Depuis une vingtaine d'années, la physique et les applications des transitions intersousbandes ont connu un essor remarquable. Il reste aujourd'hui deux frontières à explorer : l'extension vers le THz et celle vers le proche infrarouge. Pour atteindre le domaine spectral des télécommunications par fibre optique, les puits et boîtes quantiques GaN/AlN étudiés dans cette thèse sont les candidats les plus sérieux car ils présentent une discontinuité de potentiel suffisamment élevée en bande de conduction (1,75 eV).<br />Je présente en premier lieu mes expériences à température ambiante portant sur les puits quantiques GaN/AlN épitaxiés par jets moléculaires sur substrat saphir (0001). Je montre l'amplification résonante de la génération de second harmonique à λ~1 µm mais aussi la première observation de la luminescence intersousbande à λ~2,1 µm sous pompage optique. <br />J'étudie ensuite le confinement quantique dans des structures à puits quantiques couplés GaN/AlN. Ces structures ont permis de mettre en évidence le transfert tunnel des électrons entre puits quantiques sous application d'une tension et de fabriquer un modulateur électro-optique rapide (3 GHz).<br />Finalement, j'étudie le confinement quantique dans les boîtes quantiques GaN/AlN. Dans ces nano-objets, je mets en évidence à température ambiante l'émission intrabande pz-s à λ~1,48 µm. Je déduis de ces mesures la largeur de raie intrabande d'une boîte unique. Je montre en outre que la durée de vie des électrons excités est ~160 fs via des expériences de pompe-sonde. A partir des mesures de saturation d'absorption et d'émission, j'estime le temps de cohérence des électrons entre les sous niveaux à T2~320 fs.

La génération d'impulsions courtes et de fréquence de répétition élevée est une fonction essentielle dans les systèmes de communication modernes. De plus, un faible niveau de bruit est requis afin d'avoir des systèmes performants. Les lasers à semiconducteurs à blocage de modes permettent justement d'émettre des impulsions subpicosecondes à des fréquences supérieures à plusieurs centaines de GHz. L'utilisation d'une nouvelle génération de structures à fils ou boîtes quantiques, pour la réalisation des zones actives de ces lasers, a conduit à des impulsions très courtes et de haute fréquence avec de très faibles niveaux de bruits, inférieurs à ceux mesurés sur les structures usuelles à puits quantiques. Le laboratoire CNRS Foton-INSA a une expérience de longue date dans la croissance de fils et de boîtes quantiques de haute qualité en InAs sur substrat d'InP. Le but de cette thèse a été d'expérimenter ces structures pour la réalisation de lasers à blocage de modes. Dans un premier temps ces structures ont été caractérisées par des techniques de mesure de photoluminescence et d'électroluminescence afin de sélectionner les plus adaptées pour la réalisation de lasers monomodes à deux sections, l'une amplificatrice et l'autre à absorption saturable afin d'initier le blocage de modes. Les lasers à boîtes quantiques ont présenté un comportement instable. Il s'agit d'une bifurcation du pic d'émission optique vers deux directions dont l'écart augmente avec le courant d'injection. L'origine de ce phénomène a été attribuée à des groupes de boîtes quantiques caractérisées probablement par leur différence de taille. Le blocage de modes a effectivement été obtenu dans des lasers à fils quantiques à une fréquence de 10,6 GHz et de 41 GHz. La caractérisation des impulsions a révélé une forte dérive en longueur d'onde de celles-ci. En effet, une fibre optique monomode d'environ 545 m a été nécessaire pour compresser ces impulsions et atteindre une durée aussi courte qu'une picoseconde. Le niveau de bruit de ces lasers s'avère être 30 fois plus faible que le niveau le plus bas mesuré sur les composants à puits quantiques.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de nanostructures semi- conductrices III-V pour le développement d’émetteurs laser sur silicium dans une approche pseudomorphique. Une croissance en accord de maille d’alliages à base de GaP ou plus précisément de nitrures dilués GaPN doit garantir une faible densité de défauts cristallins. Le modèle des liaisons fortes à base étendue est tout d’abord présenté afin de simuler les propriétés électroniques et optiques de structures semi-conductrices sur substrats de GaP ou Si. Les propriétés des alliages massifs GaPN et GaAsPN sont étudiées par des expériences de photoluminescence continue en fonction de la température et de photoluminescence résolue en temps. Les potentialités des puits quantiques GaAsPN/GaP en tant que zone active sont étudiées théoriquement par le modèle des liaisons fortes et expérimentalement