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

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

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

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

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

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

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

GaN/Al(Ga)N nanostructures have emerged during the last decade as promising materials for new intersubband (ISB) optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared (IR) spectrum. These technologies rely on electron transitions between quantum-confined states in the conduction band of nanostructures –quantum wells (QWs), quantum dots (QDs), nanowires (NWs). The large conduction band offset between III-N compounds, and their sub-ps ISB recovery times make them appealing for ultrafast telecommunication devices and for fast IR optoelectronics in the 3-5 µm band. Furthermore, the large energy of GaN LO phonon (92 meV) opens prospects for room-temperature THz quantum cascade lasers and ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs. A variety of GaN-based ISB optoelectronic devices have recently been demonstrated, including photodetectors, switches and electro-optical modulators. However, a number of issues remain open, particularly concerning the extension towards longer wavelengths and the improvement of electrically pumped devices performance. One of the main challenges to extend the GaN-ISB technology towards the far-IR comes from the polarization-induced internal electric field, which imposes an additional confinement that increases the energetic distance between the electronic levels in the QWs. In order to surmount this constraint, I propose alternative multi-layer QW designs that create a pseudo-square potential profile. The robustness of the designs in terms of variations due to growth uncertainties, and the feasibility of their integration in devices architectures requiring resonant tunneling transport are discussed. Experimental realizations by molecular-beam epitaxy displaying TM-polarized THz absorption are presented. A quantum cascade laser design incorporating pseudo-square QWs is introduced. An alternative approach to obtain square potential profiles is the use of nonpolar orientations. In this thesis, I compare GaN/Al(Ga)N multi-quantum wells grown on a and m nonpolar bulk GaN showing that the best results in terms of structural and optical (interband and ISB) performance are obtained for m-plane structures. Room-temperature ISB absorption in the range of 1.5–5.8 µm is demonstrated, the longer wavelength limit being established by the second order of the Reststrahlen band in GaN. As ISB devices are pushed towards higher efficiencies, the control of carrier relaxation becomes a key aspect for device engineering. Longer intraband lifetimes have been proven to exist in laterally confined systems, which motivates studies to incorporate NWs as active elements in ISB devices. Furthermore, the large NW surface-to-volume ratio allows misfit strain to be elastically released, extending the viable active region size and composition beyond the limits of planar systems or QDs. In this thesis, I report the experimental observation of TM-polarized IR absorption assigned to the s-pz intraband transition in Ge-doped GaN/AlN nanodisks inserted in self-assembled GaN NWs. Results are compared with theoretical calculations accounting for the 3D strain distribution, surface charges and many-body effects.STAR, Ces dix dernières années ont vu l'essor des nanostructures GaN/Al(Ga)N en raison de leur potentiel pour le développement de technologies intersousbandes (ISB) en optoélectronique, et ce dans le spectre infrarouge complet. Ces technologies sont basées sur des transitions électroniques entre des états confinés de la bande de conduction de nanostructures, telles que les puits quantiques, les boîtes quantiques et les nanofils. Les composés III-nitrures sont prometteurs en particulier pour les domaines de la télécommunication ultra-rapide et de l'optoélectronique infrarouge rapide dans la bande 3-5 µm pour deux raisons : un large offset de bande et des temps de vie ISB inférieurs à la picoseconde. De plus, la grande énergie du phonon longitudinal optique du GaN permet d'envisager la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à température ambiante et de systèmes optoélectroniques ISB fonctionnant dans la bande 5-10 THz, interdite pour le GaAs. Récemment, plusieurs technologies optoélectroniques ISB basées sur le GaN ont été développées, comprenant des photodétecteurs, des switchs, et des modulateurs électro-optiques. Cependant, plusieurs défis restent à relever, en particulier concernant l'extension vers les grandes longueurs d'ondes et l'amélioration des performances des appareils pompés électriquement. Une des difficultés principales opposées à l'extension des technologies GaN ISB vers le lointain infrarouge résulte de la présence d'un champ électrique interne, qui ajoute un confinement supplémentaire, augmentant ainsi la distance énergétique entre les niveaux électroniques dans les puits quantiques. Pour pallier à ce problème, on propose une structure de puits quantique alternative, dont les multiples couches créent un potentiel pseudo-carré. On discute la robustesse de ce design quant aux variations causées par les incertitudes de croissance, et la possibilité de l'intégrer dans des structures nécessitant un transport électronique par effet tunnel résonnant. On décrit également les structures fabriquées par épitaxie par jets moléculaires et présentant de l'absorption de lumière polarisée TM dans la gamme THz. Enfin on propose un design de laser à cascade quantique basé sur ces puits quantiques pseudo-carrés. L'utilisation d'orientations non-polaires est une autre façon possible d'obtenir des potentiels carrés. Dans ce manuscrit, on compare des structures de multi puits quantiques GaN/Al(Ga)N dont les croissances ont été réalisées sur des substrats massifs de GaN orientés a et m. On montre que les meilleurs résultats en termes de propriétés structurales et optiques (interbandes et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. On démontre des absorptions ISB à température ambiante dans la fenêtre 1.5-5.8 µm, dont la limite haute est imposée par la seconde harmonique de la bande de Reststrahlen du GaN. Le contrôle de la relaxation des porteurs dans les technologies ISB prend d'autant plus d'importance pour l'ingénierie de ces structures qu'on en augmente les efficacités. L'existence de temps de vie ISB plus longs dans les systèmes confinés latéralement a été démontrée, motivant ainsi les recherches pour intégrer les nanofils en tant qu'élément actif dans les technologies ISB. De plus, le grand rapport de la surface au volume pour les nanofils permet la relaxation élastique des tensions dues aux différences de paramètres de mailles. Cette relaxation augmente la taille de la région active efficace et améliore sa composition, dépassant les limites des systèmes planaires ou des boîtes quantiques. Dans ce manuscrit, on décrit l'observation expérimentale d'absorption de lumière infrarouge polarisée TM attribuée à la transition intrabande s-pz dans des nanodisques GaN/AlN dopés avec du Ge et insérés dans des nanofils de GaN. On compare les résultats obtenus avec les calculs théoriques, qui prennent en compte la distribution en trois dimensions de la tension, les charges de surface et les effets des corps multiples.

