Dans cette thèse nous présentons dans un premier temps nos résultats expérimentaux sur les instabilités de polarisation de lasers à boîtes quantiques (QD) et à cavité verticale (VCSELs). Ces instabilités présentent des caractéristiques différentes de celles observées dans les lasers VCSELs à puits quantiques : une compétition se produit entre deux états polarisés elliptiquement et non orthogonaux, qui donne lieu à une dynamique de saut de mode de polarisation dans le temps. Le temps de séjour moyen dans un mode décroit de huit ordres de grandeur en augmentant le courant d’injection (de la seconde à la nanoseconde). A notre connaissance ceci constitue la première observation d’une dynamique de polarisation d’un VCSEL avec une échelle de temps aussi diversifiée.Nous présentons ensuite une étude théorique d’un laser QD avec injection optique, en prenant en compte la dynamique des porteurs de charge vers des états énergétiques excités. Nous montrons qu’aux dynamiques d’impulsions excitables observées expérimentalement s’ajoutent des dynamiques auto-pulsées complexes résultant d’une phénomène de bifurcation autour d’un point de selle (« bottleneck »). Finalement nous avons étudié le cas d’un laser QD émettant simultanément depuis les états d’énergie fondamental et excité. Alors que la lumière est injectée dans laser QD esclave à la fréquence proche de l’état d’énergie fondamental, nous montrons que l’émission à la fréquence de l’état excité présente une dynamique auto-pulsée avec des impulsions très courtes (ps) suite à un mécanisme de basculement de gain / In this thesis we first show our experimental results on polarization instabilities in quantum dot (QD) lasers with vertical cavity, so called VCSELs. Their characteristics are different from what is typically observed in their QW counterparts: light that is linearly polarized close to lasing threshold becomes elliptically polarized as current is increased and then a wide region of polarization mode hopping between nonorthogonal, elliptically polarized modes sets on. Within this region the average dwell time decreases by eight orders of magnitude from seconds to nanoseconds. To our best knowledge this is the first observation of such a diversified dynamics of polarization mode hopping in a single VCSEL. We have also carried out theoretical studies of optically injected QD lasers accounting for the intradot carrier dynamics through the higher-energy excited states. We show that experimentally observed excitable pulses are complemented by self-pulsations resulting from the so-called bottleneck phenomenon. Finally, we have theoretically investigated optically injected QD laser lasing simultaneously from the ground and excited states. We show that although the external light is injected to the ground state mode alone, modulation of the relaxation time induced by injected signal can provide a gain switching mechanism leading to generation of picosecond pulses from the excited state

Ce travail de thèse, essentiellement expérimental, porte sur l'étude par photoluminescence résolue spatialement, temporellement et en polarisation des propriétés de spin des boîtes quantiques uniques de GaAs/Al GaAs formées par épitaxie par gouttelettes. Les travaux présentés sont organisés autour de trois parties.Une première partie dédiée à l'étude expérimentale de la corrélation temporelle des photons émis par les boîtes quantiques incorporées dans une membrane bidimensionnelle de cristaux photoniques. Une dépendance en puissance de la probabilité de coïncidence lors de la corrélation croisée entre les transitions excitonique et biexcitonique de la même boîte est observée et modélisée en fonction du taux d'occupation de la boîte.Une deuxième partie porte sur les règles de sélection optique dans ces structures, pointde départ pour des expériences de pompage optique. L'observation de l'orientation de la polarisation des photons émis par les différentes transitions de la boîte quantique nous permet de mettre en évidence un couplage entre les états de trous lourds et de trous légers.Ce couplage est modélisé en fonction de la forme et de l'orientation de la boîte quantique par rapport aux axes cristallographiques.La dernière partie porte sur des expériences de polarisation du spin des noyaux de la boîte quantique par transfert de la polarisation du spin de l'électron. Ce transfert de polarisation, dû à l'interaction hyperfine entre électron et noyaux, dépend de différents paramètres temporels que nous pouvons ajuster avec notre modèle. Nous présentons également une mesure directe