Les polaritons de cavité sont des quasi-particules, partiellement matière-t partiellement lumière, crées lors du couplage fort d'un exciton et d’un photon de cavité. A une certaine température et densité de particules, les polaritons de cavité peuvent subir une transition de phase de type quasi-Bose-Einstein et condenser dans l'état de plus basse énergie du système; dans ces conditions, la cavité émet de la lumière cohérente et le dispositif associé est appelé laser à polaritons. ZnO est l'un des matériaux les plus adaptés pour la fabrication des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante, en raison de ses excellentes propriétés excitoniques. Cependant, des difficultés techniques ont empêché la réalisation de microcavités à base de ZnO pendant longtemps. Dans cette thèse nous présentons la fabrication de microcavités à base de ZnO par deux approches différentes, ce qui a permis de surmonter les difficultés technologiques existantes et ont permis d'obtenir des figures de mérite avec des valeurs records (pour le facteur de qualité ainsi que pour l’éclatement de de Rabi). Des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante ont été démontré dans les deux cas. Dans la microcavité entièrement hybride, des condensats de polaritons ont été étudiés dans une gamme de désaccord exciton-photon sans précédents, et de basse température à température ambiante; ceci a permis d'obtenir, pour la première fois, un diagramme de phases complet. Cette thèse ouvre la voie à une polaritonique appliquée fonctionnant à température ambiante. / Cavity polaritons are quasi-particles, partially light partially matter, resulting from the strong-coupling of an exciton and a cavity photon. At a certain temperature and particle density, cavity polaritons can go through a quasi-Bose-Einstein phase transition and condense at the lowest energy state of the system; in this situation the cavity emits coherent light and the associated device is termed polariton laser. ZnO is one of the most adapted materials for fabricating room temperature polariton lasers, due to its excellent excitonic properties. However, technical difficulties have been preventing the achievement of ideal ZnO microcavities for a long time. In this thesis we report the fabrication of high quality ZnO microcavities with two different approaches, which overcome the existing technical challenges and allow to achieve a record cavity quality factor and large Rabi splittings. Room temperature polariton lasing has been demonstrated in both cases. In a fully-hybrid ZnO microcavity, polariton condensates were studied within an unprecedented range of exciton-photon detunings, and from low to room temperature. This tunability has enabled to obtain, for the first time, a complete condensation phase diagram for ZnO-based microcavities, wherein the exciton fraction of the polaritons has been tuned between 17% to 96%, corresponding to a modification of the exciton-polariton mass, its lifetime and its interaction constant by 1 order of magnitude. This thesis paves the way for implementing a polariton-based technology operating at room-temperature.

Les polaritons de cavité sont des quasi-particules, partiellement matière-t partiellement lumière, crées lors du couplage fort d'un exciton et d'un photon de cavité. A une certaine température et densité de particules, les polaritons de cavité peuvent subir une transition de phase de type quasi-Bose-Einstein et condenser dans l'état de plus basse énergie du système; dans ces conditions, la cavité émet de la lumière cohérente et le dispositif associé est appelé laser à polaritons. ZnO est l'un des matériaux les plus adaptés pour la fabrication des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante, en raison de ses excellentes propriétés excitoniques. Cependant, des difficultés techniques ont empêché la réalisation de microcavités à base de ZnO pendant longtemps. Dans cette thèse nous présentons la fabrication de microcavités à base de ZnO par deux approches différentes, ce qui a permis de surmonter les difficultés technologiques existantes et ont permis d'obtenir des figures de mérite avec des valeurs records (pour le facteur de qualité ainsi que pour l'éclatement de de Rabi). Des lasers à polaritons fonctionnant à température ambiante ont été démontré dans les deux cas. Dans la microcavité entièrement hybride, des condensats de polaritons ont été étudiés dans une gamme de désaccord exciton-photon sans précédents, et de basse température à température ambiante; ceci a permis d'obtenir, pour la première fois, un diagramme de phases complet. Cette thèse ouvre la voie à une polaritonique appliquée fonctionnant à température ambiante.

