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The recent SARS-COV2 pandemic has highlighted one of the many applications of UV radiation: sterilization. Aiming at replacing bulky and environmentally hazardous mercury lamps emitting at 255 nm, research is directed towards the development of solid-state solutions based on semiconductors. Aluminium gallium nitride (AlGaN) light-emitting diodes (LEDs) meet the requirements. In practice, the realization of such devices in planar geometry is limited by low electrical conductivity due to deep dopants and by difficult light extraction. In response, a promising alternative is being explored in my thesis: the nanowire geometry. My thesis work consisted of increasing the knowledge on the physics governing the current transport in AlN nanowire diodes grown by molecular beam epitaxy as well as on the growth techniques and technologies in order to allow the realization of deep UV LEDs.Firstly, my work focused on the realization and characterization of active areas emitting in the deep UV. AlN nanowires containing ultra-thin GaN quantum wells were grown. After transmission electron microscopy observations and cathodoluminescence (CL) measurements, quantum wells with thicknesses between 1 and 4 GaN monolayers are identified and show emission between 239 and 304 nm. I also studied AlGaN nanowires with very low Ga compositions (< 1 %). The observed optical properties are very different from those of standard alloys with a spectrally broad emission, governed by a strong exciton localization on AlGaN clusters.Secondly, I was interested in the n-type doping of AlN nanowires with silicon. Using current-voltage characteristics (I-V), the conductance of nanowires was measured. It exhibits a bell-shaped curve as a function of doping, typical of self-compensation phenomena. A detailed study of the electrical transport as a function of temperature also established that a significant part of the dopants remained in Al site with an ionisation energy of 75 meV, in contrast to the deep Si donor with an energy of 270 meV commonly reported.Thirdly, I studied the electrical transport properties of AlN pn junctions for different doping range and designs, by I-V and electron beam induced current (EBIC) measurements. All diodes show typical rectifying behaviour of pn-junctions. However, the presence of a tunnel barrier limiting the injection of holes at high voltages (V > 6 V) has been demonstrated. Furthermore, by correlating I-V, EBIC, CL and electroluminescence (EL) measurements, optimal structure and growth parameters were identified.Finally, I realized a broadband LED centered at 285 nm. The different LEDs tested show good reproducibility as well as promising diode behavior. The luminescence intensity is found to be proportional to the injected current and luminescence of defects remains very low even at very high voltage. An external quantum efficiency could be measured at about 5.10^-3 %, mainly limited by the difficult compromise between electrical injection and photon extraction.; La récente pandémie de SARS-COV2 aura mis en lumière une des nombreuses applications des rayonnements UV : la stérilisation. Dans l'optique de remplacer les polluantes et encombrantes lampes à vapeurs de mercures émettant à 255 nm, la recherche se concentre désormais sur le développement de solutions à l’état solide à base de semiconducteurs. Les diodes électroluminescentes (DELs) en nitrure d’aluminium et de gallium (AlGaN) répondent aux prérequis. En pratique, la réalisation de tels dispositifs en géométrie planaire est limitée par des conductivités électriques limitées et par une difficile extraction de la lumière, entre autres. En réponse, une géométrie alternative et prometteuse est explorée dans le cadre de ma thèse: la géométrie nanofil. Mon travail de thèse a consisté à accroitre les connaissances sur la physique régissant le transport du courant dans les diodes à nanofils d’AlN crûes par épitaxie par jets moléculaires (EJM) ainsi que sur les techniques de croissance et les technologies pour la réalisation de DELs émettant dans l’UV-C.Dans un premier temps, mon travail s’est concentré sur la croissance et la caractérisation de zones émettrices de photons UV. Des nanofils d’AlN contenant des multi-puits quantiques de GaN ont été crûs. Après caractérisation par microscopie électronique et par cathodoluminescence, les puits d'épaisseur comprise entre 1 et 4 monocouches montrent une luminescence entre 239 et 304 nm. Je me suis également intéressé aux nanofils AlGaN comportant de très faibles compositions en Ga (< 1 %) présentant des propriétés optiques très différentes de celles d’alliage standard, régies par une forte localisation de l’exciton autour d’amas d’AlGaN.Dans un second temps, j'ai travaillé à l'amélioration du dopage de type n des nanofils d’AlN avec du silicium. Grâce aux caractéristiques électriques (I-V), la conductance des nanofils a été mesurée. Elle décrit une courbe en cloche en fonction du dopage, typique de phénomènes d’auto-compensation. Une étude approfondie du transport électrique en fonction de la température a aussi permis d’établir qu’une part significative des dopants restait en site Al avec une énergie d’ionisation de 75 meV, contrairement au donneur profond qui communément est identifié avec une énergie de 270 meV.Dans un troisième temps, j’ai étudié les propriétés de transport électrique de jonction p-n d’AlN pour différent dopages et structures, par mesures I-V et par courant induit par faisceaux d’électrons (EBIC). Toutes les diodes montrent des comportements rectifiant typique de jonctions pn. En revanche, la présence d’une barrière tunnel limitant l’injection de trous à fortes tensions (V > 6 V) a été mis en évidence. En corrélant les mesures I-V, EBIC, CL et d’électroluminescence (EL), une structure et des paramètres de croissance optimum ont été identifiés.Finalement, j’ai réalisé un dispositif DEL centrée à 285 nm. Les différentes DELs testées montrent une bonne reproductibilité ainsi qu'un comportement de diode prometteur. L’intensité de luminescence est proportionnelle au courant injecté et la luminescence des défauts reste très faible même à très haute tension. Une efficacité quantique externe a pu être mesurée à environ 5.10^-3 %, limitée principalement par un difficile compromis entre injection électrique et extraction des photons.

This project is a contribution to the development of high-brightness, mercury-free, 100% recyclable and high-gloss ultraviolet (UV) lamps for disinfection at 270 nm. The performance of AlGaN-based UV LEDs remains limited by carrier injection problems, due to the high activation energy of dopants in this material and the difficulties to implement ohmic contacts. To circumvent these problems, we propose to pump an active region based on AlGaN nanostructures with an electron beam. For investigating the active media for electron-pumped UV lamps for disinfection, two types of heterostructures are considered, namely AlGaN/AlN quantum dots (QDs) embedded in GaN nanowires (NWs) synthesized on Si(111) substrates and AlGaN/AlN QDs grown by the Stranski-Krastanov (SK) method on AlN-on-sapphire templates. These choices were based on the high internal quantum efficiency (IQE) that can be achieved in QDs thanks to the three dimensional confinement of carriers. The growth of all the structures was performed by plasma-assisted molecular beam epitaxy.The first stage of the work involved establishing the feasibility of QDs on NWs for this application. Structural and optical studies demonstrated that the QD dimensions were quite homogeneous along the 400-nm-long superlattice (SL), giving a single emission line tunable in the range from 340 to 258 nm. We demonstrated IQE levels higher than 60% at 340 nm at room temperature, decreasing when reducing the emission wavelength. At 270 nm, the IQE was around 30%. These values were obtained under low injection, but remain stable for pumping densities up to 200 kW/cm2. Under electron beam pumping, channeling effects due to the NW geometry can be compensated by increasing the active region length by 60% in comparison to planar layers. The external quantum efficiency under optical pumping provides promising results (3.42±0.55%).The second stage of the work involved studying AlGaN/AlN SK-QD SLs. It is demonstrated that by modifying the III/V ratio and/or the composition of the QDs, the peak emission wavelength can be tuned from 225 nm to 335 nm while keeping the IQE around 50% in the 250-335 nm range, and higher than 35% in the 225-250 nm range. The IQE of these nanostructures remain stable from low to high injection power densities up to 200 kW/cm2. An average power efficiency of 0.38% is measured for as-grown structures, and that without any treatment to improve the light extraction efficiency or thermal management. These results are very promising for the development of an efficient, environment friendly UV technology for disinfection.; Ce projet est une contribution au développement de lampes ultraviolettes (UV) à haute luminosité, sans mercure, 100 % recyclables et à haute brillance, pour la désinfection à 270 nm. Les performances des LED UV à base d'AlGaN restent limitées par des problèmes d'injection de porteurs, dus à la haute énergie d'activation des dopants dans ce matériau et aux difficultés de mise en œuvre des contacts ohmiques. Pour contourner ces problèmes, nous proposons de pomper une région active à base de nanostructures d'AlGaN avec un faisceau d'électrons. Pour étudier les milieux actifs des lampes UV à pompage électronique pour la désinfection, deux types d'hétérostructures sont considérés, à savoir les boîtes quantiques (BQs) AlGaN/AlN intégrées dans des nanofils (NFs) GaN synthétisés sur des substrats Si(111) et les BQs AlGaN/AlN développées par la méthode Stranski-Krastanov (SK) sur des matrices AlN sur saphir. Ces choix étaient basés sur la haute efficacité quantique interne (IQE) qui peut être atteinte dans les BQ grâce au confinement tridimensionnel des porteurs. La croissance de toutes les structures a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma.La première étape du travail a consisté à établir la faisabilité des BQ dans les NFs pour cette application. Des études structurelles et optiques ont démontré que les dimensions des BQs étaient assez homogènes le long du super-réseau (SR) de 400 nm de long, donnant une seule raie d'émission accordable dans la plage de 340 à 258 nm. Nous avons démontré des niveaux d'IQE supérieurs à 60% à 340 nm à température ambiante, diminuant lors de la réduction de la longueur d'onde d'émission. A 270 nm, l'IQE était d'environ 30 %. Ces valeurs ont été obtenues sous faible injection, mais restent stables pour des densités de pompage jusqu'à 200 kW/cm2. Sous pompage par faisceau d'électrons, les effets de canalisation dus à la géométrie NF peuvent être compensés en augmentant la longueur de la région active de 60 % par rapport aux couches planaires. L'efficacité quantique externe sous pompage optique donne des résultats prometteurs (3,42±0,55%).La deuxième étape du travail a consisté à étudier les SRs de BQs SK AlGaN/AlN. Il est démontré qu'en modifiant le rapport III/V et/ou la composition des BQs, la longueur d'onde d'émission maximale peut être réglée de 225 nm à 335 nm, tout en maintenant l'IQE autour de 50 % dans la gamme 250-335 nm, et plus de 35 % dans la gamme 225-250 nm. L'IQE de ces nanostructures reste stable des densités de puissance d'injection faibles jusqu'à 200 kW/cm2. Un rendement énergétique moyen de 0,38 % est mesuré pour les structures brutes de croissance, et cela sans aucun traitement pour améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière ou la gestion thermique. Ces résultats sont très prometteurs pour le développement d'une technologie UV efficace et respectueuse de l'environnement pour la désinfection.

The objective of this Ph.D. thesis is to epitaxially grow by molecular beam epitaxy (MBE) p-type thermoelectric La1-xSrxCrO3 films and study its structural and thermoelectric properties around room temperature as a function of key parameters such as A-site cationic substitution ratio (x), epitaxial strain, and cationic stoichiometry deviation. First, after the stoichiometry calibration series, the effects of the A-site cationic substitution ratio (0  x  0.4) on structural, electronic, and thermoelectric properties have been studied at room temperature. In particular, we have shown that films with x = 0.25 yield the largest thermoelectric power factor (0.33 μW⸱cm-1⸱K-2). On this basis, epitaxial strain effects have been studied with high-quality epitaxiallystrained La0.75Sr0.25CrO3 (LSCO) thin films grown on different perovskite-oxide substrates, leading to a wide in-plane strain values (-2.1%  εxx  +1.8%). The investigation of structural properties (in-plane and out-of-plane lattice parameters, unitcell volume) allowed to extract the Poisson ratio (ν = 0.32) as well as the bulk lattice constant (aLSCO = 3.876 Å) for the first time. Besides, we have shown that the electronic and thermoelectric properties of LSCO can be tuned by strain. The slight in-plane tensile strain provides the largest thermoelectric power factor to most relaxed films. Furthermore, the effects of cationic stoichiometry deviation on structural, electronic, and thermoelectric properties were studied at room temperature in epitaxially-strained (La0.75Sr0.25)1+δCrO3 thin films within a wide off-stoichiometry range (-0.3  δ  0.3). We have shown that electronic and thermoelectric properties can be greatly altered by the cationic stoichiometry deviation alters the properties, and that the slight B-site deficiency (δ  0.15) enhances the thermoelectric power factor by around 70% concerning the stoichiometric film counterpart (δ = 0). Finally, the last part of this work mainly presents the epitaxial integration and structural properties of La0.75Sr0.25CrO3 films on silicon for the first time. These original results are of high interest for engineering various Sr-doped LaCrO3-based devices such as thermal energy harvesters, coolers, transparent diodes, photocatalyzers, etc.; L'objectif de ce travail de thèse était la croissance épitaxiale par épitaxie par jets moléculaires de films La1-xSrxCrO3 de structure pérovskite thermoélectriques de type p ainsi que leur étude structurale et thermoélectrique en fonctions de différents paramètres clés tels que le taux de substitution sur le site A (x), les déformations d’épitaxie et la déviation par rapport à la stœchiométrie cationique. Premièrement, après des séries de calibrations stœchiométriques, les effets de taux de substitution (0  x  0.4) sur les propriétés structurales, électroniques et thermoélectriques ont été étudiés à température ambiante. En particulier, nous avons montré que les films avec x = 0.25 produisait le plus grand facteur de puissance thermoélectrique (0.33 μW⸱cm-1⸱K-2). Sur cette base, les effets de déformations d’épitaxie ont été étudiés sur des films minces contraints de La0.75Sr0.25CrO3 (LSCO) crus sur différents substrats d’oxydes de structure pérovskite de différents paramètres de maille, induisant une large gamme de déformations dans le plan (-2.1%  εxx  +1.8%). L’étude des effets structuraux (paramètres de maile dans le plan et hors plan, ainsi que le volume de la maille) a permis d’extraire pour ma première fois le coefficient de Poisson (ν = 0.32) ainsi que le paramètre de maille de son homologue massif (aLSCO = 3.876 Å). De plus, nous avons montré que les propriétés électroniques et thermoélectriques de LSCO pouvaient être contrôlées par les déformations structurales. Une légère une déformation en tension dans le plan permet d’obtenir les plus facteurs de puissance thermoélectrique, en comparaison avec les films plus relaxés. Ensuite, les effets de la déviation par rapport à la stœchiométrie cationique sur les propriétés structurales, électroniques et thermoélectriques ont été étudiées pour des films épitaxiés contrains de (La0.75Sr0.25)1+δCrO3 avec une large gamme de composition (-0.3  δ  0.3). Nous avons montré pour la première fois que les propriétés électroniques et thermoélectriques peuvent être grandement altérées par la déviation par rapport à la stœchiométrie cationique et que des lacunes sur le site B (δ  0.15) augmentent le facteur de puissance thermoélectrique de 70% par rapport à la stœchiométrie (δ  0). Finalement, la dernière partie de manuscrit présente l’intégration monolithique par épitaxie de films LSCO sur silicium ainsi que leur étude structurale. Ces résultats originaux sont de fort intérêt pour de nombreux composants potentiels à base de LaCrO3 dopés au Sr tels que des récupérateurs d’énergie thermique, refroidisseurs, diodes transparentes, photocatalyseurs, etc…

Recently, a new origin for ferroelectricity has been discovered and studied in perovskite superlattices ABO₃/A'BO₃, (ABO₃ with A = rare earth or alkaline earth, B = 3d, 4d or 5d transition metal). This phenomenon, called improper hybrid ferroelectricity, rises considerable interest, since it may yield the emergence of a multiferroic or even magnetoelectric behavior in magnetic perovskites. Among the promising perovskite materials for such a ferroelectric and magnetoelectric behavior, rare earth vanadates (compounds RVO₃) have been identified. The thesis work reported in this manuscript aimed at studying RVO₃/R'VO₃ superlattices and their physical properties. The epitaxial growth of PrVO₃ and LaVO₃ thin films by ozone-assisted molecular beam epitaxy (MBE) is thoroughly investigated. An optimization of the growth process is carried out, mainly supported by in situ electron diffraction (RHEED), and ex situ X-ray diffraction (XRD). The epitaxy with layer-by-layer 2D growth mode for LaVO₃ and PrVO₃ on SrTiO₃(001) allows the deposition of high quality LaVO₃/PrVO₃ superlattices. The analysis by electrons microscopy (TEM) highlights abrupt interfaces and enables the determination of structural variants and atomic displacements, key elements for the emergence of improper hybrid ferroelectricity. The first results on the superlattices’ electric properties suggest the occurrence of a ferroelectric behavior in a (LaVO₃)₁/(PrVO₃)₁ superlattice., Récemment, un nouveau type de ferroélectricité a été découvert et étudié dans des superréseaux de pérovskites ABO₃/A'BO₃ (A = terres rare ou alcalino-terreux, B = métal de transition 3d, 4d ou 5d). Ce phénomène, nommé ferroélectricité hybride impropre, suscite un intérêt important puisqu’il pourrait conduire, dans des systèmes de pérovskites magnétiques, à un comportement multiferroïque, voire magnétoélectrique. Parmi les matériaux pérovskites prometteurs pour l'apparition d'une telle ferroélectricité et d’un comportement multiferroïque, les vanadates de terres rares (RVO₃) ont été identifiés. Nous rapportons dans ce manuscrit le travail de thèse dont l’objectif est de synthétiser et d'étudier les superréseaux RVO₃/R'VO₃ et leurs propriétés physiques. La croissance épitaxiale de films minces de PrVO₃ et LaVO₃ par épitaxie par jet moléculaire (MBE) assistée par ozone est rapportée en détails. Appuyés entre autres par des caractérisations in situ de diffraction d’électrons (RHEED), et ex situ de diffraction des rayons X (XRD), le processus de croissance a été optimisé. La croissance 2D couche-par-couche permet la croissance de superréseaux LaVO₃/PrVO₃ parfaitement contrôlés et de grande qualité cristalline. L’analyse par microscopie électronique (TEM) met en évidence des interfaces abruptes et permet d’identifier les variants structuraux et les déplacements atomiques, autant d’éléments clés pour l’apparition de la ferroélectricité hybride impropre. Les premières mesures des propriétés électriques sur les superréseaux suggèrent un comportement ferroélectrique dans un superréseau (LaVO₃)₁/(PrVO₃)₁.

