Le développement des nanotechnologies passe par la mise au point de nouveaux instruments adaptés à la caractérisation de la matière à l'échelle nanométrique. Le Nanoprobe acquis par l'IEMN au début de ma thèse répond à cet enjeu. Cet instrument constitué d'une plateforme de Microscopie à Effet Tunnel à Quatre-Pointes (4T-STM) et surmontée d'un Microscope Électronique à Balayage (MEB) a pour vocation d'effectuer des analyses, contrôles et tests de nanomatériaux et composants électroniques.Après une description détaillée du fonctionnement de cet appareil (chapitre 2), une première étude a été réalisée pour déterminer l'influence de l'irradiation électronique sur des nanostructures semi-conductrices, à savoir ici des nanofils d'InAs (chapitre 3). Sous irradiation, les fils deviennent quasi-métalliques. Grâce à des mesures originales du transport dans des nanofils semi-suspendus, ce changement des propriétés électriques est attribué à la formation de défauts chargés à la surface des fils. L'ionisation par impact est un phénomène responsable de la multiplication des porteurs dans les cellules photovoltaïques. Le quatrième chapitre démontre l'intérêt du Nanoprobe à caractériser ce phénomène sur un système modèle, une jonction p-n de silicium. Alors que deux pointes en contact polarisent la diode, une troisième injecte localement par effet tunnel des électrons possédant une énergie bien définie. La mesure de porteurs supplémentaires démontre le phénomène d'ionisation par impact avec une résolution inégalée jusqu'à présent. / The advent of nanotechnology involves the development of an instrumentation capable of investigating the matter at this scale. The Nanoprobe acquired by IEMN at the beginning of my thesis brings technical solutions to this issue. This instrument consisting of a Four-Tip Scanning Tunneling Microscopy platform (4T-STM) and topped with a Scanning Electron Microscope (SEM) is dedicated to perform analysis, inspections and tests on nanomaterials and electronic devices. After a detailed description of this instrument (Chapter 2), a first study was conducted to determine the influence of electron irradiation on semiconductor nanostructures, InAs nanowires are treated here. Under irradiation, the nanowires become quasi-metallic. Thanks to original transport measurements on freestanding nanowires, this change of the electrical properties is attributed to the formation of charged defects on the surface of nanowires. The impact ionization is a phenomenon responsible for carrier multiplication in solar cells. The fourth chapter shows the ability of the Nanoprobe to characterize this phenomenon in a typical model, a silicon p-n junction. While 2 tips in contact polarize the diode, a third one locally injects tunneling electrons that have a well defined energy. The measurement of supplementary carriers proves that impact ionization occurs and can be measured with a resolution never reached before.

De nombreuses applications ont émergées ses dernières années pour les gammes de fréquences millimétriques (le radar, l’imagerie, les communications inter-satellitaire ou à faible distance/haut débits,…). Pour ce type d’applications, le silicium est longtemps resté en retrait, du fait de ses performances limitées par rapport aux composants III-V. Dans le contexte du projet Européen DotFive, plusieurs entreprises et laboratoires (STMicroelectronics, Infineon, IMEC, IHP, Dresden University,….) ont pour ambition la production de composants en technologie silicium proposant des fréquences maximales supérieures à 0.5 THz d’ici à 2013. Dans ce contexte STMicroelectronics a récemment publié des résultats sur des composants montrant une fréquence FMAX> 400 GHz, l’état de l’art se situant aujourd’hui à 0.5 THz (toujours dans le contexte du projet DotFive). Le silicium semble donc aujourd’hui en bonne voie pour rattraper son retard et répondre aux besoins pour les applications millimétriques. L’intérêt du Silicium étant principalement de pouvoir proposer des applications grand public, bas coût et de pouvoir intégrer les fonctions digitales et RF