L’intégration monolithique de matériaux III-V ou Ge sur Si est un enjeu majeur de l’hétéroépitaxie qui a donné lieu à de nombreuses recherches depuis plus de vingt ans. Car premièrement, il permet de combiner des fonctionnalités optoélectroniques au standard industriel CMOS, cela peut remplacer des interconnexions métalliques par des interconnexions optiques dans lescircuits intégrés. De plus, le procédé d’intégration de semiconducteurs III-V ou de Ge sur Si permettrait de réduire sensiblement le coût de fabrication des cellules solaire pour le marché de niche du spatial.L’hétéroépitaxie directe de tels matériaux sur Si n’est pas aisée du fait du fort désaccord de maille et du différent coefficient de dilatation thermique entre ces matériaux. Plusieurs méthodes on tété proposées au cours des 20 derniers, notamment les solutions reposant sur des technologies de report telle que ‘Smart Cut TM’, ‘GEOI condensation’ donnent d’excellents résultats, mais n’offre pas autant de souplesse qu’une technologie d’hétéroépitaxie, et induit des coûts nettement supérieurs.L’objectif de cette thèse est de proposer une solution qui consiste à intégrer de façon monolithique des semiconducteurs III-V sur Si en utilisant des couches tampons des oxydes. Nous avons tout d’abord montré de manière théoriquement et expéritalement que pour les systèmes semiconducteur/oxyde, le semiconducteur croît avec son paramètre de maille massif dès le début decroissance et ne contient pas de défaut entendus associé à la relaxation plastique, la différence deparamètre de maille est entièrement accommodée par un réseau de dislocation interfacial. Il est donc apriori possible d’obtenir une couche 2D plane de semiconducteur/oxyde par la coalescence des îlots sans défauts étendus, présentant le paramètre de maille massif du semiconducteur dès le début de lacroissance, a condition qu’aucun défaut ne soit formé lors de la coalescence des îlots.La deuxième partie est dédiée à la coalescence des îlots pour le système InP/SrTiO3/Si, une stratégie de 3-étape a été utilisé pour favoriser la coalescence des îlots InP sur SrTiO3, la couche InPcoalescée présente une très bonne qualité structurale et surfacique. Cependant, nous avons observé la présence de défauts, notamment des micromacles et des parois d’inversion. Malgré ses défauts dans la couche, nous avons réalisé le puits quantique InP/InAsP épitaxié sur SrTiO3/Si, il présente une meilleure qualité cristalline et optique comparé avec un puits quantique référence InP/InAsP qui est épitaxié directement sur Si. / The monolithic integration of III-V semiconductors and Ge on Si is a major issue of heteroepitaxy that gave rise to extensive researches for over twenty years. Firstly because it allows combining the optoelectronic functionalities with industry standard CMOS, which can replace the metal interconnects by optical interconnects in integrated circuits. Moreover, the integration of III-V semiconductors or Ge on Si would significantly reduce the manufacturing cost of solar cells for the niche space market.The direct heteroepitaxy of III-V semiconductor on Si is difficult because of the great lattice mismatch and different thermal expansion coefficient between these materials. Various methods have been proposed in the last twenty years, especially, the solutions based on sticking technologies such as‘Smart Cut TM’ offer excellent results, but is limited by its less flexibility and higher cost.The objective of this thesis is to propose a solution that consists in integrating monolithicallyIII-V semiconductors on Si by using the buffer layers of oxides. We have firstly demonstrated theoretically and experimentally that for the systems semiconductor/oxide, the semiconductor grows with his lattice parameter from the beginning of the growth and doesn’t contain any defaults associated with the plastic relaxation, the difference of the lattice parameter is fully accommodated bythe interfacial dislocations, thus, it’s a priori possible to obtain a flat 2D layer of semiconductor/oxideby the coalescence of the islands without extended defects, presenting the lattice parameter of the semiconductor from the beginning of the growth, providing that no defect is formed during the coalescence of islands.The second part is dedicated to the coalescence of islands for the system InP/SrTiO3/Si, a 3-step strategy was used to favor the coalescence of islands InP on SrTiO3/Si, the coalesced InP layershows good crystalline quality and excellent surface quality. However, we observed the presence of defects, including anti-phase boundaries and microtwins. Despite these defects in the layer, we have realized a quantum well InP/InAsP grown on SrTiO3/Si, it presents a better quality crystal and optical compared with a reference quantum well InP/InAsP that grows directly on Si.

