Le travail présenté dans cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de sources prévues pour fonctionner à la fois comme diode laser et comme oscillateur paramétrique optique. Ces lasers sont conçus pour émettre sur un mode d’ordre supérieur afin de permettre une conversion de fréquence paramétrique avec les modes fondamentaux du guide à la fréquence moitié. La diode laser et l’OPO partagent la même cavité optique ; pour assurer l’accord de phase et corriger les écarts à la structure nominale induits lors de l’élaboration par épitaxie, la largeur de ruban est utilisée comme paramètre de contrôle des indices efficaces. Les diodes proposées sont donc étroites (3-5 µm) et gravées profondément. En conséquence, il est potentiellement intéressant d’utiliser des boîtes quantiques pour limiter les recombinaisons non radiatives sur les flancs. Dans le cadre de ce travail, nous avons conçu des diodes basées sur ce principe pour les deux systèmes GaAs/AlGaAs et InGaAsP/InP, qui permettent respectivement d’obtenir potentiellement une émission OPO au voisinage de 2 µm ou de 3 µm. Dans le cas de l’InGaAsP/InP, nous avons étudié au préalable l’indice de réfraction des alliages InGaAsP dans une plage de longueur d’onde jusque-là non couverte par la littérature. Ces données ont été acquises via des mesures d’indice efficace (m-lines) de couches guidantes d’InGaAsP épitaxiées en accord de maille sur un substrat d’InP. Pour des structures laser-OPO optimisées, les simulations montrent que le seuil OPO devrait être obtenu pour une puissance de pompe intracavité de quelques centaines de mW, qu’il est réaliste d’atteindre pour des diodes laser à l’état de l’art. Nous avons étudié les propriétés électro-optiques de diodes lasers à puits quantiques GaAs/AlGaAs réalisées sur la base de nos dessins; l’observation de l’effet laser sur le mode TE2 valide le dessin vertical original de nos diodes lasers. En vue de la fabrication de laser-OPO à ruban étroit, nous avons développé des procédés de fabrication nouveaux sur la Plateforme Technologique Amont (CEA – Grenoble), notamment la gravure profonde (>10 µm) par ICP-RIE. Enfin, nous avons proposé un concept alternatif de diode-OPO, comprenant des cavités laser et OPO distinctes couplées par un taper adiabatique / The work presented in this thesis deals with the design, fabrication and characterization of sources intended to function as both laser diodes and optical parametric oscillators. These lasers are designed to emit on a higher order mode to allow parametric frequency conversion with fundamental modes of the guide at half frequency. The laser diode and OPO share the same optical cavity; to ensure phase matching and correct nominal structure deviations induced during epitaxial processing, the ridge width is used as a control parameter of the effective indices. The proposed diodes are therefore narrow (3-5 μm) and etched deeply. Consequently, it is potentially interesting to use quantum dots to limit non-radiative recombination on the sidewalls. In the context of this work, we have designed diodes based on this principle for the two GaAs/AlGaAs and InGaAsP/InP systems, which respectively allow to potentially obtain an OPO emission in the vicinity of 2 μm or 3 μm. In the case of InGaAsP/InP, we previously studied the refractive index of InGaAsP alloys in a wavelength range not covered by literature to this day. This data was acquired via effective m-line index measurements of InGaAsP guiding layers epitaxially grown on and lattice-matched to an InP substrate. For optimized laser-OPO structures, simulations show that the OPO threshold should be obtained for an intracavity pump power of a few hundred mW, which is realistic to achieve for state-of-the-art laser diodes. We have studied the electro-optical properties of GaAs/AlGaAs quantum well laser diodes made on the basis of our designs; the observation of the laser effect on the TE2 mode validates the original vertical design of our laser diodes. For the manufacture of narrow-ridge lasers-OPOs, we have developed new manufacturing processes on the Plateforme Technologique Amont (Upstream Technology Platform, CEA - Grenoble), including deep etching (> 10 μm) by ICP-RIE. Finally, we have proposed an alternative diode-OPO concept, comprising distinct laser and OPO cavities coupled by an adiabatic taper

