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International audience; Eclairage durable : du développement de matériaux eco-friendly au recyclage de la technologie actuelle

In latest years, the number of gadgets and apps relying on wireless communication hasexploded, resulting in major changes in people's lifestyles. To manage this increase inconnectivity, several advanced techniques are planned with 5G standards, while trying tominimize the negative impact of power consumption. Light-Fidelity (Li-Fi) technology, alsoreferred to as visible light communication (VLC), is an alternate solution to this problem. This isa novel visible light data transmission system that, like Wi-Fi, employs light-emitting diodes andlaser light sensors as a high-speed communication medium. In terms of wireless communication,Li-Fi outperforms Wi-Fi. It has a better capacity in terms of bandwidth in the visible area anddoes not cause radio frequency interference communications. It should also be mentioned that LiFi allows for user mobility and multi-user access. The combined infrared and visible lightspectrums are nearly 2600 times larger than the whole 300 GHz radio waves band.The primary goal of this thesis is to focus on the modulation of high frequency light toencode and transmit information with an interest in the security aspect in the case of computerattacks. Our contribution consists in proposing a new solution based on the differentenvironments in order to guarantee dependability of data processing and transmission in a contextof mobility and quality of service. The proposed architecture ensures the authenticity andconfidentiality of data transmitted through the light signal and can be implemented in differentsectors such as schools, airports and airplanes., Ces derniers temps, le nombre de gadgets et d'applications reposant sur la communicationsans fil a explosé, entraînant des transformations considérables dans le style de vie des gens.Pour gérer cette augmentation de connectivité, plusieurs techniques avancées sont prévues avec les normes 5G, tout en essayant de minimiser l’impact négatif de la consommation d’énergie.Une solution alternative pour surmonter ce problème est la technologie Light-Fidelity (Li-Fi) ou communication par lumière visible (VLC). Il s'agit d'un nouveau modèle de transmission de données en lumière visible qui utilise des diodes électroluminescentes et des capteurs de lumière laser comme moyen de communication à haut débit, similaire au Wi-Fi. Le Li-Fi est une meilleure alternative au Wi-Fi en matière de communication sans fil. Il a une plus grandecapacité en termes de bande passante dans la région visible et ne perturbe pas les communications qui utilisent la gamme de radiofréquences. On note aussi que le Li-Fi supporte la mobilité des utilisateurs et l'accès multi-utilisateurs. La taille du spectre infrarouge et de la lumière visible ensemble équivaut à approximativement 2600 fois la taille de l'ensemble du spectre de fréquence radio de 300 GHz.L’objectif de cette thèse est centré sur la modulation de lumière à haute fréquence pourencoder et envoyer des informations en s’intéressant à l’aspect sécurité dans le cas des attaques informatiques. Notre contribution consiste à proposer une nouvelle solution basée sur les différents environnements afin d’assurer une fiabilité de traitements et de transmissions des données dans un contexte de mobilité et de qualité de service. L’architecture proposée assure l’authenticité et la confidentialité des données transmises à travers le signal lumineux et peut-être mise en œuvre dans différents secteurs telle que les écoles, les aéroports et les avions.

While solid-state lighting allows for a significant reduction in electricity consumption, the problem of the end-of-life of the LED-based devices remains. This thesis associated with the RECYLED project consisted in identifying and then developing methods and processes according to the typologies of the devices (lamps, tubes and luminaires) with a view to recovery and reuse of certain elementary components. The objective, through a comprehensive approach, including both technical, economic and environmental aspects, was to achieve a recycling rate of 80%. Three scenarios have been identified for the recycling of LED lamps and tubes, reuse, shredding and disassembly. Studies of waste and marketed products have been carried out in order to characterize the deposit and size the proposed treatment solutions and estimate the overall recovery potential. Regarding the disassembly identified as the blocking point, the technology of pulsed powers based on fragmentation is proposed. With regard to the tubes, purely mechanical solutions have been validated. The proposed methods make it possible to obtain a material recovery rate of 74% for the lamps and 94% for the tubes. These rates are to be linked with the forecasts estimated for 2030 as part of this work, which lead to a maximum annual deposit estimated for LED lamps at 2600 tons and for LED tubes and panels at 1600 tons.; Si l’éclairage solide permet une réduction conséquente de la consommation d’électricité, reste posé la problématique des dispositifs à base de LED. Cette thèse associée au projet RECYLED a consisté à identifier puis à développer des méthodes et des procédés en fonction des typologies des dispositifs (lampes, tubes et luminaires) et ce en vue d’une valorisation et d’une réutilisation de certains composants élémentaires. L’objectif, par une approche globale, incluant à la fois les aspects techniques, économiques et environnementaux était d’aboutir à un taux de recyclage de 80%. Trois scénarii ont été identifiés pour le recyclage des lampes et des tubes à LED, la réutilisation, le broyage et le désassemblage des lampes et des tubes à LED. Des études des déchets et des produits commercialisés, ont été menées afin de caractériser le gisement et de dimensionner les solutions de traitement proposées et estimer le potentiel de valorisation global. Concernant le désassemblage identifié comme le point bloquant, la technologie des puissances pulsées reposant sur la fragmentation est proposée. En ce qui concerne les tubes des solutions purement mécaniques ont été validées. Les méthodes proposées permettent d'obtenir un taux de valorisation matière de 74% pour les lampes et 94% pour les tubes. Ces taux sont à relier avec les prévisions estimées pour 2030 dans le cadre de ce travail qui aboutissent à un gisement annuel maximal évalué pour les lampes à LED à 2600 tonnes et pour les tubes et dalles à LED à 1600 tonnes.

Nanocrystals with a dimension below their excitonic Bohr radius can provide size-tunable optoelectronic properties, enabling on-demand tailoring of properties for specific applications. Especially, the advance of wet chemistry synthesis of colloidal nanocrystals makes them promising building blocks for the next-generation solution-processible low-cost optoelectronics such as light emitting, sensing, and harvesting. My thesis targets two aspects of the nanocrystal-based devices: infrared (IR) photodetector and light emitting diode (LED). My thesis is first focused on the heavy-metal-free IR photodetection using the intraband transition of self-doped Ag2Se or the plasmonic resonance of remotely doped ITO (tin doped indium oxide) nanocrystals. Before integrating them to photoconductive devices, I study their optical and transport properties as well as their energy spectra. I then test their IR photodetection performance and rationalize their weak performance compared with their heavy metal counterparts. In the second part of my thesis, I advance to the all-solution nanocrystal-based LEDs in the visible and SWIR, with an emphasis on their practical applications. The designed visible LED using CdSe/CdZnS nanoplatelets (NPLs) shows the lowest turn-on voltage and the longest lifetime for NPL-based LED. I also provide insights on the origin of efficiency droop. Then, this LED is coupled with a homemade PbS broadband photodetector to achieve, for the first time, an all-nanocrystal based LiFi-like communication setup. For SWIR LEDs, HgTe is used as IR emitter. By forming a HgTe/ZnO bulk heterojunction in the emitting layer, a bright SWIR LED capable of active imaging is obtained.; Les nanocristaux dont la dimension est inférieure à leur rayon de Bohr excitonique peuvent fournir des propriétés optoélectroniques accordables avec la taille. Cela permet d’obtenir des propriétés électroniques à façon. En particulier, le développement de la synthèse par voie colloïdale des nanocristaux en fait des briques élémentaires prometteuses pour des applications optoélectroniques à bas coût. Ma thèse cible deux aspects des dispositifs à base de nanocristaux: les photodétecteurs infrarouges et les diodes électroluminescentes (LED). Ma thèse est d'abord centrée sur la photodétection infrarouge sans métaux lourds utilisant soit la transition intrabande d'Ag2Se, soit des nanocristaux plasmoniques ITO. J'ai étudié leurs propriétés optiques et de transport ainsi que leur spectre électronique. J’ai ensuite testé leurs performances pour la photodétection infrarouge. Les performances obtenues sont mises en perspective par rapport à leurs homologues contenant des métaux lourds. Dans une seconde partie de ma thèse, je me focalise sur les LEDs à base de nanocristaux avec des longueurs d’onde visées à la fois dans le visible et le proche infrarouge. La LED visible conçue à l'aide de nanoplaquettes CdSe/CdZnS montre une faible tension de fonctionnement et la durée de vie la plus longue obtenue pour les LED à base de nanoplaquettes. Ensuite, cette LED est couplée à un photodétecteur PbS maison pour réaliser pour la première fois une communication de type LiFi tout nanocristal. Pour les LED proche infrarouge, j’ai utilisé HgTe comme matériau optiquement actif. En formant une hétérojonction à partir de HgTe / ZnO, une LED infrarouge lumineuse capable d'imagerie active est obtenue.