In this work we report on epitaxial growth and characterization of InGaN/GaN multiquantumwells (MQWs) heterostructures for application in photovoltaic devices. The sampleswere grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) on (0001) sapphire substrate.The structural and optical characterization is performed by X-ray diffraction, transmissionelectron microscopy, photoluminescence spectroscopy and transmission measurements. Toinvestigate the presence of photovoltaic effect and estimate the electrical performance of thesamples, they were processed into solar cells by means of the photolithography, inductivelycoupled plasma reactive-ion etching and metallization to manage n and p contacts.We studied the influence of different InGaN/GaN active region designs on thestructural, optical and electrical properties of the samples, i.e. number of InGaN quantumwells, QW and quantum barrier thicknesses and indium composition in the wells. Two mainmechanisms have to be taken into account for an efficient optimization of photovoltaicdevices: photon absorption and carrier collection. We showed that an increase of the MQWsnumber, their thickness and the In-content allows absorption improvement, but causes lossesin the carrier collection efficiency due to: the increase of the active region thickness (lowerelectric field), the difficulty of the carrier to escape from deeper QWs and the strain relaxation(structural defect creation). The decrease of the barrier thickness can solve the first two issues,but the problem with strain relaxation remains. In the best design, we report the value of2.00% of conversion efficiency for 15×In0.18Ga0.82N/GaN samples with spectral responseextending to 465 nm., Ce travail traite de la croissance épitaxiale et de la caractérisation d’hétérostructures àbase de multi-puits quantiques (MPQ) pour des applications dans le photovoltaïque. Leséchantillons ont été obtenus par la technique d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques(EPVOM) sur des substrats de saphir (0001). La caractérisation structurale etoptique est réalisée par diffraction de rayons X, microscopie électronique en transmission,spectroscopie de photoluminescence et de transmission. Pour étudier la présence de l’effetphotovoltaïque et pour estimer la performance électrique des échantillons, les MPQ ont étéintégrés dans la géométrie de cellules solaires en utilisant de la photolithographie, desattaques réactives ioniques assistées par plasma inductif et des métallisations pour contacterles parties dopées n et p.Nous avons étudié l’influence de différents designs des régions actives InGaN/GaN surles propriétés optiques et électriques des échantillons, c’est-à-dire le nombre de puitsquantiques InGaN, les épaisseurs des puits et des barrières et la composition en indium dansles puits. Deux mécanismes principaux doivent être pris en compte pour une optimisationefficace de composants photovoltaïques: l’absorption des photons et la collections desporteurs. Nous avons montré qu’une augmentation du nombre de MPQ, de leur épaisseur etde la composition d’In améliorait l’absorption, mais causait aussi des pertes dans l’efficacitéde collection du fait de l’augmentation de l’épaisseur de la couche active (champ électriqueplus faible), de la difficulté des porteurs pour s’échapper de puits plus profonds et derelaxation des contraintes (création de défauts structuraux). La décroissance de l’épaisseur desbarrières peut résoudre les deux premiers points, mais le problème de la relaxation de lacontrainte reste entier. Pour notre meilleur design, nous obtenons une efficacité de conversionde 2 % pour des couches 15×In0.18Ga0.82N/GaN qui ont une réponse spectrale qui s’étendjusqu’à 465 nm.

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

Date de rédaction : 1er semestre 2013.; This study focuses on acoustic transduction in frequencies ranging from 100 GHz to 1 THz. A picosecond pulsed laser was used to generate and detect high frequency phonons. These transductors are a two-layers pileup of GaAs/AlAs gathered in one superlattice. The optical wave-length sensitivity was experimentally studied. To improve the transduction efficiency, an optical micro cavity was used to increase the interaction between radiation and superlattice. These light-to-sound transducers were used to measure subterahertz and terahertz phonons' lifetime. An anomaly in lifetime frequency dependence was observed in gallium arsenide. Dispersion relation from ab initio calculation coupled with Landau-Rumer phonon lifetime theory fully explain this unexpected anomaly.; Ce manuscrit porte sur l'étude de transducteur acoustique couvrant la plage de fréquence allant de 100 GHz à 1 THz. Un laser impulsionnel pico-seconde est à l'origine de ces hautes fréquences. Les structures utilisées pour la génération sont un empilement bicouches GaAs/AlAs. La sensibilité de génération et de détection d'onde acoustique en fonction de la longueur d'onde est étudiée expérimentalement. Afin d'améliorer l'efficacité de transduction, une micro-cavité optique est utilisée pour augmenter l'interaction entre le rayonnement laser et le super-réseau. Ces transducteurs opto-acoustiques sont utilisés pour mesurer les temps de vie des phonons subterahertz et terahertz. Une anomalie dans le comportement en fréquence des temps de vie a été mise en évidence dans l'arséniure de gallium. L'utilisation de courbes de dispersion issues de calculs ab initio associée à l'approche de Landau-Rumer pour les temps de vie ultra-sonores permet d'expliquer ce comportement inattendu.

