Le sujet abordé dans ce manuscrit traite de l'étude des défauts ponctuels et de leur rôle dans la diffusion au sein des semi-conducteurs Si et SiGe suivant une approche numérique. Le fait que les changements de concentrations observés dans un cristal à son échelle soient induits par des mouvements à l'échelle atomique, a conduit à une approche multi-échelle.<br /><br />Le calcul ab initio est un outil adapté à l'exploration des phénomènes inter-atomiques. Couplées à des algorithmes de minimisation des configurations, cet outil donne accès aux états stables et aux états de transition des phénomènes diffusifs. Le mouvement macroscopique est ensuite reproduit par l'utilisation de simulations de Monte Carlo cinétique.<br /><br />Nous détaillons, dans le présent travail, les coûts énergétiques et les géométries des principaux défauts répertoriés dans Si et SiGe. Il en ressort que la lacune, l'interstitiel dissocié, l'interstitiel hexagonal et le défaut tétra-coordonné sont tous les quatre des défauts de moindre énergie dans ces systèmes. L'étude des mouvements possibles et leurs utilisations dans des simulations de physique thermodynamique, permet de montrer l'existence de plusieurs régimes de diffusion, selon que les médiateurs du mouvement agissent seuls ou de façon coordonnée. Nous donnons l'exemple de la diffusion lacunaire, dont les variations observées s'expliquent par la présence plus ou moins importante de bi-lacunes et par les phénomènes de dissociation en jeu.<br /><br />Par cette étude, nous mettons en avant la nécessité de combiner, dans le cas de la diffusion, une analyse de l'échelle atomique avec des simulations à des échelles plus macroscopiques.

L'ESSOR DES TÉLÉCOMMUNICATIONS À L'ÉCHELLE MONDIALE QU'A CONNU LA FIN DU XXÈME SIÈCLE A ÉTÉ RENDU POSSIBLE PAR L'EXISTENCE DE RÉSEAUX À BASE DE FIBRES OPTIQUES, CAPABLES DE TRANSMETTRE DES FLUX DE DONNÉES IMPORTANTS SUR DE LONGUES DISTANCES. LA GESTION DE CES IMPORTANTS FLUX D'INFORMATION EN AMONT ET EN AVAL DE LA FIBRE REQUIERT DES CIRCUITS ÉLECTRONIQUES NUMÉRIQUES ET ANALOGIQUES TRAITANT DES DÉBITS DE DONNÉES SUPÉRIEURS À 40GB/S, CE QUI IMPLIQUE L'UTILISATION DE COMPOSANTS TRÈS RAPIDES, AVEC DES FRÉQUENCES DE TRANSITION AU-DELÀ DE 150GHZ. GRÂCE AUX REMARQUABLES PROPRIÉTÉS DE LA FAMILLE DE MATÉRIAUX III-V EN TERMES DE TRANSPORT ÉLECTRIQUE, LE TRANSISTOR BIPOLAIRE À HÉTÉROJONCTION GAINAS/INP SE CLASSE COMME L'UN DES TRANSISTORS LES PLUS RAPIDES ACTUELLEMENT, ET PERMET LA RÉALISATION DE TELS CIRCUITS OPÉRATIONNELS À TRÈS HAUTE FRÉQUENCE. LA MISE EN PLACE D'UNE FILIÈRE COMPLÈTE DE FABRICATION DE CIRCUITS À BASE DE TBH NÉCESSITE QUE SOIT MAÎTRISÉ UN GRAND NOMBRE D'ÉTAPES. UN CERTAIN NOMBRE D'ENTRE ELLES TOUCHE DIRECTEMENT AU COMPOSANT: CONCEPTION, ÉPITAXIE, FABRICATION TECHNOLOGIQUE, CARACTÉRISATION... A CES ÉTAPES DOIT ÊTRE AJOUTÉE UNE CERTAINE COMPRÉHENSION DES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES INTERVENANT DANS LE DISPOSITIF. DANS CE TRAVAIL DE THÈSE, LES PROBLÉMATIQUES LIÉES À L'OPTIMISATION DU TBH GAINAS/INP, AINSI QUE CERTAINES QUESTIONS RELATIVES AUX MÉCANISMES PHYSIQUES MIS EN JEU SONT PRÉSENTÉES.