Une solution pour réduire la consommation de Si de haute pureté dans les cellules solaires à base de Si cristallin est de faire croître une couche active mince de haute qualité sur un substrat à faible coût. L'Epitaxie en Phase Liquide (EPL) est l'une des techniques les plus appropriées, car la croissance est réalisée dans des conditions proches de l'équilibre. On s'intéresse plus particulièrement au développement et l'optimisation d'une technique de croissance stationnaire et isotherme basée sur l'évaporation du solvant : l'Epitaxie en Phase Liquide par Evaporation d'un Solvant métallique (EPLES). Les principaux critères concernant le choix du solvant, de l'atmosphère de croissance et du creuset sont d'abord présentés et permettent de concevoir une première configuration d'étude. Un modèle analytique est ensuite développé pour comprendre les mécanismes mis en œuvre et étudier la cinétique d'évaporation du solvant et de croissance. Les différentes étapes du procédé de croissance dans le cas de l'EPLES de Si sont examinées et mettent en évidence un certain nombre de difficultés technologiques liées à cette technique : contrôle de la convection dans le bain, réactivité du bain Si-M avec le creuset, transport par différence de température et dépôt pendant la phase de refroidissement. Des solutions techniques sont proposées et mise en place pour contourner les difficultés rencontrées. Des couches épitaxiées de Si uniformes comprises entre 20 et 40 µm sont alors obtenues par EPLES avec des bains Sn-Si et In-Si sur substrat Si monocristallin entre 900 et 1200°C sous vide secondaire. Les vitesses de croissance expérimentales atteintes sont comprises entre 10 et 20 µm/h et sont conformes aux prédictions du modèle cinétique. La qualité structurale obtenue est comparable à celle des couches obtenues par EPL. Des couches de type P, avec un bain dopé In et In(Ga) sont obtenues avec une concentration en dopants proches de 1017 at.cm3 compatible avec une application PV. Enfin le potentiel de l'application de cette technique est évalué en basant la discussion sur la réalisation d'une couche de Si obtenue par EPLES sur substrat multicristallin avec un bain In-Si. / Crystalline Si thin films on low-cost substrates are expected to be alternatives to bulk Si materials for PV applications. Liquid Phase Epitaxy (LPE) is one of the most suitable techniques for the growth of high quality Si layers since LPE is performed under almost equilibrium conditions. We investigated a growth technology which allows growing Si epitaxial thin films in steady temperature conditions through the control of solvent evaporation from a metallic melt saturated with silicon: Liquid Phase Epitaxy by Solvent Evaporation (LPESE). We studied the main requirements regarding selection of solvent, crucible and growth ambient, and a first experimental set up is designed. An analytical model is described and discussed, aiming to predict solvent evaporation and Si crystallization rate. Growth experiments are implemented with a vertical dipping system. Growth procedure is presented and the influence, on Si growth, of melt convection, temperature gradient in the melt and Si-M reactivity with the material crucible are discussed. Solutions are proposed to improve and optimise the growth conditions. Experimentally, Si thin films were grown from Sn-Si and In-Si solution at temperatures between 900 and 1200°C under high vacuum. We are able to achieve epitaxial layers of several micrometers thickness (20-40µm). The predicted solvent evaporation rate and Si growth rate are in agreement with the experimental measurements. Regarding the structural quality, it is comparable to the crystal quality of layers grown by LPE. With In and In(Ga) melts, we can obtain P-type epitaxial layers with doping level in the range 1017 at.cm3, which is of great interest for the fabrication of solar cells. Finally, the growth of Si thin films on multicrystalline Si substrates by LPESE is discussed to assess the potential application of this technique.

