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The global semiconductor market is experiencing steady growth due to the development of consumer electronics and the wake of the non-volatile memory market. The importance of these memory products has been accentuated since the beginning of the 2000s by the introduction of nomadic products such as smartphones or, more recently, the Internet of things. Because of their performance and reliability, Flash technology is currently the standard for non-volatile memory. However, the high cost of microelectronic equipment makes it impossible to depreciate them on a technological generation. This encourages industry to adapt equipment from an older generation to more demanding manufacturing processes. This strategy is not without consequence on the spread of the physical characteristics (geometric dimension, thickness ...) and electrical (current, voltage ...) of the devices. In this context, the subject of my thesis is “Optimization and reduction of the variability of a new architecture ultra-low power non-volatile memory”.This study aims to continue the work begun by STMicroelectronics on the improvement, study and implementation of Run-to-Run (R2R) control loops on a new ultra-low power memory cell. In order to ensure the implementation of a relevant regulation, it is essential to be able to simulate the process manufacturing influence on the electrical behavior of the cells, using statistical tools as well as the electric characterization.; Le marché mondial des semi-conducteurs connait une croissance continue due à l'essor de l'électronique grand public et entraîne dans son sillage le marché des mémoires non volatiles. L'importance de ces produits mémoires est accentuée depuis le début des années 2000 par la mise sur le marché de produits nomades tels que les smartphones ou plus récemment les produits de l’internet des objets. De par leurs performances et leur fiabilité, la technologie Flash constitue, à l'heure actuelle, la référence en matière de mémoire non volatile. Cependant, le coût élevé des équipements en microélectronique rend impossible leur amortissement sur une génération technologique. Ceci incite l’industriel à adapter des équipements d’ancienne génération à des procédés de fabrication plus exigeants. Cette stratégie n’est pas sans conséquence sur la dispersion des caractéristiques physiques (dimension géométrique, épaisseur…) et électriques (courant, tension…) des dispositifs. Dans ce contexte, le sujet de ma thèse est d’optimiser et de réduire la variabilité d’une nouvelle architecture mémoire non volatile ultra basse consommation.Cette étude vise à poursuivre les travaux entamés par STMicroelectronics sur le développement, l’étude et la mise en œuvre de boucles de contrôle de type Run-to-Run (R2R) sur une nouvelle cellule mémoire ultra basse consommation. Afin d’assurer la mise en place d’une régulation pertinente, il est indispensable de pouvoir simuler l’influence des étapes du procédé de fabrication sur le comportement électrique des cellules en s’appuyant sur l’utilisation d’outils statistiques ainsi que sur une caractérisation électrique pointue.

Infrared measurements are used to assess the measurement accuracy of the peak gate current (I GPeak ) method for Insulated-gate bipolar transistor (IGBT)junction temperature measurement. Single IGBT chips with the gate pad in both the center and the edge are investigated, along with paralleled chips, as well as chips suffering partial bondwire lift-off. Results are also compared with a traditional electrical temperature measurement method: the voltage drop under low current (V CE (low ) ). In all cases, the IG Peak method is found to provide a temperature slightly overestimating the temperature of the gate pad. Consequently, both the gate pad position and chip temperature distribution influence whether the measurement is representative of the mean junction temperature. These results remain consistent after chips are degraded through bondwire lift-off. In a paralleled IGBT configuration with nonnegligible temperature disequilibrium between chips, the I GPeak method delivers a measurement based on the average temperature of the gate pads.

APEC 2012 - IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Orlando, ETATS-UNIS, 05-/02/2012 - 07/02/2012; The measurement of the junction temperature with thermo-sensitive electrical parameters (TSEPs) is largely used by electrical engineers or researchers but the obtained temperature value is generally not verified by any referential information of the actual chip temperature distribution. In this paper, we propose to use infrared (IR) measurements in order to evaluate the relevance of three commonly used TSEP with IGBT chips: the saturation voltage under a low current, the gateemitter voltage and the saturation current. The IR measurements are presented in details with an estimation of the emissivity of the black paint deposited on the power module. The temperatures obtained with IR measurement and with the different TSEPs are then compared in two cases: the use of only one chip and the use of two paralleled chips.

Since the discovery of the giant magnetoresistance in 1988 by the group of Albert Fert (Nobel Prize in 2007), the field of spintronics has been growing very fast due to its potential applications in micro-electronics. For almost 20 years, it has been proposed to introduce the spin degree of freedom directly in the semiconducting materials. Spintronics aims at using not only the charge of carriers (electrons and holes) but also their intrinsic spin degree of freedom. In that case, spins might be manipulated with electric fields. By using both charge and spin, one might add new functionalities to traditional micro-electronic devices. Indeed, the first challenge of semiconductor spintronics is to create and detect a spin polarized carrier population in traditional semiconductors like Si and Ge to further manipulate them. For this purpose, we have used hybrid ferromagnetic metal/insulator/semiconductor devices which allow us to perform electrical spin injection and detection. The first part of this thesis deals with 3 terminal devices grown on different substrates and in which a single ferromagnetic electrode is used to inject and detect spin polarized electrons using the Hanle effect. A spin signal amplification is measured experimentally as compared to the value from the theoretical diffusive model, this raised a controversy concerning 3 terminal measurements. We demonstrate that localized defects in the tunnel barrier cannot be at the origin of the measured MR signal and spin signal amplification. Instead, we show that the presence of interface states is the origin of the spin signal amplification in all the substrates. By using a proper surface preparation and the MBE growth of the magnetic tunnel junctions, we reduce the density of interface states and show a significant modification of the spin signals. In a second part, we present the transition from 3 terminal measurements to lateral spin valves on semiconductors. In the last configuration by using two ferromagnetic electrodes, charge and spin currents are decoupled in order to avoid any spurious magnetoresistance artefacts. Using epitaxially grown magnetic tunnel junctions we can prove the spin injection in silicon and germanium. Especially, we are able to measure non local spin signals in germanium up to room temperature. Finally, we study the spin Hall effect in gallium arsenide and germanium substrates. For this propose we induce spin accumulation using the spin Hall effect (i.e spin-orbit coupling) and probe it using muon spectroscopy. We demonstrate, at low temperature the presence of spin accumulation by the coupling between nuclear spins and the electron spin accumulation., Depuis la découverte de la magnétorésistance (MR) géante en 1988 par le groupe d'Albert Fert (prix Nobel de physique en 2007), le domaine de l'électronique de spin a connu un essor sans précédent, justifié par toutes les applications qu'elle permet d'envisager en électronique. Depuis une vingtaine d'années, il est question d'utiliser le degré de liberté de spin directement dans les matériaux semi-conducteurs avec le gros avantage par rapport aux métaux de pouvoir manipuler électriquement le spin des porteurs. L'électronique de spin dans les matériaux semi-conducteurs utilise pour coder l'information non seulement la charge des porteurs (électrons et trous), mais aussi leur spin. En associant charge et spin, on ajoute de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs de micro-électronique traditionnels. Le premier challenge consiste à contrôler l’injection et la détection d’une population de porteurs polarisés en spin dans les semiconducteurs traditionnels (Si, Ge). Pour cela, nous avons étudié des dispositifs hybrides de type MIS: Métal ferromagnétique/Isolant/Semi-conducteur qui nous permettent d'injecter et de détecter électriquement un courant de spin. La première partie de cette thèse concerne les dispositifs à 3 terminaux sur différents substrats qui utilisent une unique électrode ferromagnétique pour injecter et détecter par effet Hanle l’accumulation de spin dans les semi-conducteurs. Une amplification des signaux de spin extraits expérimentalement par rapport aux valeurs théoriques du modèle diffusif est à l’origine d’une controverse importante. Nous avons alors démontré que l’origine du signal de MR ou de l’amplification ne peut être expliquée par la présence de défauts dans la barrière tunnel. A l’inverse, nous prouvons la présence d’états d’interface qui peuvent expliquer l’amplification du signal de spin. De plus, la réduction de la densité d’états d’interface par une préparation de surface montre des changements significatifs comme la diminution du signal de spin. La deuxième partie de ces travaux concerne la transition vers les vannes de spin latérales sur semi-conducteurs. Dans ces dispositifs utilisant deux électrodes FM, le découplage entre l’injection et la détection de spin permet de s’affranchir des effets de magnétorésistance parasites car seul un pur courant de spin est détecté dans le semi-conducteur. Par une croissance d’une jonction tunnel ferromagnétique épitaxiée, nous avons démontré l’injection de spin dans des substrats de silicium et germanium sur isolant. En particulier nous observons un fort signal de spin jusqu’à température ambiante dans le germanium. Finalement, les prémices de la manipulation de spin par l’étude du couplage spin-orbite ont été étudiées dans les substrats d’arséniure de gallium et de germanium. En effet, nous avons induit par effet Hall de spin (une conséquence du couplage spin-orbite) une accumulation de spin qui a été sondée en utilisant la spectroscopie de muon. On démontre alors, à basse température, la présence de l’accumulation grâce au couplage entre les spins électroniques accumulés et les noyaux de l’arséniure de gallium.

International audience; We investigate the response of a GaAs PIN diode to sub-bandgap photons. We evidence and describe two regimes: a regime of degenerate two-photon absorption, with a quadratic dependence to the incident flux, and a sub-bandgap temperature depen-dant linear regime, described as a photo-assisted Shockley Read Hall effect.

International audience; It has been proposed for a long time now that the reduction of the thermal conductivity by reducing the phonon mean free path is one of the best way to improve the current performance of thermoelectrics. By measuring the thermal conductance and thermal conductivity of nanowires and thin films, we show different ways of increasing the phonon scattering from low temperature up to room temperature experiments. It is shown that playing with the geometry (constriction, periodic structures, nano-inclusions), from the ballistic to the diffusive limit, the phonon thermal transport can be severely altered in single crystalline semiconducting structures; the phonon mean free path being in consequence reduced. The diverse implications on thermoelectric properties will be eventually discussed.; Reduction du libre parcours moyen des phonons : de la physique des basses températures aux applications en thermoélectricitésthermoélectricitésà l'ambiante. Il a ´ eté proposé depuis longtemps maintenant que dimi-nuer la conductivité thermique en réduisant le libre parcours moyen des phonons est une des meilleures facons d'améliorer les performances actuelles des matériaux thermoélectriques. En mesurant la conductance thermique et la conductivité thermique de nanofils et de couches minces, nous montrons différentesmanì eres d'augmenter la diffusion des phonons des basses températures jusqu'` a température ambiante. Il est montré qu'en jouant sur la géométrie (constriction, structures périodiques, nano-inclusions), ` a partir de la limite balistique jusqu'` a la limite diffusive, le transport thermique phononique peutêtrepeutêtre de facon significative altéré dans des structures monocris-tallines semiconductrices ; le libre parcours moyen des phononsétantphononsétant réduit en conséquence. Enfin, les diverses implications sur les propriétés thermoélectriques seront discutées.

In recent decades, the water pollution has become a problem worldwide. Indeed, the strong growth in water demand due to population growth as well as industrial developments, agricultural and urban, generates huge amounts of waste water discharges. These are released into nature with or without treatment and may constitute a danger via the transmission of diseases as well as for irrigation of lands that are surrounding the site of release. The objective of this study is the treatment of aqueous waste through the use of a new technology "heterogeneous photocatalysis." This method is based on the use of a semiconductor irradiated by a light source of appropriate wavelength and is simple to implement and inexpensive. ZnO / Fe2O3 semiconductors, ZnO morphology "nanorods" and Mn2+ doped ZnO were synthesized and tested in various photocatalytic applications. The results showed an improvement in catalytic efficiency compared to the commercial ZnO. The developed materials can reduce the recombination of charges and, therefore, improve the photocatalytic activity when the degradation of chemical pollutants (salicylic acid, Orange II) and biological (bacteria) under solar irradiation. Furthermore, we have demonstrated recyclability of these catalysts without specific treatment. In the second part of our work, we studied the solar photocatalysis mechanism on a reference strain E. coli MG1655 using ZnO nanorods either in suspension or immobilized on an inert support. The results show a loss of cultivability of E. coli with damage essentially localized in cell membranes and proteins. The genetic material remaining intact. The response of three bacterial strains (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Salmonella enterica Typhi) to oxidative stress of photocatalysis showed differences can be attributed to morphology, metabolism and genetics of each strain. (Some strains can be reactivated after treatment). Studies performed on the strain Pseudomonas aeruginosa (ATCC 4114) show that there is a loss of cultivability but that the bacterium retains its ability to activate its virulence and characters after treatment, Ces dernières décennies, la pollution de l’eau est devenue un problème se posant avec insistance dans le monde entier. En effet, la forte croissance des besoins en eau due à l’accroissement démographique ainsi qu’aux évolutions industrielles, agricoles et urbaines, engendrent des quantités énormes de rejets d’eaux usées. Ces derniers sont déversés dans la nature avec ou sans traitement et peuvent constituer un danger via la transmission de maladies ainsi que pour l’irrigation des terres qui se trouvent aux alentours du site de rejet. L’objectif de cette étude est le traitement des rejets aqueux par l’utilisation d’une nouvelle technologie appelée « photocatalyse hétérogène ». Ce procédé est basé sur l’utilisation d’un semiconducteur irradié par une source lumineuse de longueur d’onde appropriée et est simple à mettre en œuvre et peu coûteux. Des semiconducteurs ZnO/Fe2O3, ZnO de morphologie « bâtonnets » et ZnO dopé Mn2+ ont été synthétisés et testés dans diverses applications photocatalytiques. Les résultats obtenus ont montré une amélioration de l’efficacité catalytique par rapport au ZnO commercial. Les matériaux développés permettent de réduire la recombinaison des charges et, par conséquent, d’améliorer l’activité photocatalytique lors de la dégradation des polluants chimiques (acide salicylique, Orange II) et biologiques (bactéries) sous l’irradiation solaire. De plus, nous avons démontré la recyclabilité de ces catalyseurs sans traitement particulier. Dans la seconde partie de notre travail, nous avons étudié le mécanisme de la photocatalyse solaire sur une souche de référence E. coli MG 1655 en utilisant les bâtonnets ZnO soit en suspension soit immobilisés sur un support inerte. Les résultats montrent une perte de cultivabilité de la bactérie E. coli avec des dommages essentiellement localisés au niveau membranaire et des protéines, le matériel génétique restant intact. La réponse de trois souches bactériennes (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa et Salmonella enterica Typhi) au stress oxydant de la photocatalyse a montré des différences pouvant être attribués aux différences morphologiques, métaboliques et génétiques des souches (certaines souches peuvent se réactiver après traitement). Des études réalisées sur la souche Pseudomonas aeruginosa (ATCC 4114) montrent qu’il y a une perte de cultivabilité mais que la bactérie conserve sa capacité de se réactiver ainsi que ses caractères de virulence après traitement