en spectroscopie de photoluminescence en température et résolue en temps. Les effets de désordre engendrés par l’incorporation d’azote sont notamment mis en évidence. L’alliage AlGaP est ensuite proposé pour les couches de confinement optique des structures laser. Un contraste d’indice optique entre AlGaP et GaP est mesuré par ellipsométrie spectroscopique. Ce contraste doit permettre un confinement efficace du mode optique. Le problème de l’alignement des bandes en présence d’aluminium est ensuite évoqué. L’utilisation de l’alliage quaternaire GaAsPN est proposée pour résoudre ce problème. Enfin, les boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en tant qu’alternative aux puits quantiques GaAsPN/GaP dans la zone active. Une forte densité de boites quantiques et une émission de photoluminescence à température ambiante sont ainsi obtenues pour ce système. Les états électroniques des boîtes quantiques sont simulés par la technique des liaisons fortes et la méthode k.p. La photoluminescence résolue en temps couplée à des expériences de photoluminescence continue sous pression hydrostatique, permet de montrer que la transition fondamentale de ces boîtes implique majoritairement des états de conduction de type X. / This PhD work focuses on the study of III-V semiconductor nanostructures for the development of laser on Si substrate in a pseudomorphic approach. GaP-based alloys and more specifically dilute nitride GaPN-based alloys are expected to guarantee a low density of crystalline defects through a perfect lattice-matched growth. An extended tight-binding model is first presented to deal with the theoretical challenges for the simulation of electronic and optical properties of semiconductor structures grown on GaP or Si substrate. The optical properties of bulk GaPN and GaAsPN alloys are then studied through temperature dependent continuous wave photoluminescence and time-resolved photoluminescence experiments. The potential of GaAsPN/GaP quantum wells as a laser active zone is discussed in the framework of both theoretical simulations (with the tight-binding model) and experimental studies (with temperature dependent and time-resolved photoluminescence). In particular, the N-induced disorder effects are highlighted. The AlGaP alloy is then proposed as a candidate for the cladding layers. A significant refractive index contrast between AlGaP and GaP is measured by spectroscopic ellipsometry which may lead to a good confinement of the optical mode in a laser structure. The issue of band alignment is highlighted. Solutions based on the quaternary GaAsPN alloy are proposed. Finally, the InGaAs/GaP quantum dots are studied as an alternative to GaAsPN/GaP quantum wells for the active zone. The growth of a high quantum dot density and room temperature photoluminescence are achieved. The electronic band structure is studied by time-resolved photoluminescence and pressure dependent photoluminescence as well as tight-binding and k.p simulations. It demonstrates that the ground optical transition involves mainly X-conduction states.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d’onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d’InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d’émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d’intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd’émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d’observerune accélération de l’émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l’émission d’un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l’effet laser. / The last century saw the advent of quantum mechanics, information processing and integrated optics.These fields lead to the integrated optics for quantum communication. One of the challenges is thedevelopment of single photon sources operating at fiber’s telecommunication wavelength. In this workwe use quantum dots growth by MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy). We demonstratethese emitters can generate some quantum state of light thanks to the antibunching experiment.Moreover the spectroscopy of these objects will be deducted by the time resolved spectroscopy. Thepossibility to integrate these sources in ultimate’s size cavity permits to modify the spontaneous rateemission, so the result obtain with metallic cavity permit to observe an acceleration of the spontaneousemission on a wide spectral band. Finally a strong emission modification of the quantum dot’sensemble between 4K and 300K will be presented by using an original way based on the laser effect.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée. / This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed.

