Le potentiel des matériaux Ga(In,Sb)AsN pour les applications transistors est évalué. Une étude RHEED est d'abord menée en fonction de la concentration d'azote et de la température pour fixer les conditions de croissance. Ensuite, la présence de pièges électroniques dont le nombre représente environ 1% de la concentration totale d'azote est mise en évidence par la diminution du nombre d'électrons dans les couches dopées, par une résonance cyclotron supplémentaire et des plateaux de Hall décalés dans les gaz bidimensionnels. Ces pièges attribuables aux clusters d'azote provoquent une diffusion de type impuretés ionisées qui fait chuter la mobilité dès les plus faibles concentrations d'azote. Par ailleurs, on observe une forte diffusion par les phonons, et on mesure une faible augmentation de la masse. Ces propriétés conduisent à une diminution importante du gain dans les TBH malgré un abaissement très intéressant de la tension à appliquer pour obtenir un courant d'injection donné. Une partie annexe traite de phototransistors à base de GaN.

La géométrie innovante du laser à cavité verticale présente un attrait considérable pour quelques applications spécifiques telles que les interconnexions optiques massivement parallèles ou l'ordinateur optique qui nécessitent des réseaux uni- ou bi-dimensionnels de lasers à faible courant de seuil. Dans le dessein de réaliser un laser à cavité verticale monolithique émettant aux longueurs d'onde d'intérêt pour les télécommunications optiques (1,3-1,55 µm), le système semiconducteur AlGaAsSb permet d'atteindre de très haut pouvoirs réflecteurs pour les miroirs de Bragg, qui constituent les éléments clés de ce type de composant. La pierre angulaire de ce travail a été d'établir les conditions de croissance par Épitaxie par Jets Moléculaires des couches antimoniures sur InP et sur GaSb. En particulier l'accord de maille de AlGaAsSb sur InP a été obtenu malgré les difficultés liées à une lacune de miscibilité à ces compositions. Le choix de multipuits GaInSb dans des barrières de AlGaAsSb comme zone active sur GaSb émettant à 1,55 µm, nous a permis d'atteindre une émission laser à température ambiante sur des lasers à émission par la tranche, ce résultat constituant une première mondiale. La réalisation de miroirs de Bragg performants aux longueurs d'onde de 1,55 µm et 2 µm valide les grandes potentialités du système semiconducteur AlGaAsSb/AlAsSb pour la fabrication de lasers à cavité verticale fonctionnant dans le proche infrarouge. De même la croissance d'une structure à cavité verticale 3l centrée à 1,5 µm montre la faisabilité de lasers à cavité verticale totalement monolithiques sur GaSb pour les applications aux télécommunications optiques.

Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les effets d'optique non linéaires dans les cristaux photoniques en semiconducteurs III-V. Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels présentant une modulation périodique de l'indice de réfraction à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière. En contrôlant les paramètres physiques de ces structures (périodicité, motifs, facteur de remplissage en air...), il est possible de réaliser une véritable ingénierie des propriétés dispersives de la matière pour, par exemple, empêcher la lumière de se propager dans toutes les directions de l'espace. L'objectif de cette thèse est de combiner les propriétés dispersives uniques des cristaux photoniques aux propriétés non linéaires très intéressantes des semiconducteurs III-V afin d'exalter les interactions non linéaires entre la lumière et la matière. Nous verrons que les cristaux photoniques 1D et 2D sont adéquats pour obtenir des effets non linéaires du second ordre (génération de seconde harmonique) efficaces sur de courtes distances car ils permettent de réaliser la condition d'accord de phase dans des matériaux fortement non linéaires comme l'AlxGa1-xAs tout en ralentissant la lumière. Nous montrerons également que les cristaux photoniques 2D en semiconducteurs III-V permettent de réaliser les briques de bases actives pour le traitement du signal tout optique comme des sources lasers, des amplificateurs, des commutateurs ultrarapides...