This thesis is focused on the digitalization of radio-frequency signal using optical clock, allowing a low time jitter compared to electronic clocks. A low jitter is a key factor for high performance sampling, as the clock commands the “gate” opening which extracts the signal samples at regular intervals. This thesis describes two original approaches: all-optical sampling and electro-optics one.An electro-optic gate is based on radio-frequency transmission strip-line carrying the electric signal. A discontinuity in this strip-line occurs which become conductive, thanks to the optical command provided by the clock, due to a photo-conductive material. Semiconductor alloys from the III-V groups are widely used thanks to the high mobility of the photo-generated carriers allowing a high “on” state. In particular, GaAs present a good “off” state due to its band-gap energy. However, this restrains the optical clock wavelength explaining the use of optical sources around 800 nm.In this thesis, the focus was made on using mode-locked lasers in the Telecom range, thus using the improvement made on these sources during the past decades, while keeping GaAs as the active material in the electro-optic sampler. This is made possible by exalting the efficiency of two-photon absorption, which is usually weak in common structures. The approach followed here is to use a photonic crystal cavity. Thanks to its high optical mode confinement, non-linear absorption becomes efficient enough to generated carriers to modify the resistivity of the material. In addition, the nano-structuration of the material reduce tremendously the carrier lifetime, owing to switch from an “on” to “off” state fast enough to sample high frequency signals.The same function has been studied in the case where the signal is not carried electrically but optically. The all-optical gate function is realized using two photonic crystal resonators coupled together. The carrier generation by two-photon absorption induces a spectral shift of the resonance, used to modulate the transmission of the device. A fast all-optical gate, enabling signal processing up to 50 GHz is demonstrated here. The gate only requires a control power of about 200 fJ per pulses, which is low enough to use integrated optical sources (laser diodes) and, thanks to the small footprint, be easily integrated., Cette thèse porte sur la numérisation de signaux hyperfréquences en utilisant une horloge optique, possédant une gigue temporelle très faible en comparaison des horloges électroniques. Une faible gigue est un facteur clé de l’échantillonnage à haute performance, car l’horloge commande l’ouverture d’une “porte” qui extrait les échantillons du signal à intervalles réguliers. Cette thèse décrit deux approches originales : l’échantillonnage purement optique et l’échantillonnage électro-optique.Une porte électro-optique se constitue d’une ligne coplanaire transportant le signal électrique. Cette ligne présente une discontinuité qui devient conductrice sur commande optique grâce à un matériau photoconducteur. Les alliages semi-conducteurs du groupe III-V sont souvent utilisés car la mobilité de ces porteurs photo-générés est suffisamment élevée, ce qui est favorable à une bonne conductivité à l’état “on”. Le GaAs, en particulier, présente l’avantage d’une conductivité faible à l’état “off” du fait de la largeur de la bande interdite électronique. Cela explique l’intérêt de ce matériau, cependant, cela impose aussi une contrainte sur la longueur d’onde de la source laser, expliquant l’utilisation de sources autour 800 nm.Dans cette thèse l’utilisation de sources laser à verrouillage de modes à fibre, développées dans le domaine des Télécoms, donc plus facilement accessibles, tout en gardant le GaAs comme matériaux actif est explorée. Cela est possible en exaltant l’efficacité de l’absorption à deux photons, effet faible dans la plupart des structures. L’approche suivie porte sur l’utilisation d’une cavité à cristaux photoniques. Le très fort confinement et le très faible volume occupé par le mode optique se traduit en une très forte absorption non linéaire. De plus, la nano-structuration du semi-conducteur réduit de manière considérable le temps de vie des porteurs, ce qui permet un retour suffisamment rapide à l’état “off”. L’étude se conclut par la démonstration de la fonction d’échantillonnage.La même fonction a été étudiée dans le cas ou le signal hyperfréquence se trouve sur une porteuse optique. La fonction porte “tout optique” est réalisée par un résonateur à cristaux photoniques. La génération de porteurs par absorption à deux photons induit un déplacement spectral de la résonance, ce qui est exploité pour moduler la transmission du dispositif. Une porte optique rapide, capable en principe de traiter des signaux dépassant les 50 GHz à été montrée. Cette porte requiert une puissance de commande de l’ordre de 200 fJ/impulsion, ce qui est suffisamment faible pour utiliser des sources lasers compactes (diode laser) et, de ce fait, outre sa très faible taille, peut être intégrée facilement.

The topics adressed in this manuscript deal with different uses of ion irradiation techniques for structuring and functionalizing materials. Two examples are more specifically addressed : semiconductor nanostructuration through surface self-organization process, and ordering magnetic FePt alloys, of interest for instance in magnetic data storage. New research ways address modern problems related to materials for solar energy These issues are explored with the help of optical spectrometry and ion irradiation. Firstly we studied silicon heterojunction solar cells and worked out the crystalline silicon surface passivation issue. Using ion irradiation, we introduce on purpose defects at the amorphous/crystal interface for studying the degradation of the electronic properties. We observed that moderate annealing after ion irradiation allows an improved robustness of the passivation up to 400°C. Another topic will concern defects engineering in hybrid perovskite materials with a double goal : a better understanding of the luminescence intrinsic mechanisms, intimately related to electronic processes, as well as a possible electronic doping effect through the control of point defects concentration. Therefore, my future research activities will concern the impact of defects on electronic properties and their contribution to materials science. The favored tools for that purpose will be ion irradiation and photoluminescence spectroscopy; Les thématiques abordées dans ce mémoire concernent différentes utilisations de l’irradiationionique pour la structuration et la fonctionnalisation des matériaux. Deux exemples sontplus particulièrement développés : nanostructuration des semi-conducteurs, en particulier dusilicium, par auto-organisation de surface, et mise en ordre d’alliages magnétiques FePt, d’intérêtpar exemple pour le stockage magnétique de l’information. Des perspectives sont dessinéesautour de la spectrométrie optique et de l’irradiation ionique à travers des thématiques trèsactuelles concernant les matériaux pour l’énergie solaire photovoltaïque. Nous nous sommesintéressés aux cellules solaires à hétérojonction a-Si :H/c-Si et à la question de la passivationde surface du silicium cristallin que nous avons pu aborder sous l’angle de l’irradiation ionique.Nous introduisons délibérément des défauts à l’interface amorphe/cristal pour étudierla dégradation des propriétés électroniques des cellules. Nous avons pu mettre en évidence uneffet intéressant des recuits à température modérée (250-400°C) qui permettent d’améliorer lapassivation du c-Si et sa tenue en température. Une autre approche concerne l’ingéniérie desdéfauts dans les perovskites hybrides avec un double objectif : une meilleure compréhensiondes mécanismes intrinsèques de luminescence, et donc des propriétés électroniques, ainsi qu’unpossible effet de dopage électronique de ces matériaux. L’orientation qui se dessine donc pourmes futures activités de recherche concernera le rôle des défauts et leur apport en science desmatériaux. Les outils privilégiés seront l’irradiation ionique et la spectrométrie de photoluminescence.

Based on atomic force microscope (AFM), scanning capacitance microscopy (SCM) and scanning spreading resistance microscopy (SSRM) have demonstrated high efficiency for two dimensional (2D) electrical characterizations of Si semiconductors at nanoscale and then have been extensively employed in Si-based structures/devices before being extended to the study of some other semiconductor materials. However, ZnO, a representative of the third generation semiconductor material, being considered a promising candidate for future devices in many areas, especially in opto-electronic area, has rarely been addressed. Recently, extensive research interests have been attracted by ZnO NWs for future devices such as LED, UV laser and sensor. Therefore, a good understanding of electrical properties of the NWs is in need. In this context, this thesis work is dedicated to the 2D electrical characterization of ZnO NWs with the focus of carrier profiling on this kind of nanostructure in the effort of their p-type doping. For this purpose, a planarization process has been developed for the NWs structure in order to obtain an appropriate sample surface and perform SCM/SSRM measurements on the top of the NWs. For quantitative analysis, Ga doped ZnO multilayer staircase structures were developed serving as calibration samples. Finally, residual carrier concentrations inside the CBD and MOCVD grown ZnO NWs are determined to be around 3×10^18 cm^-3 and 2×10^18 cm^-3, respectively. The results from SCM/SSRM characterization have been compared with that from macroscopic C-V measurements on collective ZnO NWs and the differences are discussed. In addition to carrier profiling on NWs structure, applications of SCM/SSRM on some other ZnO-based nanostructures are also investigated including ZnO:Sb films, ZnO/ZnO:Sb core-shell NWs structure, ZnO/ZnMgO core-multishell coaxial heterostructures., Ce travail de thèse porte sur l'application des techniques Scanning Capacitance Microscopy (SCM) et Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM) pour la caractérisation électrique de nanofils de ZnO avec l'objectif d'en déterminer le dopage par profilage des porteurs libres suite à des essais de dopage de type p. Afin de pouvoir utiliser un référentiel planaire nécessaire à ces mesures par sonde locale, un procédé de remplissage par dip-coating et de polissage a été spécialement développé sur des champs de nanofils quasi-verticaux. De plus, dans le but de parvenir à un étalonnage des mesures SCM et SSRM, nous avons conçu et fait fabriquer des échantillons étalons de dopage de type n, contenant des niveaux de Ga en escalier de densité variable de 2×10^17 à 3×10^20 cm^-3. Les mesures sur des coupes transversales de ces deux de structures multicouches ont permis, pour la première fois sur ZnO d'établir un étalonnage des mesures SCM et SSRM et de déterminer le dopage intrinsèque électriquement actif de couches 2D nanométriques, résultat difficilement atteignable par d'autres techniques d'analyse. Des résultats inattendus de concentration résiduelle de porteur de l'ordre de 2×10^18 et 3×10^18 cm^-3 ont été trouvés sur les nanofils de ZnO crus par MOCVD et par CBD respectivement. Outre la caractérisation électrique microscopique des nanofils par SCM et SSRM, des techniques macroscopiques classiques ont été utilisées pour caractériser des assemblées importantes de nanofils de ZnO. L'origine de la difference entre les résultats de deux genres de technique a été discutée. Nous avons aussi étudié les effets des dopages ex-situ par diffusion du phosphore (procédé SOD) et des dopages in situ par incorporation d'antimoine (Sb) pendant la croissance MOCVD. Les résultats majeurs sont obtenus pour l'antimoine, en utilisant des couches ZnO: Sb 2D et des nanofils cœur-coquille ZnO/ZnO: Sb, ou l'hypothèse d'une compensation partielle du dopage n résiduel par un centre accepteur créé par le dopage Sb semble pouvoir être établie raisonnablement.

Synchrotron photoluminescence imaging has emerged as a promisingmethod to study heterogeneous materials,composed of inorganic and organic compounds as those in ancient materials sciences.During this Ph.D., we have further developed the existing photoluminescencemicroscopy set-up of the DISCO beamline at the SOLEIL synchrotron, to identify new photoluminescence markers that allow characterizing physico-chemical processes taking place during the manufacturing or alteration processes of ancient materials. This work led to the development of an optimized multi-spectral microscopy set-up. The optical development of an homogeneous illumination, the optimisation of detection and the radiometric calibration of the set-up led to quantitative photoluminescence images. This set-up has been optimized to respond at best to archaeological and cultural heritage questions with a topological, chemical, electronic and crystalline analysis. Those new instrumental developments were tested on real systems made of wide-bandgap semiconductors. By studying historical artists' pigments composed of zinc oxide (ZnO), we have shown that the photoluminescence properties allow discriminating homogeneous pigments at macro-scale from the heterogeneity oh the photoluminescence response at the grain scale. Two copperbasedarchaeological artefacts and a bronze slag were studied. Particularly, the study of cuprous oxide (Cu2O) pointed out the considerable interest of multi-spectral photoluminescence analysis to retrieve the operational sequence of metallurgy and to provide new information for a better understanding of alteration processes.This work demonstrated the potential of this new methodology and the interest to develop such a method for ancient materials, that are characterized by a strong heterogeneity at successive scales., L'imagerie de photoluminescence synchrotron apparaît comme uneméthode particulièrement prometteuse pour l’étude de matériaux hétérogènesmêlant composés minéraux et organiques, comme ceux des sciences des matériaux anciens.Au cours de ce travail de thèse, nous avons développé le dispositif de microscopie de photoluminescence existant de la ligne DISCO du synchrotron SOLEIL afin d’identifier de nouveaux marqueurs de photoluminescence permettant de caractériser des processus physico-chimiques intervenant pendant la fabrication ou l’altération des matériaux anciens. Ces travaux ont conduit au développement d'un système de microscopie multi-spectrale optimisé. Le développement optique d'une illumination homogène, l’optimisation de la détection et la calibration radiométrique du dispositif ont mené à l’obtention d’images de photoluminescence quantitatives.Ce dispositif a été optimisé pour répondre au mieux à des problématiques archéologiques et patrimoniales avec une analyse topologique, chimique et des structures électronique et cristalline. Ces nouveaux développements ont été testés dans le cadre de systèmes d’étude réels composés de semi-conducteurs à grand gap. En étudiant des pigments d’artiste historiques composés d’oxyde de zinc (ZnO), nous montrons que les propriétés de photoluminescence du ZnO permettent de discriminer des pigments homogènes à macro-échelle, par l’hétérogénéité de photoluminescence à micro-échelle. Deux artefacts archéologiques en alliage de cuivre et un résidu en bronze ont été étudiés. L’étude en particulier du Cu2O en microscopie de photoluminescence multi-spectrale a mis en évidence l’apport de l’analyse par photoluminescence pour reconstruire la chaîne opératoire de métallurgie et apporter de nouvelles informations dans la compréhension des processus d’altération.Ces travaux ont démontré le potentiel de cette nouvelle méthodologie etl’intérêt de développer une telle approche au champ d’application desmatériaux anciens, matériaux présentant une forte hétérogénéité sur plusieurséchelles successives.

The paper describes ageing mechanisms of the metallization layer deposited on the chips of power semiconductor devices, and the effects of its ageing on the electrical characteristics of a COOLMOSTM Transistor. We have tried to link the changes in electrical performances to the metallization degradation, in order to better understand the origin of the physical mechanisms of ageing and the effects of the degradation of the metallization layer on electrical performances of tested devices.