There are growing indications that alloy disorder controls to a large extent the electrical and optical properties of semiconductor compounds. In nitride ternary alloys, intrinsic compositional disorder, resulting from the random distribution of atoms on the crystal lattice, induces strong electronic localization effects. These disorder-induced localization effects are suspected to have a major impact on the performances of nitride-based light-emitting diodes (LEDs). It is therefore of primary importance to address this issue as huge energy savings are concerned. However, the investigation of alloy disorder effects is not trivial since the typical disorder length scale is in the nm range.During this thesis, we developed a scanning tunneling electroluminescence (STL) spectroscopy experiment to detect the radiative recombination of electrons locally injected by a scanning tunneling microscope tip in a GaN/InGaN/GaN quantum well, similar to those present in the active region of LEDs. Narrow emission peaks are detected which are characteristic of emission from single localized states. Fluctuations in the line shape of the local electroluminescence are observed at the scale of a few nm which evidence localization effects induced by alloy disorder. These experimental results are in good agreement with the so-called localization landscape theory which provides an effective confining potential map for the carriers exhibiting nanometer size localization regions., Il y a de plus en plus d'indications que le désordre d’alliage influence fortement les propriétés électriques et optiques des composés semi-conducteurs. Dans les alliages ternaires de nitrures, le désordre intrinsèque de composition, qui résulte de la distribution aléatoire des atomes sur le réseau cristallin, induit de forts effets de localisation électronique. Ces effets semblent avoir un impact majeur sur les performances des diodes électroluminescentes (LED) à base de nitrures, utilisées pour l’éclairage. Il est donc primordial d'aborder cette question car de très importantes économies d'énergie sont en jeu. Mais l'étude des effets du désordre d’alliage n'est pas triviale car l'échelle de longueur caractéristique pertinente est de l'ordre de quelques nm.Au cours de cette thèse, nous avons utilisé la spectroscopie d'électroluminescence à effet tunnel pour détecter la recombinaison radiative d'électrons injectés localement par une pointe de microscope à effet tunnel dans un puits quantique de type GaN / InGaN / GaN, similaire à ceux qui constituent la partie active des LED. Des pics étroits, caractéristiques de l’émission à partir d'états localisés uniques, sont détectés. Les fluctuations de la forme du spectre d'électroluminescence tunnel sont observées à l’échelle de quelques nm, qui correspond à la taille caractéristique des régions de localisation induites par le désordre d’alliage, comme le prédit la théorie dite du paysage de localisation.

There are growing indications that alloy disorder controls to a large extent the electrical and optical properties of semiconductor compounds. In nitride ternary alloys, intrinsic compositional disorder, resulting from the random distribution of atoms on the crystal lattice, induces strong electronic localization effects. These disorder-induced localization effects are suspected to have a major impact on the performances of nitride-based light-emitting diodes (LEDs). It is therefore of primary importance to address this issue as huge energy savings are concerned. However, the investigation of alloy disorder effects is not trivial since the typical disorder length scale is in the nm range.During this thesis, we developed a scanning tunneling electroluminescence (STL) spectroscopy experiment to detect the radiative recombination of electrons locally injected by a scanning tunneling microscope tip in a GaN/InGaN/GaN quantum well, similar to those present in the active region of LEDs. Narrow emission peaks are detected which are characteristic of emission from single localized states. Fluctuations in the line shape of the local electroluminescence are observed at the scale of a few nm which evidence localization effects induced by alloy disorder. These experimental results are in good agreement with the so-called localization landscape theory which provides an effective confining potential map for the carriers exhibiting nanometer size localization regions.; Il y a de plus en plus d'indications que le désordre d’alliage influence fortement les propriétés électriques et optiques des composés semi-conducteurs. Dans les alliages ternaires de nitrures, le désordre intrinsèque de composition, qui résulte de la distribution aléatoire des atomes sur le réseau cristallin, induit de forts effets de localisation électronique. Ces effets semblent avoir un impact majeur sur les performances des diodes électroluminescentes (LED) à base de nitrures, utilisées pour l’éclairage. Il est donc primordial d'aborder cette question car de très importantes économies d'énergie sont en jeu. Mais l'étude des effets du désordre d’alliage n'est pas triviale car l'échelle de longueur caractéristique pertinente est de l'ordre de quelques nm.Au cours de cette thèse, nous avons utilisé la spectroscopie d'électroluminescence à effet tunnel pour détecter la recombinaison radiative d'électrons injectés localement par une pointe de microscope à effet tunnel dans un puits quantique de type GaN / InGaN / GaN, similaire à ceux qui constituent la partie active des LED. Des pics étroits, caractéristiques de l’émission à partir d'états localisés uniques, sont détectés. Les fluctuations de la forme du spectre d'électroluminescence tunnel sont observées à l’échelle de quelques nm, qui correspond à la taille caractéristique des régions de localisation induites par le désordre d’alliage, comme le prédit la théorie dite du paysage de localisation.

There are growing indications that alloy disorder controls to a large extent the electrical and optical properties of semiconductor compounds. In nitride ternary alloys, intrinsic compositional disorder, resulting from the random distribution of atoms on the crystal lattice, induces strong electronic localization effects. These disorder-induced localization effects are suspected to have a major impact on the performances of nitride-based light-emitting diodes (LEDs). It is therefore of primary importance to address this issue as huge energy savings are concerned. However, the investigation of alloy disorder effects is not trivial since the typical disorder length scale is in the nm range.During this thesis, we developed a scanning tunneling electroluminescence (STL) spectroscopy experiment to detect the radiative recombination of electrons locally injected by a scanning tunneling microscope tip in a GaN/InGaN/GaN quantum well, similar to those present in the active region of LEDs. Narrow emission peaks are detected which are characteristic of emission from single localized states. Fluctuations in the line shape of the local electroluminescence are observed at the scale of a few nm which evidence localization effects induced by alloy disorder. These experimental results are in good agreement with the so-called localization landscape theory which provides an effective confining potential map for the carriers exhibiting nanometer size localization regions.; Il y a de plus en plus d'indications que le désordre d’alliage influence fortement les propriétés électriques et optiques des composés semi-conducteurs. Dans les alliages ternaires de nitrures, le désordre intrinsèque de composition, qui résulte de la distribution aléatoire des atomes sur le réseau cristallin, induit de forts effets de localisation électronique. Ces effets semblent avoir un impact majeur sur les performances des diodes électroluminescentes (LED) à base de nitrures, utilisées pour l’éclairage. Il est donc primordial d'aborder cette question car de très importantes économies d'énergie sont en jeu. Mais l'étude des effets du désordre d’alliage n'est pas triviale car l'échelle de longueur caractéristique pertinente est de l'ordre de quelques nm.Au cours de cette thèse, nous avons utilisé la spectroscopie d'électroluminescence à effet tunnel pour détecter la recombinaison radiative d'électrons injectés localement par une pointe de microscope à effet tunnel dans un puits quantique de type GaN / InGaN / GaN, similaire à ceux qui constituent la partie active des LED. Des pics étroits, caractéristiques de l’émission à partir d'états localisés uniques, sont détectés. Les fluctuations de la forme du spectre d'électroluminescence tunnel sont observées à l’échelle de quelques nm, qui correspond à la taille caractéristique des régions de localisation induites par le désordre d’alliage, comme le prédit la théorie dite du paysage de localisation.

