Ce mémoire présente des résultats de caractérisation en transport électrique d’une double boîte quantique latérale en silicium de type MOSFET (transistor à effet de champ métal-oxyde-semi- conducteur). La double boîte permet d’isoler des électrons dans les trois dimensions, tout d’abord en formant un gaz bidimensionnel de porteurs de charge près de la surface du substrat sous l’effet d’une grille d’accumulation, puis en déplétant certaines régions du gaz d’électrons avec des grilles de déplétion en polysilicium. Le dispositif a été fabriqué aux Sandia National Laboratories par l’équipe de Malcolm S. Carroll. Les mesures en transport électrique suggèrent l’atteinte du régime à un seul électron à une température relativement élevée de 1.5 K. En effet, des mesures de diamants de Coulomb montrent un diamant associé à la région à zéro électron qui ne se referme pas pour des biais source-drain supérieurs à 30 meV. Il s’agit d’une forte indication que les boîtes quantiques ont bien été vidées, bien que le nombre exact d’électrons n’ait pas pu être confirmé directement par détection de charge. Le diagramme de stabilité obtenu à une température de 8 mK indique la formation d’une double boîte quantique lithographique très stable. Enfin, l’étude des triangles de conduction à fort biais source-drain dans les polarités positive et négative permet d’observer le phénomène du blocage de spin sous l’application d’un champ magnétique parallèle de 450 mT. Une séparation singulet-triplet de ~ 400 μeV en est extraite, indiquant possiblement une levée importante de la dégénérescence de vallée associée au silicium. Les résultats présentés dans ce mémoire constituent l’une des premières observations de l’isolation d’un seul électron dans une double boîte quantique en silicium de type MOSFET. Il s’agit aussi de la première observation du blocage de spin en transport dans ces dispositifs. Ces observations font partie des étapes initiales à réaliser pour obtenir des qubits de spin performants dans le silicium, un matériau pour lequel des longs temps de cohérence sont anticipés.

Dans ce travail, un circuit de détection de charge radiofréquence est construit et caractérisé à l'aide d'un dispositif de boîte quantique. Les radiofréquences permettent d'obtenir des mesures résolues en temps plus rapides par rapport à la méthode classique en courant continu. Cette méthode de détection est effectuée par réflectométrie d'un circuit RLC résonant dont fait partie le détecteur de charge du dispositif. L'intégration d'un condensateur à capacité variable à large plage est étudiée. On trouve que cette composante est nécessaire à l'adaptation rapide et efficace des nouveaux dispositifs au circuit. En plus de la capacité variable, le circuit comporte plusieurs paramètres à optimiser. Il s'agit de la conductance du détecteur de charge, la fréquence et la puissance du signal radiofréquence. Un protocole d'optimisation de ces paramètres a été mis sur pied. On obtient la sensibilité à la conductance du circuit radiofréquence de détection de charge. Elle est équivalente à celle des meilleurs circuits présents dans la littérature. On propose d'améliorer le détecteur de charge du dispositif, pour obtenir une meilleure sensibilité à la charge. Le circuit radiofréquence permet également d'effectuer la caractérisation du couplage tunnel d'un dispositif de double boîte quantique en silicium par la méthode des statistiques de comptage. Cette mesure aurait été impossible avec le circuit en courant continu. On a pu confirmer le comportement exponentiel du couplage tunnel en fonction de la tension appliquée sur une grille électrostatique. Les résultats de ce mémoire confirment que le circuit de détection de charge radiofréquence construit permet d'effectuer des mesures avec une meilleure résolution temporelle qu'en courant continu. Cette résolution ouvre la porte à une toute une gamme de mesures sur les dispositifs de boîtes quantiques qui étaient impossibles avec le circuit précédent, telles que la mesure en temps réel du spin de l'électron.