L'enjeu de cette étude est de concevoir des rubans supraconducteurs à faible coûts de production, destinés au transport de courant et la limitation de courant. Nous avons utilisé des méthodes originales et peu onéreuses comme le laminage pour l'élaboration du substrat et les méthodes de dépôt chimique « metal organic decomposition » (MOD) et « metal organic chemical vapor deposition » (MOCVD) pour la réalisation des différentes couches. <br />La technique MOCVD à injection s'avère particulièrement bien adaptée à la fabrication de rubans supraconducteurs car elle permet d'obtenir des couches épitaxiées d'YBCO de façon reproductible et sur de grandes longueurs. Cependant, le dépôt de couches tampon par MOCVD sur des substrats métalliques souples provoque leur oxydation et dégrade leur structure cristalline. L'utilisation combinée des techniques de dépôt MOD et MOCVD a permis de solutionner ce problème : le dépôt d'une première couche tampon de La2Zr2O7 (LZO) par MOD dans une atmosphère réductrice d'Ar + 5%H2 permet d'éviter l'oxydation du substrat et de limiter la diffusion d'O2 lors des dépôts suivants par MOCVD. Deux architectures ont été développées et caractérisées : NiWRABiTS/LZOMOD/YBCOMOCVD et NiWRABiTS/LZOMOD/CeO2MOCVD/YBCOMOCVD. L'étude de ces conducteurs a prouvé que de telles architectures permettent d'atteindre de forts courants critiques : respectivement JcLZO/LZO/YBCO = 0.8 MA/cm2 avec Ic/cm = 34 A/cm, et JcNW/LZO/CeO2/YBCO = 1.2 MA/cm2 avec Ic/cm = 54 A/cm, sur des rubans de plusieurs centimètres de long recouverts d'une couche de 800 nm d'YBCO. <br />Une étude TEM a permis de comprendre la croissance des couches de LZO par MOD et d'observer la formation de porosités pendant la pyrolyse des précurseurs. L'étude combinée EBSD/MO a démontré que la microstructure des substrats est transférée à la couche supraconductrice et a une influence néfaste sur la qualité du film d'YBCO. L'utilisation de couches tampons épaisses (e > 150 nm) permet d'estomper ces défauts et d'améliorer les propriétés supraconductrices des rubans.<br />Finalement, des essais fructueux en limitation de courant, et en transport de courant sous contrainte mécanique, ont permis de valider le procédé de fabrication des rubans pour cette application spécifique.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la croissance des boîtes quantiques (BQs) d'InAs/InP(113)B en vue d'applications lasers pour les télécommunications optiques à 1.55 µm. Les BQs sont formées en épitaxie par jets moléculaires selon le mode de croissance Stranski-Krastanow. Les faibles dimensions de ces nanostructures entraînent des propriétés optoélectroniques remarquables. Dans un premier temps nous présentons des modèles dit de "nucléation-croissance", qui permettent de rendre compte de la plupart des résultats expérimentaux. La croissance des BQs est ensuite étudiée en fonction des paramètres de croissance, par des moyens d'analyses structurales et optiques. Nous avons obtenu une évolution originale des BQs avec le flux d'arsenic. Cette spécificité de la croissance sur (113)B a permis l'augmentation de la densité des BQs jusqu'à 1,6 1011 cm-2 et une amélioration de la dispersion en taille. Une nouvelle procédure de croissance en deux étapes, appelée "Double Cap Quaternaire" (DC) a été développée pour contrôler la longueur d'onde d'émission. Cette procédure donne lieu à une amélioration de la dispersion en taille. Une faible largueur de photoluminescence de 40 meV est ainsi obtenue. L'empilement de plusieurs plans de BQs DC Quaternaire est étudié, dans le but d'améliorer les performances lasers. Pour une forte densité les BQs présentent un ordre vertical et une bonne organisation dans le plan de croissance. La fabrication de structures lasers à BQs selon la procédure DC Quaternaire a permis l'obtention de l'émission laser à température ambiante. Les structures à BQs réalisées avec les conditions de croissance optimisées ont conduit à une réduction importante de la densité de courant de seuil avec une valeur record de 190 A/cm2.