Après avoir calculé les états liés d'électrons et de trous dans une boîte quantique auto-organisée InAs/GaAs isolée, nous présentons certaines caractéristiques des propriétés optiques de ces nanostructures.<br /><br />Dans une premièm partie, nous étudions le rôle joué par l'environnement électrostatique sur la perte de cohérence dans les boîtes. Nous montrons que les fluctuations électrostatiques sont essentiellement de deux types, engendrant soit un décalage en énergie de la transition sans induire de déphasage, soit un élargissement homogène du type rétrécissement par le mouvement.<br /><br />Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'effet de l'interaction d'échange longue portée sur la structure fine de l'exciton confiné dans la boîte. En particulier, nous montrons la possibilité d'annuler le splitting d'échange résultant de l'anisotropie de forme de la boîte en appliquant un champ électrique le long de son grand axe. Nous montrons enfin qu'une anisotropie de polarisation apparaît à cause de la nature même de l'interaction d'échange.

Après avoir présenté les méthodes utilisées pour le calcul des états électroniques, nous discutons les états liés d'électrons et de trous dans une boite isolée. Nous calculons la force d'oscillateur et les régles de sélection pour les transitions intrabandes. Nous montrons qu'il faut distinguer entre les excitations polarisées dans le plan et celles polarisées verticalement; notre calcul montre que dans une boite isolée l'absorption est très anistrope. Dans le cadre des boites isolées nous développons également un modèle pour interpréter plusieurs experiences récentes de STM, qui prétendent l'observation directe des fonctions d'onde d'électrons et de trous. Nous étudions ensuite les systèmes de boites empilées. Nous discutons le couplage entre les boites en fonction de l'epaisseur de la barriere qui les separe. Nous nous interessons en particulier au regime de boites fortement couplees. Nous montrons que l'anisotropie typique des boites uniques diminue considerablement dans le cas des systemes de boites fortement couplees. Ces derniers sont particulierement interessants si l'on regarde les effets du champ electrique. Nous montrons ainsi que les systemes de boites fortement couplees sont aussi polarisables que les puits quantiques, avec une proprite en plus: le confinement dans le plan. La derniere partie de ce travail presente une discussion detaille des etats du continuum bidimensionnel (couche de mouillage) et tridimensionnel (barriere). Le role du continuum est particulirement important dans le cas des transitions interbandes: nous montrons que les transitions croisees entre etats lies et etats du continuum sont a l'origine d'un fond continu entre la partie basse energie du spectre (due aux transitions liees) et le seuil de la couche de mouillage. Cet effet, observe exprimentalement, montre de facon claire que le modele ``atome artificiel'' est trop simple pour decrire de facon adequate les propriets des boites quantiques.