sur une même puce. Toutefois, les performances de cette technologie, notamment dans le domaine du non linéaire sont peu connue en gamme millimétrique. Pour pouvoir étudier ces performances, il est nécessaire d’avoir les bancs de mesures en gamme millimétrique. L’I.E.M.N. et STMicroelectronics n’étant équipés dans le domaine non linéaire que jusque 40 GHz (18 GHz pour STMicroelectronics). La problématique de cette thèse consistera donc à repousser les limites de la mesure de puissance jusqu’à 200 GHz.D’abord, un banc de mesure load-pull en bande W (75 GHz-110 GHz) sera mis en place. L’extraction du paramètre S11 en non linéaire permettra d’obtenir une très bonne précision du banc. Du fait de l’indisponibilité de tuners précis et offrant une bonne répétabilité en bande G (140 GHz-220 GHz) et des pertes importantes des sondes dans cette même bande de fréquence, l’utilisation de tuners intégrés sera envisagée, permettant ainsi de générer de forts coefficients de réflexion en sortie du dispositif. Ces tuners d’impédance devront répondre à un cahier des charge définit en terme de couverture et de linéarité. De plus, la difficulté de trouver des systèmes de mesure de puissance rapide et précis dans cette bande de fréquence nous amènera à développer un prototype de détection en utilisant une technologie III-V. Puis, l’ensemble des bancs étant mis en place, les performances des composants seront étudiées et les principales limitations physiques (thermique, ionisation,…) intervenant sur la puissance seront évaluées grâce à des mesures allant du DC jusque 200 GHz. Nous verrons que cette technologie offre une densité de puissance très intéressante et permettra ainsi de répondre à de nombreuses applications. C’est travaux de thèse sont réalisés dans le cadre d’une thèse CIFRE avec l’IEMN et STMicroelectronics. / Many applications are emerging at millimeter wave frequencies (radar, imaging, satellite or point to point communications). The ‘DotFive’ project gather industries and laboratories working in microelectronics field (STMicroelectronics, Infineon, IMEC, IHP, Dresden University,.) with the aim to product silicon devices with fMAX>500 GHz for year 2013. In this context, STMicroelectronics recently published results on SiGe HBT showing fMAX>400 GHz. The state of the art in this field is 0.5 THz (Dotfive). Thanks to these high performances, silicon technology seems to be a good challenger for millimeter wave applications. Main advantages of this technology are its ability to propose low cost production and the capability to integrate digital and radiofrequency applications on a single chip. However, non linear performances of the silicon technology have never been studied at millimeter wave frequencies. To this aim, non linear test bench are needed. Before this PhD, I.E.M.N. and STMicroelectronics were limited to 40 GHz. Thus, the goal of this thesis focus on the development of load pull test bench up to 220 GHz. First a W band (75 GHz-110 GHz) load pull test bench has been developed. The main innovation is the ability to extract non linear S11 parameter, in order to obtain an extremely high precision. Then, a G band load pull test bench has been developed with integrated impedance tuner for load impedance variation. The use of integrated impedance tuner was justified by unavailability of external tuner and the high probe losses at these frequencies. The designed integrated tuners have to respect fixed specifications for covered smith chart area and linearity. Due to the difficulty to find fast power measurement devices, we also developed a diode detector on III-V technology.These previously developed test bench allow studies on non linear behavior of CMOS and BiCMOS devices and on the mains physical effects (thermal effect, breakdown,…) which limit power performances from DC to 200 GHz. We will see that BiCMOS technology offer state of the art power density measured at 94 GHz. Finally, integration of a complete load pull test bench on silicon wafer is envisaged. This work have been done for the common laboratory I.E.M.N./STMicroelectronics.