The Terahertz domain (THz), situated between the visible and microwave energy range, turns out to be very promissing in terms of applications. However its application potential is not fully used because of the lack for compact sources able to cover a large part of its energy range. Quantum Cascade Lasers (QCL) are good candidates for this purpose, because there are both compact and highly tunable. But in the THz range, the existing QCLs suffer from the operation temperature limitation ( 200K ), which is very restricting from the application viewpoint. It comes from an intrinsic property of the materials commonly used to build QCLs: the LO-phonon energy. As a consequence a strong competition between the LO-phonon transition and the QCL radiative transition arise at room temperature, which hinder the lasing efficiency. To tackle this issue, we choose to make use of ZnO, because its LO-phonon energy is twice larger compared to the aforementioned materials, thus enabling to keep the lasing action efficient at room temperature. Even if ZnO and its related alloys are not new in the field of semiconductor science, they are totally exotic for the QCL field. Indeed, QCL are built from highly periodic heterostructures, from which all the key device properties come from. Therefore, the heterostructure should be controlled at the monolayer scale and this precision should be reproducible on hundred of periods, which made QCL growth an indubitabble challenge. This thesis aims at take up this challenge by bringing ZnO/(Zn, Mg)O heterostructures to this ultime degree of control. We are growing ZnO/(Zn, Mg)O heterostructures on ZnO substrates with a new molecular beam epitaxy system and we demonstrate that the heterostructures quality matche the QCL material requirements. This first step enables us to demonstrate the observation of intersubband transitions in the mid-infrared range until room temperature, as well as their coupling within asymmetric quantum well structures. Complete cascade structures were also grown and lead to the first demonstration of a ZnO based Quantum Cascade Detector in the infrared range until room temperature. QCL structures were also grown and shows very good heterostructure control as stated by scanning transmission electron microscopy experiments.; Le domaine Terahertz (THz), situé entre le domaine visible et micro-ondes, se révèle être très prometteur du point de vue des applications. Cependant, ce potentiel n'est pas totalement exploité à cause du manque de sources compactes capables de couvrir une part importante de cette gamme d'énergie. Les Lasers à Cascade Quantiques (LQC) sont considérés comme de bons candidats, car ils sont à la fois compacts et accordables. Mais dans le domaine THz, les LQCs existants souffrent d'une limite de leur température de fonctionnement ( 200K ), ce qui restreint fortement le champ des applications possibles. Cela vient d'une propriété intrinsèque des matériaux qui sont communément utilisés pour concevoir les LQCs : l'énergie de phonon-LO. Par conséquent, une forte compétition entre la transition assistée par LO-phonon et la transition radiative à la base du LQC survient à température ambiante, ce qui réduit l'efficacité du processus laser. Pour contrer ce problème, nous avons choisi d'utiliser le ZnO, car son énergie de phonon-LO est deux fois plus large que celle des matériaux cités précédemment, ce qui permet au laser de fonctionner jusqu'à température ambiante. Même si le ZnO et ses alliages ne sont pas nouveaux dans le domaine des semiconducteurs, ils sont complètement exotiques dans le domaine des LQCs. Les LQCs reposent sur des hétérostructures hautement périodiques, desquelles les propriétés clés du dispositif final découlent. Par conséquent, ces hétérostructures doivent être contrôlées à la monocouche atomique près et cette précision doit être reproductible sur une centaine de périodes, ce qui fait de la croissance des LQCs un véritable challenge. Cette thèse vise à relever ce défi en portant les hétérostructures ZnO/(Zn, Mg)O a un degré de contrôle ultime. Nous mettons en oeuvre la croissance d'hétérostructures ZnO/(Zn, Mg)O sur substrats ZnO à l'aide d'un nouveau bâti d'épitaxie par jets moléculaires et nous avons démontré qu'elles sont de qualité compatible avec celle requise par les LQCs. Ce premier pas nous a permis de démontrer l'observation des transitions intersousbandes dans le moyen infrarouge jusqu'à température ambiante, ainsi que leur couplage dans des structures à puits quantiques asymétriques. Des structures à cascade complètes ont aussi été crû et ont mené à la première démonstration d'un détecteur à cascade quantique à base de ZnO dans l'infrarouge à température ambiante. Des structures LQC ont aussi été réalisées et des expériences de microscopie électronique en transmission en mode balayage montrent un excellent contrôle des hétérostructures.

The Terahertz domain (THz), situated between the visible and microwave energy range, turns out to be very promissing in terms of applications. However its application potential is not fully used because of the lack for compact sources able to cover a large part of its energy range. Quantum Cascade Lasers (QCL) are good candidates for this purpose, because there are both compact and highly tunable. But in the THz range, the existing QCLs suffer from the operation temperature limitation ( 200K ), which is very restricting from the application viewpoint. It comes from an intrinsic property of the materials commonly used to build QCLs: the LO-phonon energy. As a consequence a strong competition between the LO-phonon transition and the QCL radiative transition arise at room temperature, which hinder the lasing efficiency. To tackle this issue, we choose to make use of ZnO, because its LO-phonon energy is twice larger compared to the aforementioned materials, thus enabling to keep the lasing action efficient at room temperature. Even if ZnO and its related alloys are not new in the field of semiconductor science, they are totally exotic for the QCL field. Indeed, QCL are built from highly periodic heterostructures, from which all the key device properties come from. Therefore, the heterostructure should be controlled at the monolayer scale and this precision should be reproducible on hundred of periods, which made QCL growth an indubitabble challenge. This thesis aims at take up this challenge by bringing ZnO/(Zn, Mg)O heterostructures to this ultime degree of control. We are growing ZnO/(Zn, Mg)O heterostructures on ZnO substrates with a new molecular beam epitaxy system and we demonstrate that the heterostructures quality matche the QCL material requirements. This first step enables us to demonstrate the observation of intersubband transitions in the mid-infrared range until room temperature, as well as their coupling within asymmetric quantum well structures. Complete cascade structures were also grown and lead to the first demonstration of a ZnO based Quantum Cascade Detector in the infrared range until room temperature. QCL structures were also grown and shows very good heterostructure control as stated by scanning transmission electron microscopy experiments.; Le domaine Terahertz (THz), situé entre le domaine visible et micro-ondes, se révèle être très prometteur du point de vue des applications. Cependant, ce potentiel n'est pas totalement exploité à cause du manque de sources compactes capables de couvrir une part importante de cette gamme d'énergie. Les Lasers à Cascade Quantiques (LQC) sont considérés comme de bons candidats, car ils sont à la fois compacts et accordables. Mais dans le domaine THz, les LQCs existants souffrent d'une limite de leur température de fonctionnement ( 200K ), ce qui restreint fortement le champ des applications possibles. Cela vient d'une propriété intrinsèque des matériaux qui sont communément utilisés pour concevoir les LQCs : l'énergie de phonon-LO. Par conséquent, une forte compétition entre la transition assistée par LO-phonon et la transition radiative à la base du LQC survient à température ambiante, ce qui réduit l'efficacité du processus laser. Pour contrer ce problème, nous avons choisi d'utiliser le ZnO, car son énergie de phonon-LO est deux fois plus large que celle des matériaux cités précédemment, ce qui permet au laser de fonctionner jusqu'à température ambiante. Même si le ZnO et ses alliages ne sont pas nouveaux dans le domaine des semiconducteurs, ils sont complètement exotiques dans le domaine des LQCs. Les LQCs reposent sur des hétérostructures hautement périodiques, desquelles les propriétés clés du dispositif final découlent. Par conséquent, ces hétérostructures doivent être contrôlées à la monocouche atomique près et cette précision doit être reproductible sur une centaine de périodes, ce qui fait de la croissance des LQCs un véritable challenge. Cette thèse vise à relever ce défi en portant les hétérostructures ZnO/(Zn, Mg)O a un degré de contrôle ultime. Nous mettons en oeuvre la croissance d'hétérostructures ZnO/(Zn, Mg)O sur substrats ZnO à l'aide d'un nouveau bâti d'épitaxie par jets moléculaires et nous avons démontré qu'elles sont de qualité compatible avec celle requise par les LQCs. Ce premier pas nous a permis de démontrer l'observation des transitions intersousbandes dans le moyen infrarouge jusqu'à température ambiante, ainsi que leur couplage dans des structures à puits quantiques asymétriques. Des structures à cascade complètes ont aussi été crû et ont mené à la première démonstration d'un détecteur à cascade quantique à base de ZnO dans l'infrarouge à température ambiante. Des structures LQC ont aussi été réalisées et des expériences de microscopie électronique en transmission en mode balayage montrent un excellent contrôle des hétérostructures.

Because of their band gap value extending from 0.68 eV (for InN) up to 3.5 eV (GaN) and 6.2 eV (AlN), nitride family is potentially well adapted to the realization of light emitting diodes (LEDs) or detectors in a wavelength range spanning from infrared to ultraviolet. In particular, the possibility to realize devices emitting in the UV C range (200-280 nm) is a current subject of interest, in relation with numerous applications such as air and water sanitization, counterfeiting detection, sensors etc… Contrary to the visible LEDs which exhibit an excellent efficiency (at least for blue emission, which, coupled to a yellow phosphor is at the base of standard white LEDs currently available on the market), UV LEDs efficiency is currently limited to a few percent, as a consequence of the lack of suitable substrates, which results in defective material, and of doping difficulties, which limit current injection. One innovative solution to overcome these difficulties consists of using nanowires (NWs): the remarkable geometry (small diameter) and aspect ratio (height/diameter) of these objects make them favorable to the realization of heterostructures free of extended defects, therefore limiting carrier non radiative recombination. Furthermore, as a major advantage, electrical doping of NWs (type n with Si, type p with Mg) is considerably eased in NWs, as a result of an improved elastic strain relaxation, which significantly pushes away the dopant incorporation limit to values higher than in 2D layers used for conventional UV LEDs to date. The combination of these advantages make UV emitting NWs a subject of intense interest, with the prospect of realizing a breakthrough in efficiency. We are partially funded by an ANR project to explore this road. In this context, the proposed PhD project will consist of growing and fully characterizing the structural and optical properties of AlxGa1-xN/ AlyGa1-yN / AlxGa1-xN NW heterostructures (cathodo- and photo-luminescence, high resolution electron microscopy, atom probe and Kelvin probe measurement, etc…) with the prospect of realizing innovative, highly efficient UV LEDs in the range 240-270 nm. The process of the final structures and their electrical characterization will be performed by CNRS-Néel, after deposition of a doped-diamond upper contact. The work will be mostly performed in the Nanophysics and semiconductor CNRS/CEA group in CEA-INAC, which has an internationally recognized expertise in the academic studies on nitride materials, in close collaboration with several academic groups in France and abroad (CNRS-Néel, CNRS-LPS, University of Valencia….).; La thèse sera consacrée à la croissance par épitaxie par jets moléculaires d’hétérostructures AlGaN/GaN de type filaire, incluant leur dopage de type n et de type p. La caractérisation des propriétés structurales et optiques de ces hétérostructures sera menée à bien en combinant des expériences de microscopie électronique à balayage, de spectroscopie de la photoluminescence, de diffraction de RX. Dans le cadre d’un partenariat national et international, des études de nanocathodoluminescence à haute résolution et de Kelvin probe seront également menées. Finalement, on réalisera des structures complètes de LEDs émettant dans la gamme de l’UV C (environ 250-280 nm), en collaboration étroite (dans le cadre d’un projet ANR) avec le CNRS/Institut Néel qui prendra en charge le dépôt d’une électrode conductrice en diamant, l’étape de processing et les caractérisations électriques.

Because of their band gap value extending from 0.68 eV (for InN) up to 3.5 eV (GaN) and 6.2 eV (AlN), nitride family is potentially well adapted to the realization of light emitting diodes (LEDs) or detectors in a wavelength range spanning from infrared to ultraviolet. In particular, the possibility to realize devices emitting in the UV C range (200-280 nm) is a current subject of interest, in relation with numerous applications such as air and water sanitization, counterfeiting detection, sensors etc… Contrary to the visible LEDs which exhibit an excellent efficiency (at least for blue emission, which, coupled to a yellow phosphor is at the base of standard white LEDs currently available on the market), UV LEDs efficiency is currently limited to a few percent, as a consequence of the lack of suitable substrates, which results in defective material, and of doping difficulties, which limit current injection. One innovative solution to overcome these difficulties consists of using nanowires (NWs): the remarkable geometry (small diameter) and aspect ratio (height/diameter) of these objects make them favorable to the realization of heterostructures free of extended defects, therefore limiting carrier non radiative recombination. Furthermore, as a major advantage, electrical doping of NWs (type n with Si, type p with Mg) is considerably eased in NWs, as a result of an improved elastic strain relaxation, which significantly pushes away the dopant incorporation limit to values higher than in 2D layers used for conventional UV LEDs to date. The combination of these advantages make UV emitting NWs a subject of intense interest, with the prospect of realizing a breakthrough in efficiency. We are partially funded by an ANR project to explore this road. In this context, the proposed PhD project will consist of growing and fully characterizing the structural and optical properties of AlxGa1-xN/ AlyGa1-yN / AlxGa1-xN NW heterostructures (cathodo- and photo-luminescence, high resolution electron microscopy, atom probe and Kelvin probe measurement, etc…) with the prospect of realizing innovative, highly efficient UV LEDs in the range 240-270 nm. The process of the final structures and their electrical characterization will be performed by CNRS-Néel, after deposition of a doped-diamond upper contact. The work will be mostly performed in the Nanophysics and semiconductor CNRS/CEA group in CEA-INAC, which has an internationally recognized expertise in the academic studies on nitride materials, in close collaboration with several academic groups in France and abroad (CNRS-Néel, CNRS-LPS, University of Valencia….).; La thèse sera consacrée à la croissance par épitaxie par jets moléculaires d’hétérostructures AlGaN/GaN de type filaire, incluant leur dopage de type n et de type p. La caractérisation des propriétés structurales et optiques de ces hétérostructures sera menée à bien en combinant des expériences de microscopie électronique à balayage, de spectroscopie de la photoluminescence, de diffraction de RX. Dans le cadre d’un partenariat national et international, des études de nanocathodoluminescence à haute résolution et de Kelvin probe seront également menées. Finalement, on réalisera des structures complètes de LEDs émettant dans la gamme de l’UV C (environ 250-280 nm), en collaboration étroite (dans le cadre d’un projet ANR) avec le CNRS/Institut Néel qui prendra en charge le dépôt d’une électrode conductrice en diamant, l’étape de processing et les caractérisations électriques.