Date de rédaction : 1er semestre 2013.; This study focuses on acoustic transduction in frequencies ranging from 100 GHz to 1 THz. A picosecond pulsed laser was used to generate and detect high frequency phonons. These transductors are a two-layers pileup of GaAs/AlAs gathered in one superlattice. The optical wave-length sensitivity was experimentally studied. To improve the transduction efficiency, an optical micro cavity was used to increase the interaction between radiation and superlattice. These light-to-sound transducers were used to measure subterahertz and terahertz phonons' lifetime. An anomaly in lifetime frequency dependence was observed in gallium arsenide. Dispersion relation from ab initio calculation coupled with Landau-Rumer phonon lifetime theory fully explain this unexpected anomaly.; Ce manuscrit porte sur l'étude de transducteur acoustique couvrant la plage de fréquence allant de 100 GHz à 1 THz. Un laser impulsionnel pico-seconde est à l'origine de ces hautes fréquences. Les structures utilisées pour la génération sont un empilement bicouches GaAs/AlAs. La sensibilité de génération et de détection d'onde acoustique en fonction de la longueur d'onde est étudiée expérimentalement. Afin d'améliorer l'efficacité de transduction, une micro-cavité optique est utilisée pour augmenter l'interaction entre le rayonnement laser et le super-réseau. Ces transducteurs opto-acoustiques sont utilisés pour mesurer les temps de vie des phonons subterahertz et terahertz. Une anomalie dans le comportement en fréquence des temps de vie a été mise en évidence dans l'arséniure de gallium. L'utilisation de courbes de dispersion issues de calculs ab initio associée à l'approche de Landau-Rumer pour les temps de vie ultra-sonores permet d'expliquer ce comportement inattendu.

This PhD work focuses on the study of III-V semiconductor nanostructures for the development of laser on Si substrate in a pseudomorphic approach. GaP-based alloys and more specifically dilute nitride GaPN-based alloys are expected to guarantee a low density of crystalline defects through a perfect lattice-matched growth. An extended tight-binding model is first presented to deal with the theoretical challenges for the simulation of electronic and optical properties of semiconductor structures grown on GaP or Si substrate. The optical properties of bulk GaPN and GaAsPN alloys are then studied through temperature dependent continuous wave photoluminescence and time-resolved photoluminescence experiments. The potential of GaAsPN/GaP quantum wells as a laser active zone is discussed in the framework of both theoretical simulations (with the tight-binding model) and experimental studies (with temperature dependent and time-resolved photoluminescence). In particular, the N-induced disorder effects are highlighted. The AlGaP alloy is then proposed as a candidate for the cladding layers. A significant refractive index contrast between AlGaP and GaP is measured by spectroscopic ellipsometry which may lead to a good confinement of the optical mode in a laser structure. The issue of band alignment is highlighted. Solutions based on the quaternary GaAsPN alloy are proposed. Finally, the InGaAs/GaP quantum dots are studied as an alternative to GaAsPN/GaP quantum wells for the active zone. The growth of a high quantum dot density and room temperature photoluminescence are achieved. The electronic band structure is studied by time-resolved photoluminescence and pressure dependent photoluminescence as well as tight-binding and k.p simulations. It demonstrates that the ground optical transition involves mainly X-conduction states.; Ce travail de thèse porte sur l’étude de nanostructures semi- conductrices III-V pour le développement d’émetteurs laser sur silicium dans une approche pseudomorphique. Une croissance en accord de maille d’alliages à base de GaP ou plus précisément de nitrures dilués GaPN doit garantir une faible densité de défauts cristallins. Le modèle des liaisons fortes à base étendue est tout d’abord présenté afin de simuler les propriétés électroniques et optiques de structures semi-conductrices sur substrats de GaP ou Si. Les propriétés des alliages massifs GaPN et GaAsPN sont étudiées par des expériences de photoluminescence continue en fonction de la température et de photoluminescence résolue en temps. Les potentialités des puits quantiques GaAsPN/GaP en tant que zone active sont étudiées théoriquement par le modèle des liaisons fortes et expérimentalement en spectroscopie de photoluminescence en température et résolue en temps. Les effets de désordre engendrés par l’incorporation d’azote sont notamment mis en évidence. L’alliage AlGaP est ensuite proposé pour les couches de confinement optique des structures laser. Un contraste d’indice optique entre AlGaP et GaP est mesuré par ellipsométrie spectroscopique. Ce contraste doit permettre un confinement efficace du mode optique. Le problème de l’alignement des bandes en présence d’aluminium est ensuite évoqué. L’utilisation de l’alliage quaternaire GaAsPN est proposée pour résoudre ce problème. Enfin, les boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en tant qu’alternative aux puits quantiques GaAsPN/GaP dans la zone active. Une forte densité de boites quantiques et une émission de photoluminescence à température ambiante sont ainsi obtenues pour ce système. Les états électroniques des boîtes quantiques sont simulés par la technique des liaisons fortes et la méthode k.p. La photoluminescence résolue en temps couplée à des expériences de photoluminescence continue sous pression hydrostatique, permet de montrer que la transition fondamentale de ces boîtes implique majoritairement des états de conduction de type X.