Le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) est un transfert d'énergie non radiatif d'un donneur à un accepteur à proximité. En raison de sa dépendance de la distance extrêmement sensible entre env. 1 et 20 nm, FRET joue un rôle important dans la nanobiotechnologie. Ainsi FRET peut être utilisé comme système de transduction du signal, mais aussi pour l'estimation de la distance entre le donneur et l'accepteur.Les accepteurs de FRET utilisés dans ce travail étaient des nanocristaux semi-conducteurs (quantum dots, QD). Ce type de luminophore est bien connu pour ses propriétés photophysiques supérieures. Leur absorption forte et spectralement large, et leur photoluminescence (PL) brillante et spectralement fine et de l'accordabilité spectrale de la PL sont idéalement adaptés aux applications de FRET. La combinaison des QDs comme accepteurs de FRET avec des complexes luminescents de terbium (CLT) comme donneurs permet des grandes distances de FRET (> 10 nm). La distance de FRET est caractéristique d'une paire FRET et décrit la distance à laquelle l'efficacité de FRET est égale à 50%. CLT sont idéal comme donneurs de FRET parce qu'ils fournissent des longues durées de vie des états excités à l'ordre de la milliseconde. Cette longue période de décroissance de PL permet de mesurer en temps décalé pour une répression d’autofluorescence et la PL des QDs directement excités, ce qui augmente fortement la sensibilité de détection. Les bandes d'émission de PL structurés de CLT et la PL accordable de QDs sont idéales pour l'application dans le diagnostic multiplexé.La thèse se compose de deux parties. Dans la première le couple FRET CLT-QD a été utilisé dans des immunodosages de FRET homogènes pour la détection de marqueurs biologiques antigène prostatique spécifique (TPSA), énolase specifique des neurones (NSE), antigène carcino-embryonnaire (CEA), et le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR). La sensibilité du dosage immunologique a été optimisé en utilisant des différents types d'anticorps IgG, F (ab')2, F (ab), et pour EGFR un anticorps de chaîne lourde unique. Des limites de détection picomolaires étaient réalisées en utilisant des échantillons de sérum de petit volume et des mesures sur des lecteurs de microplaques cliniques. Une étude détaillée des différents systèmes de FRET en utilisant la spectroscopie résolue en temps a été réalisée pour étudier l'influence des différents anticorps sur la distance, la fonctionnalité, et la sensibilité des immunodosages. L'étude a été complétée par la mesure de NSE et CEA dans un format duplexé et des échantillons réels de patients.Dans la deuxième partie le FRET pour des mesures de distance nanométriques (réglette moléculaire ou spectroscopique) étaient étudiés. FRET en résolution temporelle a permis de calculer la distance entre le donneur et l’accepteur. Par conséquent, deux stratégies de liaisons différentes ont été étudiées pour établir une proximité entre le CLT et le QD : la reconnaissance biotine-streptavidine et l’auto-assemblage médié par polyhistidine. Une étude en résolution temporelle détaillée a été effectuée avec des QDs de différentes tailles, formes et revêtements de surface combiné avec des CLT liés à trois différentes biomolécules. L'analyse des courbes de décroissance multiexponentielle des donneurs et accepteurs permettait à obtenir des informations sur la taille, la forme et la biofonctionnalité des bioconjugués CLT-QD. Les résultats étaient en accord avec d'autres méthodes d'analyse de structure, telles que la microscopie électronique à transmission (MET) ou la diffusion de lumière dynamique (DLS), mais avec l'avantage d'une mesure homogène à la résolution 3-dimensionelle (impossible pour le MET), sans l'inclusion d'une couche d'hydratation (l’inconvénient de DLS) et en faible concentration dans le même environnement que celui utilisé pour l'application biologique. / Förster resonance energy transfer (FRET) is a non-radiative energy transfer from a donor to an acceptor in close proximity. Due to its extremely sensitive distance dependence in the 1 – 20 nm range, FRET plays an important role in nanobiotechnology. Thereby FRET can be used as signal transduction system but also for the distance estimation between donor and acceptor. The selected FRET acceptors in this work were semiconductor nanocrystals (quantum dots, QDs). This type of luminophore is well known for its superior photophysical properties. Their strong and broad absorption and their bright, narrow-band, and size-tunable photoluminescence (PL) emission make QDs ideally suited for FRET application. Combing QDs as FRET acceptors with luminescent terbium complexes (LTC) as FRET donors offers exceptionally large Förster distances of more than 10 nm. The Förster distance is characteristic of a FRET pair and is the distance at which the FRET efficiency equals 50 %. A large Förster distance is desirable as it offers the detection of biological interactions over large distances. LTC are suitable FRET donors for QDs because they provide long excited-state lifetimes in the millisecond range. This long PL decay time enables time-gated measurements for the suppression of autofluorescence and PL of directly excited QDs, which strongly increases the detection sensitivity. Additionally, the structured PL emission bands of LTCs together with the size-tunable PL emission bands of QDs make this FRET pair ideal for the application in multiplexed diagnostics, which is the measurement of multiple biomarkers in a single sample.The PhD thesis consists of two parts. In the first part the LTC-QD FRET pair was used within homogeneous FRET