Ces dernières années, un nombre accru de travaux de recherche ont été menés pour le développement de dispositifs optoélectroniques et électroniques à base de ZnO. La conception de ces dispositifs nécessite une maîtrise totale des processus de synthèse et de dopage car ils en déterminent les propriétés électriques et optiques finales. Aujourd’hui encore, l'un des obstacles majeur à la réalisation de tels dispositifs réside dans la difficulté d’obtenir un dopage de type-p dans le ZnO. Il faut pour cela des techniques de caractérisation pouvant fournir des informations directes sur la distribution des dopants. Dans ce travail de thèse, la sonde atomique tomographique (SAT), a été utilisée afin d’étudier l’incorporation de dopants dans des films minces et des nanofils de ZnO. Deux types de dopage ont été étudiés. Des dopages de type-p de nanofils de ZnO ont été entrepris par deux techniques différentes : l’une ex-situ, par diffusion thermique après élaboration des nanofils et l’autre, in-situ, par incorporation durant la croissance. Bien qu’une incorporation homogène des dopants ait été obtenue, les nanofils présentent une conductivité de type-n. Des dopages avec des éléments de terres rares (TR) ont également été étudiés pour améliorer les propriétés optiques des couches minces de ZnO. Il a été montré que les traitements thermiques influencent fortement les propriétés optiques des ZnO:TR. L’analyse en SAT a montré que les recuits ont peu d’influence sur la distribution des dopants. Cette étude montre que les propriétés électriques et optiques du ZnO sont très sensibles aux paramètres d’élaboration et de post-traitement mais que les plus pertinents sont encore à découvrir., In recent years, an increasing number of research studies has been conducted for the development of optoelectronic and electronic devices based on ZnO. The design of these devices requires a total control of synthesis and doping process as they determine the final electrical and optical properties. Today, one major obstacle in achieving such devices is the difficulties of obtaining a p-type ZnO. Achieving this requires proper characterization techniques that can provide direct information about the distribution of dopants. In this thesis, atom probe tomography (APT) has been used to study the incorporation of dopants in ZnO thin films and nanowires. Two types of doping were studied. P-type doping of ZnO nanowires were attempted by two different techniques: one ex-situ process through thermal diffusion into undoped nanowire and the other one through an in-situ incorporation during the wire growth. It was shown that despite the fact that a homogeneous incorporation of dopants was achieved, the doped nanowires showed n-type conductivity. Doping with rare earth elements (RE) was also studied in order to improve the optical properties of ZnO thin films. It has been shown that heat treatments strongly influence the optical properties of the doped thin layers. Analysis by APT has revealed a slight influence of heat treatments on the distribution of dopants. This study shows that the electrical and optical properties of ZnO are strongly dependent on the elaboration and annealing parameters but the most relevant parameter are yet to be discovered.

Computer-aided design (CAD) is widely used in the semiconductor industry for the design and analysis of individual components whose study is to solve the drift-diffusion equation and the Poisson equation. The nonlinear characteristic of these equations request interactive digital solutions. The diagram Scharfetter-Gummel is conventionally used to discretize the non-degenerate drift-diffusion equation (or equation Schockley) to simulate particle transport phenomena "electrons and holes" in a semiconductor. Initially this method was applied to a one-dimensional domain. Subsequently, this method was extended to the two-dimensional problem on the basis of a rectangular mesh. So the aim of this thesis is to implement a VHDL-AMS diode model based on the discretization using the Scharfetter-Gummel method. The VHDL-AMS (Hardware Description Language - Analog Mixed Signal) is a behavioral description language for analog and mixed circuits. Inspired by its equivalent for logic circuits, VHDL, VHDL-AMS would be an extension. Since the VHDL-AMS is high level, this will allow us to model the behavior of physical systems, electrical, mechanical or otherwise. Meanwhile VHDL-AMS can create modules, called "entities". These are defined by their external ports (which are an interface with other architectures or entities) and by mathematical equations. The ability to use mathematical relationships directly in the description of the model gives us great flexibility. Like all analog behavioral description languages, VHDL-AMS is initially dedicated to the modeling of the type "high level" as the modeling of complete electronic systems. The use of such a language in order to achieve a diode model thus constitutes an alternative to the latter. Due to the large number of node it is necessary to generate the VHDL-AMS code from a Matlab-based interface. The results obtained by this method will be compared with others from various softwares. The model design will aim: - Match the specifications originally drawn by designers and in order to allow them to highlight the different characteristics of the modules. - Easily Simulate integration and / or the component adequacy in a given system - Be designed so that it is used in more complex components. -Finally We plan to conduct experimental measures in order to verify the accuracy of our model.; La conception assistée par ordinateur (CAO) est largement utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs pour la conception et l’analyse des différents composants dont l’étude consiste à résoudre l'équation de dérive-diffusion et l’équation de Poisson. La caractéristique non linéaire de ces équations demande des solutions numériques interactives. Le schéma de Scharfetter-Gummel est utilisé classiquement pour discrétiser l'équation de dérive-diffusion non dégénérée (ou équation de Schockley) pour simuler les phénomènes de transport des particules «électrons et trous» dans un semi-conducteur. Initialement cette méthode a été appliquée à un domaine unidimensionnel. Par la suite, cette méthode a été étendue au problème bidimensionnel sur la base d'un maillage rectangulaire. L’objectif donc de cette thèse serait d’implanter un modèle de diode par VHDL-AMS basé sur la discrétisation selon la méthode Scharfetter-Gummel. Le langage VHDL-AMS (Hardware Description Language – Analog Mixed Signal) est un langage de description comportemental pour les circuits analogiques et mixtes. Inspiré de son équivalent pour les circuits logiques, le VHDL, VHDL-AMS serait donc une extension. Etant donné que le langage VHDL-AMS est de haut niveau, ceci nous permettra de modéliser le comportement de systèmes physiques, électriques, mécaniques ou autres. Parallèlement VHDL-AMS permet de créer des modules, appelés « entités ». Ceux-ci sont définis par leurs ports externes (qui sont une interface avec les autres architectures ou entités) et par des équations mathématiques. La possibilité d’utiliser directement des relations mathématiques lors de la description du modèle nous donne une grande souplesse d’utilisation. Comme tous les langages de description comportementale analogique, VHDL-AMS est initialement dédié à la modélisation de type « haut niveau », tel que la modélisation d’un système électronique complet. L’utilisation d’un tel langage afin de réaliser un modèle de diode, constitue donc une alternative de ce dernier. En raison du grand nombre de nœud il est nécessaire de générer le code VHDL-AMS à partir d'une interface de type java. Les résultats obtenus par cette méthode seront comparés avec d'autres obtenus par différents autres logiciels. Le modèle à concevoir aura comme objectif : - Correspondre aux spécifications initialement tracés par les concepteurs et ceci afin de leur permettre de mettre en évidence les différentes caractéristiques des modules. - Simuler facilement l'intégration et/ou l'adéquation du composant dans un système donné - être conçus de sorte qu'il soit utilisé dans des composants plus complexes.

EPE'15 ECCE-Europe, 2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications, Geneve, SUISSE, 09-/09/2015 - 10/09/2015; Thermal characterizations inside power device crystal are required for failure analyses physic of power electronic devices. We have succeeded to keep power devices functional after cross section. We use Raman spectroscopy to map temperature and mechanical stress distributions on cross-sections of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) devices in forward bias conditions with spatial resolution up to 500nm. Temperature and stress contributions on Raman diffusion were deconvoluted fitting Full Width at Half Maximum (FWHM) and position of the Stokes peak. For the first time, it was possible to quantify experimentally temperature and stress evolutions in the Si bulk during operation. These results give experimental data on thermo-mechanical coupling in power devices. We have also compared stress measurements in unbiased condition with numerical models made with finite elements under ANSYS with a focus on IGBT elementary cell areas.

EPE'15 ECCE-Europe, 2015 17th European Conference on Power Electronics and Applications, Genève, SUISSE, 08-/09/2015 - 10/09/2015; Temperature sensitive electrical parameters allow junction temperature measurements on power semiconductors without modification to module packaging. The peak gate current has recently been proposed for IGBT junction temperature measurement and relies on the temperature dependent resistance of the internal gate resistor. In this paper, infra-red measurements are used to evaluate the validity of this method. Temperature measurements are made on IGBTs operating under steady state power dissipation. The peak gate current is found to provide a temperature slightly overestimating the temperature of the gate pad. Consequently, a consideration of chip geometry and location of the gate pad is required before interpreting temperature data from this method. Results are also compared with a traditional electrical temperature measurement method: the voltage drop under low current.

This thesis deals with fundamental issues related to phonons in hot-carrier solar cells, athird generation photovoltaic technology. This concept aims at extracting photogeneratedcharge carriers before their reach a thermal equilibrium with the lattice, and exhibits a the-oretical efficiency close to thermodynamic limit. One of the main issue is to hinder carriercooling, which occurs through LO-phonon emission. In addition to the idea of screeningthe electron-phonon interaction, one approach consists in designing an absorber in which theLO-phonon has an intrinsic lifetime longer than what it is in conventional materials, en-hancing the rate of its reabsorption by the carriers. The LO-phonon decay and lifetimeis first investigated in semiconductors within density functional perturbation theory. Spe-cific criteria for relevant absorbing materials choosing, from a phonon point of view, arederived. A full study of the LO-phonon lifetime is performed on a singular material, andthe possibility to achieve the sufficient phononic requierements is discussed. Secondly, theabove-mentioned electron-phonon interaction is modelled in superlattices. The couplingstrength is related to the LO-phonon induced macroscopic electric field, which allows tostudy the directional dependence of the phonon emission. The latter reveals to differentlyaffect the dimensionality of the electronic and phononic interacting populations. Thisstudy calls for development of these structure in the framewok of hot-carrier solar cells., Cette thèse traite des problématiques fondamentales liées aux phonons dans le cadre des cellules solaires à porteurs chauds. Ce concept appartient aux technologies photo-voltaïques dites de troisième génération, et vise à l’extraction des porteurs de chargesphotogénérés non-encore à l’équilibre thermique avec le réseau cristallin, conduisant àun rendement théorique maximum de l’ordre de la limite thermodynamique. Un des enjeuxmajeurs est ainsi le ralentissement du refroidissement des porteurs, refroidissement qui setraduit principalement par l’émission de phonon LO via l’interactions électron-phonon.En plus de l’idée d’écranter ce dernier processus, une approche consiste à concevoir unmatériau absorbeur dans lequel le phonon LO présente un temps de vie intrinsèque pluslong qu’il ne l’est dans les matériaux classiques, favorisant ainsi sa réabsorption par lesporteurs. Dans une première partie, et utilisant la théorie de la fonctionnelle densité per-turbée, la décoposition du phonon LO est étudiée en terme d'états finaux disponibles. Suit une discussion sur le calcul du temps de vie de ces phonons, et sur la possibilité d’atteindre les critères phononiques définis comme suffisants. Dans une deuxième partie, une étude de l’interaction électron-phonon est menée dans les super-réseaux. La constante de couplage est reliée au champ électriquemacroscopique induit par le phonon LO, de sorte à pourvoir précisément rendre compte deson anisotropie. Il apparaît que la dimensionalité des populations électroniques et phononiques est différemment affectée. Cette étude appelle à développer l’analyse de ce type de structure dans le cadre des cellules à porteurs chauds.

Nous avons étudié la cohérence excitonique dans le poly[N- 9’-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole] (PCDTBT). À l’aide d’un modulateur spatial de lumière, nous avons forgé des impulsions lasers ultracourtes permettant de sonder les cohérences du système. Nous nous sommes concentrés sur les propriétés cohérentes des états excitoniques, soit le singulet et l’état à transfert de charge. Nous avons observé que 35 fs après l’excitation, le singulet et l’état à transfert de charge sont toujours cohérents. Cette cohérence se mesure à l’aide de la visibilité qui est de respectivement environ 10% et 30%. De plus, nous avons démontré que les mécanismes permettant de générer du photocourant dans de tels dispositifs photovoltaïques ne sont déjà plus cohérents après 35 fs. Ces mesures révèlent une visibilité inférieure à 3%, ce qui est en deçà de la précision de nos instruments. Nous concluons donc que les états à transfert de charge ne sont pas les états précurseurs à la génération de photocourant, car ceux-ci se comportent très différemment dans les mesures de cohérences., We have studied the excitonic coherences in poly[N- 9’-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole] (PCDTBT). Using a spacial light modulator, we shaped ultrafast laser pulses allowing us to probe the system’s coherences. We focused our strength on studying coherences of excitonic states : the singlet and the charge transfer state. We have observed that that 35 fs after excitation, these states are still coherent. This coherence is measured via the visibility that is of abot 10% and 30% respectively. Furthermore, we have shown that the coherence in states generating photocurrent has already vanished after 35 fs. Our data reveals a visibility smaller than 3%, which is lower our instruments resolution. We therefore conclude that the charge transfer states are not precursor states to photocurrent generation, because of their different visibility behavior.

The demand to produce reliable THz detectors and emitters has lead to a signicant improvement of the Quantum Cascade Lasers (QCLs). First demonstrated in 1994 in the mid-infrared range, these unipolar semiconductor lasers are one of the most promising photonic sources for THz emission. Nevertheless, various optical loss phenomena limit their performances and the improvement of these devices is intensively researched. Among the possible loss sources, the Free Carrier Absorption (FCA), that arises from intra- and inter-subband oblique transitions activated by any disorder source destroying the translational invariance in the layer plane, has to be accurately modeled. FCA is well documented for bulk materials where the semiclassical Drude model can be used. For QCLs, this model predicts FCA coefficients that are comparable or larger than the actual QCL gains. This work presents a quantum modeling of FCA in quantum cascade structures following two theoretical approaches : a perturbative expansion at the first order in the disorder potential and a numerical diagonalization of Hamiltonian in presence of disorder. These calculations show that FCA is very small in QCLs and radically differs from the semiclassical Drude result. Moreover, they point out the different contributions to the absorption spectrum and the possibility of ajusting the absorption linewidth and lineshape by dopant engineering. Important disorder-induced localization effects have been identified as well as their non negligible influence on the electronic scattering rates., La demande croissante de dispositifs photoniques dans la gamme térahertz (THz) a conduit au développement des Lasers à Cascade Quantique (LCQ). Réalisés en 1994 dans l'infrarouge moyen, ces lasers unipolaires à semiconducteurs comptent désormais parmi les sources les plus prometteuses pour l'émission THz. Néanmoins, de nombreux phénomènes de pertes optiques limitent leurs performances et l'optimisation de ces dispositifs demeure d'actualité. Parmi les sources de pertes, l'absorption par porteurs libres, qui résulte de transitions intra- et inter-sousbande obliques activées par toute source de désordre brisant l'invariance par translation dans le plan des couches, doit être précisément modélisée. Ce processus est bien documenté pour les matériaux massifs où le modèle semi-classique de Drude peut être appliqué. En revanche, pour les LCQ, celui-ci prédit des coefficients d'absorption supérieurs aux réels gains laser. Ce travail de thèse expose un modèle quantique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique suivant deux approches théoriques différentes : un développement perturbatif au premier ordre du potentiel de désordre et une diagonalisation numérique du Hamiltonien du système désordonné. Ces travaux montrent que l'absorption par porteurs libres est très faible et diffère radicalement du résultat semi-classique. Ils font également l'analyse des différentes contributions au spectre d'absorption ainsi que la possibilité d'ajuster la forme et la largeur de raie par ingénierie de dopage. D'importants effets de localisation spatiale des états électroniques par le désordre et leur influence sur les taux de diffusion ont également été étudiés.