Bismuth, a group-V element, has long been neglected in the III-V semiconductor family. However, dilute bismides started to attract great attention since the early 2000s, due to the giant bandgap reduction and the strong increase of the spin-orbit splitting energy introduced by the incorporation of Bismuth. Among the III-V-Bi alloys, GaSbBi is particularly interesting but has only been sporadically studied, mainly due to the very challenging incorporation of Bismuth. Bismuth requires indeed very unusual growth conditions to be incorporated into III-V materials. The main objective of this thesis was to investigate the molecular beam epitaxy and the properties of GaSbBi alloys and heterostructures.A careful study of the influence of the different growth parameters on the Bismuth incorporation was first carried out. These investigations lead to the fabrication of high quality GaSbBi layers and to the incorporation of 14% Bismuth, the highest content reached in GaSb so far. A bandgap reduction of 28 meV/%Bismuth was observed. GaSbBi/GaSb multi quantum-wells structures with various thicknesses and compositions were then fabricated and exhibited photoluminescence emission up to 3.5 µm at room-temperature. The first GaSbBi-based laser diode was also fabricated, demonstrating continuous wave operation at 80 K and a room-temperature emission close to 2.7 µm under pulsed excitation. Finally, the growth of another dilute bismide alloy, GaInSbBi, was investigated. The influence of the Indium atoms on the incorporation of Bismuth was particularly studied together with the properties of GaInSbBi/GaSb multi quantum-wells structures.; Le Bismuth, un élément V, a longtemps été négligé dans la famille des semi-conducteurs III V. Toutefois, les matériaux bismures connaissent un intérêt croissant depuis le début des années 2000, principalement en raison de l’exceptionnelle réduction de l’énergie de bande interdite couplée à la forte augmentation de l’énergie entre la bande de valence et la bande de spin-orbite introduites par l’atome de Bismuth. Parmi les alliages III-V-Bi, le GaSbBi est particulièrement intéressant pour l’émission dans la gamme de longueurs d’onde entre 2 et 5 µm. Jusqu’à présent, ce matériau n’a été que très peu étudié, principalement à cause des difficultés d’incorporation du Bismuth. En effet, l’incorporation du Bismuth dans les matériaux III-V nécessite des conditions de croissance très spécifiques et inhabituelles. Dans ce contexte, l’objectif premier de cette thèse est d’étudier l’épitaxie par jet moléculaire et les propriétés du GaSbBi. Ainsi, l’influence des différents paramètres de croissance sur l’incorporation du Bismuth a été étudiée minutieusement. Ces expériences ont permis la réalisation de couches de GaSbBi à forte teneur en Bismuth démontrant une excellente qualité cristalline. La plus importante concentration de Bismuth atteinte est de 14%, ce qui constitue encore aujourd’hui le record mondial dans GaSb. Par ailleurs, une réduction de l’énergie de bande interdite de 28 meV/%Bismuth a été observée. Des puits quantiques GaSbBi/GaSb, émettant jusqu’à 3.5 µm à température ambiante ont ensuite été épitaxiés et caractérisés. Le premier laser à base de GaSbBi a également été réalisé. Ce composant fonctionne en continu à 80 K et une émission laser pulsée a été observée proche de 2.7 µm à température ambiante. Enfin, un autre alliage bismure méconnu, le GaInSbBi, a été épitaxié. L’influence de l’Indium sur l’incorporation du Bismuth et les propriétés de puits quantiques GaInSbBi/GaSb ont été étudiées.

The increasing demand for clean energy has driven research toward higher efficiency and lower cost solar cells. Gallium arsenide solar cells detain the record efficiency for single junction devices but the high cost of the substrate limits their applications. In this work, we investigate an alternative GaAs substrate based on a low cost silica support coated by a thin (20 nm) Germanium layer. This layer is nearly lattice-matched to GaAs and can be crystallized with a high (111) texture using Metal Induced Crystallization (MIC). However, this requires a careful optimization of the deposition and annealing parameters. Here, we use a specially designed in situ optical microscope to optimize the annealing sequence. In particular, we identified two crystallization pathways, of which one should be minimized to obtain a good (111) crystalline texture. We then perform the heteroepitaxy of GaAs on this Ge seed layer using Molecular Beam Epitaxy, keeping the initial (111) crystal texture. We identify specific growth conditions for the twin- and defect-free growth of GaAs on Ge(111) surfaces. We also observe the growth of GaAs adopting the (111)A polarity on Ge (111) rather than the expected (111)B orientation. Finally, we fabricate (111)-oriented GaAs solar cells with 15,9% efficiency on a monocrystalline GaAs(111)B substrate. The transfer to standard Ge(111) monocrystalline wafers and to our Ge-coated silica pseudo-substrates reveals doping issues related to the (111)A orientation of the GaAs, as well as surface roughening due to grain boundaries in the initial Ge seed layer., Les cellules solaires à base de GaAs détiennent le record d’efficacité pour les architectures à simple jonction, mais le coût des substrats GaAs monocristallins restreint fortement leur utilisation. Dans ce travail, nous avons fabriqué des substrats alternatifs pour la croissance de GaAs, basés sur la combinaison d’un support en silice et d’un film mince (20 nm) de Germanium. Ce dernier est presque à l’accord de maille avec le GaAs et on peut obtenir une texture (111) prononcée en utilisant le procédé de cristallisation induite par un métal (MIC). La texture cristalline est très dépendante des conditions de dépôt et de recuit, ce qui a nécessité le développement d’un microscope in situ pour suivre et optimiser cette étape. Nous avons identifié deux mécanismes de cristallisation, dont l'un perturbe celui qui est responsable de l’orientation (111). Nous avons ensuite réalisé la croissance de GaAs sur ces surfaces de Ge texturées par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Nous avons identifié les conditions nécessaires à l’obtention sur Ge(111) de couches de GaAs sans macle ni autre défaut étendu. Les couches de GaAs obtenues présentent une polarité (111)A plutôt que l’orientation (111)B habituellement observée. Enfin, nous avons fabriqué des cellules solaire GaAs orientées (111)B avec un rendement photovoltaïque de 15,9 %. Le transfert de cette cellule sur des substrats Ge(111) et sur nos couches de Ge texturées sur silice révèle un dopage difficile, lié à l’orientation (111)A du GaAs, et une rugosité de surface importante induite par les joints de grain présents dans la couche de Ge initiale.

We report a quantitative analysis of thickness dependent epitaxial strain-induced effects in La1-xSrxMnO3 (LSMO) (001) (x = 0.33) thin films of thicknesses (50, 25 and 12 nm) grown on various single crystal substrates such as SrTiO3 (STO) (001), STO buffered MgO (001), NdGaO3 (NGO) (110) and (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 (LSAT) (001) by Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. We also report the composition dependent magnetic properties of LSMO thin films with x = 0.33 and 0.38 in particular grown onto LSAT (001) substrate by Molecular Beam Epitaxy (MBE). The study mainly includes measurements such as X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), temperature dependent four-probe resistivity, magnetization properties by Superconducting Quantum Interference Device (SQUID), magnetic anisotropy by Magneto-Optical Kerr Magnetometry (MOKE). Our results highlight the detailed study of angular evolution and thickness dependent magnetic anisotropy, remanence, coercivity and switching field in epitaxial LSMO thin films. Temperature-dependent studies are also performed on few selected films. We will also discuss the cause of magnetic anisotropy in LSMO films i.e., magneto-crystalline and magnetostriction anisotropy and the effects of steps or substrate mis-cut induced anisotropy., Nous présentons une étude des effets de contrainte induits par l’épitaxie dans des couches minces La1-xSrxMnO3 (LSMO) (001) (x = 0.33) pour 3 épaisseurs de films (50, 25 et 12 nm) déposés par Ablation Laser Pulsée (PLD) sur différents substrats tels que SrTiO3 (STO) (001), STO buffered MgO (001), NdGaO3 (NGO) (110) et (LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7 (LSAT) (001). L’étude est complétée par l’effet de la composition sur les propriétés magnétiques de couches minces de La1-xSrxMnO3 avec x=0,33 et 0,38 déposées par Epitaxie à Jets Moléculaires (MBE). Des caractérisations par diffraction de rayons X (XRD), et microscopie à force atomique (AFM), des mesures de résistivité électrique en quatre points en fonction de la température, d’aimantation par magnetometrie à SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) et d’anisotropie magnétique par magnétométrie magnéto-optique Kerr vectorielle (MOKE) sont présentées. Les évolutions angulaires de l’anisotropie magnétique, de l’aimantation à rémanence, du champ coercitif et du champ de renversement d’aimantation ont ainsi pu être analysées pour des films épitaxiés LSMO de différentes épaisseurs. Des études en fonction de la température complètent les données. L’origine de l’anisotropie (magnétique, magnétocristalline, magnétostrictive ou liée aux effets de marches et d’angle de désorientation du substrat) est finalement discutée.

III-nitride nanostructures have been attracting increasing attention due to their peculiar properties and potential device applications as lighting LEDs. The control and evaluation of the doping in the nanostructures is a crucial, yet a challenging issue. This thesis advances the field by exploring the n and p type doping process of GaN nanowires (NWs) grown by molecular beam epitaxy (MBE). In particular, their electrical properties have been revealed through a multi-technique approach at the single NW level.Firstly, the structural and electrical properties of a series of Si-doped (n-type) GaN NWs have been studied. High resolution energy dispersive X-ray spectroscopy measurements on single NWs have illustrated the achievement of a higher Si incorporation in NWs than in epilayers, and Si segregation at the edge of the NW with the highest doping. Furthermore, direct transport measurements (four probes measurements from 300 K down to 5 K) on single NWs have shown a controlled doping with resistivity from 10^2 to 10^-3 Ω.cm, and a carrier concentration from 10^17 to 10^20 cm-3. Field effect transistor measurements have evidenced the n-type nature and a high electron mobility of the non-intentionally doped NWs.Secondly, the growth conditions of Mg-doped (p-type) and axial GaN p-n junction NWs have been determined to achieve significant Mg incorporation. Furthermore, the electrical properties of the axial GaN p-n junction NWs, dispersed on SiO2 and contacted by ITO, have been studied using electron beam induced current (EBIC) technique. EBIC technique revealed the location of the p-n junction and clearly demonstrated its operation under reverse and forward polarization. Moreover, EBIC showed highly resistive p-GaN in accordance with the difficulties to perform direct transport measurements on p-GaN NWs.This original study provides a nanoscale description of the electrical and doping properties of the GaN NWs, facilitating the fabrication of the future GaN nanostructures based devices., Les nanostructures à base de nitrures d’éléments III suscitent un intérêt croissant, en raison de leurs propriétés singulières et de leurs applications technologiques potentielles, dans les diodes électroluminescentes (LED) notamment. La maîtrise et le contrôle du dopage de ces nanostructures est un enjeu crucial, mais difficile. A ce sujet, cette thèse apporte une contribution nouvelle, en explorant le processus de dopage de type n et p des nanofils (NFs) de GaN crus par épitaxie par jets moléculaires (EJM). En particulier, les propriétés électriques de ces structures ont été caractérisées par une approche multi-technique, à l’échelle du NF unique.Tout d'abord, les propriétés structurales et électriques d'une série de NFs de GaN dopés au Si (type n) ont été étudiées. Des mesures de spectroscopie de rayons X à haute résolution sur des NFs individuels ont mis en évidence une incorporation de Si plus élevée dans les NFs que dans les couches minces épitaxiées, ainsi qu’une migration du Si à la surface du NF pour le fil ayant le niveau de dopage le plus élevé. Des mesures de transport sur des NFs uniques (quatre contacts avec une température allant de 300 K jusqu’à 5 K) ont démontré un contrôle du dopage, avec une résistivité allant de 10^2 à 10^-3 Ω.cm et une concentration de porteurs comprise entre 10^17 et 10^20 cm-3. Des mesures réalisées sur des transistors à effet de champ à NFs uniques non intentionnellement dopés ont démontré qu’ils sont de type n avec une mobilité de porteurs élevée.Parallèlement à cela, les conditions de croissance de NFs de GaN dopés au Mg (p-type) et de jonctions p-n ont été déterminées afin d’obtenir une incorporation significative en Mg. Les propriétés électriques de jonctions p-n axiale à base de NFs de GaN posées sur un substrat de SiO2 et contactés avec de l’oxyde d’indium-étain (ITO) ont été étudiées en utilisant la technique du courant induit par faisceau électronique (EBIC). L’analyse EBIC a permis de localiser la jonction p-n le long du fil et de clairement montrer son bon fonctionnement en polarisation directe ou inverse. L'analyse EBIC a démontré que le GaN de type p est hautement résistif, confirmant ainsi les difficultés à réaliser des mesures de transport sur ce matériau.Cette étude originale a permis de décrire les propriétés électriques et de dopage de ces NFs de GaN à une échelle nanoscopique, facilitant ainsi la fabrication des futurs dispositifs incorporant des nanostructures à base de GaN.

With graphene-like transport properties governed by massless Dirac fermions and a topological protection preventing from backscattering phenomena, topological insulators, characterized by an insulating bulk and conducting surfaces, are of main interest to build low power consumption electronic building-blocks of primary importance for future electronics.Indeed, the absence of disorder, the generation of dissipation-less spin-polarized current or even the possibility to generate pure spin current without magnetic materials are some of the promises of these new materials.The objective of this PhD thesis has been to experimentally demonstrate the eligibility of HgTe three dimensional topological insulator system for applications and especially for spintronics.To do so, strong efforts have been dedicated to the improvement of the growth process by molecular beam epitaxy.Chemical composition, strain, defect density and sharpness of the HgTe interfaces have been identified as the major parameters of study and improvement to ensure HgTe inverted band structure, bulk gap opening and to emphasize the resulting topological surface state electronic properties. Verification of the topological nature of this system has then been performed using low temperature magneto-transport measurements of Hall bars designed with various HgTe thicknesses. It is worth noting that the high desorption rate of Hg has made the nanofabrication process more complex and required the development of a low temperature process adapted to this constraint. While the thicker samples have evidenced very complex transport signatures that need to be further investigated and understood, the thickness reduction has led to the suppression of any additional contributions, such as bulk or even side surfaces, and the demonstration of quantum Hall effect with vanishing resistance. Consequently, we have managed to demonstrate direct evidences of Dirac fermions by temperature dependent analysis of the quantum Hall effect. The next step has been to use the topological properties and especially the locking predicted between momentum and spin to test the HgTe potential for spintronics. Spin pumping experiments have demonstrated the power of these topological structures for spin injection and detection. Moreover, the implementation of HgTe into simple p-n junction has also been investigated to realize a first spin-based logic element., Les isolants topologiques constituent une nouvelle classe de matériaux caractérisés par l'association d'un volume isolant et de surfaces conductrices. Avec des propriétés électroniques similaires au graphene, notamment un transport régit par des particules à énergie de dispersion linéaire couramment appelés fermions de Dirac ainsi qu'une protection topologique empêchant tout phénomène de rétrodiffusion, ces matériaux suscitent un intérêt grandissant dans la quête d'une électronique de faible consommation. En effet, la production de courants de spin non-dissipatifs et polarisés ainsi que la formation de courants de spin purs en l'absence de matériaux magnétiques constituent une partie des attentes de ces matériaux topologiques.L'objectif de cette thèse a été de démontrer expérimentalement le potentiel de l'isolant topologique HgTe pour des applications notamment dans le domaine de la l'électronique de spin ou spintronique.Pour ce faire, d'importants efforts ont été mis en œuvre pour améliorer le procédé de croissance par épitaxie par jets moléculaires.La composition chimique, la contrainte ainsi que la qualité des interfaces de la couche de HgTe ont été identifiées comme des axes majeurs de travail et d'optimisation afin d'obtenir une structure de bande inversée, l'ouverture d'un gap de volume, ainsi que pour protéger les propriétés électroniques des états de surface topologiques. Fort de ces caractéristiques, notre matériau possède à priori toutes les qualités nécessaires pour permettre de sonder les propriétés topologiques. Accéder à ces propriétés particulières est en particulier possible par des mesures d'effet Hall quantique sur des structures de type barres de Hall. La fabrication de ces dispositifs a néanmoins requis une attention particulière à cause de la forte volatilité du mercure et a nécessité le développement d'un procédé de nanofabrication à basses températures.Des mesures d'effet Hall quantique à très basses températures ont ensuite été réalisées dans un cryostat à dilution. Tout d'abord des couches épaisses de HgTe ont été mesurées et ont démontrées des mécanismes de transport très complexes mêlant les états de surface topologiques à d'autres contributions attribuées au volume et aux états de surface latéraux. La réduction de l'épaisseur des couches de HgTe a permis de limiter l'impact de ces contributions en les rendant négligeable pour les couches les plus fines. Dans ces conditions, ces structures ont affiché les propriétés attendues de l'effet Hall quantique avec notamment une annulation de la résistance. Avec ces propriétés, l'analyse en température de l'effet Hall quantique a permis de démontrer la nature des porteurs circulant sur les états de surface topologiques et de les identifier à des fermions de Dirac.Avec la mise en évidence de la nature topologique de notre système, l'étape suivante a été d'utiliser les propriétés topologiques et plus particulièrement le blocage entre le moment et le spin d'un électron pour tester le potentiel du système 3D HgTe/CdTe pour la spintronique. Premièrement, des mesures de pompage de spin ont été réalisées et ont mis en exergue la puissance de ces structures pour l'injection et la détection de spin. Deuxièmement, ces structures ont été implémentéessous la forme de jonction p-n dans l'idée de réaliser un premier dispositif de spintronique qui présente à ce jour des premiers signes de fonctionnement.