du temps de construction de cette polarisation nucléaire / This thesis present experimental studies of spin properties in GaAs/AlGaAs quantumdots grown by droplet epitaxy by spatially and temporally resolved photoluminescence measurements. This studies are presented in three different parts. The first part is dedicated to the study of the temporal correlation of the photons emitted by a quantumdot embdedded in two-dimensional photonic crystal membrane. We observe the power dependanceof the coincidence probability by cross-correlation measurements between the biexcitonic and the excitonic transitions into a single quantum dot. Our findings are qualitatively understood with a statistic model. The second part focuses on optical selection rules in these structures, starting point for spin injection experiments. We evidence the mixing between heavy holes and light holes states by analysing the polarisation direction of the luminescence from a single quantum dot. We explain the states mixing by a model that takes into account the shape and the tilting of the quantum dot with respect to the crystallographic axes. The last part presents optical pumping experiments. We inject spinpolarised electrons and observe the creation of a dynamical nuclear polarisation. This polarisation transfert, due to hyperfine interaction, depends on caracteristic times that we can extract thanks to our model. We also present a direct measurement of the creation time of the nuclear spins polarisation

Ce travail est consacré à l’élaboration et à la caractérisation d’un nouveau matériau hybride présentant des propriétés de transfert d’énergie, à base de la protéine photochromique bactériorhodopsine (bR) acceptrice d’énergie et de boites quantiques (QDs) de CdSe/ZnS fluorescentes donneuses d’énergie. Le but est d’essayer d’améliorer et d’utiliser les propriétés photochromiques et photochimiques de la bR en utilisant un transfert d’énergie par résonancede Förster (FRET) qui peut exister avec des QDs semiconductrices. Ce nouveau matériau hybride pourrait servir dans divers domaines, tels que des commutateurs optiques ou lescellules photovoltaïques.Les propriétés physiques d’un tel composé et son efficacité dépendant fortement de sa structure, ce travail à consister à élaborer le complexe bR/QD et à le caractériser par microscopie à force atomique (AFM) et par spectrométries optiques (fluorescence,absorption) afin de mettre en évidence un éventuel effet FRET entre bR/QDs. Nous avons montré qu’en modifiant la charge de surface des QDs nous pouvions optimiser l’efficacité duFRET. Cet effet provient d’une modification des forces électrostatiques entraînant un arrangement des QDs différent à la surface des membranes en fonction de leur charge de surface. En renforçant la liaison bR/QD à l’aide de biotine et de streptavidine, nous avons atteint une efficacité maximale de FRET de 80 %.Lors de nombreuses expériences que nous avons menées, nous avons montré parAFM et dichroïsme circulaire que la présence de QDs accélère fortement le processus de monomérisation de la bR par du détergent ce qui pourrait avoir des applications en biologie. / In this work, we built and characterized a new hybrid material with energy transfer properties made from photochromic protein Bacteriorhodopsin (bR) which is the energy acceptor and CdSe/ZnS fluorescent quantum dots (QDs) which are the energy donor. Our aim was to improve the photochromic and photo-physical bR properties by using a Förster resonance energy transfer (FRET) which should exist in presence of semiconductor QDs. This new hybrid material should have applications in many fields such as optical switching or photovoltaics.Since optical properties and efficiency of such a material are highly dependent of its structure, our work was to develop and characterize bR/QD complex by atomic force microscopy (AFM) and optical spectrometries (fluorescence, absorption) in order to demonstrate FRET between bR and QDs. By tuning QDs surface charges, we proved that we were able to optimize FRET, by optimization of the electrostatic interactions between bR and QDs. This effect was due to a better organization of QDs on the membrane surface when interactions were optimized. We also showed that when QD and bR are linked by biotin streptavidin link they revealed the maximum FRET efficiency of 80 %.During all these experiments, we showed that QDs could induce a quicker detergent monomerization of bR. This is supported by AFM images and circular dichroïsm measurements. This effect should find applications in biology.

