La structuration de surface et la reprise d'épitaxie sont des technologies clé pour le développement des (nano)dispositifs optoélectroniques avancés. Nos travaux de thèse ont visé la préparation de surfaces GaAs micro et nanostructurées pour l'épitaxie et l'étude de la croissance dirigée de boîtes quantiques InAs sur ces surfaces. La lithographie électronique a été retenue pour structurer la résine en surface et une attaque chimique pour le transfert du motif dans le semiconducteur. La décontamination de la surface par plasma micro-onde O2 : SF6 a été démontrée. Sa rugosité a été supprimée par désoxydation in-situ à basse température avec un plasma d'hydrogène. L'influence de l'orientation et de l'échelle des motifs sur l'épitaxie de GaAs a été précisée. Des boîtes quantiques d'InAs ont été réalisées sur ces surfaces recouvertes d'un puits de GaInAs et leur organisation obtenue. Cette méthode de préparation convient aussi pour l'épitaxie sélective de GaAs sur des surfaces structurées par des motifs de Si3N4.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de composants non linéaires à hétérostructures d'une part, et de guides de propagation coplanaires sur membrane d'autre part.<br />Pour les dispositifs actifs, le composant développé est une hétérostructure à simple barrière qui présente des non-linéarités en capacité extrêmement marquées utilisables dans les multiplicateurs de fréquences. Par rapport aux dispositifs Schottky varactors conventionnels, les hétérostructures permettent de tirer parti de propriétés de symétrie et d'optimiser et d'optimiser au mieux les caractéristiques des courants de déplacement et de conduction. En pratique, les composants sont fabriqués à partir de multiples hétérostructures épitaxiées par jets moléculaires sur substrat InP mettant en jeu des techniques d'intégration monolithiques. Plusieurs séries d'échantillons ont été fabriquées avec pour les dernières structures des résultats à l'état de l'art, notamment avec la possibilité de moduler la capacité dans un rapport 5 en tenue en tension de plus de 6 Volt favorable aux applications de puissance. dans cette optique, nous démontrons par ailleurs la possibilité d'intégrer verticalement plusieurs composants sur une même épitaxie.<br />Pour les structures passives, elles sont constituées de lignes coplanaires déposées sur membrane de polyimide ou de nitrure de silicium. Dans ces conditions le milieu de propagation peut se comparer à l'air avec une permittivité effective très proche de celle obtenue dans l'espace libre. De telles structures ont été fabriquées en utilisant des technologies de micro-usinage de l'Arséniure de Gallium. Les résultats des caractérisations hyperfréquences sont conformes aux prédictions théoriques, avec la propagation faible perte de l'énergie électromagnétique sans dispersion dans une très large bande de fréquence. Ces études sont ensuite étendues à la conception de structures de filtrage aux fréquences millimétriques, notamment à 250 GHz.

Cette étude porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de modulateurs de cohérence intégrés sur substrats semiconducteurs III-V. Nous expliquons tout d'abord le principe de la modulation de cohérence, technique particulière de codage optique appliquée à la transmission et au multiplexage de signaux, qui repose sur l'introduction dans un interféromètre à deux ondes d'un retard optique supérieur à la longueur de cohérence de la source optique. Nous avons réalisé un premier modulateur de cohérence, interféromètre à polarisation à base de guide d'onde optique ruban fortement biréfrigent. Les semiconducteurs III-V n'étant pas biréfringents nous avons développé une structure originale permettant le guidage des seuls modes fondamentaux TE0 et TM0 avec une forte biréfringence de forme résultant de l'empilement de nombreuses couches de GaAlAs de faible épaisseur. Les deux modes présentent en sortie du guide une différence de chemin optique de 230 mm, modulable par effet électro-optique et supérieure à la longueur de cohérence d'une diode superluminescente à 1.3 mm. Nous avons ensuite réalisé un second modulateur sous la forme d'un interféromètre de Mach-Zehnder fortement déséquilibré. Cet interféromètre à deux ondes entièrement intégré en GaAlAs/GaAs introduit un retard optique de 100 mm, par différence de longueur de ses bras. Afin de minimiser les pertes dans cette structure de géométrie complexe nous avons gravé des tranchées situées à l'extérieur des zones courbées. Cette solution a été choisie aprés simulation du dispositif par la méthode des faisceaux propagés (BPM). Les performances du composant sont comparables à celles du précédent. Nous avons donc réalisé les premiers modulateurs de cohérence intégrés en semiconducteurs III-V qui ouvrent la voie à de nouvelles applications en filtrage, contrôle de polarisation... dans les réseaux de télécommunications optiques.