This thesis work is a contribution to the investigation by photoluminescence spectroscopy of the spin properties of III-V semiconductors with possible applications to the emerging semiconductor spintronics field. Two approaches have been explored in this work to achieve a long and robust spin polarization: i) Spatial confinement of the carriers in 0D nanostructured systems (quantum dots). ii) Defect engineering of paramagnetic centres in a bulk systems. Concerning the first approach, we have investigated the polarization properties of excitons in nanowire-embedded GaN/AlN quantum dots. We first evidence a low temperature sizeable linear polarization degree of the photoluminescence (~15 %) under quasi-resonant excitation with no temporal decay during the exciton lifetime. Moreover, we demonstrate that this stable exciton spin polarization is unaffected by the temperature up to 300 K. A detailed theoretical model based on the density matrix approach has also been developed to account for the observed polarization degree and its angular dependence.Regarding the second approach, we have demonstrated a proof-of-concept of conduction band spin-filtering device based on the implantation of paramagnetic centres in InGaAs epilayers. The principle relies on the creation of Ga interstitial defects as previously demonstrated in our group in dilute nitride GaAsN compounds. The driving force behind this work has been to overcome the limitations inherent to the introduction of N in the compounds: a) The dependence of the photoluminescence energy on the spin-filtering efficiency. b) The lack of spatial patterning of the active regions.In this work we show how the spin-filtering defects can be created by ion implantation creating a chosen density and spatial distribution of gallium paramagnetic centers in N-free epilayers. We demonstrate by photoluminescence spectroscopy that spin-dependent recombination (SDR) ratios as high as 240 % can be achieved in the implanted areas. The optimum implantation conditions for the most efficient SDR are also determined by the systematic analysis of different ion doses spanning four orders of magnitude. We finally show how the application of a weak external magnetic field leads to a sizable enhancement of the SDR ratio from the spin polarization of the implanted nuclei; Ce travail de thèse est une contribution à l'étude de la dynamique de spin des porteurs dans des structures semiconductrices III-V en vue d’applications possibles dans le domaine émergent de la spintronique dans les semiconducteurs. Deux approches différentes on été envisagées afin de pouvoir obtenir une polarisation en spin des porteurs longue et robuste : i) le confinement spatial dans des nano-structures 0D (boîtes quantiques), ii) l’ingénierie des centres paramagnétiques dans des couches massives.Pour la première approche, nous avons étudié les propriétés de polarisation de spin d’excitons confinés dans des boîtes quantiques de GaN/AlN insérées dans des nano-fils. Nous avons d’abord mis en évidence un taux important de polarisation de la photoluminescence (15 %) à basse température sous excitation quasi-résonante et nous avons démontré que cette polarisation est temporellement constante pendant la durée de vie des excitons. Grâce à des mesures en température, nous avons aussi démontré que cette polarisation n’est aucunement affectée jusqu’à 300 K. Nous avons aussi développé un modèle détaillé basé sur la matrice densité pour décrire le dégré de polarisation de la photoluminescence et sa dépendance angulaire.Pour la deuxième approche, nous avons réalisé un dispositif prototype de filtrage de spin basé sur l’implantation de centres paramagnétiques dans des couches massives de InGaAs. Le principe repose sur la création de défauts interstitiels paramagnétiques comme précédemment démontré dans notre groupe pour les nitrures dilués tels que GaAsN. Le but de ce travail a été le développement d’un procédé de création de ces défauts qui puisse surmonter les inconvénients liés à l’insertion de l’azote dans les semiconducteurs de type GaAs : a) la dépendance de l’efficacité du filtrage de spin avec de l’énergie de photoluminescence, b) l’impossibilité de créer des zones actives avec des motifs spécifiques.Dans ce travail, nous démontrons que des régions actives de filtre à spin peuvent être créées par implantation ionique de défauts paramagnétiques avec une densité et des motifs spatiaux prédéfinis. Grâce à des études par photoluminescence, nous avons d’une part mis en évidence des taux de recombinaison dépendant en spin pouvant aller jusqu’à 240 % dans les zones implantées. D’autre part, nous avons déterminé la dose d’implantation la plus favorable grâce à une étude systématique sur différents échantillons implantés avec des densités ioniques étendues sur quatre ordres de grandeurs. Nous avons également observé que l’application d’un champ magnétique externe produit une augmentation significative du taux de recombinaison dépendant en spin due à la polarisation en spin des noyaux implantés

Spintronics of semiconductors aims at using carrier spins as supplementary means of information transport. Thiswould lead to components showing extended functionalities. This thesis work is dedicated to the study of injectionand manipulation of electron spin in semiconductors, which are the basis of any spintronic application. In a first stepwe demonstrate the high efficiency of CoFeB/MgO/GaAs - based spin injectors. Circular polarization degrees of electroluminescence over 20% are measured on spin polarized LEDs (SpinLEDs) at 0.8 T and 25 K. Comparison betweensputtering- and MBE- grown spin injectors has shown similar results. In both case, spin injection efficiency is increasedby thermal annealing of the sample, in the range 300 − 350◦C. Indeed, annealing improves the quality of CoFeB/MgOinterface, and induces the crystallization of CoFeB above 300◦C. A higher stability of spin injection with current injectionis found when the tunnel barrier is grown by sputtering. This is due to the MgO/GaAs interface characteristicswhich is related to the growth technique. In a second step, we demonstrate spin injection without external appliedmagnetic field, through an ultra-thin (a few atomic layers) CoFeB electrode, taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy of the layer which leads to a remanant magnetization along the growth axis. For the first time in this configuration, circular polarization degrees of electroluminescence of about 20% are measured at 25 K at zero magnetic field. In a third step, due to the crucial role it may play in electrical injection, electron spin dynamics in high energy L-valleys is investigated. Using polarization resolved excitation photoluminescence in the range 2.8-3.4 eV, we observe that a fraction of photogenerated spin polarization is preserved when electrons are scattered hundreds of meV down to Γ valley. Spin relaxation time in L valleys is estimated to 200 fs. Finally we investigate electron and spin properties of GaAsBi dilute bismide alloy. We observe that the bandgap energy is reduced by 85meV/%Bi when Bi element is introduced into GaAs matrix. Moreover, the electron Land´e factor is about twice the one in GaAs for a 2.2% Bi composition. These features are evidence of the strong perturbation of host states and spin-orbit interaction enhancement; La spintronique dans les semiconducteurs vise à utiliser le spin de l’électron comme degré de liberté supplémentaire (en plus de la charge électrique) afin de véhiculer l’information, ce qui permettrait la mise au point de composants intégrant de nouvelles fonctionnalités. Ce travail de thèse porte sur deux étapes importantes qui doivent être maîtrisées : l’injection électrique de porteurs polarisés en spin dans les semiconducteurs III-V, et la manipulation du spin de l’électron (par champ magnétique) dans ces matériaux optimisés. Dans un premier temps, la grande efficacité des injecteurs de spin à base de CoFeB/MgO/GaAs est démontrée dans des dispositifs de type Diodes Electroluminescentes polarisées en spin (SpinLEDs). La comparaison entre des injecteurs comprenant une barrière tunnel fabriquée soit par pulvérisation cathodique, soit par épitaxie par jets moléculaires (MBE), permet de montrer que ces deux techniques donnent des résultats comparables. Dans les deux cas, l’efficacité de l’injection est améliorée par un recuit de l’échantillon autour de 300−350◦C. Le recuit induit une amélioration de la qualité de l’interface CoFeB/MgO. De plus, l’efficacité de l’injection de spin n’est stable en fonction du courant injecté que lorsque la barrière tunnel est fabriquée par pulvérisation cathodique. Ceci est dˆu aux caractéristiques de l’interface MgO/GaAs qui diffèrent selon la technique de croissance de la barrière. Dans un deuxième temps, l’injection de spin en l’absence de champ magnétique externe appliqué est réaliséegrâce à un nouveau type d’injecteur constitué d’une électrode de CoFeB ultrafine présentant une aimantation rémanente de la couche le long de l’axe de croissance de l’échantillon. Pour la première fois des taux de polarisation circulaire de l’électroluminescence de l’ordre de 20% sont mesurés à 25 K à champ magnétique nul. Ensuite, la problématique de la relaxation de spin des porteurs injectés dans les vallées L de haute énergie dans GaAs (phénomène non négligeable sous injection électrique) est également traitée. Nous observons qu’une fraction de la mémoire du spin photogénéré en L est conservée lorsque les électrons sont diffusés vers la vallée Γ, malgré une relaxation d’énergie de plusieurs centaines de meV. Le temps de relaxation de spin dans les vallées L est estimé autour de 200 fs. Enfin, nous avons exploré le matériau GaAsBi dilué (x ∼ 2.2%) dont la perturbation de la matrice par l’élément Bi permet d’attendre des propriétés électroniques et de spin fortement modifiées. Des mesures de photoluminescence ont mis en évidence une diminution de l’énergie de bande interdite de l’ordre de 85meV/%Bi. De plus, par la mesure directe des battements quantiques de la polarisation de photoluminescence nous avons déterminé un facteur de Landé des électrons de conduction de l’ordre de deux fois supérieur à celui de GaAs. Ces résultats témoignent de la forte perturbation des états de valences et de l’augmentation de l’interaction spin-orbite

This report focuses on the fabrication of GaAs nanowires and GaAs/AlGaAs core-shellstructures by molecular beam epitaxy, deposited on Si (111) substrates in order to providearrays of wires for innovative solar cells and bottom-up photonic wires for efficient singlephoton emitters.The first part of this work is a systematic study of the key parameters which control the onedimensionalgrowth of bare GaAs NWs with a self-assisted vapor-liquid-solid growth process,namely the As-to-Ga flux ratio, the substrate temperature, and the deposition rate.The second part concentrates on the growth and characterization of GaAs wires covered with ashell of AlGaAs alloy (35 % Al) in order to get rid of the surface recombinations. These shellswere fabricated under As-rich condition with ratio As/Ga >10 in order to consume the Gadropletscompletely and to promote a radial growth. The obtained axial-to-radial growth ratio is6. The optical characterizations on ensemble were carried out at low temperature via thecathodoluminescence (CL), photoluminescence (PL), and time-resolved PL measurements. Theresults show that the lifetime of carriers and luminescence intensity increase significantly withshell coverage. About 7 nm thick shell is enough to optimize the passivation and suppress thesurface state recombination. A thin outer cap of GaAs is required in order to prevent someoxidation of the AlGaAs alloy shell.In addition, the exciton diffusion lengths of these NWs, studied via the spatially resolved CL,are in the range of 0.7 - 1.5 μm for NWs with shell thicknesses between 20 - 50 nm. Thesevalues are smaller for thicker shells due to the defect formation, leading to limit the quality ofcore-shell interface. The shift in optical emission experiments provides the information of thestrain generation of core-shell when we vary the shell thickness. The piezoelectric field wasnoticed in these samples., Ce travail a pour objectif la fabrication, en épitaxie par jets moléculaires, de nanofils coeurcoquilleà base de GaAs et AlGaAs déposés sur des substrats Si(111), en vue de réaliser desréseaux de fils pour de nouvelles cellules solaires, et pour des fils photoniques permettant uneapproche bottom-up d’émetteurs de photons uniques.La première partie de ce travail est une étude systématique des paramètres clés qui contrôlent lacroissance uni-dimensionnelle de fils GaAs élaborés par un mécanisme vapeur-liquide-solideauto-catalysé, à savoir le rapport des flux As/Ga, la température du substrat, et la vitesse decroissance.La seconde partie se concentre sur la croissance et la caractérisation de fils GaAs recouvertsd’une coquille d’alliages AlGaAs (35% Al) afin de s’affranchir des recombinaisons de surface.Ces coquillesde AlGaAs sont fabriquées en conditions riche-As (rapport As/Ga > 10) afin deconsommer les gouttes de catalyseur gallium et de promouvoir une croissance radiale (le taux decroissance maximal axial/radial est égal à 6). Diverses caractérisations optiques sont réalisées àbasse température sur ces ensembles de fils : cathodoluminescence, photoluminescence etspectroscopie résolue en temps. L’intensité de luminescence et la durée de vie des porteursaugmentent fortement avec la présence de la coquille : une épaisseur de 7 nm de cette dernièreest suffisante pour optimiser la passivation des nanofils et supprimer les recombinaisons liéesaux états de surface. Une fine couche extérieure de GaAs est nécessaire pour éviter touteoxydation de la coquille d’alliage AlGaAs.De plus, grâce à des mesures de CL résolues spatialement, les longueurs de diffusion desexcitons dans ces fils ont été obtenues, allant de 0.7 μm à 1.5 μm pour des épaisseurs decoquilles comprises entre 20 et 50 nm. Des valeurs plus petites sont mesurées pour des coquillesplus épaisses, ce qui tend à montrer l’introduction de défauts dans l’alliage qui pourraientlimiter la qualité de l’interface. Le décalage en énergie de l’émission fournit des informationssur la génération de contraintes dans ces fils coeur-coquille et sur le champ piézo-électrique quien découle.

High quality factor and small modal volume microcavities allow, thanks to a strong light confinement, an enhancement of light matter interactions and the realization of low energy consumption devices for optical signal processing.In this work, we study the coherent excitation of nonlinear photonic crystal resonators, which is achieved by controlling the pulse time-Frequency relation, enabling nonlinear interaction enhancement.A modeling of the intra-Cavity nonlinear dynamics is conducted using the coupled mode theory, underlying the nonlinear refractive effects contribution in the intra-Cavity pulse energy reduction and distortion.We show that an appropriate pulse time-Frequency relation allow to compensate for the cavity resonance frequency shift, and to maintain the benefit of light localization during the entire excitation.The pulse shaper, made of a pulse-Stretcher combined with a spectral filter, has been specifically designed.Preliminary nonlinear characterizations of silicon nanowires enable to determine the shaped pulses parameters.A very first experimental coherent excitation of an optical resonator is reported, leading to a nonlinear interaction enhancement, and to the control of both the optical bandwidth and nonlinear dynamics of the cavity.; Les microcavités à grand facteur de qualité et faible volume modal permettent, grâce à un fort effet de confinement de la lumière, le renforcement des interactions lumière-Matière et la réalisation de futurs dispositifs pour le traitement optique de l’information à faible énergie de commande. Ce travail de thèse traite du fonctionnement de microcavités à cristal photonique en régime d’excitation cohérente, basé sur des impulsions dont la relation temps-Fréquence est contrôlée afin de renforcer les interactions non linéaires intracavité.La modélisation de la dynamique non linéaire de ces cavités à l'aide de la théorie des modes couplés, a permis de mettre en avant le rôle des non-Linéarités réfractives sur la réduction des effets de localisation au cours de l'excitation.Nous proposons alors de contrôler la dynamique du champ intracavité par un contrôle de la relation temps-Fréquence des impulsions.Cette excitation dite cohérente, repose sur la mise en œuvre d'un montage de mise en forme d'impulsions, constitué d'un étireur d'impulsions et d'un dispositif de filtrage spectral.La caractérisation non linéaire de nanoguides en silicium a permis, en complément du modèle, la détermination précise des paramètres des impulsions.Nous avons ensuite réalisé la toute première démonstration expérimentale de l'excitation cohérente de microcavités, menant à la fois à un renforcement des interactions non linéaires et une réduction des distorsions subies par les impulsions transmises par la cavité.