There are growing indications that alloy disorder controls to a large extent the electrical and optical properties of semiconductor compounds. In nitride ternary alloys, intrinsic compositional disorder, resulting from the random distribution of atoms on the crystal lattice, induces strong electronic localization effects. These disorder-induced localization effects are suspected to have a major impact on the performances of nitride-based light-emitting diodes (LEDs). It is therefore of primary importance to address this issue as huge energy savings are concerned. However, the investigation of alloy disorder effects is not trivial since the typical disorder length scale is in the nm range.During this thesis, we developed a scanning tunneling electroluminescence (STL) spectroscopy experiment to detect the radiative recombination of electrons locally injected by a scanning tunneling microscope tip in a GaN/InGaN/GaN quantum well, similar to those present in the active region of LEDs. Narrow emission peaks are detected which are characteristic of emission from single localized states. Fluctuations in the line shape of the local electroluminescence are observed at the scale of a few nm which evidence localization effects induced by alloy disorder. These experimental results are in good agreement with the so-called localization landscape theory which provides an effective confining potential map for the carriers exhibiting nanometer size localization regions., Il y a de plus en plus d'indications que le désordre d’alliage influence fortement les propriétés électriques et optiques des composés semi-conducteurs. Dans les alliages ternaires de nitrures, le désordre intrinsèque de composition, qui résulte de la distribution aléatoire des atomes sur le réseau cristallin, induit de forts effets de localisation électronique. Ces effets semblent avoir un impact majeur sur les performances des diodes électroluminescentes (LED) à base de nitrures, utilisées pour l’éclairage. Il est donc primordial d'aborder cette question car de très importantes économies d'énergie sont en jeu. Mais l'étude des effets du désordre d’alliage n'est pas triviale car l'échelle de longueur caractéristique pertinente est de l'ordre de quelques nm.Au cours de cette thèse, nous avons utilisé la spectroscopie d'électroluminescence à effet tunnel pour détecter la recombinaison radiative d'électrons injectés localement par une pointe de microscope à effet tunnel dans un puits quantique de type GaN / InGaN / GaN, similaire à ceux qui constituent la partie active des LED. Des pics étroits, caractéristiques de l’émission à partir d'états localisés uniques, sont détectés. Les fluctuations de la forme du spectre d'électroluminescence tunnel sont observées à l’échelle de quelques nm, qui correspond à la taille caractéristique des régions de localisation induites par le désordre d’alliage, comme le prédit la théorie dite du paysage de localisation.

Due to the increased demand for performance in terms of data transmission, silicon photonicshas become a new paradigm. However, other fields of applications, such as biophotonicsand autonomous driving systems for instance, take advantage of this approach. In order tomeet this demand for circuits with integrated optical interconnections, this work shows thepossibility of integrating an optical source directly on a silicon platform. The technologicalbricks enabling the integration of light sources, emitting from the red region of the spectra tothe L band, by selective epitaxy of various III-V materials is studied. The integration of III-Vmaterials stacks in the form of ridges is therefore demonstrated for various wavelength ranges.A first version of electrically pumped components, here ribbon diodes, on GaAs and siliconsubstrates were manufactured and characterized., De par la demande croissante de performance en termes de transmission de données, la photonique sur silicium est devenue un nouveau paradigme. Cependant, d’autres domainesd’applications, comme la biophotonique et les systèmes autonomes de conduite pour n’enciter que deux profitent de cette approche. Afin de répondre à cette demande de circuits àinterconnexions optiques intégrées ce travail de thèse montre la possibilité d’intégrer unesource optique directement sur une plateforme silicium. Les briques technologiques rendantpossible l’intégration de sources lumineuses, émettant du rouge à la bande L, par épitaxiesélective sur silicium ont été étudiées. L’intégration de divers matériaux III-V sous forme derubans est donc démontrée pour diverses gammes de longueur d’onde. Une première versionde composants de type diodes ruban à injection électrique sur substrats GaAs et silicium ontété fabriqués et caractérisés pour une émission dans la zone rouge du spectre.

There are growing indications that alloy disorder controls to a large extent the electrical and optical properties of semiconductor compounds. In nitride ternary alloys, intrinsic compositional disorder, resulting from the random distribution of atoms on the crystal lattice, induces strong electronic localization effects. These disorder-induced localization effects are suspected to have a major impact on the performances of nitride-based light-emitting diodes (LEDs). It is therefore of primary importance to address this issue as huge energy savings are concerned. However, the investigation of alloy disorder effects is not trivial since the typical disorder length scale is in the nm range.During this thesis, we developed a scanning tunneling electroluminescence (STL) spectroscopy experiment to detect the radiative recombination of electrons locally injected by a scanning tunneling microscope tip in a GaN/InGaN/GaN quantum well, similar to those present in the active region of LEDs. Narrow emission peaks are detected which are characteristic of emission from single localized states. Fluctuations in the line shape of the local electroluminescence are observed at the scale of a few nm which evidence localization effects induced by alloy disorder. These experimental results are in good agreement with the so-called localization landscape theory which provides an effective confining potential map for the carriers exhibiting nanometer size localization regions., Il y a de plus en plus d'indications que le désordre d’alliage influence fortement les propriétés électriques et optiques des composés semi-conducteurs. Dans les alliages ternaires de nitrures, le désordre intrinsèque de composition, qui résulte de la distribution aléatoire des atomes sur le réseau cristallin, induit de forts effets de localisation électronique. Ces effets semblent avoir un impact majeur sur les performances des diodes électroluminescentes (LED) à base de nitrures, utilisées pour l’éclairage. Il est donc primordial d'aborder cette question car de très importantes économies d'énergie sont en jeu. Mais l'étude des effets du désordre d’alliage n'est pas triviale car l'échelle de longueur caractéristique pertinente est de l'ordre de quelques nm.Au cours de cette thèse, nous avons utilisé la spectroscopie d'électroluminescence à effet tunnel pour détecter la recombinaison radiative d'électrons injectés localement par une pointe de microscope à effet tunnel dans un puits quantique de type GaN / InGaN / GaN, similaire à ceux qui constituent la partie active des LED. Des pics étroits, caractéristiques de l’émission à partir d'états localisés uniques, sont détectés. Les fluctuations de la forme du spectre d'électroluminescence tunnel sont observées à l’échelle de quelques nm, qui correspond à la taille caractéristique des régions de localisation induites par le désordre d’alliage, comme le prédit la théorie dite du paysage de localisation.

GaN-based light-emitting diodes (LEDs) have already been commercialized for solid-state lighting, since the InGaN/GaN-based multi-quantum-well (MQW) of LEDs can be designed to produce light in the entire visible spectral range. To obtain white LED, phosphor-based down-conversion results in low efficiency due to Stokes loss and also can yield low colour rendering index (CRI). Hence, for highly efficient and with high CRI white light, generation of white light by monolithic red-green-blue (RGB) combination is necessary. InGaN/GaN-based blue LED has good performance now-a-days. III-phosphides based red LED has also achieved good efficiency. However, with intermediary wavelengths for green spectra emission, the efficiency of devices from epitaxy grown along the commonly used (0001-Ga) direction of GaN decreases with increasing indium (In) content in the active region and this “green-gap” is the main obstacle to get phosphor-free white LEDs. Non- or semi-polar LED structures could be a solution to reduce or omit the polarization problem, however, easier growth of good crystal quality and fewer processing steps make (0001-Ga) direction growth still commercially promising. Therefore, optimized structure design to alleviate polarization and enhance optical emission from hetero-structures grown along this direction growth is still in demand. The conventional InGaN multi-quantum-well (MQW) LED structures are grown on GaN buffer and use GaN as barrier layers. However, the objective of this thesis has been to grow high In-content MQWs with InGaN barriers on a novel so called “semi-bulk” (SB) InGaN buffer. The achievement of the thesis was to simulate, grow by metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE) and process LED structure with high In-content in the MQW with InGaN barriers, grown on high quality “semi-bulk” InGaN buffer, that will emit in the blue to green spectra. 70 nm thick high crystal quality InGaN SB buffer was obtained with 5% In-content. On top of this, In0.15Ga0.85N/In0.05Ga0.95N MQW was grown followed by 200 nm optimized p-GaN. The room temperature IQE was 67.5% at 460 nm emission wavelength. The processed LED chips yielded turn-on voltage less than 3 V with leakage current of ~10-3 A. In0.25Ga0.75N/ In0.05Ga0.95N MQW was also realized on InGaN SB with 7% In, with emission peak at ~530 nm; Les diodes électroluminescentes (DEL) à base de GaN ont déjà été commercialisées comme solution économique d’éclairage, étant donné que les multi-puits quantiques (MQW) basés sur InGaN/GaN peuvent être conçus pour produire de la lumière dans toute la gamme spectrale visible. Pour obtenir une émission de lumière blanche, la conversion à base de phosphore conduit à une faible efficacité due à la perte de Stokes et peut également produire un faible indice de rendu des couleurs (IRC). Par conséquent, pour une efficacité élevée et une lumière blanche avec un IRC élevé, la génération de lumière blanche par combinaison rouges-vertes-bleues (RGB) est nécessaire. La DEL bleue basée sur InGaN/GaN présente une bonne performance aujourd'hui. La DEL rouge à base de III-phosphure est également très efficace. Cependant, avec des longueurs d'onde intermédiaires pour l'émission de spectre vert, l'efficacité des dispositifs diminue avec l'augmentation de la composition d’indium (In) dans la région active à cause de l'épitaxie selon la direction de GaN communément utilisée (0001-Ga). Ce «green-gap» est le principal obstacle pour obtenir une DEL blanche sans phosphore. Les structures DEL non ou semi-polaires pourraient être une solution pour réduire ou omettre le problème de polarisation, cependant, une croissance plus facile de bonne qualité cristalline avec moins d'étapes de fabrication font que la croissance de la direction (0001-Ga) est toujours commercialement prometteuse. Par conséquent, une conception de structure optimisée pour atténuer la polarisation et augmenter l'émission optique provenant d'hétéro-structures élaborées dans cette direction de croissance est toujours demandée. Les structures de DEL classiques multi-puits quantiques (MQW) InGaN/GaN sont développées sur une template GaN et utilisent du GaN comme couches barrières. Cependant, notre objectif a été de faire croître des MQW à contenu élevé avec des barrières InGaN sur une nouvelle template InGaN appelé «semi-bulk» (SB). La réalisation de la thèse est de simuler, décroître par épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE) et de fabriquer la structure de DELs à haute teneur en In dans les barrières MQW avec InGaN, crues sur une template InGaN «semi-bulk» de haute qualité, et qui émettent dans le spectre du bleu au vert