Les propriétés électriques et mécaniques exceptionnelles du graphène font de ce matériau bidimensionnel à base de carbone, l’un des matériaux phare de la micro-électronique. L’objectif des ces travaux de recherche est de démontrer les possibilités nouvelles offertes par le graphène dans le domaine des transistors ultra-rapides et faible bruit. La fabrication de transistors RF a été réalisée sur des échantillons obtenus par graphitisation de substrat SiC. Ce travail s’est déroulé dans le cadre du projet ANR MIGRAQUEL, en partenariat avec le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN), le Laboratoire Pierre Aigrain (LPA) de l’ENS, et l’Institut d’Electronique Fondamentale (IEF). Les couches de graphène utilisées dans cette thèse ont été synthétisées au LPN. Le développement et l’optimisation des différents procédés technologiques se sont déroulés en salle blanche. Les propriétés du matériau tels que la mobilité, la résistance par carré, ainsi que certaines caractéristiques technologiques comme les résistances de contact sont déduites de structures spécifiques. Ensuite, des caractérisations électriques en régime statique et dynamique effectuées sur des transistors graphène à effet de champ (GFET) ont été effectuées. Les meilleures performances hyperfréquence ont été obtenues sur des transistors à base de nano-rubans de graphène (GNRFET), avec une fréquence de coupure « intrinsèque » du gain en courant ft_intr=50GHz et une fréquence maximale d’oscillation fmax=29GHz; et ce pour une longueur de grille de Lg=75nm à Vds=300mV. / Outstanding electrical and mechanical properties of graphene make this two-dimensional carbon-based material, one of the leading microelectronics materials. The aim of this thesis is to demonstrate the new possibilities offered by graphene in the field of high-speed and low-noise transistors. RF transistors have been produced on samples obtained by graphitization of SiC substrates. This was possible through the ANR program MIGRAQUEL in partnership with the Laboratory of Photonics and Nanostructures (LPN), the Pierre Aigrain Laboratory (LPA) of ENS and the Institute of Fundamental Electronics (IEF). Graphene samples used in this thesis were synthesized in LPN. The development and optimization of the different technological steps process took place in clean-rooms. Material properties such as mobility, sheet resistance and some technological parameters such as contact resistance are made using specific samples. Then, each GFET and GNRFET (Graphene Nano-Ribbons FET) transistor were analyzed both in static and high-frequency regime. Finally, the best RF measurement in terms of intrinsisc current gain cut-off frequency and maximum oscillation frequency are respectively fr_intr=50GHz and fmax=29GHz; for a gate length of Lg=75nm at Vds=300mV.

Depuis quelques années, l’électronique flexible connait un essor de grande envergure, notamment pour l’affichage sur grande surface comme les écrans plats (LCD, AMOLED..). Une alternative au silicium amorphe (a-Si), abondamment utilisé dans ces technologies, est l’emploi des semi-conducteurs à base d’oxydes métalliques. En effet, ces matériaux aux propriétés électriques remarquables présentent plusieurs combinaisons intéressantes de propriétés peu observées usuellement : ils sont transparents grâce à leur grande bande interdite, leur structure peut être amorphe ou cristalline, la mobilité peut atteindre 10 cm2V-1s-1 dans l’état amorphe, soit une décade de plus que celle du silicium amorphe. Ces travaux de thèse présentent dans un premier temps la mise en place d’un procédé complet de type sol-gel pour l’élaboration de semi-conducteurs de type In-(X)-Zn-O (IXZO) avec différents dopants X (Ga, Sb, Be, Al…). Ce procédé novateur pour ce type de semi-conducteur nous a permis de déterminer la meilleure composition chimique en termes de stabilité et de performances électriques. Après avoir identifié et optimisé les verrous technologiques (composition, dopants, concentration, interfaces…), nous avons caractérisé la nanostructure de ces matériaux et mis en évidence une ségrégation de phase des oxydes élémentaires permettant une compréhension plus fine des propriétés de transport dans ces semi-conducteurs et proposons un modèle de conduction par percolation validé pour une large gamme de dopants étudiés. Finalement, grâce à la mise au point d'un recuit combiné à un procédé lampe flash UV, nous démontrons la faisabilité de l’intégration de ces matériaux sur substrat flexible. / Flexible electronics has experienced major advances in these last years. Indeed, the boom of flat panel displays (LCDs, AMOLED.) market is undergoing an exponential increase. One of the alternative solutions to amorphous silicon (a-Si) commonly used nowadays in these products is the development of metal oxide semiconductors. These materials are experiencing a huge consideration in both academic and industrial research, as well as in development labs due to their multiple performances. Besides their high electrical properties, with typical charge carrier mobilities in the order of 10 cm2V-1s-1. They can also be processed giving crystalline or amorphous structures. In this work, we have chosen to develop a complete chemical process based on the sol-gel technique to elaborate ternary metal oxide semiconductors, refered as In-(X)-Zn-O (IXZO) using different metal X as dopants. This innovative process for metal oxide semiconductors has allowed us to determine the best chemical composition, leading to a high stability and excellent electrical performances. Then, after having optimized the technological barriers (composition, doping, concentration, interfaces ...), we have characterized the nanostructure of these materials and evidence a phase segregation of the elementary oxides inside the material. We have also obtained a better understanding of charge transport properties in these semiconductors and assessed a percolation-based conduction model valid over a wide range of metal dopants. Finally, we have developed and optimized a combined thermal and UV flash lamp annealing process and demonstrated the feasibility of the integration of metal oxides on flexible substrates.