Ce travail est porté sur les propriétés structurales et optiques de structures à boîtes quantiques III-nitrures dopées avec des terres rares réalisées par épitaxie à jets moléculaires.<br />Pendant la croissance, les terres rares ont une influence drastique sur les boîtes, expliquée par les propriétés surfactantes des atomes de terres rares.<br />La caractérisation optique et structurale montre que les boîtes sont dopées efficacement avec les ions de Eu, Tm et Tb. D'autres localisations des terres rares ont été trouvées, par exemple, pour le Tm, à l'interface du GaN des boîtes et de l'AlN.<br />Ce travail s'intéresse aussi à la dynamique d'excitation de boîtes quantiques dopées aux terres rares. La photoluminescence de couleurs intéressantes est stable de la température de l'hélium liquide jusque la température ambiante.<br />Des structures à boîtes quantiques plus complexes sont aussi abordées : des boîtes InGaN:Eu QDs et des boîtes GaN co-dopées, importante pour la réalisation de composants.<br />Une attention particulière a été mise sur les couches de GaN dopé Eu, où différents sites pour l'Eu ont été mis en évidence près de surface et à l'intérieur de matériau.

Un ordinateur quantique est un ordinateur formé de bits quantiques (qubits) qui tire profit des propriétés quantiques de la matière. Un grand intérêt est porté au développement d’un tel ordinateur depuis qu’il a été montré que le calcul quantique permettrait d’effectuer certains types de calculs exponentiellement plus rapidement qu’avec les meilleurs algorithmes connus sur un ordinateur classique. D’ailleurs, plusieurs algorithmes ont déjà été suggérés pour résoudre efficacement des problèmes tels que la factorisation de grands nombres premiers et la recherche dans des listes désordonnées. Avant d’en arriver à un ordinateur quantique fonctionnel, certains grands défis doivent être surmontés. Un de ces défis consiste à fabriquer des qubits ayant un temps d’opération nettement inférieur au temps de cohérence (temps durant lequel l’état du qubit est conservé). Cette condition est nécessaire pour parvenir à un calcul quantique fiable. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses recherches visent à augmenter le temps de cohérence en choisissant judicieusement les matériaux utilisés dans la fabrication des qubits en plus d’imaginer de nouvelles méthodes d’utiliser ces dispositifs pour diminuer la durée des opérations. Une manière simple d’implémenter un qubit est de piéger quelques électrons dans l’espace et d’utiliser l’état de spin de cet ensemble d’électrons pour encoder les états du qubit. Ce type de dispositif porte le nom de qubit de spin. Les boîtes quantiques (BQs) latérales fabriquées sur des substrats de GaAs/AlGaAs sont un exemple de qubit de spin et sont les dispositifs étudiés dans ce mémoire. En 2007, Pioro-Ladrière et al. ont suggéré de placer un microaimant à proximité d’une BQ pour créer un gradient de champ magnétique non-uniforme et permettre d’effectuer des rotations de spin à l’aide d’impulsions électriques rapides. Ce mémoire présente comment modifier la géométrie de ces microaimants pour obtenir un plus grand gradient de champ magnétique dans la BQ. Une nouvelle technique de contrôle de spin menant à des rotations de spin et de phase plus rapides sera aussi détaillée. Enfin, il sera montré que le département de physique de l’Université de Sherbrooke possède tous les outils nécessaires pour implémenter cette méthode.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Cette thèse porte sur l'interaction lumière-matière au sein de nanostructures placées dans des cavités optiques à base de semi-conducteurs nitrures. A l'aide d'expériences de micro-photoluminescence dans l'ultra-violet, nous étudions les propriétés optiques de boîtes quantiques GaN/AlN dans des microcavités planaires et celles de puits quantiques GaN/AlN insérés dans des microdisques AlN.Afin d'améliorer la collection du faible signal de photoluminescence de boîtes quantiques uniques, nous utilisons des microcavités planaires pour modifier le diagramme d'émission d'une boîte quantique. Le dessin des microcavités est optimisé grâce à des simulations numériques basées sur la méthode des matrices de transfert en présence d'un émetteur. Nous montrons que, pour une microcavité nitrure à base de miroirs de Bragg AlN/AlGaN, la collection des photons émis par une boîte quantique peut être théoriquement améliorée d'un ordre de grandeur, ce qui est confirmé par nos mesures sur boîtes quantiques uniques, ouvrant ainsi la voie à des études avancées de corrélations de photons dans l'UV.La seconde partie des travaux est dédiée à la réalisation d'un micro-laser opérant dans l'UV profond et à température ambiante. En utilisant des puits quantiques GaN/AlN de 2,8 mono-couches, crûs sur substrat silicium et insérés dans des microdisques AlN, nous observons une émission laser à 275 nm sous pompage optique impulsionnel. Cette démonstration montre le fort potentiel des semi-conducteurs nitrures pour la nano-photonique UV sur silicium. / This thesis addresses the light-matter interaction in nitride nanostructures embedded in optical microcavities. By using micro-photoluminescence experiments, we study the optical properties of GaN/AlN quantum dots embedded in planar microcavities and those of GaN/AlN quantum wells in AlN microdisks.By placing quantum dots in planar microcavities, we are able to modify the emission diagram and increase the collection efficiency. The design of the microcavities is optimized by using numerical simulations based on transfer matrix method with an internal emitter. For an AlN microcavity with AlN/AlGaN Bragg mirrors, we show that the collection efficiency could be theoretical increase by one order of magnitude, which is confirmed by our micro-photoluminescence experiments on single quantum dots. This observation opens the way for advanced studies such as photon correlations experiments in the UV range.The second part of our work is devoted to the realization of a micro-laser operating in the deep-UV range at room-temperature. By using thin GaN/AlN quantum wells (2.8 monolayers), grown on silicon substrate and embedded in AlN microdisks, we observe a laser emission at 275 nm under pulsed optical pumping. This demonstration shows the strong potentiality for future developments of nitride-on-silicon nano-photonics.

