Cette thèse s'est axée sur la synthèse de nanocristaux (NCs) colloïdaux semi-conducteurs III -V dopés par des ions de terre rare (TR) à l'aide de diverses méthodes de synthèses. Des séries quasi-monodisperses de nanocristaux InP et In(Zn)P ainsi que des NCs cœur/coquille fortement luminescent d'InP/ZnS et d'In(Zn)P/ZnS ont été synthétisés avec succès en faisant réagir le précurseur d'In (myristate d'indium) avec différents précurseurs phosphorés tel que le phosphore jaune, le PH3 gazeux ou le P(TMS)3 dans le 1-octadecene, solvant non-coordinant. Ces NCs ont été caractérisés par DRX sur poudre, MET, EDX, SFX, absorption UV-vis ainsi que par spectroscopies de photoluminescence en régime stationnaire (SSPL) et résolue en temps (TRPL). Les QDs constitués d'alliages tels que l'In(Zn)P et l'In(Zn)P/ZnS ont été synthétisés à l'aide d'une technique " one-pot " par réchauffement en additionnant le stéarate de zinc pendant la nucléation et la croissance des NCs d'InP. Les QDs composés d'un alliage In(Zn)P/ZnS présentent de fort rendement quantique (RQ) de photoluminescence (PL), supérieur à 70 %. Leur émission peut être facilement modulée dans la gamme spectrale allant de 480 à 590 nm (FWHM : 50 nm) en faisant varier le rapport molaire Zn2+ : In3+ et la température de réaction. Le fort RQPL est dû aux fluctuations existantes dans la bande passante de la structure de l'alliage In(Zn)P, qui contribue au bon confinement des photo-excitateurs. Les NCs In(Zn)P/ZnS dopés Eu ont été synthétisés avec succès en utilisant une méthode " one-pot " en trois étapes : (étape 1) synthèse des NCs " hôtes " en In(Zn)P ; (étape 2) croissance de la couche dopante contenant l'Eu ; (étape 3) synthèse de la coquille externe en ZnS. Des mesures optiques complémentaires - absorption, PL, PLE, spectroscopies de phosphorescence et TRPL - sont venues confirmer la réussite du dopage des NCs d'In(Zn)P/ZnS par l'Eu et ont mis en évidence l'existence d'un transfert énergétique par résonnance entre le In(Zn)P " hôte " et les ions Eu3+ " invités ". Enfin, nous avons étudié l'influence de l'environnement sur les caractéristiques optiques des QDs d'alliage In(Zn)P/ZnS en comparant des NCs inclus dans une couche mince et dispersés en solution colloïdale. Le spectre obtenu en SSPL pour des NCs In(Zn)P/ZnS inclus en couche mince présente un pic à des longueurs d'ondes plus courtes par rapport au spectre obtenu en solution. De plus, les études spectroscopiques TRPL ont montré qu'en couche mince, les NCs d'In(Zn)P/ZnS présentent des durée de vie de luminescence plus courtes ainsi qu'un du décalage spectral fortement accru avec le temps retard du moment d'excitation par rapport aux NCs en solution. Les transferts énergétique par résonnance de Förster et/ou les transferts de porteurs de charges excitées entre les NCs d'In(Zn)P/ZnS sont les principales raisons d'observer ce comportement. La présence des transferts de porteurs de charges au sein des couches minces contenant des QDs d'In(Zn)P/ZnS est très importante pour leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques tels que les QD LEDs ou les transistors à effet de champs luminescents (LEFETs).

La fabrication d'hétérostructures de semi-conducteurs III-V de qualité repose sur la connaissance des surfaces, l'optimisation de la formation des interfaces et la maîtrise de la relaxation des couches contraintes. Nous montrons d'abord par une étude en diffraction et spectroscopie d'électrons que la reconstruction de surface des semi-conducteurs III-V phosphorés est différente des reconstructions couramment observées sur les arséniés. Nous abordons ensuite le problème des interfaces à anion commun pour lequel nous proposons un modèle cinétique prenant en compte l'effet de la température de croissance sur les mécanismes d'échange et de ségrégation en surface. Pour les interfaces différant par leurs anions, la corrélation des résultats de diverses techniques nous conduit à une description précise de la composition chimique de ces interfaces en fonction des conditions de croissance et de son influence sur les propriétés électroniques de l'hétérostructure. L'obtention d'interfaces les plus abruptes possible nous amène à étudier la réactivité de surface des arséniures sous flux de phosphore pour laquelle nous déterminons les facteurs essentiels : dimères d'anions en surface et énergie de liaison des binaires impliqués. L'effet de la contrainte sur la morphologie des couches de semi-conducteurs phosphorés présente des similitudes et des différences avec le cas des arséniés. Nous proposons une interprétation de ces différences soulignant le rôle des reconstructions de surface spécifiques aux phosphorés. <br />Nous envisageons ensuite l'utilisation de ces hétérostructures dans des transistors à effet de champ à modulation de dopage. Nous optimisons la croissance de structures à double plan de dopage, à canaux composites et étudions les limites des approches pseudomorphique et métamorphique pour les canaux en InGaAs à fort taux d'indium. Nous discutons enfin de l'intérêt des semi-conducteurs antimoniés pour améliorer les résultats obtenus avec les arséniés et phosphorés.

