Les lasers fibrés sont actuellement en passe de remplacer leurs homologues en raison de performances élevées liées à une architecture guidée, ayant pour impact direct une multitude d'application dans des domaines variés allant des télécommunications, au médical en passant par la sécurité ou encore les capteurs. Cependant cette technologie basée sur le dopage aux ions terres rares présente un inconvénient majeur qui ne permet pas de répondre au besoin croissant des nouvelles sources dites non conventionnelles en raison de la limitation de leur émission à quelques longueurs d'onde prédéfinies. Pour contourner cet obstacle, nous proposons dans le cadre de cette thèse d'utiliser un autre type de matériaux actifs que sont les nanoparticules semiconductrices connues sous le nom de quantum dots (QDs). Leurs propriétés optiques singulières sont fortement liées à leur taille et peuvent être contrôlées avec une grande précision pour couvrir une bande d'émission qui s'étend de l'ultraviolet à l'infrarouge moyen. Dans ce contexte, des nanoparticules ont été synthétisées par voie colloïdale dans le cadre de collaborations nationales et internationales et leurs propriétés ont été étudiées avant et après insertion dans les fibres optiques. Ainsi, l'émission de particules PbSe et CdSe/CdS a pu être observée puis guidée dans le coeur liquide des fibres par le mécanisme de réflexion totale interne. Fort de ces résultats, la simulation puis la réalisation expérimentale d'une cavité laser basée sur de telles fibres a été menée. Un effet laser a pu être déterminé théoriquement avec une efficacité proche de la limite quantique, associé à une démonstration expérimentale. En parallèle, des travaux complémentaires ont été entrepris afin de trouver de nouvelles voies d'incorporation des QDs dans les fibres optiques avec pour objectif à plus long terme d'améliorer la stabilité et la tenue au flux tout en réduisant les pertes du milieu hôte. Dans ce contexte, une étude importante a été consacrée à la réalisation de matériaux composites qui, après une phase de traitement thermique, ont montrés la formation de nanoparticules PbS de bonnes qualités constituant l'état de l'art du domaine. Enfin, des voies d'incorporation plus exotiques ont aussi été amorcées notamment avec l'idée de réaliser des structures actives guidantes dans l'air non disponibles actuellement. On peut citer le dépôt de mono-couches de nanoparticules dans les fibres creuses à cristal photonique ou encore la fonctionnalisation de l'aérogel.

This manuscript is organized as follows: In Part One, the main properties of Mn-doped and singly charged II-VI QDs are presented. In chapter 1 we will describe their energy level structure. We will then analyze in detail the influence of the QD symmetry and of the valence band mixing on the spin structure of QDs containing an individual carrier and one or two Mn atoms. We will finally show how the tuning of the charge state of a QD can be used to control the magnetic properties of a Mn atom. In chapter 2, we will focus on the spin dynamics of these few interacting spins. We will first analyse the dynamics of coupled electron and diluted nuclear spins in these II-VI QDs. We will, in particular, show that the electron spin dephasing by the low density of fluctuating nuclear spins is efficiently suppressed at zero field by a dynamic nuclear spin polarization. We will then focus on the dynamics of coupled carriers and Mn spins. We will first show how the injection of spin polarized carriers can be used to prepare by optical pumping the spin state of one or two Mn atoms. We will then discuss the mechanism controlling the efficiency and the dynamics of this optical pumping. We will finally show how the strong coupling between a laser field and the optical transitions of a Mn-doped QD can be used to optically tune the energy of any spin state of a Mn atom. Part Two (Chapter 3) is devoted to the presentation of ongoing work and perspectives on the coherent dynamics of interacting electron, nuclei and Mn spins in II-VI semiconductor QDs. We will, for instance, discuss the possibility of using the strong coupling with a resonant laser field to control the coherent dynamics of coupled electronic and nuclear spins of a Mn atom.

Ce travail a été consacré à l'étude de composants optoélectroniques ultra-rapides pour le traitement de signaux RF jusqu'au domaine THz, ainsi qu'à l'étude de composants pour les faisceaux THz. Tout d'abord, le travail a porté sur des photo-commutateurs optoélectroniques fabriqués avec des semi-conducteurs ultrarapides. Le dispositif, éclairé par le battement de 2 faisceaux optiques et polarisé par une tension RF, réalise le mélange de ces fréquences. Les propriétés du dispositif (bande passante, efficacité, génération de fréquences...) ont été modélisées et les simulations ont été validées par des mesures expérimentales. Quand le signal RF est modulé par un signal " information ", cette information peut être directement extraite en égalant fréquences RF et de battement optique. Le signal démodulé est très pur : ainsi nous avons mesuré une largeur spectrale à -3 dB de 11 Hz. D'autres matériaux pour la génération THz et la photo-commutation ultrarapide furent aussi étudiés, comme des boîtes quantiques en InAs. Enfin, nous avons réalisé une étude par spectroscopie THz dans le domaine temporel des propriétés de dispositifs métalliques sous-longueur d'onde pour la manipulation de faisceaux THz, comme des réseaux de trous dans une plaque métallique ou de filtres à grille, ainsi que de films nanométriques de graphène ou de nanotubes de carbone.

