Les polaritons inter-sous-bandes, observés pour la première fois il y a une quinzaine d’années, sont des quasi-particules dont de nombreuses propriétés restent encore à découvrir. La recherche dans ce domaine se focalise actuellement sur la réalisation de condensats de Bose-Einstein. Une telle découverte pourrait révolutionner l’optoélectronique du moyen infra-rouge jusqu’au THz ouvrant la voie à l’instauration de nouveaux concepts de sources lumineuses,de détecteurs ou de systèmes logiques en couplage fort. Dans cette quête, le choix de la cavité résonnante est critique. Dans ce manuscrit nous proposons d’utiliser des cavités métal-isolant-métal (M-I-M) avec un réseau dispersif sur le métal supérieur. Ce type de cavité,conservant un confinement élevé entre les deux plans métalliques, offre de nombreuses possibilités d’ajustement de la résonance de cavité : via la géométrie de la cavité ( épaisseur de la cavité, période et recouvrement du réseau) ainsi que par le couplage de la lumière avec la cavité (vecteur d’onde incident). Les cavités M-I-M dispersives ouvrent donc un nouveau champ d’exploration des polaritons inter-sous-bande. Dans un premier temps nous avons introduit ces cavités dans le domaine du THz afin d’étudier les phénomènes de relaxation polariton-polariton. Un système expérimental dédié à cette exploration a été conçu pour mesurer la réflectivité des polaritons THz avec une fine résolution en angle. Dans une second temps, des capteurs moyen infrarouge en couplage fort avec une cavité M-I-M dispersive ont été conçus, fabriqués et mesurés dans le but d’explorer la génération de photo-courant à partir de polaritons et d’utiliser le couplage fort pour dissocier l’ énergie de détection de l’énergie d’activation. Cette seconde étude s’inscrit dans l’objectif de pompage électrique des polaritons ISB. Parallèlement à l’étude des polaritons, nous avons également participé au développement de techniques(interféromètre Gires-Tournois et revêtement anti-réflection) pour compresser les impulsions optiques de lasers à cascade quantique THz. / After fifteen years of intersubband polaritons development some of the peculiar properties of these quasi-particles are still unexplored. A deeper comprehension of the polaritons is needed to access their fundamental properties and assess their applicative potential as efficient emitters or detectors in the mid-infrared and THz.In this manuscript we used Metal-Insulator-Metal (MI-M) cavities with a top metal periodic grating as a platform to deepen the understanding of ISB polaritons.The advantages of M-I-M are twofold : first they confine the TM00 mode, second the dispersion of the cavity -over a large set of in-plane wave-vectors- offers various experimental configurations to observe the polaritons in both reflection and photo-current. We reexamined the properties of ISB polaritons in the mid-infrared and in the THz using these resonators. In the first part, we explore the implementation of dispersive M-I-M cavities with THz intersubband transitions. In the THz domain, the scattering mechanisms of the THz ISB polaritons need to be understood. The dispersive cavity is a major asset to study these mechanisms because it provides more degrees of freedom to the system. For this purpose, we fabricated a new experimental set-up to measure the polariton dispersion at liquid Helium temperature. After the characterization of the polaritons in reflectivity, a pump-probe experiment was performed on the polaritonic devices. The second part of this manuscript presents the implementation of M-I-M dispersive cavities with abound-to-quasi-bound quantum well infrared photo detector designed to detect in strong coupling. Beyond electrical probing of the polaritons, the strong coupling can disentangle the frequency of detection from the thermal activation energy and reduce the dark current at a given frequency. In parallel to the exploration of THz polaritons, we developed two techniques (Gires-Tournois Interferometer and Anti-reflection coating) in order to shorten the pulses of THz quantum cascade lasers with metal-metal waveguides.