A major advantage of semiconductor nanowires (NWs) is the possibility to integrate these nano-materials on various substrates. This perspective is particularly attractive for III-nitrides, for which there is a lack of an ideal substrate. We examined the use of novel templates for growing GaN NWs by plasma assisted molecular beam epitaxy. We explored three approaches with a common feature: the base support is a cost-efficient amorphous substrate and a thin crystalline material is deposited on the support to promote epitaxial growth of GaN NWs.In the first approach, we formed polycrystalline Si thin films on amorphous support by a process called aluminum-induced crystallization (AIC-Si). The conditions of this process were optimized to get a strong [111] fiber-texture of the Si film which enabled us to grow vertically oriented GaN NWs. The same idea was implemented with graphene as an ultimately thin crystalline material transferred on SiOx. We illustrated for the first time in literature that GaN NWs and the graphene layer have a single relative in-plane orientation. We propose a plausible epitaxial relationship and demonstrate that the number of graphene layers has a strong impact on GaN nucleation. Proof-of-concept for selective area growth of NWs is provided for these two approaches. As a simple approach, the possibility of growing NWs directly on amorphous substrates was explored. We use thermal silica and fused silica. Self-induced GaN NWs were formed with a good verticality on both substrates. Based on our observations, we conclude that the epitaxial growth of GaN NWs on graphene looks particularly promising for the development of flexible devices., Un des avantages majeurs des nanofils (NFs) semi-conducteurs est la possibilité d'intégrer ces nano-matériaux sur divers substrats. Cette perspective est particulièrement intéressante pour les nitrures d'éléments III qui manquent d'un substrat idéal. Nous avons étudié l'utilisation de nouveaux supports pour la croissance de NFs de GaN en épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma. Nous avons exploré trois approches avec une caractéristique commune : le support de base est un substrat amorphe bas-coût. Pour deux d'entre elles, une fine couche d'un matériau cristallin est déposée sur ce support pour promouvoir la croissance épitaxiale des NFs. Dans la première approche, nous avons formé un film mince de Si poly-cristallin par "cristallisation induite par l'aluminium (AIC-Si)". Les conditions ont été optimisées pour obtenir une forte texture de fibre orientée [111] du film de Si qui nous a permis de faire croitre des NFs de GaN verticaux. La même idée a été mise en ¿uvre avec le graphène transféré sur SiOx. Nous avons montré pour la première fois dans la littérature que les NFs de GaN adoptent une orientation basale bien définie par rapport au graphène. La troisième approche consiste à faire croitre des NFs directement sur les substrats amorphes. Nous avons utilisé la silice thermique et la silice fondue. Nous avons examiné le temps de latence avant la formation des premiers germes et obtenu des NFs de GaN de bonne verticalité sur les deux types de silice. Sur la base de nos observations, nous concluons que la croissance épitaxiale de NFs de GaN sur graphène est particulièrement prometteuse pour le développement de dispositifs flexibles.

In this PhD work a novel type of magnetic semiconductor object has been developed: Cd(Mn)Te quantum dots embedded in ZnTe/ZnMgTe core-shell nanowires. The goal was to investigate the growth, by molecular beam epitaxy, and the fundamental properties of these complex heterostructures. For that purpose, two main issues were addressed: i) gaining control of the structural, electronic and magnetic properties of these quantum objects by mastering their growth; and ii) obtaining quantitative local knowledge on the chemical composition of those non-homogeneous nanostructures. To tackle these topics, our research was divided into four stages. The first stage was devoted to perform a quantitative study of the formation process of the Au particles that catalyze the growth of nanowires. The second stage involved the analysis of the mechanisms and parameters governing the growth of ZnTe nanowires. In particular, two different types of nanowires were found: cone-shaped nanowires with the zinc-blende crystal structure and cylinder-shaped nanowires with the hexagonal wurtzite structure. A diffusion-driven growth model is employed to fit some of the quantitative results presented in this part. The third stage focused on the insertion of pure CdTe quantum dots containing Mn ions in the core-shell nanowires. An initial study of the relevant parameters influencing the magneto-optical properties of these objects, such as the quantum dot confinement, the Mn incorporation, and the strain anisotropy, was performed. The four and last stage of this work concerned the quantitative interpretation of Energy-Dispersive X-ray spectroscopy measurements performed on single core-multishell nanowires. A geometrical model was proposed to retrieve the shape, the size and the local composition of the quantum dot insertions and of the multiple layers of the heterostructures. This study was coupled to other complementary characterization measurements on the same nanowire, such as cathodo-luminescence, micro-photo-luminescence and magneto-optical spectroscopy., Dans ce travail de thèse a été développé et étudié un nouveau type d'objet semiconducteur magnétique : des boîtes quantiques de CdMnTe insérées dans des nanofils de ZnTe/ZnMgTe constituant une structure de type cœur-coquille. L'objectif était d'étudier la croissance par épitaxie par jets moléculaires et les propriétés fondamentales de ces hétéro-structures complexes. Dans ce but deux aspects principaux ont été abordés : i) la qualité et le contrôle des propriétés structurales, électroniques et magnétiques de ces objets, grâce à une maîtrise de leur croissance et ii) l'obtention d'informations quantitatives locales sur la composition chimique de ces nanostructures inhomogènes. Pour atteindre ces objectifs, nous avons divisé notre étude en quatre étapes. La première étape de ce travail a été concentrée sur l'étude quantitative de la formation des particules d'or servant de catalyseurs à la croissance des nanofils. La seconde étape a porté sur l'analyse des mécanismes de croissance et des paramètres gouvernant la croissance des fils de ZnTe. En particulier deux types de fils ont été observés : des fils cylindriques de structure wurtzite et des fils coniques de structures zinc-blende. Un modèle de croissance guidée par la diffusion a été utilisé pour rendre compte de certains des résultats quantitatifs présentés dans cette partie. La troisième étape a concerné l'insertion de boîtes quantiques de CdMnTe dans des nanofils de structure cœur-coquille ZnTe/ZnMgTe. Une étude préalable des paramètres pertinents influençant les propriétés magnéto-optiques de ces objets, tels que le confinement de la boîte quantique, l'incorporation du Mn et l'anisotropie de contrainte créée par la structure, a été menée. La quatrième et dernière étape de ce travail a porté sur l'interprétation quantitative de mesures d'analyse dispersive en énergie effectuées sur des nanofils de structure cœur-multicoquille. Un modèle géométrique a été proposé, permettant de retrouver la forme, les dimensions et la composition chimique des boîtes quantiques et des coquilles. Cette étude a été couplée à des mesures de caractérisation telles que la cathodo-luminescence, la micro-photo-luminescence et la spectroscopie magnéto-optique effectuées sur le même nanofil.

This work reports on the design, epitaxial growth, and the structural, and optical characterization of two types of nanostructures, namely AlGaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots (SK-QD) and AlGaN/AlN nanodisks (NDs) on GaN nanowires (NWs). These nanostructures were grown using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) and were conceived to be the active media of electron-pumped ultraviolet (EPUV) emitters for water purification, operating in mid-ultraviolet range. The peak emission wavelength of three-dimensional SK-QD can be tuned in mid-ultraviolet range while keeping high internal quantum efficiency (IQE > 35%) by modifying the Al composition and the QD geometry. The efficient carrier confinement was confirmed by the stability of the photoluminescence intensity and decay time with temperature. The optimal deposited amount of AlGaN in AlGaN/AlN QDs which grants maximum luminescence at room temperature was determined by finding a compromise between the designs providing maximum IQE and maximum QD density. The effect of the variation of the QD height/base-diameter ratio on the interband and intraband optical properties was explored by fitting the experimental data with three-dimensional calculations of the band diagram and quantum levels. Regarding AlGaN/AlN NDs on GaN NWs, the Al-Ga intermixing at Al(Ga)N/GaN interfaces and the alloy inhomogeneity in AlGaN/AlN NDs are attributed to the strain relaxation process. This interpretation was proved by correlation of experimental data with three-dimensional strain distribution calculations performed on structures that imitate the real growth sequence. Despite the challenge of inhomogeneity, the emission wavelength of AlGaN/AlN NDs can be tuned in mid-ultraviolet range while preserving high IQE by adjusting the ND thickness and Al content. A prototype of EPUV emitter was fabricated using the AlGaN/AlN SK-QDs active region with proposed optimal design of active region thickness, AlN barrier thickness, and amount of AlGaN in each QD layer. For this first device, SiC was used as a substrate to prevent problems associated to charge or heat evacuation. A water purification test by such prototype EPUV emitter was carried out by irradiating E-coli bacteria, showing that all the specimens were successfully purified at the predicted ultraviolet dose., Ce travail porte sur la conception, l’épitaxie, et la caractérisation structural et optique de deux types de nanostructures, à savoir des boîtes quantiques AlGaN/AIN et des nanodisques AlGaN/AIN sur nanofils GaN. Ces nanostructures ont été synthetisées par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PA-MBE) et ont été conçues pour être le matériau actif d’une lampe ultraviolette à pompage électronique (EPUV) pour la purification de l'eau. En modifiant la composition Al et la géométrie des boîtes quantiques AlGaN/AlN, leur longueur d'onde d'émission peut être réglée dans la gamme 320-235 nm tout en gardant une grande efficacité quantique interne (> 35%). Le confinement quantique a été confirmé par la stabilité de l'intensité et du temps de déclin de la photoluminescence avec la température. La quantité optimale d’AlGaN dans les boîtes pour obtenir une luminescence maximale à la température ambiante est un compromis entre densité de boîtes quantiques et rendement quantique interne. L'effet de la variation du rapport hauteur/diamètre de base sur les transitions interbande et intrabande dans les boîtes a été explorée par ajustement des données expérimentales à des calculs tridimensionnels du diagramme de bande et des niveaux quantiques. En ce qui concerne les nanodisques d’AlGaN sur nanofils GaN, l'interdiffusion Al-Ga aux interfaces et l'hétérogénéité de l'alliage ternaire sont attribuées aux processus de relaxation des contraintes. Cette interprétation a été prouvée par la corrélation des données expérimentales avec des calculs de distribution déformation en trois dimensions effectuées sur des structures qui imitent la séquence de croissance réelle. Malgré le défi du manque d'homogénéité, la longueur d'onde d'émission des nanodisques AlGaN/AIN peut être réglée dans la gamme ultraviolette en préservant une haute efficacité quantique interne. Un prototype de lampe EPUV a été fabriqué en utilisant une région active à base de boîtes quantiques AlGaN/AIN avec les valeurs optimals d'épaisseur de la région active, d'épaisseur de la barrière AlN, et de quantité d’AlGaN dans chaque couche de boîtes. Pour ce premier dispositif, le SiC a été utilisé comme substrat pour éviter les problèmes associés à l’évacuation de charge ou de chaleur. Un essai de purification de l'eau par une telle lampe a été réalisé. Tous les échantillons ont été purifiés avec succès à la dose prévue.

Using hydrogen as an energy carrier for solar energy storage and/or fuel alternative to oil is very appealing, especially as it can be cleanly produced by solar water splitting. In this process, electron-hole pairs, generated in illuminated semiconductors dipped in an aqueous solution, realize the water oxidoreduction reactions (oxygen production at the photoanode and hydrogen production at the photocathode). Transition metal oxides, in particular hematite (α-Fe2O3) which features a quasi ideal band-gap for this application, are the most promising photoanodes materials.Hematite thin films were deposited on single crystals by oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy. These model samples along with the use of high-end techniques, in particular using synchrotron radiation, make possible the identification of the relevant parameters affecting the photoelectrochemical properties. I firstly focused on the impact of the crystallographic structure, the stoichiometry and the surface morphology. Then the effects of doping with titanium were investigated, demonstrating the existence of an optimal doping level and an increase of the charges diffusion length inducing a high photocurrent gain. In addition, I studied the electronic structure and the surface recombinations dynamics of TiO2 - Ti-doped hematite heterojunctions, revealing a diffuse interface. Lastly, the internal electric field created by a ferroelectric thin film of BaTiO3/Nb:SrTiO3 was considered in order to enhance the performances of photoanodes. A first step toward the comprehension of the link between ferroelectric polarization and photocurrent was achieved through the evidence of an internal electric field favourable for the separation of charges., Utiliser l'hydrogène en tant que vecteur énergétique pour stocker l'énergie solaire et/ou remplacer le pétrole comme carburant est très attrayant, d'autant qu'il peut être produit de façon propre par photo-électrolyse de l'eau. Dans ce procédé, des paires électron-trou, générées par éclairement dans des semi-conducteurs immergés dans une solution aqueuse, réalisent les réactions d’oxydo-réduction de l’eau (production d'oxygène à la photo-anode et production d'hydrogène à la photo-cathode). Les oxydes de métaux de transition, en particulier l'hématite (α-Fe2O3) qui présente un gap quasi-idéal pour cette application, sont les matériaux de photo-anode les plus prometteurs.Des films minces d'hématite ont été déposés sur des monocristaux par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène. Ces échantillons modèles ainsi que l’utilisation de techniques de pointe, notamment utilisant le rayonnement synchrotron, rendent possible l’identification des paramètres pertinents influençant les propriétés de photo-électrolyse. Je me suis d'abord intéressé à l'impact de la structure cristallographique, de la stœchiométrie et de la morphologie de surface. Ensuite, les effets d'un dopage avec du titane ont été analysés, montrant l'existence d'un taux de dopage optimal et l'augmentation de la longueur de diffusion des porteurs de charges induisant un fort gain en photo-courant. J'ai également étudié la structure électronique et la dynamique des recombinaisons en surface d'hétérojonctions TiO2 - hématite dopée Ti, révélant une interface diffuse. Enfin, le champ électrique interne créé par un film mince ferroélectrique de BaTiO3/Nb:SrTiO3 a été considéré pour améliorer les propriétés des photo-anodes. Un premier pas vers la compréhension du lien entre polarisation ferroélectrique et photo-courant a été fait, mettant en évidence un champ électrique interne favorable pour séparer les charges.

III–V semiconductors are materials of interest for energy production and lighting. However, these materials are difficult to grow by heteroepitaxy because of their lattice and thermal expansion coefficient mismatches with substrates. The resulting dislocations are extremely detrimental to their electronic properties. Nanostructures like nanowires relax efficiently the strain, thanks to their lateral free surfaces. Thus, they improve the material quality compared to planar thin films.In this PhD thesis, we demonstrate that a [111] fiber-textured polycristalline silicon layer film can be an efficient thin film substrate for oriented nanowire growth on an amorphous support. Such a film can be obtained by using the aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. The optical and physical properties of the substrate are conserved by using a very thin Si layer (less than 10-nm thick).For many applications, organizing the nanowires in an array can be favorable. We demonstrate that this goal can be achieved by using small single crystal Si platelets (up to 100 nm in diameter). In a first time, the crystallization of these “nano-substrates” is comprehensively studied in order to define precise fabrication recipes. In a second time, we prove the concept of nanowire growth on these thin lithographed crystals., Les semiconducteurs III–V sont des matériaux de choix pour la production d’électricité ou pour l’éclairage. En revanche, ce sont des matériaux difficiles à mettre en œuvre sous la forme de couches minces bidimensionnelles par hétéro-épitaxie en raison des forts écarts de paramètres de mailles et de coefficient d’expansion thermique avec les substrats. Il en résulte notamment de nombreuses dislocations très préjudiciables pour les propriétés de ces semiconducteurs. Une manière pour réduire cette quantité de défauts est d'utiliser le semiconducteur sous la forme de nanostructures, telles que les nanofils.Nous démontrons dans cette thèse de doctorat qu’un film polycristallin de silicium, s’il est doté d’une texture de fibre [111], est un candidat de choix pour jouer le rôle de substrat couche mince pour la croissance épitaxiale de nanofils orientés, sur un support amorphe. Un tel film peut être obtenu à grande échelle par cristallisation du silicium amorphe induite par l’aluminium. L’utilisation d’une couche très mince (moins de 10 nm) permet alors de profiter avantageusement des propriétés optiques du substrat.Pour de nombreuses applications, il peut être profitable de pouvoir localiser les nanofils selon un schéma prédéfini. Nous démontrons que cet objectif peut être réalisé grâce à l’emploi de plaquettes monocristallines de Si de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. La cristallisation de ces véritables nano-substrats est tout d’abord étudiée en détails afin d’élaborer une recette robuste de fabrication. Dans un second temps, nous démontrons le concept de croissance de nanofils sur ces minces cristaux lithographiés.