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

Due to their electrical and optical properties, the integration of III-V semiconductors on Si would open the path to the combination of a various functionalities on the same chip, a potential solution to the challenges faced by CMOS components. The pionner studies by McKee and al have shown that SrTiO3 (STO) could be directly epitaxied on Si by MBE (Molecular Beam Epitaxy). Few years later, a Motorola team has shown that it is possible to epitaxy thin GaAs layers on STO/Si templates, hence opening a new path for III-V monolithic integration on Si. Based on this, the INL has undertaken the study of III-V semiconductors growth on STO. In particular, it has been shown that the weak adhesion specific to these systems favors a preferential accommodation mode of the lattice mismatch by breaking interfacial bonds rather than by plastic relaxation of an initially compressed layer. Hence, it is possible in spite of a strong lattice mismatch to grow III-V semiconductors without threading defects related to a plastic relaxation mechanism, which opens interesting perspectives for IIIV monolithic integration on Si. In this context, during this thesis, we have focalised in the beginning on optimising the growth of the STO/Si templates. In particular, we have shown that a relaxed and oxygen-rich STO layer favors undertaking InP growth. Next, we have studied systematically the InP growth on STO. The weak adhesion specific to this system leads to islands formation at the early stages of growth, as well as the observation of a competition between different crystalline orientations of the InP islands. We have worked out STO growth conditions and surface preparation strategies that allow obtaining purely (001) oriented InP islands. We have next optimised the islands coalescence step in order to form 2D InP layers on STO/Si. Based on a complete structural and optical study of these heterostructures, we have been able to analyse our approach’s potential and to point out cetain limitations of the STO/Si templates. On this basis, we have finally initiated the study of alternative templates for InP growth, by undergoing some preliminary studies of InP epitaxy on LaAlO3 substrates., Les semiconducteurs III-V ayant des propriétés électroniques et optiques très intéressantes, leur intégration sur Si permettrait la combinaison de fonctionnalités variées sur la même puce, une solution potentielle aux obstacles affrontés par les composants CMOS. Les travaux pionniers de McKee et al ont démontré que le SrTiO3 (STO) peut être directement épitaxié sur Si par EJM (Epitaxie par Jets Moléculaires). Plus tard, une équipe de Motorola a montré qu’il était possible d’épitaxier des couches minces de GaAs sur des templates de STO/Si, ouvrant une voie nouvelle pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Sur cette base, l’INL a entrepris l’étude de la croissance de semiconducteurs III-V sur STO. Il a notamment été montré que la faible adhésion caractéristique de ces systèmes favorisait un mode d’accommodation spécifique du désaccord paramétrique par la formation d’un réseau de dislocations confinées à l’interface entre les deux matériaux sans défauts traversant liés à une relaxation plastique, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Dans ce contexte, lors de cette thèse, Nous nous sommes d’abord focalisé sur l’optimisation de la croissance des templates de STO/Si. Nous avons en particulier montré qu’une couche de STO relaxée et riche en oxygène favorisait la reprise de croissance de l’InP. Nous avons ensuite étudié de manière systématique la croissance d’InP sur STO. La faible adhésion caractéristique de ce système conduit à la formation d’îlots aux premiers stades de la croissance, ainsi qu’à l’observation d’une compétition entre plusieurs orientations cristallines de l’InP. Nous avons fixé des conditions de croissance et de préparation de la surface de STO permettant d’obtenir des îlots purement orientés (001). Nous avons ensuite optimisés l’étape de coalescence de ces îlots pour former des couches 2D d’InP intégrées sur STO/Si. Une étude structurale et optique complète de ces hétérostructures, nous a permis d’analyser le potentiel de notre approche et pointer certaines limitations des templates de STO/Si. Sur cette base, nous avons enfin initié l’étude de templates alternatifs pour la croissance d’InP, en effectuant quelques études préliminaires de l’épitaxie d’InP sur substrats de LaAlO3.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A new catalyst-free method has been developed to grow self-assembled GaN wires on c-plane sapphire substrates by metal-organic vapour phase epitaxy. This approach, based on in situ deposition of thin SiNx layer (~2 nm), enables epitaxial growth of c-oriented wires with 200-1500 nm diameters and a large length/diameter ratio (>100) on c-plane sapphire substrate. The detailed study of the growth mechanisms shows that a combination of key parameters is necessary to obtain vertical growth. In particular, the duration of SiNx deposition prior to the wire growth is critical for controlling the epitaxy with the substrate. The GaN seed nucleation time determines the mean-size diameter and structural quality and a high Si-dopant concentration promotes the vertical growth. Such GaN wires exhibit UV-light emission centered at about 350 nm and a weak yellow band (~550 nm) at low temperature. This approach may be viewed as a fast and reproducible technique to grow GaN wires by MOVPE. Compared to other techniques, it allows studying quite systematically the influence of the growth parameters without being dependent on time consuming ex situ surface preparations like surface patterning used in selective area growth (SAG). The growth of heterostructures, as longitudinal n-u and n-p wires (using Si and Mg dopants) as well as a core-shell InGaN/GaN MQW using the wires as templates has been demonstrated. The growth occurs on the non-polar m-plane facets of the wire and not on c-plane as it is the case on 2D materials with the same sapphire substrate. It gives different piezoelectric contributions to the wires optical properties, which have been studied by cathodo- and photo-luminescence. The fundamental building blocks of wire-based blue LED were demonstrated during this thesis. The realisation of an efficient device still requires a deeper understanding and optimization of the parameters controlling the material growth and an optimization of the electrical contacts., Une méthode originale de croissance non catalysée a été développée pour faire croître des fils auto-assemblés de GaN sur des substrats de saphir par épitaxie en phase gazeuse d'organo-métalliques (MOVPE). Cette approche, basée sur le dépôt et le perçage, in situ, d'une fine couche de SiNx (~2 nm), permet la croissance épitaxiale de fils orientés le long de l'axe c sur des substrats de saphir. L'étude détaillée des mécanismes de croissances montre qu'une combinaison de paramètres clés est nécessaire pour obtenir la croissance verticale des fils. En particulier, la durée du dépôt de SiNx avant la croissance des fils est critique pour contrôler l'épitaxie avec le substrat. Le temps de nucléation des germes de GaN détermine la taille moyenne et la qualité structurale, enfin une forte concentration de dopant Si permet d'obtenir la croissance verticale. Les fils obtenus ont une émission UV centrée sur environ 350 nm et une faible bande jaune de défaut (~550 nm) à basse température. Cette approche fournit une méthode rapide et reproductible pour faire croître des fils de GaN en MOVPE et a permis d'explorer les paramètres de croissance sans avoir à préparer spécifiquement les surfaces comme c'est le cas dans les croissances sélectives. La croissance d'hétérostructures dopées longitudinales de type n-u et n-p a été démontrée en utilisant des précurseurs de Si et de Mg. De plus les fils ont été utilisés comme gabarits pour faire croître des structures cœur/coquille de puits quantiques InGaN/GaN. Ces structures ont été étudiées par cathodo- et photo-luminescence pour avoir une caractérisation spatiale et spectrale de l'émission lumineuse. Cette croissance se fait notamment sur les plans m non-polaires ce qui modifie les contributions des champs électriques sur l'émission de lumière. Les briques technologiques pour obtenir une diode électroluminescente bleue à base de fils ont donc été démontrées. La réalisation de composants nécessite un contrôle plus poussé de la qualité du matériau et des contacts pour une injection électrique.