<p>  </p> <p>Research that seeks to understand and develop the growth of III-nitride materials by molecular beam epitaxy (MBE) is beneficial to a broad range of the device community. MBE and the III-nitrides have been used to develop transistors, diodes, electroacoustic devices, solar cells, LEDs, LDs, intersubband devices, and quantum-cascade lasers. In this work we focus on the growth of III-nitride materials specifically for applications in near-infrared intersubband (NIR ISB) optical devices, however all this work is broadly applicable. </p> <p><br></p> <p>We begin by investigating the reduced indium incorporation in non-polar m-plane InGaN films. We find that InGaN grown on m-plane GaN has an effective activation energy for thermal decomposition of 1 eV, nearly half that reported for similar c-plane films. We produce high quality m-plane In0.16Ga0.84N and utilize it in AlGaN/InGaN devices designed for near-infrared ISB absorption measurements. We continue this work by exploring the growth of low-temperature AlGaN, necessary for these devices. We find that the utilization of an indium surfactant during low-temperature AlGaN growth enhances adatom diffusion, resulting in smoother surface morphologies, sharper interfaces, and reduced defects within the material. This growth method also prevents the anomalous suppression of the AlGaN growth rate, which we link to a reduction in the formation of high-aluminum containing defects. These investigations result in the demonstration of an Al0.24Ga0.76N/In0.16Ga0.84N heterostructure with a conduction band offset large enough to enable NIR ISB transitions.</p> <p><br></p> <p>Lastly, we explore the novel material ScAlN. This material’s large bandgap, large spontaneous polarization, ferroelectricity, and ability to be lattice matched to GaN at ~18% scandium composition make it an ideal candidate for a variety of devices, including NIR ISB devices. We investigate the reported temperature dependence of ScAlN’s <em>c</em>-lattice constant and confirm this dependence is present for high growth-temperature ScxAl1-xN with 0.11 < x < 0.23. We find that this temperature dependence is no longer present below a certain composition-dependent growth temperature. This finding, coupled with observations that samples grown at lower temperatures exhibit lower defect densities, smoother surfaces, and homogeneous chemical compositions suggest that high growth temperatures lead to defect generation that may cause the observed change in lattice parameters. We demonstrate lattice-matched, 50 repeat Sc0.18Al1-xN/GaN heterostructures with ISB absorption in excess of 500 meV with FWHM as little as 45 meV. </p>

Monte Carlo method for the simulation of hole dynamics in degenerate valence subbands of cubic semiconductors is developed. All possible intra- and inter-subband scattering rates are theoretically calculated for Ge, Si, and GaAs. A far-infrared laser concept based on intersubband transitions of holes in p-type periodically delta-doped semiconductor films is studied using numerical Monte-Carlo simulation of hot hole dynamics. The considered device consists of monocrystalline pure Ge layers periodically interleaved with delta-doped layers and operates with vertical or in-plane hole transport in the presence of a perpendicular in-plane magnetic field. Inversion population on intersubband transitions arises due to light hole accumulation in E B fields, as in the bulk p-Ge laser. However, the considered structure achieves spatial separation of hole accumulation regions from the doped layers, which reduces ionized-impurity and carrier-carrier scattering for the majority of light holes. This allows remarkable increase of the gain in comparison with bulk p-Ge lasers. Population inversion and gain sufficient for laser operation are expected up to 77 K. Test structures grown by chemical vapor deposition demonstrate feasibility of producing the device with sufficient active thickness to allow quasioptical electrodynamic cavity solutions. The same device structure is considered in GaAs. The case of Si is much more complicated due to strong anisotropy of the valence band. The primary new result for Si is the first consideration of the anisotropy of optical phonon scattering for hot holes.

Der Quantenkaskadenlaser (QCL) ist ein unipolares Intersubbandbauelement dessen Funktionsweise auf Übergängen zwischen dem ersten angeregten Zustand und dem Grundzustand in einem Quantentopf (quantum well, QW) beruht. Er wurde im Jahre 1974 von Kazarinov und Suris theoretisch vorhergesagt und erstmals 1994 von Faist et al. experimentell realisiert. Das Elektron verlässt nach dem Laserübergang nicht das Leitungsband und kann somit durch ein angelegtes elektrisches Feld in die nächste aktive Zone transferiert werden, wo es wiederum einem Laserübergang untergehen kann. Schliesslich, nach einer Reihe solcher Kaskadenprozesse, emittiert ein einzelnes Elektron viele Photonen; dies definiert die hohe Quanteneffizienz der QCLs. Das Hauptproblem bei der kaskadierten Benutzung von aktiven Regionen ist ein schneller Elektronentransport zwischen den emittierenden QWs mithilfe des sogenannten Injektors. Ein schneller Transport der Ladungsträger ist notwendig um das obere Laserniveau zu populieren und das untere zu depopulieren, womit die für die stimulierte Emission notwendige Besetzungsinversion erreicht werden kann. Zur Gewährleistung des schnellen Transports im Injektor ist die Verwendung von Materialien mit einer geringen effektiven Masse naheliegend. Unter den technologisch wichtigen III-V Verbindungen besitzt InAs die geringste elektronische effektive Masse von 0.023m0 (wobei m0 die Masse des freien Elektrons ist). Die binäre Verbindung mit der nächst grösseren effektiven Masse ist GaAs mit m*=0.067m0. Bisher wurden QCLs in beiden, InAs und GaAs und weiterhin im ternären InGaAs basierten QW Materialsystem realisiert. Gegenwärtig zeigen QCLs einen hohen Grad der Reife; hohe Lichtleistung, Dauerstrichbetrieb und Betrieb bei Raumtemperatur sowie Oberflächenemission wurden erzielt. Der von den QCLs abgedeckte spektrale Bereich erstreckt sich von 3.5 Mikrometer bis zu 87 Mikrometer. Trotz des hohen Reifegrades ist der Quantenkaskadenlaser immernoch in der Entwicklung. Speziell die Erweiterung des spektralen Bereichs ist für viele Anwendungen essentiell. Enorme Fortschritte bei der Erweiterung hin zu grösseren Wellenlängen wurden in den letzten Jahren erzielt, dennoch ist der kurzwellige Rekord von 3.5 Mikrometer aus dem Jahre 1998 bisher ungebrochen. Nichtsdestotrotz besitzt der QCL auch im nahen Infrarot das Potential den konventionellen Interbandlaser zu übertreffen. Neben dem Wettstreit um Schwellströme und Ausgangsleistungen, ist aufgrund der andersartigen Physik des Laserüberganges eine verbesserte Anwendungsmöglichkeit im Bereich des schnellen optischen Schaltens zu erwarten. Die Herausforderung im Bereich der kurzwelligen QCLs liegt in der beschränkten Leitungsbanddiskontinuität (CBO) zwischen Quantentopf- und Quantenbarrierenmaterial. Um zwei gebundene elektronische Eigenzustände innerhalb der Quantentöpfe der aktiven Zone zu gewährleisten, wird eine grosse Leitungsbanddiskontinuität benötigt. Weiterhin kann nur so eine ausreichend hohe Barriere zwischen den angeregten Zuständen und dem klassischen Zustandskontinuum bei angelegtem elektrischen Feld erreicht werden. Neben der Notwendigkeit des grossen CBO sollte das Barrierenmaterial eine direkte Bandlücke aufweisen oder zumindest der angeregte Zustand in der aktiven Zone unterhalb des niedrigsten Leitungsbandes des Barrierenmaterials liegen. Mit der Einschränkung bezüglich der Gitterkonstanten von Quantentopf und -barrierenmaterial für ein koh ärentes Wachstum auf einem bestimmten Substrat, endet man bei nur einer Hand voll vielversprechender Materialkombinationen für die Anwendung in QCLs. Das grösste CBO für Materialien mit direkter Bandlücke findet man bei InGaAs/InAlAs. Wir erzielen 520 meV für die ternäre an InP gitterangepasste und 740 meV für die spannungskompensierte In(0.70)Ga(0.30)As/In(0.40)Al(0.60)As Kombination. Unter den Barrierenmaterialien mit indirekter Bandlücke ist die Kombination InAs/AlSb auf GaSb oder InAs mit 2.1 eV CBO im Gamma-valley sehr vielversprechend. Quantenkaskadenlaser basierend auf diesem Materialsystem mit Emission bei 10 Mikrometer wurden kürzlich von Ohtani and Ohno realisiert. Jedoch wurde im kurzwelligen Bereich um 4 und 3 Mikrometer in diesem System bisher nur spontane Emission beobachtet. Damit ist es bis heute ein offene Frage, welches Materialsystem tatsächlich das geeignetste für die Anwendung in kurzwelligen QCLs sein wird und ob es überhaupt möglich sein wird, ihren Wellenlängenbereich auf die Telekommunikationswellenlänge von 1.55 Mikrometer auszuweiten, was zweifellos die grösste Herausforderung darstellt. Oberflächenemission von QCLs ist bisher mittels der Aufbringung einer Rippenstruktur mit kurzer Periode auf der Oberfläche der Laserstreifen erreicht worden. Die Möglichkeit einer Polarisation in der Fläche mithilfe selbstorganisierter Quantenpunktstrukturen innerhalb der aktiven Zone ist ein aktuelles Thema innerhalb der QCL-Gemeinschaft, aber bisher noch unerreicht. Die Kombination aus feldinduzierten Minibändern aus elektronischen Zuständen in konventionellen QCLs und diskreten atomartigen Zuständen in Quantenpunkten ist eine kreative und gleichzeitig widersprüchliche Idee. Dennoch vereint dieses Thema ein gewaltiges Interesse sowohl von theoretischer als auch experimenteller Seite innerhalb der QCL-Gemeinschaft. Diese Arbeit ist der Erweiterung der Materialvielfalt für die Herstellung von Quantenkaskadenlasern gewidmet. Die Mission dieser Forschungsarbeit ist - die Grenzen im Gebrauch des spannungskompensierten Designs des klassischen InGaAs/InAlAs Materialsystems auf InP für kurzwellige Emission auszuloten; - die Möglichkeiten kurzwelliger Intersubbandemission in einer der extraordinären Materialkombinationen für die QCL-Anwendung zu erforschen: spannungskompensiertes InGaAs/InGaP auf GaAs; Die Quintessenz der gesamten Forschungsarbeit besteht in der spannungskompensierten Herangehensweise und den InGaAs enthaltenden Materialsystemen für die Anwendung in Quantenkaskadenlasern. Die Arbeit ist wie folgt strukturiert: Kapitel 1: Die vorliegende Einführung. Kapitel 2: Kurzer überblick der Eigenschaften von Intersubbandübergängen und der Grundlagen der QCL-Funktionsweise. In diesem Kapitel wird eine Einführung in die Eigenschaften von Intersubbandübergängen und den Minibandtransport gegeben. Dieses Kapitel unterstreicht den physikalischen Unterschied von Intersubbandübergängen und Transport zum Fall der Interbandübergnge und gibt eine Einführung in die vorteilhaften Eigenschaften der Intersubbandbauelemente. Weiterhin wird eine Einführung in die Physik des Quantenkaskadenlasers und eine übersicht der Designvielfalt der aktiven Zone gegeben. Im Speziellen wird auf die unterschiedlichen Strategien bei der Erzielung der Besetzungsinversion eingegangen. Kapitel 3: Experimentelles Kapitel. Das 3. Kapitel fasst die erzielten eigenen Ergebnisse innerhalb des InGaAs/InAlAs Materialsystems auf InP zusammen. Dabei konzentriert es sich auf extreme Fälle des spannungskompensierten Designs welche die Realisierung kurzwelliger übergänge