. Inaddition, there is a great interest to extend the operation of nitride intersubband devices to theTHz frequency range especially for the development of quantum cascade lasers operating at non-cryogenic temperature.This work is focused on the study of intersubband transitions in GaN/Al(Ga)N quantumwells grown by molecular beam epitaxy. The goal is to tune these transitions in a broad spectralrange, from near to far infrared. I show that intersubband transitions may be tuned withinthe range 1-12 µm in the polar GaN/AlGaN quantum wells. This requires the engineering of theinternal electric fields, which can be as high as 10 MV/cm in GaN/AlN quantum wells. Analternative approach is to use a particular orientation, known as semipolar, which leads toa reduction of the internal electric field along the growth axis [11-22]. I show that this reductionof the internal field induces a redshift of the intersubband energy allowing to reach the mid-infrared domain. I was able to estimate the electric field in semi-polar structures by comparingthe results of spectroscopy and simulations. I also investigate interband andintersubband optical properties of cubic GaN/AlN quantum wells, for which the internal field isabsent due to the high symmetry of the cubic crystal. Finally, I report the first observation of theintersubband absorption at terahertz frequencies in polar GaN/AlGaN step quantum wells andin cubic quantum wells.; Les transitions intersousbandes dans les hétérostructures de nitrure d’éléments III ont été intensément étudiées dans le proche infrarouge pour des applications télécoms. L’accordabilité dans le proche infrarouge est rendu possible grâce à la discontinuité de potentiel en bande de conduction qui peut atteindre 1.75 eV pour le système GaN/AlN. Les matériaux nitrures suscitent actuellement un grand intérêt à plus grande longueur d'onde infrarouge. C'est par exemple le développement de détecteurs et d'imageurs rapides à cascade quantique dans la gamme 2-5 µm. C'est aussi l'extension des dispositifs intersousbandes dans le domaine de fréquences THz. Ce travail de thèse porte sur l’étude des transitions intersousbandes dans les puits quantiques GaN/Al(Ga)N épitaxiés par jets moléculaires. Le but est d’accorder ces transitions dans une gamme spectrale très large allant du proche au lointain infrarouge. Je montre que les transitions ISB peuvent être accordées dans la gamme 1-12 µm dans les puits quantiques GaN/AlGaN en phase hexagonale synthétisés selon l'axe polaire c [0001]. Ceci impose l'ingénierie du champ électrique interne, dont la valeur peut atteindre dans le GaN 10 MV/cm. Une solution alternative consiste à utiliser une orientation particulière, dite semipolaire, qui conduit à une réduction du champ électrique interne le long de l'axe de croissance [11-22]. J’ai montré que cette réduction du champ interne permet d’accorder les résonances intersousbandes des puits quantiques GaN/AlN dans le proche infrarouge et j’ai pu estimer le champ en comparant les résultats de spectroscopie et simulations. J’ai d’autre part étudié les propriétés interbandes et intersousbandes des puits quantiques de symétrie cubique, qui par raison de symétrie, ne présentent pas de champ électrique interne. Finalement j’ai mis en évidence les premières transitions intersousbandes aux fréquences THz dans les puits quantiques GaN/AlGaN polaires mais aussi cubiques.