immunoassays for the detection of the biomarkers prostate specific antigen (TPSA), neuron-specific enolase (NSE), carcinoembryonic antigen (CEA), and epidermal growth factor receptor (EGFR). The immunoassay sensitivity was optimized using different types of antibodies IgG, F(ab’)2,F(ab), and for EGFR single heavy chain antibodies, which differ largely in their size. The use of small-volume serum samples and measurements on clinical as well customized fluorescence plate readers result in picomolar detection limits for all measured biomarkers. In addition to these QD-based in vitro diagnostic tests, a detailed study of the different FRET-systems using time-resolved spectroscopy was performed. The investigation revealed the influence of the different antibodies on distance, functionality, and sensitivity of the FRET immunoassays. The study was completed by the measurement of NSE and CEA in a duplexed format and real patient samples were investigated.The second part was to use FRET for nanometric distance measurements as molecular or spectroscopic ruler. Time-resolved FRET measurements enabled the calculation of the distance between donor and acceptor. Therefore two different binding strategies were investigated to establish a close proximity between the LTC-donor to the QD-acceptor, namely biotin-streptavidin recognition and polyhistidine mediated self-assembly. A detailed time-resolved study was performed of QDs with different sizes, shapes, and surface coatings in combination with LTC bound to three different host biomolecules, which also possessed different sizes, shapes, orientations, and binding conditions. The analysis of the multi-exponential decay curves of donor and acceptor allowed to obtain information about the size, shape, and biofunctionality of the investigated QD bioconjugates. The results were in agreement with other structural analysis methods, such as transmission electron microscopy (TEM) or dynamic light scattering (DLS), but with the advantage of a homogeneous measurement with three-dimensional resolution (not possible for TEM), without the inclusion of a hydration shell (drawback for DLS), and at low concentration in the same environment as used for the biological application.

Ce travail repose sur le développement de la croissance, par épitaxie par jets moléculaires, d'hétérostructures présentant une alliance de deux familles de matériaux semi-conducteurs: les tellurures et les séléniures. Il tend à montrer l'originalité des propriétés physique spécifiques de cette association en développant deux cas: les puits et les boîtes quantiques de type-II ZnTe/ZnSe et les centres isoélectroniques CdTe:Se.<br /> Pour ZnTe fortement contraint sur ZnSe, une transition morphologique de type Stranski-Krastanow non-standard a été observée. La formation d'îlots nanométriques a pu être obtenue grâce à un traitement de surface à base de Te amorphe. Lors de leur encapsulation, nous avons été confrontés à une disparition totale de ces îlots. Nous proposons de nouvelles conditions de croissance qui limitent les phénomènes de ségrégation, ou d'échange Se/Te, et préservent en partie les îlots. Cependant les nanostructures obtenues ne contiennent pas ZnTe sous forme binaire pure mais sous forme d'alliage ordonné ZnSeTe.<br /> Les propriétés de photoluminescence d'un plan de boîtes quantiques et celles d'un puits quantique ZnTe/ZnSe sont analysées et comparées. Nous proposons un modèle capable de décrire parfaitement les différents résultats optiques spécifiques d'un système où l'alignement de bande est de type-II. Ce modèle est basé sur des arguments statistiques et électrostatiques.<br />La dernière partie traite de l'insertion d'atomes de sélénium dans CdTe sous forme d'un dopage planaire. Des centres isoélectroniques sélénium ont pu être isolés. Une mesure du dégroupement des photons émis montre que ces objets individuels se comportent comme des émetteurs de photons uniques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude par spectrophotométrie de phénomènes de couplage entre un émetteur photonique discret et une cavité optique dont les propriétés sont adaptées à l'émetteur. Nous nous sommes intéressés à l'interaction de boîtes quantiques semiconductrices InAs/GaAs avec des microcavités optiques dont la géométrie originale diffère selon les propriétés dont on veut tirer partie. Ainsi, nous partirons de la fabrication de ces systèmes par épitaxie par jets moléculaires, pour nous focaliser sur trois grands types de microcavités, dont nous décrirons à la fois les étapes de fabrication, mais aussi les études optiques réalisées par spectrophotométrie Infra-rouge. Ainsi, les microdisques reportés sur saphir par collage moléculaire ont montré un important potentiel pour la réalisation de microlasers, grâce à de très bonnes propriétés de dissipation thermique. Sur les micropiliers à miroirs de Bragg, nous avons expérimentalement montré pour la première fois la co-existence de modes de galerie et de modes de micropiliers, ainsi que la possibilité d'exploiter l'effet laser sur ces modes, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en termes de systèmes photoniques. Nous avons également développé une technique originale et reproductible de métallisation à l'or des flancs et démontré son innocuité sur les propriétés optiques de ces modes, ce qui permet d'envisager son application à d'autres dispositifs. Enfin, nous terminons par la fabrication et l'étude de nano-fils photoniques à boîtes quantiques uniques, dont les capacités prometteuses permettent de conclure à une concurrence sérieuse vis-à-vis des micropiliers en tant que source de photon unique.