GaN-based light-emitting diodes (LEDs) have already been commercialized for solid-state lighting, since the InGaN/GaN-based multi-quantum-well (MQW) of LEDs can be designed to produce light in the entire visible spectral range. To obtain white LED, phosphor-based down-conversion results in low efficiency due to Stokes loss and also can yield low colour rendering index (CRI). Hence, for highly efficient and with high CRI white light, generation of white light by monolithic red-green-blue (RGB) combination is necessary. InGaN/GaN-based blue LED has good performance now-a-days. III-phosphides based red LED has also achieved good efficiency. However, with intermediary wavelengths for green spectra emission, the efficiency of devices from epitaxy grown along the commonly used (0001-Ga) direction of GaN decreases with increasing indium (In) content in the active region and this “green-gap” is the main obstacle to get phosphor-free white LEDs. Non- or semi-polar LED structures could be a solution to reduce or omit the polarization problem, however, easier growth of good crystal quality and fewer processing steps make (0001-Ga) direction growth still commercially promising. Therefore, optimized structure design to alleviate polarization and enhance optical emission from hetero-structures grown along this direction growth is still in demand. The conventional InGaN multi-quantum-well (MQW) LED structures are grown on GaN buffer and use GaN as barrier layers. However, the objective of this thesis has been to grow high In-content MQWs with InGaN barriers on a novel so called “semi-bulk” (SB) InGaN buffer. The achievement of the thesis was to simulate, grow by metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE) and process LED structure with high In-content in the MQW with InGaN barriers, grown on high quality “semi-bulk” InGaN buffer, that will emit in the blue to green spectra. 70 nm thick high crystal quality InGaN SB buffer was obtained with 5% In-content. On top of this, In0.15Ga0.85N/In0.05Ga0.95N MQW was grown followed by 200 nm optimized p-GaN. The room temperature IQE was 67.5% at 460 nm emission wavelength. The processed LED chips yielded turn-on voltage less than 3 V with leakage current of ~10-3 A. In0.25Ga0.75N/ In0.05Ga0.95N MQW was also realized on InGaN SB with 7% In, with emission peak at ~530 nm, Les diodes électroluminescentes (DEL) à base de GaN ont déjà été commercialisées comme solution économique d’éclairage, étant donné que les multi-puits quantiques (MQW) basés sur InGaN/GaN peuvent être conçus pour produire de la lumière dans toute la gamme spectrale visible. Pour obtenir une émission de lumière blanche, la conversion à base de phosphore conduit à une faible efficacité due à la perte de Stokes et peut également produire un faible indice de rendu des couleurs (IRC). Par conséquent, pour une efficacité élevée et une lumière blanche avec un IRC élevé, la génération de lumière blanche par combinaison rouges-vertes-bleues (RGB) est nécessaire. La DEL bleue basée sur InGaN/GaN présente une bonne performance aujourd'hui. La DEL rouge à base de III-phosphure est également très efficace. Cependant, avec des longueurs d'onde intermédiaires pour l'émission de spectre vert, l'efficacité des dispositifs diminue avec l'augmentation de la composition d’indium (In) dans la région active à cause de l'épitaxie selon la direction de GaN communément utilisée (0001-Ga). Ce «green-gap» est le principal obstacle pour obtenir une DEL blanche sans phosphore. Les structures DEL non ou semi-polaires pourraient être une solution pour réduire ou omettre le problème de polarisation, cependant, une croissance plus facile de bonne qualité cristalline avec moins d'étapes de fabrication font que la croissance de la direction (0001-Ga) est toujours commercialement prometteuse. Par conséquent, une conception de structure optimisée pour atténuer la polarisation et augmenter l'émission optique provenant d'hétéro-structures élaborées dans cette direction de croissance est toujours demandée. Les structures de DEL classiques multi-puits quantiques (MQW) InGaN/GaN sont développées sur une template GaN et utilisent du GaN comme couches barrières. Cependant, notre objectif a été de faire croître des MQW à contenu élevé avec des barrières InGaN sur une nouvelle template InGaN appelé «semi-bulk» (SB). La réalisation de la thèse est de simuler, décroître par épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE) et de fabriquer la structure de DELs à haute teneur en In dans les barrières MQW avec InGaN, crues sur une template InGaN «semi-bulk» de haute qualité, et qui émettent dans le spectre du bleu au vert

Non renseigné; Ce travail de doctorat est dédié à l’étude des mécanismes régissant l’interaction lumière-matière dans des dispositifs optoélectroniques à base d’alliages (Al,Ga,In,)N. Diverses compositions de ces alliages sont assemblées en structures multicouches de matériaux d’épaisseurs nanométriques afin d’obtenir une émission à plus grande longueur d’onde que le bleu, couleur pour laquelle la technologie est mature depuis plus de vingt ans. Il s’agit de réaliser des émetteurs efficaces de lumière jaune, verte ou blanche (avec une approche alternative au pompage optique de luminophore par une diode bleue). Les solutions solides assemblées pour obtenir des émissions à grandes longueur d’onde sont à base de GaN et de Ga0.8In0.2N, matériaux pour lesquels les mailles cristallographiques sont désaccordées. Lorsqu’elles sont déposées sur un substrat ou un pseudo-substrat de GaN, matériau pour lequel les dopages n et p sont maitrisés et permettent l’injection électrique des porteurs, les tranches de Ga0.8In0.2N subissent de très fortes compressions dans leur plan de croissance et l’énergie élastique est relaxée par la formation de défauts délétères pour le rendement lumineux. Nous avons construit des hétéro-structures plus complexes en intercalant une couche complémentaire d’Al0.2Ga0.8N afin de réduire la densité d’énergie élastique globale. L’insertion de telles couches améliore la qualité cristalline et augmente leur rendement optique. Nous avons mesuré le rendement quantique interne en utilisant la spectroscopie de photoluminescence résolue en temps et une analyse des temps de déclins par une approche de type Lotka-Volterra des équations de recombinaison pour obtenir les taux de recombinaisons radiatifs et non-radiatifs. Nous avons montré quantitativement comment les champs électriques internes résultant du contraste de polarisation électrique aux interfaces et les recombinaisons non-radiatives de type Schockley-Read-Hall contribuent à définir le rendement quantique à faible densité d’excitations (optique ou électrique). L’objectif est l’obtention d’une émission spontanée intense pour une densité d’excitation modérée. Nous avons donc conduit une campagne d’expériences en variant l’intensité d’injection. Nous avons montré que l’effet Auger est le facteur dominant régissant la chute du rendement quantique interne sous fortes densités d’injection. Nous avons étudié diverses architectures à simple puits quantique ou à puits quantiques multiples émettant à des longueurs d’onde identiques pour quantifier l’influence spécifique de l’effet Stark confiné quantique. Nous avons corrélé l’apparition d’un seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger avec l’augmentation du temps de recombinaison radiative et de l’énergie de localisation des porteurs dans l’alliage inhomogène. Nous arrivons à la conclusion que la localisation des porteurs produite par le champ électrique aux interfaces et les fluctuations de la composition chimique de Ga0.8In0.2N contribuent de concert, facilitant l’interaction répulsive électron-électron et la recombinaison non-radiative Auger nnp. Nous avons montré que le modèle ABC permet de bien décrire la physique du phénomène si ses trois paramètres tiennent compte des effets d’écrantages sous injections modérées et des effets de remplissage de l’espace des phases sous fortes injections. Enfin, nous nous sommes écartés de l’étude des structures traditionnellement épitaxiées selon le plan polaire (0001) pour choisir des plans d’épitaxie semi-polaire (11-22). Dans ces conditions, il a été nécessaire de fabriquer des puits quantiques en Ga0.65In0.35N. Nous avons montré que la quasi-absence d’effet Stark confiné quantique augmente de manière très significative le seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger. Cette amélioration par rapport aux échantillons épitaxiés selon le plan (0001) est d’autant plus marquée que la longueur d’onde émise est grande.