III–V semiconductors are materials of interest for energy production and lighting. However, these materials are difficult to grow by heteroepitaxy because of their lattice and thermal expansion coefficient mismatches with substrates. The resulting dislocations are extremely detrimental to their electronic properties. Nanostructures like nanowires relax efficiently the strain, thanks to their lateral free surfaces. Thus, they improve the material quality compared to planar thin films.In this PhD thesis, we demonstrate that a [111] fiber-textured polycristalline silicon layer film can be an efficient thin film substrate for oriented nanowire growth on an amorphous support. Such a film can be obtained by using the aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. The optical and physical properties of the substrate are conserved by using a very thin Si layer (less than 10-nm thick).For many applications, organizing the nanowires in an array can be favorable. We demonstrate that this goal can be achieved by using small single crystal Si platelets (up to 100 nm in diameter). In a first time, the crystallization of these “nano-substrates” is comprehensively studied in order to define precise fabrication recipes. In a second time, we prove the concept of nanowire growth on these thin lithographed crystals.; Les semiconducteurs III–V sont des matériaux de choix pour la production d’électricité ou pour l’éclairage. En revanche, ce sont des matériaux difficiles à mettre en oeuvre sous la forme de couches minces bidimensionnelles par hétéro-épitaxie en raison des forts écarts de paramètres de mailles et de coefficient d’expansion thermique avec les substrats. Il en résulte notamment de nombreuses dislocations très préjudiciables pour les propriétés de ces semiconducteurs. Une manière pour réduire cette quantité de défauts est d'utiliser le semiconducteur sous la forme de nanostructures, telles que les nanofils.Nous démontrons dans cette thèse de doctorat qu’un film polycristallin de silicium, s’il est doté d’une texture de fibre [111], est un candidat de choix pour jouer le rôle de substrat couche mince pour la croissance épitaxiale de nanofils orientés, sur un support amorphe. Un tel film peut être obtenu à grande échelle par cristallisation du silicium amorphe induite par l’aluminium. L’utilisation d’une couche très mince (moins de 10 nm) permet alors de profiter avantageusement des propriétés optiques du substrat.Pour de nombreuses applications, il peut être profitable de pouvoir localiser les nanofils selon un schéma prédéfini. Nous démontrons que cet objectif peut être réalisé grâce à l’emploi de plaquettes monocristallines de Si de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. La cristallisation de ces véritables nano-substrats est tout d’abord étudiée en détails afin d’élaborer une recette robuste de fabrication. Dans un second temps, nous démontrons le concept de croissance de nanofils sur ces minces cristaux lithographiés.

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.

Spin transfer is one way of switching the magnetization of a layer in a magnetic tunnel junction. The current needed at this task depends on the materials and in the current context, consume less became an important issue. Materials with a high spin polarization and a low magnetic damping are one solution of this problem. They are called half metal ferromagnets. Because of the existence of a pseudo-gap in the minority spin channel at the Fermi energy, these compounds show a 100% spin polarization and an extremely low magnetic damping. In theory, some Heusler, such as Co1.5Fe1.5Ge and Co2MnSi, possess theses properties if they crystallize in the good crystallographic phase. In practice, there is strong indication of this behavior by mean of indirect techniques. However, no direct evidence of this pseudo-gap has been observed. It is in this context that this thesis is. After having determined growth conditions of Co1.5Fe1.5Ge, by mean of several techniques and especially by anomalous diffraction, we determined the complete chemical order which is the one we were looking for. Magnetic properties measurements show results in agreement with the theory. But the use of this compound in magnetic tunnel junctions shows low tunnel magnetoresistance. Spin resolved photoemission spectroscopy measurements explain very well these results. In the same spirit, we started to study Co2MnSi which seems more promising as this pseudo-gap and low magnetic damping have been observed., Le transfert de spin est un moyen de retourner l’aimantation d’une couche dans une jonction tunnel magnétique. Le courant nécessaire à cette tâche dépend des matériaux et dans le contexte actuel consommer moins est devenu un enjeu important. Une solution consiste à utiliser des matériaux ayant une forte polarisation en spin et un faible amortissement magnétique. Ces matériaux sont appelés demi- métaux ferromagnétiques. Du fait de l’existence d’un gap de spin chez les spins minoritaires au niveau de Fermi, ces composés possèdent une polarisation en spin de 100% et un faible amortissement magnétique. En théorie, certains Heusler, tels que Co1.5Fe1.5Ge et Co2MnSi, possèdent ces propriétés s’ils cristallisent dans la bonne phase cristallographique. En pratique, des mesures indirectes semblent confirmer ce comportement mais pourtant aucune preuve directe de cette demi-métallicité n’a été observée jusqu’à présent. C’est dans ce cadre que cette thèse s’inscrit. Après avoir déterminé les conditions de croissance de Co1.5Fe1.5Ge, à l’aide d’une série de mesure et notamment à l’aide de la diffraction anomale, nous avons déterminé l’ordre chimique complet de cet alliage qui est bien celui recherché. Les mesures des propriétés magnétiques donnent des résultats en accord avec la théorie. Mais l’utilisation de ce composé dans des jonctions tunnel magnétiques montre une faible magnétorésistance tunnel. La spectroscopie de photoémission résolue en spin nous a permis d’expliquer ces résultats. Dans le même esprit, nous nous sommes tournés vers le Co2MnSi, un composé qui semble plus prometteur où le gap de spin et de faibles valeurs d’amortissement magnétiques ont été mesurés.

III–V semiconductors are materials of interest for energy production and lighting. However, these materials are difficult to grow by heteroepitaxy because of their lattice and thermal expansion coefficient mismatches with substrates. The resulting dislocations are extremely detrimental to their electronic properties. Nanostructures like nanowires relax efficiently the strain, thanks to their lateral free surfaces. Thus, they improve the material quality compared to planar thin films.In this PhD thesis, we demonstrate that a [111] fiber-textured polycristalline silicon layer film can be an efficient thin film substrate for oriented nanowire growth on an amorphous support. Such a film can be obtained by using the aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. The optical and physical properties of the substrate are conserved by using a very thin Si layer (less than 10-nm thick).For many applications, organizing the nanowires in an array can be favorable. We demonstrate that this goal can be achieved by using small single crystal Si platelets (up to 100 nm in diameter). In a first time, the crystallization of these “nano-substrates” is comprehensively studied in order to define precise fabrication recipes. In a second time, we prove the concept of nanowire growth on these thin lithographed crystals., Les semiconducteurs III–V sont des matériaux de choix pour la production d’électricité ou pour l’éclairage. En revanche, ce sont des matériaux difficiles à mettre en oeuvre sous la forme de couches minces bidimensionnelles par hétéro-épitaxie en raison des forts écarts de paramètres de mailles et de coefficient d’expansion thermique avec les substrats. Il en résulte notamment de nombreuses dislocations très préjudiciables pour les propriétés de ces semiconducteurs. Une manière pour réduire cette quantité de défauts est d'utiliser le semiconducteur sous la forme de nanostructures, telles que les nanofils.Nous démontrons dans cette thèse de doctorat qu’un film polycristallin de silicium, s’il est doté d’une texture de fibre [111], est un candidat de choix pour jouer le rôle de substrat couche mince pour la croissance épitaxiale de nanofils orientés, sur un support amorphe. Un tel film peut être obtenu à grande échelle par cristallisation du silicium amorphe induite par l’aluminium. L’utilisation d’une couche très mince (moins de 10 nm) permet alors de profiter avantageusement des propriétés optiques du substrat.Pour de nombreuses applications, il peut être profitable de pouvoir localiser les nanofils selon un schéma prédéfini. Nous démontrons que cet objectif peut être réalisé grâce à l’emploi de plaquettes monocristallines de Si de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. La cristallisation de ces véritables nano-substrats est tout d’abord étudiée en détails afin d’élaborer une recette robuste de fabrication. Dans un second temps, nous démontrons le concept de croissance de nanofils sur ces minces cristaux lithographiés.

This work focuses on the study of II-VI semiconductor heterostructures with type II band alignments, especially in the form of superlattices. This is a system that can be promising for photovoltaic applications, and my work is presented in this perspective. Thus the first part deals with a conceptual reflection on the contribution of type II interfaces for photovoltaics. In a second step I present a study on the growth of CdSe and ZnTe by molecular beam epitaxy on various substrates. These materials are particularly interesting and suitable for this application because they have a direct bandgap, are almost lattice-matched, present a type II band alignment, and CdSe shows a bandgap compatible with the solar spectrum. In addition, a structure based on a very short-period superlattice of these materials allows to create a solar absorber with adjustable properties which can approach the ideal absorber, and with intrinsically fitted contacts. But in return we have to deal with binary semiconductors which have no atoms in common, so that the growth of samples with specific thicknesses close to the monolayer is challenging. For this reason we conducted a detailed study at the interfaces through analysis of X-ray diffraction and transmission electron microscopy, which allows us to conclude on the chemical nature of the atoms near the interfaces. This is followed by a detailed spectroscopy study on the effects of type II interfaces on the charge carriers through their energy and recombination dynamics. We have developed an analytical model that allows to precisely adjust all the features observed in relation to these interfaces, and shows a very efficient charge separation mechanism. We show later that these effects are inherent characteristics of all interfaces of type II, regardless of materials and structures, and that they allow us to accurately extract the values of band offsets between different materials with type II band alignments. The last chapter finally deals with the development of photovoltaic cells based on the concepts studied in this thesis. It addresses in particular the device structures we thought of and our first results of efficiency measurements from solar cells formed by semiconductor heterostructures with this type of band alignment., Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

This work focuses on the study of II-VI semiconductor heterostructures with type II band alignments, especially in the form of superlattices. This is a system that can be promising for photovoltaic applications, and my work is presented in this perspective. Thus the first part deals with a conceptual reflection on the contribution of type II interfaces for photovoltaics. In a second step I present a study on the growth of CdSe and ZnTe by molecular beam epitaxy on various substrates. These materials are particularly interesting and suitable for this application because they have a direct bandgap, are almost lattice-matched, present a type II band alignment, and CdSe shows a bandgap compatible with the solar spectrum. In addition, a structure based on a very short-period superlattice of these materials allows to create a solar absorber with adjustable properties which can approach the ideal absorber, and with intrinsically fitted contacts. But in return we have to deal with binary semiconductors which have no atoms in common, so that the growth of samples with specific thicknesses close to the monolayer is challenging. For this reason we conducted a detailed study at the interfaces through analysis of X-ray diffraction and transmission electron microscopy, which allows us to conclude on the chemical nature of the atoms near the interfaces. This is followed by a detailed spectroscopy study on the effects of type II interfaces on the charge carriers through their energy and recombination dynamics. We have developed an analytical model that allows to precisely adjust all the features observed in relation to these interfaces, and shows a very efficient charge separation mechanism. We show later that these effects are inherent characteristics of all interfaces of type II, regardless of materials and structures, and that they allow us to accurately extract the values of band offsets between different materials with type II band alignments. The last chapter finally deals with the development of photovoltaic cells based on the concepts studied in this thesis. It addresses in particular the device structures we thought of and our first results of efficiency measurements from solar cells formed by semiconductor heterostructures with this type of band alignment.; Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

Due to the growing interest in VCSELs and the breadth of their application fields, VCSELs are evolving quickly to increase their integration capabilities and incorporate new features. This requires the control and the adaptation of the different technological steps such as the electrical and optical confinement engineering that often uses the selective wet oxidation of buried AlGaAs layers. The first part of this work was dedicated to the investigation of the mechanical stress/strain generated by the selective oxidation. This strain has a significant impact on the reliability and lifetime of the devices. In the second part of this thesis, we present a new planar approach of selective oxidation. The new technique is based on the oxidation of a buried AlGaAs layer through a matrix of nano-holes etched in a thin GaAs capping layer. This step is followed by an epitaxial regrowth to continue the structure stacking. Unlike the standard lateral oxidation, the shape of the oxidized areas can by freely designed. Moreover, this new approach increases the integration capability of the devices and provides a better heat removal and mechanical stability.; Pour répondre aux besoins des domaines d'applications, de plus en plus ambitieux, et gagner de nouveaux domaines, les VCSELs continuent à évoluer. On note une tendance des recherches récentes à la miniaturisation des sources VCSELs et à la complexification de leurs architectures pour augmenter leur capacité d'intégration et incorporer de nouvelles fonctionnalités. Cela nécessite la maîtrise et l'adaptation des différentes étapes technologiques dont l'ingénierie du confinement électrique et optique exploitant la technologie d'oxydation sélective humide d'alliages AlGaAs, appelée AlOx. Ce travail de thèse porte, d'une part, sur l'étude des contraintes mécaniques engendrées par le procédé AlOx, qui ont un impact important sur le fonctionnement des VCSELs, leur fiabilité et leur durée de vie. D'autre part, je présente une nouvelle approche planaire de la technologie AlOx basée sur une oxydation d'une couche AlGaAs enterrée à travers des trous nanométriques gravés dans une couche GaAs fine en surface. Cette étape est suivie d'une reprise d'épitaxie par jets moléculaires (EJM) pour continuer l'empilement de la structure du composant. La nouvelle méthode offre une meilleure capacité d'intégration, une meilleure dissipation de chaleur et ouvre vers l'ingénierie libre du confinement opto-électrique.

This thesis focuses on the study of the self-organized growth of In(Ga)As quantum dots (QDs) on a silicon substrate. The purpose of this work is to pave the way for a monolithic integration of III-V semiconductor-based light emitter on silicon. One of the big challenges of this project is to overcome the high lattice mismatch between InGaAs and Si which can induce structural defects in the QDs. Another key challenge comes from the expected type II In(Ga)As/Si interface that is detrimental for efficient light emission. In order to solve the "interface type" issue, we suggested to insert the In(Ga)As QD plane inside a thin silicon layer grown on a SOI substrate. Confinement effects of the Si/SiO2 quantum well are expected to raise the X-valley of the Si conduction band above the Γ-valley, leading to a type I interface in both direct and reciprocal space. The influence of different parameters (such as the amount of deposited In(Ga)As, the growth temperature, the V/III ratio and the gallium content...) on the growth mode and on the structural and optical properties of the In(Ga)As QDs grown on Si(001) are experimentally studied. We propose an interpretation of the microscopic phenomena governing the formation of the QDs as a function of gallium content. We finally show the possibility of making In0,4Ga0,6As QDs on Si(001) substrates, these QDs being free of 'plastic relaxation'-related structural defects. The expected luminescence from the QDs was not obtained probably due to two incompatible conditions: the first, required for growing high structural quality QDs (possible only for In(Ga)As containing less than 50% of In) and the second, essential for maintaining a type I interface band alignment (theoretically possible for an In content greater than 50%). This work is contributing to the understanding of In(Ga)As QDs growth on Si(001) substrates and to the know-how of capping such QDs with silicon inside a III-V molecular beam epitaxy reactor., Cette thèse porte sur l'étude de la croissance auto-organisée de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur substrat de silicium visant à l'intégration monolithique d'un émetteur de lumière sur silicium à base d'un matériau semiconducteur III-V. Le développement d'un tel système se heurte à deux verrous majeurs : le premier provient d'un très fort désaccord de maille qui rend difficile l'élaboration de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur Si présentant de bonnes qualités structurales et optiques, et le second provient de la nature électronique de l'interface entre In(Ga)As et le Si dont il est prédit qu'elle est de type II et donc peu efficace pour l'émission de lumière. L'approche que nous avons proposée consiste à insérer des BQs d'In(Ga)As dans un puits quantique de silicium dans SiO2, fabriqué sur un substrat SOI. Les effets attendus de confinement quantique dans le puits de Si favoriseraient une interface In(Ga)As/Si de type I. D'un point de vue expérimental, nous avons donc étudié l'influence de différents paramètres de croissance (température de croissance, rapport V/III, quantité d'In(Ga)As déposé, teneur en indium des boîtes quantiques ...) sur le mode de croissance et sur les propriétés structurales et optiques des BQs d'In(Ga)As épitaxiées sur substrat de Si(001). Nous avons proposé une interprétation des phénomènes microscopiques qui régissent la formation des boîtes quantiques d'In(Ga)As sur Si en fonction de la teneur en indium. Nous avons aussi montré qu'il est possible de fabriquer des boîtes quantiques d'In0,4Ga0,6As sur Si ne présentant pas de défauts structuraux liés à la relaxation plastique. La luminescence attendue des boîtes quantiques n'a pas pu être obtenue, probablement en raison de deux conditions requises mais antagonistes: la fabrication de boîtes quantiques de très haute qualité structurale (possible uniquement pour de l'In(Ga)As avec une teneur en In inférieure à 50%) et un alignement de bandes à l'interface BQs In(Ga)As/Si de type I (possible théoriquement pour une teneur en In supérieure ou égale à 70%). Ce travail a permis d'enrichir la connaissance et le savoir-faire concernant l'élaboration de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur substrat de Si(001) et l'encapsulation de ces boîtes quantiques par du silicium dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires III-V.