The objective of this thesis work is to experimentally investigate the phenomena of the spin-dependent transport of hot electrons at room temperature into ferromagnetic metal (Fe or Co) / semiconductor (GaAs) Schottky junctions. In practice, a spin-polarized electron beam generated by optical orientation is injected into the two-terminal structure with energies varying from 10 to 3 keV above the Fermi level. The transmitted current shows a spin asymmetry, which depends on the relative orientation between the metal magnetization and the incident spin direction. In this PhD work, we have pursued two experimental approaches, one optical and the other electrical for detecting the transmitted current through the junction above the Fermi level, both exploiting the multiplication of electrons due to the generation of secondary electrons inside the metal layer. The electrical measurement requires of working with structures having a very high dynamic resistance of junction (typically a few M). The spin-dependent asymmetries are studied in samples characterized by different thicknesses of the oxide layer between magnetic metal layer and GaAs. We observe different transport regimes associated with the electron transmission at different interfaces. The optical measurement of the transmitted current is based on the radiative recombination of the injected electrons with the holes through the p-type semiconductor band gap. For this purpose a new structure including InGaAs quantum wells and one single Fe layer has been grown. Spin-polarized electrons injected into such a structure produce an asymmetry in the recombination light intensity. The variation of the luminescence asymmetry is studied relative the energy of the incident electrons. The optical detection offers the advantage of being less sensitive to the junction resistance., L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier expérimentalement le transport d'électrons chauds dépendant du spin à travers une jonction métal ferromagnétique / semi-conducteur. En pratique, un faisceau d'électrons polarisés de spin, émis par une photocathode GaAs en condition de pompage optique, est injecté dans la jonction. L'énergie d'injection peut être réglée entre 5 et 3000 eV. Le courant transmis au-dessus de la barrière métal / semi-conducteur montre une asymétrie de spin due à l'effet de filtre à spin de la couche magnétique. Pour la détection directe du courant électrique transmis dans un dispositif métal / semi-conducteur, on a besoin d'une structure ayant un fort caractère redresseur avec une résistance dynamique de jonction très élevée (typiquement quelques MΩ). Ces propriétés sont obtenus par l'introduction d'une couche mince (de quelques nanomètres) interfaciale d'oxyde entre le métal et le semi-conducteur (structure de type MIS). Nous montrons que la transmission d'électrons chands et les effets de filtre à spin à travers les structures MIS dépendent fortement la couche d'oxyde. Afin de surmonter les difficultés relatives à la détection électrique de la transmission d'électrons dans les jonctions MIS, nous avons développé une méthode de détection optique basée sur la mesure de la cathodoluminescence émise par la recombinaison d'électrons transmis dans le collecteur semi-conducteur. Pour ce faire, nous avons conçu la structure Fe / GaAs / InGaAs / GaAs, qui comprend les puits quantiques InGaAs, dans lesquels les électrons transmis à travers la jonction se recombinent avec les trous. L'intensité de la lumière de recombinaison est détectée en face arrière du substrat GaAs. Nous démontrons que cette technique permet en effet la détection optique de la transmission d'électrons et de l'effet de filtre à spin dans les structures métal ferromagnétique / semi-conducteur. Les limites et les perspectives de la spectroscopie de cathodoluminescence sont discutées.

Quantum well ZnO nanowires and p-type doping by nitrogen ion implantation are studied to make ultraviolet light-emitting diodes. O-polar pyramids and Zn-polar nanowires on sapphire and ZnO substrates are grown. Organized growth of nanowires on a masked Zn-polar ZnO is demonstrated. Similarly, GaN pyramids and nanowires are grown on Ga and N-polar GaN respectively. On sapphire, the dislocation elimination in the underlying pyramids is analyzed. Nanowires with no structural defects allow the growth of ZnO / Zn (1-x) Mg x O core-shell quantum wells. Plastic relaxation is studied, and the Mg composition is optimized to avoid it and attain an internal quantum efficiency as high as 54%. Concerning ion implantation, the defects are identified before and after annealing. They disappear in the near-surface, which lead to an easier recovery of nanowires compared to bulk ZnO. However, a recovered material with activated acceptors is not obtained., Les nanofils de ZnO à puits quantiques et le dopage p par implantation ionique d'azote sont étudiés pour la fabrication de LED ultra-violettes. Des pyramides de polarité O et des nanofils de polarité Zn sur substrats de saphir et ZnO sont élaborés. La croissance organisée de nanofils sur ZnO de polarité Zn est démontrée. De même, des pyramides ou des nanofils de GaN sont obtenus sur GaN de polarité Ga ou N. Sur saphir, l'élimination des dislocations dans les pyramides sous-jacentes aux nanofils est analysée. Les nanofils sans défauts structuraux permettent l'élaboration de puits quantiques coeur-coquille ZnO/Zn(1-x)MgxO. La relaxation plastique dans les nanofils est étudiée, puis la composition en Mg est optimisée pour l'éviter et atteindre un rendement quantique interne de 54%. Concernant l'implantation, les défauts sont identifiés avant et après recuit. Ils disparaissent en surface, d'où une guérison facilitée des nanofils. Un matériau guéri avec des accepteurs activés n'est pas obtenu.