Resumen El pasado 7 de octubre de 2014 se anunció, por parte del correspondiente comité, que el premio Nobel de Física 2014 se les concedió a los japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura por la invención de los diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) con emisión en la región verde-azul del espectro visible (Nakamura, Mukai & Senoh, 1991). La importancia de este invento está relacionada tanto con las potenciales aplicaciones de los LED azules como fuente de luz eficiente y ecológica, como en el desarrollo de los llamados sistemas cuánticos. Es así como actualmente el desarrollo de dispositivos electrónicos y opto-electrónicos, cuya región activa está constituida por estructuras cuánticas, está fuertemente modulado por la capacidad de fabricar dichas estructuras con una alta calidad cristalina, un alto control de la composición química y, sobre todo, con gran reproducibilidad. En este sentido, las técnicas de crecimiento epitaxial constituyen la piedra angular en el desarrollo tecnológico que supone la nano-electrónica. En este trabajo se plantean, en general, los diferentes procesos químicos y físicos que tienen lugar durante un crecimiento por Epitaxia de Capas Atómicas (Atomic Layer Epitaxy, ALE) de pozos cuánticos ultra-delgados (Ultra-Thin Quantum Wells, UTQW) de ZnXCd1-X.Se y se estudian, en particular, la cinética del proceso de adsorción de Zn dentro de la estructura cristalina en términos de una ecuación de reacción de primer orden que define la composición de la estructura en función de la temperatura del sustrato (Ts) y del flujo de átomos de zinc. Se obtienen los valores para la energía de activación, el factor pre-exponencial y la constante de adsorción de Zn. La composición química de los UTQW es uno de los parámetros más importantes para el diseño de estructuras cuánticas, ya que define la energía de emisión en potenciales aplicaciones opto-electrónicas y, en particular, en el desarrollo de LED azules y UV. Abstract On October 7th 2014, it was announced, by the Nobel committee, that the 2014 Physics Nobel prize was awarded to the Japanese Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, and Shuji Nakamura for their development of LEDs with emission of blue-green visible light (Nakamura, Mukai & Senoh, 1991). The importance of this finding is based on the blue-LED potential applications as an efficient and ecological source of light, as well as on the development of the structure known as quantum wells. That is how the present development of electronic and optoelectronics devices, whose active region is composed of quantic wells, is strongly modulated by the capacity to construct such structures with high crystalline quality, chemical composition control, and great reproducibility. In this way, epitaxial growth techniques represent, in the field of the nano-electronics, the technological developmental cornerstone. In this work different chemical and physical processes that take place during the growth of ZnXCd1-XSe ultra-thin quantum wells (UTQW) by Atomic Layer Epitaxy (ALE) were studied. The kinetic process of Zn adsorption in terms of first order reaction equation is analyzed. The adsorption of Zn into the crystalline structure defines the chemical composition of the alloy as a function of the substrate temperature (Ts) and of the Zinc flux. In this work, values for the activation energy, pre-exponential factor, and Zn adsorption constant were obtained. The chemical composition in UTQW is one of the most important parameters for the fabrication of blue-LEDs, since it defines the wavelength of the emission in potential optoelectronic applications, in particular in blue LED and UV development. Résumé Le 7 octobre 2014 le prix Nobel de physique 2014 a été attribué aux japonais Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura pour la découverte des diodes électroluminescentes (le sigle anglais LED sera utilisé par la suite) avec émission dans la region vert-bleue du spectre visible (Nakamura, Mukai & Senoh, 1991). Cette découverte démontre rapidement son utilité, en effet, les LEDs fournissent une source de lumière efficace et écologique, puis a une grande importance dans le développement des systèmes quantiques. L’enjeux principal du développement de ce type de dispositif réside dans la capacité à reproduire à grande échelle et à moindre coût ces structures cristallines dont les alliages chimiques garantissent un rendement énergétique toujours plus élevé. Dans ce sens, les techniques de croissance épitaxiale constituent la pierre angulaire du développement technologique en nano-électronique. Dans cette étude, les différents processus chimiques et physiques qui ont lieu pendant la croissance de structures à puits quantiques ultra-minces (en anglais, ultra-thin quantum wells, UTQW) de ZnXCd1-Xse par Épitaxie de Couche Atomiques (en anglais, Atomic Layer Epitaxy, ALE), ont été analysés. La cinétique du processus d´adsorption de Zn dans la structure cristalline a été étudiée également avec une équation de réaction de premier ordre qui définit la composition chimique de la structure en fonction de la température du substrat (Ts) et du flux d´atomes de Zinc. Dans ce travail, les valeurs pour l´énergie d´activation, le facteur pre-exponentiel, et la constante d´adsorption de Zn ont été obtenues. La composition chimique dans le UTQW est un de paramètres plus importants pour la fabrication de LEDs bleue, puisqu´elle définie la longueur d´onde d´émission dans de nombreuses applications optoélectroniques, particulièrement dans le développement des LED bleues et UV. Resumo No dia 7 de outubro de 2014 foi anunciado pelo comité do Nobel, que o Premio Nobel de Física de 2014 foi concedido aos japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura pelo desenvolvimento dos diodos emissores de luz (LED, em inglês) com emissão na região verde-azul do espectro visível (Nakamura, Mukai & Senoh, 1991). A importância de este descobrimento está relacionada as potenciais aplicações dos LEDs azuis como uma fonte de luz eficiente e ecológica, e também no desenvolvimento dos chamados sistemas quânticos. Por isto o desenvolvimento atual de dispositivos eletrônicos e opticoeletrônicos, cuja região ativa está composta por estruturas quânticas, está fortemente modulado pela capacidade de fabricar estas estruturas com uma alta qualidade cristalina, controle da composição química e grande reprodutibilidade. Em este sentido, as técnicas de crescimento epitaxial representam um pilar no desenvolvimento tecnológico no campo da nanoeletrônica. Neste trabalho, foram estudados diferentes processos químicos y físicos que ocorrem durante um crescimento de poços quânticos ultra-finos (UTQW, em inglês) ZnXCd1-XSe por Epitaxia de Camadas Atômicas (ALE, em inglês). São analisados os processos cinéticos de absorção de zinco (Zn) em termos de equação de reação de primeira ordem. A absorção de Zn dentro da estrutura cristalina define a composição química da liga em função da temperatura do substrato (Ts) e do fluxo de átomos de Zn. Neste trabalho se obtiveram valores para a energia de ativação, o fator pré-exponencial e a constante de absorção de Zn. A composição química dos UTQW é um dos parâmetros mais importantes para a fabricação de LEDs azuis, uma vez que define a o comprimento de onda de emissão em potenciais aplicações optoeletrônicas, particularmente, no desenvolvimento de LEDs azuis e UV.

