L'introduction du semiconducteur ferromagnétique (Ga,Mn)As dans des hétérostructures semiconductrices ouvre la possibilité d'exploiter de nouveaux phénomènes de transport dépendant du spin. Dans des jonctions tunnel composées d'électrodes de (Ga,Mn)As, nous avons étudié l'influence de la hauteur et de l'épaisseur d'une barrière d'(In,Ga)As, ainsi que l'influence du recuit sur la magnétorésistance tunnel (TMR). Nous nous sommes également intéressés à de nouveaux effets d'anisotropie de résistance tunnel liés au fort couplage spin orbite des trous dans (Ga,Mn)As (TAMR). Une interprétation générale de ces 2 phénomènes a été donnée dans le cadre de l'approche du transfert de matrices adaptée à la théorie k.p. L'utilisation d'un puits quantique de GaAs pour sonder la TAMR a permis de mettre en évidence l'influence des différentes sous-bandes de (Ga,Mn)As sur le transport polarisé en spin. Enfin, nous avons démontré la possibilité de manipuler l'aimantation d'une fine couche de (Ga,Mn)As par injection d'un courant polarisé en spin.

Le ZnO est un semiconducteur à grand gap (≈ 3,4 eV) dont l'un des principaux avantages est une forte énergie de liaison de l'exciton (60 meV). Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés excitoniques des puits quantiques (PQ) ZnO/(Zn,Mg)O. L'existence d'un champ électrique interne dans les PQ polaires crûs selon l'axe principal c est bien établie depuis quelques années. Les propriétés d'émission et d'absorption de puits quantiques polaires élaborés par épitaxie à jets moléculaires (EJM) sur substrat saphir sont discutées. Nous mettons également en évidence par une expérience d'excitation de la photoluminescence la formation directe de complexes excitons-phonons dans le cas de puits étroits. La présence de ce champ électrique interne combinée à la forte densité de défauts non-radiatifs inhérente à l'hétéro-épitaxie conduit à une efficacité radiative médiocre. Des expériences de réflectivité, de photoluminescence continue et résolue en temps ont été effectuées sur des PQ élaborés par EJM sur substrat de ZnO non-polaire (plan M). Ces expériences démontrent l'absence de champ électrique interne, ainsi que la formation de complexes excitons-donneurs et excitons-excitons. L'observation la plus importante est l'amélioration drastique du rendement radiatif : la recombinaison des excitons est essentiellement radiative jusqu'à 325 K. La durée de vie de l'exciton croît linéairement avec la température, ce qui indique que les propriétés excitoniques sont conservées jusqu'à température ambiante. Ce résultat est important en vue de l'exploitation de PQ à base de ZnO en opto-électronique ou comme système modèle.