This thesis focus on the epitaxial growth and optical characterization of diluted InAs/InP(001) quantum dots for the realisation of new nanophotonic devices emitting at 1.55 [micro]m. The structural and optical properties of the quantum islands are correlated to different growth parameters of a solid source molecular beam epitaxy system. Our results highlight the influence of InAs surface reconstructions on the island shape. Dots rather than elongated dashes usually observed can be directly formed by adequate growth conditions. Dash to dot shape transition is also demonstrated by post-growth treatments. Low dot densities are obtained for small InAs deposited thickness. Their emission wavelength is easily tuned to 1.55 [micro]m using the"double cap" procedure for the growth of the InP capping layer. Optical properties of such single InAs/InP quantum dots are then evaluated. Micro-photoluminescence studies reveal sharp and well separated emission lines near 1.55 [micro]m from single dots confirming their atom-like properties. Last, we propose for the first time a high spatial resolution method to study the carrier transport in the vicinity of a single quantum dot using a low-voltage cathodoluminescence technique. A direct measurement of the carrier diffusion length before capture into one dot has been obtained. These results open the way to the integration of these single dots into optical micro-cavities for the realisation of quantum light sources at 1.55 [micro]m.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’effet des boîtes quantiques d’InAs sur l’efficacité de conversion des cellules solaires à simple jonction de GaAs crues par épitaxie par jets chimiques. Cette technique de croissance est particulièrement bien adaptée à la croissance de structures multicouches pour des applications photovoltaïques. Une partie importante de ce travail a été consacré à l’optimisation des conditions de croissance pour la réalisation des boîtes quantiques d’InAs et de structures à multicouches de boîtes quantiques d’InAs insérées dans une matrice de GaAs. L’optimisation des conditions de croissance des boîtes quantiques a été basée sur une étude morphologique réalisée à l’aide de mesures de microscopie à force atomique et sur une étude des propriétés optiques et électroniques effectuée à l’aide de mesures de photoluminescence en continu. Une optimisation de la quantité d’InAs déposée lors de la croissance des BQs d’InAs/GaAs a permis de montrer que les meilleures structures de BQs ont été obtenues pour une épaisseur nominale d’InAs comprise entre 2.07 et 2.47 monocouches atomiques avec une haute densité (8 × 10[indice supérieur 10] cm[indice supérieur −2]) et une énergie d’émission de 1.22 eV (λ= 1016 nm). La croissance des multicouches de boîtes quantiques, dans des conditions usuelles de maintien de la température lors de l’épitaxie des couches de barrière de GaAs, a montré des difficultés dues à l’accumulation de la contrainte dans la structure. Deux types d’amas d’InAs ont été observés : soit des boîtes quantiques cohérentes de petite taille (diamètre et hauteur typiques de 5 nm et 16 nm, respectivement) et des amas relaxés de grande taille (diamètre et hauteur de plus de 50 nm et 150 nm, respectivement). Dans ces conditions de croissance nos résultats ont montré que la formation des amas de grande taille est accompagnée par une diminution de la densité des boîtes quantiques au fur et à mesure que le nombre de couches de boîtes quantiques augmente. L’application d’une étape appelée "indium-flush" (procédéd’évaporation d’indium sous atmosphère d’arsenic) pendant la croissance des couches de barrière de GaAs, qui encapsulent les boîtes quantiques, a montré une amélioration de la qualité cristalline de la structure globale. Les caractérisations morphologique et optique d’une série d’échantillons contenant 1, 5 et 10 plans de boîtes quantiques ont montré une préservation de la densité de boîtes quantiques et de leur distribution en taille. Les résultats montrent également que l’intensité intégrée de la photoluminescence des boîtes quantiques augmente linéairement en fonction du nombre de plans de boîtes quantiques. La structure finale optimisée est donc très prometteuse pour la réalisation de cellules solaires à boîtes quantiques à haute performance. L’étude de l’effet des boîtes quantiques et l’influence de leur hauteur sur l’efficacité des cellules solaires simple jonction de GaAs ont été analysés. Des mesures de l’efficacité quantique externe et des mesures I-V ont été effectuées pour caractériser ces cellules solaires. La technique de l’indium-flush a été utilisée pour contrôler la hauteur des boîtes quantiques. Une meilleure performance a été obtenue par la cellule solaire à boîtes quantiques tronquées à 2.5 nm de hauteur avec 5% d’amélioration de l’efficacité de conversion.