Les problèmes associés aux fluctuations de l'état de polarisation des signaux lumineux transitant dans la fibre optique limitent actuellement les débits en transmission. Les solutions basées sur un contrôle de la polarisation du signal utilisent principalement les propriétés de la fibre optique, des cristaux liquides ou du niobate de lithium (LiNbO3) pour les composants d'optique intégrée. Toutefois, la nature même de ces matériaux ne permet pas d'associer sur une même puce les fonctions optiques et électroniques. Pour relever le défit de la miniaturisation des dispositifs, l'utilisation des matériaux semiconducteurs s'impose. L'objectif de ce travail de thèse s'inscrit dans ce cadre : il s'agit d'étudier puis de concevoir un convertisseur de polarisation TE/TM intégré sur substrat semiconducteur III-V de type GaAs. Le composant se base sur les effets électro-optiques linéaires pour modifier l'état de polarisation du signal optique. Ainsi, en menant un étude sur les propriétés électro-optiques linéaires, nous avons montré que l'application de deux champs électriques croisés au niveau du guide optique permettait de modifier l'état de polarisation de la lumière avec une efficacité équivalente à celle des composants intégrés sur niobate de lithium. En modélisant la propagation des modes guidés à travers le composant, les paramètres structurels ont pu être déterminés de manière à répondre aux contraintes imposées par le mode de fonctionnement (biréfringence modale et pertes optiques TM minimales). Les guides de type "chargés enterrés" ont ensuite été réalisés en utilisant les techniques micro-photolithographiques. L'aspect relatif à la nature des contacts électriques a été ensuite développée puis les modulateurs ont été fabriqués. Les résultats issus de la caractérisation des composants sont très prometteurs et démontrent ainsi le potentiel des matériaux semiconducteurs.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique des porteurs de charges sous forte concentration. La méthode Monte Carlo " Full-Band " a été utilisée pour la modélisation du transport et la relaxtion des porteurs de charge dans les semi-conducteurs III-V (GaAs, InAs, GaSb, In0.53Ga0.47As et GaAs0.50Sb0.50). Les structures électroniques ont été calculées par la Méthode des Pseudo-potentiels Non-Locaux Empiriques, ce qui a notamment permis de traiter le cas de l'alliage ternaire GaAs0.50Sb0.50 dans une approche de type Cristal Virtuel, matériau qui souffre d'un manque de caractérisations expérimentales. Dans ces semi-conducteurs polaires fortement dopés, le couplage entre phonons optiques polaires et plasmons a été pris en compte via le calcul de la fonction diélectrique totale incluant les termes associés à l'amortissement dans le système phonon-plasmon auto-cohérents. Ce phénomène de couplage phonon-plasmon, est apparu primordial pour l'analyse de la mobilité des électrons dans GaAs, In0.53Ga0.47As et GaAs0.50Sb0.50 en fonction de la concentration en accepteurs. Dans des semi-conducteurs fortement photo-excités, la relaxation des électrons et des trous a été étudiée en tenant compte du chauffage de la population de phonon (qui ralentit la relaxation des porteurs) avec un modèle Monte Carlo dédié à la dynamique des phonons (Thèse de H. Hamzeh). L'étude a montré que le ralentissement de la relaxation dépend fortement des concentrations de porteurs photo-excités à cause du couplage phonon-plasmon dans ces matériaux. Les processus de génération et recombinaison de porteurs tels que l'absorption optique, la recombinaison radiative, l'ionisation par choc et les recombinaisons Auger, ont été implémentés. Les taux de génération et recombinaison associés sont calculés directement sur les distributions de porteurs modélisées, sans supposer des distributions à l'équilibre. Ces processus sont cruciaux pour l'optimisation de Cellules Solaires à Porteurs Chauds. Le photo-courant de ce type de cellule théorique à haut rendement de 3ème génération avec un absorbeur en In0.53Ga0.47As a été étudié.