Les photodétecteurs infrarouge à multipuits quantiques (QWIP : Quantum Well Infrared Photodetector) sont des composants pluridisciplinaires : science des matériaux nécessaire à l'épitaxie, transport électronique dans ces couches semi-conductrices, modélisation électromagnétique du couplage optique, contrôle des process de salle blanche. Il est impératif de maîtriser chacune de ces composantes afin d'exploiter cette technologie pour des applications d'imagerie infrarouge. L'objectif de cette thèse est de permettre l'élargissement de la gamme spectrale accessible aux QWIPs. Pour ce faire, nous avons étudié les points communs et les spécificités de la physique de ce composant entre 3 et 20 µm. En particulier, nous avons traité de cette problématique dans les domaines que sont le transport électronique et l'aspect matériau. Après une introduction générale sur l'imagerie infrarouge et sur le composant QWIP, nous présentons les résultats d'une étude structurale et chimique des hétérostructures AlGaAs / InGaAs. Ces alliages constituent le cœur du détecteur, c'est pourquoi l'extension des longueurs d'onde de détection passe en premier lieu par le contrôle et donc la connaissance, de ces matériaux. La suite de ce travail de thèse est consacrée à l'étude des différents régimes de transport électronique dans les QWIPs : régime tunnel séquentiel résonant, régime de fort champ, régime thermoïonique et régime optique. Bien que les différents modes de transport soient observables sur l'ensemble des échantillons, certains d'entre eux ne sont dominants que pour quelques applications spécifiques. Enfin, nous montrons que la maîtrise des différentes étapes de conception et de fabrication nous permet d'optimiser les QWIPs dans la bande 3-5 µm pour des besoins de détection terrestre et de réaliser des QWIPs large bande dans la gamme 10-20 µm pour des applications spatiales.

Cette thèse présente la réalisation d'une source de photons uniques basée sur une boîte quantique InAs intégrée dans un fil photonique. Un fil photonique est un guide d'onde monomode constitué d'un matériau de fort indice de réfraction (GaAs dans notre cas). Pour un diamètre optimal voisin de 200 nm, pratiquement toute l'émission spontanée de l'émetteur (longueur d'onde dans le vide 950 nm) est dirigée vers le mode guidé fondamental. Le couplage des photons guidés à un objectif de microscope est ensuite optimisé en travaillant la géométrie des extrémités du fil. Ce dernier repose ainsi sur un miroir intégré et présente une extrémité supérieure en forme de taper. Cette approche non résonante combine de très bonnes performances à une grande tolérance sur la longueur d'onde de l'émetteur intégré. Cette thèse discute la physique des fils photoniques, la réalisation des structures en salle blanche et les résultats obtenus lors de la caractérisation optique. En particulier, nous avons réalisé une source combinant une efficacité record (0.72, état de l'art à 0.4) et une émission de photons uniques très pure. Nous discutons également le contrôle de la polarisation obtenu dans des fils de section elliptique.

Avec l’avènement de l’internet des objets, la diversification des moyens de communication et l’augmentation de la puissance de calcul des processeurs, les besoins en termes d’échange de données n’ont cessé d’augmenter. Ces technologies nécessitent de combiner notamment sur un circuit intégré des fonctions optiques et RF réalisées à partir de matériaux III-V avec des fonctions logiques en silicium. Cependant en pré requis à la réalisation de ces dispositifs, il faut obtenir des couches de III-V sur des substrats de silicium avec une bonne qualité structurale et savoir former des contacts de type n et p avec une faible résistivité. L’objectif de cette thèse est d’intégrer sur silicium du GaAs car ce matériau est couramment employé dans fabrication d’émetteurs et de récepteurs pour les communications sans fils ainsi que dans la conception de LEDs et de lasers. Dans cette optique, ces travaux de thèse proposent donc d’étudier la croissance de GaAs sur des substrats de silicium de 300 mm par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques et sur la formation de contacts n et p avec une faible résistivité sur ce même GaAs. En premier lieu, des études seront menées pour pouvoir s’affranchir des défauts générés durant la croissance du GaAs sur silicium (parois d’antiphase et dislocations émergentes). Par la suite, des caractérisations structurales (diffraction par rayons X, FIB STEM), morphologiques (AFM), électriques (effet hall) et optiques (photoluminescence) permettront de rendre compte de la qualité du matériau et de l’impact de ces défauts. Enfin, l’évolution des propriétés (optiques et de transport) du GaAs ainsi que la formation de contacts de type n et p avec une faible résistivité sera abordée. / With the emergence of Internet of Things (IoT), diversification of communication means and rise of processors’ computational power, the requirements in data exchange never stopped rising. These technologies need to combine on integrated circuits, optical and RF purposes fabricated from III-V compounds with silicon logical functions. However, as preliminary for the achievement of such devices, III-V semiconductors with good crystal quality have to be obtained on silicon substrates and formation of n & p type contacts with low resistivity is required. The purpose of this thesis is to integrate GaAs on silicon because this semiconductor is frequently used for the fabrication of emitters and receptors for wireless communication as well as in LEDs and lasers’ conception. With this is mind, this PhD work focuses on the growth of GaAs on 300 mm silicon substrates by metalorganic chemical vapour deposition and the formation of n & p type contacts with low contact resistivity on this GaAs. Firstly, efforts will put on the removal of the crystalline defects being the most prohibitive for the use of such materials: antiphase boundaries and threading dislocations. Then, structural (X-ray diffraction, FIB STEM), morphological (AFM), electrical (Hall Effect) and optical (photoluminescence) characterizations will highlight the quality of the epitaxial films. Finally, the evolution of GaAs properties (optical and transport) and the formation of n & p-type contacts with low resistivity will be discussed.