Dans un premier chapitre, le magnétisme macroscopique et microscopique de systèmes à dimensions latérales réduites est évoqué. Les propriétés magnétiques de couches minces, de réseaux de plots submicroniques et de structures auto-organisées nanoscopiques de cobalt hexagonal (0001) ont été étudiées à l'échelle macroscopique et microscopique. Dans ce même chapitre, dans un registre un peu différent mais toujours dans le domaine des couches minces magnétiques, j'ai rassemblé des résultats récents que nous avons pu obtenir sur l'étude du couplage d'échange entre une couche ferromagnétique et une couche antiferromagnétique. Malgré les nombreux faits rapportés dans la littérature, nous avons montré qu'outre la qualité cristallographique, la rugosité ou la taille de grain, l'histoire magnétique et notamment la chiralité des domaines dans la couche antiferromagnétique peut expliquer des différences importantes dans la constante d'échange interfaciale. Dans un second chapitre, le transport tunnel dans les jonctions magnétiques planaires sera évoqué avec un intérêt tout particulier et novateur pour la corrélation entre distributions d'aimantations dans les électrodes magnétiques et propriétés de transport. Dans cette thématique globale, plusieurs axes de recherche ont été menés de front : - la mise au point de la croissance de barrières tunnel alternatives de faible hauteur de barrière (inférieure à 1eV). - le développement de méthodes alternatives d'analyse de jonctions tunnel. - la corrélation entre structures en domaines et transport tunnel polarisé en spin. - les jonctions tunnel épitaxiées : effet de structure de bandes et forte magnétorésistance, étude du couplage antiferromagnétique induit par effet tunnel d'électrons polarisés en spin. Dans un troisième chapitre, l'utilisation des propriétés du transport tunnel dans les jonctions magnétiques planaires et l'utilisation de couches minces antiferromagnétiques pour des applications seront exposées. Dans cette thématique globale, plusieurs axes de recherche se dégagent : - la jonction tunnel magnétorésistive à réponse magnétique hystérétique comme magnétomètre bidimensionnel. - la bicouche couche antiferromagnétique/couche ferromagnétique comme système sensible pour la détection de champs magnétiques. - la configuration d'aimantations croisées avec une aimantation perpendiculaire au plan des couches d'une jonction tunnel comme élément sensible et linéaire à la détection de forts champs magnétiques. Dans un quatrième chapitre, le transport électronique dépendant du spin dans des structures métalliques à barrières multiples sera plus largement présenté. L'intérêt fondamental de ces multicouches hybrides est l'étude du comportement des électrons chauds lors de la traversée du dispositif. Cette activité a été développée tant du point de vue expérimental que théorique sur la base d'une modélisation du transport tunnel polarisé en spin dans l'approche des électrons libres. En guise de conclusion du chapitre, un dispositif est proposé comme projet de recherche à court terme combinant toute l'expertise acquise dans les chapitres 2, 3 et 4.

Les jonctions tunnel magnétiques monocristallines Fe(100)/MgO(100)/Fe(100) élaborées par Epitaxie par Jet Moléculaire sont des systèmes modèles pour la validation de concepts spécifiques au transport polarisé en spin dans les multicouches cristallines. L'analyse de la structure de bande montre que le Fe(100) apparaît comme un demi-métal au regard de la symétrie D1 : cette nouvelle notion de polarisation en terme de symétrie électronique explique les formidables effets magnétorésistifs prédits dans ce système. Nos résultats magnétorésistifs valident les effets de filtrage en symétrie et montrent l'influence de la structure électronique sur le transport dont les mécanismes dépassent le modèle des électrons libres. Parallèlement, la croissance bidimensionnelle du MgO a permis l'élaboration de fines couches de MgO pour lesquelles nous avons fourni la première mise en évidence expérimentale d'une interaction antiferromagnétique entre deux couches magnétiques par effet tunnel polarisé en spin.

Les demi-métaux, du fait de leur forte polarisation en spin jouent un rôle clef dans l'électronique de spin. Nous avons choisi d'étudier l'un d'eux : le manganite La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). Nous avons étudié les propriétés de transport dépendant du spin dans des hétérostructures à base de couches épitaxiales de LSMO. Il était ainsi requis d'étudier aussi l'épitaxie, la relaxation des contraintes et les modification de l'anisotropie magnétique du LSMO sous contraintes. L'étude des propriétés de magnétotransport de jonctions formées à partir de superréseaux de LSMO/SrTiO3 (STO) et à partir de tricouches de LSMO/STO/Co0.88Fe0.12 a montré des dépendances thermiques rapides des effets magnétorésistifs en température. Ces effets étant liés au magnétisme de surface du LSMO, nous avons donc effectué des mesures de magnétisme et de stoechiométrie en oxygène spatialement résolues à l'échelle du nanomètre en utilisant la réflectométrie de neutrons polarisés et la réflectivité X.