Cette thèse explore deux voies alternatives d’élaboration de l’émetteur bore des cellules à base de silicium cristallin de type n, afin de simplifier leur procédé de fabrication, d’une part, et d’améliorer leur rendement de conversion, d’autre part. La première voie, orientée transfert industriel, propose l’utilisation d’une couche diélectrique dopante (SiOx:B) déposée par PECVD-LF, recuite par diffusion thermique. Des paramètres d’émetteur similaires à ceux obtenus dans le cas d’une diffusion gazeuse BCl3 sont recherchés. La seconde approche, plus amont, envisage quant à elle l’élaboration d’un hétéro-émetteur en silicium microcristallin dopé bore (µc-Si:B), obtenu par cristallisation thermique d’une couche de silicium amorphe dopée bore, déposée par PECVD-RF. La formation d’un hétéro-émetteur bore à haute température vise l’obtention de Vco plus élevées sur cellules n-PERT. L’élaboration et le suivi des propriétés des couches SiOx:B ont permis de mettre en évidence différents phénomènes ayant lieu lors de la diffusion. La qualification du dopage et de la passivation de l’émetteur bore a montré de bonnes performances. L’utilisation du SiOx:B lors d’une étape de codiffusion a permis de réaliser des cellules de type n-PERT (239 cm²) selon deux procédés simplifiés (3 étapes de moins) avec les rendements les plus hauts atteints à notre connaissance (20%) sur la structure considérée. D’autre part, les couches µc-Si:B ont été développées puis caractérisées. Le potentiel électrique des hétéro-émetteurs associés a été évalué sur structure symétrique indiquant que des iVco supérieures à 700mV peuvent être atteintes. L’évaluation de la prise de contact sur ce nouvel émetteur a été réalisée par sérigraphie. A ce jour, un phénomène de cloquage limite néanmoins l’intégration de cet émetteur en cellule complète. / This thesis focuses on two alternative boron emitter elaboration routes for n-type crystalline silicon solar cells in order to simplify fabrication processes on one hand, and to improve conversion efficiencies on the other hand. The first route, driven by industrial integration concern, proposes the use of PECVD-LF boron-doped dielectric layers (SiOx:B), annealed by thermal diffusion. Emitter parameters similar to those made by BCl3 gaseous diffusion are obtained on n-type substrates. The second approach, which is more exploratory, considers a boron-doped microcrystalline silicon layers (µc-Si:B) made by boron-doped amorphous silicon crystallization. The elaboration of this high temperature hetero-emitter targets higher open-circuit voltages than standard n-PERT cells.SiOx:B layers elaboration and structural properties study highlighted several phenomena occurring during diffusion annealing. Doping and passivation qualification of associated boron emitters showed good performances. The use of SiOx:B layers during a dopant codiffusion step led to industrial size (239 cm²) n-PERT solar cells fabrication according to two simplified processes (3 steps suppression) with, what is to our knowledge, the highest published efficiencies (20%) on the considered structure. On the other hand, µc-Si:B layers were developed and characterized. The electrical potential of associated hetero-emitters was assessed on symmetrical devices showing that iVoc higher than 700mV can be reached. Contacting on this new emitter was evaluated by metal screen-printing. However, to date, blistering issues limit emitter integration into solar cells.