This work deals with the study of optical and electronic properties of GaN / AlGaN quantum wells, by classical techniques of spectroscopy including angle resolved reflectivity or photoluminescence, but also by time resolved photoluminescence. The continuous wave photoluminescence experiments allowed estimating the energies of the excitonic transitions, which are also available through reflectivity. These techniques highlighted the Stark effect in GaN / AlGaN quantum wells. The influence of the Stark effect on the energies of the excitonic transitions is well reproduced by envelop functions theory. Reflectivity spectra give access to the oscillator strength via their fitting by transfer matrix formalism, taking in account both homogeneous and inhomogeneous broadenings of the optical transitions. Finally, time resolved photoluminescence measurements as a function of temperature were performed to extract the oscillator strength, which is proportional to the inverse of the radiative recombination time. This technique also highlighted the Stark effect which is responsible of the vanishing of the oscillator strength with the thickness of the well and the aluminium composition. Increasing of the quantum well’s thickness induces decreasing of wave functions overlap, as well as an increasing of the aluminium composition which intensifies the electric field and splits the wave functions., Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques et électroniques des puits quantiques de GaN / AlGaN grâce à des techniques classiques de réflectivité résolue en angle et de photoluminescence, ainsi qu’avec la technique de photoluminescence résolue temporellement. Les expériences de photoluminescence en régime continu ont permis d’estimer les énergies des transitions excitoniques qui sont également accessibles en réflectivité. Ces techniques ont ainsi permis de mettre en évidence l’effet Stark dans les puits quantiques GaN / AlGaN. L’effet Stark sur les énergies de transition est cohérent avec la théorie des fonctions enveloppes. Les spectres de réflectivité permettent d’accéder à la force d’oscillateur des excitons grâce à leur modélisation par le formalisme des matrices de transfert, prenant en compte les phénomènes d’élargissement homogène et inhomogènes des transitions optiques. Enfin, les mesures de photoluminescence résolue en temps en fonction de la température, ont également permis d’extraire la force d’oscillateur qui est inversement proportionnelle au temps de recombinaison radiative. Cette étude a également permis de mettre en évidence l’effet Stark responsable de la diminution de la force d’oscillateur en fonction de l’épaisseur du puits quantique mais aussi en fonction de la composition d’aluminium. L’augmentation de l’épaisseur du puits entraîne une diminution du recouvrement des fonctions d’onde, et une augmentation de la composition d’aluminium intensifie le champ électrique et diminue également le recouvrement des fonctions d’onde.

We have determined the local pressure in CdS/ZnS nanocrystals, thanks to the manganese phosphorescence signal. A few dopant atoms per nanoparticle were placed at controlled radial positions in a ZnS shell formed layer by layer. The experimental pressure measurements are in good agreement with a simple spherically symmetric elastic continuum model. Using spherically symmetric elastic continuum model could be used to better understand some structural phenomena observed in these nanocrystals, such as changes in crystalline phases, or cracking of some shells and could be used to design better core/shell nanoparticles. In a second step, we developed the colloidal synthesis of CdSe, CdS and CdTe quantum wells. The thicknesses of these nanoparticles are tuned at the atomic level and they present some new physical properties. We cite, in particular, their emission with a full width half maximum of the order of kT at room temperature. Finally, we show that it is possible to laterally extend these nanoparticles and we used the k.p model applied to quantum wells to determine the real values of nanoplatelets thicknesses and to verify the physical parameters for the three materials.; Nous avons déterminé la pression locale dans des nanocristaux de CdS/ZnS grâce à la phosphorescence de l'ion manganèse. Cet élément dopant a été placé suivant des positions radiales contrôlées dans une coque de ZnS formée couches par couches. Les mesures de pression expérimentales sont remarquablement proches de celles déterminées en utilisant le modèle simple de mécanique d'une sphère élastique isotrope. Ainsi le modèle de la sphère élastique isotrope peut servir à la compréhension de certains phénomènes observés tels que les changements de phases cristallines, ou la rupture sous contraintes de certaines coques et peut permettre une meilleure conception des nanoparticules coeur/coque. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point la synthèse de puits quantiques colloïdaux de CdSe, CdS et CdTe. L'épaisseur de ces nanoparticules est contrôlée à la monocouche atomique près et elles présentent des propriétés physiques exceptionnelles. Nous citerons, notamment, leur émission avec des largeurs à mi-hauteur de l'ordre de kT à température ambiante. Enfin, nous montrons qu'il est possible d'étendre latéralement ces nanoparticules et le modèle k.p appliqué aux puits quantiques permet de revenir aux vraies épaisseurs des nanoplaquettes et de vérifier les paramètres physiques pour les trois matériaux.