Cette étude porte sur la conception, l'élaboration sous contrôle optique et la caractérisation de modulateurs Fabry-Pérot en multicouches (Ga, Al)As. Ces dispositifs sont destinés à être utilisés comme portes optiques à 885 nm dans une architecture tout-optique. Après avoir exposé les contraintes imposées à ces composants par l'application visée, nous rappelons les notions de base nécessaires à la compréhension et au calcul du comportement optique de ces résonateurs. Nous discutons la capacité à assurer la fonction de modulation et les conditions de fonctionnement de ces dispositifs, directement liées aux propriétés optiques non-linéaires des semi-conducteurs sous excitation optique et électrique. Nous montrons que l'obtention de bonnes performances de modulation exige une grande maîtrise dans l'élaboration des structures, notamment dans les épaisseurs des couches constituantes dont la précision doit être inférieure à 1%. Dans un second temps, nous décrivons la technique d'épitaxie par jets moléculaires assortie des conditions expérimentales utilisées pour l'élaboration de ces composants. Après avoir mis en évidence la nécessité de disposer d'un moyen de contrôle en temps réel des épaisseurs déposées pour assurer la précision requise, nous présentons la technique de réflectométrie dynamique accordable développée dans ce but: principe, montage et caractéristiques. En particulier, nous montrons comment l'utilisation originale d'une source accordable permet de garantir la précision du contrôle optique par sélection des longueurs d'onde expérimentales optimales déterminées par un calcul préalable. Nous développons alors l'étude menée à l'aide de cette technique sur la caractérisation de la dispersion des indices optiques des alliages (Ga,Al)As à la température d'épitaxie et sur la croissance de réflecteurs de Bragg et de modulateurs Fabry-Pérot. Nous présentons ensuite les caractérisations des structures élaborées qui montrent que la précision requise sur les épaisseurs déposées est atteinte et que la modulation de la réflectivité est effectivement obtenue à la longueur d'onde de résonance visée. Nous concluons sur les perspectives d'amélioration de ces performances

Ce mémoire est consacré à l'étude d'empilements multicouches de semi-conducteurs gaas/algaas, et plus particulièrement d'empilements périodiques (réflecteurs de Bragg), étudiés en tant que tels ou comme éléments intégrés à des structures plus complexes. Les structures étudiées sont caractérisées par leur spectre de réflectivité linéaire. Pour interpréter ces résultats, nous développons deux approches théoriques complémentaires: la première, basée sur un formalisme matriciel, permet de décrire exactement la propagation d'une onde optique dans une structure stratifiée quelconque et a servi de support a un programme de calcul. La seconde, en termes de couplage d'ondes, complète utilement la première en fournissant les dépendances explicites du comportement des structures en fonction des indices et des épaisseurs des matériaux choisis. Nous établissons l'expression explicite de la constante de couplage et nous exposons les principes de la synthèse des dispositifs complexes. Nous consacrons tout un chapitre aux microcavités lasers à émission surfacique. Dans un échantillon réalisé par le l.c.r. de Thomson-csf, nous avons validé la possibilité d'une émission laser biraie. Ce composant a été utilisé pour réinjecter une cavité laser saphir dopé au titane. Nous avons par ailleurs pompé la micro cavité par des impulsions optiques ultrabrèves (=100 FS) et analysé son spectre d'émission laser biraie avec une camera à balayage de fente. A l'aide d'un modèle simple, nous montrons qu'il est nécessaire de tenir compte non seulement des porteurs libres photo créés dans les puits quantiques, mais encore de ceux crées dans les barrières, suite à l'absorption par ces dernières d'une partie du flux de pompé. La prise en compte de cet effet dans nos simulations donne des résultats en bon accord avec nos observations expérimentales

Les systèmes optomécaniques, dans lesquels les vibrations d'un résonateur mécanique sont couplées à un rayonnement électromagnétique, ont permis l'examen de multiples nouveaux effets physiques. Afin d'exploiter pleinement ces phénomènes dans des circuits réalistes et d'obtenir différentes fonctionnalités sur une seule puce, l'intégration des résonateurs optomécaniques est obligatoire. Ici nous proposons une nouvelle approche pour la réalisation de systèmes intégrés et hétérogènes comportant des cavités à cristaux photoniques bidimensionnels au-dessus de guides d'ondes en silicium-sur-isolant. La réponse optomécanique de ces dispositifs est étudiée et atteste d'un couplage optomécanique impliquant à la fois les mécanismes dispersifs et dissipatifs. En contrôlant le couplage optique entre le guide d'onde intégré et le cristal photonique, nous avons pu varier et comprendre la contribution relative de ces couplages. Cette plateforme évolutive permet un contrôle sans précédent sur les mécanismes de couplage optomécanique, avec un avantage potentiel dans des