Epitaxial magnetic tunnel junctions Fe/MgO/Fe(001) exhibit noteworthy behaviors for both small and large MgO thicknesses. In the first case, a strong antiferromagnetic interaction between Fe layers is observed, whereas symmetry filtering effects occur for large barriers, leading to high TMR values. The aim of the experiments performed during this thesis is to study and link these two behaviors. We consider the effect of a modulation of electrodes and/or interfaces crystalline structure on spin-polarized transport, by means of temperature and voltage analyses. In this framework, we focus on three systems: Fe/MgO(001)/CoFeB hybrid junctions, where the CoFeB electrode is grown by sputtering and in situ recrystallized, textured Fe/MgO/Fe(001) junctions, and finally single crystalline (001)Fe/MgO/Fe junctions with an artificial roughness at the electrode/barrier interface. The antiferromagnetic coupling in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) systems with a thin MgO barrier is studied by magnetometry measurements in the [5 K; 500 K] range. We also consider the effect of structural and/or chemical changes resulting from a controlled roughness or a contamination on the coupling. The most interesting results of this thesis are obtained with the introduction of an artificial roughness at the Fe/MgO interface. Unexpectedly, this controlled disorder can improve the magnetoresistance effect or the coupling intensity. In both cases, this result is attributed to a Fe-O hybridization, which emphasizes the role of oxygen in MgO based magnetic tunnel junctions for both behaviors associated with extremely thin or thick barriers.; Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées Fe/MgO/Fe(001) présentent des comportements remarquables dans la limite des faibles ou des fortes épaisseurs de MgO. Ainsi, dans le premier cas, une interaction antiferromagnétique entre les deux couches de fer est observée ; dans le second, des effets de filtrage en symétrie conduisent à l'obtention de fortes valeurs de magnétorésistance. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à étudier et mettre en relation ces deux régimes de propriétés extrêmes. Des analyses en tension et en température nous permettent d'étudier les conséquences d'une modulation de la structure cristalline des électrodes et/ou de l'interface sur le transport polarisé en spin. Dans ce cadre, nous nous intéressons à trois systèmes : des jonctions hybrides Fe/MgO(001)/CoFeB, où l'électrode de CoFeB est déposée par pulvérisation cathodique puis cristallisée in situ, des jonctions Fe/MgO/Fe à texture (001), ainsi que des jonctions Fe/MgO/Fe monocristallines présentant une rugosité artificielle à l'interface barrière/électrode. Le couplage antiferromagnétique dans des systèmes Fe/MgO/Fe(001) à barrière fine est étudié grâce à des mesures de magnétométrie sur la gamme de température [5 K ; 500 K]. Nous considérons aussi l'effet de modifications structurales et/ou chimiques de l'interface par le biais de l'introduction d'une rugosité contrôlée ou d'un contaminant. Les résultats les plus originaux de cette thèse sont obtenus grâce à l'introduction d'une rugosité artificielle à l'interface Fe/MgO ; contre toute attente, ce désordre contrôlé peut en effet augmenter l'effet de magnétorésistance ou l'intensité du couplage antiferromagnétique.

This work focuses on the growth by plasma-assisted molecular beam epitaxy and on the characterization of GaN nanowires (NWs) and of GaN/AlN NW heterostructures. We first investigate GaN NW morphology (density, mean length, mean diameter, length dispersion) dependence on the growth parameters. Using reflection high energy electron diffraction, GaN NW morphology is correlated to their nucleation dynamics. In situ grazing-incidence X-ray diffraction experiments performed at the ESRF allow clarifying GaN NW nucleation processes on bare Si(111) and when usinga thin AlN buffer deposited on Si(111). The use of resonant X-ray diffraction for the determination of GaN NW polarity is then successfully demonstrated. GaN NWs grown on bare Si(111) are shown to be N-polar. Additional KOH selective etching tests reveal that both GaN NWs grown using a thin AlN buffer on Si(111) and when pre-depositing Ga on the Si(111) surface are N-polar, too. Regarding GaN-AlN NW heterostructures, the growth of an AlN shell around GaN NWs is studied as a function of various growth parameters. The AlN shell aspect ratio is described by a geometrical model. Using a combination of multiwavelength anomalous diffraction, high resolution transmission microscopy and theoretical calculations, GaN core strain state is investigated as a function of the AlN shell thickness. This strain is shown to increase with the shell thickness as long as AlN grows homogeneously around GaN NWs. When the shell is asymmetric, the system relaxes plastically. Eventually, we study the possibility to fabricate island-like GaN insertions in AlN NWs. We determine the critical AlN NW radius above which GaN undergoes a 2D to 3D shape-transition. Regarding optical properties of these novel structures, the presence of multiple localized states is identified., Ce travail de thèse porte sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires assistée plasma et sur la caractérisation de nanofils (NF) de GaN et d'hétérostructures filaires de GaN/AlN. Dans un premier temps, la morphologie des NFs de GaN (densité, longueur moyenne, diamètre moyen, dispersion de longueurs) est étudiée en fonction des paramètres de croissance. Via la diffraction d'électrons rapides, la morphologie des NFs GaN est corrélée à la dynamique de nucléation de ces derniers. Des expériences de diffraction de rayons X en incidence rasante effectuées à l'ESRF permettent également de clarifier les processus de nucléation des NFs GaN. Nous démontrons ensuite l'utilisation de la diffraction de rayons X résonnante pour déterminer la polarité des NFs GaN. Nous montrons que ces derniers sont de polarité N lorsque fabriqués sur Si nu. Des tests complémentaires de gravure sélective au KOH révèlent que les NFs GaN fabriqués sur un substrat de Si recouvert d'un fin buffer d'AlN ainsi que ceux dont la fabrication est initiée après pré-déposition de Ga sur la surface du Si, sont aussi de polarité N. Concernant les hétérostructures filaires GaN-AlN, la croissance d'AlN autour et sur les nanofils de GaN est étudiée en fonction de divers paramètres de croissance. Le rapport d'aspect des coquilles d'AlN (longueur/épaisseur) est décrit par un modèle géométrique. En utilisant une combinaison de diffraction anomale multi-longueurs d'onde, de microscopie en transmission de haute résolution et des calculs théoriques, l'état de contrainte des coeurs de GaN est analysé en fonction de l'épaisseur de la coquille. Cette contrainte augmente avec l'épaisseur de la coquille tant que l'AlN croît de manière homogène autour des NFs de GaN. Dès lors que la coquille est asymétrique, le système relaxe plastiquement. Nous étudions enfin la possibilité de fabriquer des îlots de GaN dans des NFs AlN. Nous déterminons le rayon critique de NFs AlN au-dessus duquel le GaN déposé subit une transition de forme de 2D à 3D. L'analyse des propriétés optiques de ces nanostructures originales revèle la présence de nombreux états localisés.

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

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.

L’étude de la surface de GaAs (001) a fait l’intérêt de plusieurs études expérimentales et théoriques depuis les trois dernières décennies, car elle fait l’élément de base dans la structure de la plus part des composants électroniques. Notre étude a porté sur ce point, qui est la modélisation et la simulation de la croissance épitaxiale par jets moléculaires. Pour celà, on présente dans un premier lieu le modèle de la reconstruction de la surface Bêta2(2x4) de GaAs(001). Ce modèle inclus tous les détails microscopiques de la croissance homoépitaxie par jets moléculaires tels que la reconstruction de surface et la structure zinc blende du cristal afin de déterminer la morphologie et la rugosité de la surface formée après une croissance cristalline. Nous avons ensuite effectué une simulation de la croissance épitaxiale particulièrement la homoépitaxie de GaAs sur GaAs et InAs sur InAs à partir d’un flux de As2, en utilisant la méthode de monte catlo cinétique et la caractérisation in situ (en temps réel) par la diffraction RHEED et le courant de photoémission.

This thesis presents a study of the Vapour-Liquid-Solid (VLS) synthesis of silicon and germanium nanowires by Molecular Beam Epitaxy and the effect of the presence of manganese on the growth properties. The presence of manganese strongly modifies the growth of nanowires and observed behaviours are very different for AuSi and AuGe systems. Silicon nanowires grown in the presence of manganese exhibit very interesting morphological and structural properties. The presence of manganese modifies AuSi droplets' diameter and allows manufacturing long nanowires with relatively small diameters. Moreover, the crystalline quality is dramatically improved as compared to that of silicon nanowires grown without manganese. In this manuscript we propose some explanation for the growth phenomena. In the case of germanium nanowires, manganese incorporation could not be obtained by concomitant deposition of germanium and manganese. Consequently, (i) the doping of germanium nanowires by ion implantation as well as (ii) germanium nanowires functionalization by core/shell Ge/GeMn heterostructures formation were considered: - magnetization measurements performed on implanted germanium nanowires demonstrate ferromagnetic properties with Curie temperatures above 400K. This result is very promising for the processing of devices using room-temperature ferromagnetic germanium nanowires ; - in order to access Ge/GeMn nanowires magnetic properties, we processed samples to probe nanowires magnetotransport properties. Electrical resistivities of devices show that transport properties are dominated by GeMn shell layer even more at low temperature. Magnetotransport measurements done at 100K indicate magnetoresistance effects linked with nanowires ferromagnetic properties., Ce mémoire présente une étude de la synthèse par la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) de nanofils de silicium et de germanium par Epitaxie par Jets Moléculaires ainsi que de l'effet de la présence de manganèse sur leur croissance. La croissance des nanofils est fortement modifiée par la présence de manganèse. Les nanofils de silicium élaborés sous un faible flux de manganèse présentent des propriétés morphologiques et structurales remarquables. La présence de manganèse modifie le diamètre d'équilibre des gouttes AuSi utilisées pour la croissance par voie VLS et permet l'élaboration de nanofils de silicium de longueurs élevées et de faibles diamètres. De plus, leur qualité cristalline est considérablement améliorée par rapport aux nanofils de silicium formés sans apport de manganèse. Dans ce mémoire nous proposons quelques explications à ce phénomène. Dans le cas des nanofils de germanium, l'incorporation de manganèse n'a pu être obtenue par codépôt. Aussi, (i) le dopage par implantation ionique de nanofils de germanium et (ii) la fonctionnalisation de nanofils de germanium par la formation d'hétérostructures type cœur/coquille Ge/GeMn ont été considérés : - les mesures d'aimantation effectuées sur des nanofils de germanium implantés au manganèse démontrent l'existence de propriétés ferromagnétiques avec des températures de Curie supérieures à 400K. Il s'agit d'un résultat très prometteur en vue d'applications utilisant des nanofils de germanium ferromagnétiques à température ambiante ; - pour accéder aux propriétés magnétiques des nanofils de germanium fonctionnalisés par dépôt de GeMn, nous avons mis au point une procédure de prises de contacts adaptée à la mesure de leurs propriétés de magnétotransport. Les caractéristiques électriques de ces dispositifs montrent que les propriétés de transport sont dominées par la présence de la couche coquille de GeMn, surtout à basse température. Des mesures de magnétotransport effectuées à 100K indiquent l'existence d'effets de magnétorésistance liés aux propriétés ferromagnétiques des nanofils de Ge ainsi fonctionnalisés.

I started research using synchrotron radiation (at LURE-Orsay and SRS-Daresbury) during my PhD-Thesis, between 1985 and 1988, mostly using X-Ray Absorption Fine Structure (XAS-EXAFS) and Diffuse Scattering, to investigate the structural properties of alloys, in parallel with laboratory physical metallurgy studies2. I next spent one and a half year as a postdoc at Bell-Labs, where I learnt the bases of Grazing Incidence X-Rays Scattering/Diffraction (GIXS/GIXD), both at NSLS (Brokhaven)3,4 and PEP (Stanford)5. I was employed at the CEA in 1990 to develop synchrotron radiations studies of surfaces and thin films. Between 1990 and 1992, I first built a beamline (in collaboration) and a surface diffractometer6 at LURE, on the supraconducting wiggler, in which I performed first surface diffraction (SRXD) experiments. At that time, I choose to investigate the atomic structure of metal-oxide surfaces by SXRD7,8, as well as the in situ growth of metal on oxide by GIXS and GIXD9, performing also the first in situ Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering (GISAXS) measurements with a punctual detector. Then I have been quickly involved in the development of the French Interface CRF/BM32 beamline at the ESRF, where I co-developed (with Robert Baudoing-Savois) a new surface diffractometer10, associated with a large UHV chamber equipped with Molecular Beam Epitaxy (MBE). This instrument went in operation in 1996. I continued the study of oxide surfaces11 and metal-oxide interfaces12-15, there and on different ESRF beamlines, combining SXRD, GIXS, GIXD and 0D-GISAXS. This was a fast developing and very gratifying period, which was partly summarized in 1998 in a review paper13. In 1999, I developed a complete instrument on the ID32 ESRF beamline to perform GISAXS using a 2-dimensional detector, in UHV, in situ during growth, without any window before the sample, the UHV chamber being directly hooked to the sychrotron ring16,17. This yielded GISAXS measurements of exceptional quality which opened a new area of diverse studies, during which I progressively shifted from metal on oxide growth to the organized growth of metal dots on different patterned substrates1,16,18-23. Around 2001, I developed in situ GISAXS, combined with SXRD/GIXS/GIXD, on the MBE X-ray chamber of the BM32 beamline. Between 2000 and 2005, both instruments have been intensively exploited to investigate growing metal on oxides and (nanostructured) metal surfaces, together with first studies of germanium growth on nanostructured Si surfaces. I had the chance to collaborate with Remi Lazzari, a postdoc, Frederic Leroy, a PhD-student, and Christine Revenant, forming a team who developed the quantitative analysis of our GISAXS data, trying to go beyond simple analyses, and to understand in detail the diffuse scattering in GISAXS16,18,19,21,24. In parallel, thanks to the venue in our laboratory of specialists of anomalous scattering (Vincent Favre-Nicolin, Hubert Renevier, Johann Coraux), we developed the technique of Multiple Anomalous GISAXS (MAD-GISAXS)22. During all these years, we performed GISAXS measurements during growth, probing the morphology, in parallel with scattering measurements (SXRD, GIXS, GIXD), sometimes 2 anomalous, to probe the structure and composition of growing islands. Because covering all these results would be too wide a field , I have chosen in the first part of this manuscript to concentrate on the GISAXS part of our studies, corresponding to about 6 years of work, between 1999 and 2005. This work also led to the writing of an invited review25. Since then, my research has evolved toward in situ studies with all these x-ray techniques, of the growth of semiconductor islands (Ge on Si) and semiconductor surface structure26, with a very recent extension of our MBE system to perform Chemical beam Epitaxy (CBE or UHV-CVD, Chemical Beam Epitaxy) in parallel with MBE. One of the objective of this combined MBE/CVD system is to allow for in situ structural investigations of growing semiconductor nanowires, which we already started by studying the fusion/solidification processes of AuSi eutectic catalysers27. This last work is the object of a very brief perspective chapter at the end of this manuscript. During all my research work, I have tried to develop and use synchrotron radiation scattering techniques to get the most accurate structural or morphological information during growth, with the goal of going beyond technical studies, to try to understand the basic mechanisms of the processes involved, such as the 3D growth of metal on oxide, or the intermixing between the Si substrate and the Ge deposit. I hope that this permanent concern is also revealed in this manuscript.