We have determined the local pressure in CdS/ZnS nanocrystals, thanks to the manganese phosphorescence signal. A few dopant atoms per nanoparticle were placed at controlled radial positions in a ZnS shell formed layer by layer. The experimental pressure measurements are in good agreement with a simple spherically symmetric elastic continuum model. Using spherically symmetric elastic continuum model could be used to better understand some structural phenomena observed in these nanocrystals, such as changes in crystalline phases, or cracking of some shells and could be used to design better core/shell nanoparticles. In a second step, we developed the colloidal synthesis of CdSe, CdS and CdTe quantum wells. The thicknesses of these nanoparticles are tuned at the atomic level and they present some new physical properties. We cite, in particular, their emission with a full width half maximum of the order of kT at room temperature. Finally, we show that it is possible to laterally extend these nanoparticles and we used the k.p model applied to quantum wells to determine the real values of nanoplatelets thicknesses and to verify the physical parameters for the three materials.; Nous avons déterminé la pression locale dans des nanocristaux de CdS/ZnS grâce à la phosphorescence de l'ion manganèse. Cet élément dopant a été placé suivant des positions radiales contrôlées dans une coque de ZnS formée couches par couches. Les mesures de pression expérimentales sont remarquablement proches de celles déterminées en utilisant le modèle simple de mécanique d'une sphère élastique isotrope. Ainsi le modèle de la sphère élastique isotrope peut servir à la compréhension de certains phénomènes observés tels que les changements de phases cristallines, ou la rupture sous contraintes de certaines coques et peut permettre une meilleure conception des nanoparticules coeur/coque. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point la synthèse de puits quantiques colloïdaux de CdSe, CdS et CdTe. L'épaisseur de ces nanoparticules est contrôlée à la monocouche atomique près et elles présentent des propriétés physiques exceptionnelles. Nous citerons, notamment, leur émission avec des largeurs à mi-hauteur de l'ordre de kT à température ambiante. Enfin, nous montrons qu'il est possible d'étendre latéralement ces nanoparticules et le modèle k.p appliqué aux puits quantiques permet de revenir aux vraies épaisseurs des nanoplaquettes et de vérifier les paramètres physiques pour les trois matériaux.

We studied the electronic properties of silicon nanocrystals embedded in silica SiO2 matrix doped and undoped by erbium. First, we were interested in silicon nanocrystals embedded in different crystallin forms of SiO2. We built several models by changing the size of the supercell and of the nanocrystal. Then, we studied the influence of some parameters on the electronic properties: the nanocrystal size, the interface defects, the nanocrystal density per volume unity of material and the crystallin form of the matrix. Finally, from the nanocrystals structures obtained previously, we added an erbium atom per supercell. We explored the stability of the different rare earth positions and the electronic properties of the material in order to envisage a possible energie transfer mechanism between a silicon nanocrystal and an erbium atom.; L'approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est utilisée pour étudier les propriétés électroniques de nanograins de silicium incorporés dans une matrice de silice SiO2 dopée ou non avec de l'erbium. D'abord, nous nous sommes intéressés au matériau constitué de nanograins de silicium immergés dans différentes formes cristallines de SiO2. Nous avons construit plusieurs modèles (supercellules cubiques de taille différentes contenant un grain de silicium dont la taille est également variable). Nous avons ainsi étudié l'influence de plusieurs paramètres sur les propriétés électroniques: la taille des nanograins, les défauts à l'interface, la densité de nanograins par unité de volume de matériau et la phase cristalline de la matrice. Enfin, à partir des structures de nanograins obtenues précédemment, nous avons ajouté un atome erbium par supercellule. Nous avons exploré la stabilité de différentes positions de la terre rare ainsi que les propriétés électroniques du matériau afin d'envisager un mécanisme possible de transfert d'énergie entre un nanograin de silicium et un ion erbium.