zum Ziel haben. Kapitel 4: Experimentelles Kapitel. Im 4. Kapitel werden die erzielten eigenen Ergebnisse innerhalb des InGaAs/InGaP Materialsystems dargestellt. Das InGaAs/InGaP Materialsystem auf GaAs wurde unseres Wissens zuvor füür Intersubbandbauelemente weder benutzt noch vorgeschlagen. Das Kapitel beschreibt den gesamten Verlauf, beginnend mit dem Probenwachstum über grundlegende Materialstudien, bis hin zum Design der QC-Teststruktur und deren Fabrikation. Kapitel 5: Hierin wird die Zusammenfassung der erzielten eigenen Ergebnisse und daraus resultierenden Schlussfolgerungen gegeben. / Quantum cascade lasers, QCL, are unipolar intersubband devices, which work on transitions between the first excited and the ground state in quantum wells, QW. They where predicted theoretically by Kazarinov and Suris 1974, and realized experimentally for the first time by Faist et al. 1994. Electron does not leave the conduction band after the lasing transition in QCL. And therefore it can be used again in the next active region, where it can be transferred due to applied electric field. Finally, after a number of such cascade processes, single electron emits many photons, which defines a high quantum efficiency of QCLs. The key issue in use of cascaded active regions is a fast electron transport in between the emitting QWs (so called, injector region). Fast carrier transfer is needed on the one hand to effectively populate the upper lasing state in active region QW and on the other hand to quickly depopulate the lower lasing state. So that population inversion, necessary for stimulated emission, is achieved. To provide the fast transport in injector region it is likely to deal with materials with a low effective mass. Among the variety of technologically important III-V compounds InAs has the lowest electron effective mass of 0.023m0 (where m0 is the free electron mass). Next low effective mass binary material after InAs is GaAs with m*=0.067m0. Up to now QCLs are realized on both, InAs- and GaAs- as well as ternary InGaAs-based-QW material systems. Currently QCLs show a high level of maturity. High power, cw-operation and room temperature operation as well as surface emission are achieved. Spectral range, covered by QCLs, extends from 3.5 micrometer up to 87 micrometer. Despite of the high level of maturity, QCLs are still under development. In particular, extension of the spectral range of operation is likely for many applications. Tremendous progress was achieved last years in long wavelength range extension of QCLs. However, the short wavelength record of 3.5 micrometer has not been beaten since 1998. Nevertheless, QCLs has a potential to outperform conventional interband lasers also in near infrared spectral range. Apart from competition in threshold current densities and output power, QCLs are expected to be better in fast optical switching operation due to different physics of lasing transitions. The challenge of short wavelength QCLs is a limited conduction band edge offset, CBO, between the quantum well and barrier material. High CBO is needed to confine two quantized electron states in active region QW and to provide sufficient barrier between the excited state and classical continuum of states above the barrier material conduction band edge under applied electric field. More over, despite of high CBO demand, barrier should be the direct band gap material, or at least, the upper lasing state in active region should lay below the lowest conduction band valley in the barrier material. Together with restriction on the lattice constant of both, well and barrier materials, for coherent growth on a certain substrate, we end up with very few promising material combinations for QCL application. The highest CBO for direct band gap materials combination we find in InGaAs/InAlAs. We obtain 520 meV for lattice matched to InP ternaries and about 740 meV for strain-compensated In(0.70)Ga(0.30)As/In(0.40)Al(0.60)As combination. Among the indirect barrier material combinations, very promising is InAs/AlSb on GaSb or InAs with 2.1 eV CBO in gamma-valley. QCL emitting at 10 micrometer has been recently realized on this material system by Ohtani and Ohno. However, at short wavelength, 4 and 3 micrometer, only spontaneous emission is obtained in this material system up to now experimentally. So up to now, it is still an open question, which material system is going to be most suitable for short wavelength QCL application. And it is still an open question, if it is possible at all to extend the operation wavelength of QCLs to the most challenging 1.55 micrometer telecommunication wavelength. Surface emission is achieved in QCLs up to now by manufacturing of the short period grating on the top of the planar laser stripe. The possibility of in-plane polarized emission involving self organized quantum dot structures into the QCL active region is a hot topic in QCL community, but it is not achieved experimentally up to now. Combining the field induced minibands of electron states in conventional QCLs together with discrete atom-like states in QDs is a creative and at the same time contradictive idea. Nevertheless, this topic attracts a huge interest from both, theoretical and experimental, side of QCL community. This work is dedicated to make a step forward in extension of material variety used for QCL fabrication. The mission of this research is - to find out the limits of use of strain-compensated designs on classical InGaAs/InAlAs material system on InP to achieve the short wavelength generation; - to discover the possibilities of short wavelength intersubband generation in one of