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés dynamiques et non linéaires des dans les semi-conducteurs Ill-V et leur utilisation pour le traitement optique dans les réseaux de télécommunication haut débit. Elle est décomposée en deux axes majeurs. Le premier est lié à l'utilisation couplée des transitions inter-bandes (18) et inter-sousbandes (188). Les différences entre ces deux types de transitions, en termes de dynamique et de sensibilité à la polarisation, font des composants 18/188 de bons candidats pour la réalisation de fonctions de traitement avancées. Dans cette optique nous avons réalisé et caractérisé un nouveau composant à puits quantiques lnGaAs/AIAs8b sur substrat lnP insérés dans une jonction pn. Les premiers résultats obtenus indiquent un comportement de diode mais révèlent que la zone de charge espace est décalée lié à un probable dopage effectif non intentionnel de I'AIAs8b. La mesure du photocourant en fonction de la polarisation électrique révèle un transport via un effet Poole-Frenkel et montre l'efficacité des barrières de potentiel AIAs8b. Ces résultats nous permettent d'envisager aussi bien des applications purement optiques (modulation de phase ou d'intensité croisées ...) qu'optoélectroniques (photo détection à deux photons). Le deuxième axe consiste à l'étude et la réalisation d'un montage permettant une caractérisation poussée de la dynamique phase/amplitude et de la réponse non linéaire de tels composants. L'approche choisie est celle d'une mesure pompe sonde employant un circuit optique analogue à un interféromètre de 8agnac offrant à la fois une grand stabilité mécanique pour une précision de mesure élevée et la possibilité d'utiliser la polarimétrie afin d'extraire les variations de gain et d'indice pour une étude plus complète des propriétés du matériau. L'utilisation d'une source laser sub-picoseconde nous permet de résoudre les phénomènes aux temps courts. Une première démonstration de la mesure de variation phase-amplitude sur un absorbeur simple (multipuits lnGaAs/lnP) autour de 1.5microns est présentée. / This PhD thesis presents the study of some dynamics and nonlinear properties of III-V semiconductors and their use for optical processing in high-speed telecommunication networks. lt is decomposed into two major axes. The first is related to the coupled use of inter-band (18) and inter-subband (IS8) transitions. The differences between these two types of transitions, in terms of dynamics and sensitivity to polarization, make 18 I IS8 components good candidates for advanced processing functions. In this context, we have realized and characterized a new device based on lnGaAs I AIAsSb quantum wells on lnP substrate inserted in a pn junction. The first results obtained indicate a behaviour of diode but reveal that the space charge region is shifted. This is linked to a probable unintentional doping of AIAsSb. The measurement of the photocurrent according to the electrical polarization reveals a transport via a PooleFrenkel effect and shows the effectiveness of the AIAsSb potential barriers. These results allow us to consider both purely optical applications (phase modulation or cross intensity ... ) and optoelectronic applications (photo-detection with two photons). The second axis consists in the study and the realization of an advanced characterization tool to measure the phase/amplitude dynamics and the non-linear responses of such components. We have used a pump-probe measurement set-up employing an optical configuration similar to a Sagnac interferometer. lt offers both a great mechanical stability for high measurement accuracy and the possibility of using polarimetric properties in order to extract variations of the optical index (gain and refractive index) for a more complete study of the properties of the material. The use of a sub-picosecond laser source allows us to solve phenomena at short times. A first demonstration of the phaseamplitude variation measurement on a single absorber (lnGaAs / lnP multiwells) around 1.5microns is presented.