In this work, the degradation of light emitting diodes (LEDs) is studied by identifying and evaluating their aging signature during the stress time. The custom-made experimental test bench is built for realization of the test measurement. Through this experimental test bench, it allows to test a large amount of LED samples and enable to select different temperature condition and different current stress level. There are four different types of LED with similar characteristic in term of their color temperature, IF, VF, power (1W) and as monochip, but different technology coming from Cree, Osram, Philips and Seoul Semiconductor. The devices are firstly characterized their electrical and photometrical characteristic at their initial state, then they are submitted to different current stress condition at low current stress (350mA) and high current stress (1000mA) while the thermal stress is fixed at one temperature (50°C). The study of these devices failure mechanism is archived by using the primary method based on the electrical and photometrical characterization of the devices that allows to evaluate their degradation at different locations of the device components such as semiconductor chip, interconnection and device's package. The electrical characteristic of the device's I-V curve: at low injected current level and reverse bias allow us to identify the degradation characteristic of device's semiconductor chip, at high injected current level allows us to determine the degradation of device's ohmic contact and photometric characteristic allows us to evaluate the degradation of device's package system.; Dans ce travail, les dégradations des diodes électroluminescentes (DEL) ont été étudiées en identifiant et en évaluant leurs signatures électriques et photométriques en vieillissement accéléré sous stress thermique et électrique. Un prototype de banc de test expérimental a été développé et construit spécifiquement pour cette étude ce qui nous a permis de tester 128 échantillons en appliquant différentes conditions de stress thermiques et électriques. Quatre types différents de DEL ont été étudié avec des caractéristiques techniques similaires (température de couleur, courant nominal, mono-puce,...) mais avec des technologies différentes couvrant les principaux acteurs du marché (Cree, Osram, Philips et Seoul Semiconductor). Les échantillons ont d'abord été caractérisés à leur état initial, puis soumis à des conditions de stress électrique (à 350mA ou 1050mA) et thermique (fixé à 50°C). Les mécanismes de défaillance ont été analysés en étudiant l'évolution des signatures électriques et photométriques. Ces caractérisations ont permis d'évaluer et de déterminer l'origine des dégradations à différents niveaux : puce semi-conductrice, interconnexions, phosphore ou encapsulation du dispositif. Les caractérisations électriques nous ont permis d'identifier les mécanismes de dégradation de la puce semi-conductrice et de déterminer la nature des dégradations au niveau du contact ohmique du dispositif (sous fort courant injecté). Les caractérisations photométriques complètent cette étude en évaluant les dégradations associées à l'optique (encapsulation et packaging).

Light emitting diodes (LEDs) bring new possibilities to get luminaires more robust with an improved efficiency and more environmentally respectfull. Despite the benefits already achieved today, this type of luminaire still presents some possible optimizations and provides opportunities for multiple features. Through several tests, the author shows on LEDs in market that optimization points are not operated in commercial luminaires. These LEDs have been tested over a wide range of operation in photometric, electrical but also thermal to know the reproducibility of the results. Thus the influences of operating conditions including operating temperature and supply current levels were studied. To design a specific power supply for each LED type, a search of elementary LED models was performed. The objective is to take into account the main parameters of the models but also to be enough simple to be inserted into a system environment to simulate the luminaire in whole environment. Thus, the comparative study of several associations of LEDs was conducted to deduce the best compromise and propose new solutions to reduce energy consumptions and production costs, including new types of power supply.; Les diodes électroluminescentes (LEDs) constituent de nouvelles solutions pour créer des luminaires plus robustes, ayant un meilleur rendement de conversion et plus respectueuses de l'environnement. Malgré les avantages indiscutables déjà obtenus aujourd'hui, ce type de luminaire présente encore quelques optimisations possibles et offre des possibilités de fonctionnalités multiples. A travers plusieurs campagnes de tests, l'auteur montre sur des LEDs du commerce, que les points d'optimisation non encore exploités dans les luminaires commerciaux. Ces LEDs ont ainsi été testés sur de larges plages de fonctionnement du point de vue photométrique, électrique mais aussi thermique pour connaitre la reproductibilité des résultats obtenus. Ainsi les influences des conditions d'utilisation notamment en température de fonctionnement et niveaux de courant d'alimentation ont été étudiées. Pour dimensionner au mieux une alimentation électrique spécifique, une recherche de modèles de LED élémentaires a été effectuée. L'objectif est que les modèles tiennent compte des principaux paramètres mais soit suffisamment simple pour être inséré dans un environnement système afin de simuler le luminaire dans son environnement complet. Ainsi, l'étude comparative de plusieurs associations de LEDs a été effectuée permettant d'en déduire des compromis pour proposer de nouvelles solutions faibles consommatrices d'énergie à coût réduit incluant de nouveaux types d'alimentation.

Au cours de cette synthèse destinée à mon Habilitation à Diriger des Recherches, je dresse dans un premier temps le bilan de mes contributions menées sur la période 2005-2014 et centrées sur l’étude de systèmes hybrides organiques/inorganiques variés pour l’optique non linéaire et l’optoélectronique. En particulier, j’aborderai les spécificités des matériaux inorganiques nanostructurés, puis celles des matériaux organiques -conjugués, avant d’illustrer les phénomènes physiques originaux découlant de leur association. Les développements effectués depuis ma nomination au sein de l’Institut XLIM (UMR 7252, Université de Limoges/CNRS) en 2007 illustreront plus directement mon implication dans le domaine de la conversion photovoltaïque de l’énergie, avec notamment un travail particulier dédié aux cellules solaires hybrides à l’état solide, ainsi qu’aux composites polymères semi-conducteurs / nano-objets. Fort de cette expérience pluridisciplinaire dans le domaine des Nanotechnologies, de la caractérisation physique et optoélectronique, ainsi que des processus photo-physiques associés, je proposerai finalement des contributions à court terme et à plus long terme dans les domaines de la récupération d’énergie et des télécommunications optiques sans fils.

Au cours de cette synthèse destinée à mon Habilitation à Diriger des Recherches, je dresse dans un premier temps le bilan de mes contributions menées sur la période 2005-2014 et centrées sur l’étude de systèmes hybrides organiques/inorganiques variés pour l’optique non linéaire et l’optoélectronique. En particulier, j’aborderai les spécificités des matériaux inorganiques nanostructurés, puis celles des matériaux organiques -conjugués, avant d’illustrer les phénomènes physiques originaux découlant de leur association. Les développements effectués depuis ma nomination au sein de l’Institut XLIM (UMR 7252, Université de Limoges/CNRS) en 2007 illustreront plus directement mon implication dans le domaine de la conversion photovoltaïque de l’énergie, avec notamment un travail particulier dédié aux cellules solaires hybrides à l’état solide, ainsi qu’aux composites polymères semi-conducteurs / nano-objets. Fort de cette expérience pluridisciplinaire dans le domaine des Nanotechnologies, de la caractérisation physique et optoélectronique, ainsi que des processus photo-physiques associés, je proposerai finalement des contributions à court terme et à plus long terme dans les domaines de la récupération d’énergie et des télécommunications optiques sans fils.

National audience; En 1968, la première diode électroluminescente commercialisée produisit une lumière rouge d'à peine 1 mlm. Aujourd'hui, des LED blanches de haute brillance sont disponibles sur le marché et produisent plusieurs centaines de lumens. Il s'agit d'une vraie révolution : en effet, le flux lumineux produit double tous les 18-24 mois et cela depuis presque 30 ans maintenant. Les LED vont-elles remplacer les lampes classiques (incandescence et décharge électrique) ? Dans ce dossier, nous prenons en compte non seulement des considérations technologiques et scientifiques, mais nous plaçons cette source de lumière innovante dans les contextes énergétiques et économiques contemporains.