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

Intersubband transitions in semiconductor heterostructures have been intensively studied since the mid 80s. Nowadays there are two frontiers to explore: extending the operation of intersubband devices to the THz domain and to the near infra-red range. To reach the optical fiber telecommunication spectral range, the GaN/AlN quantum wells and quantum dots under investigation in this manuscript are the most promising candidates due to their large conduction band offset (1.75 eV).I first present room-temperature experiments on GaN/AlN quantum wells grown by molecular beam epitaxy on sapphire substrate (0001). I report on the resonant enhancement of second harmonic generation at λ~1 µm as well as the first observation of intersubband emission at λ~2.1 µm under an optical pumping at room temperature. I then study the electron quantum confinement in GaN/AlN coupled quantum wells and demonstrate the electron tunnelling between the two quantum wells under applied bias. This process is then applied to the realization of a fast electro-optical modulator (3 GHz).Finally, I investigate the quantum confinement in GaN/AlN quantum dots. In these nano-objects, I describe the observation of intraband emission between the pz and s states at λ~1.48 µm at room temperature. These measurements allow to estimate the homogeneous broadening of the intraband transition in a single quantum dot. I then present pump-probe experiments aimed at measuring the lifetime of excited electrons, T1~160 fs. The dephasing time of electrons between the quantum dot states is estimated to be T2~320 fs based on absorption saturation and emission measurements.; Depuis une vingtaine d'années, la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd'hui deux frontières à explorer : l'extension vers le THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, les puits et boîtes quantiques GaN/AlN étudiés dans cette thèse sont les candidats les plus sérieux car ils présentent une discontinuité de potentiel suffisamment élevée en bande de conduction (1,75 eV).Je présente en premier lieu mes expériences à température ambiante portant sur les puits quantiques GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je montre l'amplification résonante de la génération de second harmonique à λ~1 µm mais aussi la première observation de la luminescence intersousbande à λ~2,1 µm sous pompage optique. J'étudie ensuite le confinement quantique dans des structures à puits quantiques couplés GaN/AlN. Ces structures ont permis de mettre en évidence le transfert tunnel des électrons entre puits quantiques sous application d'une tension et de fabriquer un modulateur électro-optique rapide (3 GHz).Finalement, j'étudie le confinement quantique dans les boîtes quantiques GaN/AlN. Dans ces nano-objets, je mets en évidence à température ambiante l'émission intrabande pz-s à λ~1,48 µm. Je déduis de ces mesures la largeur de raie intrabande d'une boîte unique. Je montre en outre que la durée de vie des électrons excités est ~160 fs via des expériences de pompe-sonde. A partir des mesures de saturation d'absorption et d'émission, j'estime le temps de cohérence des électrons entre les sous niveaux à T2~320 fs.