Ce travail de thèse est lié concerne l’étude de composants optoélectroniques à base de nouveaux matériaux semi-conducteurs, les nitrures de gallium (GaN) déposés sur silicium. Les défis qui nous attendent concernent essentiellement la qualité microstructurale des couches et la fabrication de composants fonctionnant à hautes fréquences avec des faibles pertes optiques. Durant ces recherches, il a été nécessaire d’évaluer les propriétés optiques et électro-optiques par la technique du couplage prisme, sur des configurations GaN/Si. Il a été démontré que les indices de réfraction du GaN restent relativement élevés (n0=2.285 à la longueur d’onde λ=1.5µm), assez comparables à ceux obtenus sur le substrat de référence, le saphir. Des analyses en température ont également permis de vérifier la stabilité des indices. Par contre, nous avons pu observer une augmentation des pertes de propagation optique, liées à la forte densité de dislocations dans la couche GaN. Une première démonstration des effets électro-optiques de type Pockels a pu être réalisée au cours de cette thèse. Pour une structure d’épaisseur 1µm, nous avons relevé des coefficients r13 de l’ordre de +1pm/V et r33 de +1.67 pm/V, soit 50% supérieurs à ceux du GaAs. L’ensemble de ces travaux doit permettre la conception de composants de type modulateurs et commutateurs optiques. / This research is related to the study of optoelectronic devices based on new gallium nitride semi-conductors (GaN) deposited on silicon. The aim concerns essentially the microstructural quality of the materials and the fabrication of components operating at high frequency with limited optical propagation loss. During this study, we have evaluated the optical properties as well as the electro-optic ones by prism coupling into GaN on Si. We have demonstrated that the refractive index of GaN remains relatively constant to a value of 2.285 at λ=1.5µm, comparable to the index reported for the reference structure, GaN/sapphire. The influence of temperature has been also investigated, showing a relative stability of the index. The increase of optical loss is observed as a consequence of the higher dislocation density in GaN deposited on Si. The investigation of electro-optic effect is proposed here: we report Pockels coefficients r13=+1pm/V and r33=+1.67pm/V: they are higher to 50% than those obtained in well-known GaAs semiconductors. This study will allows us to design and fabricate optical components as modulators and switches.

Ce travail de thèse décrit les propriétés électroniques de nanodispositifs couplés entre transistors à nanotubes de carbone (CNTFETs) et nanocristaux semiconducteurs colloïdaux CdSe/ZnS individuels en régime de détection de charge unique à température ambiante. Les transferts de charges élémentaires entre nanotubes et nanocristaux sont mis en évidence par les fluctuations temporelles du courant des transistors à tension de grille fixée, et font apparaître un signal à deux niveaux (bruit télégraphique ou RTS), observé sur des échelles de temps entre 1s et 0.1 ms. Les temps d’occupation τ des niveaux de courant suivent une loi de puissance P(τ)~τ-α où l’exposant α varie entre 1.5 et 4 (typiquement proche de 2.8). Cette observation suggère que les fluctuations de charges observées sont à la base des phénomènes de "clignotement optique" des nanocristaux colloïdaux étudiés. L’analyse spectroscopique des dispositifs permet d’attribuer ce clignotement à des pièges dans la bande interdite des nanocristaux, avec une énergie de chargement Ec de l’ordre de 200 meV. L’approche présentée dans ce travail peut être étendue à des mesures électro-optiques, et donc permettre une meilleure compréhension des phénomènes physiques contrôlant les propriétés optoélectroniques de nanodispositifs à base de nanocristaux semiconducteurs. / We study the electronic properties of coupled semiconductor nanocrystals and carbon nanotubes. We report measurements of single electron transfers between single CdSe colloidal nanocrystal coupled to a carbon nanotube field effect transistor at room temperature in ambient conditions. The measurements consist of nanotube current level monitoring as a function of time for fixed gate voltage. We observe a sequence of high - low currents (random telegraph signal) on time scales up to several seconds with ms sampling time. We attribute the two level current fluctuations to the transfer of single electron onto the nanocrystal. The probability of the occupation time τ at the high or low current state follows a power law of the form P(τ)~τ-α where exponent α lies between 1.5 and 4 (typically close to 2.8). The observation suggests that the two-level current switching is similar to the fluorescence intermittency (optical blinking) observed in individual quantum dots. The spectroscopic analysis of the devices based on coupled semiconductor nanocrystals and carbon nanotubes is consistent with the charging of nanocrystal defect states with a charging energy of Ec ~ 200 meV. The approach developed here enables to probe the trap state dynamics in quantum dots in ambient air and room temperature from a purely electrical approach, and therefore to better understand the physics at hand in (opto)electronic devices based on quantum dots.