We studied the electronic properties of silicon nanocrystals embedded in silica SiO2 matrix doped and undoped by erbium. First, we were interested in silicon nanocrystals embedded in different crystallin forms of SiO2. We built several models by changing the size of the supercell and of the nanocrystal. Then, we studied the influence of some parameters on the electronic properties: the nanocrystal size, the interface defects, the nanocrystal density per volume unity of material and the crystallin form of the matrix. Finally, from the nanocrystals structures obtained previously, we added an erbium atom per supercell. We explored the stability of the different rare earth positions and the electronic properties of the material in order to envisage a possible energie transfer mechanism between a silicon nanocrystal and an erbium atom., L'approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est utilisée pour étudier les propriétés électroniques de nanograins de silicium incorporés dans une matrice de silice SiO2 dopée ou non avec de l'erbium. D'abord, nous nous sommes intéressés au matériau constitué de nanograins de silicium immergés dans différentes formes cristallines de SiO2. Nous avons construit plusieurs modèles (supercellules cubiques de taille différentes contenant un grain de silicium dont la taille est également variable). Nous avons ainsi étudié l'influence de plusieurs paramètres sur les propriétés électroniques: la taille des nanograins, les défauts à l'interface, la densité de nanograins par unité de volume de matériau et la phase cristalline de la matrice. Enfin, à partir des structures de nanograins obtenues précédemment, nous avons ajouté un atome erbium par supercellule. Nous avons exploré la stabilité de différentes positions de la terre rare ainsi que les propriétés électroniques du matériau afin d'envisager un mécanisme possible de transfert d'énergie entre un nanograin de silicium et un ion erbium.

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.

This document proposes a mathematical framework to analyze far-from-equilibrium electronic transport in mesoscopic devices, like heterostructures or superlattices. This leads to study the asymptotics of nonlinear-1D-Schrödinger-Poisson systems. The potential is made with quantum wells in a semiclassical island with cliffs. The main result for the nonlinear theory is the existence of asymptotical steady states. Moreover we show that they lie in a finite-dimensional subspace of continuous functions. Besides, one focuses on the understanding of spectral properties of the linear Schrödinger Operator for this semilinear problem. In this framework we lead the analysis over the continuous spectrum. The quantum wells generate quantum resonances. First we give results about functions of the Hamiltonian. Next, we focus on the more delicate case of functions of the asymptotical momentum. Results are given when the distribution of the wells over the island ensures good treatement of the resonances : for instance, whenever the wells are gathered or confined far from the boundary of the island. This establishes classical-like solutions, and we finish our analysis by showing the possible existence of quantum-like solutions., Cette thèse a pour objectif de proposer un modèle mathématique pour le transport électronique hors-équilibre dans des systèmes mésoscopiques tels que les hétérostuctures ou les super-réseaux. On est amené à faire une étude asymptotique de systèmes non-linéaires stationnaires 1D du type Schrödinger-Poisson hors-équilibre. Le potentiel présente des sauts ainsi que des puits quantiques ponctuels à la limite. Pour l'étude non-linéaire à proprement parler, on établit l'existence de solutions asymptotiques, et que celles-ci sont déterminées par un nombre fini de paramètres. Néanmoins, le gros de l'étude consiste en une compréhension des propriétés spectrales de l'équation de Schrödinger linéaire associée, le système non-linéaire étudié étant semi-linéaire. La nature du problème nécessite une analyse sur le spectre continu, qui plus est la présence des puits engendre des résonances quantiques. Après avoir établi l'asymptotique des fonctions du Hamiltonien, on s'attarde sur les fonctions du moment. Leur analyse, plus complexe, est étroitement liée aux résonances de l'opérateur. On fournit une réponse complète dans les cas où la répartition des puits permet un traitement de ces résonances, notamment lorsque les puits sont bien groupés ou confinés à l'intérieur de l'île et suivant qu'ils sont alimentés ou non. Cette discussion met en évidence l'existence de solutions stationnaires dites classiques, par opposition aux solutions de nature quantique. On termine l'étude en mettant en évidence l'existence de solutions quantiques dans des cas particuliers.