The development of wavelength agnostic networks is currently an important driving force for developping low-cost achromatic sources. Utilizing an electro-absorption modulator integrated with a semi-conductor optical amplifier is an attractive solution. This enables high speed, high gain, achromacity, athermality and low polarization dependencie functionalities. The amplified modulator work in a reflective scheme and need only one fiber. The selective metal-organic vapor phase epitaxy is used in order to integrate monolithically the modulator and the amplifier. This technic allows a local and spatial variation of the thickness in the vicinity of a selective dielectric mask. The active layers defining the device consists of AlGaInAs multiple-quantum well based materials. The thickness and composition are choosen in order to obtain low polarisation depency and apply a positive wavelength detuning between amplifier and modulator. This last point enables an enhancement of the insertion gain possible since the gain peak of the amplifier is detuned in the modulation spectral range. Analysis and interpretation of the modulator reflective spectrum demonstrate the validity of the detuning approach. The dynamic performances measured at 10 Gb/s show negligible penalties on the received power on a large wavelength and temperature range. Our results clearly show the high potential of this device for optical passive access network, as well as higher speed applications., Le développement des réseaux d'accès multi-longueur d'onde à 10 Gb/s fait apparaître un besoin pour des composants achromatiques bas-coûts. L'utilisation d'un modulateur électro-absorbant intégré avec un amplificateur optique à semiconducteurs est une solution qui permet de répondre à la fois aux critères de débits, gain d'insertion, achromacité, athermalité et insensibilité à la polarisation. Le modulateur amplifié fonctionne dans un schéma réflectif et ne nécessite donc qu'une seule fibre optique.L'épitaxie sélective en phase vapeur est utilisée afin d'intégrer monolithiquement le modulateur et l'amplificateur. La technique permet une variation spatiale et locale des épaisseurs des couches épitaxiéees au voisinage d'un masque diélectrique sélectif. Lematériau définissant la zone active consiste en un empilement de puits quantiques à base de matériaux AlGaInAs. Les épaisseurs et les compositions définissant l'empilement sont déterminées afin d'obtenir l'insensibilité à la polarisation et d'appliquer un décalagespectral entre le modulateur et l'amplificateur. Ce dernier point optimise le gain d'insertion du composant intégré puisque la position spectrale du pic de gain est décalée dans la zone de modulation. L'analyse et l'interprétation des spectres en réflexion du modulateur amplifié démontrent l'intérêt de ce décalage spectral. Le comportement dynamique à haut débit montre des pénalités négligeables sur la puissance reçue en fonction de la longueur d'onde et de la température. Les résultats obtenus illustrent l'intérêt du composant pour les réseaux d'accès passifs mais aussi pour d'autres applications à plus haut débit.

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

This work dealts on an experimental and theorical study of optical properties of quantum wells.; Ce travail porte sur une étude expérimentale et théorique des propriétés optiques de puits quantiques contraints GaInAsN/GaAs élaborés par épitaxie sous jets moléculaires. Les transitions interbandes du puit GaInAsN sont étudiés par photoluminescence et absorption optique traitée thermiquement. Les energies correspodantes sont calculées grâce à un modèle k.p. à 10 bandes traitant simultanément la contrainte et le couplage entre états électroniques de l'azote et de la bande de conduction de GaInAs. Le décalage des bandes de conduction contraint GaInAsN/GaAs et de la masse effective des porteurs sont déterminés. La force d'oscillateur et l'élargissement inhomogène des excitons ainsi que le coefficient d'absorption des puits sont extraits des spectres. Un recuit provoque un décalage vers le bleu des energies de transition, qui résulte de l'interdiffusion In/Ga et du réarrangement local autour de l'azote. Cette réorganisation atomique conduit à une diminution du couplage de l'azote avec la bande de conduction.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The work carried out during this PhD focus on the fabrication and the investigation of an InP-based saturable absorber (SA) device for high bit rate all-optical reshaping. The principle of operation of this all-optical and passive device is based on the non-linear absorption of quantum well (QW) suitably inserted inside a Fabry-Perot microcavity. Besides its polarisation-insensitive operation and its response time compatible with the futures high bit rate signals, the SA device may process several wavelength simultaneously thanks to its large bandwidth, making it as a promising candidate for future low cost all-optical regenerator for high bit rate WDM links.Due to an optimised structure, we were able to make a device with a response time as short as the picoseconde and with a saturation fluence of only a few µJ/cm2. The experimental results allowed us to validate the SA-based microcavity autosaturation model developed during this work, as well as the one describing the SA device working at high bit rate by taking into account the important thermal effects.Thanks to its optimisation and to a better management of the thermal effect, we were able to demonstrate for the first time the extinction ratio enhancement of a 160 GHz signal (+6 dB on 8 nm bandwidth) and the reshaping of a 160 Gbits/s signal with a SA device. Finally, 2R regeneration results got from a recirculating loop experiment at 10 Gbits/s and 43 Gbits/s are also presented and show a factor enhancement of the propagation distance of 9.5 (on 13 nm) and of 6 respectively., Ce manuscrit est consacré à la réalisation et à l'étude d'un composant à base d'absorbants saturables (AS) sur InP pour la remise en forme de signaux optiques à très hauts-débits. Le fonctionnement de ce composant tout-optique et passif est basé sur la non-linéarité d'absorption de puits quantiques (PQ) insérés dans une microcavité Fabry-Perot. Outre son insensibilité à la polarisation et son temps de réponse compatible avec les futurs signaux à hauts-débits, le composant AS présente aussi une large bande passante (BP) lui permettant de traiter plusieurs longueurs d'onde simultanément, faisant de lui un bon candidat pour les futurs dispositifs de régénération tout-optique à faible coût pour les liaisons à hauts-débits multiplexés en longueur d'onde (WDM).Grâce à une structure optimisée, nous avons pu obtenir un composant avec un temps de réponse aussi court que la picoseconde et une fluence de saturation de seulement quelques µJ/cm2. Les résultats expérimentaux ont permis de valider le modèle de l'autosaturation des PQ en microcavité développé lors de cette thèse, ainsi que celui décrivant le fonctionnement du composant AS à hauts-débits et tenant compte des effets-thermique.Grâce à son optimisation et à une meilleure gestion des effets thermo-optiques, nous avons pu démontrer pour la 1iére fois l'amélioration du taux d'extinction de signaux à 160 GHz (+6 dB sur une BP de 8 nm) et la remise en forme à 160 Gbits/s par un composant AS. Enfin, des résultats de régénération 2R en boucle de recirculation à 10 Gbits/s et à 43 Gbits/s sont aussi présentés et montrent une amélioration de la distance de propagation de 9,5 (sur 13 nm) et de 6 respectivement.