extraordinary material combinations for QCL application: strain-compensated InGaAs/InGaP on GaAs; The bottom line of the whole research is strain compensation approach and InGaAs containing material systems for QCL application. Present work consist of: Chapter 1: The current introduction. Chapter 2: Brief overview of intersubband transitions properties and the basics of QCL action. In the overview-chapter an introduction into the properties of intersubband transitions and miniband transport is given. This chapter underlines the difference in physics of intersubband transitions and transport comparing to the case of interband transitions; and gives an introduction into the advantageous properties of intersubband devices. This chapter gives an introduction into the quantum cascade laser physics and overview on variety of active region designs. This chapter is, specially, dedicated to point out different ways of achieving the population inversion in each QCL active region approach. Chapter 3: Experimental chapter. Third chapter describes obtained original results on InGaAs/InAlAs material system on InP during the present work. It concentrates on extreme cases of strain-compensated designs for achieving the short wavelength transitions. Chapter 4: Experimental chapter. Forth chapter describes obtained original results on InGaAs/InGaP material system. InGaAs/InGaP material system on GaAs was never before, up to our knowledge, proposed or used for intersubband devices. So, the chapter describes all the way from the sample growth issues and basic study of this material up to QC test-structure design and fabrication. Chapter 5: Here, the summary of obtained original results and conclusions are given.

Les transitions intersousbandes dans les hétérostructures de nitrure d’éléments III ont été intensément étudiées dans le proche infrarouge pour des applications télécoms. L’accordabilité dans le proche infrarouge est rendu possible grâce à la discontinuité de potentiel en bande de conduction qui peut atteindre 1.75 eV pour le système GaN/AlN. Les matériaux nitrures suscitent actuellement un grand intérêt à plus grande longueur d'onde infrarouge. C'est par exemple le développement de détecteurs et d'imageurs rapides à cascade quantique dans la gamme 2-5 µm. C'est aussi l'extension des dispositifs intersousbandes dans le domaine de fréquences THz. Ce travail de thèse porte sur l’étude des transitions intersousbandes dans les puits quantiques GaN/Al(Ga)N épitaxiés par jets moléculaires. Le but est d’accorder ces transitions dans une gamme spectrale très large allant du proche au lointain infrarouge. Je montre que les transitions ISB peuvent être accordées dans la gamme 1-12 µm dans les puits quantiques GaN/AlGaN en phase hexagonale synthétisés selon l'axe polaire c [0001]. Ceci impose l'ingénierie du champ électrique interne, dont la valeur peut atteindre dans le GaN 10 MV/cm. Une solution alternative consiste à utiliser une orientation particulière, dite semipolaire, qui conduit à une réduction du champ électrique interne le long de l'axe de croissance [11-22]. J’ai montré que cette réduction du champ interne permet d’accorder les résonances intersousbandes des puits quantiques GaN/AlN dans le proche infrarouge et j’ai pu estimer le champ en comparant les résultats de spectroscopie et simulations. J’ai d’autre part étudié les propriétés interbandes et intersousbandes des puits quantiques de symétrie cubique, qui par raison de symétrie, ne présentent pas de champ électrique interne. Finalement j’ai mis en évidence les premières transitions intersousbandes aux fréquences THz dans les puits quantiques GaN/AlGaN polaires mais aussi cubiques. / Most of the research on GaN-based intersubband transitions has been focused on near-infrared applications, benefiting from the large conduction band offset between GaN and AlN1.75 eV. Devices such as all-optical switches, electro-optical modulators, quantum cascadedetectors, or light emitters have been demonstrated at short infrared wavelengths. Nitridematerials are currently attracting a great interest at longer infrared wavelengths, for example, forthe development of high-speed quantum cascade detectors and imagers in the range 2-5 µm. Inaddition, there is a great interest to extend the operation of nitride intersubband devices to theTHz frequency range especially for the development of quantum cascade lasers operating at non-cryogenic temperature.This work is focused on the study of intersubband transitions in GaN/Al(Ga)N quantumwells grown by molecular beam epitaxy. The goal is to tune these transitions in a broad spectralrange, from near to far infrared. I show that intersubband transitions may be tuned withinthe range 1-12 µm in the polar GaN/AlGaN quantum wells. This requires the engineering of theinternal electric fields, which can be as high as 10 MV/cm in GaN/AlN quantum wells. Analternative approach is to use a particular orientation, known as semipolar, which leads toa reduction of the internal electric field along the growth axis [11-22]. I show that this reductionof the internal field induces a redshift of the intersubband energy allowing to reach the mid-infrared domain. I was able to estimate the electric field in semi-polar structures by comparingthe results of spectroscopy and simulations. I also investigate interband andintersubband optical properties of cubic GaN/AlN quantum wells, for which the internal field isabsent due to the high symmetry of the cubic crystal. Finally, I report the first observation of theintersubband absorption at terahertz frequencies in polar GaN/AlGaN step quantum wells andin cubic quantum wells.

