Ce travail a été consacré à l'étude de composants optoélectroniques ultra-rapides pour le traitement de signaux RF jusqu'au domaine THz, ainsi qu'à l'étude de composants pour les faisceaux THz. Tout d'abord, le travail a porté sur des photo-commutateurs optoélectroniques fabriqués avec des semi-conducteurs ultrarapides. Le dispositif, éclairé par le battement de 2 faisceaux optiques et polarisé par une tension RF, réalise le mélange de ces fréquences. Les propriétés du dispositif (bande passante, efficacité, génération de fréquences…) ont été modélisées et les simulations ont été validées par des mesures expérimentales. Quand le signal RF est modulé par un signal « information », cette information peut être directement extraite en égalant fréquences RF et de battement optique. Le signal démodulé est très pur : ainsi nous avons mesuré une largeur spectrale à -3 dB de 11 Hz. D'autres matériaux pour la génération THz et la photo-commutation ultrarapide furent aussi étudiés, comme des boîtes quantiques en InAs. Enfin, nous avons réalisé une étude par spectroscopie THz dans le domaine temporel des propriétés de dispositifs métalliques sous-longueur d'onde pour la manipulation de faisceaux THz, comme des réseaux de trous dans une plaque métallique ou de filtres à grille, ainsi que de films nanométriques de graphène ou de nanotubes de carbone. / This PhD work was devoted to the study of ultrafast optoelectronic components for processing RF signals up to the THz range, and of related THz devices. First, we used a photoconductive switch, made of low-temperature grown GaAs, excited by the optical beating of two CW laser beams and biased by a RF signal. The switch serves as a frequency mixer, whose properties (bandwidth, efficiency, sideband generation…) were modeled and the simulation results were experimentally validated. When the RF signal is modulated by information, this information can be directly extracted by setting the beating frequency equal to the RF one. The demodulated signal exhibits a high spectral purity, 11 Hz bandwidth at -3 dB. Other materials for THz generation and fast photo-switching were also studied, like InAs quantum dots. Finally, we performed a THz time-domain spectroscopy study of metallic sub-wavelength devices for THz beam processing, like hole arrays and metallic mesh filters, as well as nanometric thin films of graphene and carbon nanotubes.

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Ce mémoire porte principalement sur la synthèse et l'étude d'une nouvelle famille de polymères π-conjugués à base de l'unité 3,8-dibromo-5H-phénanthridin-6-one (PTD) pour des applications en cellules solaires organiques. Tout d'abord, deux voies de synthèse ont été employées afin d'obtenir deux monomères différents. Ces derniers ont été copolymérisés par poly(hétéro)arylation directe (DHAP) avec le 3,6-bis(thiophén-2-yl)-2,5-bis(2-octyldodécyl)-pyrrolo[3,4-c]p yrrole-1,4-dione (DPP) afin d'obtenir deux copolymères alternés ainsi qu'un terpolymère statistique. Les polymères ont aussi été synthétisés par couplage croisé de Suzuki afin de comparer les performances des matériaux synthétisés par les deux voies de synthèse. La caractérisation des propriétés optiques et électrochimiques a permis d'établir que ces polymères pourraient être de bons candidats dans un dispositif photovoltaïque. Les trois polymères obtenus ont donc été testés dans un dispositif photovoltaïque. Les deux copolymères alternés ont démontré des efficacités de conversion énergétique d'environ 4 %, alors qu'avec une optimisation rigoureuse du dépôt de la couche active du terpolymère, une efficacité de conversion énergétique maximale de 6,7 % a été atteinte avec le PC61BM comme accepteur. De plus, afin de limiter l'impact sur l'environnement que pourrait avoir une future production, les solvants chlorés ont été