Dans des hétérostructures semiconductrices à basse température, il est possible de réaliser des systèmes d'électrons purement bidimensionnels de densité électronique variable. A basse densité, la théorie prédit que les corrélations entre électrons dominent les fluctuations quantiques, conduisant à un état collectif tel le cristal de Wigner. Dans les systèmes réels, la présence de désordre rend la situation plus complexe : l'observation récente d'une transition métal-isolant, non prévue par les théories d'électrons indépendants, pose la question de la compétition entre les interactions et le désordre en dimension deux. Ce travail présente des mesures de transport en fonction du champ électrique, et des mesures de fluctuations de résistance, à très basse température dans des gaz bidimensionnels de trous formés dans des puits quantiques SiGe et GaAs. Dans ces systèmes, la masse effective élevée des porteurs et la faible densité permettent d'atteindre un régime pour lequel les interactions ne sont plus négligeables. Dans les échantillons désordonnés (SiGe), pour lesquels les lois de transport peuvent être expliquées dans le cadre de particules indépendantes, les effets de champ électrique sont dus au chauffage des porteurs. Par contre, dans les échantillons moins désordonnés (GaAs), les lois de transport en température et en champ électrique à très faible densité sont en accord avec l'existence d'une phase collective. Dans les échantillons GaAs, les mesures de fluctuations de résistance, ou bruit en 1/f, montrent l'existence d'une transition de phase à basse densité. Ces résultats sont compatibles avec les scénarios de formation d'une phase collective en présence de désordre par l'intermédiaire d'une transition de percolation.

Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d'un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d'hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l'influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d'électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l'optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d'étudier des guides d'onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d'autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dynamique subnanoseconde de charges<br />dans un conducteur quantique modèle : le circuit RC quantique. En appliquant des tensions<br />hyperfréquence sur une grille située au dessus d'une boîte quantique de taille submicronique,<br />on peut sonder la dynamique de transfert de charges de la boîte vers son réservoir. Dans<br />le régime linéaire, elle est caractérisée par une capacité quantique reliée à la densité d'états<br />de la boîte et une résistance de relaxation de charge constante et égale au demi quantum<br />de résistance h/2e^2 lorsqu'un seul mode de conduction est transmis du réservoir à la boîte. Je<br />me suis plus largement consacré à l'étude du régime non linéaire obtenu en appliquant des<br />tensions créneau d'amplitude comparable à l'énergie d'addition de la boîte (énergie nécessaire<br />pour ajouter une charge élémentaire). J'ai mis en évidence dans ce régime une quantification<br />du courant alternatif en unité de 2ef qui traduit l'émission et l'absorption par la boîte d'une<br />charge unique à chaque période du signal d'excitation. Ce dispositif fonctionne alors comme<br />une source d'électrons uniques analogue aux sources de photons uniques en optique. L'évolution<br />du temps d'émission de la charge par effet tunnel en fonction des différents paramètres<br />contrôlables (couplage de la boîte au réservoir, potentiel de la boîte ...) a été déterminée dans<br />une large gamme temporelle, de la centaine de picosecondes à la dizaine de nanosecondes. Ces<br />résultats sont en excellent accord avec un modèle théorique simple que j'ai développé durant<br />ma thèse. Ils ouvrent la voie à des expériences d'optique électronique à une seule particule.

L'objet de cette thèse est la caractérisation d'une source d'électrons uniques subnanoseconde réalisée à partir d'une boîte quantique dans un gaz bidimensionnel d'électrons. Nous avons tout d'abord mis en évidence la quantication du courant alternatif moyen en unités de 2ef, où f est la fréquence d'excitation de la source, lorsque la tension appliquée compense l'énergie d'addition de la boîte. Cette quantication correspond à l'injection d'un unique électron et d'un unique trou par période du signal excitateur, au début de chaque alternance. Le temps de sortie des charges, mesuré expérimentalement, est contrôlé par la transmission de la barrière tunnel entre la boîte et le réservoir. Nous avons ensuite construit un dispositif cryogénique original de mesure de bruit haute fréquence extrêmement sensible et très stable, qui nous a permis de mesurer le bruit de la source d'électrons uniques. Nos résultats sont en très bon accord avec deux modèles théoriques que nous avons développés. Le premier est un modèle de diusion que nous avons adapté à l'étude de notre source, permettant l'étude numérique du bruit en fonction d'un grand nombre de paramètres. Le second est un modèle heuristique simple, permettant de mieux comprendre les origines physiques du bruit observé. Nous avons ainsi identié un régime de bruit de grenaille, lorsque la charge émise par demi-période est très petite devant 1. À l'inverse, lorsque la charge émise par demi-période est proche de 1, le modèle prédit un régime de bruit de phase correspondant à l'incertitude quantique sur l'instant de sortie des charges. L'accord observé avec les mesures conrme l'émission de charges uniques par notre source dans certains régimes. Celle-ci sera ensuite utilisée pour réaliser des expériences similaires à celles de l'optique quantique avec des électrons uniques.