Depuis 1995 et la première proposition de remplacer la grille flottante en polysilicium des mémoires non volatiles (MNV) par des nanocristaux de Si (nc-Si), la recherche est très active dans ce domaine. Cette étude se propose d'une part, d'améliorer les caractéristiques d'une MNV à nanocristaux en termes de temps de rétention et d'autre part, d'évaluer les possibilités d'un stockage multibits dans ces nanocristaux. De ce point de vue, le semiconducteur InAs présente des avantages par rapport au Si. En effet, l'InAs possède un offset de bande de conduction plus important que le Si avec l'oxyde SiO2, ce qui devrait conduire à un meilleur confinement des électrons et donc à un meilleur temps de rétention qu'avec le Si. Par ailleurs, la masse effective des porteurs dans l'InAs étant plus faible que celle dans le Si, les niveaux confinés sont mieux séparés, ce qui augmenterait les potentialités de stockage multibits avec des électrons. L'objectif de ma thèse a consisté à évaluer le potentiel d'une MNV à nanocristaux d'InAs (nc-InAs) par comparaison aux MNV à nc-Si. Dans un premier temps, il s'est agi de faire croître, dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires, des nc-InAs sur un oxyde tunnel SiO2 formé sur un substrat Si. Les nanocristaux sont monocristallins et hémisphériques. Il s'est avéré que la température de croissance joue un rôle prépondérant dans le contrôle de la densité des nc-InAs alors que leur taille (de 2 à 10 nm de hauteur) dépend plutôt de la quantité de matière déposée. Leur densité peut atteindre 7 x 10^11 cm^(-2). Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué des structures Métal-Oxyde-Semiconducteur (MOS) à nc-InAs destinées à intégrer des cellules mémoires. Nous avons montré qu'il était possible de charger et de décharger les structures à nc-InAs. Les temps d'écriture et effacement peuvent atteindre 1 us et 0,1 ms respectivement à 12 V et 11 V. Par ailleurs, les mesures des temps de rétention ont démontré que l'utilisation des nc-InAs permet d'augmenter le temps de rétention de 2 décades par rapport aux nc-Si pour une structure de dimensions identiques. Il s'avère que l'amélioration des caractéristiques de rétention des électrons dans les nc-InAs est due à l'offset de bande plus important de l'InAs avec le SiO2 que Si. En conclusion, la maîtrise de la croissance et de l'encapsulation des nc-InAs a permis leur intégration dans des dispositifs mémoires tests qui ont présenté des caractéristiques prometteuses pour les mémoires non volatiles.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des limites physiques requises pour la conception d'une diode organique électroluminescente à l'échelle la plus réduite qui soit, celle d'un faible nombre d'atomes. Nous avons travaillé avec plusieurs systèmes moléculaires organiques π-conjugués afin de déterminer les critères essentiels que doit remplir une molécule pour pouvoir être utilisée comme telle. Dans ce cadre, le Microscope à Effet Tunnel s'avère être un outil particulièrement adapté pour étudier l'auto-assemblage de tous ces systèmes sur une surface ainsi que pour positionner avec une haute précision les électrodes constituées par la pointe et le substrat conducteurs. L'organisation sur graphite de tectons tridimensionnels à pilier central paracyclophane a tout d'abord été étudiée. Ils présentent, au sein d'une même entité moléculaire, l'ensemble des fonctions requises pour obtenir une émission : celles d'organisation structurée par les interactions avec le substrat et celles d'opto-électronique. Le passage à un substrat d'or, mieux adapté pour l'exaltation par les plasmons, a ensuite été examiné. Une autre stratégie quant à l'organisation des molécules reposant sur une modification de leur nature et de leur longueur a été choisie avec l'usage d'oligophénylènes et de poly(3-alkylthiophènes). Leur stabilité, qui constitue le paramètre clef pour l'émission de photons sous pointe, a demandé à être améliorée sur ce même substrat et a motivé le développement d'une troisième architecture afin de consolider l'ensemble de l'édifice moléculaire. Des thiols chimisorbés ont été déposés sur or et des polymères fluorescents s'y sont superposés par création d'une liaison électrostatique. L'obtention d'une émission localisée avec un tel système conclue ce travail qui souligne que le principal obstacle à la réalisation d'une diode de taille minimale sera la stabilité structurale de ses constituants moléculaires.

Dans cette thèse nous avons étudié les propriétés structurales et électroniques d'interfaces intermétalliques par STM et photoémission résolue en angle. La première partie est dédiée à l'étude du splitting de spin-orbite (SSO) de l'état de Shockley dans l'interface Ag/Au(111). A 300 K la croissance de l'Ag s'effectue couche-par-couche, et un recuit à plus haute température active l'interdiffusion. Les mesures de photoémission, étayées par une modélisation de l'interface, montrent que le SSO est proportionnel aux quantités relatives d'Au et d'Ag sondées par la fonction d'onde de l'état de surface, confirmant le caractère majoritairement atomique du couplage spin-orbite dans ces états. La deuxième partie est dédiée à l'étude du Ce, épitaxié sur Sc(0001) pour tenter d'obtenir la phase a. Les mesures RHEED concluent à la phase g faiblement hybridée, qui présente toutefois en photoémission une bande dispersive intense au niveau de Fermi, issue d'un état de surface de symétrie d.