Cette thèse est dédiée à l'étude et à la caractérisation de boîtes quantiques (BQs) GaN réalisées sur une couche épaisse d'Al0.5Ga0.5N. Une BQ se comporte comme un puits de potentiel qui confine les porteurs de charges dans les trois dimensions de l'espace. Le spectre d'énergie d'exciton localisé dans une BQ dépend fortement de sa taille, qui est de l'ordre de quelques nanomètres. La compréhension des mécanismes de croissance et des propriétés physiques et structurelles des objets nanométriques, telles que des BQs, nécessite l'utilisation d'outils de caractérisation adaptés à leur faible taille. La microscopie électronique en transmission (MET), largement employée dans ce travail, est une des rares techniques qui permettent ce genre d'études. Le premier chapitre est consacré à l'introduction des fondements physiques de la microscopie électronique en transmission et à ses modes de fonctionnement. La technique de microscopie électronique en transmission haute résolution (METHR) et les facteurs limitant la résolution du microscope sont discutés en détail. Ensuite, les aspects de microscopie quantitative, tels que la simulation des images METHR et les méthodes de mesure de contrainte de la maille atomique à partir d'images METHR sont présentés. Deux techniques complémentaires au METHR, notamment l'imagerie en contraste de Z en mode balayage (STEM-HAADF) et la spectroscopie des pertes d'énergie (EELS) sont introduites à la fin de ce chapitre. Dans le deuxième chapitre les champs d'application des nitrures d'éléments-III et certains problèmes fondamentaux liés à leur croissance épitaxiale sont discutés. Après cela, deux techniques de la croissance de ce type d'hétérostructures - l'épitaxie par jets moléculaires (EJM) et l'épitaxie en phase vapeur d'organo-métalliques (EPVOM) - sont présentées. Ce chapitre se termine par la description des propriétés structurales des matériaux nitrures, y compris leur structure cristalline et les propriétés élastiques. Dans le troisième chapitre, l'adaptation de l'imagerie METHR pour l'étude des matériaux à base de GaN est présentée. Tout d'abord, le moyen d'évaluation de la composition chimique dans une hétérostructure par la mesure des contraintes de la maille atomique à partir d'images METHR est décrit. L'effet de la distorsion de la maille atomique d'une couche mince due au désaccord paramétrique est pris en compte de manière analytique. Un rapport numérique entre le paramètre de réseau local et la composition des alliages InxGa1-xN/GaN et AlxGa1-xN/Al0.5Ga0.5N est déterminé. L'influence des incertitudes des constantes élastiques ainsi que l'effet de la relaxation de surface sur la précision de la détermination de la composition sont discutés. Ensuite, une comparaison de deux techniques de mesure de contrainte, l'analyse des phases géométriques (GPA) et la méthode de projection, est présentée. Pour réaliser le traitement des images HRTEM dans l'espace réel (méthode de projection) un script dédié a été développé. Les deux méthodes ont été appliquées à des images modèles afin d'évaluer leurs performances pour la mesure des variations rapides de contrainte et pour le traitement des images bruitées. Il a été montré que la méthode GPA peut créer des fluctuations artificielles là où la contrainte varie rapidement. La méthode de projection est capable de mesurer les variations rapides de contrainte à l'échelle atomique, mais sa précision diminue considérablement pour les images bruitées. Les effets des conditions d'imagerie sur les mesures de contrainte ont été mis en évidence dans la