remplacés par l'o-xylène. Avec ce solvant, une efficacité de 5,8 % a été obtenue, ce qui est dans les meilleures valeurs rapportées dans la littérature avec un solvant non chloré. Dans le but de se rapprocher de la mise en œuvre industrielle à roulement, le dépôt par étalement a été employé grâce à une collaboration avec l'Institut de Recherche d'Hydro-Québec (IREQ). Une efficacité maximale de 5,0 % a été obtenue pour une cellule de 1 cm² avec un solvant de dépôt chloré et 4,7 % avec l'o-xylène. / This essay deals mostly with the study and the synthesis of new π-conjugated polymers based on the 3,8-dibromo-5H-phenanthridin-6-one (PTD) for application in organic solar cells. First, two synthetic schemes have been used in order to obtain the PTD before it can be alkylated. Once the alkylated compounds are obtained, those are going to be copolymerized with the 3,6-bis(thien-2-yl)-2,5-bis(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrol e-1,4-dione (DPP) by direct hetero arylation (DHAP). The two copolymers and the random terpolymer have also been synthesized by Suzuki-Miyaura cross-coupling in order to compare both the characteristics and the performances of the polymers. The polymers have been tested in a photovoltaic device. Both copolymers performed well with efficiencies achieving 4%. After a rigorous optimization of the preparation of the active layer, the terpolymer reached a high efficiency of 6.7% with PC61BM as the acceptor. In order to reduce the impact on the environment, the chlorinated solvents were replaced by o-xylene. With this solvent, the polymer P3 performed well with efficiencies reaching 5.8%, which is one of the highest in the literature. As the main goal of this research is to develop materials for the commercialization, blade coating was employed to process the active layer in air, thanks to our collaborator of the Institut de Recherche of Hydro-Québec (IREQ). The highest efficiency achieved was 5.0% with the use of a chlorinated solvent and 4.7% with the use of o-xylene. To results makes this material a promising one for a lab-scale processes transfer to an semi-industrial fabrication.

L'insertion de nombreuses impuretés magnétiques dans des matériaux semiconducteurs massifs permet d'obtenir un comportement ferromagnétique. D'autre part, les boîtes quantiques confinent les porteurs dans les trois dimensions, permettant un contrôle individuel de chacun. Le travail présenté ici concerne l'insertion d'une unique impureté magnétique (Manganèse) dans une seule boîte quantique de semiconducteur II-VI. Cet objet permet l'étude directe, par des moyens expérimentaux relativement simples, de l'interaction entre l'impureté magnétique et un porteur confiné dans la boîte quantique. De manière uniquement optique, le spin de l'impureté peut être contrôlé et détecté. Cela en fait un candidat possible pour réaliser un codage quantique de l'information.<br />La réalisation de ces échantillons, en épitaxie par jets moléculaires, est d'abord détaillée. La ségrégation du Mn au cours de la croissance est utilisée pour réduire la densité d'atomes Mn tout en la contrôlant. Des expériences de micro-spectroscopie optique permettent de valider cette méthode. Ensuite, une étude fine de l'interaction impureté-porteur est réalisée. Les spectres expérimentaux sont analysés à l'aide d'un modèle simple des fonctions d'onde des porteurs dans la boîte. Des valeurs quantitatives de cette interaction sont données en tenant compte de la position de l'impureté dans la boîte ainsi que de sa réduction, induite par le confinement des porteurs. <br />Finalement, les possibilités pour contrôler cette interaction sont présentées: la modification de l'interaction par l'ajout de porteurs dans la boîte quantique, puis une augmentation possible de cette interaction grâce à un meilleur confinement des trous.