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.

La demande croissante en composants optoélectroniques de taille réduite, rapides, de faible puissance et à faible coût oriente la recherche vers des sources et détecteurs de radiation ayant une dimension inférieure à la longueur d'onde émise/détectée. Cette dernière est entravée par la limite de diffraction qui fixe la dimension minimale des dispositifs optiques à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement. A l'inverse, les dispositifs électroniques, tels que les antennes et les oscillateurs, ne sont pas limitée en taille et leur fréquence peut être accordée par des composants discrets. Par conséquent, unifier les mondes de la photonique et de l'électronique permettrait de concevoir de nouveaux dispositifs optoélectroniques sans limitation de taille imposée par la longueur d'onde et ayant des fonctionnalités empruntées aux circuits électroniques. La région spectrale idéale pour développer ce paradigme est la gamme térahertz (THz), à mi-chemin entre les domaines de l'électronique et de l'optique. Dans la première partie de ces travaux, nous présentons de nouveaux micro-résonateurs sub-longueur d’onde en 3D qui fonctionnent comme des circuits LC microscopiques et où la fréquence de résonance peut être accordée en agissant séparément sur la région capacitive et/ou inductive. Dans la deuxième partie, nous illustrons la puissance de cette approche en réalisant de nouveaux méta-dispositifs THz passifs (polaritoniques, commutables optiquement, optiquement actifs) basés sur des composants discrets. La dernière partie de cette thèse est consacrée aux méta-dispositifs actifs. Des photodétecteurs THz à puits quantiques ayant une dimension ≈λ eff /10, en configuration objet unique et réseau sont démontrées, grâce à un schéma de contact efficace et originale pour extraire (injecter) un courant depuis (dans) le cœur semi-conducteur intégré dans chaque résonateur. Enfin, une étude de faisabilité d'un laser sub-longueur d’onde aux fréquences THz est présentée. / The need for small, fast, low-power and low-cost optoelectronic components is driving the research towards radiation sources and detectors having a dimension that is smaller than the emitted/detected wavelength. This is hampered by the optical diffraction limit which constrains the minimum dimension of optical devices at half the operating wavelength. Conversely, electronic devices, such as antennas and oscillating circuits, are not diffraction-limited in size and can be frequency tuned with lumped components. Hence, blending the worlds of photonics and electronics has the potential to enable novel optoelectronic devices with no lower size limit imposed by the wavelength, and with novel functionalities borrowed from electronic circuits. The ideal spectral region to develop this paradigm is the terahertz (THz) range, halfway between the electronics and optics realms. In the first part of this work, we present novel subwavelength 3D micro-resonators that behave as microscopic LC circuits, where the resonant frequency can be tuned acting separately on the capacitive and/or inductive regions. In the second part we illustrate the power of this concept by implementing novel lumped-elements-based passive THz meta-devices (polaritonic, optically switchable, optically active). The last part of this thesis is devoted to active meta-devices. Single-pixel and arrays of THz quantum well photodetectors featuring a ≈λeff/10 dimension are demonstrated, thanks also to an effective and original contact scheme to extract (inject) current from (into) the semiconductor core embedded by each resonator. Finally, a feasibility study of a subwavelength laser at THz frequencies is reported.

