Ce travail a pour objectif d'étudier différentes voies susceptibles de conduire à un dopage reproductible de type n du diamant avec de bonnes propriétés électriques et cristallines. La première fut l'étude de couches homoépitaxiées de diamant dopé phosphore avec la mise en oeuvre d'une ligne de dopage issue de la technologie MOCVD sur notre bâti de croissance MPCVD. Cette ligne utilise un précurseur liquide stocké dans un bulleur. Le précurseur choisi a été la tertiarybutylphosphine, composé organique du phosphore. Une étude concernant l'influence de la température sur la croissance de films homoépitaxiés sur substrats orientés (111) a permis de montrer que, pour notre bâti, il existe un maximum d'incorporation en phosphore à 890°C et que, dans la gamme de températures [850-930°C], nos couches dopées au phosphore possèdent des propriétés électroniques à l'état de l'art sur le plan international : mobilités électroniques de 350 cm2/Vs pour [P]= 6x1017 cm-3. Nous avons établi pour la première fois la relation permettant de quantifier la concentration de phosphore à partir de l'intensité des excitons détectés par cathodoluminescence.<br />Nous avons montré qu'un recuit sous vide à des températures autour de 900-1000°C de couches dopées phosphore fortement compensées entraîne une augmentation de la concentration d'électrons libres. Notre modèle propose la migration de défauts compensateurs X- suivie de la création de complexes inactifs (P,X). En supposant que la cinétique de formation des complexes (P,X) suit une loi du 1er ordre, nous avons conclu que l'énergie de migration de cette espèce compensatrice est de 3.1 eV. Nous avons émis l'hypothèse que ce défaut est l'hydrogène incorporé pendant la croissance.<br />Enfin, nous avons prolongé notre étude sur la conversion en type n de couches dopées bore suite à une deutération. Ce procédé permet d'obtenir des couches de conductivité électrique largement supérieure (facteur 1000 à 100000) à celle des meilleures couches de diamant de type n dopées au phosphore. Nous avons montré que l'effet de conversion est très probablement un effet de volume et que le mécanisme d'apparition de la conversion se fait en deux étapes : passivation des bore sur toute l'épaisseur de la couche puis création d'un excès de deutérium qui déclenche la conductivité de type n. La conversion n'est pas réalisée de façon homogène. Il sera donc nécessaire dans le futur d'établir quelles sont les caractéristiques des zones qui sont converties.

Le germanium dopé n et contraint en tension est un candidat potentiel pour démontrer un laser sur silicium compatible avec un environnement CMOS. Dans ce travail de thèse, j’ai d’abord développé un formalisme qui permet de calculer le gain optique en fonction de la déformation en tension, du dopage n et de l’injection des porteurs. Une technique de transfert de déformation via le dépôt de couche contrainte de SiN a été optimisée. J’ai réalisé plusieurs types de cavités germanium contraintes sous forme de guides d’onde et de microdisques. Le transfert de déformation a été optimisé par sous-gravure et par une méthode de bi-encapsulation qui a permis d’aboutir à une déformation biaxiale homogène et élevée de l’ordre de 1.5%. L’évaluation des déformations a été confrontée à des simulations par éléments finis, photoluminescence et spectroscopie Raman. L’étude expérimentale et théorique des guides d’onde a montré l’avantage de la direction <100> par rapport à la direction <110> permettant une injection plus efficace de porteurs en centre de zone. L’étude expérimentale des microdisques a permis d’observer des modes de galerie avec un facteur de qualité Q = 1540 à λ = 1940 nm. D’autre part, j’ai mis en évidence par photoluminescence la présence d’un fort dopage de 4×10¹⁹ cm⁻³ dans des couches germanium sur silicium épitaxiées par épitaxie par jets moléculaires utilisant une technique de co-dopage. Une modélisation du gain modal a permis de mettre en exergue l’effet du gradient de déformation dans le volume de la cavité. L’élargissement homogène a été introduit dans la modélisation du gain optique afin de prendre en compte l’impact d’un dopage élevé. / Tensile strained and n-doped germanium is a potential candidate to demonstrate a laser on silicon in a CMOS-compatible environment. In this thesis, I developed a formalism to calculate the optical gain as a function of tensile strain, n-doping and carrier injection. A tensile strain transfer technique via strained SiN layer deposition has been optimized. I realized several types of strained germanium cavities. Tensile strain transfer was optimized by under-etching and a bi-encapsulation technique which allowed to achieve a high and uniform biaxial strain up to 1.5%. The evaluation of strain level was faced with finite elements modeling, photoluminescence and Raman spectroscopy. The experimental and theoretical study of the waveguides showed the advantage of the <100> direction as compared with the <110> direction for more efficient carrier injection at zone center. The experimental study of microdisks allowed us to observe gallery modes with quality factor up to Q = 1540 at λ= 1940 nm. On the other hand, photoluminescence enhancement has shown the presence of a heavy doping of 4×10¹⁹ cm⁻³ in germanium on silicon layers grown by molecular beam epitaxy and using a co-doping technique. Modeling the modal gain helped to emphasize the effect of the strain gradient in the cavity volume. The homogeneous broadening was introduced in the optical gain modeling to take into account the impact of a high doping.