Une étude théorique préliminaire à cette thèse a prévu que lorsque l'on introduit un gaz de trous bidimensionnel (2D) dans un puits quantique de semiconducteur semimagnétique, l'interaction entre les spins localisés et les porteurs de charges induit une transition de phase ferromagnétique. Nous avons mis au point l'élaboration d'un tel système à base de tellurures en épitaxie par jets moléculaires, ainsi que la caractérisation au niveau microscopique des interfaces, du dopage et du transfert de porteurs dans le puits quantique. Ceci nous a permis d'élaborer des échantillons ayant donné lieu à toute une série d'études physiques. Le dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à base de tellure en épitaxie par jets moléculaires n'avait été réalisé jusqu'à notre étude que pour un dopage de type n, sur des structures comportant du CdMgTe comme matériau barrière, avec peu de magnésium. Or cet alliage est la clef de la réalisation d'un bon confinement quantique dans les tellurures, surtout pour le dopage de type p où la concentration en Mg doit être augmentée. L'utilisation d'une source d'azote ECR, dopant de type p, et l'optimisation des paramètres de la croissance ont permis l'obtention d'un gaz de trous 2D de bonne densité, comme le montrent la spectroscopie optique, l'effet Hall et la capacité-tension. L'étude de structures interdiffusées par SIMS, diffraction de rayon X et spectroscopie optique, nous a de plus permis de mieux comprendre les mécanismes de dégradation en cours de croissance de nos couches comportant du magnésium, et dopées à l'azote. Un modèle basé sur la diffusion de l'azote a été proposé. Il a ensuite été possible de réaliser des structures semimagnétiques dans lesquelles l'interaction entre un gaz de trous 2D et des spins localisés de manganèse a permis la mise en évidence de la transition de phase ferromagnétique attendue théoriquement. Par ailleurs, un nouveau dopant de type n pour l'épitaxie par jets moléculaire des tellurures a été testé avec succès sur des couches épaisses, ainsi que pour des hétérostructures. Il s'agit de l'aluminium, dont le domaine d'utilisation est plus étendu que les autres dopants utilisés jusqu'à présent, puisqu'il permet d'obtenir une bonne efficacité même sur des couches comportant du magnésium.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin à base de semiconducteurs. L'intégration de matériaux magnétiques dans des structures semiconductrices représentent actuellement un axe de recherche en plein essor qui amènera probablement une nouvelle génération de composants électroniques où seront associés deux degrés de liberté : la charge et le spin des porteurs. La finalité de ce travail est la détection électrique d'une injection de spins dans un puits de GaAs. Pour cela nous avons préalablement étudié des couches minces du semiconducteur ferromagnétique GaAs substitué Mn et des jonctions tunnel magnétiques GaMnAs/AlAs/GaMnAs. L'étude des couches minces de GaMnAs a permis de mettre en évidence la corrélation entre les propriétés magnétiques et électroniques et les jonctions tunnel ont permis de quantifier la polarisation en spin des porteurs du GaMnAs. Nous avons ensuite élaboré des structures où deux électrodes de GaMnAs sont séparées par un puits quantique AlAs/GaAs/AlAs. La première électrode permet de polariser les porteurs et la seconde d'analyser le courant polarisé en spin injecté dans le puits. La magnétorésistance (MR) dans ces structures est attribuée à un transport tunnel séquentiel avec accumulation de spins dans le puits de GaAs. La forte MR obtenue (40%) est la signature de la conservation du spin dans le puits et traduit ainsi que le temps de vie du spin des trous est supérieur au temps de séjour des trous dans ce puits. Les études de la MR en fonction de ces deux temps caractéristiques ont permis d'établir les conditions nécessaires afin de détecter une injection de spins dans un puits quantique semiconducteur. Ces expériences entièrement électriques nous ont aussi permis d'estimer le temps de vie du spin des trous dans ces puits de GaAs à la centaine de picosecondes à 4.2K.

Au cours de ce travail, nous avons procédé à une analyse extensive des dislocations d'interface et de la relaxation des contraintes dans les couches épitaxiales de GaSb sur GaAs (ou GaP) par microscopie électronique en transmission. Sur le substrat de GaAs, nous avons étudié le rôle de l'épaisseur de couches intermédiaires AlSb et le traitement de surface du substrat sur la relaxation des contraintes et la densité de dislocations émergeantes de la couche GaSb. Pareillement, nous avons étudié les effets des paramètres de croissance, tels que, le traitement de surface du substrat, la vitesse et la température de croissance sur la relaxation des contraintes des premières monocouches de GaSb sur la GaP. Avec ces paramètres de croissance optimisés, nous avons pu réaliser une couche de GaSb tampon (600 nm) et des hétérostructures AlSb/InAs avec une mobilité température ambiante de 30000 cm2V-1s-1 et 25500 cm2V-1s-1 sur la GaAs et GaP, respectivement. De plus nous avons mis en évidence, une dépendance du type de dislocation d'interface au mode de croissance: une croissance 2D de GaSb favorise la génération de dislocations de Lomer; alors que des dislocations 60o et des paires de 60o sont principalement générées en mode de croissance 3D. Nous avons aussi déterminé de façon quantitative le mécanisme général de formation des dislocations d'interface: l'interaction d'une dislocation 60o qui se forme en surface et glisse sous interaction avec celle qui se trouve déjà dans l'interface, mais aussi la tension de surface, permettent de déterminer la direction de son vecteur de Burger et donc la configuration de la dislocation résultante à l'interface. Les structures des dislocations et leur stabilité ont été étudiées par HAADF avec résolution atomique et modélisation par dynamique moléculaire. L'étude quantitative des vecteurs de Burger par analyse fine des images a confirmé le mécanisme de formation des dislocations d'interface en accord avec notre modèle.

