Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique et du transport des phonons via la résolution de l'équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les Phonons. Un 'solveur' Monte Carlo dédié à la résolution de l'ETB des phonons dans l'espace réciproque, prenant en compte tous les processus d'interactions Normaux et Umklapp à trois-phonons, est proposé. Une prise en compte rigoureuse des lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement est entreprise. Des relations de dispersion réalistes, intégrant tous les modes de polarisations, sont considérées. Le calcul des taux d'interactions à trois-phonons de tous les processus Normaux et Umklapp est effectué en utilisant l'approche théorique due à Ridley qui ne nécessite qu'un unique paramètre semi-ajustable pour chaque mode de polarisation, nommément : le coefficient de couplage anharmonique représenté par les constantes de Grüneisen. Les taux d'interactions ainsi calculés ne servent pas uniquement à la résolution de l'ETB des phonons, mais ont permis aussi une analyse complète des canaux de relaxation des phonons longitudinaux optiques de centre de zone. Cette analyse a montré que le canal de Vallée-Bogani est négligeable dans le GaAs, et que vraisemblablement les temps de vie des phonons LO de centre de zone dans l'InAs et le GaSb rapportés dans la littérature sont fortement sous-estimés. Pour la première fois à notre connaissance, un couplage de deux solveurs Monte Carlo indépendants l'un dédié aux porteurs de charges (Thèse E. Tea) et l'autre dédié aux phonons, est effectué. Cela permet d'étudier l'effet des phonons chauds sur le transport des porteurs de charges. Cette étude a montré que l'approximation de temps de relaxation surestime souvent l'effet bottleneck des phonons. Le 'solveur' Monte Carlo est étendu pour résoudre l'ETB des phonons dans l'espace réel (en plus de l'espace réciproque), cela a permet d'étudier le transport des phonons et ainsi de la chaleur. La théorie généralisée de Ridley est toujours utilisée avec des particules de simulations qui interagissent les unes avec les autres directement. Les règles de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement sont rigoureusement respectées. L'effet des processus Umklapp sur la quantité de mouvement totale des phonons est fidèlement traduit; tout comme l'effet des interactions sur les directions des phonons, grâce à une procédure prenant en compte les directions vectorielles respectives lors d'une interaction, au lieu, de la distribution aléatoire usuellement utilisée. Les résultats préliminaires montrent la limite de l'équation analytique de conduction de la chaleur.

Single self-assembled semiconductor quantum dots (QDs) are able to emit single-photons and entangled-photons pairs. They are therefore considered as potential candidate building blocks for quantum information processing (QIP) and communication. To exploit them fully, the ability to precisely control their optical properties is needed due to several reasons. For example, the stochastic nature of their growth ends up with only little probability of finding any two or more QDs emitting indistinguishable photons. These are required for two-photon quantum interference (partial Bell-state measurement), which lies at the heart of linear optics QIP. Also, most of the as-grown QDs do not fulfil the symmetries required for generation of entangled-photon pairs. Additionally, tuning is required to establish completely new systems, for example, 87Rb atomic-vapors based hybrid semiconductoratomic (HSA) interface or QDs with significant heavy-hole (HH)-light-hole (LH) mixings. The former paves a way towards quantum memories and the latter makes the optical control of hole spins much easier required for spin- based QIP. This work focuses on the optical properties of a new type of QDs optimized for HSA experiments and their broadband tuning using strain. It was created by integrating the membranes, containing QDs, onto relaxor-ferroelectric actuators and was quantified with a spatial resolution of ~1 µm by combining measurements of the µ-photoluminescence of the regions surrounding the QDs and dedicated modeling. The emission of a neutral exciton confined in a QD usually consists of two fine-structure-split lines which are linearly polarized along orthogonal directions. In our QDs we tune the emission energies as large as ~23meV and the fine-structure-splitting by more than 90 µeV. For the first time, we demonstrate that strain is able to tune the angle between the polarization direction of these two lines up to 40° due to increased strain-induced HH-LH mixings up to ~55%. Compared to other quantum emitters, QDs can be easily integrated into optoelectronic devices, which enable, for example, the generation of non-classical light under electrical injection. A novel method to create sub-micrometer sized current-channels to efficiently feed charge carriers into single QDs is presented in this thesis. It is based on focused-laserbeam assisted thermal diffusion of manganese interstitial ions from the top GaMnAs layer into the underlying layer of resonant tunneling diode structures. The combination of the two methods investigated in this thesis may lead to new QDbased devices, where direct laser writing is employed to preselect QDs by creating localized current-channels and strain is used to fine tune their optical properties to match the demanding requirements imposed by QIP concepts.