dernière partie de ce chapitre. Les images METHR en axe de zone et hors axe de zone ont été simulées par le logiciel Electron Microscopy Software (EMS) en utilisant les paramètres d'imagerie typique pour un microscope JEOL 2010F et un microscope Cs-corrigé Titan 80-300. Le rôle critique de l'épaisseur de l'échantillon pour l'imagerie quantitative METHR en axe de zone a été montré. Les gammes de défocalisation appropriées pour une détermination fiable des déplacements atomiques pour certaines épaisseurs d'échantillon ont été déterminées. La même étude a été faite pour des images METHR acquises hors axe de zone. Les conditions d'acquisition METHR adaptées aux mesures de contrainte ont été appliquées pour l'étude des BQs GaN/AlGaN. Cette étude, présentée dans le quatrième chapitre, a révélé plusieurs phénomènes originaux pour les nitrures d'éléments III. Un changement de forme des BQs de surface de pyramides parfaites à pyramides tronquées avec l'augmentation de l'épaisseur nominale de GaN déposé a été observé. Le recouvrement des BQs par une couche d'AlGaN mène à une modification de leur forme de pyramide parfaite à pyramide tronquée. Dans le même temps, le volume moyen des BQs augmente. Un comportement similaire a été révélé pour des BQs GaN recouvertes par de l'AlN. Une séparation de phase a été observée dans les barrières AlGaN recouvrant les BQs avec formation de zones riches en Al au-dessus des BQs et de régions riches en Ga placées autour des zones riches en Al. La concentration en Al dans les zones riches en Al est d'environ 70% et elle diminue avec la distance à la BQ; la concentration en Ga varie de 55% à 65%. Les facettes latérales des zones riches en Al sont bien définies, leur forme et leur taille sont similaires à celles des BQs au-dessus desquelles elles sont placées. Une séparation de phase a également été observée dans les échantillons avec des boîtes quantiques anisotropes (quantum dashes). Les observations en microscopie électronique en transmission à balayage en mode Z-contraste (STEM-HAADF) ont fourni une preuve indépendante du phénomène de séparation de phases dans les barrières AlGaN. De plus, l'intensité des images HAADF a été convertie en compositions locales en gallium, à l'aide de simulations du signal HAADF. La concentration moyenne en Al de 70% dans les zones riches en Al obtenue par l'analyse HAADF a été confirmée par spectroscopie de pertes d'énergie électronique. En outre, l'analyse précise du changement de l'énergie de plasmon a révélé une diminution progressive de la composition en Al avec l'augmentation de la distance à la BQ. Pour expliquer les phénomènes observés, différents modèles basés sur les données expérimentales ont été élaborés. Nos explications sont fondées sur le principe de minimisation de l'énergie totale des BQs. La variété des formes des BQs de surface est expliquée par la compétition entre l'énergie de surface et l'énergie élastique accumulée dans les BQs. L'augmentation du volume des BQ pendant leur recouvrement est expliqué par le transport de GaN de la couche de mouillage vers la BQ, qui peut aussi être relié à une baisse de l'énergie élastique. Une séparation de phase dans les barrières AlGaN est aussi expliquée par la relaxation de la contrainte introduite par la présence des BQs. Plusieurs voies, basées sur les résultats de cette étude et en vue de l'amélioration des propriétés des dispositifs optoélectroniques sont proposées. Par exemple, la fabrication de BQs sans couche de mouillage est une approche perspective pour augmenter l'efficacité de photoluminescence.