L'émergence d'une une nouvelle classe de matériaux, des isolants topologiques, a stimulé un vaste champ de recherche. Bismuth, un élément du groupe V du tableau périodique, est un des ingrédients clé d'une famille d'isolants topologiques. Pour des applications dans la technologie des composants électroniques, il est essentiel de maîtriser la préparation des matériaux en couches minces. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la croissance et la structure électronique de bismuth sur les surfaces (100) et (111) de semi-conducteur III-V InAs.Déposition de Bi sur la surface InAs(100) résulte en une auto-organisation de Bi qui forme des lignes de taille atomique. On montre que le bismuth interagit extrêmement faiblement avec la surface car la structure d'origine de la surface propre de l'InA(100) reste intacte. L'étude de la bande valence montre la présence d'états résonants fortement dépendants de l'énergie de photons et de la polarisation de la lumière, en cohérence avec la structure quasi unidimensionnelle de la surface.La spécificité de la surface InAs(111) est qu'elle a deux terminaisons différentes: par In, (face A) et par As, (face B). Les deux faces présentent des reconstructions différentes. Par la photoémission des niveaux de coeur nous avons montré une différence de réactivité chimique entre les faces A et B. La croissance de Bi sur la face A résulte en un monocristal de haute qualité pour les films à partir de 10 monocouches. Par contre, lors du dépôt de premières couches, la face B montre une croissance en îlots et un bon monocristal est obtenu seulement pour des films d'au moins de 50 monocouches.Pour la même face, A ou B, nous avons observé des différences de croissance plus subtiles entre les surfaces préparées soit par le bombardement ionique et des recuits soit par l'épitaxie par jets moléculaires.La photoémission résolue en angle a permit de caractériser la dispersion des bandes dans les films de Bi. La dispersion est tout à fait comparable au cristal massif de Bi. La dernière étape consistait à étudier la structure électronique d'un monocristal de Sb déposé sur le film de Bi.Les surfaces propres de InAs(111)A et InAs(111)B présentent une courbure de bande qui résulte en formation d'une couche d'accumulation d'électrons. En déposant le Bi sur ces surfaces, la couche d'accumulation est préservée, elle est même amplifié, car Bi agit comme le donneur dans l'InAs.La couche d'accumulation se traduit par un confinement quantique des électrons, mesurable par la photoémission résolue en angle.Mots clés :Structure électronique de surface, ARPES, semimétal, courbure de bande, Gaz-2D, Bismuth, Sb, InAs(111)A, InAs(111)B, puits quantique, surface Fermi, couches minces. / A new class of material is coming up, Topological Insulators, have opened a wide field of research. Bismuth, an element of group V of periodic table, is one of the key ingredient of this Topological Insulators family. With the aim of improving technological applications, especially the electronic compounds, it is of most importance to control the preparation of thin films materials. Within this Phd work, we studied the growth and Bismuth electronic structure on (100) and (111) semiconductor III-V InAs surfaces.Bi deposition on InAs(100) surface result of a Bi self-assembly which forms lines at atomic scale. We show Bi interact extremely weakly with the surface because the beginning structure of clean InAs(100) surface stay unharmed. The study of valence band sheds light on the existence of resonant states strongly photon energy dependent and also depend on the light polarization, consistent with almost one dimensional structure surface.InAs(111) surface specific feature is that it has both surface ending different : In ending, (face A) and As ending, (face B). The both faces pointed out distinguishable reconstructions. By the core-level photoemission we identified a chemical reactivity difference taking place between A and B faces. Bi growth on A-face tend to be a high quality monocrystal for those films from a thickness of 10 monolayers. On the other hand, during the deposition of first layers, the B-face show an island growth and a good monocrystal is obtained only available for films with 50 monolayers at least.For the same face, A or B, we have seen some growth discrepancies more subtle between prepared surfaces either by ionic bombardment and annealing (IBA) either by molecular beam epitaxy (MBE).The angular resolved photoemission allowed to identify the band dispersion inside of this Bi films. The dispersion is absolutely relative to the bulk Bi crystal. The final step involved the study of Sb monocrystal electronic structure deposited onto Bi film.Clean InAs(111)A and InAs(111)B surfaces indicate a band bending which result in the accumulation electron charge formation. With depositing Bi onto these surfaces, the accumulation layer would be kept, it is also increased, given that Bi acts as a donor-like in InAs. The accumulation layer is characterized by an electron quantum confinement, measurable by angle resolved photoemission.Keywords:Electronic structure surface, ARPES, semimetal, band bending effect, 2DEG, Bismuth, Sb, InAs(111)A, InAs(111)B, quatum wells, Fermi surface, thin films.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de dispositifs à base de puits quantiques semiconducteurs, fonctionnant dans les régimes de couplage fort et ultra-fort entre un mode de cavité et une excitation inter-sous-bande. Les états mixtes issus de ce couplage sont appelés polaritons inter-sous-bandes. Dans la première partie de la thèse, nous démontrons un dispositif électroluminescent dans lequel la branche polaritonique supérieure est peuplée à une énergie qui dépend de la tension appliquée au dispositif. De plus, nous mettons en évidence la relaxation des polaritons vers la branche inférieure par émission d'un phonon optique. Ce processus efficace permet d'atteindre un facteur d'occupation de la branche inférieure de l'ordre de 15%, et pourrait permettre d'obtenir de l'émission stimulée de polaritons. En augmentant la densité d'électrons dans le puits il est possible d'accéder au régime de couplage ultra-fort, caractérisé par une énergie de Rabi comparable avec celle de la transition inter-sous-bande. Pour cela la deuxième partie de la thèse est centrée sur l'étude de puits quantiques très dopés, avec plusieurs sous-bandes occupées. Plus particulièrement, nous réalisons une investigation théorique et expérimentale des interactions coulombiennes entre les plasmons inter-sous-bandes associés aux différentes transitions optiquement actives. Nous présentons un dispositif basé sur un puits quantique avec deux sous-bandes occupées, dans lequel une tension de grille contrôle la densité d'électrons dans le puits, ce qui modifie l'interaction entre les plasmons et donc la réponse optique. Pour des densités élevées, les forces d'oscillateur sont redistribuées en faveur de l'excitation de plus haute énergie. En vertu de ce phénomène, nous démontrons que la réponse optique d'un puits quantique ayant au moins trois sous-bandes occupées exhibe une unique résonance étroite, qui correspond à une excitation collective associant en phase toutes les transitions inter-sous-bandes. Cette excitation collective est observée en absorption et en électroluminescence. Lorsqu'on l'insère dans une microcavité, on atteint le régime de couplage ultra-fort avec une énergie de Rabi qui croît de façon monotone avec la densité d'électrons. Ce régime est démontré expérimentalement dans deux géométries de microcavité : planaire et zéro-dimensionnelle. Nos travaux montrent que l'interaction entre la lumière et la matière dans les puits quantiques dopés doit être pensée comme un processus purement collectif, régi par les phénomènes de cohérence induite par la charge.