Ce travail est divisé en deux axes de recherches. Le premier axe concerne l'étude de quelques systèmes d'équations aux dérivées partielles non linéaires issus de la modélisation macroscopique des composants semi-conducteurs. Le deuxième axe de recherche est consacré à l'étude de quelques problèmes d'identification. Nous nous intéressons en particulier à deux types de problèmes d'identification. Le premier concerne la reconstruction des données sur le bord pour des problèmes elliptiques. Le deuxième type de problèmes auquel nous nous sommes intéressés est celui de l'identification des frontières dans des problèmes gouvernés par des équations elliptiques.

Ce travail porte sur la compréhension des mécanismes de génération de la contrainte durant la croissance 2D de films métalliques de basse mobilité. L'évolution de la contrainte est suivie in-situ et en temps réel durant la croissance par pulvérisation magnétron de films Mo-Si par mesure de la courbure du substrat. Le dispositif optique multi- faisceaux utilisé offre une sensibilité sub-monocouche et permet ainsi de détecter des changements subtils de la contrainte de surface/interface, les transitions structurales et la formation de défauts dans le film. Les résultats sont interprétés et discutés sur la base d'observations ex-situ XRD, EBSD, HRTEM et AFM. Il est montré la possibilité d'ajuster la contrainte en changeant les conditions de nucléation, le flux et l'énergie des particules incidentes. Pour les solutions solides métastables Mo1-xSix sur a-Si, l'établissement au-delà d'une épaisseur critique d'une contrainte de tension, corrélée à l'augmentation de la taille latérale des grains, est attribuée à un changement de volume à la cristallisation du film. En revanche, pour des conditions similaires de dépôt, un état stationnaire en compression se développe dans les films dont la croissance est initiée sur c-Mo, après un stade initial en tension résultant d'une croissance en épitaxie, la formation de défauts est identifiée comme la source principale de cette contrainte compressive. Selon l'énergie des espèces pulvérisées, les atomes s'incorporent préférentiellement dans les joints de grains ou en interstitiel dans le grain, ce qui conduit à deux états distincts de contrainte, comme le révèlent les analyses XRD exsitu. Une interdépendance entre les propriétés électroniques et élastiques des films Mo1-xSix est également mise en évidence.

Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.

Dans le cadre des futurs réseaux de télécommunication optiques, les phénomènes non-linéaires dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (AOS) telles que la modulation croisée de polarisation (XPolM) et la modulation de phase croisée sont exploités pour réaliser des fonctions de traitement tout-optique nouvelles. Ces fonctions sont dédiées au routage, à la commutation de paquets et la reconnaissance des en-têtes dans les réseaux de transmission optiques. L'objectif de ce travail était double: d'une part la compréhension de la biréfringence induite dans l'AOS et en particulier le phénomène de couplage dans la XPolM grâce à une approche expérimentale, et d'autre part la mise en œuvre de cet effet pour réaliser des portes logiques tout-optiques. Un modèle théorique bidimensionnel de l'AOS est présenté. Il prend en compte les composantes TE et TM de l'onde optique, les gains optiques, les phases TE et TM et le couplage d'énergie entre les deux modes propres de l'AOS. Un banc de mesure en espace libre de type pompe et sonde a été soigneusement mis en place afin de contrôler finement les états de polarisation des signaux optiques et d'extraire des paramètres de la modulation croisée de polarisation dans la bande utile [1550-1565] nm. L'impact de la puissance de pompe et de sa polarisation sur la modification des axes propres de l'AOS est mis en évidence. Une étude expérimentale et théorique est proposée afin d'étudier l'impact de la dépendance en polarisation du gain de l'AOS sur l'efficacité de la XPolM. Cette étude est basée sur la théorie des modes couplés et les paramètres de Stokes déterminés expérimentalement. Une validation du modèle est proposée. La XPolM est exploitée pour réaliser des fonctions optiques telles que des portes logiques tout-optiques (AND, NOR, NOTXOR) à 2.5 Gbit/s au format NRZ en utilisant un unique AOS. L'efficacité de ces fonctions est estimée en mesurant le taux d'extinction. La biréfringence induite est également exploitée pour réaliser un commutateur et une porte logique tout-optique à 10 Gbit/s.