L'intégration de composés semi-conducteurs III-V sur silicium devrait conduire au développement de nouveaux dispositifs micro- et optoélectroniques performants. Le composé InGaAs de haute mobilité électronique est un candidat prometteur pour le transistor métal-oxyde-semiconducteur à effet de champ à canal n au-delà du noeud technologique 10 nm. En outre les semi-conducteurs III-V sont aussi des matériaux appropriés pour la fabrication de composants optiques (lasers, diodes) et de dispositifs analogiques ultra-haute fréquence et leur intégration sur une plateforme Si ajoutera de nouvelles fonctionnalités pour le réseau de communications optiques. Cependant la miniaturisation des dispositifs et leur intégration dans les architectures 3D nécessitent le développement de méthodes de caractérisation avancées pour fournir des informations sur leur composition physico-chimique avec une résolution à l'échelle nanométrique.Dans cette thèse, les études physico-chimiques des hétérostructures III-V directement élaborées sur plaquettes de Si 300 mm par épitaxie en phase vapeur sont adressées. Les techniques de spectrométrie de masse d'ions secondaires sont utilisées et développées dans le but d'étudier la raideur des interfaces, la composition chimique et le dopage de couches III-V minces dans des architectures 2D et 3D avec une bonne résolution en profondeur. L'analyse quantitative précise sur un puits quantique InGaAs (PQ) pour des architectures 2D et 3D a été réalisée en utilisant les techniques SIMS magnétique et Auger. Pour obtenir le profil chimique des structures III-V étroites et répétitives, une méthode de moyenne des profils a été développée pour ces deux techniques. Egalement, la reconstruction 3D et le profil en profondeur de tranchées individuelles (moins de cent nanomètres de largeur) contenant un PQ d’InGaAs mince obtenu par croissance sélective dans des cavités de dioxyde de silicium en utilisant la méthode de piégeage des défauts par rapport d’aspect ont été obtenus avec succès en utilisant le SIMS à temps de vol ainsi que la sonde atomique tomographique. Enfin, les résultats ont été corrélés avec des mesures de photoluminescence. / The integration of III-V semiconductor compounds on silicon should lead to the development of new highly efficient micro- and opto-electronic devices. High mobility InGaAs material is a promising candidate for n-channel metal-oxide semiconductor field-effect transistor beyond the 10 nm technology node. Moreover III-V semiconductors are also suitable materials for fabrication of optical (lasers, diodes) and ultra-high frequency analog devices and their integration on a Si platform will add new functionalities for optical network and communication. However the miniaturization of devices and their integration into 3D architectures require the development of advanced characterization methods to provide information on their physico-chemical composition with nanometer scale resolution.In this thesis, the physico-chemical studies of III-As heterostructures directly grown on 300 mm Si wafers by metalorganic vapor phase epitaxy are addressed. Secondary ion mass spectrometry techniques are used and developed in order to study interfaces abruptness, chemical composition and doping of III-V thin layers in 2D and 3D architectures with high depth resolution. The accurate quantitative analysis on InGaAs quantum wells (QWs) in 2D and 3D architectures was performed using magnetic SIMS and Auger techniques. To obtain the chemical profiling of narrow and repetitive III-V structures the averaging profiling method was developed for both techniques. Additionally, 3D reconstruction and depth profiling of individual trenches (less than hundred nanometer in width) containing thin InGaAs QWs selectively grown in silicon dioxide cavities using the aspect ratio trapping method were successfully obtained using Time-of-flight SIMS and atom probe tomography. Finally, the results were correlated with photoluminescence measurements.

Nous étudions la recombinaison radiative des porteurs de charges photogénérés dans les puits quantiques InGaN/GaN étroits (2 nm). Nous caractérisons le comportement de la photoluminescence face aux différentes conditions expérimentales telles la température, l'énergie et la puissance de l'excitation et la tension électrique appliquée. Ces mesures montrent que l'émission provient d'états localisés. De plus, les champs électriques, présents nativement dans ces matériaux, n'ont pas une influence dominante sur la recombinaison des porteurs. Nous avons montré que le spectre d'émission se modifie significativement et subitement lorsque la puissance de l'excitation passe sous un certain seuil. L'émission possède donc deux ``phases'' dont nous avons déterminé le diagramme. La phase adoptée dépend à la fois de la puissance, de la température et de la tension électrique appliquée. Nous proposons que la phase à basse puissance soit associée à un état électriquement chargé dans le matériau. Ensuite, nous avons caractérisé la dynamique temporelle de notre échantillon. Le taux de répétition de l'excitation a une influence importante sur la dynamique mesurée. Nous concluons qu'elle ne suit pas une exponentielle étirée comme on le pensait précédemment. Elle est exponentielle à court temps et suit une loi de puissance à grand temps. Ces deux régimes sont lié à un seul et même mécanisme de recombinaison. Nous avons développé un modèle de recombinaison à trois niveaux afin d'expliquer le comportement temporel de la luminescence. Ce modèle suppose l'existence de centres de localisation où les porteurs peuvent se piéger, indépendamment ou non. L'électron peut donc se trouver sur un même centre que le trou ou sur n'importe quel autre centre. En supposant le transfert des porteurs entre centres par saut tunnel on détermine, en fonction de la distribution spatiale des centres, la dynamique de recombinaison. Ce modèle indique que la recombinaison dans les puits InGaN/GaN minces est liée à des agglomérats de centre de localisation. / We study the radiative recombination of optically generated charges in thin (2 nm) InGaN quantum wells. We characterise the behaviour of the photoluminescence with varying experimental conditions such as temperature, energy and power of the excitation and externally applied voltage. These measurements show that emission comes from localised states. We also show that electric fields, natively present in these materials, do not have a dominating effect on charge carrier dynamics. We have shown that the emission spectrum changes significantly and rapidly when the excitation power drops below a certain level. The emission has two phases of which we have measured the diagram. The phase of the emission depends on the power of the excitation, the temperature and the electric field. We propose that the low power phase is associated with an electrically charged state in the material. Decay dynamics was then characterised. We find that the excitation repetition rate has an influence on the measured dynamics. We conclude that the dynamics are not stretched-exponential as it was originally thought. The dynamics are exponential at short time and follow a power law at long time. This byphasic character results from a single recombination process. We have developped a three-level recombination model to describe experimental dynamics. It supposes the existence of localisation states where carriers can localise, independently or not. This means that the electron can be localised on the same state as the hole or on any other state. If we suppose that inter-state transitions occurs by a tunnel effect, one can determine the decay dynamics as a function of the localisation states' spatial distribution. Henceforth, we then show that radiative recombination in thin InGaN/GaN quantum wells is dominated by localisation and charge separation.