This work is based on the analysis and optimization of an alternative material to replace metallic interconnections of integrated circuits. This material is an SiO2 matrix containing Siliconnanoclusters (Si-nc) and Erbium ions (Er3+). Thanks to an energy transfer between Si-nc and Er3+, the strong absorption of Si-nc in the visible range results in the indirect excitation of Er3+ ions that thus emit at 1.5 μm. The goal is to optimize the emission properties of Er3+ at 1.5 μm, and for that, to maximize the energy transfer between Si-nc and Er3+. First, the work is directed on thermal treatments during and after the deposition. Then, we analyze the influence of the film thickness on the material's optical properties and we show that thinnest films (< 150 nm) contain a low number of that reduces the number of excited erbium. We demonstrate that this problem can be overcome by increasing the silicon concentration, hence raising the number of sensitizers for Er3+. It is also shown that Er3+ ions benefit from a multilevel excitation by Si-nc sensitizers. A second part of the work consists in the realization of light-emitting diodes (LEDs) and to optimize their emission at 1.5 μm. We show that thickness and silicon excess must be chosen concomitantly to optimize optical and electrical properties of LEDs. In a last part we show that LEDs' properties can be enhanced using nitrogen-based matrices like oxynitrides or nitrides as hosts for Er3+.; Ce travail de thèse est basé sur l'analyse et l'optimisation des propriétés physiques d'un matériau photonique compatible avec les technologies CMOS. Ce matériau est une matrice de SiO2 contenant des nanoclusters de silicium (nc-Si) et des ions erbium (Er3+). Grâce à un transfert d'énergie entre nc-Si et Er3+, la section efficace d'absorption des ions Er3+ est fortement augmentée. L'objectif est d'optimiser le transfert entre nc-Si et Er3+ afin de maximiser les propriétés d'émission de l'erbium à 1,5 µm. Dans un premier temps les travaux sont axés sur les traitements thermiques pendant et après le dépôt. Ensuite, nous analysons l'effet de l'épaisseur de la couche mince sur les propriétés optiques du matériau et nous montrons que les couches très minces (< 150 nm) présentent un manque de sensibilisateurs qui réduit le nombre d'erbium excités. Nous démontrons alors que ce problème peut être résolu en augmentant la concentration en silicium, augmentant ainsi le nombre de sensibilisateurs au sein des couches les plus minces. Il est ensuite montré que les ions Er3+ bénéficient d'une excitation nanoseconde multi-niveaux par les sensibilisateurs nc-Si. Une deuxième partie du travail de thèse présente la réalisation de diodes électroluminescentes (DELs) et l'optimisation de leur émission à 1,5 µm. Nous montrons qu'épaisseur et excès de silicium doivent êtres choisi conjointement pour l'optimisation des propriétés optiques et électriques des DELs. Une dernière partie montre que les propriétés des DELs peuvent êtres améliorés par l'utilisation de matrices hôtes oxynitrures et nitrures pour les nc-Si et Er3+. Ces travaux ouvrent la voie au développement de DELs efficaces à base de silicium et émettant à 1,5 µm

This work is based on the analysis and optimization of an alternative material to replace metallic interconnections of integrated circuits. This material is an SiO2 matrix containing Siliconnanoclusters (Si-nc) and Erbium ions (Er3+). Thanks to an energy transfer between Si-nc and Er3+, the strong absorption of Si-nc in the visible range results in the indirect excitation of Er3+ ions that thus emit at 1.5 μm. The goal is to optimize the emission properties of Er3+ at 1.5 μm, and for that, to maximize the energy transfer between Si-nc and Er3+. First, the work is directed on thermal treatments during and after the deposition. Then, we analyze the influence of the film thickness on the material's optical properties and we show that thinnest films (< 150 nm) contain a low number of that reduces the number of excited erbium. We demonstrate that this problem can be overcome by increasing the silicon concentration, hence raising the number of sensitizers for Er3+. It is also shown that Er3+ ions benefit from a multilevel excitation by Si-nc sensitizers. A second part of the work consists in the realization of light-emitting diodes (LEDs) and to optimize their emission at 1.5 μm. We show that thickness and silicon excess must be chosen concomitantly to optimize optical and electrical properties of LEDs. In a last part we show that LEDs' properties can be enhanced using nitrogen-based matrices like oxynitrides or nitrides as hosts for Er3+., Ce travail de thèse est basé sur l'analyse et l'optimisation des propriétés physiques d'un matériau photonique compatible avec les technologies CMOS. Ce matériau est une matrice de SiO2 contenant des nanoclusters de silicium (nc-Si) et des ions erbium (Er3+). Grâce à un transfert d'énergie entre nc-Si et Er3+, la section efficace d'absorption des ions Er3+ est fortement augmentée. L'objectif est d'optimiser le transfert entre nc-Si et Er3+ afin de maximiser les propriétés d'émission de l'erbium à 1,5 µm. Dans un premier temps les travaux sont axés sur les traitements thermiques pendant et après le dépôt. Ensuite, nous analysons l'effet de l'épaisseur de la couche mince sur les propriétés optiques du matériau et nous montrons que les couches très minces (< 150 nm) présentent un manque de sensibilisateurs qui réduit le nombre d'erbium excités. Nous démontrons alors que ce problème peut être résolu en augmentant la concentration en silicium, augmentant ainsi le nombre de sensibilisateurs au sein des couches les plus minces. Il est ensuite montré que les ions Er3+ bénéficient d'une excitation nanoseconde multi-niveaux par les sensibilisateurs nc-Si. Une deuxième partie du travail de thèse présente la réalisation de diodes électroluminescentes (DELs) et l'optimisation de leur émission à 1,5 µm. Nous montrons qu'épaisseur et excès de silicium doivent êtres choisi conjointement pour l'optimisation des propriétés optiques et électriques des DELs. Une dernière partie montre que les propriétés des DELs peuvent êtres améliorés par l'utilisation de matrices hôtes oxynitrures et nitrures pour les nc-Si et Er3+. Ces travaux ouvrent la voie au développement de DELs efficaces à base de silicium et émettant à 1,5 µm

This study focuses on the erbium doped nanostructured semi-conductors materials, innovativeand compatible with the Si technology to develop photonic devices such as waveguide, opticalamplifiers, and laser. The development of such devices is linked to the enhancement of the opticcommunications rate in the metropolitan network, but also to promote microelectronic and photonicfunctions on the same chips. Such applications are made possible due to the beneficial effects ofsilicon nanoclusters in erbium doped silica layer. After an excitation by a beam laser, the siliconnanocluster in its excited state transfers efficiently its energy to the surrounding erbium ions, for whichthe desexcitation is followed by the emission of photon at 1.54 μm. This later is the standardwavelength of the telecommunications. Thanks to this coupling Si-Er, the effective excitation crosssection of Er ions is increased by about five orders of magnitude. Such an effect is a promoter for theapplications mentioned above. This work has therefore consisted in fabricating Er doped-Si-SiO2 thinlayers by RF confocal magnetron co-sputtering and in the optimization of the Si-Er coupling. Theeffects of the deposition parameters on the microstructure and the optical properties of the depositedlayers have been deeply studied. At the end, I succeeded to couple 30% of the Er ions to Sinanoclusters. Optical and electrical devies have been tested and studied., L’étude porte sur des matériaux semi-conducteurs nanostructurés dopés à l’erbium, innovantset compatibles avec la technologie du Si pour développer des dispositifs photoniques tels que lesguides d’onde, les amplificateurs optiques, et les lasers. Ces dispositifs sont destinés à l’augmentationdu débit des communications optiques dans le réseau métropolitain (amplificateur planaire), mais aussià favoriser l’association des fonctions microélectroniques et photoniques sur une même plaquette(source). De telles applications sont rendues possibles en utilisant les effets bénéfiques de la présencedes nanograins de silicium dans une couche de silice dopée à l’erbium. En effet, suite à une excitationpar un faisceau laser, le nanograin de silicium dans son état excité transfère efficacement son énergieaux ions erbium qui ensuite se désexcite en émettant un photon à 1,54 μm qui est la longueur d’ondestandard des télécommunications. Grâce à ce couplage Si-Er, la section efficace effective de l’ionerbium est augmentée de 4 à 5 ordres de grandeur, ce qui est promoteur pour les applicationssusmentionnées. Le travail de ma thèse a donc consisté à fabriquer des couches minces Si-SiO2-Er parco-pulvérisation magnétron confocale et à optimiser le couplage Si-Er. Pour cela les effets dedifférents paramètres de dépôt sur la microstructure et les propriétés optiques des couches mincesdéposées ont été analysés pour aboutir au final à un taux d’ions Er3+ couplé aux nanograins de Sid’environ 30%. Des dispositifs optiques et électriques ont été testés en fin de thèse.