Après avoir calculé les états liés d'électrons et de trous dans une boîte quantique auto-organisée InAs/GaAs isolée, nous présentons certaines caractéristiques des propriétés optiques de ces nanostructures.<br /><br />Dans une premièm partie, nous étudions le rôle joué par l'environnement électrostatique sur la perte de cohérence dans les boîtes. Nous montrons que les fluctuations électrostatiques sont essentiellement de deux types, engendrant soit un décalage en énergie de la transition sans induire de déphasage, soit un élargissement homogène du type rétrécissement par le mouvement.<br /><br />Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'effet de l'interaction d'échange longue portée sur la structure fine de l'exciton confiné dans la boîte. En particulier, nous montrons la possibilité d'annuler le splitting d'échange résultant de l'anisotropie de forme de la boîte en appliquant un champ électrique le long de son grand axe. Nous montrons enfin qu'une anisotropie de polarisation apparaît à cause de la nature même de l'interaction d'échange.

Nous étudions, par spectroscopie optique à l'échelle de la boîte quantique unique InAs/GaAs,la décohérence de l'exciton neutre dans une boîte, sa structure fine et la relaxation de sonspin.Nous montrons que la cohérence est limitée intrinsèquement par un couplage non-perturbatifaux phonons acoustiques, et extrinsèquement par l'existence d'un environnementélectrostatique fluctuant autour des boîtes.Nous observons que la structure fine dépend de la densité locale de boîtes, qui affecte leurgéométrie et leur état de contrainte, et mettons à jour des boîtes originales émettant une lumière très polarisée.Nous étudions la relaxation du spin excitonique en mesurant le taux de polarisation del'émission. Sur un ensemble de boîtes, nous observons un temps de relaxation d'une dizainede ns à 10 K et montrons que la dynamique de cette relaxation est sensible à l'environnementdes boîtes. Sur boîte unique, nous montrons que le spin peut relaxer très rapidement (en 100ps), même à 10 K.