Une nouvelle génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques combinant hautes performances et bas coût se profile grâce aux promesses des films à boîtes quantiques colloïdales (BQCs) et de leurs propriétés électriques et optiques uniques. Les BQCs sont des nanocristaux semi-conducteurs synthétisés en solution qui se comportent comme des atomes artificiels. Des progrès considérables ont été réalisés durant la dernière décennie pour développer une optoélectronique à base de films BQCs mais les performances des composants réalisés sont toujours limitées par un certain nombre de propriétés propres à ces milieux telles que leur granularité et la présence de ligands à la surface des nanocristaux. Un deuxième type de matériaux artificiels, les métamatériaux, suscite un intérêt considérable de la part de la communauté de la nano-optique en raison des perspectives qu'ils offrent pour surmonter la limite de diffraction, réaliser des capes d'invisibilités et des indices de réfraction négatif en optique. Cependant, un certain nombre des applications potentielles des métamatériaux optiques se heurtent à leurs pertes élevées et au manque de fonctionnalités actives contrôlées électriquement.Bien que les films BQCs et les métamatériaux soient étudiés de façon indépendante et associés à deux champs de recherche distincts, leurs propriétés ont beaucoup d'éléments en commun puisqu'elles sont dans les deux cas largement dictées par leur géométrie interne. Il paraît donc intéressant d'exploiter ces analogies et de voir si les difficultés rencontrées dans chaque discipline ne peuvent pas être surmontées en combinant les deux approches. Cette thèse se propose de jeter les premiers ponts entre films BQCs et métamatériaux et constitue une première tentative d'établir une synergie entre ces deux types de milieux artificiels.Dans un premier temps, nous étudions des réseaux de nanoantennes plasmoniques capables d'exalter la photoluminescence spontanée de BQCs et apportons de nouveaux éléments de compréhension à ces interactions. Ensuite, nous décrivons la fabrication et la caractérisation de LEDs à BQCs inorganiques et émission par le haut. Ces LEDs sont développées de façon à servir de plateforme pour la dernière partie de ce travail qui consiste à hybrider les films BQCs et les métamatériaux. Dans cette dernière partie, nous insérons les réseaux d'antennes plasmoniques étudiés précédemment dans l'architecture des LEDs et démontrons une nouvelle forme d'électroluminescence artificielle. Celle-ci se traduit par l'émission de lumière par des nanopixels discrets qui peuvent être arrangés de façon arbitrairement complexe afin de générer toute une gamme de fonctionnalités. D'autres avantages seront présentés comme une brillance accrue, une tension de seuil extrêmement basse, des longueurs d'ondes d'émission contrôlées par la géométrie et un contrôle total de la polarisation. Une série d'expériences visant à sonder les mécanismes à l’œuvre dans ce nouveau type de LEDs sera présentée.Ce travail illustre le très grand potentiel qu'il y a à combiner différentes classes de matière artificielle et suggère que bien d'autres opportunités découleront d'une vision unifiée des différents milieux composites développés en physique, chimie et ingénierie. / A next generation of electronic and optoelectronic devices with high performances and low cost is expected to take off with films of colloidal quantum dots (CQDs) thanks to their unique electrical and optical properties. CQDs are semiconducting nanocrystals synthesized in solution that behave as artificial atoms. Substantial progresses in CQD film-based optoelectronics has been made over the past decade, but the performances are still limited and governed by the merit and inherited properties of CQDs. Another type of artificial medium, metamaterials, is generating a considerable interest from the nano-optics community because of its promises for beating the diffraction limit, realizing invisible cloaks, and creating negative refractive of index at optical regime. However, many of the potential applications for optical metamaterials are limited by their losses and the lack of active functionalities driven by electricity.Although films of CQDs and metamaterials are studied independently and associated to two distinct fields, their properties are mainly determined by their inner geometry. In addition, the difficult hurdles from each field can be surmounted by cooperating with the other one. This dissertation establishes the first bridge to connect films of CQDs and metamaterials and is a first attempt at exploiting the synergy of different types of artificial media.Firstly, we study plasmonic nanoantenna arrays capable of enhancing the spontaneous photoluminescence of CQDs and provide new fundamental insight into these interactions. Secondly, we report the fabrication and characterization of the first inorganic top-emission infrared quantum dot light-emitting-diodes (QDLEDs). The diodes are developed to serve as a solid platform for studying the CQDs film/metamaterial hybrids. Finally, we insert the plasmonic nanoantenna arrays studied at the beginning of this thesis in our QDLEDs and demonstrate a novel form of electroluminescence in which light is emitted by discrete nanoscale pixels that than be arranged at will to form complex light emitting metasurfaces. Other advantages associated with our metamaterial QDLEDs will also be presented i.e. greatly enhanced brightness, extremely low turn-on voltage, emissive color tunability, and polarized electroluminescence. A series of controlled experiments to probe the operational mechanisms of metamaterial QDLED will be discussed.This demonstration illustrates the enormous synergy of combining different types of artificial matter and suggests that many other opportunities will arise by taking an unified view of the various artificial media developed in physics, chemistry and engineering.

