Le but de cette thèse a été de caractériser des boîtes quantiques obtenues avec une nouvelle méthode de croissance. Utilisant des techniques de microphotoluminescence, nous avons étudié les différentes contributions au mélange des bandes de trous lourds et de trous légers. En l'absence de contrainte, la distribution du paramètre de mélange est plus homogène ; cependant, d'autres contributions deviennent dominantes et nous les avons discutées. Nous avons mesuré les paramètres magnéto-optiques : facteurs Landé de l'électron et du trou, décalage diamagnétique, paramètres de structure fine des états noirs et brillants. Les valeurs obtenues ont permis d'estimer la variation des paramètres géométriques des boîtes, ce qui est lié à la qualité du contrôle de la croissance. La polarisation des états noirs mesurée s'est révélée différente de celle prévue selon le modèle utilisé précédemment dans la littérature. Utilisant un modèle théorique récent, nous avons reproduit nos observations, ce qui met en évidence une modulation possible de la polarisation des états noirs par le champ magnétique. Finalement, nous avons effectué des études de contrôle de charges dans des structures n-i Schottky. Pour des boîtes uniques, des états multichargés ont été observés. Nous avons mesuré les énergies de liaison des trions positif et négatif, au préalable à une étude sur des molécules de boîtes. Nous avons observé des anticroisements des états S des trous dans deux boîtes, en accord avec nos prévisions basées sur les paramètres nominaux de l'échantillon. / The goal of this thesis work was to characterise quantum dots obtained by a novel growth method. We used microphotoluminescence techniques to study multiple properties of these dots. We have evaluated main contributions to light-heavy hole valence band mixing. Contrary to self-assembled dots, we find a more homogeneous distribution of the mixing parameter, which can be explained by the absence of mechanical tension due to lattice mismatch. We have also measured magneto-optical parameters such as electron and hole g-factors, diamagnetic shift, fine structure splitting for bright and dark states. These results allowed us to estimate geometric parameters of dots, making a point on the growth quality. Polarisation studies on the dark states have revealed a result different from previous theoretical predictions. We have used a recently presented model to explain our findings. The last part of this work presents results on quantum dots embedded in an n-i Schottky structure. We have measured binding energies of positive and negative trions, to make a connection with previous results, to then study double quantum dot system. We have observed an anticrossing of hole S states, which is in agreement with our estimations based on sample parameters.

Dans cette thèse, j'étudie la dynamique non linéaire résultant d’une compétition entre deux modes dans des systèmes lasers à boites quantiques.D’abord, je considère le cas de la compétition entre deux modes de polarisation apparaissant dans les diodes laser nanostructurées à cavité verticale et émettant par la surface (VCSELs). Il est connu que ces composants peuvent avoir une polarisation instable menant à des dynamiques riches. Récemment, un surprenant saut de mode entre deux états polarisés elliptiquement a été récemment découvert dans les VCSELs à boites quantiques. Ce comportement montre des propriétés intrigantes qui nécessitent une interprétation alternative. Dans cette thèse, je montre que ce comportement dynamique peut-être reproduit en utilisant le modèle spin-flip (SFM). En particulier je démontre et confirme expérimentalement que les sauts de modes sont en réalité des fluctuations chaotiques de faible dimension : un chaos en polarisation. Je démontre ensuite la pertinence de la dynamique chaotique observée pour les applications exploitant le chaos optique, en réalisant un générateur de nombres aléatoires à grande vitesse basé sur le chaos en polarisation.Deuxièmement, j'étudie les effet d'une rétroaction optique à délai sur les lasers à boites quantiques émettant simultanément depuis l'état fondamental et le premier état excité. Je clarifie l'impact the cette rétroaction optique ainsi que les mécanismes et bifurcations correspondantes. Je montre théoriquement qu'une rétroaction optique favorise globalement l'émission par l'état fondamental, mais aussi qu'un tel montage peut être utilisé pour commuter entre ces deux modes