Th. doct.-ing.--Paris--ENST, 1988. / Notes bibliogr.

Th.--Sci.--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 20.

Th.--Sci.--Toulouse 3, 1981. N°: 1001.

Th.--Électronique--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 36.

Pour la réalisation des transistors FDSOI 22 nm et 3D FinFET 10 nm, la gravure de couches ultraminces de quelques nanomètres d’épaisseur doit être réalisée sans endommagement de la couche sous-jacente et n’est plus envisageable avec les procédés reposant sur les plasmas continus à haute densité. Une nouvelle technologie de gravure est étudiée dans cette thèse : elle consiste à modifier la surface d’un matériau sous l’action d’un plasma et à retirer par voie chimique le matériau modifié sélectivement par rapport au matériau non modifié. Nous nous focalisons ici sur la compréhension de la modification du matériau SiN induite par les plasmas de H2 et He, suivie d’une gravure chimique réalisée en solution de HF. Tout d’abord, un dépôt de conditionnement est développé pour prévenir la contamination du substrat et la dégradation des parois. Des diagnostics en plasmas de H2 et He sont ensuite réalisés pour déterminer la nature des ions, leurs flux et leurs énergies. Après exposition du SiN au plasma d’hélium, les caractérisations de surface (FTIR, SIMS) indiquent premièrement que la composition chimique du SiN est inchangée. De plus, la bonne corrélation entre les vitesses de gravure en HF avec les simulations de l’implantation des ions sous SRIM permet de conclure que l’augmentation de la vitesse de gravure est due aux dégâts induits par les ions dans le matériau. Après exposition au plasma d’hydrogène, la vitesse de gravure du SiN en HF dépend essentiellement de la concentration en hydrogène dans le matériau. Une synergie a lieu entre les radicaux H du plasma et le bombardement ionique : les ions créent des liaisons pendantes qui sont indispensables à la formation de liaisons Si-H et N-H par les radicaux. En outre, nous montrons que le temps de plasma de H2 et la dose d’ions ont une importance capitale dans la formation de la couche modifiée qui n’atteint parfois un état stationnaire qu’au bout d’un temps relativement long. / To fabricate 22 nm FDSOI and 10 nm 3D FinFET transistors, ultrathin layers of several nanometers thickness must be etched without damaging the under layer, which can no longer be managed using processes based on high density continuous plasmas. To meet those new challenges, we study in this thesis a new etching technology where the surface of the material is modified under plasma exposure and then removed chemically selectively with respect to the non modified material. We focus here on the understanding of the modification of the SiN material induced by H2 and He plasmas, followed by a chemical etching in HF aqueous solution. First, a protective coating is developed to prevent the contamination of the substrate and the degradation of the wall. Diagnostics in H2 and He plasmas were then carried out to determine the nature of the ions, their fluxes and their energies. After He plasma exposure of the SiN, surface characterizations (FTIR, SIMS) first show that the SiN chemical composition is unchanged. Moreover, the good correlation between the etch rates in HF and the ion implantation profiles calculated by SRIM allows to conclude the increase of the etch rate is due to the ion-induced damages on the material. After H2 plasma exposure, the etch rate of SiN in HF mainly depends on the hydrogen concentration of the film. A synergetic effect occurs between H radicals and the ionic bombardment: the ions induce dangling bonds which are unavoidable to form Si-H and N-H bonds with the radicals. In addition, we show the plasma exposure time and the ion dose play a key role in the formation of the modified layer who sometimes only reaches a steady state after a relatively long time.