L’électronique organique est un nouveau domaine de recherche qui combine les propriétés électriques de l’électronique avec les propriétés mécanique des matériaux organiques. De nouvelles applications telles que des écrans flexibles, de l’éclairage de surface ou des cellules photovoltaïques flexibles, qui ne sont pas possible avec l’électronique basée sur le silicium, sont envisagées. Les semi-conducteurs organiques sont les matériaux clés de ces dispositifs électroniques. Pour le design moléculaire, deux paramètres doivent être optimisés :l’énergie de réorganisation qui doit être minimisée et l’intégrale de transfert qui doit être maximisée. Avec un noyau aromatique rigide et étendu, les acènes linéaires tels que le pentacène et les anthradithiophènes (ADT) possèdent des énergies de réorganisation parmi les plus petites. Quant à l’intégrale de transfert, son intensité va dépendre de l’arrangement moléculaire qui ne peut malheureusement pas encore être prédit. Divers substituents peuvent être introduit sur le noyau aromatique afin de moduler l’arrangement moléculaire et ainsi maximiser l’intégrale de transfert.<p>Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’amélioration du transport de charge des anthradithiophènes par design moléculaire. Deux approches ont été envisagées :l’approche moléculaire et l’approche macromoléculaire. L’approche moléculaire se base sur les travaux de Takimiya sur les naphtodithiophènes. Dans ces travaux, il est montré que la mobilité de charge est supérieure lorsque l’isomère anti est utilisé plutôt que l’isomère syn. Les anthradithiophènes sont généralement utilisés en tant que mélange d’isomères syn et anti ;ceci est une conséquence de la voie de synthèse utilisée. Il est raisonnable de penser qu’utiliser des ADT isomériquement purs donnera des mobilités de charge plus élevées, à l’instar des naphtodithiophènes. Le premier objectif de cette thèse est donc de développer une méthodologie permettant d’obtenir des ADT isomériquement purs. L’approche macromoléculaire est basée sur les travaux théoriques d’Antoine Van Vooren sur le couplage électronique via pont éthylène (non conjugué). Selon ces calculs, le couplage électronique entre deux noyaux aromatiques est plus important lorsqu’ils sont reliés par un pont éthylène que lorsqu’ils sont indépendants. Le second objectif de cette thèse est de développer une méthodologie qui permet d’attacher deux ADTs via a pont éthylène.<p>Une stratégie de synthèse menant à l’anti-ADT a été développée. La quantité d’anti-ADT disponible via cette méthodologie est assez faible. Par conséquent, une autre méthodologie a été développée. En fonctionnalisant un des intermédiaires de réaction, il est possible de séparer les deux isomères et ainsi d’obtenir de plus grandes quantités d’anti-ADT et de syn-ADT. Les spectres d’absorption UV-vis du mélange et des différents isomères ont été comparés. Des études sur des dispositifs électroniques utilisant des ADT isomériquement purs sont en cours.<p>Une stratégie de synthèse menant à l’ADT ponté a été développée. Dans cette stratégie, le pont éthylène est synthétisé en premier et les entités anthradithiophènes générées dans un deuxième temps. L’ADT ponté a été obtenu à l’état de traces, détectées uniquement par spectrométrie de masse. Des efforts synthétique supplémentaire sont nécessaire afin d’obtenir l’ADT ponté dans des quantités suffisantes pour fabriquer des dispositifs électroniques. La fabrication de dispositifs électroniques est une étape cruciale dans la détermination de l’impact du pont sur la mobilité de charge.