expériences de refroidissement et pour le développement de circuits optomécaniques multi-éléments pour des applications tels que le traitement du signal par effets optomécaniques. / Optomechanical systems, in which the vibrations of a mechanical resonator are coupled to an electromagnetic radiation, have permitted the investigation of a wealth of novel physical effects. To fully exploit these phenomena in realistic circuits and to achieve different functionalities on a single chip, the integration of optomechanical resonators is mandatory. Here, we propose a novel approach to heterogeneously integrated arrays of two-dimensional photonic crystal defect cavities on top of silicon-on-insulator waveguides. The optomechanical response of these devices is investigated and evidences an optomechanical coupling involving both dispersive and dissipative mechanisms. By controlling optical coupling between the waveguide and the photonic crystal, we were able to vary and understand the relative strength of these couplings. This scalable platform allows for unprecedented control on the optomechanical coupling mechanisms, with a potential benefit in cooling experiments, and for the development of multi-element optomechanical circuits in the frame of optomechanically-driven signal-processing applications.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée. / This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed.

La substitution du canal de silicium par un semi-conducteur III-V est une des voies envisagées pour accroitre la mobilité des électrons dans les transistors n-MOSFET et ainsi réduire la consommation des circuits. Afin de réduire les coûts et de profiter des plateformes industrielles de la microélectronique, les transistors III-V doivent être réalisés sur des substrats de silicium. Cependant, la différence de paramètre de maille entre le Si et les couches III-V induit de nombreux défauts cristallins dans le canal du transistor, diminuant la mobilité des porteurs. L’objectif de cette thèse est la réalisation de transistors à canal III-V sur substrat de silicium au sein de la plateforme microélectronique du CEA Leti. Dans le cadre de ces travaux, deux filières technologiques d’intégration ont été développées pour la réalisation de transistors tri-gate à base d’In0,53Ga0,47As sur substrat de silicium : par un collage moléculaire d’une couche d’InGaAs sur InP et par une épitaxie directe de la couche d’InGaAs sur substrat Si. Les différentes étapes technologiques spécifiques à l’InGaAs ont été mises au point au cours de ces travaux, en prenant en compte les contraintes de contamination des équipements. Le traitement de surface de l’InGaAs et le dépôt du diélectrique de grille à haute permittivité (type high-k) par ALD ont été particulièrement étudiés afin de réduire la quantité d’états d’interface (Dit) et d’optimiser l’EOT. Pour cela, des analyses XPS et des mesures électriques C(V) de capacités MOS ont été réalisées à l’échelle d’un substrat de 300mm de diamètre. / The replacement of the silicon channel by III-V materials is investigated to increase the electron mobility in the channel and reduce the power consumption. In order to decrease the cost and to take advantage of the microelectronic silicon platform, III-V transistors must be built on Silicon substrates. However, the lattice parameter mismatch between Silicon and the III-V layers leads to a high defects density in the channel and reduces the carrier mobility. This thesis aims to realize III-V transistors on silicon substrate in the CEA-Leti microelectronic clean room. In the frame of this PhD, two integration process are elaborated to realize In0,53Ga0,47As tri-gate transistors on silicon: the molecular bonding of an InGaAs layer grown on a InP substrate, and the direct epitaxy of InGaAs on a silicon substrate. The fabrication steps for InGaAs transistors were developed, taking into account the clean room contamination restriction. InGaAs surface treatment and high-permittivity dielectric deposition by ALD are studied in order to reduce the density of interface states (Dit) and to optimize the EOT. XPS analysis and C(V) measurement are performed at the scale of a 300mm Silicon substrate.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l'étude expérimentale de fonctions de traitement optique de signaux, multiplexés en longueur (WDM) ou en temps (OTDM), à base de composants à cristaux photoniques (CPh) en matériaux semi-conducteurs III-V réalisés dans le cadre du projet européen Copernicus. Les propriétés dispersives singulières qu'il est possible d'obtenir dans ces structures ont été étudiées au travers d'effets non linéaires améliorés dans le régime de lumière lente. Ainsi, une étude sur le mélange à quatre ondes a été réalisée avec des applications de conversion de longueur d'onde à haut débit et de démultiplexage temporel. Par ailleurs, de la génération de seconde harmonique a été démontrée avec une efficacité record pour ce type de structure, et appliquée au monitoring de signaux télécoms à 42,5 Gbit/s. Des nanocavités CPh ont été utilisées en tant que