Ces travaux de thèse sont une contribution au projet de réalisation de matrices actives photoniques dans le cadre de la confection de lunettes à réalité augmentée. Un état de l’art des dispositifs actuels nous a permis de montrer l’encombrement engendré par l’utilisation d’un projecteur situé sur la monture. Pour s’en abstenir, l’utilisation du verre de lunette comme source d’image est limitée par la transparence des matrices actives classiques adressant un signal électrique avec des matériaux métalliques. L’utilisation de la photonique pour adresser chacun des pixels avec un signal optique guidée dans des matériaux diélectriques pourrait permettre d’en optimiser la transmission. Dans ce contexte, nos travaux concernent l’étude et la réalisation expérimentale de dispositifs incluant un guide d’onde et un système d’extraction activable. L'objectif est, d'une part, de sélectionner les matériaux et procédés technologiques adaptés pour former des lignes d'adressage photoniques et, d'autre part, d'associer les composants réalisés avec des éléments actifs permettant d’initier ou non l’extraction d’un guide d’onde. Le dispositif doit être transparent dans le visible afin de respecter les contraintes liées au secteur de l'optique ophtalmique. Dans un premier axe de recherche, des réseaux de diffraction micrométriques sont réalisés grâce au développement d’un procédé de photolithographie sur verre avant d’être imprégnés de cristaux liquides via la formation de cellules. La caractérisation, en transmission, des dispositifs formés permet d’étudier la capacité des molécules de cristal liquide à moduler l'intensité de diffraction pour passer d’un état diffractant à un état non diffractant. Une extinction de la diffraction de 90 à 99,9% selon l'épaisseur des structures est finalement mesurée avec l’application d’un champ électrique dans la cellule. La comparaison de ces résultats avec des calculs numériques permet de confirmer l’alignement des molécules à l’intérieur de la structure ainsi que leurs mobilités sous l’effet d’un champ électrique. Ce principe est, dans un second temps, étudié avec des composants photoniques et la réalisation de GMRF (Guided Mode Resonance Filter), association d'un guide d'onde et d'un réseau de diffraction. Des matériaux issus de la chimie sol-gel sont utilisés pour former des guides d'onde planaires et le développement d’un procédé de lithographie par nano-impression nous a permis d’obtenir les structures nanométriques requises. Divers bancs de caractérisation optique sont alors mis en place pour aboutir à plusieurs méthodes de couplage permettant d’obtenir une onde guidée dans le visible. Finalement, nous avons mesuré une modulation de 90% de l’intensité extraite par le GMRF via l’activation des cristaux liquides. / Ces travaux de thèse sont une contribution au projet de réalisation de matrices actives photoniques dans le cadre de la confection de lunettes à réalité augmentée. Un état de l’art des dispositifs actuels nous a permis de montrer l’encombrement engendré par l’utilisation d’un projecteur situé sur la monture. Pour s’en abstenir, l’utilisation du verre de lunette comme source d’image est limitée par la transparence des matrices actives classiques adressant un signal électrique avec des matériaux métalliques. L’utilisation de la photonique pour adresser chacun des pixels avec un signal optique guidée dans des matériaux diélectriques pourrait permettre d’en optimiser la transmission. Dans ce contexte, nos travaux concernent l’étude et la réalisation expérimentale de dispositifs incluant un guide d’onde et un système d’extraction activable. L'objectif est, d'une part, de sélectionner les matériaux et procédés technologiques adaptés pour former des lignes d'adressage photoniques et, d'autre part, d'associer les composants réalisés avec des éléments actifs permettant d’initier ou non l’extraction d’un guide d’onde. Le dispositif doit être transparent dans le visible afin de respecter les contraintes liées au secteur de l'optique ophtalmique. Dans un premier axe de recherche, des réseaux de diffraction micrométriques sont réalisés grâce au développement d’un procédé de photolithographie sur verre avant d’être imprégnés de cristaux liquides via la formation de cellules. La caractérisation, en transmission, des dispositifs formés permet d’étudier la capacité des molécules de cristal liquide à moduler l'intensité de diffraction pour passer d’un état diffractant à un état non diffractant. Une extinction de la diffraction de 90 à 99,9% selon l'épaisseur des structures est finalement mesurée avec l’application d’un champ électrique dans la cellule. La comparaison de ces résultats avec des calculs numériques permet de confirmer l’alignement des molécules à l’intérieur de la structure ainsi que leurs mobilités sous l’effet d’un champ électrique. Ce principe est, dans un second temps, étudié avec des composants photoniques et la réalisation de GMRF (Guided Mode Resonance Filter), association d'un guide d'onde et d'un réseau de diffraction. Des matériaux issus de la chimie sol-gel sont utilisés pour former des guides d'onde planaires et le développement d’un procédé de lithographie par nano-impression nous a permis d’obtenir les structures nanométriques requises. Divers bancs de caractérisation optique sont alors mis en place pour aboutir à plusieurs méthodes de couplage permettant d’obtenir une onde guidée dans le visible. Finalement, nous avons mesuré une modulation de 90% de l’intensité extraite par le GMRF via l’activation des cristaux liquides.