Ce travail se concentre sur l'ingénierie Intersubband (ISB) des nanofils où nous avons conçu des hétérostructures de GaN / (Al, Ga) N intégrées dans un nanofil GaN pour le rendre optiquement actif dans la région spectrale infrarouge (IR), en utilisant un faisceau moléculaire assisté par plasma épitaxie comme méthode de synthèse. Les transitions ISB se réfèrent aux transitions d'énergie entre les niveaux confinés quantiques dans la bande de conduction de la nanostructure.Un contrôle précis des niveaux élevés de dopage est crucial pour les dispositifs ISB. Par conséquent, nous explorons Ge comme un dopant alternatif pour GaN et AlGaN, pour remplacer le Si couramment utilisé. Nous avons cultivé des couches minces de GaN dopé Ge avec des concentrations de porteurs atteignant 6,7 × 1020 cm-3 à 300 K, bien au-delà de la densité de Mott, et nous avons obtenu des couches minces conductrices AlxGa1-xN dopées Ge avec une fraction molaire Al jusqu'à x = 0,64. Dans le cas de GaN, la présence de Ge n'affecte pas la cinétique de croissance ou les propriétés structurales des échantillons. Cependant, dans des échantillons AlxGa1-xN dopés par Ge avec x> 0,4, la formation de grappes riches en Ge a été observée, avec une baisse de la concentration du porteur.Ensuite, nous avons réalisé une étude comparative du dopage Si vs Ge dans des hétérostructures GaN / AlN pour des dispositifs ISB dans la gamme IR à courte longueur d'onde. Nous considérons les architectures planaire et nanofils avec des niveaux de dopage et des dimensions de puits identiques. Sur la base de cette étude, nous pouvons conclure que les deux Si et Ge sont des dopants appropriés pour la fabrication d'hétérostructures GaN / AlN pour l'étude des phénomènes optoélectroniques ISB, à la fois dans les hétérostructures planaires et nanofils. Dans cette étude, nous rapportons la première observation de l'absorption d'ISB dans des puits quantiques GaN / AlN dopés au Ge et dans des hétérostructures de nanofils GaN / AlN dopés au Si. Dans le cas des nanofils, nous avons obtenu une largeur de ligne d'absorption ISB record de l'ordre de 200 meV. Cependant, cette valeur est encore plus grande que celle observée dans les structures planaires, en raison des inhomogénéités associées au processus de croissance auto-assemblé.En essayant de réduire les inhomogénéités tout en gardant les avantages de la géométrie des nanofils, nous présentons également une analyse systématique de l'absorption de l'ISB dans les micro et nanopillars résultant d'un traitement top-down des hétérostructures planaires GaN / AlN. Nous montrons que lorsque l'espacement du réseau de piliers est comparable aux longueurs d'onde sondées, les résonances des cristaux photoniques dominent les spectres d'absorption. Cependant, lorsque ces résonances sont à des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que l'absorption ISB, l'absorption est clairement observée, sans aucune dégradation de son amplitude ou de sa largeur de raie.Nous explorons également la possibilité d'étendre cette technologie de nanofils à des longueurs d'onde plus longues, pour les absorber dans la région IR à mi-longueur d'onde. En utilisant des hétérostructures de nanofils GaN / AlN, nous avons fait varier la largeur du puits GaN de 1,5 à 5,7 nm, ce qui a conduit à un décalage rouge de l'absorption ISB de 1,4 à 3,4 μm. Remplaçant les barrières AlN par Al0.4Ga0.6N, le composé ternaire représente une réduction de la polarisation, ce qui conduit à un nouveau décalage rouge des transitions ISB à 4,5-6,4 um.L'observation de l'absorption de l'ISB dans des ensembles de nanofils nous a motivés pour le développement d'un photodétecteur infrarouge à puits quantiques à base de nanofils. La première démonstration d'un tel dispositif, incorporant une hétérostructure de nanofils GaN / AlN qui absorbe à 1,55 μm, est présentée dans ce manuscrit. / Due to its novel properties nanowires have emerged as promising building blocks for various advanced device applications. This work focuses on Intersubband (ISB) engineering of nanowires where we custom design GaN/(Al,Ga)N heterostructures to be inserted in a GaN nanowire to render it optically active in the infrared (IR) spectral region. ISB transitions refer to energy transitions between quantum confined levels in the conduction band of the nanostructure. All the structures analised in this thesis were synthesized by plasma-assisted