Ce mémoire est consacré à l'étude du couplage lumière-matière dans des structures à base de GaN (semiconducteur à bande interdite directe). L'objectif de ce travail est la mise en évidence expérimentale du couplage fort exciton-photon dans des microcavités à base de GaN. Des difficultés liées à l'élaboration des nitrures nous ont contraint à effectuer deux études préliminaires : tout d'abord, la détermination des indices de réfraction d'AlN, GaN et AlGaN par ellipsométrie spectroscopique et par réflectivité, puis la caractérisation de miroirs de Bragg AlN/GaN et AlN/AlGaN. A partir des résultats obtenus, nous avons imaginé puis effectué le design de plusieurs structures de microcavités pour lesquelles le couplage fort lumière-matière était atteint théoriquement. Les microcavités ont ensuite été élaborées par épitaxie sous jets moléculaires sur substrat de silicium et nous les avons caractérisées par spectroscopie optique : réflectivité et photoluminescence à basse température, en fonction de l'angle d'incidence et de la position. Les expériences de réflectivité résolues en angle nous ont permis de mettre en évidence pour la première fois le régime de couplage fort dans une microcavité à base de GaN. La structure étudiée est une microcavité massive à base de GaN encastrée entre 4 alternances de couches diélectriques SiO2/Si3N4 formant le miroir haut et le substrat de silicium jouant le rôle du miroir bas. Le régime de couplage fort atteint dans cette structure est caractérisé par un dédoublement de Rabi de 31 meV persistant à une température de 77K, mais ne subsistant pas à température ambiante, à cause des élargissements induits par l'augmentation de la température. Finalement, nous avons proposé des microcavités massives ou à puits quantiques permettant théoriquement l'observation du régime de couplage fort à température ambiante. Ainsi, des dispositifs tels que le laser à polaritons, laser à très faible seuil, pourrait être envisagé.

Ce travail expérimental et théorique porte sur l'injection tunnel de photoélectrons à partir de GaAs vers des surfaces métalliques et de spin vers des surfaces magnétiques. On y présente la première mise en évidence de la dépendance en spin du courant tunnel vers une surface magnétique. Ce travail comporte deux parties distinctes : 1ere partie : Cette partie est consacrée à l'étude de l'injection de charge et de spin de photoélectrons à partir de microleviers de GaAs (sans pointe) sous pompage optique, vers des surfaces nonmagnétiques d'or et magnétiques de cobalt. La dépendance du courant injecté vers une surface d'or en fonction de la tension appliquée sur le levier et de la distance levier/surface métallique est en accord avec les prédictions d'un modèle original. A l'aide d'une cellule de Pockels, le même montage est utilisé pour moduler la polarisation de spin des électrons tunnel et pour étudier la dépendance en spin du courant tunnel dans des couches de cobalt. Ce travail conduit à la première mise en évidence de la dépendance en spin de l'effet tunnel de photoélectrons vers une couche magnétique. Le retournement de la polarisation de spin des électrons tunnel par rapport à l'aimantation de la couche magnétique induit une variation de 6% du courant tunnel, alors que la valeur maximale observée pour une couche non magnétique est de l'ordre de 0.1%. On observe une diminution de ce signal en fonction de la tension appliquée qui est attribuée à la diminution de la vitesse de recombinaison de surface. Les résultats sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques. 2e partie : Cette partie regroupe deux études distinctes du transport de charge et de spin faisant appel à l'imagerie de luminescence polarisée pour caractériser les propriétés de spin. Cette technique nouvelle d'imagerie a été mise au point dans le cadre de ce travail. La première étude analyse les propriétés de spin de pointes de GaAs qui pourraient être utilisées ultérieurement pour l'imagerie du nanomagnétisme, dans le but de prédire le taux de polarisation de spin des électrons injectés. En utilisant des mesures sur des couches planaires équivalentes et en modélisant la diffusion de charge et de spin dans la pointe, on montre que l'on peut s'attendre à obtenir des polarisations de spin atteignant 40%. Par ailleurs, la microscopie de luminescence polarisée permet d'étudier le transport de charge et de spin dans des couches minces de GaAs, respectivement oxydées et passivées. On montre que la recombinaison de surface joue un rôle crucial pour la diffusion de charge et de spin, car la diminution de la vitesse de recombinaison de surface de 107 cm/s à 103 cm/s induite par la passivation fait passer les longueurs de diffusion de charge et de spin de 21 micron et 1.3 micron respectivement à 1.2 micron and 0.8 micron.