L'étude des symétries d'un système peut en révéler de nombreuses propriétés physiques. La brisure, spontanée ou non, d'une de ces symétries implique alors d'importantes conséquences sur le comportement du système. On le voit dans la description actuelle de la physique des particules, avec notamment la création de la masse, ou dans la physique des solides, domaine de cette thèse, avec l'apparition de phases aux propriétés diverses, comme le magnétisme ou la supraconductivité. Le présent travail étudie par spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) les effets d'une brisure de symétrie dans deux systèmes différents : le système de fermions lourds URu2Si2 et l'oxyde de métal de transition (TMO) KTaO3. Le cristal d'URu2Si2 passe d'une phase paramagnétique pour T>THO, sujette à la cohérence de Kondo, vers la phase dite d'ordre caché pour T

L'étude des symétries d'un système peut en révéler de nombreuses propriétés physiques. La brisure, spontanée ou non, d'une de ces symétries implique alors d'importantes conséquences sur le comportement du système. On le voit dans la description actuelle de la physique des particules, avec notamment la création de la masse, ou dans la physique des solides, domaine de cette thèse, avec l'apparition de phases aux propriétés diverses, comme le magnétisme ou la supraconductivité. Le présent travail étudie par spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) les effets d'une brisure de symétrie dans deux systèmes différents : le système de fermions lourds URu2Si2 et l'oxyde de métal de transition (TMO) KTaO3. Le cristal d'URu2Si2 passe d'une phase paramagnétique pour T>THO, sujette à la cohérence de Kondo, vers la phase dite d'ordre caché pour T