Ce manuscrit est consacré à la physique des polaritons dans deux matériaux semiconducteurs à grand gap : ZnO et GaN. Les paramètres polaritoniques de ces matériaux ont été déterminés avec précision grâce à une étude combinant différentes techniques spectroscopiques linéaires et non-linéaires (réflectivité continue, autocorrélation, photoluminescence et mélange à quatre ondes dégénérées). L’interprétation de ces résultats conduit à une meilleure compréhension des processus d’interaction au sein du semiconducteur : le rôle important des interactions polariton-phonon LO dans l’élargissement polaritonique a notamment pu être mis en évidence. Ce travail effectué sur des échantillons massifs est indispensable pour mener au mieux l’étude de l’effet laser à polaritons dans des microcavités présentée dans la seconde partie de ce manuscrit. Pour cette étude, deux microcavités massives semblables, une à base de ZnO l’autre de GaN, ont été réalisées. Les qualités photoniques de ces structures sont à l’état de l’art : elles présentent un bon facteur de qualité (Q ≈ 1000) et un faible désordre photonique. Le régime de couplage fort ainsi que l’effet laser à polaritons sont observés jusqu'à température ambiante. Enfin, l’établissement de diagrammes de phases permet de mettre en exergue le rôle important des phonons LO dans l’abaissement du seuil laser. / This manuscript is devoted to the physics of polaritons in two wide band gap semiconductor : ZnO and GaN. The polaritonic parameters of these materials have been accurately determined through a study which combines linear and non-linear spectroscopies (continuous reflectivity, autocorrelation, photoluminescence and degenerate four-wave mixing). The interpretation of these results lead to a better understanding of the interaction processes in the semiconductor : the important role played by the polariton-LO phonon interactions in the polaritonic damping is highlighted and particularly for ZnO. This preliminary work on bulk samples is essential for a suitable study of polariton lasing in microcavities like it is presented in the second part of this manuscript. For this study, two similar microcavities, one based on ZnO and another on GaN. The photonic properties of these structures are at the state of the art : they have a good quality factor (Q ≈ 1,000) and have a low photon disorder. The strong coupling regime and the polariton lasing are observed to room temperature. Finally, the establishment of phase diagrams allows to highlight the important role of LO phonons in reduction of the laser threshold.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale par spectroscopie optique de l'interaction lumière-matière dans des microcavités à base d'oxyde de zinc. Nous avons étudié plusieurs types de cavités planaires qui se démarquent des structures déjà existantes autant par leurs structures que par leurs procédés d'épitaxie. Les avantages théoriques qui ont motivé la réalisation, sont discutés puis vériés par des mesures expérimentales de réectivité et de photoluminescence en fonction de la température et de l'intensité d'excitation. Grâce aux caractéristiques optiques de ces nouvelles microcavités nous avons pu étudier l'émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons à haute température jusqu'à 300K.Des facteurs de qualité importants ainsi que des énergies de Rabi élevées permettent de mener une étude approfondie sur le lien qui existe entre la fraction photonique des polaritons et la valeur du seuil d'injection optique correspondant à l'eet laser à polaritons. Ce travailde recherche met en exergue les deux processus physiques identiés conduisant à l'eet laser à polaritons : le régime thermodynamique et le régime cinétique. De plus, l'inuence des interactions exciton-phonon est particulièrement soulignée comme un processus permettant de diminuer le seuil de condensation. / This thesis reports a spectroscopic study of the light-matter interaction in ZnO based microcavities.We have examined several planar microcavities which dier from the previous ones through their structures and their epitaxial processes. The theoretical advantages that have driven these realizations are discussed and veried through experimental measurements of reectivity and photoluminescence as a function of temperature and excitation intensity. Thanks to the optical characterics of these new cavities, we have studied the coherent light emission based on the condensation of polaritons at high temperature, up to 300K. High optical quality factor and high Rabi splitting allow to deeply analyze the relationship which exists between the photonic fraction of polaritons and the threshold excitation value corresponding to the occurrence of the polariton laser eect. This work highlights two identied physical processes which contribute to the laser eect : the thermodynamic and kinetic regimes. Moreover, it appears that the exciton-phonon interaction constitutes a specic phenomenon which allows to reduce the polariton laser threshold.