This thesis deals with the study of saturable absorbers based on Fe-doped InGaAs/InP multiple quantum wells (MQW). The non-linear optical properties of excitonic absorption are exploited for all-optical regeneration at 1.55mm. A numerical model is developed for the calculation of the non-linear optical properties of MQW structures. The efficiency of Fe doping to shorten the absorption relaxation time is experimentally demonstrated and explained by a dynamic model of the carriers capture by Fe atoms. The insertion of Fe doped MQW into a microcavity, which resonance is matched to excitonic transition, reduces the switching energy by a 50-factor and enhances the contrast ratio (CR) to 8dB. Such a CR value increases the transmission distance of a numerical signal by more than 1000km at 10Gb/s, with a constant transmission quality. The response time can be reduced to 290fs and the CR stays at a relatively high value of 5dB., Cette thèse est consacrée à l'étude des absorbants saturables à multipuits quantiques (MPQ) InGaAs/InP dopés fer. Les non-linéarités de l'absorption excitonique sont exploitées pour la régénération tout-optique du signal à 1.55mm. Un modèle théorique permet de calculer les propriétés optiques non-linéaires des puits quantiques. L'efficacité du dopage fer des MPQ à réduire le temps de relaxation de l'absorption est démontrée expérimentalement et expliquée par un modèle dynamique de la capture des porteurs par les atomes de fer. L'insertion des MPQ dopés fer en microcavité, à mode accordé à la résonance excitonique, réduit la puissance de commande optique d'un facteur 50 et permet d'obtenir un contraste de 8dB. Un tel contraste augmente la distance de propagation de plus de 1000km pour un signal numérique à 10 Gb/s. Le temps de réponse peut être réduit à une valeur record de 290fs, tout en gardant un contraste de 5dB.

This thesis deals with the study of saturable absorbers based on Fe-doped InGaAs/InP multiple quantum wells (MQW). The non-linear optical properties of excitonic absorption are exploited for all-optical regeneration at 1.55mm. A numerical model is developed for the calculation of the non-linear optical properties of MQW structures. The efficiency of Fe doping to shorten the absorption relaxation time is experimentally demonstrated and explained by a dynamic model of the carriers capture by Fe atoms. The insertion of Fe doped MQW into a microcavity, which resonance is matched to excitonic transition, reduces the switching energy by a 50-factor and enhances the contrast ratio (CR) to 8dB. Such a CR value increases the transmission distance of a numerical signal by more than 1000km at 10Gb/s, with a constant transmission quality. The response time can be reduced to 290fs and the CR stays at a relatively high value of 5dB., Cette thèse est consacrée à l'étude des absorbants saturables à multipuits quantiques (MPQ) InGaAs/InP dopés fer. Les non-linéarités de l'absorption excitonique sont exploitées pour la régénération tout-optique du signal à 1.55mm. Un modèle théorique permet de calculer les propriétés optiques non-linéaires des puits quantiques. L'efficacité du dopage fer des MPQ à réduire le temps de relaxation de l'absorption est démontrée expérimentalement et expliquée par un modèle dynamique de la capture des porteurs par les atomes de fer. L'insertion des MPQ dopés fer en microcavité, à mode accordé à la résonance excitonique, réduit la puissance de commande optique d'un facteur 50 et permet d'obtenir un contraste de 8dB. Un tel contraste augmente la distance de propagation de plus de 1000km pour un signal numérique à 10 Gb/s. Le temps de réponse peut être réduit à une valeur record de 290fs, tout en gardant un contraste de 5dB.

The purpose of this work was the study of light-matter interaction in quantum wells semiconductor microcavities. We have studied the coherent response of a semiconductor microcavity optically excited by a quasi-monochromatic CW laser. We have shown the existence of the strong coupling regime between the resonant mode of the cavity and the excitons of the quantum well embedded inside the cavity. Then we have shown that besides the coherent reflected field, the microcavity emits quasi-resonant luminescence. At low temperature (4K), we have shown that this photoluminescence is due to collisions between excitons and the acoustic phonons of the crystal. Finally, we have studied the intensity noise of the outgoing field by means of a homodyne balanced detection. We have shown that the measured noise arises from the incoherent emission of luminescence from the microcavity. We observed that this noise has a nonlinear behaviour coming from interactions between excitons., L'objet de ce travail est l'étude de l'interaction lumière-matière dans les microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Nous avons étudié la réponse cohérente d'une microcavité semi-conductrice soumise à une excitation optique au moyen d'un laser continu quasi-monochromatique. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'un régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique placé à l'intérieur de la cavité. Nous avons ensuite montré qu'en plus du champ cohérent réfléchi, la microcavité émet de la photoluminescence quasi-résonante. À basse température (4K), nous avons montré que cette luminescence est due aux collisions des excitons avec les phonons acoustiques du cristal. Enfin, nous avons étudié le bruit sur l'intensité du champ sortant au moyen d'une détection homodyne équilibrée. Nous avons mis en évidence que le bruit mesuré résulte de l'émission incohérente de la microcavité, c'est-à-dire de la photoluminescence. Nous avons observé que ce bruit a un comportement non linéaire dont l'origine se trouve dans l'interaction entre excitons.