Les dispositifs optoélectroniques sont importants pour nombreuses applications de la vie de tous les jours : ordinateurs, téléphones, les objets connectés en général. La gamme spectrale du THz (0.1-10 THz) reste cependant un domaine industriellement peu exploité en raison de problèmes intrinsèques à la génération et détection des photons THz.De nombreuses applications relèvent pourtant du THz, dans les domaines médicaux par exemple, pour la détection des gaz à l’état de trace, ou bien pour l’imagerie d’objets opaques dans le visible.Cette thèse se focalise sur les photodétecteurs à puits quantiques (QWIPs) et les lasers à cascade quantique (QCLs) fonctionnant dans la gamme du THz dans le but de développer des dispositifs compacts, rapides et sensibles (mais fonctionnant à températures cryogéniques). Nous avons utilisé des résonateurs à anneau fendu, inspirés des travaux sur les métamatériaux, pour concevoir et développer des détecteurs sub-longueur d’onde accordables en fréquence dans la gamme spectrale du térahertz grâce à une inductance externe. En ce qui concerne les émetteurs, cette thèse étudie les micro-lasers THz qui utilisent des résonateurs de type microdisques, avec pour but de concevoir et fabriquer des lasers fonctionnant sur le mode électromagnétique fondamental. Les futures perspectives de ce travail concernent la réalisation d’un laser entièrement sub-longueur d’onde et rapide dans la gamme spectrale du THz. / Optoelectronic devices are crucial for many applications in everyday life: computers, smartphones, connected objects in general.The THz range (0.1-10 THz) still remains industrially unexploited because of the intrinsic difficulties to produce or generate THz photons. However, many applications exist for THz radiation : in the medical field for example, for the sensitive detection of gases, or for the imaging of concealed objects in the visible range.This thesis focuses on quantum well photodetectors (QWIPs) and quantum cascade lasers (QCLs) operating in the THz range in order to develop compact, fast and sensitive devices (but operating at cryogenic temperatures).We used Split Ring Resonators (SRR), inspired by metamaterial research, in order to design and develop subwavelength tunable THz detectors with an external inductance.Concerning lasers, this thesis studies THz micro-lasers using microdisk resonators with the aim of designing and manufacturing lasers operating on the fundamental electromagnetic mode (dipolar mode). The future perspective of this work is to build an entirely sub-wavelength and fast laser in the THz spectral range.

In dieser Arbeit untersuchen wir die ultraschnelle Dynamik von Ladungsträgern und kohärenten Intersubbandpolarisationen in quasi-zweidimensionalen Halbleiternanostrukturen und Halbleiterbauelementen. Insbesondere werden n-Typ modulationsdotierte multiple Quantentöpfe und Quantenkaskadenlaserstrukturen basierend auf dem Materialsystem GaAs/AlGaAs mit der Methode der ultraschnellen Spektroskopie im mittleren Infrarot (3-20 mu) studiert. Ein neuartiger experimenteller Aufbau ist entwickelt worden, der zum ersten Mal das phasen- und amplitudenkontrollierte Formen von ultraschnellen Feldtransienten im mittelinfraroten Spektralbereich erlaubt. Wir untersuchen die Möglichkeit der kohärenten Kontrolle von Intersubbandübergängen. Amplituden- und phasenkonntrollierte Feldtransienten im mittleren Infrarot, die mit unserer neuen Laserquelle erzeugt werden, induzieren resonante Intersubbandanregungen in n-Typ modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Quantentöpfen. Die transmittierten elektrischen Feldtransienten werden mit Hilfe des ultraschnellen elektro-optischen Abtastverfahrens gemessen. Unter Anwendung zweier phasengekoppelter Mittinfarotpulse variabler relativer Phase zeigen wir erstmalig die kohärente Kontrolle an linearen Intersubbandpolarisationen mit Dephasierungszeiten unterhalb einer Pikosekunde. Eine Sättigung von mehr als 0.2 wird bei einer Mittinfrarotpulsenergie von nur 1 pJ erreicht. Es wird erstmalig ein direktes, zeitaufgelöstes Experiment an elektrisch betriebenen Quantenkaskadenstrukturen vorgestellt. Diese Untersuchung ermöglicht den Einblick in die Dynamik des Elektronentransports, der mit stationären Methoden nicht meßbar ist. Der ultraschnelle Quantentransport der Elektronen vom Injektor durch die Injektionsbarriere in das obere Lasersubband wird in Femtosekunden-Mittinfrarot-Anreg-Abtast-Experimenten untersucht. Auf diese Weise beobachten wir die ultraschnelle Sättigung und die nachfolgende Wiederherstellung des elektrisch induzierten Gains. Wir beobachten ausgeprägte Gainoszillationen bei angelegtem Vorwärtsstrom und an spektralen Positionen am Gainmaximum. Dies ist ein direkter Beweis für eine kohärente Wellenpaketspropagation vom Injektor in das obere Lasersubband mittels resonantem Tunneln trotz der hohen Ladungsträgerdichte in Quantenkaskadenlasern. Nach der Sättigung ist der elektrisch induzierte Gain bei niedrigen Gitter- und Ladungsträgertemperaturen innerhalb einer Pikosekunde vollständig wiederhergestellt. / In this thesis we investigate the ultrafast dynamics of carriers and coherent intersubband polarizations in quasi-two-dimensional semiconductor nanostructures and devices. In particular, we study n-type modulation doped multiple quantum wells and quantum cascade laser structures based on the GaAs/AlGaAs material system using ultrafast spectroscopy in the mid-infrared spectral range (3-20 mu). A novel experimental setup is developed allowing for the first time the controlled phase and amplitude shaping of