L'évolution de la technologie CMOS autorise la réduction des dimensions transverses du pixel d'imageur qui atteignent aujourd'hui 1.75μm. Son épaisseur, en revanche, ne peut être réduite sans modifier le principe de filtrage existant, assuré par des résines colorées absorbantes dont l'épaisseur fixe le profil spectral en transmission. Ces résines ont, de plus, une faible tenue en température et doivent être positionnées au sommet de l'empilement métallo-diélectrique que constitue le pixel. Ces deux facteurs contribuent à la dégradation de la résolution optique du capteur. Dans ce mémoire, nous discutons des possibilités de les remplacer par des structures diffractives métalliques bi-périodiques, moins épaisses et plus résistantes aux traitements thermiques. Pour cela, une nouvelle formulation de la Méthode des Eléments Finis a été introduite. Cette technique, très générale, de résolution d'équations aux dérivées partielles est adaptée, de par sa flexibilité, à la richesse géométrique du pixel CMOS et à la complexité des structures diffractives pressenties. Dans un premier temps, cette méthode a été validée numériquement dans le cas scalaire, puis expérimentalement grâce à des photodiodes de test munies de réseaux mono-dimensionnels. Dans un second temps, la formulation a été généralisée au cas vectoriel de la diffraction d'une onde plane d'incidence et de polarisation arbitraires par un réseau bi-dimensionnel quelconque. Enfin, ce modèle est exploité pour dégager un jeu de paramètres opto-géométriques de réseaux croisés permettant de filtrer la lumière dans ses composantes Rouge, Verte et Bleue.

Le travail présenté dans ce mémoire traite du contrôle dimensionnel optique pour la microélectronique et de l'adaptation d'un instrument à cette application. Le premier point clé de cette technique de métrologie est la possibilité de calculer le champ diffracté par une structure périodique, associé aux méthodes de calcul inverse. Le second point clés est la solution technologique adoptée pour mesurer la signature de diffraction. Nous présentons ici un goniomètre bidimensionnel basé sur le principe de la Transformée de Fourier Optique. Cet appareil a été adapté à l'application métrologique et nous décrivons ici les différentes étapes qui nous permis aboutir. Ces étapes sont la description, la compréhension et l'analyse de l'instrument pour adapter les moyens numériques en notre possession aux spécificités du problème. Nous avons ensuite validé la fonction métrologique de l'instrument sur différentes structures comme des couches minces ou des réseaux. Nous avons comparé les résultats obtenus avec ceux obtenus en ellipsométrie spectroscopique ou en microscopie électronique à balayage. Nous avons pour chaque résultat, évalué les incertitudes et discuté de la validité du résultat. Enfin nous avons tiré partit des particularité de l'instrument pour réalisé des études plus qualitative sur des structures plus complexes comme des lignes rugueuses ou des structures superposées.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet.

La génération d’harmoniques d’ordre élevé est un processus d’interaction lumière-matière hautement non-linéaire permettant la synthèse d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1 as = 10⁻¹⁸ s). Mes travaux de thèse portent sur l’étude du transfert de moment angulaire lors de ce processus, afin de contrôler les caractéristiques spatiales et de polarisation du rayonnement émis dans l’extrême ultraviolet. Comme pour la matière, le moment angulaire de la lumière peut être séparé en une composante de spin, associée à l’état de polarisation du faisceau, et une composante orbitale, reliée à la forme du front d’onde. La maitrise complète du moment angulaire des harmoniques nécessite de recourir à des schémas de génération à deux faisceaux non-colinéaires, créant un réseau de diffraction dans le milieu générateur. Nous avons montré que, bien que les règles de transfert obéissent à des lois de conservation du moment angulaire, la description fine du phénomène requiert une analyse précise du champ laser dans le milieu de génération. Ces travaux ouvrent des perspectives de mise en forme avancée des impulsions attosecondes. / High-order harmonic generation is a highly nonlinear laser-matter interaction process which allows the synthesis of sub-femtosecond pulses, also called attosecond (1 as = 10⁻¹⁸ s) pulses. My PhD is centered around the study of angular momentum transfer during this process, in order to control spatial and polarization features of the radiation which is emitted in the extreme ultraviolet. As for matter, the angular momentum of light can be divided into a spin component, associated with the beam’s polarization, and an orbital component, related to the shape of the wavefront. The control of high harmonics’ angular momentum requires generating schemes involving two crossing beams, thus creating a diffraction grating in the generating medium.We have shown that, although the transfer rules obey conservation laws of the angular momentum, the fine description of the phenomenon requires an accurate analysis of the laser field in the generation medium. This work opens the road for advanced shaping of attosecond pulses.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet. / In the mid infrared wavelength range, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) based on the antimony alloy is a promising solution to develop and enhance numerous applications such as polluting gas sensing. A new type of mirror based on High Contrast Grating (HCG) structures has shown similar reflectivities than the Bragg mirrors which are usually used in VCSELs. However, with a polarization selectivity and a reduction in thickness of a factor of 10, HCG mirrors can advantageously replace Bragg reflectors to enhance the properties of mid infrared VCSEL structures. The work presented in this manuscript is devoted to the design of high contrast grating mirrors for a VCSEL application and takes precisely into account the technological constraints and tolerance of fabrication. In a first part, a global optimization algorithm has been combined to a numerical analysis of grating structures (RCWA) to automatically design HCG mirrors for a VCSEL application. In a second part of this work, the tolerances of the grating dimensions have been precisely studied which has lead to the development of a robust optimization algorithm. This algorithm allows to design high contrast gratings which exhibit not only a high efficiency but also large tolerance values required by the manufacturing process. Finally, in a last part, a VCSEL structure using a high contrast grating as top mirror has been designed and simulated by FDTD to validate the use of HCG presented previously in a VCSEL structure.