This thesis reports measurements concerning quantum size effects of single crystalline metallic islands by using low-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS). Different sample systems are presented in the following chapters. In chapter 2, several aspects of quantum well states (QWS) of Pb ultrathin islands grown on Si(111) substrate are reported. The differential conductance spectra of QWS can be understood by discrete energy levels with linewidth broadening because of finite quasiparticle lifetime. Using low temperature scanning tunneling spectroscopy, we studied the linewidth of unoccupied quantum-well states (QWS) in Pb islands, grown on Si(111) on two different Pb/Si interfaces, of thicknesses between 7 and 22 monolayers. A quantitative analysis of the differential conductance spectra allowed us to determine the QWS lifetime broadening as a function of energy, showing agreement with 3D Fermi-liquid theory, as well as the electron-phonon (e-ph) contribution between 5 and 50 K. Layer-dependent ab initio calculations of the e-ph linewidth contributions are in excellent agreement with the data. Importantly, the sum of the calculated e-e and e-ph lifetime broadening follows the experimentally observed quadratic energy dependence. In chapter 3, studies investigating reduction of the superconducting gap of ultrathin Pb islands are presented. The energy gap Δ of superconducting Pb islands grown on Si(111) was probed in situ between 5 and 60 monolayers by low-temperature scanning tunneling spectroscopy. Δ was found to decrease from its bulk value as a function of inverse island thickness. Corresponding Tc values, estimated using bulk gap-to-Tc ratio, are in quantitative agreement with ex situ magnetic susceptibility measurements, however, in strong contrast to previous scanning probe results. Layer-dependent ab initio density functional calculations for free-standing Pb films show that the electron-phonon coupling constant, determining Tc, decreases with diminishing film thickness. In chapter 4, we present preliminary results on single electron tunneling and Coulomb blockade phenomena of metallic islands decoupled from a Ag(111) substrate by dielectric NaCl layers. Using low temperature STM/STS, the geometry of the metallic island can be determined unambiguously and the single electron tunneling properties are characterized. Using orthodox theory of single electron tunneling, the tunneling spectra can be reproduced qualitatively. Despite minor quantitative disagreement between data and simulations, the parameters of the double barrier tunneling junction, including the capacitances and the resistances of both junctions, as well as the residual charge, can be determined.

We study in this thesis the structural origin of defect insensitive light emission in indium containing group-III nitride ternary alloys grown on sapphire, which are the active materials for the commercially available high brightness blue diodes. These structures are known to be efficient light emitters despite the large number of dislocations they contain. Structural analysis was performed using scanning electron microscopes and (scanning) transmission electron microscopes, using various techniques, among them: bright field/dark field imaging, weak beam dark field imaging, high resolution transmission electron microscopy, energy dispersive x-ray spectroscopy, and high angle annular scanning transmission electron microscopy for elemental contrast (z-contrast). We identify structurally several types of compositional fluctuation around pure-edge, pure screw, and mixed dislocations in AlInN layers. We show that the elemental environment of an edge type dislocation is asymmetric, with an indium rich side and an indium poor side. We also observe spiral-like In-rich ring patterns around pure screw and mixed dislocations in AlInN . Using the obtained information from AlInN , we could identify the same disorder patterns in InGaN quantum wells by cathodoluminescence in a scanning transmission electron microscope. And we finally observe that stress induced disorder confines or shields charge carriers from dislocation cores in InGaN quantum wells, hence explaining defect insensitivity. Furthermore, we come to the interesting conclusion that, at least around mixed dislocations, elemental disorder engendered by the stress field of dislocations causes not only dislocation screening from carriers, but also increases luminescence by localizing charges on the In-rich sides of dislocations. We provide evidence of spatial confinement of carriers in these In-rich areas.