L'intégration monolithique de matériaux III-V ou Ge sur Si est un enjeu majeur de l'hétéroépitaxie qui a donné lieu à de nombreuses recherches depuis plus de vingt ans. Car premièrement, il permet de combiner des fonctionnalités optoélectroniques au standard industriel CMOS, cela peut remplacer des interconnexions métalliques par des interconnexions optiques dans lescircuits intégrés. De plus, le procédé d'intégration de semiconducteurs III-V ou de Ge sur Si permettrait de réduire sensiblement le coût de fabrication des cellules solaire pour le marché de niche du spatial.L'hétéroépitaxie directe de tels matériaux sur Si n'est pas aisée du fait du fort désaccord de maille et du différent coefficient de dilatation thermique entre ces matériaux. Plusieurs méthodes on tété proposées au cours des 20 derniers, notamment les solutions reposant sur des technologies de report telle que 'Smart Cut TM', 'GEOI condensation' donnent d'excellents résultats, mais n'offre pas autant de souplesse qu'une technologie d'hétéroépitaxie, et induit des coûts nettement supérieurs.L'objectif de cette thèse est de proposer une solution qui consiste à intégrer de façon monolithique des semiconducteurs III-V sur Si en utilisant des couches tampons des oxydes. Nous avons tout d'abord montré de manière théoriquement et expéritalement que pour les systèmes semiconducteur/oxyde, le semiconducteur croît avec son paramètre de maille massif dès le début decroissance et ne contient pas de défaut entendus associé à la relaxation plastique, la différence deparamètre de maille est entièrement accommodée par un réseau de dislocation interfacial. Il est donc apriori possible d'obtenir une couche 2D plane de semiconducteur/oxyde par la coalescence des îlots sans défauts étendus, présentant le paramètre de maille massif du semiconducteur dès le début de lacroissance, a condition qu'aucun défaut ne soit formé lors de la coalescence des îlots.La deuxième partie est dédiée à la coalescence des îlots pour le système InP/SrTiO3/Si, une stratégie de 3-étape a été utilisé pour favoriser la coalescence des îlots InP sur SrTiO3, la couche InPcoalescée présente une très bonne qualité structurale et surfacique. Cependant, nous avons observé la présence de défauts, notamment des micromacles et des parois d'inversion. Malgré ses défauts dans la couche, nous avons réalisé le puits quantique InP/InAsP épitaxié sur SrTiO3/Si, il présente une meilleure qualité cristalline et optique comparé avec un puits quantique référence InP/InAsP qui est épitaxié directement sur Si.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information et de l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optique intégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est le développement de sources de photons uniques et de lasers compacts aux longueurs d'onde des télécommunications. Les émetteurs étudiés dans ce travail de thèse sont des boîtes quantiques InAsP/InP [001] obtenues par Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques (EPVOM). Il a été démontré, par l'intermédiaire de mesures spectrales et des mesures de durée de vie, que ces émetteurs présentent les caractéristiques nécessaires en vue des applications visées. Plus particulièrement, la mise en évidence expérimentale d'un dégroupement de photons, à partir d'une boîte unique, valide la possibilité de réaliser une source de photons uniques. En parallèle, des études sur les lasers à cristaux photoniques de faible volume modal et fort facteur de qualité, utilisant les mêmes boîtes quantiques à température ambiante, ont montré des propriétés originales, particulièrement sur la physique au niveau du seuil laser. La différence de comportement au niveau du seuil, par rapport aux lasers conventionnels, s'explique dans nos structures par le fort taux de couplage de l'émission spontanée dans le mode laser.

Cette thèse porte sur des calculs numériques des propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques avec des confinements non-usuels tels que des boîtes de InGaN/GaN, des tétrapodes de CdSe,...<br /><br />Après avoir présenté les méthodes de calculs numériques utilisées tout au long de cette thèse, nous commençons par étudier théoriquement un super-réseau des boîtes quantiques InAs/GaAs avec une petite périodicité. Cette petite périodicité entraîne l'alignement vertical des boîtes quantiques. Nous montrons que l'état fondamental ne couple qu'avec les états du continuum qui ont presque la même extension dans le plan pour les excitations avec la polarisation suivant la direction de croissance (z). En conséquence de ces couplages particuliers, les photo-réponses en polarisation z ne changent pas quand un champ magnétique est appliqué parallèle à z malgré la présence de nombreux états de quasi-Landau dans le continuum. Nous montrons ensuite qu'une absorption lié-continuum forte en polarisation dans le plan peut être obtenue si l'on réduit la taille latérale des boîtes. Ces résultats sont utilisés pour expliquer les résultats expérimentaux obtenus à Vienne. Dans ce travail effectué en collaboration, nous étudions théoriquement et expérimentalement les photo-détecteurs basés sur des boîtes quantiques InAs/GaAs insérées dans un super-réseau, sans ou avec les barrières de AlAs. Nous montrons que ces structures périodiques peuvent être utilisées pour fabriquer des photo-détecteurs dans la gamme infrarouge lointain. Les spectres de photo-courant sont en bon accord avec les spectres d'absorption optique obtenus par nos calculs.