d'émission lorsque l'on change le taux ou le délai de la rétroaction. Enfin, je confirme ces observations expérimentalement, en rapportant des commutations entre l'état fondamental et l'état excité. / In this thesis, I study the nonlinear dynamics induced by the competition between two modes in quantum dot laser systems.First, I focus on the competition between polarization modes that takes place in quantum dot vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). It is well-known that these devices can exhibit polarization instabilities leading to rich dynamical evolution. Recently, a new peculiar random-like hopping between two non-orthogonal elliptically polarized states has been highlighted in QD VCSELs. This behavior shows intriguing features which clearly call for a different interpretation. In this thesis, I show that the dynamical behavior reported experimentally can accurately be reproduced within the spin-flip model (SFM) framework. In particular, I demonstrate and confirm experimentally that the peculiar random-like hoppings are in fact deterministic low-dimensional chaotic fluctuations, i.e. ``Polarization Chaos''. I then make a proof-of-concept demonstration of a high-speed random bit generator based on polarization chaos, hence demonstrating that the chaotic dynamics uncovered is relevant for optical chaos-based applications.Secondly, I investigate the effects of an external optical feedback on quantum dot lasers emitting simultaneously from the ground and the excited states. I bring new light on the impact of optical feedback and the corresponding mechanisms and bifurcations. I highlight theoretically that optical feedback globally favors the ground state emission, but also that it can be used to switch from one mode to the other when changing the feedback rate and/or the time-delay. In addition, I experimentally report switching between the ground and excited states when varying the external cavity length at the micrometer scale, which supports the theoretical predictions.

Cette thèse présente des mesures de spectroscopie optique sous conditions extrêmes de pression et champ magnétique intense à basse température. L'objectif premier de ce travail de thèse était de développer et mettre au point un dispositif expérimental original permettant d'atteindre ces conditions extrêmes inédites. Nous avons étendu le domaine de pression, champ magnétique et température accessibles conjointement jusqu'à 56 T, 10 GPa et 4 K et étudié les propriétés de deux types de système pour lesquels les spectroscopies sous haute pression et champ magnétique intense sont particulièrement adaptées: les ions de métaux de transition et les semiconducteurs. L'étude du rubis par magnéto-photoluminescence nous a permis de mettre en évidence dans un domaine de champ magnétique inexploré l'effet Zeeman, i.e la levée de dégénérescence de spin des états électroniques de l'ion chrome, et l'effet Paschen-Back dû à une compétition entre le champ cristallin anisotrope et le champ magnétique appliqué. Une augmentation significative du champ trigonal induite par la pression a été ainsi détectée et interprétée. Nous avons également étudié la structure de bandes du séléniure d'indium, un semiconducteur lamellaire aux propriétés excitoniques remarquables par des mesures de magnéto-absorption. Le phénomène de magnéto-absorption oscillatoire, signature de la quantification de Landau des électrons et des trous, nous a permis d'explorer la structure de bandes dans une large gamme d'énergie autour du gap et de valider le modèle $k.p$ spécifique proposé pour ce composé. Enfin, une étude par magnéto-photoluminescence des propriétés électroniques de boîtes quantiques auto-organisées de phosphure d'indium encapsulées dans une matrice de phosphure de gallium nous a permis d'élucider l'origine de la forte luminescence caractéristique de ce système en déterminant clairement le confinement des porteurs et les effets induits par les fortes contraintes biaxiales inhérentes à la croissance par auto-assemblage.

Ce travail de these presente les premiers resultats d'optique quantique, plus particulierement de statistique de photons, sur des boites quantiques uniques de la famille des semiconducteurs II-VI.<br />La motivation premiere de ces travaux est la recherche d'une source de photons uniques indiscernables adequate pour etre utiliser dans le cadre de l'information quantique, et plus particulierement de l'ordinateur quantique.

Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude et la compréhension des boites quantiques InAs sur substrat InP, travail mené en collaboration avec l'université technique (TU) de Berlin en Allemagne, et l'université catholique (KU) de Leuven en Belgique, dans le cadre du réseau d'excellence européen SANDIE.<br /><br />Le chapitre 0 est une introduction détaillée à la physique des boites quantiques. Cette partie mets en évidence les motivations et les enjeux scientifiques liés à l'étude des boites quantiques, et en particulier dans le système InAs/InP. Les principes de fabrication des boites quantiques par épitaxie par jet moléculaire sont également détaillés.<br /><br />Le chapitre 1 présente une étude théorique des boites quantiques sur substrat InP. Ces boites sont tout d'abord étudiées à l'aide d'une méthode de calcul de type k•p à huit bandes. L'influence de la composition de la boite quantique (InAs ou InAsSb), ainsi que celle de l'orientation du substrat ((311)B ou (100)) sur les propriétés optiques des ces boites est ainsi analysée. Des solutions sont ainsi proposées pour l'utilisation de telles boites quantiques comme sources laser pour les applications télécom (1.5 µm), ou encore pour la détection de gaz, ou les transmissions en espace libre (entre 2 et 5 µm). <br /><br />Dans le chapitre 2, les boites quantiques sont étudiées expérimentalement. De nombreuses techniques de spectroscopie ont été utilisées (photoluminescence, magnéto-photoluminescence, spectroscopie d'absorption) afin de déterminer les constantes fondamentales de nos boites quantiques. Ainsi, le coefficient d'absorption, le rayon de Bohr de l'exciton, sa masse effective et son énergie de liaison sont mesurés dans le système InAs/InP, ainsi que les écarts énergétiques entre les états fondamentaux et excités de boites quantiques. Il est ainsi démontré expérimentalement que l'utilisation d'un alliage quaternaire InGaAsP est plus adapté pour les applications laser que l'alliage binaire InP. <br /><br />Le couplage latéral de boites quantiques est étudié à la fois expérimentalement et théoriquement dans le chapitre 3. Lorsque l'alliage quaternaire InGaAsP est utilisé avec des conditions de croissance optimisées, une très haute densité de boites quantiques peut être obtenue, avec une bonne organisation de ces boites dans le plan de croissance. Une nouvelle méthode de calcul dans l'espace réciproque a été développée afin de simuler un tel super-réseau de boites quantiques. Ces calculs prédisent qu'il peut exister un couplage latéral entre ces boites quantiques pour de si fortes densités. Des expériences de magnéto-photoluminescence, de photoluminescence et d'électroluminescence sont utilisées afin de mettre en évidence ce couplage latéral. L'influence de ce couplage sur la redistribution des porteurs de charge dans les composants laser est discutée. Il est montré qu'un régime de couplage judicieusement choisi permet d'améliorer les performances des lasers à boite quantique.<br /><br />Finalement, des expériences pompe-sonde sur les boites quantiques InAs/InP sont présentées dans le chapitre 4. Les temps de vie radiatifs des niveaux d'énergie de boites quantiques sont mesurées. Une interprétation de ces mesures est donnée en terme de durée de vie de l'exciton et du biexciton dans nos boites quantiques, et les conséquences de ces mesures sur le comportement dynamique des composants lasers à base de boites quantiques sont discutées.<br /><br />Des conclusions et des perspectives à ce travail de thèse sont enfin présentées, ainsi que la bibliographie utilisée comme support et point de départ de ce travail de thèse.