I started research using synchrotron radiation (at LURE-Orsay and SRS-Daresbury) during my PhD-Thesis, between 1985 and 1988, mostly using X-Ray Absorption Fine Structure (XAS-EXAFS) and Diffuse Scattering, to investigate the structural properties of alloys, in parallel with laboratory physical metallurgy studies2. I next spent one and a half year as a postdoc at Bell-Labs, where I learnt the bases of Grazing Incidence X-Rays Scattering/Diffraction (GIXS/GIXD), both at NSLS (Brokhaven)3,4 and PEP (Stanford)5. I was employed at the CEA in 1990 to develop synchrotron radiations studies of surfaces and thin films. Between 1990 and 1992, I first built a beamline (in collaboration) and a surface diffractometer6 at LURE, on the supraconducting wiggler, in which I performed first surface diffraction (SRXD) experiments. At that time, I choose to investigate the atomic structure of metal-oxide surfaces by SXRD7,8, as well as the in situ growth of metal on oxide by GIXS and GIXD9, performing also the first in situ Grazing Incidence Small Angle X-Ray Scattering (GISAXS) measurements with a punctual detector. Then I have been quickly involved in the development of the French Interface CRF/BM32 beamline at the ESRF, where I co-developed (with Robert Baudoing-Savois) a new surface diffractometer10, associated with a large UHV chamber equipped with Molecular Beam Epitaxy (MBE). This instrument went in operation in 1996. I continued the study of oxide surfaces11 and metal-oxide interfaces12-15, there and on different ESRF beamlines, combining SXRD, GIXS, GIXD and 0D-GISAXS. This was a fast developing and very gratifying period, which was partly summarized in 1998 in a review paper13. In 1999, I developed a complete instrument on the ID32 ESRF beamline to perform GISAXS using a 2-dimensional detector, in UHV, in situ during growth, without any window before the sample, the UHV chamber being directly hooked to the sychrotron ring16,17. This yielded GISAXS measurements of exceptional quality which opened a new area of diverse studies, during which I progressively shifted from metal on oxide growth to the organized growth of metal dots on different patterned substrates1,16,18-23. Around 2001, I developed in situ GISAXS, combined with SXRD/GIXS/GIXD, on the MBE X-ray chamber of the BM32 beamline. Between 2000 and 2005, both instruments have been intensively exploited to investigate growing metal on oxides and (nanostructured) metal surfaces, together with first studies of germanium growth on nanostructured Si surfaces. I had the chance to collaborate with Remi Lazzari, a postdoc, Frederic Leroy, a PhD-student, and Christine Revenant, forming a team who developed the quantitative analysis of our GISAXS data, trying to go beyond simple analyses, and to understand in detail the diffuse scattering in GISAXS16,18,19,21,24. In parallel, thanks to the venue in our laboratory of specialists of anomalous scattering (Vincent Favre-Nicolin, Hubert Renevier, Johann Coraux), we developed the technique of Multiple Anomalous GISAXS (MAD-GISAXS)22. During all these years, we performed GISAXS measurements during growth, probing the morphology, in parallel with scattering measurements (SXRD, GIXS, GIXD), sometimes 2 anomalous, to probe the structure and composition of growing islands. Because covering all these results would be too wide a field , I have chosen in the first part of this manuscript to concentrate on the GISAXS part of our studies, corresponding to about 6 years of work, between 1999 and 2005. This work also led to the writing of an invited review25. Since then, my research has evolved toward in situ studies with all these x-ray techniques, of the growth of semiconductor islands (Ge on Si) and semiconductor surface structure26, with a very recent extension of our MBE system to perform Chemical beam Epitaxy (CBE or UHV-CVD, Chemical Beam Epitaxy) in parallel with MBE. One of the objective of this combined MBE/CVD system is to allow for in situ structural investigations of growing semiconductor nanowires, which we already started by studying the fusion/solidification processes of AuSi eutectic catalysers27. This last work is the object of a very brief perspective chapter at the end of this manuscript. During all my research work, I have tried to develop and use synchrotron radiation scattering techniques to get the most accurate structural or morphological information during growth, with the goal of going beyond technical studies, to try to understand the basic mechanisms of the processes involved, such as the 3D growth of metal on oxide, or the intermixing between the Si substrate and the Ge deposit. I hope that this permanent concern is also revealed in this manuscript.

This Ph.D memoir presents the development work of an experimental setup especially designed for the study of the fast atom diffraction and its use as a method to control the thin films growth in an epitaxy chamber. Studies of the surfaces of KBr(100) and NaCl(001) with this new setup are presented. A new diffraction regime which may correspond to coherent longitudinal and normal motions is identified. The enhanced resolution allows observation of topological defects such as the surface mosaicity. A study of the Ag(100) surface is also presented showing that fast atom diffraction can be observed on metal surface as that the inelastic excitations processes do not completely destroy the coherence. Finally, we present the first results obtained with GIFAD as a method to control thin film growth., Ce mémoire de thèse présente le développement d'un dispositif expérimental spécialement conçu pour l'étude de la diffraction d'atomes rapides et son utilisation pour suivre la croissance de couches minces sur un bâti d'épitaxie. Des études de surfaces de KBr(100) et de NaCl(100) avec ce nouveau dispositif sont présentées. Nous nous sommes intéressés notamment à la forme du potentiel que les atomes perçoivent lorsqu'ils diffusent sur une surface de KBr(100). Nous avons également mis en évidence lors de ces études un nouveau régime de diffraction qui semble correspondre à des mouvements longitudinaux et normaux cohérents. Grâce à des images mieux résolues, nous avons montré comment la diffraction d'atomes rapides permet d'observer et quantifier des défauts topologiques comme la mosaïcité. Une étude d'une surface d'Argent (110) est aussi présentée. Elle a permis d'observer la diffraction d'atomes rapides sur les métaux, montrant ainsi que GIFAD est applicable aux trois types de matériaux (isolants, semi-conducteurs et métaux) et que les processus d’excitations électroniques sur ces surfaces ne détruisent pas complètement la cohérence.Enfin des premiers résultats de GIFAD en tant que technique de suivi de croissance par épitaxie sont présentés dans ce travail.

Semiconductor nanowires (NWs) have seen an increasing interest for the last ten years either for the study of their fundamental properties or for their high potential for applications in the field of microelectronics (high speed transistor) and optoelectronics (LED, LASER photovoltaics) For instance, thanks to their specific mode for lattice-mismatch relaxation, IIIVNWs can be grown on foreign substrates such as Si for monolithic integration with keeping a high crystalline quality. This PhD thesis has been oriented towards the growth and characterization of InP naowires on Si by VLS assisted MBE technique. We have studied growth mechanisms as a function of growth parameters, more specifically the effect of V/IIIBEP ratio, and have compared experimental results to theoretical predictions on growth kinetics. We also have studied the growth of InP NWs on SrTiO3 substrates in order to favor the vertical growth on Si (001). For technological applications, we have performed doping, growth of core-shell heterostructures experiments. We also tried selective epitaxy for thesurface localisation of NWs., Les nanofils (NFs) semiconducteurs suscitent un intérêt croissant depuis ces dix dernières années, aussi bien pour leurs propriétés fondamentales que pour leurs applications potentielles dans de nombreux domaines (électronique, optoélectronique, photonique, photovoltaïque, ...). Par exemple, grâce à leur aptitude à relaxer des contraintes, ils présentent une nouvelle voie pour l'intégration monolithique des matériaux semiconducteurs III-V sur le substrat de Silicium. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse axée sur la croissance de NFs d'InP sur Silicium par la technique d'épitaxie EJM en mode VLS (pour Vapeur-Liquide-Solide). Nous avons étudié les mécanismes de croissance VLS de ces NFs et comparé nos résultats expérimentaux à des modèles théoriques. Nous avons plus particulièrement décrit la forme, la direction de croissance, la nature des facettes et les propriétés structurales des NFs d'InP, en fonction des conditions de croissance, en particulier du rapport V/III. Nous avons aussi étudié la croissance de NFs d'InP sur une surface de SrTiO3 qui vise à l'obtention de NFs verticaux sur Si(001). Nous avons enfin abordé d'autres aspects nécessaires pour l'intégration de tels NFs dans des composants actifs, comme la croissance d'héterostructures axiale, le dopage ou encore la localisation spatiale de ces NFs.

Oxides form a class of material which covers almost all the spectra of functionalities : dielectricity, semiconductivity, metallicity superconductivity, non-linear optics, acoustics, piezoelectricity, ferroelectricity, ferromagnetism…In this thesis, crystalline oxides have beenintegrated on the workhorse of the semiconductor industry, the silicon, by Molecular Beam Epitaxy (MBE).The first great interest of the epitaxial growth of crystalline oxides on silicon consists in the application of “high-k” dielectric for future sub-22nm CMOS technology. Gadoliniumoxide was explored in detail as a promising candidate of the alternative of SiO2. The pseudomorphic epitaxial growth of Gd2O3 on Si (111) was realized by identifying the optimal growth conditions. The Gd2O3 films show good dielectric properties and particularly an EOTof 0.73nm with a leakage current consistent with the requirements of ITRS for the sub-22nmnodes. In addition, the dielectric behavior of Gd2O3 thin films was further improved by performing PDA treatments. The second research interest on crystalline oxide/Si platform results from its potential application for the “More than Moore” and “Heterogeneous integration” technologies. TheSrTiO3/Si (001) was intensively studied as a paradigm of the integration of oxides on semiconductors. The crystallinity, interface and surface qualities and relaxation process of the STO films on silicon grown at the optimal conditions were investigated and analyzed. Several optimized growth processes were carried out and compared. Finally a “substrate-like” STO thin film was obtained on the silicon substrate with good crystallinity and atomic flat surface. Based on the Gd2O3/Si and SrTiO3/Si templates, diverse functionalities were integrated on the silicon substrate, such as ferro-(piezo-)electricity (BaTiO3, PZT and PMN-PT),ferromagnetism (LSMO) and optoelectronics (Ge). These functional materials epitaxially grown on Si can be widely used for storage memories, lasers and solar cells, etc.; Les oxydes forment une classe de matériaux qui couvrent un vaste spectre de fonctionnalités: diélectricité, semiconductivité, métallicité, supraconductivité, optique non linéaire, acoustique, piézoélectricité, ferroélectricité, ferromagnétisme… Dans cette thèse nous avons réalisé l’intégration d’oxydes sous forme de couches minces cristallines sur silicium, en utilisant l’épitaxie par jets moléculaires (EJM).Le premier objectif de la croissance d’oxydes cristallins sur silicium est de réaliser des isolateurs de grille à forte constante diélectrique pour les technologies CMOS avancées« sub-22nm ». L’utilisation de l’oxyde de gadolinium (Gd2O3) a été explorée en détail comme un candidat très prometteur pour remplacer l’oxyde de grille traditionnelle qu’est la silice(SiO2). La croissance épitaxiale de Gd2O3 sur le substrat Si (111) a été réalisée en identifiant les conditions de croissance optimale pour obtenir de bonnes propriétés diélectriques avec notamment l’obtention d’une valeur d’EOT de 0,73nm et des courants de fuite compatibles avec les spécifications de l’ITRS pour les noeuds « sub-22nm ». En outre, les propriétés diélectriques de Gd2O3 ont pu être améliorées en effectuant des recuits post-dépôts. L’autre intérêt d’avoir un empilement d’oxydes cristallins sur silicium repose sur leurs applications potentielles dans les technologies « Plus que Moore » ainsi que pour l’« Intégrations hétérogènes». Le système SrTiO3/Si (001) a été étudié comme un système modèle de l'intégration des oxydes sur semi-conducteur. La cristallinité, la qualité de l’interface oxyde-semiconducteur, l’état de surface et le processus de relaxation de STO déposé sur silicium ont été examinés et analysés, permettant de déterminer des conditions de croissance optimales. Plusieurs processus de croissance ont été réalisés et comparées. Finalement, une couche mince de STO de même qualité qu’un substrat massif a pu être obtenue sur silicium avec une bonne cristallinité et une surface atomiquement lisse. A partir des empilements de Gd2O3/Si et SrTiO3/Si, il a été possible d’intégrer sur silicium des oxydes possédant des fonctionnalités variées comme la ferro-(piézo-)électricité(BaTiO3, PZT et PMN-PT), le ferromagnétisme (LSMO) et l’optoélectronique (Ge). Ces couches minces fonctionnelles sur Si peuvent être alors largement utilisées pour des applications de stockage mémoire, les lasers et les cellules solaires, etc.

This work reports on the design, epitaxial growth and characterization of Al(Ga)N/GaN quantum wells (QWs) and quantum dots (QDs) which constitute the active region of intersubband (ISB) devices operating in the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral regions. Growth of these structures was performed using molecular beam epitaxy. The deposition process required fine tuning due to the large lattice mismatch. Infrared optical characterization demonstrates that the polarization-induced internal electric fields introduces a blue shift of the transitions and can critically modify the absorption magnitude. Three-dimensionally confined GaN/AlN QDs introduces many novel properties for application as active region in ISB devices. The growth of QDs was performed under both Ga-rich and N-rich conditions. Dilution of QDs with required size was achieved using the enhanced-mobility condition of the Ga-rich method. Spectroscopic studies reveal absence of non-radiative recombination even in long lived QDs. Photodetectors fabricated on GaN/AlN QD superlattices present photocurrent at NIR and MIR, assigned to s-pz and s-pxy transitions, respectively. The dark current depends on the QD density due to hopping transport. Foreseeing the importance of ISB devices in MIR and far-infrared regions of the spectrum, we have achieved ISB wavelength extension up to ~ 10 µm. This was performed basically by decreasing the internal electric-field and reducing the quantum confinement in GaN/AlGaN QW superlattices. Doping can induce a blue shift of more than 50% of the ISB transition energy, due to many-body effects., Ce travail a porté sur la modélisation, l'épitaxie et la caractérisation de puits quantiques et de boîtes quantiques Al(Ga)N/GaN, qui forment la région active de composants intersousbande (ISB) opérant dans l'infrarouge proche (NIR) et l'infrarouge moyen (MIR). La croissance de ces structures a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires. La caractérisation optique infrarouge montre que les champs électriques induits par la polarisation introduisent un décalage vers le bleu des transitions et peuvent modifier de façon critique la magnitude de l'absorption. Les boîtes quantiques (QDs) de GaN/AlN confinées en trois dimensions introduisent de nombreuses nouvelles propriétés pour leur utilisation en tant que région active de composants ISB. La croissance des QDs a été réalisée dans des conditions riche-Ga et riche-N. Les études spectroscopiques révèlent l'absence de recombinaisons non radiatives même dans le cas de QDs ayant des longs temps de vie. Les photodétecteurs fabriqués à partir de superréseaux de QDs de GaN/AlN présentent un photocourant dans le NIR et dans le MIR attribué respectivement aux transitions s-pz et s-pxy. Le courant d'obscurité dépend de la densité des QDs dû au transport hopping. Prévoyant l'importance des composants ISB dans les régions spectrales du MIR et de l'infrarouge lointain, nous avons obtenu une extension de la longueur d'onde ISB jusqu'à ~ 10 µm. Ce résultat a été obtenu en diminuant le champ électrique interne et en réduisant le confinement dans les puits quantiques GaN/AlGaN. Le dopage peut introduire un décalage vers le bleu de plus de 50% de l'énergie de transition ISB dû aux effets des corps multiples.

This work deals with epitaxial growth of aluminium nitride (AlN) thin films on silicon substrates. Structural and optical properties of AlN grown by molecular beam epitaxy are studied depending on substrate orientation and surface preparation. The sound velocity of acoustic waves and piezoelectric coefficients e31 and d33 are also measured. Preliminary results on bulk acoustic wave resonators show that epitaxial AlN thin films would allow the fabrication of devices operating up to high frequencies. In the last part, we present some side results resulting to this study. In particular, it is shown how the improvement of the quality of AlN impacts properties of GaN-based heterostructures. Some prospects are highlighted regarding the fabrication of micro-nanostructures and potentialities towards integration with the silicon technology are also discussed.; Ce travail concerne l‟étude de la croissance épitaxiale de couches fines de nitrure d‟aluminium (AlN) sur substrats silicium. Les propriétés structurales et optiques de l‟AlN épitaxié par jets moléculaires sont étudiées en fonction de l‟orientation et de la préparation de surface du substrat. La vitesse de propagation des ondes acoustiques et les coefficients piézoélectriques e31 et d33 sont mesurés. Des mesures préliminaires sur des résonateurs à ondes acoustiques de volume confirment que l‟utilisation de couches épitaxiées permet la réalisation de composants capables de fonctionner à hautes fréquences. Dans la dernière partie, nous présentons des résultats collatéraux à cette étude et plus particulièrement nous montrons l‟effet de l‟amélioration de la qualité de la couche tampon d‟AlN sur la croissance d‟hétérostructures à base de GaN sur substrat silicium et nous dégageons quelques perspectives concernant la fabrication de micro-nanostructures et la possibilité d‟intégrer cette famille de matériaux à la filière silicium.

This work deals with epitaxial growth of aluminium nitride (AlN) thin films on silicon substrates. Structural and optical properties of AlN grown by molecular beam epitaxy are studied depending on substrate orientation and surface preparation. The sound velocity of acoustic waves and piezoelectric coefficients e31 and d33 are also measured. Preliminary results on bulk acoustic wave resonators show that epitaxial AlN thin films would allow the fabrication of devices operating up to high frequencies. In the last part, we present some side results resulting to this study. In particular, it is shown how the improvement of the quality of AlN impacts properties of GaN-based heterostructures. Some prospects are highlighted regarding the fabrication of micro-nanostructures and potentialities towards integration with the silicon technology are also discussed.; Ce travail concerne l‟étude de la croissance épitaxiale de couches fines de nitrure d‟aluminium (AlN) sur substrats silicium. Les propriétés structurales et optiques de l‟AlN épitaxié par jets moléculaires sont étudiées en fonction de l‟orientation et de la préparation de surface du substrat. La vitesse de propagation des ondes acoustiques et les coefficients piézoélectriques e31 et d33 sont mesurés. Des mesures préliminaires sur des résonateurs à ondes acoustiques de volume confirment que l‟utilisation de couches épitaxiées permet la réalisation de composants capables de fonctionner à hautes fréquences. Dans la dernière partie, nous présentons des résultats collatéraux à cette étude et plus particulièrement nous montrons l‟effet de l‟amélioration de la qualité de la couche tampon d‟AlN sur la croissance d‟hétérostructures à base de GaN sur substrat silicium et nous dégageons quelques perspectives concernant la fabrication de micro-nanostructures et la possibilité d‟intégrer cette famille de matériaux à la filière silicium.