molecular beam epitaxy.Precise control of high doping levels is crucial for ISB devices. Therefore, we explored Ge as an alternative dopant for GaN and AlGaN, to replace commonly-used Si. We grew Ge-doped GaN thin films with carrier concentrations of up to 6.7 × 1020 cm−3 at 300 K, well beyond the Mott density, and we obtained conductive Ge-doped AlxGa1-xN thin films with an Al mole fraction up to x = 0.66. In the case of GaN, the presence of Ge does not affect the growth kinetics or structural properties of the samples. However, in Ge doped AlxGa1-xN samples with x > 0.4 the formation of Ge rich clusters was observed, together with a drop in the carrier concentration.Then, we performed a comparative study of Si vs. Ge doping in GaN/AlN heterostructures for ISB devices in the short-wavelength IR range. We considered both planar and nanowire architectures with identical doping levels and well dimensions. Based on this study, we concluded that both Si and Ge are suitable dopants for the fabrication of GaN/AlN heterostructures for the study of ISB optoelectronic phenomena, both in planar and nanowire heterostructures. Within this study, we reported the first observation of ISB absorption in Ge-doped GaN/AlN quantum wells and in Si-doped GaN/AlN nanowire heterostructures. In the case of nanowires, we obtained a record ISB absorption linewidth in the order of 200 meV. However, this value is still larger than that observed in planar structures, due to the inhomogeneities associated to the self-assembled growth process.Trying to reduce the inhomogeneities while keeping the advantages of the nanowire geometry, we also presented a systematic analysis of ISB absorption in micro- and nanopillars resulting from top-down processing GaN/AlN planar heterostructures. We showed that, when the spacing of the pillar array is comparable to the probed wavelengths, photonic crystal resonances dominate the absorption spectra. However, when these resonances are at much shorter wavelengths than the ISB absorption, the absorption is clearly observed, without any degradation of its magnitude or linewidth.We also explore the possibility to extend this nanowire technology towards longer wavelengths, to absorb in the mid-wavelength IR region. Using GaN/AlN nanowire heterostructures, we varied the GaN well width from 1.5 to 5.7 nm, which led to a red shift of the ISB absorption from 1.4 to 3.4 µm. Replacing the AlN barriers by Al0.4Ga0.6N, the reduction of polarization led to a further red shift of the ISB transitions to 4.5-6.4 µm.The observation of ISB absorption in nanowire ensembles motivated us for the development of a nanowire-based quantum well infrared photodetector (NW-QWIP). The first demonstration of such a device, incorporating a GaN/AlN nanowire heterostructure that absorbs at 1.55 µm, is presented in this manuscript.

L'équipe micro-capteurs de l'IM2NP développe des capteursde gaz dont le principe de détection est basé sur la mesure de la variationde la conductance en présence de gaz. Le matériau utilisé comme élémentsensible est l'oxyde de tungstène (WO3) en couches minces. L'objet de cettethèse est donc d'étudier la surface de WO3 dans sa reconstruction c(2x2),obtenue par clivage selon la direction [001]. Cette étude a été également suivied'une étude des lacunes par des calculs ab initio basés sur la DFT, dans lesdeux approximations LDA et GGA. Ensuite, l'dsorption de molécules de gazsimples (O3, COx, NOx) sur des surfaces plus ou moins riches en oxygènea été effectuée. Pour simuler ces systèmes, nous avons fait le choix du codeSIESTA basé sur la DFT et qui présente l'avantage de pouvoir travailler. / The team of micro sensors at IM2NP mainly focuses onthe development of gas sensors based on measurement in conductancevariation in presence of gas. The material used as sensitive element istungsten oxide (WO3) thin film. The objective of present thesis is to studythe surface properties of WO3 in its reconstruction c(2x2), obtained bycleavage along the [001] direction. This study is also followed by a gapanalysis using ab initio calculations based on DFT in both LDA andGGA approximations. Then, the adsorption of molecules of simple gases((O3, COx NOx) for these surfaces (more or less rich in oxygen), is performed.To simulate these systems, we have chosen the SIESTA code based onDFT which is used for the larger number of atoms as compared to other codes.