Elaboration of copper (I) with original electronic properties; La chimie de coordination de complexes cuivreux du type [Cu(PP)(NN)]+ (PP : ligand bisphosphine et NN : ligand phénanthroline) a été étudiée. La stabilité des complexes hétéroleptiques dépend de la nature du ligand PP. Des complexes hétéroleptiques stables et fortement luminescents ont été obtenus en utilisant le ligand POP (bis[2-diphénylphosphinophényl]éther). Lors de la préparation de cette première famille de complexes cuivreux, nous avons découvert fortuitement qu'il était aussi possible d'obtenir des complexes de type [Cu(PP)2][BF4]. Cette nouvelle famille de composés possède des propriétés de luminescence remarquable qui ont été exploitées pour l'élaboration de diodes électroluminescentes. Finalement, nous nous sommes également intéressés à l'élaboration de matériaux donneur-accepteur en associant les fullerènes avec nos complexes du Cu(I).

Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) ont une durée de vie limitée. Cette limitation est notamment due à la présence d'impuretés dans le matériau électroluminescent. Ces impuretés proviennent principalement des électrodes. Nous pensons que l'ajout de couches de matériaux entre les électrodes et le matériau électroluminescent peut retarder l'arrivée des impuretés. Cette couche ajoutée doit avoir plusieurs caractéristiques dont principalement :être conductrice, ne pas absorber la lumière, être facilement mise en oeuvre et être d'une grande pureté. Nous pensons que des matériaux de type discotique possédant une mésophase aux températures d'utilisation de la OLED peuvent remplir ce cahier des charges.Nous avons choisi d'étudier les composés discotiques à base de triphénylène, car celui-ci n'absorbe pas dans le visible. Nous avons tout d'abord étudié les 2,3,6,7,10,11-Hexa-(alkylthio)triphénylènes (HATT). Les HATT possèdent déjà les propriétés physiques que nous recherchons à l'exception des propriétés thermotropes. Nous avons donc étudié la possibilité de modifier celles-ci.La synthèse de plusieurs HATT possédant six chaînes alkylsulfanyles identiques n'a pas donné les résultats attendus du point de vue des propriétés thermotropes. Nous avons alors synthétisé des molécules possédant plusieurs chaînes alkylsulfanyles différentes. Après différents essais, nous avons trouvé un mélange de molécules possédant plusieurs chaînes latérales différentes ayant les propriétés physiques recherchées. Mais ce matériau est composé d'un grand nombre de molécules et sa purification est difficile. Les techniques classiques de purification des composés organiques ne donnant pas une pureté suffisante, ou étant inapplicables sur une mésophase cristal liquide à température ambiante, nous avons donc recherché d'autres techniques de purification ou d'obtention des propriétés thermotropes désirées. Nous avons étudié la purification par raffinage de zone des matériaux à l'aide d'une impureté que nous avons ajoutée et suivie au cours des manipulations. Le raffinage de zone montre une bonne purification lors de l'utilisation d'une transition de phase entre une phase cristalline et une phase liquide. Par contre, lors de l'utilisation d'une transition impliquant une mésophase (cristal liquide ou cristal plastique), une faible (ou une absence de) purification est observée. Ces deux dernières études ont été faites sur des 2,3,6,7,10,11-Hexa(alkyloxy)triphénylènes (HAOT) que nous avons synthétisés et purifiés au préalable. Les gels de silice fonctionnalisés que nous avons utilisés montrent une purification des cations métalliques durs et, dans une moindre mesure, des cations métalliques intermédiaires dans le concept dur-mou. Le phosphore, seul élément non-métallique que nous ayons étudié, est l'élément dont la baisse de concentration est la moins efficace.La seconde approche pour obtenir des mélanges possédant une mésophase cristal liquide à température ambiante est la formation de mélanges de molécules synthétisées et purifiées isolément. Parmi les mélanges de molécules que nous avons effectués, nous avons pu observer une plage de concentration de mélanges ternaires qui possède les propriétés thermotropes recherchées.Nous avons donc obtenu un matériau cristal liquide à température ambiante grâce à un mélange de molécules. Le matériau ainsi formé absorbe peu dans le visible, possède potentiellement une bonne mobilité des porteurs de charges électriques, est facilement obtenu à une pureté suffisante. Ce mélange de molécules possède donc les propriétés que nous recherchons pour être utilisé comme couche de matériau ajoutée aux OLED., Doctorat en sciences, Spécialisation chimie, info:eu-repo/semantics/nonPublished

Not available, Dans ce travail de thèse nous étudions l'électroluminescence (EL) des jonctions à base de silicium (Si) et d'arséniures de gallium (GaAs), polarisées en avalanche. Dans le cas des jonctions p-n à base de Si (semi-conducteur à gap indirect), la polarisation en direct est accompagnée d'une émission de lumière dans l'infrarouge. Cette émission est due à la recombinaison des électrons-trous à travers le gap indirect appelée recombinaison interbande. La polarisation en avalanche est accompagnée d'une émission de lumière dans le visible. Cette émission fait l'objet de controverses depuis sa découverte en 1955. Il n'y a pas encore un accord définitif sur son origine. Une des causes du désaccord est la forme spectrale du signal qui apparaît non reproductible. Souvent les spectres sont présentés sans correction par la réponse du système de détection. La plupart des modèles proposés pour expliquer cette émission en avalanche se basent sur les transitions entre la bande de conduction et la bande de valence appelés modèles interbandes. Pour vérifier sa validité, nous avons exposé les jonctions aux irradiations dans le but d'introduire des défauts dans la bande interdite et nous avons fait varier la température afin de changer le gap et la population des porteurs. Nous avons observé que l'EL dans le mode de polarisation directe chute suite aux irradiations et à la baisse de température, comme prévu. Mais l'EL en avalanche est insensible à ces deux perturbations. Par conséquent nous avons rejeté le mécanisme de recombinaison interbande. Pour expliquer l'émission en avalanche nous proposons des transitions entre d'autres niveaux excités appelés sous-bandes de conduction. La mesure de durée de vie qui s'est révélée courte suggère des transitions directes entre sous-bandes de conduction. La confrontation de la structure de bandes d'énergie et l'expérience nous à permis d'attribuer cette émission en avalanche à des transitions entre les sous-bandes de conduction [gamma]1 et [gamma]'1 et / ou entre les extrema des sous bandes associées aux niveaux [gamma]'12 - [gamma]'2. Pour mieux comprendre cette émission en avalanche nous avons étudié l'EL des jonctions à base de GaAs, car ce matériau a un coefficient d'absorption différent de celui de Si à cause de son gap direct. Contrairement au Si, le spectre d'EL des jonctions à base de GaAs polarisées en avalanche contient deux transitions séparées, une première à 1.44 eV et une deuxième à 1.95 eV. La première est voisine de l'énergie du gap de GaAs (1.43 eV) et a la même origine interbande que l'émission dans le mode de polarisation directe, la deuxième dont l'origine est controversée a une énergie plus grande que celle du gap. Cette dernière transition correspond à une émission dans le jaune, exactement comme l'émission en avalanche des jonctions à base de Si. Pour clarifier son origine, nous avons effectué les mêmes expériences que pour le Si en exposant les jonctions aux irradiations et en changeant la température. Les deux transitions ont un comportement différent avec l'irradiation et la température. Par conséquent, nous rejetons le modèle interbande pour la transition à 1.95 eV. Des transitions entre une bande excitée et la bande de valence ont été proposées, mais l'énergie calculée de ces transitions dépasse largement 1.95 eV. Nous pensons plutôt que la transition à 1.95 eV est une transition indirecte entre la deuxième sous-bande de conduction et le minimum de la première sous-bande de conduction. Cette interprétation est en accord avec la valeur de l'énergie calculée et avec les résultats des mesures en fonction de température et de l'irradiation. En résumé, ce travail montre que dans les jonctions à base de Si et de GaAs polarisées en avalanche, la lumière est émise entre deux niveaux excités sans impliquer la bande de valence.