La mise au point d'une technique de spectroscopie avec une très haute résolution spatiale (environ 250 nm) nous a permis d'étudier les propriétés optiques de boîtes quantiques uniques de semiconducteurs II-VI. L'analyse de la dépendance en température des raies d'émission de boîtes uniques a permis de mettre en évidence et de modéliser le mécanisme d'élargissement des transitions optiques par le couplage de l'état discret de l'exciton avec le continuum des états de phonons acoustiques. L'influence de l'interaction d'échange électron-trou sur la structure d'un exciton confiné est analysée en détail. L'interaction d'échange longue portée, combinée à l'anisotropie du potentiel de confinement, conduit à un dédoublement du niveau radiatif de l'exciton qui émet alors en polarisation linéaire suivant deux directions orthogonales. L'accumulation des porteurs dans une boîte quantique conduit à la formation de complexes excitoniques. Une étude détaillée des transitions optiques associées au biexciton est présentée. On montre que la structure fine et les propriétés de polarisation du biexciton sont imposées par l'exciton dans l'état intermédiaire de la recombinaison. Dans des structures dopées par modulation, la recombinaison d'un exciton chargé négativement est identifiée dans les spectres de micro-luminescence. L'analyse détaillée de fluctuations de l'énergie d'émission de l'exciton, du biexciton et de l'exciton chargé, liées à la présence d'un champ électrique local fluctuant, nous a permis de mettre en évidence une forte diminution de l'énergie de liaison des complexes excitoniques avec l'augmentation du champ électrique. Enfin, une étude des états excités dans des boîtes uniques a été entreprise. Les expériences d'excitation de la luminescence permettent d'observer directement la présence d'états excités dans certaines boîtes. Sous forte puissance d'excitation, une émission à partir de ces états excités est observée; elle correspond à la recombinaison de multi-excitons.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de boites quantiques anisotropes de (Cd,Mn)Te insérées dans des nanofils de ZnTe. Les boites quantiques étudiées contenant 10% de Mn sont allongées suivant l’axe du fil ce qui tend à favoriser un état fondamental à trou léger ayant une susceptibilité de spin perpendiculaire à l’axe du fil. L’objectif principal de la thèse est l’étude de la formation du Polaron Magnétique dans ces boites et la détermination de leur anisotropie magnétique.Nous avons étudié en premier les propriétés optiques de nanofils de ZnTe et de nanofils coeurs-coquilles ZnTe/(Zn,Mg)Te. Ces études nous ont amené à modéliser les contraintes élastiques dans le cœur, dans la coquille et dans des boites allongées insérées dans les nanofils. Ce modèle nous a permis d’estimer les splittings entre les niveaux de trou lourd et de trou léger dans la boite et dans le fil.Nous avons étudié ensuite des nanofils contenant des boites magnétiques et non magnétiques par spectroscopie magnéto-optique. Dans les boites magnétiques, les interactions d’exchange entre les porteurs localisés et les spins de Mn induisent un très fort décalage Zeeman de la raie excitonique (Effet Zeeman Géant). Pour extraire des paramètres quantitatifs, nous avons combiné différentes techniques expérimentales sur le même nanofil (photo et cathodoluminescence, analyse dispersive en énergie du rayonnement X). Nous avons utilisé différentes orientations du champ magnétique pour déterminer l’anisotropie du trou dans la boite. Les valeurs expérimentales sont plus petites que les valeurs théoriques ce qui suggère un mauvais confinement du trou dans la boite.Afin d’obtenir un meilleur confinement du trou, nous avons étudié des boites de (Cd,Mn)Te entourées d’une coquille de (Zn,Mg)Te. Grace au meilleur confinement du trou, nous avons réussi à observer la formation du Polaron Magnétique excitonique. Des mesures de photoluminescence résolues en temps sur des nanofils uniques nous ont permis d’extraire l’énergie et le temps de formation du Polaron Magnétique entre 5K et 50K. La raie d’émission des boites présente un effet Zeeman géant inhabituel caractéristique d’un Polaron Magnétique à trou léger. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la formation du Polaron Magnétique excitonique dans les boites quantiques. Ce model, basé sur l’énergie libre et valable pour des températures et des champs magnétiques arbitraires, a été utilisé pour rendre compte de l’ensemble des données expérimentales. Ce modèle a permis de déterminer les paramètres caractéristiques du polaron magnétique à trou léger (énergie, orientation and amplitude du moment magnétique, volume d’échange, anisotropie du trou). / In this PhD work we study the optical properties of anisotropic (Cd,Mn)Te magnetic quantum dots inserted in ZnTe nanowires. The quantum dots containing typically 10% of Mn spins are elongated along the nanowire axis which tend to stabilize a light hole ground state with a spin susceptibility perpendicular to the nanowire axis. The main goal was to study