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Depuis quelques années, une révolution est en cours dans l'industrie des semiconducteurs de type III-V. Les composés azotés, comme le GaN et l'AlGaN ont permis l'apparition de nouvelles sources de lumière bleue, blanche et ultra-violette. Les sources blanches, plus particulièrement, possèdent un impressionnant potentiel commercial, car elles permettront de pénétrer l'immense marché de l'éclairage domestique et industriel. On peut déjà observer leur apparition dans l'industrie de l'automobile (éclairage de tableau de bord, phares de jour), de la signalisation routière (feux de circulation), et la téléphonie cellulaire (éclairage arrière des touches et de l'écran). En effet, les diodes électroluminescentes (DELs) blanches, fabriquées à base de GaN démontrent déjà une efficacité énergétique (en lumens/Watt) qui surpasse les technologies traditionnelles comme les ampoules incandescentes et les tubes fluorescents [IEA, 2006]. Cependant, plusieurs problèmes technologiques limitent l'efficacité des DELs, notamment l'expertise dans la fabrication du GaN. Il s'agit d'une technologie ayant une faible maturité notamment en comparaison avec les autres composés III-V à base de GaAs et InP utilisés traditionnellement dans les télécommunications. De plus, l'indice de réfraction élevé du matériau empêche plus de 93% des photons générés de s'échapper du dispositif, diminuant d'autant l'efficacité. Plusieurs méthodes d'optimisation de la luminosité des DELs sont disponibles dans la littérature. Le détachement du substrat et le collage de la diode à l'envers sur un matériau conducteur est une des méthodes exploitées. Ces méthodes, souvent trop dispendieuses à cause de leur complexité, ont néanmoins démontré un grand potentiel d'amélioration de l'efficacité des dispositifs à base de GaN. L'objectif du projet consiste à développer un procédé de fabrication de DELs bleues dans le but d'augmenter considérablement (x 3) l'intensité lumineuse émise par rapport à des approches de fabrication standard et en utilisant des approches de fabrication à faible coût. Ce document présente une revue de littérature du sujet, de ses problématiques, des objectifs de projet en cours et des méthodes à mettre en oeuvre pour les réaliser dans un délai prescrit.

Les diodes électroluminescentes (LEDs) bleues ou blanches actuelles sont constituées de couches épitaxiales planaires, essentiellement à base de GaN. Sans autres opérations technologiques, la réflexion totale interne aux interfaces réduit le nombre de photons extraits à quelques pourcents du nombre de photons émis. Cette thèse s'intéresse à un concept en rupture : les LEDs à nanofils GaN ou ZnO. Plus précisément elle vise à préciser l'intérêt de ces couches pour l'augmentation du rendement d'extraction. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à trois types de couches (taille des fils, arrangement), chacune mettant en jeu un processus d'extraction différent. La première géométrie, basée sur des fils relativement gros (rayons 50-100nm minimun) et distants vise à profiter des résonances ou du guidage optique pouvant exister au sein de chaque fil pour canaliser l'émission spontanée. Les coefficients de couplage de la couche active sur ces modes ainsi que la réflectivité des modes guidés en bout de fils ont notamment été évalué numériquement en fonction de la taille des fils. La seconde approche, issue de l'étude goniométrique de couches de fils MBE sur substrat Silicium, vise à profiter des propriétés d'indice effectif des couches de fils sublongueurs d'onde pour éviter le phénomène de réflexion totale à l'origine des faibles rendements d'extraction des couches planaires. Le modèle anisotrope numérique développé montre qu'un rendement d'extraction proche de 70% est envisageable sur ce type de couche épitaxiée sur Silicium. Enfin la troisième approche, plus prospective, vise à initier une étude sur l'émission dans des réseaux de fils agencés périodiquement.