Dans le contexte environnemental actuel, le photovoltaïque bénéficie de l'augmentation des efforts de recherche dans le domaine des énergies renouvelables. Pour réduire le coût de la production d'électricité par conversion directe de l'énergie lumineuse en électricité, le photovoltaïque concentré est intéressant. Le principe est de concentrer une grande quantité d'énergie lumineuse sur des petites surfaces de cellules solaires multi-jonction à haute efficacité. Lors de la fabrication d'une cellule solaire, il est essentiel d'inclure une méthode pour réduire la réflexion de la lumière à la surface du dispositif. Le design d'un revêtement antireflet (ARC) pour cellules solaires multi-jonction présente des défis à cause de la large bande d'absorption et du besoin d'égaliser le courant produit par chaque sous-cellule. Le nitrure de silicium déposé par PECVD en utilisant des conditions standards est largement utilisé dans l'industrie des cellules solaires à base de silicium. Cependant, ce diélectrique présente de l'absorption dans la plage des courtes longueurs d'onde. Nous proposons l'utilisation du nitrure de silicium déposé par PECVD basse fréquence (LFSiN) optimisé pour avoir un haut indice de réfraction et une faible absorption optique pour l'ARC pour cellules solaires triple-jonction III-V/Ge. Ce matériau peut aussi servir de couche de passivation/encapsulation. Les simulations montrent que l'ARC double couche SiO[indice inférieur 2]/LFSiN peut être très efficace pour réduire les pertes par réflexion dans la plage de longueurs d'onde de la sous-cellule limitante autant pour des cellules solaires triple-jonction limitées par la sous-cellule du haut que pour celles limitées par la sous-cellule du milieu. Nous démontrons aussi que la performance de la structure est robuste par rapport aux fluctuations des paramètres des couches PECVD (épaisseurs, indice de réfraction).

Le but de ce travail de thèse est l'étude et la réalisation de sources laser de haute cohérence à semi-conducteurs III-V basées sur la technologie Vertical-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VeCSEL) à puits quantiques (matériaux InGaAs/GaAs/AlGaAs), émettant dans le proche-IR sur des modes transverses du type Laguerre Gauss (LG) et Hermite Gauss (HG) d'ordre supérieur. Ces modes ont des structures de phase, d'amplitude et de polarisation complexes qui leur vaut souvent l'appellation de 'lumière complexe' ou 'structurée'. Nous mettrons l'accent particulièrement sur les modes LG possédant un moment angulaire orbital, et sur une source contrôlant le spin du photon. Ce type de sources laser présente un grand intérêt pour le développement de systèmes ou capteurs optiques dans différents domaines, tels que les télécommunications, les pinces optiques, et le piégeage et le refroidissement d'atomes, ainsi que la métrologie optique.Nous sommes amenés à étudier les modes propres des cavités optiques de haute finesse. Nous décrivons ces modes suivant les trois "axes" définissant l'état de photon: distributions longitudinal (fréquentiel), transverse (spatial) et de polarisation. Pour chacun de ces trois axes nous étudions les ingrédients physiques qui régissent la formation des modes, et développons les outils théoriques nécessaires à la manipulation et le calcul des états propres dans des cavités modifiées.Dans une seconde étape, puisque la sélection de modes dans une cavité laser passe par l'interaction matière-rayonnement, nous nous penchons sur la dynamique de ces systèmes en écrivant les équations de Maxwell-Bloch pour notre laser. Ces équations nous permettent d'étudier le rôle de la dynamique temporelle dans la sélection des modes lasers et le chemin vers l'état stationnaire. Nous nous appuyons sur ces modèles pour expliquer certaines questions non/mal comprises, et qui mènent parfois à des interprétations erronées dans la littérature scientifique, notamment la sélection spontanée du sens de rotation du front de phase dans les modes vortex.Une partie de ce travail est consacré au développement et la caractérisation d'une technologie à semiconducteurs III-V, qui permet de sélectionner efficacement un mode laser donné, dans la base propre. Nous développons une approche basée sur des méta-matériaux intégrés à la structure de gain (le 1/2-VCSEL) et qui agit comme un masque de phase et d'amplitude. Nous nous appuyons sur cette technologie pour réaliser une cavité laser qui lève la dégénérescence des modes vortex contrarotatif et brise légèrement leur symétrie, ces deux étapes sont cruciales pour pourvoir sélectionner la charge et le signe du vortex généré et stabilisé. Afin de contrôler les modes de polarisation nous étudions les propriétés de polarisation de la cavité et du milieu à gain à puits quantique : la biréfringence, le dichroïsme, et le temps de spin flip dans les puits quantiques. Nous exploitons ces paramètres pour générer les états de polarisation désirés : linéaire stable, circulaire avec un moment angulaire de spin contrôlé par le spin de pompage. À la fin nous présentons la conception et la réalisation d'un capteur laser sous rétro-injection optique (self-mixing) pour la vélocimétrie linéaire et rotationnelle, en utilisant une source laser émettant sur un mode vortex. Ce capteur montre un exemple de mesure inaccessible avec un laser conventionnel. Il tire profit des propriétés uniques des modes vortex pour mesurer simultanément la vitesse linéaire et angulaire des particules. Nous finirons cette partie par l'étude d'un autre design de capteur laser