ultrafast field transients in the mid-infrared wavelength range. We study the feasibility of coherent nonlinear control of intersubband polarizations. Amplitude and phase-controlled mid-infrared field transients from our new laser source induce resonant intersubband excitations in n-type modulation doped GaAs/AlGaAs quantum wells. The transmitted electric field transients are directly measured by ultrafast electro-optic sampling. We demonstrate for the first time coherent control of linear intersubband polarizations with subpicosecond dephasing times by applying two phase-locked pulses with variable relative phase. A saturation of the intersubband excitation by more than 0.2 is achieved with mid-infrared pulses of only 1 pJ pulse energy. We present for the first time a direct time-resolved experimental study on electrically driven quantum cascade laser structures. These studies provide insight into the dynamics of electron transport, which can not be obtained by stationary measurements. The ultrafast quantum transport of electrons from the injector through the injection barrier into the upper laser subband is investigated in femtosecond mid-infrared pump-probe experiments. In this way we directly monitor the ultrafast saturation and subsequent recovery of electrically induced gain. For forward bias and spectral positions around the gain maximum we observe pronounced gain oscillations. This gives direct evidence for a coherent wave packet motion from the injector into the upper laser subband via resonant tunneling even at the high electron density present in a quantum cascade laser structure. After saturation the electrically induced gain is completely recovered within 1 ps at low lattice and carrier temperatures.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Terahertz-Quantenkaskadenlasern (THz-QCLs) für die Anwendung als Lokaloszillator in THz-Heterodyndetektoren, insbesondere für die Detektion der astronomisch wichtigen Sauerstoff (OI) Linie bei 4.75 THz. Hierfür wurden zunächst unterschiedliche QCL-Heterostrukturen untersucht. Basierend auf einer Heterostruktur, welche schnelle Intersubbandübergänge über Streuung an Phononen ausnutzt, konnten QCLs mit hoher Ausgangsleistung und niedriger Betriebsspannung bei 3 THz erzielt werden. Während diese Laser auf dem Materialsystem GaAs/Al_xGa_(1-x)As mit $x=0.15$ basieren, führt die Erhöhung des Al-Anteils auf x=0.25 für ähnliche Strukturen zu sehr niedrigen Schwellstromdichten. Durch schrittweise Optimierungen gelang es, QCLs zu realisieren, die bei 4.75 THz emittieren. Mit Hilfe von lateralen Gittern erster Ordnung für die verteilte Rückkopplung (DFB) konnten Einzelmoden-Dauerstrichbetrieb mit hoher Ausgangsleistung, sowie Einzelmoden-Betrieb innerhalb des spezifizierten Frequenzbereichs bei 4.75 THz erzielt werden. Eine allgemeine Methode zur Bestimmung der DFB-Kopplungskonstanten erlaubt eine gute Beschreibung der Laser innerhalb der etablierten Theorie der gekoppelten Moden für DFB-Laser mit reflektiven Endfacetten. Oft steht das Auftreten negativer differentieller Leitfähigkeit bei höheren Feldstärken und die damit verbundenen Bildung von elektrischer Felddomänen (EFDs) im Konflikt mit einem stabilen Betrieb der THz-QCLs. Es wird gezeigt, dass stationäre EFDs mit Diskontinuitäten in der statischen Licht-Strom-Spannungskennlinie verbunden sind, während Selbstoszillationen, verursacht durch nicht-stationäre EFDs, eine zeitliche Modulation der Ausgangsleistung bewirken. Mit Hilfe einer effektiven Driftgeschwindigkeit für QCLs lassen sich viele der beobachteten Phänomene durch die nichtlinearen Transportgleichungen für schwach gekoppelte Übergitter beschreiben. / This thesis presents the development and optimization of terahertz quantum-cascade lasers (THz QCLs) as sources for heterodyne receivers. A particular focus is on single-mode emitters for the heterodyne detection of the important astronomic oxygen (OI) line at 4.75 THz. Various active-region designs are investigated. High-output-power THz QCLs with low operating voltages and emission around 3 THz are obtained for an active region, which involves phonon-assisted intersubband transitions. While these QCLs are based on a GaAs/Al_xGa_(1-x)As heterostructure with x=0.15, similar heterostructures with x=0.25 allowed for very low threshold current densities. By successive modifications of the active-region design, THz QCLs have been optimized toward the desired frequency at 4.75 THz. To obtain single-mode operation, first-order lateral distributed-feedback (DFB) gratings are investigated. It shows that such gratings allow for single-mode operation in combination with high continuous-wave (cw) output powers. A general method is presented to calculate the coupling coefficients of lateral gratings. In conjunction with this method, the lasers are well described by the coupled-mode theory of DFB lasers with two reflective end facets. Single-mode operation within the specified frequency bands at 4.75 THz is demonstrated. Stable operation of THz QCLs is often in conflict with the occurrence of a negative differential resistance (NDR) regime at elevated field strengths and the formation of electric-field domains (EFDs). Stationary EFDs are shown to be related to discontinuities in the cw light-current-voltage characteristics, while non-stationary EFDs are related to current self-oscillations and cause a temporal modulation of the output power. To model such effects, the nonlinear transport equations of weakly coupled superlattices are adopted for QCLs by introducing an effective drift velocity-field relation.