<br /><br />Nous nous intéressons aussi à des hétéro-structures à base de nitrure. Ces semi-conducteurs présentent des propriétés physiques originales comme des grandes masses effectives, de grands offsets de bande, un champ piézo-électrique colossal, ... Nous nous focalisons sur les hétéro-structures InGaN/GaN sur lesquelles de nombreuses applications opto-électroniques sont basées. Nous montrons que les effets du désordre ainsi que les grandes valeurs physiques rendent l'Approximation du Cristal Virtuel non valable dans ces systèmes. Enfin, nous effectuons des calculs des structures électroniques des tétrapodes de CdSe. Nous montrons que les quatre premiers états sont confinés en grande partie dans le corps sphérique, ce qui est cohérent avec les spectres expérimentaux.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d’onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d’InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d’émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d’intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd’émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d’observerune accélération de l’émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l’émission d’un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l’effet laser. / The last century saw the advent of quantum mechanics, information processing and integrated optics.These fields lead to the integrated optics for quantum communication. One of the challenges is thedevelopment of single photon sources operating at fiber’s telecommunication wavelength. In this workwe use quantum dots growth by MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy). We demonstratethese emitters can generate some quantum state of light thanks to the antibunching experiment.Moreover the spectroscopy of these objects will be deducted by the time resolved spectroscopy. Thepossibility to integrate these sources in ultimate’s size cavity permits to modify the spontaneous rateemission, so the result obtain with metallic cavity permit to observe an acceleration of the spontaneousemission on a wide spectral band. Finally a strong emission modification of the quantum dot’sensemble between 4K and 300K will be presented by using an original way based on the laser effect.

La recherche d’une miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs en micro- et opto- électronique a participé au développement des nanotechnologies. A l’échelle nanométrique, la densité des interfaces augmente énormément leur conférant un rôle crucial dans les performances des dispositifs. Dans cette thèse, l’intérêt a été porté sur les interactions aux interfaces entre matériaux hétérogènes lors des premiers stades de leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Chaque chapitre est dédié à l’étude d’une interface spécifique dans le cadre des recherches menées par l’équipe Hétéroépitaxie et Nanostructures de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon. Deux approches complémentaires pour l’intégration monolithique du semiconducteur III-V GaAs sur silicium ont été étudiées: les nanofils de GaAs sur Si(111) et la recherche d’une phase Zintl pour la croissance bidimensionnelle (2D) de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100). Pour ce qui concerne la croissance des nanofils de GaAs, l’étude par spectroscopie de photoémission de l’interface entre le gallium, en tant que catalyseur, et le substrat de silicium (111) recouvert de silice a montré qu’une réaction d’oxydoréduction entre les deux matériaux a lieu et est dépendante de la température pendant la croissance. Ensuite, le mécanisme d’encapsulation / désencapsulation par l’arsenic nécessaire à la protection des nanofils de GaAs lors des transferts, a été étudié structurellement en temps réel grâce à la microscopie électronique en transmission. Enfin, la croissance d'une demi-coquille métallique sur les nanofils de GaAs a été analysée in situ par diffraction et diffusion des rayons X en incidence rasante en utilisant un rayonnement synchrotron. Cette étude exploratoire a montré qu’il était possible d’obtenir une croissance partiellement épitaxiée d’or et d’aluminium sur les facettes des nanofils. Pour ce qui concerne la croissance 2D de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100), la croissance de la phase SrAl2 proposée théoriquement dans la littérature a été tentée et examinée par photoémission. Une alternative, BaGe2, permettant de mieux pallier aux problèmes d’hétérogénéité chimique a finalement été proposée. / Miniaturization of micro- and opto-electronics devices has led to the development of nanotechnologies. At