Cette thèse aborde une approche originale de réalisation de composants organiques (transistors, mémoires volatiles et non volatiles) à base d’un semiconducteur de type N “PolyeraTM N2200”. Tout d’abord, des transistors à effet de champ ont été fabriqués et optimisés en améliorant notamment certains paramètres technologiques. Par la suite, ces transistors ont été simulés à l’aide du logiciel ISE TCAD®, un logiciel basé sur un modèle 2D à effet de champ et de dérive-diffusion. Les propriétés électriques de ces dispositifs organiques ont été étudiées en fonction de l’influence de la mobilité des porteurs, des densités des pièges, et de leur énergie… . Les effets des pièges d'interface ont également été pris en considération. Par ailleurs, on y incorporant une couche de nanoparticules d’or (NP’s Au), on a réussi à développer des composants appelés « NOMFET » qui miment le comportement d’une synapse biologique tout en reproduisant les effets dépressifs et facilitateurs avec une amplitude relative de 50% et une réponse dynamique de l’ordre de 4s. En étudiant la dynamique de chargement et de déchargement des NP’s d’or, on a mis en évidence une fonction d’apprentissage anti-Hebbienne, un des mécanismes fondamentaux de l’apprentissage non-supervisé d’une synapse inhibitrice dans un réseau de neurones biologiques. Finalement, des mémoires FLASH, ont été réalisées en combinant des NP’s d’or avec des monofeuillets d’oxyde de graphène réduit (rGO). Ces mémoires « FLASH » appelées aussi mémoires à double grille flottante montrent une large fenêtre de mémorisation (~68V), un temps de rétention élevé (>108s) et d’excellentes propriétés d’endurance (1000 cycles d’écriture/effacement). / The subject of this thesis adopt an original approach to realize new components (transistor, volatile and non-volatiles memory) based on N type organic semiconductor “PolyeraTM N2200”. First, we have fabricated and optimized organic field effect transistors by modifying some technological parameters related to fabrication. Then, we have analyzed their electrical properties with the help of two-dimensional drift-diffusion simulator using ISE-TCAD®. We studied the fixed surface charges and the effect of the organic semiconductor/oxide interface traps. The dependence of the threshold voltage on the density and energy level of the trap states has been also considered. , by incorporating gold nanoparticles in these devices, we have developed a new device called “NOMFETs” (nanoparticles organic memory field effect transistors), which mimic the behavior of biological synapse by reproducing a facilitating and a depressing drain current with a relative amplitude of about 50% and a dynamic response of about 4s. Studying the charging/discharging dynamics, we demonstrated a typical anti-Hebbien learning function, one of the fundamental mechanisms of the unsupervised learning in biological neural networks. Finally, we developed nonvolatile “FLASH” memory devices, by combining metallic gold nanoparticles and reduced graphene oxide (rGO) monolayer flakes. This double floating gate architecture provided us a good charge trapping ability which include a wide memory window (~68V), a long extrapolated retention time (> 108 s) and strong endurance properties (1000 write/erase cycles).