The development of terahertz (THz) optoelectronics faces two major challenges: first, a need for miniaturization of the existing radiative sources, and second, an improvement of their performances. Amongst the current sources of THz radiation, quantum cascade lasers (QCLs) represent to date the best candidates to match these two requirements. The integration of compact sources necessarily results in decreased optical output power and laser beam directionality. Therefore, a considerable amelioration of the active region performances must be achieved in parallel with the miniaturization of the dimensions of the photonic cavity. Because the latter are subject to the diffraction limit, which imposes on at least one dimension to be of the order of the effective half wavelength, further miniaturization of photonic devices requires a new approach. In this manuscript, a new class of metal-semiconductor-metal (M-SC-M) THz resonators is presented, both theoretically and experimentally. These devices, inspired by electronic LC resonators, allow to achieve a record effective volume Veff =LxLyLz/λeff =5.10-6, where Lx,y,z are the cavity dimensions and λeff is the effective wavelength resonance inside of the resonator core (GaAs). These devices are intrinsically free from the diffraction limit in the three spatial dimensions, and present the typical functionalities which are usually found only in a resonant electronic circuit. In order to demonstrate that their photonic properties are preserved, these devices have been successfully applied to THz intersubband polariton, demonstrating at the same time that they can be used for strong light-matter coupling. In parallel to this work, the feasibility of a THz QCL operating at λ=100 microns with an extremely thin active region is demonstrated experimentally. A systematic study of the laser characteristics for different thicknesses of the active region (Lz ) resulted in the reduction of Lz = 10 microns (≈λeff/2.7) down to the record value of Lz = 1.75 microns (≈λeff/13) in a M-SC-M Fabry-Perot waveguide. Despite a strong increase in optical losses, lasing is maintained above liquid nitrogen temperature (78 K) in the device with thinnest active region. This unexpected behavior is attributed to the existence of a large fraction of the current flowing through the active region at laser threshold being non-radiative. These results are very promising for future developments of efficient THz QCL active regions, as well as for fabrication of microcavity lasers with extremely low effective volumes. The perspectives of this work extend from cavity quantum electrodynamics to the development of a nanolasers. Potential applications of hybrid resonators can span over a broad range, depending on the chosen configuration. They can be used as passive elements for detection, as well as active elements such as antennas. Finally, the use of a thin active region in combination with an optimized version of these hybrid resonators should allow for the realization of an ultra-compact THz QCL free from the diffraction limit, with the possibility of fine tuning the laser frequency by adapting the equivalent complex impedance combination of the LC elements.; Les deux grands défis actuels pour l’optoélectronique térahertz (THz) sont d’une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d’autre part, la nécessité d’améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d’y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d’ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d’atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d’onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d’être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d’obtenir des résultats à l’état de l’art, démontrant d’une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d’autre part qu’ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d’un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l’épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu’à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l’augmentation des pertes optiques, l’effet laser est obtenu au-dessus de la température de l’azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d’envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d’onde. Les perspectives de ce travail de thèse s’étendent de l’électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l’utilisation d’une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d’obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d’accorder la fréquence du laser en adaptant l’impédance complexe équivalente de la combinaison d’éléments LC.

The development of terahertz (THz) optoelectronics faces two major challenges: first, a need for miniaturization of the existing radiative sources, and second, an improvement of their performances. Amongst the current sources of THz radiation, quantum cascade lasers (QCLs) represent to date the best candidates to match these two requirements. The integration of compact sources necessarily results in decreased optical output power and laser beam directionality. Therefore, a considerable amelioration of the active region performances must be achieved in parallel with the miniaturization of the dimensions of the photonic cavity. Because the latter are subject to the diffraction limit, which imposes on at least one dimension to be of the order of the effective half wavelength, further miniaturization of photonic devices requires a new approach. In this manuscript, a new class of metal-semiconductor-metal (M-SC-M) THz resonators is presented, both theoretically and experimentally. These devices, inspired by electronic LC resonators, allow to achieve a record effective volume Veff =LxLyLz/λeff =5.10-6, where Lx,y,z are the cavity dimensions and λeff is the effective wavelength resonance inside of the resonator core (GaAs). These devices are intrinsically free from the diffraction limit in the three spatial dimensions, and present the typical functionalities which are usually found only in a resonant electronic circuit. In order to demonstrate that their photonic properties are preserved, these devices have been successfully applied to THz intersubband polariton, demonstrating at the same time that they can be used for strong light-matter coupling. In parallel to this work, the feasibility of a THz QCL operating at λ=100 microns with an extremely thin active region is demonstrated experimentally. A systematic study of the laser characteristics for different thicknesses of the active region (Lz ) resulted in the reduction of Lz = 10 microns (≈λeff/2.7) down to the record value of Lz = 1.75 microns (≈λeff/13) in a M-SC-M Fabry-Perot waveguide. Despite a strong increase in optical losses, lasing is maintained above liquid nitrogen temperature (78 K) in the device with thinnest active region. This unexpected behavior is attributed to the existence of a large fraction of the current flowing through the active region at laser threshold being non-radiative. These results are very promising for future developments of efficient THz QCL active regions, as well as for fabrication of microcavity lasers with extremely low effective volumes. The perspectives of this work extend from cavity quantum electrodynamics to the development of a nanolasers. Potential applications of hybrid resonators can span over a broad range, depending on the chosen configuration. They can be used as passive elements for detection, as well as active elements such as antennas. Finally, the use of a thin active region in combination with an optimized version of these hybrid resonators should allow for the realization of an ultra-compact THz QCL free from the diffraction limit, with the possibility of fine tuning the laser frequency by adapting the equivalent complex impedance combination of the LC elements.; Les deux grands défis actuels pour l’optoélectronique térahertz (THz) sont d’une part, le besoin de miniaturiser les sources de rayonnement térahertz, et d’autre part, la nécessité d’améliorer leurs performances actuelles. Parmi les sources de rayonnement térahertz existantes, le laser à cascade quantique (QCL) est à ce jour le meilleur candidat pour remplir ces critères. Afin d’y parvenir, il faut cependant apporter des solutions aux verrous qui limitent la miniaturisation des QCLs THz. Le premier est d’ordre fondamental, et tient au fait que les dimensions des cavités photoniques usuelles sont soumises à la limite de diffraction. Le second verrou provient du fait que la recherche de compacité des sources se traduit généralement par la détérioration de leur puissance optique de sortie et de la directionnalité du faisceau laser. Une nouvelle famille de résonateurs THz métal - semiconducteur - métal (M-SC-M) est présentée de façon théorique et expérimentale. Ces dispositifs, inspirés des oscillateurs électroniques LC, ont permis d’atteindre un volume effectif record Veff=LxLyLz/λeff=5.10−6, où Lx,y,z sont les dimensions de la cavité et λeff est la longueur d’onde de résonance dans le cœur du résonateur (GaAs). Ces résonateurs hybrides photoniques-électroniques ont la particularité d’être libérés de la limite de diffraction dans les trois dimensions spatiales, et bénéficient pour la première fois de toutes les fonctionnalités habituellement réservées aux dispositifs électroniques. Une application aux polaritons inter-sousbandes THz a permis d’obtenir des résultats à l’état de l’art, démontrant d’une part que ces résonateurs hybrides conservent leurs propriétés photoniques, et d’autre part qu’ils permettent un couplage lumière-matière fort. En parallèle de ce travail, la faisabilité d’un QCL THz avec une région active extrêmement fine est démontrée expérimentalement. Une étude systématique des caractéristiques du laser en fonction de l’épaisseur de la région active (Lz) a permis la réduction de Lz=10 μm (≈λeff/2,7) jusqu’à la valeur record de Lz=1,75 μm (≈ λeff/13) dans une cavité Fabry-Pérot M-SC-M. Malgré l’augmentation des pertes optiques, l’effet laser est obtenu au-dessus de la température de l’azote liquide (78 K) pour la région active la plus fine. Ces résultats sont très encourageants pour le développement de régions actives plus performantes, et permettent d’envisager le développement de micro-cavités lasers avec des volumes effectifs extrêmement sub-longueur d’onde. Les perspectives de ce travail de thèse s’étendent de l’électrodynamique quantique en cavité au nanolaser. Les applications potentielles varient énormément en fonction de la configuration des résonateurs hybrides. Ils peuvent être utilisés comme des éléments passifs pour la détection, ou encore comme des éléments actifs tels que des antennes. Enfin, l’utilisation d’une région active fine en combinaison avec un résonateur hybride devrait permettre d’obtenir un QCL THz ultra-compact libéré de la limite de diffraction, tout en introduisant pour la première fois la possibilité d’accorder la fréquence du laser en adaptant l’impédance complexe équivalente de la combinaison d’éléments LC.

This thesis focuses on the evaluation of the STEM EDX chemical tomography technique: development of experimental procedures, data processing and volumes reconstruction, quality analysis of the results and evaluation of the overall complexity. Until now, STEM EDX analysis performances were very limited, so only few studies about this technique have been realized. However, very significant progress procured by the new SDD detectors as well as by the high brightness electronic sources (X-FEG), making the STEM EDX 2D analysis very fast, have revived the possibility of the chemical tomography, although the technique has to be developed and evaluated (performance and complexity). We have worked on a Tecnai Osiris which acquires EDX chemical mapping of hundreds of thousands of pixels with resolution of one nanometer and in a few minutes. We chose to prepare the rod-shaped samples by FIB and use a sample holder allowing an angle of exploration of 180° without shadowing effects. Then, using model samples (SiO2 balls in resin), we evaluated the sample deformation due to the electron beam irradiation. This allowed us to propose a method to reduce this effect by depositing a 20 nm chromium layer. Images simulations were used to evaluate the software and the reconstruction methods. The methodology of each step of the STEM EDX tomography analysis is then explained and the technique interest is demonstrated by comparing the 2D and the 3D analysis of a transistor 28 nm FDSOI. The quality of the reconstructions (signal-to-noise ratio, spatial resolution) was evaluated, in function of experimental parameters, using simulations and experiments. A resolution of 4 nm is demonstrated through the analysis of a test pattern and a "gate all around” transistor. For the same transistor, the possibility and the interest of a failure analysis at the nanoscale is proven. Analyses of a SRAM gate fail or of the holes in a copper pillar explain the benefits of a combination between a HAADF volume (morphology and resolution < 4 nm) and an EDX volume (chemical information). To conclude, this technique, which still needs to be improved in terms of simplicity, is already showing its usefulness for the analysis and the development of advanced technologies (20nm node and beyond)., Cette thèse porte sur l’évaluation des techniques pour la tomographie chimique par STEM EDX : mise au point des procédures expérimentales, traitement des données, reconstruction des volumes, analyse de la qualité des résultats obtenus et évaluation de la complexité globale. Les performances très limitées de l’analyse STEM EDX font que peu d’études, jusqu’à aujourd’hui, se sont portées sur cette technique. Cependant, les avancées très notables procurées par les nouveaux détecteurs ‘SDD’ ainsi que les sources électroniques X-FEG haute brillance, rendant l’analyse STEM EDX 2D très rapide, ont relancé la possibilité de la tomographie chimique ; la technique demande toutefois à être mise au point et évaluée (performances et complexité). Nous avons travaillé sur un microscope Tecnai Osiris permettant d’acquérir des cartographies chimiques EDX de centaines de milliers de pixels avec une résolution de l’ordre du nanomètre en quelques minutes. Nous avons choisi de préparer par FIB des échantillons en forme de pointe et d’utiliser un porte-objet permettant une exploration angulaire de 180° sans ombrage. Puis, à l’aide d’échantillons modèles (billes de SiO2 dans une résine), nous avons évalué les déformations d’échantillon par l’irradiation du faisceau électronique. Ceci nous a permis de proposer une méthode pour limiter cet effet par déposition d’une couche de 20 nm de chrome. Des simulations d’images ont permis d’évaluer les logiciels et méthodes de reconstruction. La méthodologie de chaque étape d’une analyse de tomographie STEM EDX a ensuite été expliquée, et l’intérêt de la technique démontré grâce à la comparaison de l’analyse 2D et 3D d’un transistor FDSOI 28 nm. La qualité des reconstructions (rapport signal-sur-bruit, résolution spatiale) a été évaluée en fonction des paramètres expérimentaux à l’aide de simulations et d’expériences. Une résolution de 4 nm est démontrée grâce à l’analyse d’une mire et d’un transistor « gate all around ». Pour ce même transistor, la possibilité et l’intérêt d’analyse de défaillance à l’échelle nanométrique est prouvée. Une analyse d’un défaut de grille d’une SRAM ou de trous dans un pilier en cuivre permettent d’expliquer l’intérêt d’une combinaison d’un volume HAADF (morphologie et résolution < 4 nm) et du volume EDX (information chimique). La conclusion est que cette technique, qui reste encore à améliorer du point de vue de sa simplicité, montre déjà son utilité pour l’analyse et la mise au point des technologies avancées (nœud 20 nm et après).

IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society , Vienne, AUTRICHE, 10-/11/2013 - 13/11/2013; The temperature of a power semiconductor device is important for both its optimal operation and reliability. If the temperature is known during the operation of a converter, it can be used to monitor the health of power modules: a measurement of aging, scheduling of maintenance, or even implementation of active thermal control to reduce losses and increase lifetime can be performed given an accurate knowledge of temperature. Temperature measurements via thermo-sensitive electrical parameters (TSEP) are one way to carry out immediate temperature readings on fully packaged devices. However, successful implementation of these techniques during the actual operation of a device has not yet been achieved. This paper provides an overview of literature where the usage of TSEPs has been hypothesised or realised in realistic power electronic converter setups. Barriers and limitations preventing wider scale implementation of these methods are discussed. Their potential use in the aforementioned goals in condition monitoring and active thermal control is also described.

A new electro-thermal model of a semiconductor device has been carried-out in order to investigate electrical and thermal mappings of power devices during critical operations. This model allows evaluating the effect of chip metallization ageing on temperature distributions and current sharing between cells within an IGBT chip during short-circuits operations. One of the failure mechanisms in IGBT is due to the switch on of the npnp parasitic thyristor. This phenomenon so called Latch-up and often illustrated as a drastic increasing of the total current in the power IGBT leads in many cases to the destruction of the device. By taking into account, in the model, the parasitic inductance, IGBT dynamic latch-up will be performed and simulation results will be compared to experimental one.

The ability to inject spin-polarized carriers into a semiconductor (SC) by electrical means and to convert a spin accumulation into an electrical signal is expected to bring new functionalities. It has been shown that the efficient injection of spin-polarized carriers from a ferromagnetic transition metal (FM) into a SC requires the addition and the fine tuning of a spin-conserving resistance at the FM/SC interface. We've carried out a systematic study about the spin accumulation as a function of the modification of the interfacial properties by probing several semiconductor materials such as GaAs and Ge contacted with tunnel insulator (I)/FM injectors like MgO/CoFeB, Al2O3/Co and Al2O3/NiFe. Three-terminal magnetoresistance (MR) measurements in Hanle and inverted Hanle configuration reveal the influence of a fluctuating magnetic field leading to spin's decoherence. This produces an artificial broadening of the Hanle signal that implies an under-estimation of the extracted spin life-time, as well as an appearing spin accumulation amplitude several orders of magnitude larger than expected. These effects can be interpreted through a sequential injection on localized electronic states close to the SC/I interface. Spatial confinement of these states can explain the high amplitude of the observed signal. Studies in function of voltage and temperature are supporting this mechanism. Magnetic simulations of the fluctuating field originated from stray fields due to interface roughness, or hyperfine field on localized states have been carried out and succeed to reproduce our results qualitatively., La possibilité d'injecter électriquement des porteurs polarisés en spin dans un semiconducteur (SC) et de convertir une accumulation de spin en un signal électrique ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. Il a été montré que l'injection efficace de porteurs depuis un métal de transition ferromagnétique (FM) vers un SC requiert la présence d'une résistance optimisée conservant le spin à l'interface FM/SC. Nous avons mené une étude systématique de l'accumulation de spin par rapport à la modification des propriétés d'interface en sondant différents semiconducteurs tels que GaAs et Ge ainsi que des injecteurs isolant tunnel (I)/FM MgO/CoFeB, Al2O3/Co et Al2O3/NiFe. Nos mesures de magnétorésistance (MR) en géométrie 3 terminaux, en configuration Hanle ou Hanle inverse, ont révélé l'existence d'un champ magnétique fluctuant créant une dépolarisation du spin. Ceci provoque un élargissement artificiel du signal Hanle qui amène dans ce cas à sous-estimer la mesure du temps de vie de spin, ainsi qu'une amplitude d'accumulation de spin plusieurs ordres de grandeur plus forte que prédit théoriquement. Ces effets peuvent s'interpréter par une injection séquentielle sur des états localisés proches de l'interface I/SC. Le confinement spatial de ces états permet de comprendre la forte amplitude du signal observé. Les études en fonction de la tension et de la température viennent étayer ce mécanisme. Des simulations magnétiques d'un champ fluctuant lié au champ de fuite induit par la rugosité d'interface ou au champ hyperfin sur les états localisés ont été menées et permettent de reproduire qualitativement nos résultats.