this scale, the density of interfaces drastically increases explaining their critical role in the device performances. In this thesis, interest has been focused on interactions at the interfaces between heterogeneous materials during their first growth stages by molecular beam epitaxy. Each chapter studies a specific interface with the objective of monolithically integrating III-V semiconductors (GaAs) on silicon substrate, which is a main goal of the INL’s Heteroepitaxy and Nanostructures team. Two complementary approaches have been considered: GaAs nanowires on Si (111) substrate and the research of a Zintl phase as a buffer layer adequate for the two-dimensional (2D) growth of GaAs on a SrTiO3 / Si (100) substrate. In the context of growing GaAs nanowires on Si(111) with gallium as catalyst, the role played by a silica overlayer has been studied by X-Ray Photoelectron Spectroscopy. It has been shown that an oxido-reduction reaction takes place at the interface, reaction which is strongly dependent on the temperature during the process. Besides, the real-time evolution of an As capping/decapping mechanism, which is needed for the protection of GaAs nanowires during transfers, has been studied thanks to electron transmission microscopy. Finally, the growth of a metal half-shell on GaAs nanowires has been investigated by in situ grazing incidence X-ray diffraction using synchrotron radiation. This exploratory study has shown that obtaining a partially epitaxial growth of gold and aluminum on nanowires facets is possible. In the context of obtaining a 2D growth of GaAs on SrTiO3/Si(100) substrate, the growth of the theoretically-suggested Zintl phase SrAl2 was tried by MBE and probed by photoemission, along with an alternative, BaGe2, which appeared more suitable for chemical reasons.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de composants non linéaires à hétérostructures d'une part, et de guides de propagation coplanaires sur membrane d'autre part.<br />Pour les dispositifs actifs, le composant développé est une hétérostructure à simple barrière qui présente des non-linéarités en capacité extrêmement marquées utilisables dans les multiplicateurs de fréquences. Par rapport aux dispositifs Schottky varactors conventionnels, les hétérostructures permettent de tirer parti de propriétés de symétrie et d'optimiser et d'optimiser au mieux les caractéristiques des courants de déplacement et de conduction. En pratique, les composants sont fabriqués à partir de multiples hétérostructures épitaxiées par jets moléculaires sur substrat InP mettant en jeu des techniques d'intégration monolithiques. Plusieurs séries d'échantillons ont été fabriquées avec pour les dernières structures des résultats à l'état de l'art, notamment avec la possibilité de moduler la capacité dans un rapport 5 en tenue en tension de plus de 6 Volt favorable aux applications de puissance. dans cette optique, nous démontrons par ailleurs la possibilité d'intégrer verticalement plusieurs composants sur une même épitaxie.<br />Pour les structures passives, elles sont constituées de lignes coplanaires déposées sur membrane de polyimide ou de nitrure de silicium. Dans ces conditions le milieu de propagation peut se comparer à l'air avec une permittivité effective très proche de celle obtenue dans l'espace libre. De telles structures ont été fabriquées en utilisant des technologies de micro-usinage de l'Arséniure de Gallium. Les résultats des caractérisations hyperfréquences sont conformes aux prédictions théoriques, avec la propagation faible perte de l'énergie électromagnétique sans dispersion dans une très large bande de fréquence. Ces études sont ensuite étendues à la conception de structures de filtrage aux fréquences millimétriques, notamment à 250 GHz.

Cette thèse présente une étude théorique des interactions électron-phonon dans les boîtes quantiques InAs/GaAs, où le régime de couplage fort entre les porteurs confinés dans les boîtes et les phonons optiques a pour conséquence la formation d'états intriqués appelés polarons.<br />Nous prenons tout d'abord en compte le couplage fort entre excitons et phonons optiques afin de calculer l'absorption interbande sous champ magnétique.<br />Nous calculons ensuite le temps de vie des états polarons, dont l'instabilité est due à leur composante phonon. Nous démontrons la nécessité de prendre en compte de manière détaillée les différents processus anharmoniques, dont l'efficacité dépend fortement de l'énergie du polaron. Ces calculs permettent d'expliquer les variations non monotones du temps de vie mesuré des polarons avec leur énergie.<br />Nous étudions ensuite la dynamique de relaxation dans les boîtes doublement chargées, où l'interaction spin-orbite, associée aux couplages électron-phonon, entraîne des processus de retournement du spin entre états singulets et triplets.<br />Finalement, nous étudions la cohérence optique de la transition intrabande fondamentale, dont l'élargissement avec la température est dû aux transitions réelles et virtuelles vers le deuxième état excité.