On appelle laser à émission spontanée contrôlée, un laser dont la fraction beta d'émission spontanée dans le mode laser s'approche de 1. De tels composants présentant une redistribution spatiale et une exaltation de la dynamique d'émission spontanée, doivent présenter des seuils laser réduits et des bandes de modulation directe accrue. Ceci requiert néanmoins le recours à des cavités de fort facteur de qualité et de faible volume modal. Les cavités à cristaux photoniques sur membrane peuvent satisfaire ces critères. Outre un dessin de cavité adapté, l'obtention de forts facteurs de qualité requiert des profils de gravure parfaitement verticaux des trous formant le cristal photonique. Pour cela, j'ai développé un nouveau procédé de gravure de la membrane de GaAs avec la technique d' ''Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching ''. Nos cavités en GaAs, comprenant un plan de boîtes quantiques InAs comme milieu à gain, présentent des facteurs de qualité supérieurs à 15 000. En fonction du dessin de la cavité, un effet laser a été mis en évidence à 4 K avec des fractions beta allant de 0,44 à 0,94. L'étude dynamique résolue spectralement des lasers à fort beta (~ 0,67) révèle la génération d'impulsions laser gaussiennes d'une durée de 35 ps, avec une évolution spectrale linéaire de la résonance laser durant l'impulsion. En imprimant une modulation optique directe à 10 GHz sur le composant, le chirp linéaire observé sur chaque impulsion délivrée reste identique à celui mesuré en réponse à une seule impulsion d'excitation. Ceci permet d'envisager des techniques de compensation du chirp simple et indépendant du motif de modulation.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de la croissance et des propriétés structurales et optiques des hétérostructures non-polaires de GaN/AlN plan m, déposées sur 6H-SiC plan m par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d'azote.<br /><br />Nous avons tout d'abord étudié les couches épaisses d'AlN et de GaN. Les conditions de croissance de ces couches sont optimales en conditions riche métal. Toutes deux présentent des morphologies de surface anisotropes mais différentes l'une de l'autre avec une morphologie de type « tôle ondulée » pour l'AlN et « toît de tuiles » pour le GaN.<br />Nous nous sommes ensuite intéressés à la croissance d'hétérostructures de GaN/AlN. Nous avons démontré que la croissance de GaN en conditions riche N aboutit à la formation de puits quantiques de GaN tandis que la croissance en conditions riche Ga permet de former des fils ou des boîtes quantiques par le mode de croissance Stranski-Krastanow. Nous avons démontré que cette différence de morphologie pour les nanoobjets de GaN était liée à l'état de relaxation de la couche tampon d'AlN. Des études optiques ont mis en évidence une forte réduction du champ électrique interne dans les hétérostructures de GaN/AlN plan m.<br />Pour finir, nous avons étudié l'évolution de la morphologie des fils et des boîtes en fonction de la quantité de GaN déposée. Nous avons démontré l'existence d'une transition de forme ''boîtes-fils'' lorsque l'aire des boîtes excède une taille critique. Cette aire peut être contrôlée par la quantité de matière déposée mais également par la réalisation de superréseaux.