Le travail de thèse effectué porte sur la caractérisation électrique et la modélisation du gaz d’électrons à deux dimensions (2D) dans les dispositifs MOS-HEMT à base de l’hétérojonction AlGaN/AlN/GaN. Ces dispositifs ont un fort potentiel pour les applications d'électronique de puissance. Ce travail de recherche se place en soutien aux efforts de recherche pour l’élaboration des épitaxies GaN sur Si et pour les filières technologiques HEMT sur GaN. Il s'agit de comprendre précisément le fonctionnement du gaz d'électrons 2D et ses propriétés de transport électronique. Une nouvelle méthodologie a été développée pour identifier le dopage résiduel de la couche GaN, lequel est un paramètre important des substrats GaN et était par ailleurs difficile à évaluer. Un deuxième axe de recherche a consisté à proposer des techniques de mesure fiables ainsi qu’une modélisation des propriétés de transport du gaz d'électrons 2D. Dans ce cadre, des mesures split-CV et effet Hall ont été réalisées en fournissant pour chacune d’elles un protocole expérimental adéquat, avec un montage innovant pour les mesures effet Hall. Ce travail expérimental a été enrichi par une modélisation des propriétés du transport du 2DEG basée sur le formalisme de Kubo-Greenwood. Enfin, dans un dernier axe de recherche, un aspect plus général visant la compréhension en profondeur de l’électrostatique de l’empilement de la grille de nos GaN-MOS-HEMT a été proposé. Il est basé sur la caractérisation électrique C-V, la modélisation et l’extraction des paramètres. Le modèle développé a permis de souligner l'impact des charges surfaciques de polarisation et des défauts sur la tension de seuil des MOS-HEMT. Ce modèle a également permis d’estimer une valeur de la déformation dans les couches GaN épitaxiées sur un substrat Silicium. / This thesis aims at studying the electrical characterization and modelling of two-dimensional (2D) electron gas in MOS-HEMT devices based on the hetero-junction AlGaN/AlN/GaN. These devices are very promising candidates for power electronics applications. This research work provides the production team with detailed data on phenomena affecting GaN material. The goal is to understand precisely how 2D electron gas works and evaluate its electronic transport properties. A new methodology has been developed to identify residual doping of the GaN layer. This method was developed in order to answer a real need to know this doping to determine the quality of the epitaxial GaN layer. The second research priority was to provide reliable measurement techniques and modelling of the transport properties of 2D electron gas. Within this framework, the split-CV and Hall effect measurements were carried out by providing for each of them a suitable experimental protocol, with an innovative set-up for Hall effect measurements. In addition, this experimental work was supported by modelling the transport properties of 2DEG based on Kubo-Greenwood's formalism. Finally, a more general aspect aimed at an in-depth understanding of the electrostatic stacking of the GaN-MOS-HEMT gate. It is based on C-V electrical characterization, modelling and parameter extraction. The model developed made it possible to highlight the impact of polarization surface charges and defects on the threshold voltage of MOS-HEMT. This model also contributed to the estimation of the value of deformation in epitaxial GaN layers on a Silicon substrate.

Ce travail porte sur la description théorique de la microscopie à grille locale (SGM) et sur la résolution de modèles particuliers de contacts quantiques (QPC), analytiquement et numériquement. SGM est une technique expérimentale, qui mesure la conductance d'une nanostructure, lorsqu'une pointe de microscope a force atomique chargée balaye la surface, sans contacter cette dernière. Les images de SGM révèlent de nombreuses traits intéressants, tels que des lobes, des branches, des franges d'interférence et des motifs de damier. Aucune théorie généralement applicable, donnant une interprétation univoque, n’est disponible à ce jour. En utilisant la théorie de la diffusion de Lippman–Schwinger, nous avons développé une description perturbative de signal de SGM non invasive. Les expressions du premier et du second ordre ont été données, se rapportant aux régions de marche et de plateau de la courbe de conductance. Dans les systèmes invariants par renversement du temps (TRI), adaptés au premier plateau de conductance, les images SGM sont liées à la densité de charge à l`énergie de Fermi. Dans un système TRI, avec une symétrie spatiale centrale et de très larges contacts, les images sont aussi liées à la densité de courant, quelque soit le plateau. Nous présentons et discutons les images calculées pour deux modèles analytiques de QPC et les images obtenues numériquement avec la méthode des fonctions de Green récursives, reproduisant certains motifs observés expérimentalement, et pointant les difficultés fondamentales a se bien positionner sur le plateau de conductance. / This work is concerned with the theoretical description of the Scanning Gate Microscopy (SGM) in general and with solving particular models of the quantum point contact (QPC) nanostructure, analytically and numerically. SGM is an experimental technique, which measures the conductance of a nanostructure, while a charged AFM tip is scanned above its surface. It gives many interesting results, such as lobed and branched images, interference fringes and a chequerboard pattern. A generally applicable theory, allowing for unambiguous interpretation of the results, is still missing. Using the Lippman-Schwinger scattering theory, we have developed a perturbative description of non-invasive SGM signal. First and second order expressions are given, pertaining to the ramp- and plateau-regions of the conductance curve. The maps of time-reversal invariant (TRI) systems, tuned to the lowest conductance plateau, are related to the Fermi-energy charge density. In a TRI system with a four-fold spatial symmetry and very wide leads, the map is also related to the current density, on any plateau. We present and discuss the maps calculated for two analytically solvable models of the QPC and maps obtained numerically, with Recursive Green Function method, pointing to the experimental features they reproduce and to the fundamental difficulties in obtaining good plateau tuning which they reveal.