filtres extracteurs de longueurs d'onde pour démontrer le démultiplexage d'un signal WDM à 100 Gbit/s. Par la suite, nous avons travaillé sur une plate-forme photonique hybride. L'intégration hétérogène de nanocavités CPh en semi-conducteurs III-V sur des guides silicium nous a permis de réaliser de la commutation optique très rapide appliquée à des fonctions de conversion de longueur d'onde jusqu'à 20 Gbit/s et de limiteur de puissance à 10 Gbit/s. Tous ces résultats sont très prometteurs pour l'intégration photonique avec la micro-électronique et la technologie CMOS. Par le biais de ces travaux, nous montrons que les cristaux photoniques, de par leurs propriétés de confinement et de ralentissement de la lumière, sont des structures particulièrement intéressantes pour la réalisation de fonctions de traitement du signal sur porteuse optique. / This thesis is devoted to the experimental study of optical processing functions, of wavelength multiplexed (WDM) or time multiplexed (OTDM) signals, based on III-V semiconductors photonic crystals (PhC) devices produced in the European project Copernicus. The unique dispersive properties that is possible to obtain in such a structure were studied through nonlinear effects enhanced in slow light regime. Thus, a study of four-wave mixing was performed with high bit rate wavelength conversion and time demultiplexing applications. Moreover, second harmonic generation has been demonstrated with record efficiency for such a structure, and applied to 42.5 Gbit/s telecom signals monitoring. PhC nanocavities were used as wavelength drop filter to demonstrate 100 Gbit/s WDM signal demultiplexing. Thereafter, we worked on hybrid photonic platform. The heterogeneous integration of III-V PhC nanocavity on silicon waveguide allowed us to perform very fast optical switching, applied to wavelength conversion up to 20 Gbit/s and power limiting function at 10 Gbit/s. All of these results are very promising for future photonic integration with micro-electronics and CMOS technology. Through this work, we show that PhC, owing to their confinement and slow light properties, are structures particularly interesting to perform optical processing functions.

Cette thèse se situe dans le cadre de l'électronique moléculaire qui vise à réaliser une unité de calcul constituée d'une molécule connectée à des électrodes mésoscopiques. La première étape est de choisir une surface qui soit isolante, afin de découpler les états électroniques de la molécule de ceux du substrat et sur laquelle il soit possible de faire croître des îlots métalliques " 2D ", permettant la connexion de la molécule à un réservoir d'électrons, tout en ayant la possibilité de l'imager en NC-AFM. Notre choix s'est porté sur le nitrure d'aluminium (AlN), en raison de sa grande énergie de bande interdite (6,2 eV) et de sa similarité avec le nitrure de gallium (GaN, 3,4 eV) sur lequel il est possible de faire croitre des îlots 2D de magnésium. Le travail de cette thèse porte sur la croissance par épitaxie par jets moléculaire de films minces d'AlN sur substrats de silicium (Si(111)) et de carbure de silicium (SiC(0001)) et leur étude in-situ par NC-AFM et KPFM sous ultra vide. Les études NC-AFM ont permis d'adapter les protocoles de croissance afin de diminuer significativement les défauts de surface des films d'AlN. Des calculs théoriques DFT ont aidé à adapter ces protocoles de croissance afin d'obtenir de façon reproductible la reconstruction de surface (2x2) de l'AlN pour laquelle la surface est terminée par des adatomes d'azote. A l'issu de cette thèse, les films d'AlN obtenus présentent des surfaces adaptées au dépôt de molécules et d'îlots métalliques. / This thesis is part of molecular electronics, which aims to realize a calculation unit based on a single molecule connected to mesoscopic electrodes. The first step is to find a suitable surface, i.e. an insulating or large gap semi-conductor surface to decouple the electronic states of the molecule from the electronic states of the substrate. It must also be compatible with the growth of flat metallic nano-pads allowing the connection of the molecule to an electron tank, while having the possibility of imaging it in NC-AFM. Our choice was focused on the large gap semi-conductor Aluminum Nitride (AlN, 6.2 eV). Indeed it has been shown that the growth of magnesium on a similar substrate (GaN, 3.4 eV) yields one mono-layer high islands. The present work is focused on the growth by molecular beam epitaxy of AlN thin layers on silicon (Si(111)) and silicon carbide (SiC(0001)) substrates and in-situ study by NC-AFM and KPFM under ultrahigh vacuum. The NC-AFM studies helped to adapt the growth protocols in order to significantly reduce the surface defects of the AlN films. Theoretical calculations (DFT) helped to adapt these growth protocols which allows to reproducibly obtain the (2x2) surface reconstruction for which the surface is terminated by a layer of N atoms. At the end of this thesis, the AlN films obtained present suitable surfaces for depositing metallic electrodes and molecules.