Cette étude porte sur la mesure de la température à l’échelle microscopique par voie optique dans la gamme UV-visible par comptage de photons à l’aide d’un PMT refroidi. À partir des avantages et des inconvénients de chaque technique existante, la première partie permet de comprendre les orientations de nos travaux. Le Second Chapitre montre et insiste sur l’intérêt de travailler aux courtes longueurs d’onde (limite de diffraction, précision sur la mesure...), d’utiliser la méthode multi-spectrale pour s’affranchir de paramètres inconnus (e.g. l’émissivité) en choisissant judicieusement les longueurs d’onde de travail, ainsi que les lois statistiques classiques pour mesurer le flux photonique sachant son émission aléatoire. Le Chapitre Trois présente le banc de mesure (microscope optique, système de mesure du flux photonique...) et une attention toute particulière est portée sur la conception des éléments chauffants servant à l’étalonnage. Le Quatrième Chapitre présente les résultats en températures obtenues à l’aide des lois statistiques. Ils valident le bon fonctionnement du dispositif, la mise au point de la zone microscopique, et l’intérêt de bien modéliser les filtres monochromatiques. Enfin, des améliorations sur la précision de la mesure (réseau de diffraction, analyseur multi-canal) et pour mesurer des températures plus faibles (LIF, méthode corrélation temporelle) sont présentées dans le Cinquième Chapitre / The aim of this study is to measure microscale temperature by optical way in the UV-visible range by photons counting using a cooled PMT. From the existing techniques advantages and disadvantages, this first part allows to understand the choices of this study. The second part shows and underlines the interest in working in short wavelengths (diffraction limit, measurement accuracy), in using the multi-spectral method to get rid of unknown parameters (e.g. emissivity) by choosing judicious working wavelengths, as well as the statistic laws to measure the photonic flux knowing its random emission. The third chapter presents the optical bench (optical microscope, photonic flux measurement facility…). A particularly attention is given to the design of the heated elements, which allow to calibrate the facility. The fourth part exposes the temperature results obtained through statistic laws. They validate the well-running of the facility, the microscopic area focusing, and the interest to model correctly the filters. Finally, measurement accuracy improvements (diffraction grating, multi-channel analyzer) and lower temperature measurement techniques (LIF, time-correlated method) are presented in the fifth part

La microscopie à émission de photons spectrale (SPEM) est une technique non destructive utilisée comme outil de localisation des défauts et comme indicateur des mécanismes de défaillance. Cette thèse présente un nouveau système de SPEM développé pour étudier la fiabilité des dispositifs de puissance à large bande interdite, notamment les MOSFET SiC et les MEMTs AlGaN/GaN. Un aperçu des différents aspects fondamentaux de l'émission de lumière dans les dispositifs à semi-conducteurs est présenté. L'analyse spectrale en électroluminescence des MOSFET SiC à haute puissance et des HEMTs AlGaN/GaN est rapportée et corrélée avec des analyses électriques et micro-structurales pour localiser les défaillances et identifier l'origine physique de la dérive des performances de ces composants. / Spectroscopic photon emission microscopy (SPEM) is a non-destructive technique used as a defect localizing tool and as an indicator of the failure mechanisms. This thesis presents a new system of SPEM developed to study the reliability of wide band Gap power devices notably SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs. An overview of different fundamental aspects of the light emission defects on semiconductors devices is presented. The electroluminescence spectral analysis of high power stressed SiC MOSFETs and AlGaN/GaN HEMTs is reported and correlated with electrical and micro-structural analysis to localize the failures and identify the physical origin of the performance drift of these components.