Epitaxial magnetic tunnel junctions are model systems in order to test the spin polarized tunnel effect theory. MgO(001) based junctions are thus subject of many studies. Some of them experimentally established the existence of coherent tunnelling involving the symmetry of Bloch states. However quantitatively, characteristics of real junctions strongly deviate from predictions. The role of imperfections in the barrier and at the interfaces is suspected but the current knowledge of dominant mechanisms is still limited. This thesis experiments aim at identifying and controlling several properties of the interfaces, of the barrier and of the electrodes which influence tunnelling. We study the consequences of an excess of oxygen at the Fe/MgO interface in Fe/MgO/Fe(001) junctions. Preparing a model Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) stacking allows us to confirm some expected effects, namely the appearance of an additionnal potential barrier at the interface for states with Δ1 symmetry. However, and unexpectedly, the magnetoresistance little depends on the presence of oxygen. On the other hand, it is very sensitive to the crystallographic quality of interfaces. We show evidence for the detrimental influence of disorder and of the misfit between the MgO barrier and the supporting electrode. Using Fe V alloys with variable composition allows us to reduce the misfit and the dislocations density, which in turn induces a great enhancement of the magnetoresistance. We finally investigate how the electronic structures of Fe Co and Fe V alloys express themselves in tunnelling. In addition, we probe by spin resolved photoemission the Δ bands and interfacial resonance states of free and MgO covered (001) surfaces.; Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l'expérience à la théorie de l'effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l'objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d'établir expérimentalement l'existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s'expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d'un excès d'oxygène à l'interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d'un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d'une barrière additionnelle à l'interface pour les états de symétrie Δ1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d'oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l'électrode sous-jacente. L'emploi d'alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes Δ et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO.

This work is based on the growth, by molecular beam epitaxy, of semiconductor heterostructures in which tellurium and selenium coexist. The goals are to develop optimized growth conditions and to study the specific physical properties due to this coexistence. More specifically, we worked on ZnTe/ZnSe type-II quantum wells and quantum dots, and on isoelectronic centers CdTe: Se.For ZnTe highly strained on ZnSe we observed a Stranski-Krastanov like relaxation and surface reorganization, but with large scale undulations. Nevertheless we managed to obtained nanometer scale islands thanks to a surface treatment based on amorphous tellurium deposition and sublimation. Then we were faced with difficulties regarding islands capping to form quantum dots. Under usual ZnSe growth conditions, the ZnTe islands are fully flattened and disappear. We propose new growth conditions to preserve the islands and obtain 0D confinement. We observe that the nanostructures we developed are never based on pure ZnTe in ZnSe but on ordered alloy ZnSeTe which forms spontaneously.We studied in details the photoluminescence and time resolved photoluminescence properties of thin ZnTe/ZnSe quantum wells and of ZnTe/ZnSe quantum dot planes. The huge difference observed between those two kinds of samples is fully explained by a model based on electrostatic and statistical peculiarity of confinement in the case of type-II band alignment.The last part of this manuscript is dedicated to the delta-doping of CdTe with selenium. We succeeded in isolating a single selenium based localization center and study the anti-bunching of photons emitted by such centers, proving that they behave as single photons emitters., Ce travail repose sur le développement de la croissance, par épitaxie par jets moléculaires, d'hétérostructures présentant une alliance de deux familles de matériaux semi-conducteurs: les tellurures et les séléniures. Il tend à montrer l'originalité des propriétés physique spécifiques de cette association en développant deux cas: les puits et les boîtes quantiques de type-II ZnTe/ZnSe et les centres isoélectroniques CdTe:Se. Pour ZnTe fortement contraint sur ZnSe, une transition morphologique de type Stranski-Krastanow non-standard a été observée. La formation d'îlots nanométriques a pu être obtenue grâce à un traitement de surface à base de Te amorphe. Lors de leur encapsulation, nous avons été confrontés à une disparition totale de ces îlots. Nous proposons de nouvelles conditions de croissance qui limitent les phénomènes de ségrégation, ou d'échange Se/Te, et préservent en partie les îlots. Cependant les nanostructures obtenues ne contiennent pas ZnTe sous forme binaire pure mais sous forme d'alliage ordonné ZnSeTe. Les propriétés de photoluminescence d'un plan de boîtes quantiques et celles d'un puits quantique ZnTe/ZnSe sont analysées et comparées. Nous proposons un modèle capable de décrire parfaitement les différents résultats optiques spécifiques d'un système où l'alignement de bande est de type-II. Ce modèle est basé sur des arguments statistiques et électrostatiques.La dernière partie traite de l'insertion d'atomes de sélénium dans CdTe sous forme d'un dopage planaire. Des centres isoélectroniques sélénium ont pu être isolés. Une mesure du dégroupement des photons émis montre que ces objets individuels se comportent comme des émetteurs de photons uniques.

To face up the increase in their application fields, laser emitters, including VCSELs, are moving rapidly towards greater integration capabilities, as well as diversified functionalities. Sophisticated structures and geometries for these devices are then mandatory, which implies overcoming first some technological limits. This thesis focuses, on the one hand, on the implementation of a methodology for optimizing molecular beam epitaxial growth from a rapid diagnostic method (uniformity, optical properties control) that can be applied to novel VCSEL structures with stacks of non-periodic layer. On the other hand, the wet GaAlAs oxidation technology is studied. This process, known as AlOx, opens the way for obtaining high-performance single-mode VCSELs through the resulting electro-optical lateral confinement. With the aim of an ultimate control and fine engineering for this confinement, the kinetics of oxidation is thoroughly investigated, an novel oven with a real-time in situ control of the oxidation front is presented, and a derived oxidation technique from the surface of a GaAlAs buried layer is demonstrated. This work contributes to the development of technologies for vertical and lateral structurations into vertical microcavity devices, opening up for VCSELs improved performances and new functionalities.; Face à la diversification des domaines d'application en optoélectronique, les émetteurs lasers, dont les VCSELs, évoluent rapidement vers une plus grande capacité d'intégration, ainsi qu'un accroissement de leurs fonctionnalités. Ceci a pour conséquence une sophistication des structures et des géométries de ces composants, impliquant la levée de certains verrous technologiques. Ce travail de thèse porte, d'une part, sur la mise en place d'une méthodologie d'optimisation de la croissance, d'analyse et de diagnostic rapide intégrée au procédé d'épitaxie par jets moléculaires (uniformité, maîtrise des propriétés optiques) démontrée sur de nouvelles structures VCSEL à multicouche complexe. D'autre part, la technologie d'oxydation d'alliages GaAlAs a été étudiée. Ce procédé, appelé AlOx, a ouvert la voie à l'obtention de composants monomodes performants grâce au confinement électro-optique latéral efficace qu'il réalise. Dans le but d'une maîtrise ultime et d'une ingénierie fine de ce confinement, nous avons approfondi la compréhension des cinétiques d'oxydation, mis en place un four avec contrôle en temps réel du front d'oxydation, et étudié une nouvelle technique d'oxydation d'une couche enterrée GaAlAs à partir de la surface. Ce travail contribue au développement des technologies de structurations verticale et latérale dans les composants à microcavité verticale, qui visent à leur ouvrir de nouvelles performances et fonctionnalités.

Since the first proposal in 1995 of replacing the polysilicon floating gate of the non volatile memories (NVM) by Si nanocrystals (nc-Si), research in this field is very active. The objective of this study consists in the fabrication of an InAs nanocrystals (nc-InAs) NVM: thus, using InAs allows first the improvement of NVM characteristics thanks to a high electronic affinity, and second, the evaluation of multibits storage in a unique nanocrystal. The nc-InAs have been grown by molecular beam epitaxy (MBE) on a tunnel SiO2 layer on Si. The nc-InAs are monocrystalline and hemispherical. Their height depends on the number of deposited InAs monolayers (from 2 to 10 nm), whereas the density depends on the growth temperature. The maximal density has been evaluated to be 7x1011 cm-2 at a growth temperature of 350 oC. Using MBE, we fabricated MOS structure containing nc-InAs. The write and erase time is 1 us and 100 us, at 12 V and 11 V respectively. The retention time at 85 % for a structure with 3.5 nm tunnel oxide and containing 6 nm in diameter nc-InAs is 45 days. For the best of our knowledge, this is the best result in retention for nc-NVM with 3.5 nm tunnel oxides. By quantum calculations, we demonstrated that the retention time is 2 decades higher in nc-InAs than in nc-Si for MOS structures with identical dimensions. Finally, we showed that a 10 years retention time in NVM can be reached using a 4 nm tunnel oxide and 10 nm in diameter nc-InAs., Depuis 1995 et la première proposition de remplacer la grille flottante en polysilicium des mémoires non volatiles (MNV) par des nanocristaux de Si (nc-Si), la recherche est très active dans ce domaine. Cette étude se propose d'une part, d'améliorer les caractéristiques d'une MNV à nanocristaux en termes de temps de rétention et d'autre part, d'évaluer les possibilités d'un stockage multibits dans ces nanocristaux. De ce point de vue, le semiconducteur InAs présente des avantages par rapport au Si. En effet, l'InAs possède un offset de bande de conduction plus important que le Si avec l'oxyde SiO2, ce qui devrait conduire à un meilleur confinement des électrons et donc à un meilleur temps de rétention qu'avec le Si. Par ailleurs, la masse effective des porteurs dans l'InAs étant plus faible que celle dans le Si, les niveaux confinés sont mieux séparés, ce qui augmenterait les potentialités de stockage multibits avec des électrons. L'objectif de ma thèse a consisté à évaluer le potentiel d'une MNV à nanocristaux d'InAs (nc-InAs) par comparaison aux MNV à nc-Si. Dans un premier temps, il s'est agi de faire croître, dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires, des nc-InAs sur un oxyde tunnel SiO2 formé sur un substrat Si. Les nanocristaux sont monocristallins et hémisphériques. Il s'est avéré que la température de croissance joue un rôle prépondérant dans le contrôle de la densité des nc-InAs alors que leur taille (de 2 à 10 nm de hauteur) dépend plutôt de la quantité de matière déposée. Leur densité peut atteindre 7 x 10^11 cm^(-2). Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué des structures Métal-Oxyde-Semiconducteur (MOS) à nc-InAs destinées à intégrer des cellules mémoires. Nous avons montré qu'il était possible de charger et de décharger les structures à nc-InAs. Les temps d'écriture et effacement peuvent atteindre 1 us et 0,1 ms respectivement à 12 V et 11 V. Par ailleurs, les mesures des temps de rétention ont démontré que l'utilisation des nc-InAs permet d'augmenter le temps de rétention de 2 décades par rapport aux nc-Si pour une structure de dimensions identiques. Il s'avère que l'amélioration des caractéristiques de rétention des électrons dans les nc-InAs est due à l'offset de bande plus important de l'InAs avec le SiO2 que Si. En conclusion, la maîtrise de la croissance et de l'encapsulation des nc-InAs a permis leur intégration dans des dispositifs mémoires tests qui ont présenté des caractéristiques prometteuses pour les mémoires non volatiles.

The spin filtering effect is a phenomenon, which can potentially produce highly spin-polarized electron currents by the spin-selective transport of electrons across a magnetic tunnel barrier. In this thesis, we present a study of the material cobalt ferrite (CoFe2O4), whose insulating behavior and high Curie temperature make it a very good candidate for spin filtering at room temperature. CoFe2O4 thin films were grown by oxygen plasma-assisted molecular beam epitaxy. Their structural, chemical and magnetic properties were studied by a number of in situ and ex situ characterization techniques. CoFe2O4-based spin-filter tunnel junctions were then prepared for spin-polarized tunnelling experiments involving either the Meservey-Tedrow technique or tunnelling magnetoresistance (TMR) measurements. In the case of the latter experiments, we also paid special attention to the magnetization reversal behavior of the CoFe2O4 spin-filter barrier and its magnetic counter-electrode (Co or Fe3O4), which was a crucial step towards the successful measurement of TMR. In both cases, spin-polarized transport measurements reveal significant spin-polarization of the tunnelling current at low temperature, and at room temperature in the case of the TMR. In addition, the TMR ratio follows a unique bias dependence that has been theoretically predicted to be the signature of spin filtering in magnetic tunnel barriers. We therefore show that CoFe2O4 tunnel barriers provide a model system to investigate spin filtering in a wide range of temperatures., Le filtrage de spin est un phénomène physique qui permet de générer des courants d'électrons polarisés en spin grâce au transport sélectif à travers une barrière tunnel magnétique. Dans cette thèse, nous présentons une étude du matériau ferrite de cobalt (CoFe2O4), dont le caractère isolant et la température de Curie élevée en font un très bon candidat pour le filtrage de spin à température ambiante. L'élaboration des couches minces de CoFe2O4 a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d'oxygène. Les propriétés structurales, chimiques et magnétiques ont été étudiées par plusieurs méthodes de caractérisation in situ et ex situ. Des jonctions tunnel à base de CoFe2O4 ont été préparées pour des mesures de transport tunnel polarisé en spin, soit par la méthode de Meservey-Tedrow, soit par des mesures de magnétorésistance tunnel (TMR). Dans ce dernier cas, nous avons porté une attention particulière au retournement magnétique de la barrière tunnel de CoFe2O4 et de la contre électrode magnétique (Co ou Fe3O4), une étape cruciale avant toute mesure de TMR. Dans les deux cas, les mesures de transport tunnel polarisé en spin ont révélé des polarisations significatives du courant tunnel à basse température, et à température ambiante pour les mesures de TMR. Par ailleurs, nous avons trouvé une dépendance unique entre la TMR et la tension appliquée qui reproduit celle prédite théoriquement pour les barrières tunnel magnétiques. Nous démontrons ainsi que les barrières tunnel de CoFe2O4 constituent un système modèle pour étudier le filtrage de spin dans une large gamme de températures.

This work reports on the growth and the structural and optical properties of non-polar m-plane GaN/AlN heterostructures deposited on m-plane 6H-SiC by Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy.We first studied AlN and GaN thick layers. The optimal growth conditions were achieved in metal-rich conditions. They both exhibit anisotropic surface morphology: stripped for AlN and slatted for GaN.Next, we studied the growth of GaN/AlN heterostructures. GaN quantum wells are obtained in N-rich conditions whereas GaN quantum wires or quantum dots are formed in Ga rich conditions by Stranski-Krastanow growth mode. The shape of these GaN nanostructures is depending on the strain state of the AlN buffer layer. Optical studies revealed a strong reduction of the internal electric field in m-plane GaN/AlN heterostructures.Finally, we focused on the shape evolution of wires and dots with the amount of GaN deposited. We demonstrated the existence of a dots to wires transition. It takes place above a critical size that can be controlled by the amount of GaN deposited or by the growth of superlattices., Ce travail de thèse a porté sur l'étude de la croissance et des propriétés structurales et optiques des hétérostructures non-polaires de GaN/AlN plan m, déposées sur 6H-SiC plan m par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d'azote.Nous avons tout d'abord étudié les couches épaisses d'AlN et de GaN. Les conditions de croissance de ces couches sont optimales en conditions riche métal. Toutes deux présentent des morphologies de surface anisotropes mais différentes l'une de l'autre avec une morphologie de type « tôle ondulée » pour l'AlN et « toît de tuiles » pour le GaN.Nous nous sommes ensuite intéressés à la croissance d'hétérostructures de GaN/AlN. Nous avons démontré que la croissance de GaN en conditions riche N aboutit à la formation de puits quantiques de GaN tandis que la croissance en conditions riche Ga permet de former des fils ou des boîtes quantiques par le mode de croissance Stranski-Krastanow. Nous avons démontré que cette différence de morphologie pour les nanoobjets de GaN était liée à l'état de relaxation de la couche tampon d'AlN. Des études optiques ont mis en évidence une forte réduction du champ électrique interne dans les hétérostructures de GaN/AlN plan m.Pour finir, nous avons étudié l'évolution de la morphologie des fils et des boîtes en fonction de la quantité de GaN déposée. Nous avons démontré l'existence d'une transition de forme ''boîtes-fils'' lorsque l'aire des boîtes excède une taille critique. Cette aire peut être contrôlée par la quantité de matière déposée mais également par la réalisation de superréseaux.