On présente dans ce travail un nouveau type de qubit de spin dont les performances reposent sur les propriétés d'un seul électron dans une double boîte quantique. Le fort moment dipolaire de la double boîte combiné à une large variation du champ magnétique entre les deux boîtes permettrait de réaliser des opérations logiques plus rapidement que dans une seule boîte quantique. Pour maximiser les variations du champ magnétique, on utilisera un micro-aimant placé le plus près possible d'une des deux boîtes. À cette fin, une hétérostructure de GaAs/A1GaAs sur laquelle sont déposées des grilles d'aluminium a été utilisée pour former une double boîte quantique latérale. L'occupation par un seul électron de la double boîte est confirmée par des mesures de transport électrique à basse température ainsi que par l'observation du blocage de spin. De plus, un procédé d'oxydation des grilles par plasma d'oxygène a été développé. Une étude des propriétés de l'oxyde formé par cette méthode montre qu'il est possible de placer un micro-aimant directement sur la surface de l'hétérostructure sans affecter l'isolation électrique entre les grilles. Cette nouvelle approche permet de produire des champs magnétiques encore plus intenses que dans les expériences antérieures, pour lesquelles le micro-aimant est placé beaucoup plus loin de la surface. L'ensemble du procédé de fabrication, de la photolithographie à l'électrolithographie, a été développé au cours de ce travail dans les salles blanches du département de génie électrique et dans les salles propres du département de physique de l'Université de Sherbrooke. Ce travail est une étape importante dans la réalisation de qubits de spin plus performants dans les boîtes quantiques latérales.

Nous avons effectué dans ce mémoire des études de magnéto-luminescence sur des boîtes quantiques individuelles de GaAs insérées dans une matrice de GaAlAs, boîtes qui se distinguent de la plupart des systèmes étudiés par l’absence des contraintes. Nous avons pu mesurer l’impact de l’orientation cristalline du substrat sur lequel s’effectue la croissance de ces boîtes sur les propriétés magnéto-optiques.Nous avons pu présenter les premières expériences pratiquées sur des structures à boîtes quantique GaAs « gouttelettes » à charge ajustable, élaborées sur substrat orienté (001). La structure fine des excitons a été étudiée en détail et analysée au moyen d’un modèle analytique y compris en champ transverse permettant d’établir les états et énergies propres. Nous avons observé la polarisation dynamique des noyaux à champ nul dans les boîtes quantiques sans contraintes élaborées sur substrat (111)A. Les décalages Overhauser mesurés s’élèvent à 15 – 16 μeV, correspondant à un champ nucléaire de 0.25 T environ. En champ magnétique transverse, nous avons observé des déviations significatives par rapport àl’effet Hanle normal dans le domaine des faibles champs / In this thesis the magneto-optical properties of single GaAs semiconductor quantum dots in AlGaAs barriers are presented. The strain free dots are grown by original Volmer-Weber ("droplet") epitaxy techniques in a molecular beam epitaxy system at the National Institute for Material Science NIMS, Tsukuba, Japan. We showed the first optical investigation of symmetric GaAs quantum dots grown on (111)A substrates. The inherently small neutral exciton fine structure splitting makes this a promising systemfor the generation of polarisation entangled photons via the exciton-biexciton radiative cascade. In photoluminescence spectra in longitudinal magnetic fields applied along the growth axis, we observe in addition to the expected bright states also nominally dark transitions for both charged and neutral excitons. We uncover a strongly non monotonic, sign-changing field dependence of the bright neutral exciton splitting resulting from the interplay between exchange and Zeeman effects. We present a microscopic theory developed in close collaboration with the A. F. Ioffe Institute (St. Petersburg,Russia) of the magnetic field induced mixing of heavy-hole states with angular momentum projections 3/2 in GaAs droplet dots grown on (111)A substrates.Chapter 4 of this thesis is focused on the charge tuneable structures grown on n+-(100) GaAs substrate. In non-intentionally doped samples, due to charge fluctuations, the neutral X0 exciton and the positively (negatively) charged exciton X+(X-) are observed simultaneously in time integrated spectra. We present here deterministic charging of droplet dots with single electrons. Detailed studies in transverse