Ce manuscrit de thèse est consacré aux condensats de polaritons dans deux semi-conducteurs à grand gap : GaN et ZnO. La première partie de ce travail se concentre sur l’étude par spectroscopie optique de deux microcavités planaires (une de GaN, l’autre de ZnO) présentant des structures et des propriétés photoniques identiques. Le régime de couplage fort lumière-matière et l’effet laser à polaritons ont pu être observés de 5 K à 300 K pour les deux microcavités. La réalisation de diagrammes de phase a mis en évidence l’impact variable des résonances avec les phonons LO sur l’abaissement du seuil laser. L’étude de la microcavité GaN a été poussée jusqu’à 350 K et nous avons pu démontrer, pour la première fois à cette température, la persistance du couplage fort et du laser à polaritons pour des conditions d’excitations optimales. La deuxième partie de ce travail est focalisée sur des guides d’onde de ZnO. Outre l’observation du régime de couplage fort de 5 K à 300 K, notre étude a pu mettre en exergue un phénomène laser inédit dans cette géométrie : le laser à polaritons horizontal. / This manuscript is devoted to polariton condensates in two wide band gap semiconductors: GaN and ZnO. The first part of this work focuses on the study by optical spectroscopy of two planar microcavities (one of GaN, the other of ZnO) sharing the same structure and the same photonic properties. The strong coupling and polariton lasing regime have been observed from 5 K to 300 K in both microcavities. The realization of phase diagrams has pointed out the inconstant impact of resonances with LO phonons on the lowering of the laser threshold. The study of the GaN microcavity has been pushed to 350 K and we have demonstrated, for the first time at this temperature, the persistence of the strong coupling regime and the polariton laser under optimal excitation conditions. The second part of this work is focused on ZnO waveguides. Besides the observation of strong coupling regime from 5 K to 300 K, our study has highlighted a new lasing effect in this geometry: the horizontal polariton laser.

Ce manuscrit de thèse est une contribution à l'étude du couplage fort lumière-matière dans les microcavités planaires à base d'oxyde de zinc. Nous avons déterminé les propriétés de l'interaction entre excitons et photons au travers de mesures résolues en angle pour des hétéro-structures réalisées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sur silicium. Il a ainsi été possible de démontrer le régime de couplage fort aussi bien aux températures de l'hélium liquide qu'à température ambiante. Un important travail de conception des cavités et de modélisation de leur réponse optique a été effectué dans le but d'obtenir une émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons tel que prédit par les travaux théoriques. Les récentes mesures pour une cavité optimisée conduisent à un facteur de qualité voisin de 500 et à une énergie de Rabi très élevée (120 meV).

Ce manuscrit de thèse est une contribution à l’étude du couplage fort lumière-matière dans les microcavités planaires à base d’oxyde de zinc. Nous avons déterminé les propriétés de l’interaction entre excitons et photons au travers de mesures résolues en angle pour des hétéro-structures réalisées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sur silicium. Il a ainsi été possible de démontrer le régime de couplage fort aussi bien aux températures de l’hélium liquide qu’à température ambiante. Un important travail de conception des cavités et de modélisation de leur réponse optique a été effectué dans le but d’obtenir une émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons tel que prédit par les travaux théoriques. Les récentes mesures pour une cavité optimisée conduisent à un facteur de qualité voisin de 500 et à une énergie de Rabi très élevée (120 meV). / This thesis manuscript is a contribution to the study of strong light-matter coupling in zinc oxide-based planar microcavities. We have determined the properties of the exciton-photon interaction through angle resolved measurements on structures grown by molecular beam epitaxy (MBE) on silicon. Thus, we have demonstrated strong coupling at both cryogenic and room temperatures. A substantial work on the conception of cavities and on the calculation of their optical response has been realized to obtain a coherent emission of light based on the condensation of polaritons as predicted by theoretical works. The latest measurements on an optimized microcavity lead to a quality factor close to 500 and a high Rabi splitting of 120 meV.