L'étude du comportement électromagnétique des détecteurs infrarouge à puits quantiques (QWIPs et QCDs) est longtemps resté insuffisant, le développement de ces détecteurs depuis une dizaine d'années s'étant surtout orienté sur l'optimisation du transport dans la couche active. Ce n'est que très récemment qu'un formalisme adéquat au traitement du champ proche a été mis en œuvre pour modéliser ces réseaux. L'étude du réseau de couplage sur ces structures peut désormais bénéficier des travaux de recherche récents sur la plasmonique et les métamatériaux. L'enjeu de ces recherches est de dépasser la simple fonction de couplage et d'imaginer des structures optiques assurant des fonctions supplémentaires. Nous démontrons notamment la possibilité de discriminer la polarisation de l'émission corps noir avec un réseau unidimensionnel. En se basant sur les propriétés de dispersion des interfaces métal/diélectrique structurées, présentant une bande interdite photonique, nous avons réussi à concentrer l'intégralité du signal incident dans une distance inférieure au quart de la longueur d'onde. Nous proposons d'utiliser cette structure sur des pixels implantés pour augmenter le rapport signal à bruit. Nous proposons trois solutions technologiques de contact supérieur permettant de remplir aux mieux son double rôle : électrique et optique. Nous nous intéressons également à la modification du photocourant due à la présence d'impuretés dans les puits. Ces travaux devraient permettre à la fois une optimisation plus efficace du couplage électromagnétique ainsi qu'à plus long terme, la mise en œuvre de nouvelles fonctionnalités optiques intégrées au pixel.

Ce travail concerne la croissance par épitaxie sous jets moléculaires avec NH3 comme source d'azote de diodes électroluminescentes (DELs) blanches monolithiques. La méthode proposée au laboratoire consiste à insérer dans la zone active de la DEL des puits quantiques (Ga,In)N émettant dans le bleu et le jaune. Bien que la concentration en In de l'alliage InxGa1-xN soit limitée à 20-25%, la présence d'un champ électrique interne dans les hétérostructures nitrures permet d'obtenir des longueurs d'onde balayant tout le spectre visible. Malheureusement, ce champ électrique diminue aussi la force d'oscillateur de puits quantiques de largeur de plus de 2nm. Ainsi, l'efficacité radiative de puits quantiques émettant dans le jaune est faible comparé à un puits quantique émettant dans le bleu. L'émission dans le jaune pose donc problème et il nous a fallu tenté de contrebalancer les effets du champ électrique afin d'accroître le rendement quantique des puits larges. D'autre part, la puissance des DELs EJM est faible par rapport à celles épitaxiées en EPVOM. Une des grandes différences entre ces deux techniques est la croissance du GaN de type p. Différents paramètres ont été testés afin de déterminer les conditions de croissance adéquates à l'épitaxie du GaN de type p de bonne qualité optoélectronique. Finalement, ces différents affinages ont été vérifiés par l'élaboration de DELs et en particulier d'une DEL blanche monolithique à large spectre.