Le développement de sources de photons uniques est un enjeu majeur dans le domaine du traitement quantique de l'information. Dans ce travail de thèse nous étudions la première source solide de photons uniques, obtenue par l'intégration d'une boîte quantique dans une microcavité en forme de pilier. Nous étudions d'abord les propriétés de microphotoluminescence d'une boîte quantique unique et identifions les principales raies d'émission (X et XX, associées aux états exciton et biexciton). La génération d'états quantiques de la lumière (émission de photons dégroupés) est mise en évidence sur ce même émetteur par des expériences d'auto-corrélation sur la raie X (ainsi que XX), sous excitation pulsée puis continue. Des expériences de corrélation croisée entre les raies X et XX prouvent la génération de paires de photons corrélés dans le temps. Nous démontrons alors des effets d'électrodynamique quantique en cavité à l'état solide en plaçant une boîte quantique en résonance avec le mode fondamental d'un micropilier. Un raccourcissement du temps de vie de cet émetteur d'un facteur au moins égal à 3 laisse penser que la majorité des photons est collectée grâce à l'effet Purcell dans un seul et même mode spatial. La polarisation des photons émis peut être contrôlée en utilisant des micropiliers à section elliptique. Nous soulignons pour la première fois l'importance des pertes extrinsèques liées à la diffusion par les rugosités de la cavité. La prise en compte de cet effet conduit à de nouvelles règles pour la conception de micropiliers. La source à un photon réalisée présente une probabilité de collecter un photon par impulsion proche de 40% et une probabilité d'en émettre plus d'un de 1%. Enfin, des expériences d'auto-corrélation en fonction de la température montrent une dégradation modérée du dégroupement de photons avec la température, qui permet d'envisager un fonctionnement à 100 K.

Dans la recherche de solutions innovantes assurant la pérennité de la micro-électronique sur silicium, qui devra faire face, dans quelques années, à des limites, tant technologiques que théoriques, les dispositifs à blocage de Coulomb à semi-conducteur ont su dévoiler des atouts plus que prometteurs. Ainsi, ces composants d'avant-garde, basés sur le caractère quantique de la charge électrique, offrent une alternative possible aux circuits CMOS, tout en restant compatibles avec les technologies actuelles. Parallèlement à leur mise au point, une étude théorique se révèle donc de première importance afin de prédire et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs de nouvelle génération. Tel est l'objet de ce mémoire consacré à l'étude des boîtes quantiques en silicium dans le cadre d'une utilisation de type "blocage de Coulomb". Après un exposé de l'état de l'art, tant théorique qu'expérimental, en matière de composants à blocage de Coulomb, le présent travail se concentre d'abord sur l'étude des boîtes quantiques semi-conductrices (polarisées ou non) entourées d'oxyde en développant une série de modèles visant à décrire leur structure électronique. En particulier, la mise en oeuvre d'un modèle unidimensionnel capable de décrire des boîtes quantiques à symétrie sphérique se révèle très avantageux d'un point de vue du temps de calcul. Les limites de l'approximation de la masse effective, clé de voûte des modèles présentés sont, en outre, évaluées à l'aide d'une description moléculaire des nanocristaux de silicium en utilisant la méthode des combinaisons linéaires d'orbitales atomiques. La deuxième partie de ce travail de thèse est plus spécifiquement axée sur le transport des électrons par effet tunnel dans le cadre du blocage de Coulomb. La description des mécanismes de transfert de charges est basée sur le concept d'hamiltonien de transfert tunnel dont l'application au cas des composants à blocage de Coulomb métalliques et semi-conducteurs (plus particulièrement à des structures du type Métal-Isolant-Métal-Isolant-Métal ou Métal-Isolant-Boîte Silicium-Isolant-Métal) a permis la mise au point d'un simulateur reposant uniquement sur la connaissance des paramètres physiques fondamentaux du système.