the formation of exciton Magnetic Polarons in such quantum dots and to determine their magnetic anisotropy.We investigate first the optical properties of ZnTe and ZnTe/(Zn,Mg)Te core shell nanowires. We model the elastic strain profile in core-shell nanowires and in elongated quantum dots. From the strain profiles, we estimate the value of the light hole heavy hole splitting expected in the dot and in the nanowire.In a second step we study single nanowires containing magnetic and non magnetic quantum dots by magneto-optical spectroscopy. The exchange interactions between confined carriers and Mn spins induce a large Zeeman shift of the exciton line (Giant Zeeman Effect). To extract quantitative parameters, we combine different experimental techniques (photo and cathodoluminescence, energy dispersive X ray spectroscopy) on the same nanowire. We use also different magnetic field orientations in order to determine the hole anisotropy in the dot. The experimental values are smaller than the theoretical ones suggesting a weak confinement of the holes in the dot due to a small (Cd,Mn)Te/ZnTe valence band offset.In a third step we study nanowires containing (Cd,Mn)Te quantum dots surrounded by a (Zn,Mg)Te alloy. Thanks to the better hole confinement induced by the (Zn,Mg)Te alloy, the formation of exciton magnetic polarons can be observed. We perform time resolved photoluminescence studies on single nanowires in order to determine the energy and the formation time of magnetic polarons from 5K to 50K. The quantum dot emission line shows an unusual Zeeman shift, characteristic of a light hole magnetic polaron. We develop a theoretical model describing the formation of exciton magnetic polaron in quantum dots. We use this model, based on the free energy and valid for any temperature and magnetic field, to fit the whole set of experimental data. It allows us to determine the characteristic parameters of the light hole magnetic polarons (energy, orientation and magnitude of the magnetic moment, exchange volume, hole anisotropy).

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la croissance de boîtes quantiques par formation de nano-trous in-situ par « droplet-etching » ainsi qu’à la fabrication et caractérisation de dispositifs basés sur ces nanostructures. La thèse comporte sept chapitres. Le premier chapitre est une introduction au sujet et les méthodes expérimentales sont présentées dans le second chapitre. Les méthodes de fabrication ainsi que les résultats expérimentaux obtenus sont discutés dans le troisième chapitre.Nous montrons que l’utilisation in-situ de la méthode de droplet-etching permet de modifier localement l’épaisseur d’un puits quantique à modulation de dopage et créer des boîtes quantiques dans le puits où existe un gaz bidimensionnel d’électrons. Ces nanostructures constituent des diodes n-i Schottky que nous avons étudié. Les effets de ces boîtes quantiques non-contraintes et les fluctuations d’épaisseur à l’échelle nanométrique du puits quantique sur la mobilité du gaz bidimensionnel d’électrons sont discutés dans le quatrième chapitre et cinquième. Le sixième chapitre présente la fabrication d’une jonction p-n latérale basée sur l’échantillon de puits quantique avec des boîtes. Nous discutons les différentes étapes de fabrication et analysons leur influence sur le dispositif, ainsi que leurs propriétés optiques. En particulier, nous démontrons l’électroluminescence d’une boîte unique localisée dans une jonction p-n latérale. Finalement, le dernier chapitre conclue ce travail et en présente les perspectives. / In this thesis the formation of quantum dots (QD) via in-situ droplet nanohole etching, the fabrication and characterization of devices based on these nanostructures is described. The thesis consists of seven chapters. In the first chapter an introduction is given to present the topic to the reader. In the second chapter the experimental methods are presented. In the third chapter, the fabrication method is described and the experimental results obtained in this project are discussed. It will be shown the use of in-situ droplet etching to locally modify the thickness of a modulation doped quantum well, to create QDs embedded in a quantum well(QW) where a two dimensional electorn gas (2DEG) is confined by modulation doping and the embedding of these nanostructures in a n-i-Schottky diode. The effect of these strain-free dots, and the related nanoscale thickness fluctuations of the quantum well, on the 2DEG mobility are discussed in the fourth and in particular in the fifth chapter. In the sixth chapter, the fabrication of a lateral p-n junction based on the QW sample with embedded QD is presented. Following describing the fabrication stages and analysing the influence of each stage on the device, the optical properties of the junction will be discussed. In particular, it will be shown the electroluminescence of a single dot located at lateral the p-n junction. Finally, in the last chapter the conclusion of this work and the future projects are presented.