Le couplage spin-orbite combiné avec des effets de brisure de la symétrie d'inversion conduit au dédoublement de niveaux d'énergie de la structure de bande réelle et complexe des matériaux massifs et des hétérostructures bidimensionnelles tels que puits quantiques et hétéro-jonctions. La première partie de ce travail calcule numériquement les trois contributions au splitting de spin : BIA, SIA et IIA en se basant sur le modèle k.p de Kane étendu à 14 bandes et sur les nouveaux paramètres obtenus par la méthode des liaisons fortes. Plusieurs résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux anciens. Nous avons obtenu, pour la première fois, une description quantitative satisfaisante des relations de dispersion des sousbandes de valence d'un puits quantique GaAs/(AlGa)As (mesurées par le groupe de L. Eaves par effet tunnel résonnant en présence d'un champ magnétique dans le plan.) et de leur splitting de spin (mesuré il y a déjà longtemps par H. Stormer et al.). Ces résultats semblent indiquer que le terme IIA est effectivement petit dans ce cas. Nous avons également calculé les spectres d'absorption optique de puits quantiques et obtenu, avec la nouvelle paramétrisation, un accord remarquablement bon avec des résultats expérimentaux d'O. Krebs sur l'effet Pockels confiné quantiquement.<br /><br />Nous examinons ensuite la structure de bande complexe du GaAs et montrons par une représentation complexe et non purement imaginaire du vecteur d'onde que les états évanescents existent pour toutes les directions de la zone de Brillouin. Cette existence se manifeste par des boucles reliant les bandes de conduction et les bandes de valence. Ce résultat est une contribution originale sur le concept de filtre de spin.<br /><br />La deuxième partie de ce travail porte sur l'étude expérimentale du rôle de couplage spin-orbite dans des fils quantiques semi-balistiques obtenus par gravure à partir d'une structure à gaz bidimensionnel d'électrons. Nous espérons observer une transition entre le régime de localisation faible et celui, opposé, d'antilocalisation faible. Les pics observés expérimentalement lors des mesures de la magnétorésistance ont des propriétés qui sont bien expliquées en termes de la localisation faible. Ces mesures nous ont permis d'extraire des différents temps caractéristiques des échantillons et d'observer les changements de régime fort champ magnétique/bas champ magnétique liés à la nature quasi-balistique des échantillons.

Nous étudions la recombinaison radiative des porteurs de charges photogénérés dans les puits quantiques InGaN/GaN étroits (2 nm). Nous caractérisons le comportement de la photoluminescence face aux différentes conditions expérimentales telles la température, l'énergie et la puissance de l'excitation et la tension électrique appliquée. Ces mesures montrent que l'émission provient d'états localisés. De plus, les champs électriques, présents nativement dans ces matériaux, n'ont pas une influence dominante sur la recombinaison des porteurs. Nous avons montré que le spectre d'émission se modifie significativement et subitement lorsque la puissance de l'excitation passe sous un certain seuil. L'émission possède donc deux ``phases'' dont nous avons déterminé le diagramme. La phase adoptée dépend à la fois de la puissance, de la température et de la tension électrique appliquée. Nous proposons que la phase à basse puissance soit associée à un état électriquement chargé dans le matériau. Ensuite, nous avons caractérisé la dynamique temporelle de notre échantillon. Le taux de répétition de l'excitation a une influence importante sur la dynamique mesurée. Nous concluons qu'elle ne suit pas une exponentielle étirée comme on le pensait précédemment. Elle est exponentielle à court temps et suit une loi de puissance à grand temps. Ces deux régimes sont lié à un seul et même mécanisme de recombinaison. Nous avons développé un modèle de recombinaison à trois niveaux afin d'expliquer le comportement temporel de la luminescence. Ce modèle suppose l'existence de centres de localisation où les porteurs peuvent se piéger, indépendamment ou non. L'électron peut donc se trouver sur un même centre que le trou ou sur n'importe quel autre centre. En supposant le transfert des porteurs entre centres par saut tunnel on détermine, en fonction de la distribution spatiale des centres, la dynamique de recombinaison. Ce modèle indique que la recombinaison dans les puits InGaN/GaN minces est liée à des agglomérats de centre de localisation. / We study the radiative recombination of optically generated charges in thin (2 nm) InGaN quantum wells. We characterise the behaviour of the photoluminescence with varying experimental conditions such as temperature, energy and power of the excitation and externally applied voltage. These measurements show that emission comes from localised states. We also show that electric fields, natively present in these materials, do not have a dominating effect on charge carrier dynamics. We have shown that the emission spectrum changes significantly and rapidly when the excitation power drops below a certain level. The emission has two phases of which we have measured the diagram. The phase of the emission depends on the power of the excitation, the temperature and the electric field. We propose that the low power phase is associated with an electrically charged state in the material. Decay dynamics was then characterised. We find that the excitation repetition rate has an influence on the measured dynamics. We conclude that the dynamics are not stretched-exponential as it was originally thought. The dynamics are exponential at short time and follow a power law at long time. This byphasic character results from a single recombination process. We have developped a three-level recombination model to describe experimental dynamics. It supposes the existence of localisation states where carriers can localise, independently or not. This means that the electron can be localised on the same state as the hole or on any other state. If we suppose that inter-state transitions occurs by a tunnel effect, one can determine the decay dynamics as a function of the localisation states' spatial distribution. Henceforth, we then show that radiative recombination in thin InGaN/GaN quantum wells is dominated by localisation and charge separation.