Le Bismuth, un élément V, a longtemps été négligé dans la famille des semi-conducteurs III V. Toutefois, les matériaux bismures connaissent un intérêt croissant depuis le début des années 2000, principalement en raison de l’exceptionnelle réduction de l’énergie de bande interdite couplée à la forte augmentation de l’énergie entre la bande de valence et la bande de spin-orbite introduites par l’atome de Bismuth. Parmi les alliages III-V-Bi, le GaSbBi est particulièrement intéressant pour l’émission dans la gamme de longueurs d’onde entre 2 et 5 µm. Jusqu’à présent, ce matériau n’a été que très peu étudié, principalement à cause des difficultés d’incorporation du Bismuth. En effet, l’incorporation du Bismuth dans les matériaux III-V nécessite des conditions de croissance très spécifiques et inhabituelles. Dans ce contexte, l’objectif premier de cette thèse est d’étudier l’épitaxie par jet moléculaire et les propriétés du GaSbBi.Ainsi, l’influence des différents paramètres de croissance sur l’incorporation du Bismuth a été étudiée minutieusement. Ces expériences ont permis la réalisation de couches de GaSbBi à forte teneur en Bismuth démontrant une excellente qualité cristalline. La plus importante concentration de Bismuth atteinte est de 14%, ce qui constitue encore aujourd’hui le record mondial dans GaSb. Par ailleurs, une réduction de l’énergie de bande interdite de 28 meV/%Bismuth a été observée. Des puits quantiques GaSbBi/GaSb, émettant jusqu’à 3.5 µm à température ambiante ont ensuite été épitaxiés et caractérisés. Le premier laser à base de GaSbBi a également été réalisé. Ce composant fonctionne en continu à 80 K et une émission laser pulsée a été observée proche de 2.7 µm à température ambiante. Enfin, un autre alliage bismure méconnu, le GaInSbBi, a été épitaxié. L’influence de l’Indium sur l’incorporation du Bismuth et les propriétés de puits quantiques GaInSbBi/GaSb ont été étudiées. / Bismuth, a group-V element, has long been neglected in the III-V semiconductor family. However, dilute bismides started to attract great attention since the early 2000s, due to the giant bandgap reduction and the strong increase of the spin-orbit splitting energy introduced by the incorporation of Bismuth. Among the III-V-Bi alloys, GaSbBi is particularly interesting but has only been sporadically studied, mainly due to the very challenging incorporation of Bismuth. Bismuth requires indeed very unusual growth conditions to be incorporated into III-V materials. The main objective of this thesis was to investigate the molecular beam epitaxy and the properties of GaSbBi alloys and heterostructures.A careful study of the influence of the different growth parameters on the Bismuth incorporation was first carried out. These investigations lead to the fabrication of high quality GaSbBi layers and to the incorporation of 14% Bismuth, the highest content reached in GaSb so far. A bandgap reduction of 28 meV/%Bismuth was observed. GaSbBi/GaSb multi quantum-wells structures with various thicknesses and compositions were then fabricated and exhibited photoluminescence emission up to 3.5 µm at room-temperature. The first GaSbBi-based laser diode was also fabricated, demonstrating continuous wave operation at 80 K and a room-temperature emission close to 2.7 µm under pulsed excitation. Finally, the growth of another dilute bismide alloy, GaInSbBi, was investigated. The influence of the Indium atoms on the incorporation of Bismuth was particularly studied together with the properties of GaInSbBi/GaSb multi quantum-wells structures.