magnetic fields allowed unambiguously identifying the charge states and determining the exciton fine structure. The neutral exciton fine structure was tuned to zero in finite transverse fields, a crucial property for achieving efficient polarization entangled two photon sources. In chapter 5, we focus on the nuclear spin effects in [111] grown quantum dots under optical pumping conditions. An optically oriented electron spin can transfer its polarization to a nucleus (Overhauser effect). In the well-studied strained InGaAs dots in GaAs, dynamic nuclear polarization (DNP) at zero applied magnetic field is possible due to screening of the nuclear dipole-dipole interaction by strong nuclear quadrupole effects. Here we present the first observation of DNP in strain free dots, i.e. in theabsence of nuclear quadrupole effects. We investigated in detail the role of the strong effective magnetic field acting on the nuclei due to the presence of a well-oriented electron spin (Knight field). This Knight field in the order of 15 mT for most dots is an important ingredient for the observed DNP at zero field. The intricate interplay between the Knight field and the Overhauser field is studied in a transverse magnetic field. These Hanle measurements performed on single dots allow us to determine the sign of the confined electron g-factor and spin relaxation time

Ce travail porte sur la croissance épitaxiale et la caractérisation optique de boîtes quantiques d’InAs/InP(001) en faible densité en vue de la réalisation de nouveaux composants nanophotoniques émettant à 1,55 µm. Les propriétés structurales et optiques des îlots ont été corrélés pour différents paramètres de croissance d’un système d’épitaxie par jet moléculaire à sources solides. Nos résultats soulignent l’influence des reconstructions de surface d’InAs sur la forme des îlots. Des boîtes, plutôt que des bâtonnets allongés généralement observés,peuvent être directement formées dans des conditions de croissance adéquates. Une transition de forme de bâtonnets vers des boîtes est également démontrée par des traitements postcroissance sous arsenic. Les faibles densités de boîtes sont obtenues pour des faibles épaisseurs d’InAs déposées. Leur émission est facilement contrôlée à 1,55 µm par une procédure d’encapsulation spécifique appelé « double cap ». Quelques propriétés des boîtes individuelles d’InAs/InP sont ensuite évaluées. Les études de micro-photoluminescence révèlent des pics d’émission très fins et distincts autour de 1,55 µm confirmant les propriétés« quasi-atomiques » de ces boîtes uniques. Enfin, nous proposons pour la première fois une méthode à haute résolution spatiale qui permet d’étudier le transport de charges autour d’une boîte unique grâce à une technique de cathodoluminescence à basse tension d’accélération.Une mesure directe de la longueur de diffusion des porteurs avant capture dans une boîte a été obtenue. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives quant à l’intégration de ces boîtes uniques dans des microcavités optiques pour la réalisation de sources de lumières quantiques à 1,55 µm. / This thesis focus on the epitaxial growth and optical characterization of diluted InAs/InP(001) quantum dots for the realisation of new nanophotonic devices emitting at 1.55μm. The structural and optical properties of the quantum islands are correlated to different growth parameters of a solid source molecular beam epitaxy system. Our results highlight the influence of InAs surface reconstructions on the island shape. Dots rather than elongated dashes usually observed can be directly formed by adequate growth conditions. Dash to dot shape transition is also demonstrated by post-growth treatments. Low dot densities are obtained for small InAs deposited thickness. Their emission wavelength is easily tuned to1.55 µm using the “double cap” procedure for the growth of the InP capping layer. Optical properties of such single InAs/InP quantum dots are then evaluated. Microphotoluminescence studies reveal sharp and well separated emission lines near 1.55 µm from single dots confirming their atom-like properties. Last, we propose for the first time a highspatial resolution method to study the carrier transport in the vicinity of a single quantum dotusing a low-voltage cathodoluminescence technique. A direct measurement of the carrier diffusion length before capture into one dot has been obtained. These results open the way to the integration of these single dots into optical micro-cavities for the realisation of quantumlight sources at 1.55 µm.