Avec la miniaturisation des composants optoélectroniques, contrôler la surface de leur constituants actifs devient prépondérant. C’est en particulier vrai pour les nanofils semi-conducteurs dont la géométrie favorise un rapport surface sur volume élevé. L’objectif de cette thèse consiste donc à mener une étude précise de la structure cristallographique et électronique de leur surface et à déterminer à quel point cette surface affecte leurs propriétés physiques globales. Ce travail commence par une description détaillée de la croissance des nanofils III-V en insistant sur l’intérêt de fabriquer des ensembles de nanofils uniformes, condition nécessaire pour assurer une grande reproductibilité des résultats. Il se poursuit par un éclairage sur une technique de choix pour analyser la surface des nanofils, la microscopie à effet tunnel, et une technique d’encapsulation des nanofils pour préserver leur surface de toute contamination. L’intérêt de ces deux techniques est démontré au travers de l’étude de la surface de nanofils GaAs et InAs pour expliquer comment la désorption d’une couche protectrice d’arsenic conduit à des morphologies de surface différentes. L’expertise ainsi acquise est alors mise à profit pour caractériser des nanofils GaAs cœur-coquille, dont la coquille est fabriquée à basse température. Au travers de l’identification des défauts rencontrés dans la coquille, cette dernière se révèle posséder des propriétés similaires à celles de films GaAs fabriqués à basse-température. La durée de vie limitée des porteurs de charge photoexcités est alors exploitée pour étudier les effets induits par les défauts sur les propriétés d’émission THz de nanofils à base de GaAs. / With the size reduction of optoelectronic devices, controlling the surface of semiconductor materials is becoming crucial to optimize their performances. This is particularly true for one-dimensional systems such as semiconductor nanowires that are subject to high surface-to-volume ratio. The aim of this thesis is therefore to perform a comprehensive study of the surface properties of III-V semiconductor nanowires and to determine to what extent they affect their overall properties. Starting with a description of the basic principles that govern their growth in order to obtain nanowire ensembles with a good uniformity, we then highlight a surface science tool, scanning tunneling microscopy, and a surface preparation technique, based on the use of a protective arsenic layer, that are key to further understand the structural and electronic properties of the surface of self-catalysed GaAs and InAs semiconductor nanowires. In the fourth part of this work, we apply these techniques to analyse the structural and electronic properties of GaAs core-shell nanowires consisting of a thin shell grown at low temperature. We show the similarity of the shell properties with low-temperature grown GaAs thin film through the identification of their point defects and finally compare the THz properties of these nanowires with GaAs nanowires. The importance of the shell in the dynamics of the free charge carriers is demonstrated from the analysis of the THz waveforms.

Les cristaux phononiques permettent d’obtenir des propriétés inhabituelles de propagation des ondes élastiques et en particulier l’apparition de bandes de fréquences interdites où l’onde est évanescente. Malgré le grand nombre d’applications potentielles, ces structures souffrent d’un manque d’adaptabilité qui limite leurs fonctionnalités. Ce travail de thèse s’intéresse à l’intégration de matériaux piézoélectriques dans les cristaux phononiques afin d’accorder électriquement les bandes interdites après fabrication. La première géométrie proposée consiste en une alternance de couches élastiques et de couches piézoélectriques qui sont individuellement connectées à une capacité électrique. Les courbes de dispersion analytiques et numériques ainsi que les expériences montrent clairement l’accordabilité des bandes interdites par réglage de la valeur de la capacité électrique. Le contrôle est cependant partiel car seule l’une des deux bornes est affectée. Les cristaux phononiques exclusivement piézoélectriques connectés à deux capacités électriques offrent, quant à eux, la possibilité de contrôler indépendamment les deux bornes des bandes interdites. Les modèles analytiques développés ont été validés numériquement et expérimentalement. Lorsque les couches piézoélectriques sont identiques, on constate que cette géométrie présente des bandes interdites uniquement grâce à la condition électrique périodique, qui se traduit par une discontinuité périodique du déplacement électrique. Elles sont appelées « bandes interdites de charge électrique » et font l’objet d’un brevet Thales/CNRS. / Phononic crystals allow obtaining unusual propagation properties of elastic waves and especially can exhibit absolute band gaps where waves are evanescent. Despite numerous potential applications, these structures suffer from a lack of adaptability which limits their functionalities. This PhD thesis deals with the integration of piezoelectric materials in phononic crystals in order to electrically tune band gaps after manufacture. The first proposed geometry consists of alternating layers of elastic and piezoelectric materials which are individually connected to an electrical capacitance. Analytical and numerical dispersion curves as well as experiments clearly show band gaps tuning by setting the value of the electrical capacitance. The control is however partial because only one of the two boundaries is affected. Exclusively piezoelectric phononic crystals allow the independent control of the two band gaps boundaries using two electrical capacitances. Analytical models have been verified numerically and experimentally. When piezoelectric layers are identical, one can note that this geometry presents band gaps due to periodic electrical condition, which is consequently a periodic discontinuity of the electric displacement. They are called “electric charge band gaps” and are subject to a Thales/CNRS patent.