The background of this thesis is the study of new diode-pumped solid-state laser sources emitting a continuous wave single-frequency radiation in the near infrared (1000 nm) and in the blue-green by second harmonic generation, particularly at 501.7 nm. These laser sources aim metrological applications such as ultra-high resolution spectroscopy of molecular iodine (127I2) and the practical application of the meter, fields in which argon lasers are currently used.The first chapter of this work presents the context of this study, through a state of the art of the solid-state laser sources around 500 nm, the adopted and explored solutions, as well as some theoretical elements concerning second harmonic generation. The common principle of these two ways is to produce a single-frequency laser emission at 1000 nm, which is then frequency doubled.The second chapter deals with the solution using ytterbium-doped crystals emitting at 1000 nm, whose emission is intracavity frequency-doubled in a KNbO3 nonlinear crystal. Two laser crystals are used: Yb:YSO and Yb:KYW. In both cases and in single-frequency operation, at 501.7 nm after the frequency doubling process, we demonstrate output powers ranging between 35 and 60 mW for a pump power of 4W at 980 nm.The third chapter relates to the second studied way using a VCSEL type semiconductor amplifying medium with quantum wells. The active structure, composed of a Bragg mirror and quantum wells, is assembled in an extended cavity and optically pumped. The laser emission around 1000 nm is frequency doubled to produce 60 mW in single-frequency operation at 500 nm, from a pump power of 6.5 W at 808 nm.; Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser solides, pompées par diode, émettant un rayonnement continu monomode longitudinal dans le proche infrarouge (1000 nm) et dans le bleu-vert par doublement de fréquence, particulièrement à 501,7 nm. Ces sources laser visent des applications métrologiques telles que la spectroscopie de l'iode (127I2) à ultra-haute résolution et la mise en pratique du mètre, domaines dans lesquels les lasers à argon sont actuellement utilisés.Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.

The background of this thesis is the study of new diode-pumped solid-state laser sources emitting a continuous wave single-frequency radiation in the near infrared (1000 nm) and in the blue-green by second harmonic generation, particularly at 501.7 nm. These laser sources aim metrological applications such as ultra-high resolution spectroscopy of molecular iodine (127I2) and the practical application of the meter, fields in which argon lasers are currently used.The first chapter of this work presents the context of this study, through a state of the art of the solid-state laser sources around 500 nm, the adopted and explored solutions, as well as some theoretical elements concerning second harmonic generation. The common principle of these two ways is to produce a single-frequency laser emission at 1000 nm, which is then frequency doubled.The second chapter deals with the solution using ytterbium-doped crystals emitting at 1000 nm, whose emission is intracavity frequency-doubled in a KNbO3 nonlinear crystal. Two laser crystals are used: Yb:YSO and Yb:KYW. In both cases and in single-frequency operation, at 501.7 nm after the frequency doubling process, we demonstrate output powers ranging between 35 and 60 mW for a pump power of 4W at 980 nm.The third chapter relates to the second studied way using a VCSEL type semiconductor amplifying medium with quantum wells. The active structure, composed of a Bragg mirror and quantum wells, is assembled in an extended cavity and optically pumped. The laser emission around 1000 nm is frequency doubled to produce 60 mW in single-frequency operation at 500 nm, from a pump power of 6.5 W at 808 nm.; Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser solides, pompées par diode, émettant un rayonnement continu monomode longitudinal dans le proche infrarouge (1000 nm) et dans le bleu-vert par doublement de fréquence, particulièrement à 501,7 nm. Ces sources laser visent des applications métrologiques telles que la spectroscopie de l'iode (127I2) à ultra-haute résolution et la mise en pratique du mètre, domaines dans lesquels les lasers à argon sont actuellement utilisés.Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.

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

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

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

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

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

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

Semiconductor quantum dot formation mechanisms, application to II-VI nanostructures(quantum wells and dots) and study of their optical properties This work presents a model for heteroepitaxial growth at equilibrium which shows the main parameters that govern strain relaxation in thin films. The effective growth mode results from the competition between plastic relaxation (with formation of dislocations at the interface) and elastic relaxation (with formation of islands on the surface). In II-VI semiconductors, the low cost in energy for forming dislocations favors plastic relaxation. A growth procedure was therefore developed that short-circuits the plastic relaxation by lowering the cost in surface energy for creating facets. This induces the formation of II-VI quantum dots, namely of CdTe on Zn(Mg)Te. These dots are studied in situ by high energy electron diffraction, atomic force microscopy and, after capping, by optical spectroscopy. Incorporation of magnesium into the barriers improves the optical properties of both quantum wells and quantum dots due to a better hole confinement. Keywords : II-VI semiconductors, molecular beam epitaxy, strain relaxation, quantum wells, quantum dots, optical spectroscopy., Mécanismes de formation des boîtes quantiques semiconductrices, application aux nanostructures II-VI (puits et boîtes) et étude de leurs propriétés optiques Ce travail présente un modèle de croissance hétéroépitaxiale à l'équilibre mettant en évidence les principaux paramètres qui gouvernent la relaxation des contraintes. Le mode effectif de croissance résulte de la compétition entre la relaxation plastique (dislocations à l'interface) et l'élastique (îlots en surface). Dans les semiconducteurs II-VI, le faible coût en énergie à former des dislocations favorise la relaxation plastique. Nous avons par conséquent développé une procédure de croissance qui court-circuite la relaxation plastique (grâce à l'abaissement du coût en énergie de surface pour créer des facettes) et induit donc la formation de boîtes quantiques CdTe sur Zn(Mg)Te. Celles-ci sont étudiées en diffraction d'électrons en incidence rasante, microscopie à force atomique et, une fois encapsulées, spectroscopie optique. L'incorporation de magnésium dans les barrières améliore les propriétés optiques tant des boîtes que des puits grâce à un meilleur confinement des trous. Mots clefs : semiconducteurs II-VI, épitaxie par jets moléculaires, relaxation des contraintes, puits quantiques, boîtes quantiques, spectroscopie optique.