Le progrès de l'industrie des circuits intégrés, durant ces dernières années, a été poussé par une miniaturisation continue des transistors. Avec la réduction des composants à des dimensions de 0.1 micron et moins, de nouveaux effets physiques entrent en jeu que les simulateurs standard en deux dimensions (2D) ne considèrent pas. En fait la troisième dimension entre en jeu car les dimensions transversales et longitudinales des composants sont du même ordre de grandeur. Pour décrire le fonctionnement de tels composants avec plus de fidélité, il faut donc affiner les outils de simulation et les adapter afin de prendre en compte ces phénomènes. Le cadre général de ce travail s'inscrit dans cette optique. Au cours de cette thèse, on a élaboré deux simulateurs distincts pour étudier les composants submicroniques. Ces deux outils ont été développés dans un environnement à éléments finis, en combinant l'équation de transport de Boltzmann avec l'équation de Poisson dans une résolution tridimensionnelle (3D) et autonome. Nos travaux ont été réalisés sur FLUX3D© (logiciel développé au LEG pour la simulation 3D des dispositifs électromagnétiques par éléments finis). * Le 1 er simulateur est basé sur une approche déterministe par le modèle de dérive diffusion. * Le 2e simulateur est basé sur une approche stochastique consistant en la simulation dynamique des particules par la méthode de Monte-Carlo. Ces deux outils constituent une contribution importante à la modélisation des composants, et peuvent être utiles même hors du contexte des petits composants. Éventuellement, ils peuvent êtres unis dans un simulateur hybride combinant les modèles de Monte-Carlo et de dérive diffusion. L'aspect novateur de ce projet réside dans le fait que les nombreux travaux antérieurs qui utilisent la technique de Monte-Carlo se basent sur la méthode des différences finies le plus souvent en 2D seulement. Jusqu'à présent, une approche 3D par éléments finis de ces questions n'a jamais été employée, à notre connaissance.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés de fluorescence de nanocristaux colloïdaux de semi-conducteurs composés d'un cœur entouré d'une coque. Ces hétéro-structures possèdent des propriétés optiques qui dépendent de leur taille, de leur forme et de leur composition. Il est donc essentiel de pouvoir les synthétiser en contrôlant précisément ces paramètres. Dans ce manuscrit nous présentons la synthèse et les caractérisations structurales et optiques de nanocristaux de semi-conducteurs II-VI et I-III-VI. Tout d'abord, nous montrons qu'il est possible de faire croître une coque plate de CdS sur des cœurs sphériques de CdSe. La différence de paramètre de maille entre les deux matériaux et la géométrie de la coque induisent des effets de pression anisotrope qui modifient la structure fine du premier exciton. Par conséquent, l'émission de ces nanocristaux s'affine et devient polarisée à 2D dans le plan de la coque plate. Cette dernière propriété, amplifiée par des effets diélectriques liés à la forme du nanocristal, est vérifiée par différentes mesures de polarisation. De plus, ces nanocristaux s'orientent spontanément sur substrat, ce qui permet un contrôle fin de l'orientation du dipôle d'émission. Ensuite, nous présentons la synthèse et les propriétés de nanocristaux émettant dans le proche infrarouge et composés d'éléments moins toxiques que ceux usuellement utilisés dans cette gamme : CuInS2 et CuInSe2. Ces nanocristaux à composition ternaire sont recouverts d'une fine coque de ZnS pour préserver leur fluorescence après solubilisation en milieu aqueux. Nous montrons que ces sondes fluorescentes peuvent être utilisées pour l'imagerie in vivo du petit animal.