Cette thèse présente une étude théorique des interactions électron-phonon dans les boîtes quantiques InAs/GaAs, où le régime de couplage fort entre les porteurs confinés dans les boîtes et les phonons optiques a pour conséquence la formation d'états intriqués appelés polarons.<br />Nous prenons tout d'abord en compte le couplage fort entre excitons et phonons optiques afin de calculer l'absorption interbande sous champ magnétique.<br />Nous calculons ensuite le temps de vie des états polarons, dont l'instabilité est due à leur composante phonon. Nous démontrons la nécessité de prendre en compte de manière détaillée les différents processus anharmoniques, dont l'efficacité dépend fortement de l'énergie du polaron. Ces calculs permettent d'expliquer les variations non monotones du temps de vie mesuré des polarons avec leur énergie.<br />Nous étudions ensuite la dynamique de relaxation dans les boîtes doublement chargées, où l'interaction spin-orbite, associée aux couplages électron-phonon, entraîne des processus de retournement du spin entre états singulets et triplets.<br />Finalement, nous étudions la cohérence optique de la transition intrabande fondamentale, dont l'élargissement avec la température est dû aux transitions réelles et virtuelles vers le deuxième état excité.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d'une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l'intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d'onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d'obtenir un laser mono-longueur d'onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d'onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d'un laser accordable hybride III-V sur silicium.

Magnetic properties of diluted magnetic semiconductors and magnetic metallic multilayers are investigated by SQUID magnetometry. By doping GaAs with magnetic Mn2+ ions under well defined growth conditions, one obtains a diluted magnetic semiconductor, (Ga,Mn)As, in which the randomly-distributed magnetic ions act as acceptor centers. At high enough dopant and hole concentration a carrier-induced ferromagnetic state results between the magnetic ions. Due to peculiarities of the growth process sizable amounts of donor defects, such as Mn interstitials and As antisites, are also introduced into the GaAs host. The magnetic properties of (Ga,Mn)As are altered by the presence of such defects through the compensation effect of the holes. The Mn interstitials are thermally unstable above a certain threshold temperature and therefore their concentration can be controlled by post-growth annealing. The influence of the interfaces on the magnetic moment of FeNi/V and FeNi/Co superlattices has been studied. A decrease of the `FeNi' magnetic moment at the interfaces is observed for FeNi/V superlattices while in case of FeNi/Co an enhanced magnetic moment is obtained at the interfaces. Changes of the interlayer exchange coupling have been studied in a series of Fe/V(Fe) multilayers in which the V spacer was alloyed with small amounts of Fe. The dynamic magnetic properties of discontinuous metal-insulator multilayers of Ni81Fe19/Al2O3 have been investigated. By varying the thickness of the insulator the system exhibits a superferromagnetic, a 3d spin-glass-like and a superparamagnetic behavior.

Capacitance-voltage-frequency measurements on n+-GaN/AlxGa1−xN UV/IR dual-band detectors are reported. The presence of shallow Si-donor, deep Si-donor, and C-donor/N-vacancy defect states were found to significantly alter the electrical characteristics of the detectors. The barrier Al fraction was found to change the position of the interface defect states relative to the Fermi level. The sample with Al fraction of 0.1 shows a distinct capacitance-step and hysteresis, which is attributed to C-donor/N-vacancy electron trap states located above the Fermi level (200 meV) at the heterointerface; whereas, the sample with Al fraction of 0.026 shows negative capacitance and dispersion, indicating C-donor/N-vacancy and deep Si-donor defect states located below the Fermi level (88 meV). When an i-GaN buffer layer was added to the structure, an anomalous high-frequency capacitance peak was observed and attributed to resonance scattering due to hybridization of localized Si-donor states in the band gap with conduction band states at the i-GaN/n+-GaN interface.

In der Arbeit wurden sowohl optische, als auch Schwingungs- und Struktur-Eigenschaften poröser Strukturen auf der Basis von n-GaP, n-GaAs und n-InP mit Hilfe der Raman- und FTIR- Spektroskopie untersucht. Speziell den in polaren Materialien auftretenden Fröhlich-Moden wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es wurden experimentelle Ergebnisse theoretischen Modellen auf der Basis der Effektiven Medien Theorie gegenübergestellt. Die Ergebnisse sollen helfen, Grundkenntnisse über die Eigenschaften poröser Halbleiterstrukturen zu gewinnen, um zum einen Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen und zum anderen das theoretische Modell zur Beschreibung heterogener Medien zu vervollkommnen.