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation d'un composant intégrant un laser à cavité verticale (VCSEL) et un détecteur. En détectant l'émission latérale, qui peut être corrélée à l'émission stimulée du VCSEL, il est possible d'asservir la puissance moyenne émise (monitoring). Afin de réaliser ces composants, plusieurs étapes technologiques de fabrication d'un VCSEL ont nécessité un développement et une optimisation spécifiques. Ainsi nous présentons les travaux réalisés dans le domaine de la gravure sèche assistée par plasma, de la métallisation, de l'oxydation thermique, de la passivation et de l'implantation ionique. Ce travail a permis d'obtenir un processus de fabrication plus fiable. Le principe de base a été mis en évidence à l'aide de deux composants adjacents, l'un émetteur, et l'autre détecteur. Il consiste à observer l'évolution du photocourant détecté latéralement et de constater que même s'il n'évolue pas comme la puissance émise, présente des points singuliers correspondant respectivement au seuil et à l'extinction de l'émission laser. De plus, cette évolution du courant détecté latéralement est monotone croissante, ce qui permet d'y faire correspondre une seule valeur de la puissance émise. Par la suite, cette détection intégrée a été améliorée par l'ajout d'un détecteur à contact Schottky à proximité du VCSEL émetteur. Ceci se traduit par l'obtention d'un dispositif compact, sensible, et entièrement compatible avec le procédé de fabrication et les couches épitaxiales standard. Cette solution générique présente l'avantage d'être transposable à d'autres longueurs d'onde (1,3 et 1,55µm par exemple). La caractérisation électrique de ce composant en régime continu a été réalisée, et a permis de confirmer l'amélioration des performances en détection. Est également démontré la robustesse de cette solution à des températures de fonctionnement élevées, jusqu'à 100°C. En régime impulsionnel, les temps de réponse mesurés autour de quinze nanosecondes démontrent la compatibilité de ce système avec des modulations de l'ordre du gigabit par seconde. Dans ce cadre, nous avons également étudié les caractéristiques hyperfréquences du composant. Outre les systèmes de transmissions rapides, on peut envisager d'exploiter cette détection intégrée pour l'instrumentation, cela pour des signaux relativement rapides (sub-microseconde), par exemple dans une configuration de réinjection optique.

III-V nanostructures have attracted substantial research effort due to their interesting physical properties and their applications in new generation of ultrafast and high efficiency nanoscale electronic and photonic components. The advances in nanofabrication methods including growth/synthesis have opened up new possibilities of realizing one dimensional (1D) nanostructures as building blocks of future nanoscale devices. For processing of semiconductor nanostructure devices, simplicity, cost effectiveness, and device efficiency are key factors. A number of methods are being pursued to fabricate high quality III-V nanopillar/nanowires, quantum dots and nano disks. Further, high optical quality nanostructures in these materials together with precise control of shapes, sizes and array geometries make them attractive for a wide range of optoelectronic/photonic devices. This thesis work is focused on top-down approaches for fabrication of high optical quality nanostructures in III-V materials. Dense and uniform arrays of nanopillars are fabricated by dry etching using self-assembly of colloidal SiO2 particles for masking. The physico-chemistry of etching and the effect of etch-mask parameters are investigated to control the shape, aspect ratios and spatial coverage of the nanopillar arrays. The optimization of etch parameters and the utilization of erosion of etch masks is evaluated to obtain desired pillar shapes from cylindrical to conical. Using this fabrication method, high quality nanopillar arrays were realized in several InP-based and GaAs-based structures, including quantum wells and multilayer heterostructures. Optical properties of these pillars are investigated using different optical spectroscopic techniques. These nanopillars, single and in arrays, show excellent photoluminescence (PL) at room temperature and the measured PL line-widths are comparable to the as-grown wafer, indicating the high quality of the fabricated nanostructures. The substrate-free InP nanopillars have carrier life times similar to reference epitaxial layers, yet an another indicator of high material quality. InGaAs layer, beneath the pillars is shown to provide several useful functions. It effectively blocks the PL from the InP substrate, serves as a sacrificial layer for generation of free pillars, and as a “detector” in cathodoluminescence (CL) measurements. Diffusion lengths independently determined by time resolved photoluminescence (TRPL) and CL measurements are consistent, and carrier feeding to low bandgap InGaAs layer is evidenced by CL data. Total reflectivity measurements show that nanopillar arrays provide broadband antireflection making them good candidates for photovoltaic applications.  A novel post etch, sulfur-oleylamine (S-OA) based chemical process is developed to etch III-V materials with monolayer precision, in an inverse epitaxial manner along with simultaneous surface passivation. The process is applied to push the limits of top-down fabrication and InP-based high optical quality nanowires with aspect ratios more than 50, and nanostructures with new topologies (nanowire meshes and in-plane wires) are demonstrated.  The optimized process technique is used to fabricate nanopillars in InP-based multilayers (InP/InGaAsP/InP and InP/InGaAs/InP). Such multilayer nanopillars are not only attractive for broad-band absorption in solar cells, but are also ideal to generate high optical quality nanodisks of these materials. Finally, the utility of a soft stamping technique to transfer free nanopillars/wires and nanodisks onto Si substrate is demonstrated. These nanostructures transferred onto Si with controlled densities, from low to high, could provide a new route for material integration on Si. / <p>QC 20130205</p>

La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l'information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d'assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s'avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l'internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l'intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l'impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d'architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique.

Le rendement consommation/fréquence des futures générations de circuits intégrés sur silicium n'est pas satisfaisant à cause de la faible mobilité électronique de ce semi-conducteur et des relativement grandes tensions d'alimentation VDD requises. Ce travail se propose d'explorer numériquement les potentialités des transistors à effet de champ (FET) à base de matériaux III-V à faible bande interdite et à haute mobilité pour un fonctionnement en haute fréquence et une ultra basse consommation. Tout d'abord, l'étude consiste à analyser théoriquement le fonctionnement d'une capacité MOS III-V en résolvant de façon auto-cohérente les équations de Poisson et Schrödinger (PS). On peut ainsi comprendre comment et pourquoi les effets extrinsèques comme les états de pièges à l'interface high-k/III-V dégradent les caractéristiques intrinsèques. Pour une géométrie 2D, les performances des dispositifs sont estimées pour des applications logiques et analogiques à l'aide d'un modèle de transport quasi-balistique.Nous avons ensuite étudié plus en détails les performances des MOSFET III-V en régimes statiques et dynamiques sous faible VDD, à l'aide du simulateur particulaire MONACO de type Monte Carlo. Les caractéristiques de quatre topologies de MOSFET ont été quantitativement étudiées, en termes de transport quasi-balistique, de courants statiques aux états passants et bloqués, de rendement fréquence/consommation et de bruit. Nous en tirons des conclusions sur l'optimisation de ces dispositifs. Enfin, l'étude comparative avec un FET à base de Si démontre clairement le potentiel des MOSFET III-V pour les applications à haute fréquence, à faible puissance de consommation et à faible bruit.

Pour répondre aux besoins des domaines d'applications, de plus en plus ambitieux, et gagner de nouveaux domaines, les VCSELs continuent à évoluer. On note une tendance des recherches récentes à la miniaturisation des sources VCSELs et à la complexification de leurs architectures pour augmenter leur capacité d'intégration et incorporer de nouvelles fonctionnalités. Cela nécessite la maîtrise et l'adaptation des différentes étapes technologiques dont l'ingénierie du confinement électrique et optique exploitant la technologie d'oxydation sélective humide d'alliages AlGaAs, appelée AlOx. Ce travail de thèse porte, d'une part, sur l'étude des contraintes mécaniques engendrées par le procédé AlOx, qui ont un impact important sur le fonctionnement des VCSELs, leur fiabilité et leur durée de vie. D'autre part, je présente une nouvelle approche planaire de la technologie AlOx basée sur une oxydation d'une couche AlGaAs enterrée à travers des trous nanométriques gravés dans une couche GaAs fine en surface. Cette étape est suivie d'une reprise d'épitaxie par jets moléculaires (EJM) pour continuer l'empilement de la structure du composant. La nouvelle méthode offre une meilleure capacité d'intégration, une meilleure dissipation de chaleur et ouvre vers l'ingénierie libre du confinement opto-électrique.

Une des forces des semi-conducteurs composés et de leurs alliages est de permettre une ingénierie très flexible des structures de bande et de couvrir une large bande spectrale intéressant de nombreuses applications optoélectroniques. De plus, il est possible de les réaliser sous forme de puits et boîtes quantiques, qui constituent des émetteurs efficaces pour les diodes laser. Mes travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte du développement de nouvelles hétérostructures quantiques pour la filière GaAs en vue d'étendre sa gamme d'application. En premier lieu, la reprise d'épitaxie par jet moléculaire des puits quantiques de GaInAs et la croissance dirigée des boites quantiques d'InAs sur des surfaces nanostructurées de GaAs ont été visées. La structuration de surface a été réalisée par un procédé de nanoimpression que nous avons mis au point et par lithographie électronique. La désoxydation in situ par plasma hydrogène et sous flux de gallium a été étudiée et des surfaces lisses et propres ont été obtenues. L'influence de l'orientation et de la dimension des motifs sur les nanostructures a été précisée. La luminescence des nanostructures à température ambiante a été démontrée. En second lieu, la croissance des puits quantiques de GaAsBi a été développée après une optimisation des conditions de croissance de couches épaisses de GaAsBi. Une émission à température ambiante d'une longueur d'onde de 1.22 μm a été mesurée pour un puits contenant 7% de bismuth. Il présente des interfaces planes, une épaisseur uniforme et est déformé élastiquement. Par ailleurs, la présence d'états localisés a été mise en évidence par spectroscopie de photoluminescence. Nous avons montré que les recuits ne parviennent pas à guérir ces défauts.

Le substrat SOI (Silicon-On-Insulator) constitue aujourd’hui le support de choix pour la fabrication de fonctions optiques compactes. Cette plateforme commune avec la micro-électronique favorise l’intégration de circuits photoniques avec des circuits CMOS. Néanmoins, si le silicium peut être utilisé de manière très avantageuse pour la fabrication de composants optiques passifs, il présente l’inconvénient d’être un très mauvais émetteur de lumière. Ceci constitue un obstacle majeur au développement de sources d’émission laser, briques de constructions indispensables à la fabrication d’un circuit photonique. La solution exploitée dans le cadre de cette thèse consiste à reporter sur SOI des épitaxies laser III-V par collage direct SiO2-SiO2. L’objectif est de réaliser sur SOI des sources lasers à cavité horizontale permettant d’injecter au moins 1mW de puissance dans un guide d’onde silicium inclus dans le SOI. Notre démarche est de transférer un maximum des fonctions du laser vers le silicium, dont les procédés sont familiers au monde de la micro-électronique. Dans l’idéal, le III-V ne devrait être utilisé que comme matériau à gain ; la cavité laser pouvant être fabriquée dans le silicium. Mais cette ligne de conduite n’est pas forcément aisée à mettre en œuvre. En effet, les photons sont produits dans le III-V mais doivent être injectés dans un guide silicium placé sous l’épitaxie. La difficulté est que les deux matériaux sont séparés par plus d’une centaine de nanomètres d’oxyde de collage faisant obstacle au transfert de photons. Le développement de lasers III-V couplés à un guide d’onde SOI demande alors de nouvelles conceptions du système laser dans son ensemble. Notre travail a donc consisté à concevoir un laser hybride III-IV / silicium se pliant aux contraintes technologiques du collage. En s’appuyant sur la théorie des modes couplés et les concepts des cristaux photoniques, nous avons imaginé, réalisé, puis caractérisé un laser à contre-réaction distribuée hybride (en anglais : « distributed feedback laser », laser DFB). Son fonctionnement optique original, permet à la fois un maximum de gain et d’efficacité de couplage grâce à une circulation en boucle des photons du guide III-V au guide SOI. Sur ces dispositifs, nous montrons une émission laser monomode (SMSR de 35 dB) à température ambiante en pompage optique et électrique pulsé. Comme attendu, la longueur d’onde d’émission est dépendante du pas de réseau DFB. Les lasers fonctionnent avec une épaisseur de collage de silice de 200 nm, ce qui offre une grande souplesse quant au procédé d’intégration. Tous les lasers fonctionnent jusqu’à des longueurs de 150 μm (la plus petite longueur prévue sur le masque). Malgré les faibles niveaux de puissances récoltés dans la fibre lors des caractérisations, la prise en compte des pertes optiques induites pas les coupleurs fibres nous indique que la puissance réellement injectée dans le guide silicium dépasse le milliwatt. Notre objectif de ce point de vue est donc rempli. Malheureusement le fonctionnement des lasers en injection électrique continue n’a pas pu être obtenu dans les délais impartis. Cependant, les faibles densités de courant de seuil mesurées en injection pulsée (300A / cm2 à température ambiante sur les lasers de 550 μm de long) laissent présager un fonctionnement prochain en courant continu. / Silicon-On-Insulator (SOI) is today the utmost platform for the fabrication of compact optical functions. This common platform with microelectronics favors the integration of photonic circuits with CMOS circuits. Nevertheless, if silicon allows for the fabrication of compact passive photonic functions, its poor light emission properties constitute a major obstacle to the development of an integrated laser source. The solution used within the framework of this thesis consists in integrating III-IV laser stacks on 200 mm SOI wafers by the mean of SiO2-SiO2 direct bonding. The aim of this work is to demonstrate a III-V on SOI laser that couples at least 1mW to a silicon waveguide. Our approach is to transfer a maximum of the laser complexity to the silicon, which processes are familiar to microelectronics. Ideally, III-V should be just used as a gain material ; the laser cavity being made out of silicon. However, this approach is not so easy to put into practice. Indeed, photons are generated by the III-V waveguide but have to be transferred into the silicon waveguide located under the stack. The difficulty is that both waveguides are separated by a low index bonding layer, which thickness ranges from one hundred to several hundreds of nanometres. The development of a III-V on SOI laser then requires a new thinking of the whole laser system. Therefore, our work has consisted in designing a III-V on silicon hybrid laser that takes into consideration the specific constraints of the integration technology. Based on the coupled mode theory and on the photonic crystals concepts, we have designed, fabricated and characterized an hybrid Distributed Feedback Laser (DFB). Its original work principle allows for both a high amount of gain and coupling efficiency, thanks to a continuous circulation of photons from the III-V to the SOI waveguide. On these devices, we show a monomode laser emission at room temperature (with a side mode suppression ratio of 35dB) under pulsed optical and electrical pumping. As expected, the lasing wavelength is function of the DFB grating pitch. The lasers work with a bonding layer as thick as 200nm, that greatly relaxes the constraints of the bonding technology. Lasers work down to a minimum length of 150 μm, which is the shortest laser lenght of the mask. Despite the low power levels collected by the fibre during the characterizations, accounting for the high optical losses due to the fiber couplers, the optical power effectively injected to the silicon waveguide should be in the miliwatt range. Unfortunately, the low threshold current densities measured under pulsed operation (300 A / cm2 at room temperature) suggest that the continuous-wave regime should be reached in a very near future.

Semiconductor quantum dots (QDs) are well established as sub-Poissonian sources of entangled photon pairs. To improve the utility of a QD light source, it would be advantageous to extend their emission further into the near infrared, into the low absorption wavelength windows utilised in long-haul optical telecommunication. Initial experiments succeeded in interfering O-band (1260—1360 nm) photons from an InAs/GaAs QD with dissimilar photons from a laser, an important mechanism for quantum teleportation. Interference visibilities as high as 60 ± 6 % were recorded, surpassing the 50 % threshold imposed by classical electrodynamics. Later, polarisation-entanglement of a similar QD was observed, with pairs of telecom-wavelength photons from the radiative cascade of the biexciton state exhibiting fidelities of 92.0 ± 0.2 % to the Bell state. Subsequently, an O-band telecom-wavelength quantum relay was realised. Again using an InAs/GaAs QD device, this represents the first implementation of a sub-Poissonian telecom-wavelength quantum relay, to the best knowledge of the author. The relay proved capable of implementing the famous four-state BB84 protocol, with a mean teleportation fidelity as high as 94.5 ± 2.2 %, which would contribute 0.385 secure bits per teleported qubit. After characterisation by way of quantum process tomography, the performance of the relay was also evaluated to be capable of implementing a six-state QKD protocol. In an effort to further extend the emitted light from a QD into the telecom C-band (1530—1565 nm), alternative material systems were investigated. InAs QDs on a substrate of InP were shown to emit much more readily in the fibre-telecom O- and C-bands than their InAs/GaAs counterparts, largely due to the reduced lattice mismatch between the QD and substrate for InAs/InP (~3 %) compared to InAs/GaAs (~7 %). Additionally, to minimize the fine structure splitting (FSS) of the exciton level, which deteriorates the observed polarisation-entanglement, a new mode of dot growth was investigated. Known as droplet epitaxy (D-E), QDs grown in this mode showed a fourfold reduction in the FSS compared to dots grown in the Stranski-Krastanow mode. This improvement would allow observation of polarisation-entanglement in the telecom C-band. In subsequent work performed by colleagues at the Toshiba Cambridge Research Labs, these D-E QDs were embedded in a p-i-n doped optical cavity, processed with electrical contacts, and found to emit entangled pairs of photons under electrical excitation. The work of this thesis provides considerable technological advances to the field of entangled-light sources, that in the near future may allow for deterministic quantum repeaters operating at megahertz rates, and in the further future could facilitate the distribution of coherent multipartite states across a distributed quantum network.