The ability to inject spin-polarized carriers into a semiconductor (SC) by electrical means and to convert a spin accumulation into an electrical signal is expected to bring new functionalities. It has been shown that the efficient injection of spin-polarized carriers from a ferromagnetic transition metal (FM) into a SC requires the addition and the fine tuning of a spin-conserving resistance at the FM/SC interface. We've carried out a systematic study about the spin accumulation as a function of the modification of the interfacial properties by probing several semiconductor materials such as GaAs and Ge contacted with tunnel insulator (I)/FM injectors like MgO/CoFeB, Al2O3/Co and Al2O3/NiFe. Three-terminal magnetoresistance (MR) measurements in Hanle and inverted Hanle configuration reveal the influence of a fluctuating magnetic field leading to spin's decoherence. This produces an artificial broadening of the Hanle signal that implies an under-estimation of the extracted spin life-time, as well as an appearing spin accumulation amplitude several orders of magnitude larger than expected. These effects can be interpreted through a sequential injection on localized electronic states close to the SC/I interface. Spatial confinement of these states can explain the high amplitude of the observed signal. Studies in function of voltage and temperature are supporting this mechanism. Magnetic simulations of the fluctuating field originated from stray fields due to interface roughness, or hyperfine field on localized states have been carried out and succeed to reproduce our results qualitatively.; La possibilité d'injecter électriquement des porteurs polarisés en spin dans un semiconducteur (SC) et de convertir une accumulation de spin en un signal électrique ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités. Il a été montré que l'injection efficace de porteurs depuis un métal de transition ferromagnétique (FM) vers un SC requiert la présence d'une résistance optimisée conservant le spin à l'interface FM/SC. Nous avons mené une étude systématique de l'accumulation de spin par rapport à la modification des propriétés d'interface en sondant différents semiconducteurs tels que GaAs et Ge ainsi que des injecteurs isolant tunnel (I)/FM MgO/CoFeB, Al2O3/Co et Al2O3/NiFe. Nos mesures de magnétorésistance (MR) en géométrie 3 terminaux, en configuration Hanle ou Hanle inverse, ont révélé l'existence d'un champ magnétique fluctuant créant une dépolarisation du spin. Ceci provoque un élargissement artificiel du signal Hanle qui amène dans ce cas à sous-estimer la mesure du temps de vie de spin, ainsi qu'une amplitude d'accumulation de spin plusieurs ordres de grandeur plus forte que prédit théoriquement. Ces effets peuvent s'interpréter par une injection séquentielle sur des états localisés proches de l'interface I/SC. Le confinement spatial de ces états permet de comprendre la forte amplitude du signal observé. Les études en fonction de la tension et de la température viennent étayer ce mécanisme. Des simulations magnétiques d'un champ fluctuant lié au champ de fuite induit par la rugosité d'interface ou au champ hyperfin sur les états localisés ont été menées et permettent de reproduire qualitativement nos résultats.

Due to new applicative domains like embedded systems, power electronic converters are getting more and more compact, increasing their power densities and working in extreme environments with higher lifetime requirements in accordance with design to cost optimization. Power components packaging is thus involved in many research considerations such as thermal management, electromagnetic interference reduction and reliability. The thermal characterization of the die assembly is becoming a challenge in a power module due to the inaccessibility of the semiconductor parts in the module. This paper describes an innovative experimental method used to evaluate power chip interconnection solutions with the help of a transient thermal response of a power component. The experimental setup is designed to derive the thermal impedance of a power device in the microsecond scale in order to evaluate the thermal behaviour of the physical layers close to the chip. The method is then carried out with power diodes in order to compare the thermal impedance of two power modules having different solder voids repartitions. The results show that this method has a very good sensibility that can be used to compare the quality of the thermal behaviour of different die attaches.

This thesis is a part of a project which aims at fabricating a nanometer-sized magnetic object in and at optimizing its properties. A unique feature of Diluted Magnetic Semiconductors (DMS) is a magnetic polaron: a local ferromagnetic order of the spins of the magnetic atoms induced by the strong exchange interaction with the spin of an exciton optically injected in the quantum dot. The first part of the present work is devoted to a study of the optical properties of self-assembled DMS quantum dots. Using time-resolved and CW magneto-optical spectroscopy, we demonstrate the formation of the magnetic polaron associated with a negatively charged exciton or a neutral exciton. We show that the magnetic polaron associated with a negatively charged exciton is characterized by a stronger exchange field and a higher polaron energy than the one of associated with a neutral exciton. A theoretical description is provided in terms of a newly developed model which, in contrast to the widely used "exchange box" model, takes into account the Coulomb interaction between an electron and a hole. The numerical calculation based on this theory allows us to demonstrate its pertinence and to obtain parameters of the magnetic polaron which are in good agreement with the experiment. The second part of the present work is devoted to a study of semiconductor nanowire heterostructures. Such a geometry provides better access to "single object" studies and a better control of the size and the position of a quantum dot which is inserted in a nanowire. The unique anisotropy properties and the possibility of doping with magnetic impurities make nanowires promising candidates for future studies of DMS heterostructures. As a first step, the study of the optical properties of non-magnetic single nanowires with and without an inserted quantum dot, have been performed in the present work. Polarization-resolved photoluminescence experiments combined with cathodoluminescence allowed us to demonstrate the spatial localization of the emitted light. The influence of the strain on the photoluminescence energy is discussed for the nanowire with the core-shell structure. The single-photon emitter properties are characterized by photon correlation measurements. The exciton confinement in the quantum dot inserted in the nanowire is investigated by means of the temperature dependence of the photoluminescence. From the first part, we have in hand the spectroscopic and modeling tools to study the properties of a magnetic polaron with several carriers. In the second part, the fabrication and spectroscopy study of more promising nanostructure to host the magnetic polaron have been performed., La thèse a porté sur l'étude par spectroscopie magnéto-optique de boites quantiques magnétiques et de nanofils semiconducteurs. Ces nanostructures à base de semiconducteurs magnétiques dilués sont élaborées et étudiées dans l'équipe depuis une quinzaine d'année. L'intérêt de ces structures repose sur la possibilité de contrôler et d'étudier très finement le couplage d'un petit nombre de spins localisés avec des porteurs libres. La première partie de la présente thèse a porté sur l'étude des conditions de formation de polarons magnétiques (orientation d'un petit ensemble de spins par l'intermédiaire d'un porteur ou d'une paire électron-trou) dans des boites quantiques CdMnTe. La formation de polarons magnétiques encore assez mal comprise avec les systèmes 0D tels que les boites quantiques auto-assemblées. Une série d'échantillons originaux de boites quantiques magnétiques auto-assemblées (concentration en manganèse intermédiaires) a été élaborée par épitaxie par jets moléculaires dans l'équipe. L'étude de ces échantillons pendant la thèse a permis d'étudier pour la première fois la formation de polarons magnétiques avec des boites quantiques magnétiques chargées négativement par spectroscopie magnéto-optique. La deuxième partie de la présente thèse a porté sur l'étude de nanofils semiconducteurs de boites quantiques insérées en nanofils. Ce projet vise à insérer et étudier des boites quantiques magnétiques dans des nanofils semiconducteurs (ANR Magwires).

Les interactions entre les électrons et les photons sont au cœur des recherches liées à l'information quantique, nées en particulier d'échanges croissants entre deux domaines de la physique : l'opto-électronique, qui s'intéresse aux dispositifs d'émission, de détection et de conversion de lumière à base de matériaux semiconducteurs, et l'optique quantique, historiquement centrée sur l'étude des interactions entre atome et rayonnement électromagnétique. Dans ce mémoire, nous explorons les configurations originales de couplage entre les excitations électroniques (les excitons) et les modes photoniques façonnés au sein de nanostructures semiconductrices. Ces travaux ont été développés sur les matériaux semiconducteurs " à grand gap ", GaN et ZnO, dont les excitons sont robustes jusqu'à température ambiante et les propriétés quantiques d'interaction avec la lumière sont les plus fortes parmi les matériaux semiconducteurs. Le premier chapitre est consacrée à l'étude de l'exciton confiné dans une boîte quantique unique GaN. Dans le second chapitre, nous discuterons l'insertion de telles boîtes quantiques dans des cavités photoniques destinées à réaliser des nanolasers à boîtes quantiques. Enfin, dans le troisième chapitre consacré aux microcavités planaires à base de ZnO, nous montrons comment les polaritons, particules hybrides exciton-photon, forment à forte densité des condensats de Bose (des états macroscopiques cohérents) appelés lasers à polaritons, jusqu'à température ambiante. Les perspectives de développement d'optique quantique en cavité dans ces nouveaux systèmes sont enfin présentées.

In this work, we design and characterize semiconductor sources of two-photon states for integrated quantum information. These devices are based on spontaneous parametric down-conversion in AlGaAs waveguides and emit photon pairs at room temperature and telecom wavelength. The first source is a twin photon emitting laser diode, based on a modal phase-matching between an electrically injected Bragg laser mode at 775 nm and the telecom photon modes within the same waveguide. We describe the structure design, its linear and nonlinear optical behaviour, and its characteristics under electrical current injection. The achievement of laser emission and second harmonic generation in the same device open the way towards an ultra-compact source of photon pairs. The second device under study is based on a transverse pumping geometry in which a laser beam impinging on top of the waveguide produces two counterpropagating waveguided telecom photons. We explore the huge versatility of the two-photon quantum state generated by this source, namely the possibilities of state engineering in the frequency domain that are inabled by this geometry. We also present the first experimental demonstration of polarization entangled photon pairs achieved with this device, together with a model allowing to predict the entanglement quality from the spatial and spectral distribution of the pumping beam. These sources of non classical states of light, compact and capable of electrical injection on chip are excellent candidates for future photonic implementations of quantum information., Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.

The physicochemical properties of a spherical semiconductor nanocrystal, intermediate between the molecule and the solid depend on its size. Stacked or dispersed, these nanocrystals are building blocks of new functional materials with tunable properties, particularly appealing for optoelectronics. This thesis takes part in the development of these new materials. It mainly presents a methodology for the simulation of electronic transport in nanocrystal solids within the weak electronic coupling regime. It is applied to a material made of silicon nanocrystals embedded in silicon oxide and considered for photovoltaïc applications. The displacement kinetics of charge carriers is related to the tunneling transfer rate (hopping) between nanocrystals. These rates are calculated within the framework of Marcus theory and take into account the electron-phonon interactions, the effect of the bias field and the electron-electron interactions at short and long range. The calculation of electronic states (electrons and holes) in k.p theory associated with the use of Bardeen's formula provides, compared to previous works, results (mobility or current) in absolute terms. The mobility thus computed is far lower than the results of the literature and encourage to consider other materials. Furthermore, the device simulations show the significant impact of the electrodes on the current-voltage characteristics. Also, a new accelerated kinetic Monte-Carlo algorithm has been adapted in order to reproduce the disorder inherent in the manufacturing process while maintaining a reasonable simulation time. Thus the impact of the size disorder is poor at room temperature while the percolation paths shunt the contribution of other conduction paths. Characterization results compared to simulations tend to show that these paths concentrate carriers and exhibit Coulomb blockade phenomenon. Finally, the absorption cross section is calculated theoretically to obtain the generation rate under illumination. It is similar to the bulk silicon one. And a method employing a Kelvin probe microscope is described to characterize the carrier lifetime, namely the recombination rate. The results thus obtained are consistent with other experimental technics., Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l’optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales.