Cette thèse étudie l'ingénierie, à partir de boites quantiques uniques (BQ), de sources déterministes de paires de photons intriqués selon deux procédés: l'intrication en polarisation lors de la cascade radiative du bi-exciton, et l'intrication temporelle de deux photons indiscernables. Le degré d'intrication est calculé afin d'évaluer quantitativement l'impact de: la levée de dégénérescence de l'exciton (splitting), le renversement de spin, l'interaction de l'exciton avec son environnement. Dans les deux cas l'intrication peut être restaurée en accélérant la durée de vie radiative de l'exciton par effet Purcell. Pour cela, un moyen approprié est une cavité à cristal photonique gravée dans une membrane suspendue (CP2D) contenant la BQ, qui permet aussi une augmentation de l'efficacité de collection. Les requis technologiques d'alignement de la BQ avec la cavité sont aussi étudiés. Cependant les effets de cavité sont insuffisants pour corriger le splitting, qui peut être réduit avec un champ électrique variable vertical. Ceci a été vérifié expérimentalement en développant une technologie pour produire des diodes PIN compatibles avec les CP2D.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude structurale (taille, déformation, composition) de boîtes quantiques GaN/AlN, par spectroscopie X en condition de diffraction et par diffraction et diffusion anomale des rayons X. Ces travaux sont appuyés par des analyses par diffraction des électrons rapides en réflexion (RHEED), par microscopies électronique en transmission (TEM) et à force atomique (AFM), et par diffusion des ions de moyenne énergie (MEIS).<br />La mesure des structures fines en conditions de diffraction (spectroscopie X en condition de diffraction) et de la diffraction anomale, dans une géométrie en incidence rasante indispensable pour l'étude de nanoobjets, à nécessité des développements expérimentaux spécifiques. Conjointement, un effort particulier a été porté sur la prise en compte des effets dynamiques associés à l'utilisation d'une incidence rasante, dans l'analyse quantitative des résultats. En outre, les résultats ont été confrontés à des simulations des diagrammes de diffraction, des structures fines en condition de diffraction et de la diffraction anomale, sur la base de simulations des champs de déformations dans les boîtes quantiques.<br />L'encapsulation de boîtes quantiques GaN (0001) par AlN, susceptible de modifier les propriétés structurales et donc optoélectroniques des boîtes, a été étudié, in situ pendant la croissance et ex situ, par diffraction anomale et spectroscopie X en condition de diffraction ou d'absorption, par TEM et AFM. Ces mesures ont permis de proposer un mécanisme d'encapsulation original, et de mettre en évidence l'évolution des propriétés structurales des boîtes pendant l'encapsulation. L'empilement de plans de boîtes quantiques, et les effets de corrélations verticale de la position des boîtes associés, ont par ailleurs été étudié in situ, par diffraction anomale et diffusion aux petits angles en incidence rasante. Par RHEED, une étude préliminaire structurale du mûrissement des boîtes quantiques GaN (0001) a été entreprise. Enfin, AFM, TEM et MEIS ont permis d'analyser les propriétés structurales et optoélectroniques de boîtes quantiques GaN (11-20) auto-organisées.