La nanospintronique basée sur les semi-conducteurs implique la combinaison des fonctions nanoélectroniques et magnétiques au sein d’une nanostructure unique. Une méthode intéressante consiste en la préparation d’un semi-conducteur magnétique dilué (DMS), dans lequel le ferromagnétisme induit par les trous est obtenu par le dopage de type P. Les DMS II-VI permettent de contrôler séparément les porteurs et la concentration du Mn, puisque les ions de Mn ne sont pas des dopants électriques. Les nanofils (NW) de semi-conducteurs II-VI représentent un système modèle permettant de concevoir la fonction d’onde et la déformation au sein d’heterostructures parfaitement contrôlées et contenant les impuretés magnétiques. Ceci nécessite une croissance optimale d’heterostructures dans la géométrie des nanofils et un contrôle précis du niveau du dopant, ce qui constitue une des difficultés majeures dans l’état actuel des recherches.Dans ce contexte, mon travail de Thèse s’est focalisé sur trois principaux axes de recherche : la croissance par épitaxie par jets moléculaires de nanofils de ZnTe catalysés par nanoparticules d’Au, la maîtrise du rapport de forme des boites quantiques de CdTe insérées dans les fils de ZnTe, et le dopage azote des fils de ZnTe.Concernant la croissance des fils de ZnTe, le problème de la variabilité des temps d’incubation d’un fil à l’autre a été étudié à l’aide de la technique des marqueurs. Une nouvelle méthode basée sur la préparation du catalyseur d’Au sous flux de Zn a démontré son efficacité dans la suppression de variabilité des temps d’incubation, réduisant la dispersion des longueurs sur un même échantillon d’un facteur 10 à un facteur 2, et augmentant le taux de succès des fils verticaux de 20% à 80%. Des mesures complémentaires de diffraction des rayons X ont fourni des informations supplémentaires sur l’importance de l’orientation relative entre le catalyseur d’Au et le substrat ZnTe(111)B.Le rapport de forme des boites quantiques de CdTe est un moyen pour maîtriser leur état fondamental (entre trou léger et trou lourd). Ceci peut être obtenu en contrôlant le temps de croissance des boite quantiques, mais demande (1) la suppression de la croissance latérale (responsable de la formation de boites parasites) et (2) la reproductibilité d’un échantillon à l’autre, basée sur une maîtrise de la température de croissance avec une précision meilleure que 10 degrés. Ceci a été validé dans nos conditions de croissance par une étude croisée de croissance d’heterostructures de ZnTe avec multiples boites quantiques de CdTe et de caractérisation par microscopie électronique.Je présenterai les résultats des croissances par épitaxie pa jets moléculaires et des caractérisations des nanofils de ZnTe /ZnTe:N cœur/coquille avec dopage azoté. Des transistors à effet de champ basé sur des nanofils isolés ont été fabriqués pour la caractérisation électrique. Nous avons obtenu des fils de ZnTe/ZnTe:N cœur/coquille présentant des densités de charges de 6×18 trous/cm3 à température ambiante, du même ordre que la densité critique de Mott pour le ZnTe. / Semiconductor nano-spintronics requires combining magnetism and nanoelectronics functions into a single semiconductor nanostructure. An attractive method consists in preparing diluted magnetic semiconductors (DMS), where hole-mediated ferromagnetism appears with p-type doping. II-VI DMS allow to control separately the carriers and the Mn concentrations, since the Mn ions are not electrical dopants. II-VI semiconductor nanowires (NWs) are a model system offering the possibility to engineer the wavefunction and the strain in well-chosen heterostructures containing the magnetic impurities. This requires an optimal growth of NW-based heterostructures, and the possibility to control the doping level, which is a major challenge in present NW research. In this context, my PhD project has been devoted to three main investigation axis: the growth by molecular beam epitaxy (MBE) of Au-catalyzed ZnTe NWs, the control of the aspect ratio of CdTe quantum dots (QDs) embedded in ZnTe NWs, and the nitrogen doping of ZnTe NW.Concerning the growth of ZnTe NWs, the problem of an incubation time different from NW to NW has been studied using a marker technique. A new method involving the preparation of Au catalyst under Zn flux has been demonstrate to efficiently suppress differences in the incubation times, reducing the length dispersion in the same sample to factor of 2 instead of 10 and improving the yield of vertical NWs of 80% instead of 20%. Complementary XRD experiments gave further information about the importance of the relative orientation between the Au catalysts and the ZnTe(111)B growth substrate.The aspect ratio of CdTe QDs is an important way to control the QD ground state (between light hole and heavy hole). This can be achieved by changing the growth time of the QDs, but requires (1) the suppression of the lateral growth (giving parasitic QDs) and (2) reproducibility from a sample to another which relies on a precise control of the growth temperature within a very narrow window of 10° C. This was demonstrated in our growth conditions with a coupled study of growth of multi-QD-NW CdTe-ZnTe heterostructures and transmission electron microscopy characterization.Then the results of the growth by molecular beam epitaxy and characterization of nitrogen doped ZnTe/ZnTe:N core/shell NWs will be presented. Single NW based field effect transistor were realized by electron beam lithography for electrical characterization. We were able to obtain ZnTe/ZnTe:N core/shell NWs showing a p-type carrier density of 6 ×18 holes/cm3 at room temperature, of the same order as the Mott critical density in ZnTe.

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