This thesis work has focused on the synthesis of (In)GaN-based quantum dot (QD) structures by plasma-assisted molecular-beam epitaxy (PAMBE), deposited in both polar (0001) and semipolar (11-22) crystallographic orientations, for application as optical transducers for chemical sensors for detection of pH levels, and hydrogen or hydrocarbon concentrations in gas or liquid environments. In the first part of this work, I describe the synthesis of semipolar-oriented two-dimensional layers: binary alloys (AlN, GaN and InN) and ternary alloys (AlGaN and InGaN), which are required for the reference contact of the transducers and set the basic know-how to understand the transition from two-dimensional growth to three-dimensional QD nanostructures. It is particularly relevant the study of indium kinetics and indium incorporation during the PAMBE growth of InGaN(11-22) layers. Similarly to (0001)-oriented InGaN, optimum growth conditions for this semipolar crystallographic orientation correspond to the stabilization of 2 ML of In on the growing InGaN surface, in excellent agreement with first-principles calculations. The limits of the growth window in terms of substrate temperature and In flux lie at same values for polar and semipolar materials. However, I observe an inhibition of the In incorporation in semipolar layers even for substrate temperatures below the segregation threshold for polar InGaN. In a second stage, I report the successful fabrication of superlattices (SLs) of GaN/AlN and InGaN/GaN QDs, both in polar and semipolar orientations. Photoluminescence and time-resolved photoluminescence confirmed the reduction of the internal electric field in the semipolar GaN/AlN QDs in comparison with polar structures. On the other hand, semipolar InGaN QDs must face the challenge of In incorporation in this crystallographic orientation. To overcome this problem, the influence of the growth temperature on the properties of the polar and semipolar InGaN QDs has been studied, considering growth at high temperature (TS = 650–510 °C, where In desorption is active) and at low temperature (TS = 460–440 °C, where In desorption is negligible). I demonstrate that low-TS growth conditions are not compatible with polar plane whereas they provide a favorable environment to semipolar plane to enhance the internal quantum efficiency of InGaN nanostructures. Finally, I have synthesized a number of GaN/AlN and InGaN/GaN QD optical transducers, grown in polar and semipolar orientations. In each case, the growth conditions to attain the targeted spectral range (emission at 420-450 nm with buffer transparent for wavelengths shorter than 325 nm) were identified. The influence of an external electric field on the luminescence of the transducers confirmed that the best performance (larger variation of the luminescence as a function of bias) was provided by InGaN/GaN QD structures. With this feedback, the specifications of the targeted opto-chemical transducer structures have been established (5 InGaN/GaN QD layers on Al0.35Ga0.65N:Si). Then, I have synthesized a number of InGaN/GaN opto-chemical transducers in order to get an insight on the reproducibility, limitations and critical steps in the fabrication process. Using these samples, we have achieved an integrated sensor system based on polar InGaN QD SLs, and the system was useful for monitorization of the pH value of water., Ce travail de thèse a porté sur la synthèse de boîtes quantiques (BQs) de semi-conducteurs nitrures orientés (11-22) ou (0001) par épitaxie par jets moléculaires à plasma d'azote, pour des applications aux capteurs chimiques pour la détection du niveau de pH, d'hydrogène ou des hydrocarbures dans des environnements gazeux ou liquides. Dans la première partie de ce manuscrit, je décri la synthèse des couches bidimensionnelles semi-polaires (11-22) : des couches binaires (AlN, GaN, and InN) et des ternaires (AlGaN et InGaN), qui sont requises pour le contact de référence dans les transducteurs et aussi pour établir une connaissance de base pour comprendre la transition dès la croissance bidimensionnelle à la croissance tridimensionnel des BQs. Un résultat particulièrement relevant est l'étude de la cinétique de croissance et l'incorporation de l'indium dans les couches d'InGaN(11-22). De même que pour InGaN polaire (0001), les conditions optimales de croissance pour l'orientation cristallographique semi-polaire correspondent à la stabilisation de 2 ML d'In sur la surface, en excellent accord avec des calculs théoriques. Les limites de la fenêtre de croissance en termes de température du substrat et de flux d'In sont les mêmes pour les matériaux semi-polaire et polaires. Cependant, j'ai constaté une inhibition de l'incorporation de l'In dans les couches semi-polaires, même pour une température en dessous du seuil de la ségrégation pour l'InGaN polaire. Dans une deuxième étape, j'ai fabriqué des super-réseaux de BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN, à la fois dans l'orientation polaire et semi-polaire. Les mesures de photoluminescence et de photoluminescence en temps résolu confirment la réduction du champ électrique interne dans les boîtes semi-polaires. D'autre part, les BQs semi-polaires à base d'InGaN doit relever le défi de l'incorporation d'In dans cette orientation cristallographique. Pour surmonter ce problème, l'influence de la température de croissance sur les propriétés des boîtes quantiques InGaN polaires et semi-polaires a été étudiée, en considérant la croissance à haute température (TS = 650–510 °C, où la désorption d'In est active) et à basse température (TS = 460–440 °C, où la désorption d'In est négligeable). J'ai démontré que les conditions de croissance à faible TS ne sont pas compatibles avec le plan polaire, tandis qu'ils fournissent un environnement favorable au plan semi-polaire pour améliorer l'efficacité quantique interne de nanostructures InGaN. Enfin, j'ai synthétisé un certain nombre de transducteurs à BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN selon les axes de croissance polaire et semi-polaire. Dans chaque cas, les conditions de croissance pour atteindre la fourchette spectrale ciblée (420-450 nm d'émission à avec une couche contact transparente pour des longueurs d'onde plus courtes que 325 nm) ont été identifiés. L'influence d'un champ électrique externe sur la luminescence des transducteurs ont confirmé que la meilleure performance (plus grande variation de la luminescence en fonction de la polarisation) a été fournie par des structures à base de BQs d'InGaN/GaN. Avec ces données, les spécifications des transducteurs opto-chimiques ont été fixées : 5 perides de BQs d'InGaN/GaN sur une couche contact d'Al0.35Ga0.65N:Si). Puis, j'ai synthétisé un certain nombre de ces transducteurs afin d'obtenir un aperçu sur la reproductibilité, limites et les étapes critiques du processus de fabrication. En utilisant ces échantillons, nous avons réalisé un système capteur intégré qui a été utile pour le suivi de la valeur du pH de l'eau.

National audience

In this thesis, we have studied the experimental properties of one-dimensional polaritons in the ZnO microwires in order to study the quantum degenerate regime in a one-dimensional polariton gas at high temperature. ZnO is a wide gap semiconductor material in which the exciton is stable at room temperature thanks to its high binding energy. The "wire" geometry with a micrometric scale hexagonal cross-section results in a one-dimensional confinement of the light. The ZnO excitons and these photonic modes are in the strong coupling regime resulting in new light-matter eigenstates called exciton-polaritons which are, as well, in the one-dimensional confinement regime. This thesis provides a detailed study of the Physics of these 1D polaritons. As a first step, we demonstrate that the one-dimensional strong coupling regime is preserved up to room temperature with a very high Rabi splitting of 300 meV for a typical linewidth 75 times smaller. This small linewidth, even at room temperature, is an unexpected consequence of the high Rabi energy compared to the maximum phonon energy in ZnO. This effect efficiently isolates the polaritons from the thermal fluctuations of the lattice. We have studied as well a similar structure: the GaN microwires. Because of a highly doped part in these wires, it is possible to compare experimentally the spectrum in weak and strong coupling regime in a single wire. We have studied the properties of such polariton gas in ZnO microwires in the high excitation regime in order to reach the 1D quantum degeneracy limit. We have demonstrated that the polariton lasing regime is obtained at low temperature in the strong coupling regime and that it exhibits an unusual situation: the lasing polariton mode is made up of 97% of exciton. This property is understood thanks to a detailed study of the relaxation properties of the excitons towards the polariton states below and above the polariton lasing threshold. This thesis provides the basics to understand the one-dimensional polaritons in ZnO microwires. The properties described in this thesis demonstrate that the ZnO microwires are particularly suitable for the study of 1D degenerate polariton gas at room temperature.; Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés expérimentales des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO dans le but d'étudier le régime de dégénérescence quantique des polaritons à haute température et en régime de confinement de basse dimensionnalité. ZnO est en effet un matériau semiconducteur à grand gap dans lequel l'exciton bénéficie d'une très forte énergie de liaison qui garantit leur stabilité à température ambiante. D'autre part, la géométrie en "fil" de section hexagonale et de diamètre micrométrique confine les modes photoniques et les rend unidimensionnels. On montre que l'interaction entre l'exciton et ces modes photoniques est en régime de couplage fort, et que les polariton-excitoniques qui en résultent sont eux aussi en régime de confinement unidimensionnel. Cette thèse propose une étude détaillée de la physique de ces polaritons 1D. Dans un premier temps, on démontre que le régime de couplage fort unidimensionnel est conservé jusqu'à température ambiante avec une très grande énergie de Rabi de 300 meV pour une largeur de raie typique 75 fois plus faible. Cette faible largeur de raie, même à température ambiante, est une conséquence inattendue de la grande énergie de Rabi en comparaison de l'énergie maximum des phonons dans ZnO. Cet effet isole très efficacement les polaritons des vibrations thermiques du réseau. Nous nous sommes intéressés aussi à une structure similaire: les microfils de GaN. Dans ces fils, on profite d'une zone fortement dopée pour comparer expérimentalement le spectre en régime de couplage faible et en régime de couplage fort dans le même fil. Nous avons ensuite étudié les propriétés des gaz de polaritons dans les microfils de ZnO sous forte excitation dans le but d'atteindre le régime de dégénérescence quantique 1D. Nous démontrons qu'un régime de laser à polaritons est atteint à basse température en régime de couplage fort dans une situation inédite où les polaritons sont à 97% excitoniques. Cette propriété est comprise grâce à une étude détaillée des propriétés de relaxation des excitons vers les états de polaritons en régime de faible et forte excitations. Cette thèse donne les bases de la compréhension des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO. Les propriétés observées montrent que les microfils de ZnO sont particulièrement adaptés à l'étude des gaz de polaritons dégénérés 1D à haute température.

Mode-locked vertical-extended-cavity-surface emitting lasers (ML-VECSEL) are promising candidates for the generation of stable short pulses at multi-GHz rate. However, the poor thermal behavior of quaternary InP-based semiconductor compounds often limits the performance of ML-VECSELs operating at 1.55 μm. In this work, we report on a specific approach using downward heat sinking to optimize the heat dissipation out of the active region. VECSEL chips with a low thermal resistance are fabricated using a hybrid metal-metamorphic GaAs/AlAs mirror and bonding to a highly thermally conductive host substrate. We show that superior performance can be obtained with a CVD diamond substrate, while electroplated copper host substrate can afford a flexible and low cost alternate approach for moderate (~100 mW) output power. The VECSEL chip assembled with a 1.55μm fast InGaAs(Sb)N/GaAsN semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) produces nearly Fourier transform-limited mode-locked pulses at ~ 2 GHz repetition frequency, and the RF linewidth of the free running laser is measured to be less than 1000 Hz. When the resonance and group delay dispersion of the SESAM microcavity are tuned by selective etching of specific top phase layers, the modelocked pulse width is reduced from several picoseconds to less than 1 ps.

This paper proposes a synthesis of different electrical methods used to estimate the temperature of power semiconductor devices. The following measurement methods are introduced: the voltage under low current levels, the threshold voltage, the voltage under high current levels, the gate-emitter voltage, the saturation current, and the switching times. All these methods are then compared in terms of sensitivity, linearity, accuracy, genericity, calibration needs, and possibility of characterizing the thermal impedance or the temperature during the operation of the converter. The measurement of thermo-sensitive parameters of wide bandgap semiconductors is also discussed. Chip temperature; thermo-sensitive electrical parameter

In this thesis, we have studied the experimental properties of one-dimensional polaritons in the ZnO microwires in order to study the quantum degenerate regime in a one-dimensional polariton gas at high temperature. ZnO is a wide gap semiconductor material in which the exciton is stable at room temperature thanks to its high binding energy. The "wire" geometry with a micrometric scale hexagonal cross-section results in a one-dimensional confinement of the light. The ZnO excitons and these photonic modes are in the strong coupling regime resulting in new light-matter eigenstates called exciton-polaritons which are, as well, in the one-dimensional confinement regime. This thesis provides a detailed study of the Physics of these 1D polaritons. As a first step, we demonstrate that the one-dimensional strong coupling regime is preserved up to room temperature with a very high Rabi splitting of 300 meV for a typical linewidth 75 times smaller. This small linewidth, even at room temperature, is an unexpected consequence of the high Rabi energy compared to the maximum phonon energy in ZnO. This effect efficiently isolates the polaritons from the thermal fluctuations of the lattice. We have studied as well a similar structure: the GaN microwires. Because of a highly doped part in these wires, it is possible to compare experimentally the spectrum in weak and strong coupling regime in a single wire. We have studied the properties of such polariton gas in ZnO microwires in the high excitation regime in order to reach the 1D quantum degeneracy limit. We have demonstrated that the polariton lasing regime is obtained at low temperature in the strong coupling regime and that it exhibits an unusual situation: the lasing polariton mode is made up of 97% of exciton. This property is understood thanks to a detailed study of the relaxation properties of the excitons towards the polariton states below and above the polariton lasing threshold. This thesis provides the basics to understand the one-dimensional polaritons in ZnO microwires. The properties described in this thesis demonstrate that the ZnO microwires are particularly suitable for the study of 1D degenerate polariton gas at room temperature., Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés expérimentales des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO dans le but d'étudier le régime de dégénérescence quantique des polaritons à haute température et en régime de confinement de basse dimensionnalité. ZnO est en effet un matériau semiconducteur à grand gap dans lequel l'exciton bénéficie d'une très forte énergie de liaison qui garantit leur stabilité à température ambiante. D'autre part, la géométrie en "fil" de section hexagonale et de diamètre micrométrique confine les modes photoniques et les rend unidimensionnels. On montre que l'interaction entre l'exciton et ces modes photoniques est en régime de couplage fort, et que les polariton-excitoniques qui en résultent sont eux aussi en régime de confinement unidimensionnel. Cette thèse propose une étude détaillée de la physique de ces polaritons 1D. Dans un premier temps, on démontre que le régime de couplage fort unidimensionnel est conservé jusqu'à température ambiante avec une très grande énergie de Rabi de 300 meV pour une largeur de raie typique 75 fois plus faible. Cette faible largeur de raie, même à température ambiante, est une conséquence inattendue de la grande énergie de Rabi en comparaison de l'énergie maximum des phonons dans ZnO. Cet effet isole très efficacement les polaritons des vibrations thermiques du réseau. Nous nous sommes intéressés aussi à une structure similaire: les microfils de GaN. Dans ces fils, on profite d'une zone fortement dopée pour comparer expérimentalement le spectre en régime de couplage faible et en régime de couplage fort dans le même fil. Nous avons ensuite étudié les propriétés des gaz de polaritons dans les microfils de ZnO sous forte excitation dans le but d'atteindre le régime de dégénérescence quantique 1D. Nous démontrons qu'un régime de laser à polaritons est atteint à basse température en régime de couplage fort dans une situation inédite où les polaritons sont à 97% excitoniques. Cette propriété est comprise grâce à une étude détaillée des propriétés de relaxation des excitons vers les états de polaritons en régime de faible et forte excitations. Cette thèse donne les bases de la compréhension des polaritons unidimensionnels dans les microfils de ZnO. Les propriétés observées montrent que les microfils de ZnO sont particulièrement adaptés à l'étude des gaz de polaritons dégénérés 1D à haute température.