L'interaction entre la lumière et la matière est au coeur de la physique quantique depuis ses origines. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre les excitations élémentaires d'une hétérostructure semi-conductrice (excitons de boîtes et de puits quantiques) et le mode du champ d'une cavité Fabry Perot fibrée. Nous présentons une caractérisation des propriétés géométriques et spectrales des modes de la micro-cavité fibrée plan-concave. Cette dernière est entièrement ajustable et cette nouvelle approche nous permet d'étudier plusieurs régimes de l'électrodynamique quantique d'émetteurs solides en cavité. Pour une boîte quantique unique dans une micro-cavité fibrée nous obtenons un couplage à la limite du régime de couplage fort et une coopérativité supérieure à l'unité, traduisant le potentiel d'un tel système pour des applications dans le domaine de l'information quantique. Pour un puits quantique dans une micro-cavité fibrée, le couplage obtenu est comparable a celui observé dans des structures intégrées et permet d'étudier plusieurs aspects de la physique des polaritons confinés optiquement. Ces derniers, issus du couplage fort d'un exciton et d'un photon, possèdent un temps de vie relativement long qui permet d'étudier les propriétés thermodynamiques du système. Le rôle du désordre dans le puits quantique est explicité. Cela nous permet d'interpréter la non-linéarité de la photoluminescence des polaritons avec la puissance de pompe en termes de transition de Dicke. Enfin, le confinement optique des polaritons, permet d'étudier le rôle des interactions entre polaritons et ouvre la voie vers un régime de blocage quantique de polariton.

Les semi-conducteurs nitrures (AlN, GaN, InN) focalisent une activité de recherche intense en raison de nombreuses applications comme les diodes électroluminescentes, les composants de puissance ou hyperfréquence. Dans cette recherche, nous avons abordé le travail sous deux angles: a) la conduction électrique dans les couches d'InN produites par croissance épitaxiale aux jets moléculaires assistée par plasma (PAMBE) et une recherche sur l'origine de la forte émission bleue dans les puits de quantiques d'InGaN/GaN. L'accumulation d'électron en surface dans les couches d'InN constitue une limitation importante pour la fabrication de composants. Au cours de ce travail, nous avons exploré l'utilisation des mesures de bruit de basse fréquence sur les couches d'InN et pu accéder à leur conductivité électrique en volume. L'étude des puits quantiques d'InGaN/GaN, obtenue par croissance épitaxiale aux jets moléculaires (MBE) ou épitaxie en phase vapeurs aux organométalliques (MOVPE) , a été effectuée par analyses de la microstructure par microscopie électronique en transmission (MET, HRTEM et STEM) en corrélation avec les propriétés optiques d'un grand nombre d'échantillons provenant de conditions de croissance différentes. Ce travail nous a permis d'acquérir une vision plus critique du rôle des conditions de fabrication et des paramètres comme la morphologie, les fluctuations de composition et la présence des défauts en V sur les explications actuellement avancées pour la forte efficacité d'émission dans les puits quantiques d' InGaN/GaN.