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction., ENGLISH: The observation of intense luminescence in Si/SiO2 superlattices has opened up new vistas in theoretical research, with a view to fabricate Si-based devices suitable for optoelectronic applications. Crystalline silicon has an indirect energy gap that makes this material less competitive compared to other luminescent materials. The fabrication of silicon-based luminescent materials would thus provide multiple applications in the future. Three achievements are presented in this work. (a) Several Si/SiO2 superlattice models have been constructed and studied within a first-principles framework in order to evaluate their structural, electronic and optical properties. The first two models are derived from crystalline phases of silicon and silicon dioxide. From these models, the interfaces are shown to play a significant role on their optical properties. New structurally-relaxed models have thus been constructed in order to satisfy more closely the interface topology and evaluate accurately the confinement effects on their optical properties. (b) Direct bandgaps are obtained in the structurally-relaxed models. Their absorption coefficient has been calculated (by applying the Fermi Golden rule) and compared to that of bulk Si, giving a clear demonstration of the enhanced absorption (and emission) properties of Si confined systems, compared to bulk Si. A blueshift with increased confinement has been confirmed. Furthermore, the precise role of suboxide Si atoms at the interfaces has been investigated. These suboxides are shown to have two main effects: (i) increase slightly the energy gap; (ii) reduce the dispersion in the band structure near the Fermi level. (c) A direct application of the Slater transition state theory applied to crystalline silicon has been performed and compared to X-Ray near-edge absorption spectroscopy measurements. The Slater transition state theory constitutes a subset of the density functional theory for ensembles. Very good agreement between this theory and the experiment is obtained. This type of calculations has been applied to the Si/SiO2 superlattices in order to estimate and characterize the electronic properties of the confined region in the conduction bands.

This work is devoted to the study of the charged excitons (or trions) in semiconductor quantum wells, with or without an external magnetic field. The numerical results concern more particularly GaAS/GaAlAs and CdTe/CdZnTe compounds due to their possible in the field of optoelectronics. Charged excitons result from the binding of an exciton (electron hole pair) and an electron (negative trion) or a hole (positive trion), and may be considered as mobile as charged particles. Thus, they are expected to exhibit original properties, differentiating them from other excitonic complexes. In a first study, without any magnetic field, we have determined the binding energies of the two kinds of trions in the frame of the effective mass approximation within a two isotropic parabolic bands model. It results that in the case of the above compounds, the two kinds of trions are stable against dissociation for all values of the well widths. Moreover the optical absorption does not give rise to sharp lines, as in the cases of excitons or bound excitons, but to a main absorption threshold followed by a decreasing tail on its low energy side. We have also studied the influence of a magnetic field directed along the growth axis. It appears that the field gives rise to an increase of the energies. Moreover in the case of low magnetic fields, we have shown that the energies splits into Landau levels. This is due to the quantized motion of thein-plane motion of the center of mass of the trions. This result is original, and has not yet received experimental confirmation. Finally we have shown that the optical magnetoabsorption reduces to a serie of Dirac peaks, Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à l'étude des excitons chargés (ou trions excitoniques) dans les puits quantiques de semi-conducteurs, en l'absence et en présence d'un champ magnétique. Les résultats numériques ont été particularisé à des composés de type GaAS/GaAlAs et CdTe/CdZnTe en raison des applications potentielles de ces nanostructures dans le domaine de l'optoélectronique. Les excitons chargés résultent de la liaison d'un exciton (paire électron trou) avec un électron (trion négatif) ou un trou (trion positif) et peuvent donc être considérés comme des quasi-particules chargées et mobiles. De ce fait, ils présentent des propriétés originales qui les différencient des autres complexes excitoniques. Dans une première étude, en l'absence de champ magnétique, nous avons déterminé les énergies de liaison de deux types de trions, en nous plaçant dans le cadre de l'approximation de la masse effective et dans un modèle à deux bandes non dégénérées. Pour les composés étudiés, les deux types de trions sont stables pour toutes les valeurs de la largeur des puits. De plus, les raies d'absorption sont très différentes de celle des excitons et des autres complexes excitoniques. Contrairement à ces dernières, elles ne sont pas fines, mais présentent un bord d'absorption principal suivi d'une queue décroissante vers les basses énergies. Nous avons ensuite étudié l'influence d'un champ magnétique perpendiculaire au plan des couches. Il apparaît que le champ conduit à une augmentation des énergies. De plus, pour des champs suffisamment faibles, nous avons montré que les énergies se décomposent en niveaux de Landau, résultant du mouvement du centre de masse chargé dans un plan perpendiculaire au champ. Ce résultat est original, et n'a pas encore lieu à aucune confirmation expérimentale. Enfin, nous avons montré que la magnéto-absorption des trions se réduit en une série de pics de Dirac