The aim of this work is the study of charge carriers dynamic under high carrier concentration regimes. The « Full-Band » Monte Carlo method is used for charge carrier transport/relaxation modeling in III-V semiconductors (GaAs, InAs, GaSb, In0.53Ga0.47As and GaAs0.50Sb0.50). Electronic band structures are calculated with the Non-Local Empirical Pseudopotential Method which enables the study of ternary alloys within a Virtual Crystal approach. This method has been applied to In0.53Ga0.47As and GaAs0.50Sb0.50, the latter being a promising material for Heterojunction Bipolar Transistor applications though it lacks experimental characterizations. In highly doped polar semiconductors, the polar optical phonon – plasmon coupling is accounted for via the calculation of the total dielectric function including self-consistent damping parameters. This coupling appeared crucial for the calculation of minority electron mobilities in highly p-doped GaAs, In0.53Ga0.47As and GaAs0.50Sb0.50. In strongly photo-excited semiconductors, phonon population heating has been included in the study of electrons and holes relaxation. Hot phonon populations, that slow the charge carrier relaxation through the phonon bottleneck effect, have been dealt with a phonon dedicated Monte Carlo model (PhD H. Hamzeh). The study showed that carrier relaxation slowing depends strongly on the photo-excited carrier concentration because of phonon-plasmon coupling in those semiconductors. Charge carrier generation and recombination processes such as photon absorption, radiative recombination, impact ionization and Auger recombinations, have been implemented. The associated generation and recombination rates are directly calculated with the sampled carrier distribution. Thus, the use of coefficients and lifetimes is avoided, and non equilibrium regimes were modeled. Those processes are of prime importance for Hot Carrier Solar Cells optimization. The theoretical photo-current of this kind of 3rd generation solar cell with an In0.53Ga0.47As absorber have been studied.; Cette thèse est consacrée à l’étude de la dynamique des porteurs de charges sous forte concentration. La méthode Monte Carlo « Full-Band » a été utilisée pour la modélisation du transport et la relaxtion des porteurs de charge dans les semi-conducteurs III-V (GaAs, InAs, GaSb, In0.53Ga0.47As et GaAs0.50Sb0.50). Les structures électroniques ont été calculées par la Méthode des Pseudo-potentiels Non-Locaux Empiriques, ce qui a notamment permis de traiter le cas de l’alliage ternaire GaAs0.50Sb0.50 dans une approche de type Cristal Virtuel, matériau qui souffre d’un manque de caractérisations expérimentales. Dans ces semi-conducteurs polaires fortement dopés, le couplage entre phonons optiques polaires et plasmons a été pris en compte via le calcul de la fonction diélectrique totale incluant les termes associés à l’amortissement dans le système phonon-plasmon auto-cohérents. Ce phénomène de couplage phonon-plasmon, est apparu primordial pour l’analyse de la mobilité des électrons dans GaAs, In0.53Ga0.47As et GaAs0.50Sb0.50 en fonction de la concentration en accepteurs. Dans des semi-conducteurs fortement photo-excités, la relaxation des électrons et des trous a été étudiée en tenant compte du chauffage de la population de phonon (qui ralentit la relaxation des porteurs) avec un modèle Monte Carlo dédié à la dynamique des phonons (Thèse de H. Hamzeh). L’étude a montré que le ralentissement de la relaxation dépend fortement des concentrations de porteurs photo-excités à cause du couplage phonon-plasmon dans ces matériaux. Les processus de génération et recombinaison de porteurs tels que l’absorption optique, la recombinaison radiative, l’ionisation par choc et les recombinaisons Auger, ont été implémentés. Les taux de génération et recombinaison associés sont calculés directement sur les distributions de porteurs modélisées, sans supposer des distributions à l’équilibre. Ces processus sont cruciaux pour l’optimisation de Cellules Solaires à Porteurs Chauds. Le photo-courant de ce type de cellule théorique à haut rendement de 3ème génération avec un absorbeur en In0.53Ga0.47As a été étudié.

ECCE 2011 - IEEE Energy Conversion Congress and Exposition: Energy Conversion Innovation for a Clean Energy Future, PHOENIX, ETATS-UNIS, 17-/09/2011 - 22/09/2011; Electronic package try to be always more compact and cheaper leading to increase current and power densities into the module. These improvements are achieved throuhgh the development of new structures and new interconnection methods. Today there are no efficient experimental tools able to measure thermal and electrical resistance of all these structures. Facing theses difficulties, we propose to design and create an innovative vertical thermal test diode (VTTC) containing an array of 13 poly-silicon temperature and voltage sensors. These sensors are located inside the top metallization in order to better suite power chip purposes. Compared to existing thermal test chip (TTC), the device we are offering is a real power semi-conductor device that maps the surface temperature and voltage profiles during static usage. Thanks to its unique and wide front side surface adapted for soldering, bumping or bonding, the TTC described in the paper can also be implemented in 3D packages.

This work is devoted to optical parametric phenomena in structured semiconductor microcavities. Non-linearities of the excitons in quantum wells, associated with optical confinement, make parametric processes possible. In the oscillation regime, a pair of beams is generated, whose intensity correlations are potentially of quantum nature. In planar cavities, the oscillation conditions are restrictive (pump at non-zero angle, low temperatures for strong coupling), and the correlations are limited by the beams intensity unbalance. We study two approaches to structuring in order to lift these restrictions. In the first approach, the microcavities are etched as wires. The lateral confinement produces a collection of modes. We show the existence of energy-degenerate parame- tric oscillation in these wires. The polarization and power behaviors are studied and validate a model of interacting polaritons. We measure the intensity correlations of the generated beams, compared to a model of fluctuations. In the second approach, we study coupled microcavities. Modes are delocalized over the multiples cavities. We show parametric oscillation at low temperature. Then we analyze a sample designed for parametric generation at room temperature. The spectral study validates the model of a 2-level system, which is used to predict the conditions to reach the regime of oscillation. Finally, we present a study of the polarization properties of the parametric generation. We measure over a wide range of parameters the ratio of the interaction potentials that conserve and reverse polarization between excitons., Cette thèse est consacrée aux phénomènes paramétriques optiques dans les microcavités de semiconducteurs structurées. Les non-linéarités des excitons des puits quantiques, associées au confinement optique, permettent d'observer des processus paramétriques sous excitation résonnante. Dans le régime d'oscillation, un couple de faisceaux est généré, dont les corrélations d'intensité sont potentiellement quantiques. Dans les cavités planaires, les conditions d'oscillation (angle de pompage, couplage fort) sont restrictives, et les corrélations sont limitées par le déséquilibre en intensité des faisceaux produits. Nous étudions deux approches de structuration pour lever ces restrictions. Dans la première, des microcavités sont gravées en fils. Le confinement latéral fait apparaître une collection de modes. Nous montrons dans ces fils l'existence de l'oscillation paramétrique dégénérée en énergie et mesurons les corrélations d'intensité des faisceaux générés. Les observations sont confrontées quantitativement à un modèle de polaritons en interaction. Dans la seconde approche, nous étudions des microcavités couplées. Les modes sont délocalisés sur les multiples cavités. Nous présentons l'oscillation paramétrique à basse température. Puis nous analysons un échantillon conçu pour la génération paramétrique à température ambiante. L'étude spectrale valide un modèle de système à 2 niveaux, utilisé pour prévoir les conditions d'observation du régime d'oscillation. Enfin, nous présentons une étude en polarisation de la génération paramétrique. Nous mesurons, sur une large gamme de paramètres, le rapport des potentiels d'interaction entre excitons qui conservent ou non la polarisation.

Photon correlation properties are now harnessed in various experiments and applications (photon correlation spectroscopy, high resolution profiling, quantum cryptography, quantum teleportation...). The determination of the correlation properties of light is thus of paramount importance and corresponds to the topic investigated in this PhD thesis. Firstly, the semiclassical concept of Two-Photon Counter is experimentally revisited using two photon absorption in various semiconductors and leads to the development of the foundations of an unified two-photon counting theory. Then, two photon conductivity in semiconductors is exploited in a new technique that enables the determination of second order correlation of cw optical sources with output power down to 0.1 µW, bandwidth in the 1.1 to 1.7 µm range and time resolution in the femtosecond range. Experimentally, the system is similar to a Hanbury Brown & Twiss interferometer but, in our case, the two delayed sub-beams are recombined in a two-photon counting device. Thanks to the huge available bandwidth, broadband source correlations are characterized by measuring, with the same apparatus, the degree of second order coherence of chaotic sources or optical parametric generator (both degenerate and non degenerate cases). For the first time, the bunching effect in a real blackbody is unambiguously shown down to the femtosecond level. Concerning parametric light, after developing down converted source, we demonstrate that our experimental set-up is able to determine the exact coincidence of twin photon as well as the accidental one between photons from different pairs by controlling chromatic dispersion phenomena with a prism pair set-up. Finally, two theoretical modeling of twin photons correlation were developed, based on a full quantum theory of two multimodal-photon interaction and a classical stochastic field approach, and are both in excellent agreement with all our experimental results.; Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.

This thesis is devoted to theoretically study the systems of single quantum dots (QDs) embedded in various photonic nanostructures, in close relation with experimental data. The word single is essential: due to their nanometer size, QDs have mainly been studied as ensembles. It is only recently that the experimental progress, in particular in the domain of QDs growth, has allowed to address single QDs. This helped to observe that the confined states in a QD resemble those of an atom, leading in turn to the macro-atom picture for QDs. It opened the path to the study of cavity quantum electrodynamics (CQED) in the solid state, as the analogous of a system of an atom in an electromagnetic cavity. However, already at the level of the QD (i.e. without a solid state cavity), the macro-atom picture has been proven to be oversimplified. Various effects related to the solid state environment of the QD have been experimentally and theoretically evidenced, like the influence of acoustic and optical phonons. These are channels of decoherence for the otherwise well isolated and confined QD levels. When adding the cavity, these effects are possibly enhanced, which can lead to very large deviations from the CQED ideal picture. Therefore the clear understanding of these effects is of essential importance, especially in view of the application of solid state systems to quantum information science. In Chapter 2, we address the radiation-matter coupling between two QDs in a nanocavity. This field of research combines the high quality of light resonators to the nonlinearities of the semiconductor material. It is promising in view of manipulating and transferring single long-lived excitations, an essential goal for quantum information science. Then, we study the deviations of a QD from the idealized macroatom picture. First, in Chapter 3, we include the influence of acoustic phonons on the light emitted by a QD-cavity system. We show that the QD modified susceptibility leads to the qualitative explanation of the cavity feeding effects, which is one of the most striking deviations of the QD-cavity system from the ideal CQED picture. In addition to phonons are extended two-dimensional states populated by the non resonant pumping laser in the QD's wetting layer (WL). In Chapters 4 and 5 we build a Monte-Carlo model of the excitation-decay mechanism in a QD-cavity system. We use it to describe the influence of WL states on the dynamics of the QD, leading in turn to a non-CQED behavior. This approach is particularly successful in the case of large QD-cavity detuning, where it predicts both time-dependent and spectral characteristics of the emitted light. Finally, in Chapter 6, we discuss our conclusions, emphasizing in particular that the knowledge of the actual solid state environment of the QD leads to a better control over the parameters allowing to reach the CQED regime. We also discuss the possible extensions of this work, in particular in relation to the analysis of the stimulated emission regime.

The development of tunable single-frequency laser sources is important for several fast-growing fields such as metrology, optical sensors, spectroscopy, optical telecommunication and medicine. In this thesis we discuss the limitations of current technology, and then we show how to overcome them through the design and the physical study of highly coherent semiconductor lasers emitting in the infrared. We focus more particularly in VECSEL technology in order to obtain tunable and robust single-frequency operation. We discuss the design and characterization of these lasers, from the optimization of the gain medium to the development of functional laser devices. We then perform a deep physical study of the laser source. The various topics presented here deal with many aspects of optoelectronics such as solid state physics, traditional and quantum optics, materials technology, heat management, ect. The work presented here open the way for numerous developments related to VECSEL and their applications.; Le développement de sources lasers monomodes et accordables constitue un enjeu important dans plusieurs domaines en fort développement telle que la métrologie, les senseurs optiques, la spectroscopie, le traitement optique de l'information ou la médecine. Dans cette thèse nous faisons le point sur les limites des technologies actuelles, puis nous montrons comment les surpasser à travers la conception et l'étude physique de lasers à semiconducteur de haute cohérence émettant dans l'infrarouge. Nous nous intéressons particulièrement aux VECSEL dans le but d'obtenir un fonctionnement monofréquence accordables et robustes. Nous traitons de la conception et de la caractérisation de ces lasers, depuis l'optimisation du milieu à gain jusqu'à l'élaboration de prototypes laser fonctionnels. Nous effectuons ensuite une étude approfondie des propriétés physiques de la source. Les différents sujets abordés traitent de nombreux aspects de l'optoélectronique tels que la physique du solide, l'optique traditionnelle et quantique, la technologie des matériaux, la thermique, ect. Les travaux présentés ici ouvrent la voie à de nombreux développements liés aux VECSEL et à leurs applications.

High quality growth of ferromagnetic metals/III-V semiconductors heterostructures is an interesting challenge since it allows the integration of the robust magnetism of metals to the semiconductor technology. Nevertheless, the growth conditions of these two materials are totally different, making the growth of hybrid structures quiet complicated (i.e. magnetic tunnel junction). Indeed, at the optimal growth temperature of the III-V SC, the diffusion at the FM/SC III-V interface is very important and result in a rough and undefined interface. In order to prevent diffusion at the MF/SC III-V at the interface, the SC is grown at low temperature. The method results in a SC barrier with a poor quality. The low reactivity and high spin polarization at the MnAs/GaAs interface make this couple of materials a good candidate for FM/SC junctions growth. Recently, MnAs nano-clusters embedded in a GaAs matrix showed quite important magnetoresistance effects. After the MnAs clusters, by annealing a GaMnAs/GaAs(001) layer at high temperature (>400 ◦C), others III-V compounds can be grown on top of it, making this granular layer very attractive for magnetic tunnel junction heterostructures growth. We studied magnetic tunnel junctions MnAs/SC III-V/clusters of MnAs in a GaAs matrix (GaAs:MnAs), which the growth conditions of the bottom electrode (in situ annealing of a GaMnAs layer at T>500 ◦C) can significantly increase the structural and chemical quality of the SC barrier. This work can be divided into three parts. Firstly, the growth conditions of GaAs:MnAs/GaAs(001) and MnAs/GaAs(001) layers have been optimized. Then, original studies of magnetic force microscopy and photoemission spectroscopy (in situ and at the ESRF synchrotron) studies have been carried on MnAs/GaAs(001), GaAs:MnAs/GaAs(001) and GaMnAs/GaAs(001) thin films. This measurements lead to important informations to the elaboration of hybrid structures. Finally, the spin polarized transport through MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs junctions has been studied., Le couplage d'un métal ferromagnétique (MF) et d'un semiconducteur (SC) permettrait d'intégrer un nouveau degré de liberté - le spin - aux propriétés logiques et optiques des semiconducteurs. Cependant, l'élaboration de jonctions tunnel magnétiques (JTM) couplant ces deux types de matériaux (barrières MF/SC/MF) présente des difficultés majeures. En effet, à la température de croissance optimale de la barrière semiconductrice (∼580 ◦C), le métal de l'électrode inférieure diffuse à travers l'interface pour s'incorporer à la barrière et ainsi réduire les effets de magnétorésistance. Pour éviter l'interdiffusion, la barrière doit être élaborée à basse température. Ce procédé implique l'incorporation d'antisites d'As dans la barrière SC qui réduit, encore une fois, les effets magnétorésistifs. Le couple MnAs/GaAs est considéré comme un bon candidat pour la réalisation de jonction hybride MF/SC /MF à cause de la faible réactivité et de la forte polarisation à l'interface. Afin de faire croître des JTM de bonne qualité chimique et cristalline, nous avons étudié des jonctions tunnel originales où l'électrode inférieure est une couche de clusters de MnAs dans une matrice de GaAs (GaAs:MnAs). Cet électrode est couvert par une barrière de SC III-V et par une électrode supérieure composée par une couche continue de MnAs. Le protocole de croissance de l'électrode inférieure (recuit in situ d'une couche de GaMnAs à T>500řC) permet simultanément de recuire la barrière semiconductrice et d'augmenter considérablement la qualité structurale et chimique de la barrière. Ce travail a été réalisé en trois parties. Dans un premier temps, les conditions d'élaboration de couches de GaAs:MnAs/GaAs(001) et de MnAs/GaAs(001) ont été optimisées. Ensuite, nous avons mené des études originales de microscopie à gradient de force magnétique et de spectroscopie de photoémission (in situ et au synchrotron). Ces mesures ont permis de faire ressortir des informations pertinentes pour l'intégration de ces couches en tant qu'électrode magnétique pour l'électronique de spin. Enfin, une étude du transport tunnel polarisé en spin a été conduite sur des jonctions tunnel MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs.