La complexité des systèmes de télécommunications par fibre optique évolue rapidement de façon à offrir plus de bande passante. Comme ce fut le cas pour l’industrie de la microélectronique, l’intégration de composants photoniques avancés est requise pour la production de composants de haute qualité aux fonctions multiples. C’est dans ce contexte, que s’inscrit ce travail qui consiste à contrôler la longueur d’onde d’émission des nanostructures InAs fabriquées dans deux types matrice InP. En effet, le premier volet de ce travail consiste à étudier les îlots quantiques InAs dans une matrice d’InP massif et sera dédié principalement à l’investigation de l’impact de l’interdiffusion sélective sur les propriétés optiques de bâtonnets quantiques (BaQs) élaborées par l’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Un prototype d’une source modulable en longueur a été achevé à base de ces hétérostructures. Un modèles théorique qui traite de l’activation et du transfert thermique des porteurs à travers les BaQs de différentes tailles, créés par l’implantation ionique contrôlée a été développé. Les acquits obtenues dans le premier thème nous ont permis d’aborder une deuxième thématique très concurrentielle liée à l’étude des structures à Nanofils (NFs) InP et des hétérostructures à nanofils InAs/InP allant des structures 1D cœur/coquilles aux structures contenant une BQ InAs par nanofil InP par EJM en mode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) sur substrat silicium. Nous avons révélé par différentes techniques spectroscopiques (PL, excitation de PL, microPL, PLRT) des propriétés optiques très spécifiques et particulièrement intéressantes : fort rapport surface/volume impactant sur les durées de vie des porteurs photocrés, présence de différentes phases cristallines (Wurtzite et Zinc-blende) au sein d’un même nanofil en fonction des conditions de croissance. Nous avons pu réaliser des couches actives des émetteurs à base de NFs dans lesquels nous avons privilégié la formation de segments d’InAs assimilables à des boîtes quantiques avec une forte localisation spatiale des porteurs et un très fort maintient de la luminescence en fonction de la température. Les mesures de PL montrent que les segments d’InAs émettent dans la gamme 1.3-1.55 µm ce qui montre le potentiel d’applications de ce type de nanofils dans une technologie des télécommunications par fibres optiques. / La complexité des systèmes de télécommunications par fibre optique évolue rapidement de façon à offrir plus de bande passante. Comme ce fut le cas pour l’industrie de la microélectronique, l’intégration de composants photoniques avancés est requise pour la production de composants de haute qualité aux fonctions multiples. C’est dans ce contexte, que s’inscrit ce travail qui consiste à contrôler la longueur d’onde d’émission des nanostructures InAs fabriquées dans deux types matrice InP. En effet, le premier volet de ce travail consiste à étudier les îlots quantiques InAs dans une matrice d’InP massif et sera dédié principalement à l’investigation de l’impact de l’interdiffusion sélective sur les propriétés optiques de bâtonnets quantiques (BaQs) élaborées par l’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Un prototype d’une source modulable en longueur a été achevé à base de ces hétérostructures. Un modèles théorique qui traite de l’activation et du transfert thermique des porteurs à travers les BaQs de différentes tailles, créés par l’implantation ionique contrôlée a été développé. Les acquits obtenues dans le premier thème nous ont permis d’aborder une deuxième thématique très concurrentielle liée à l’étude des structures à Nanofils (NFs) InP et des hétérostructures à nanofils InAs/InP allant des structures 1D cœur/coquilles aux structures contenant une BQ InAs par nanofil InP par EJM en mode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) sur substrat silicium. Nous avons révélé par différentes techniques spectroscopiques (PL, excitation de PL, microPL, PLRT) des propriétés optiques très spécifiques et particulièrement intéressantes : fort rapport surface/volume impactant sur les durées de vie des porteurs photocrés, présence de différentes phases cristallines (Wurtzite et Zinc-blende) au sein d’un même nanofil en fonction des conditions de croissance. Nous avons pu réaliser des couches actives des émetteurs à base de NFs dans lesquels nous avons privilégié la formation de segments d’InAs assimilables à des boîtes quantiques avec une forte localisation spatiale des porteurs et un très fort maintient de la luminescence en fonction de la température. Les mesures de PL montrent que les segments d’InAs émettent dans la gamme 1.3-1.55 µm ce qui montre le potentiel d’applications de ce type de nanofils dans une technologie des télécommunications par fibres optiques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la croissance des boîtes quantiques (BQs) d'InAs/InP(113)B en vue d'applications lasers pour les télécommunications optiques à 1.55 µm. Les BQs sont formées en épitaxie par jets moléculaires selon le mode de croissance Stranski-Krastanow. Les faibles dimensions de ces nanostructures entraînent des propriétés optoélectroniques remarquables. Dans un premier temps nous présentons des modèles dit de "nucléation-croissance", qui permettent de rendre compte de la plupart des résultats expérimentaux. La croissance des BQs est ensuite étudiée en fonction des paramètres de croissance, par des moyens d'analyses structurales et optiques. Nous avons obtenu une évolution originale des BQs avec le flux d'arsenic. Cette spécificité de la croissance sur (113)B a permis l'augmentation de la densité des BQs jusqu'à 1,6 1011 cm-2 et une amélioration de la dispersion en taille. Une nouvelle procédure de croissance en deux étapes, appelée "Double Cap Quaternaire" (DC) a été développée pour contrôler la longueur d'onde d'émission. Cette procédure donne lieu à une amélioration de la dispersion en taille. Une faible largueur de photoluminescence de 40 meV est ainsi obtenue. L'empilement de plusieurs plans de BQs DC Quaternaire est étudié, dans le but d'améliorer les performances lasers. Pour une forte densité les BQs présentent un ordre vertical et une bonne organisation dans le plan de croissance. La fabrication de structures lasers à BQs selon la procédure DC Quaternaire a permis l'obtention de l'émission laser à température ambiante. Les structures à BQs réalisées avec les conditions de croissance optimisées ont conduit à une réduction importante de la densité de courant de seuil avec une valeur record de 190 A/cm2.

L'intégration de semiconducteurs III-V à gap direct sur silicium est un enjeu de taille pour le développement de l'optoélectronique. En effet, si le silicium est aujourd'hui à la base de la microélectronique, la nature indirecte de son gap en fait un très mauvais émetteur de lumière. Parmi les matériaux candidats à l'intégration, l'In(Ga)As présente l'avantage d'un gap direct plus faible que le silicium, favorisant un comportement de puits de potentiel pour les paires électrons-trous. En revanche, le fort désaccord paramétrique entre les deux matériaux fait de la croissance épitaxiale d'In(Ga)As sur silicium un sérieux défi pour le physicien. Cette thèse est focalisée sur l'étude par faisceaux d'ions de boîtes quantiques (BQs) d'In(Ga)As épitaxiées sur silicium et de leur encapsulation ultérieure par du silicium. L'analyse par rétrodiffusion élastique à haute énergie (RBS) a permis de quantifier la composition des îlots d'In(Ga)As et de la couche cap de Si. Des phénomènes d'exo-diffusion d'indium et la présence d'espèces en excès ont été mis en évidence. En pratiquant l'analyse en géométrie de canalisation (RBS-C), nous avons pu caractériser l'épitaxie des BQs sur le substrat ainsi que celle de la couche cap. La deuxième technique utilisée dans ce travail est l'analyse par rétrodiffusion élastique à moyenne énergie (MEIS), qui permet de profiler composition, défauts cristallins, et déformation avec une résolution sub-nanométrique au voisinage de la surface de la cible. Les spectres MEIS en modes aléatoire et canalisé ont permis d'obtenir le profil de composition et de défauts du plan de BQs. Enfin, la déformation du cristal d'In(Ga)As par rapport au monocristal de silicium du substrat a été étudiée grâce à l'effet de blocage du flux d'ions rétrodiffusés qui permet d'observer les ombres des axes et des plans cristallographiques.

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques InAs/GaAs contenues dans un fil photonique. Des résultats antérieurs à cette thèse ont montré que ces fils photoniques permettent d'extraire les photons avec une efficacité très élevée.Le premier résultat original de ce travail est l'observation de la dérive temporelle de la raie d'émission de la photoluminescence d'une boîte quantique. Cet effet a été attribué à la lente modification de la charge de surface du fil due à l'absorption des molécules d'oxygène présentes dans le vide résiduel du cryostat. Nous avons montré qu'une fine couche de Si3N4 permettait de supprimer cette dérive. La dérive temporelle pouvant être différente pour différentes boites quantiques, nous avons pu tirer partie de cet effet pour mettre en résonance deux boites quantiques contenues dans le même fil.Le deuxième résultat original est la mise en évidence de la modification de l'énergie d'émission d'une boîte quantique soumise à une contrainte mécanique induite par la vibration du fil. Nous avons observé que le spectre de la raie d'émission d'une boîte quantique s'élargit considérablement lorsque le fil est mécaniquement excité à sa fréquence de résonance. A l'aide d'une illumination stroboscopique synchronisée avec l'excitation mécanique, nous avons pu reconstruire l'évolution du spectre d'une boîte quantique au cours d'une période de la vibration mécanique. L'amplitude de l'oscillation spectrale de la raie de luminescence dépend de la position de la boîte dans le fil à cause d'un très fort gradient de contrainte. En utilisant deux modes d'oscillation mécanique de polarisations linéaires et orthogonales, nous pouvons extraire une cartographie complète de la position des boîtes quantiques à l'intérieur du fil. Enfin, grâce à ce gradient, on peut, dans certains cas, trouver une position du fil pour laquelle deux boites quantiques peuvent être amenées en résonance.

In this work, the electronic band structure of III (In, Al, Ga) - V (N, As, Sb) compounds and their ternary alloys have been investigated by density functional theory (DFT) within generalized gradient approximation (GGA) and empirical tight binding (ETB) calculations, respectively. The present DFT-GGA calculations have shown direct band gap structures in zinc-blende phase for InN, InAs, InSb, GaN, and GaAs. However, indirect band gap structures have been obtained for cubic AlN, AlSb and AlAs com- pounds / here, the conduction band minima of both AlN and AlAs are located at X symmetry point, while that of AlSb is at a position lying along Gamma- X direction. An important part of this work consists of ETB calculations which have been parameterized for sp3d2 basis and nearest neighbor interactions to study the band gap bowing of III(In / Al)- V(N / As / Sb) ternary alloys. This ETB model provides a satisfactory electronic properties of alloys within reasonable calculation time compared to the calculations of DFT. Since the present ETB energy parameters reproduce successfully the band structures of the compounds at &iexcl / and X symme- try points, they are considered reliable for the band gap bowing calculations of the ternary alloys. In the present work, the band gap engineering of InNxAs1&iexcl / x, InNxSb1&iexcl / x, InAsxSb1&iexcl / x, Al1&iexcl / xInxN, Al1&iexcl / xInxSb and Al1&iexcl / xInxAs alloys has been studied for total range of constituents (0 &lt / x &lt / 1). The downward band gap bowing seems the largest in InNxAs1&iexcl / x alloys among the alloys considered in this work. A metallic character of InNxAs1&iexcl / x, InNxSb1&iexcl / x and InAsxSb1&iexcl / x has been ob- tained in the present calculations for certain concentration range of constituents (N / As) as predicted in the literature. Even for a small amount of contents (x), a decrease of the electronic e&reg / ective mass around &iexcl / symmetry point appears for InNxAs1-x, InNxSb1-x and InAsxSb1-x alloys manifesting itself by an increase of the band curvature. The calculated cross over from indirect to direct band gap of ternary Al alloys has been found to be consistent with the measurements. As a last summary, the determinations of the band gaps of alloys as a function of contents, the concentration range of con- stituents leading to metallic character of the alloys, the change of the electronic effective mass around the Brillioun zone center (Gamma) as a function of alloy contents, the cross over from indirect to direct band gap of the alloys which are direct on one end, indirect on the other end, are main achievements in this work, indispensable for the development of mate- rials leading to new modern circuit components.

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.

La température et la pression sont deux paramètres particulièrement importants pour l’optimisation des performances du régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). A ce jour, différentes méthodes expérimentales ont été développées, avec plus ou moins du succès, pour la mesure de ces deux paramètres. Ce travail présente, en continuité de ces approches, des investigations visant à développer une nouvelle technique in situ permettant de mesurer localement ces deux grandeurs dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD). Cette technique exploite la sensibilité en photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (ou en anglais « quantum dots (QDs)) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de température et de pression. A cet égard, des calibrations ont été réalisées afin d’évaluer la sensibilité de ces QDs aux deux paramètres. De plus, la versatilité de ces QDs comme nanosondes a été examinée en testant deux lubrifiants différents : le squalane et un mélange de squalane et de cyclopentane. Des mesures ont été également effectuées sous conditions dynamiques afin d’étudier (i) l’influence de la présence des QDs sur la rhéologie du lubrifiant et (ii) l’influence du taux de cisaillement sur la PL des QDs. Bien que ces différents tests aient prouvé le potentiel des QDs de CdSe/CdS/ZnS, ils ont révélé l’existence d’autres paramètres qui peuvent, tout comme la température et la pression, en modifier la réponse. L’étude a été menée afin d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de tels effets. Plus important encore, une méthodologie a été définie pour minimiser ces effets indésirables, et pour in fine, permettre l’usage de ces QDs en tant que nanosondes fiables. / Temperature and pressure are two relevant parameters for the optimization of lubrication performance in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. To date, various experimental methods have been developed to measure these two parameters with more or less success. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in the current work in view of developing a new in situ technique allowing for local measurements of these two parameters throughout elastohydrodynamic (EHD) contacts. This technique exploits the photoluminescence (PL) sensitivity of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to changes in temperature and pressure. In this respect, calibrations have been carried out in order to establish the sensitivity of these QDs to the two parameters. Moreover, the versatility of these QDs for sensing applications have been examined by testing two different lubricants, namely squalane and a mixture of squalane and cyclopentane. Some measurements were also conducted under dynamic conditions, in order to study (i) the influence of the QDs presence on the lubricant rheology and (ii) the influence of shear rate on the PL of QDs. Although these different tests demonstrated the potential of CdSe/CdS/ZnS QDs, they revealed the existence of other parameters that affect, in addition to temperature and pressure, their response. A comprehensive study was thus conducted in order to elucidate the mechanisms behind these findings. More importantly, a methodology was defined in order to minimize these undesired influences and, in fine, enable these QDs to be used as reliable nanosensors.

This project is concerned with both the study of different Multiple Quantum Wells (MQWs) structures using the In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As material system lattice matched to InP and a systematic investigation of the properties of InAs QD systems within GaAs with the aim of achieving enhancements of solar cell performance. The key challenge is the growth of QDs solar cell structures which exhibit sufficient absorption (enhanced infrared absorption) to increase short circuit current density (Jsc) but which can still maintains a high open circuit voltage (Voc). The research consists of epitaxial growth using state-of–the-art MBE, optical absorption, photoluminescence and high resolution x-ray diffraction measurements as well as device fabrication and characterization of novel solar cell structures. Optimization was performed on these novel cells to further improve their efficiency by inserting stacks of QD into different regions of the device. The effect of localized doping of such structures was used in an attempt to maintain and enhance the open-circuit voltage which in turn increases the device efficiency. The fabricated devices were characterized using measurements of the dark/light current-voltage (I-V) characteristics and spectral response (50-480 K). Solar cell external quantum efficiencies under standard air mass (AM) 1.5 spectrum were determined and the suitability of these new cells under solar concentration were assessed. Full physical simulations are performed using SILVACO semiconductors modelling software to generate models of multi-junction solar cells that were crucial in informing iterations to growth and fabrication and help to reconcile theory with experiment. One of the key findings, of this thesis, is the fact that Intermediate band photovoltaic devices using material based on InAs/GaAs vertically stacked quantum dot arrays, can be used in applications according to specific configuration criteria such as high temperature operation conditions. The intermediate band cell, including an inter-dot doped configuration, has been found to be a potential candidate as the inter dot doping profile reduces the efficiency degradation below the GaAs values including an enhancement in the open circuit voltage. It has been proved that these devices not only have a good performance at high temperatures but also by changing the vertical stacking QD layer periodicity can enhance the short circuit current density while keeping a large open circuit voltage. It was confirmed in practical device operation that thermal energy is required to enable the intermediate band in InAs/GaAs QD materials. The impact of this works can help in the future improvements of the intermediate band solar cells based on InAs on GaAs QD. The best overall efficiency of 11.6 % obtained in this work is an excellent value for so simple devices configuration. The Si3N4, tested for the first time on InAs/GaAs QD materials, reduces the reflectance on the device surface to a value of 2% and the operational wavelength can be tuned by controlling the layer thickness. A 100 nm Si3N4 antireflective coating proved to be an excellent coating from 700 to 1000 nm. In terms of short circuit current density a 37% enhancement was achieved.

Tato diplomová práce se zabývá přípravou nanostruktur z indium arsenidu (InAs) pomocí metody molekulární svazkové epitaxe (MBE). Důraz je kladen na výrobu struktur ve formě nanodrátů na křemíkovém substrátu. V úvodní části práce je popsána motivace pro studium III-V polovodičů a konkrétně InAs. Následující kapitoly vysvětlují dva základní princpy tvorby nanodrátů. Experimentální část práce diskutuje možnost přípravy indiového katalyzátoru pro samokatalyzovaný růst InAs nanodrátů v konkrétní aparatuře MBE. Následuje prezentace výsledků růstu InAs nanodrátů mechanismem selektivní epitaxe (SAE). Nanodráty byly vyrobeny na substrátu s termálně dekomponovaným oxidem a rovněž na substrátech s litograficky připravenou oxidovou maskou.

The absorptance in vertical nanowire (nw) arrays is typically dominated by three optical phenomena: radial mode resonances, near-field evanescent wave coupling, and Fabry–Perot (F-P) mode resonances. The contribution of these optical phenomena to GaAs, InP and InAs nw absorptance was simulated using the finite element method. The study compared the absorptance between finite and semi-infinite nws with varying geometrical parameters, including the nw diameter (D), array period (P), and nw length (L). Simulation results showed that the resonance peak wavelength of the HE1n radial modes linearly red-shifted with increasing D. The absorptance and spectral width of the resonance peaks increased as L increased, with an absorptance plateau for very long nws that depended on D and P. Near-field coupling between neighbouring nanowires (nws) was observed to increase with increasing diameter to period ratio (D/P). The effect of F-P modes was more pronounced for shorter nws and weakly coupled light. Based on the collective observation of the correlation between nw geometry and optical phenomena in GaAs, InP, and InAs nw arrays, a periodic array of vertical InSb nws was designed for photodetectors in the low-atmospheric absorption window (λ = 3-5 μm) within the mid-wavelength infrared (MWIR) spectrum (λ = 3-8 μm). Simulations, using the finite element method, were implemented to optimize the nw array geometrical parameters (D, P, and L) for high optical absorptance (~0.8), which exceeded that of a thin film of equal thickness. The results further showed that the HE1n resonance wavelengths in InSb nw arrays can be tuned by adjusting D and P, thus enabling multispectral absorption throughout the near infrared (NIR) to MWIR region. Optical absorptance was investigated for a practical photodetector consisting of a vertical InSb nw array embedded in bisbenzocyclobutene (BCB) as a support layer for an ultrathin Ni contact layer. Polarization sensitivity of the photodetector was examined. Lastly, how light flux enters the nw top and sidewalls on HE11 resonance was investigated. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)