possible pour la granulométrie, utilisant d'autres types de modes laser générés dans ce travail. / The goal of this PhD thesis is the study, design and the development of highly coherent III-V semiconductor laser sources based on multi-quantum wells (InGaAs/GaAs/AlGaAs) Vertical-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VeCSEL), operating in the near infra-red (IR), and emitting high order Laguerre-Gauss (LG) and Hermite-Gauss (HG) modes. These modes, usually called ‘complex' or ‘structured' light, have a complex wavefronts, amplitudes and polarizations structures. We especially focus on lasers with modes carrying OAM, and also on sources with controlled photon's spin. These modes are of great interest for the development optical systems in several fields, such as telecommunications, optical tweezers, atom trapping and cooling, and sensing applications. We need to study the light eigenstates in high-finesse laser cavities, we describe these eigenstates with respect to the three axis of the light that define the photon state: longitudinal (frequency), transverse (spatial), and polarization. For each one of these axis, we study the physical ingredients governing mode formation, and develop the theoretical tools required for the calculation of the eigenmodes in non-conventional cavities.In a second step, as the mode selection in a laser involves light-matter interaction, we focus on dynamic study by writing the semi classical Maxwell-Bloch equations for our lasers. These equations allow us to study the role of temporal dynamics in laser mode selection, as well as the path the steady state. We use these theoretical models to explain some none /poorly understood questions, and which lead sometimes to erroneous interpretations in the scientific literature. We see in particular the question of the spontaneous selection of the wavefront handedness in vortex modes. We also address the development and the characterization of a III-V semiconductor based technology that enables us to efficiently select the wanted mode in the eigenbasis. We adopt an approach based on metamaterials integrated on the semiconductor gain structure (1/2- VCSEL) that play the role of a phase and amplitude mask. We use this technology to build a laser cavity that lifts the degeneracy and breaks the symmetry between vortex modes with opposite handedness. These two effects are of paramount importance when one wants to select a vortex mode with a well-defined charge and handedness. In order to control the polarization modes, we study the polarization properties of the optical cavity and the quantum-well based gain medium: the birefringence the dichroism, and the spin-flip time in the quantum wells. We make use of these elements to generate the wanted polarization states: stable linear, and circular carrying an angular momentum controlled via the pump spin. In the end, we present the design and building of a feedback laser sensor (self-mixing) for linear and rotational velocimetry, using a laser source emitting a vortex beam. This sensor shows an example of a measurement inaccessible using conventional laser sources. It takes advantage of the orbital angular momentum of the vortex beam to measure both translational and rotational velocities using the Doppler effect. We end this part by presenting other possible sensor designs for particle sizing, using other exotic modes generated in this work.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation, la fabrication et la caractérisation de Lasers à Cavité Verticale Emettant par la Surface (VCSEL) de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité, pour lesquels ces lasers permettraient une manipulation électrique plus souple de ces ondes stationnaires. Pour cela, il est nécessaire de disposer de structures à large zone d'émission uniforme (~100µm). Or, l'injection par électrode annulaire dans les VCSEL émettant par la surface entraîne une inhomogénéité rédhibitoire. Cette étude vise donc à proposer et évaluer des solutions technologiques innovantes pour atteindre une uniformité optimale dans ces dispositifs. Après une introduction dressant un état de l'art des solutions rapportées dans la littérature, nous présentons les travaux que nous avons menés sur la modélisation électrique des lasers pour évaluer les approches génériques de complexité croissante suivantes : l'ajout d'une couche d'étalement du courant en surface (électrode transparente en ITO) ; l'association de cette dernière à une barrière de potentiel (diode Zener) et la discrétisation de l'injection par création de zones localisées de conduction. L'optimisation des électrodes en ITO déposées sur GaAs, l'évaluation de l'apport d'une diode Zener ainsi que la mesure du contraste d'injection obtenu par gravure localisée en surface du composant sont ensuite détaillées. Suite à cette mise au point technologique, l'insertion des solutions que nous avons finalement retenues (gravures localisées et ITO) pour la réalisation de VCSEL est ensuite décrite. Enfin, les caractérisations électro-optiques des composants réalisés sont présentées; elles ont déjà permis d'obtenir des dispositifs de forme allongée émettant 50mW en continu à l'ambiante. Ces premiers résultats prometteurs ont cependant mis en évidence la nécessité d'améliorer encore les propriétés de l'interface ITO/GaAs. Ces solutions pourront alors être mises à profit pour l'application visée mai s également pour la génération de puissance ou encore la réalisation de VCSEL à cavité externe (VECSEL).