Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude et la réalisation de photodétecteurs infrarouges à superréseaux (SR), constitués d'hétérostructures de semiconducteurs InAs/GaSb. Ces superréseaux InAs/GaSb sont considérés, depuis le milieu des années 2000, comme des structures pouvant satisfaire les besoins de la prochaine génération de photodétecteurs infrarouges (IR). À l'Institut d'Electronique du Sud (IES) de l'Université Montpellier 2, nous maîtrisons la réalisation des structures périodiques à SR par Epitaxie par Jets Moléculaires sur substrat GaSb et la fabrication technologique des photodiodes pin. Ces composants présentent des performances à l'état de l'art mondial dans le MWIR.L'objectif de mon travail de thèse, financé par la DGA et en collaboration étroite avec l'ONERA, était de contribuer à une meilleure compréhension de la physique du composant et d'améliorer les performances de cette nouvelle filière de détecteur IR. Cette étude s'effectua sur des monoélements (pixels), éléments de base du système imageur IR. En comparant trois structures InAs/GaSb différentes, conçus pour la même gamme spectrale de détection dans le MWIR mais de composition et d'épaisseur différentes (riche en GaSb, symétrique et riche en InAs), nous avons exploité la flexibilité offerte par cette technologie de détecteurs. Cette approche nous a permis de mettre en évidence la dépendance des performances avec la proportion en GaSb. Les résultats obtenus sur les structures asymétriques plus riches en InAs sont à l'état de l'art pour des photodiodes : densité de courant d'obscurité de 5x 10-8 A/cm2 à 77K pour une polarisation inverse de 50 mV. En complément, nous avons réalisé, en collaboration avec le CEA-LETI, la première matrice à SR française. Ces résultats ont contribué à une meilleure compréhension des détecteurs à superréseaux et esquissent des voies d'optimisation prometteuses. / This thesis focuses on the study and implementation of infrared photodetectors with InAs/GaSb superlattices (SL). Since the mid-2000s, InAs/GaSb SL are considered as new technology that can meet the criteria of the next generation of infrared (IR) photodetectors. At the Institut d'Electronique du Sud (IES) of the University of Montpellier 2, we control the fabrication of SL periodic structures by Molecular Beam Epitaxy on GaSb substrate and the technological process of pin photodiodes. These devices have performances at the state of the art in the midwave infrared spectral domain.The aim of my thesis work, funded by the DGA and in close collaboration with ONERA, was to contribute to a better understanding of the device physics and improve the performance of this IR detector. This study was carried out on mono-element (pixel), the basic elements of IR imaging system. Comparing three different InAs/GaSb structures, designed for the same detection spectral range (MWIR) but different composition and thickness (GaSb-rich, symmetric and InAs-rich), we used the flexibility offered by this technology detectors. This approach has allowed us to highlight the dependence of performances with the proportion on GaSb in the SL structure. The results obtained on InAs-rich asymmetric photodiodes are at the state of the art: dark current density of 5×10-8 A/cm2 at 77K for a reverse bias of 50 mV. In addition, the first French SL Focal Plane Array has been fabricated and tested. These results contributed to a better understanding of superlattice detectors and outline ways of promising optimization.

Le champ électromagnétique térahertz (THz) se situe dans l'intervalle de fréquence entre l'infrarouge et les micro-ondes, à peu près entre 1 THz à 10 THz. Ce domaine est hautement souhaitable tant pour la recherche fondamentale que pour les applications. Pourtant des sources THz compacts et accordables ne sont pas encore disponibles. Depuis la première proposition en 1970, les superréseaux semiconducteurs, dans lequel deux couches semi-conductrices atomiques avec bande interdite différente sont disposés périodiquement, fournissent de nouvelles possibilités. De nouvelles techniques et de nouveaux dispositifs deviennent réalisables. Dans cette thèse, les oscillations de Bloch dans des mini-bandes électroniques d’un superréseau polarise et la dispersion du gain associée sont utilisées pour réaliser une source THz compacte et accordable : l’oscillateur de Bloch THz. Un premier ensemble de dispositifs utilisent des réseaux dopes spécifiquement conçus pour éviter la formation de domaine d’accumulation de charges. Ces dispositifs utilisent une surface semi-isolante ou deux surfaces métalliques permettant un guidage par plasmon de surface. Cependant, malgré la réalisation de couplage par les bords ou par un réseau diffractant en surface et des mesures directes ou avec un interféromètre a transformation de Fourrier (FTIR), l’électroluminescence a été observée dans le domaine térahertz, avec un gain qui n’a pas pu etre relie aux oscillations de Bloch. Avec des superréseaux non dope, l'émission THz des oscillations de Bloch a été détectée par spectroscopie dans le domaine temporel. La dépendance de la fréquence d’émission avec le champ électrique appliqué constitue une preuve directe des oscillations de Bloch. L’échelle de Wannier Stark des trous sous pompage optique continu a aussi été observe dans les superréseaux non dopes. Avec l’augmentation de la puissance de pompage optique, les pics du photocourant se décalent et leurs formes deviennent asymétriques. L’évolution est attribue a l’accumulation des porteurs photogénérés dans les deux couches encadrant le superréseau. En outre, pour une puissance de pompage élevée, la bistabilité du photocourant a été également observée. / Terahertz (THz) electromagnetic field, which lies in the frequency gap between the infrared and microwave, roughly between 1 THz to 10 THz, is highly desirable for both fundamental research and application. Yet tuneable compact THz sources are still not available. On the other hand, ever since first proposed in 1970, semiconductor superlattice provides new playground for various new technique and devices of tremendous research and application interest. In this thesis, an innovative theme, relying on Bloch oscillations in a dc biased semiconductor superlattice, is explored to realize tunable compact THz source THz Bloch oscillator. For doped superlattice Bloch oscillator, we designed quantum cascade super-superlattice structure to realize Bloch oscillations whilst prohibit electrical domain formation. The designed structures were processed into various waveguide and grating devices for electroluminescence detection using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The Bloch gain of semi-insulating surface plasmon waveguide device was also measured using THz time domain spectroscopy. Even though the electroluminescence and gain at THz regime were observed, no direct evidence of Bloch emission was confirmed. For undoped superlattice, the THz emission from Bloch oscillations was observed by time domain spectroscopy. At last, the photocurrent corresponding to heavy hole and Wannier Stark Ladder (WSL) states transitions in undoped superlattice was studied. Under CW laser pumping, the photocurrent as function of the applied voltage showed multiple WSL peaks, which indicated laser induced and controllable negative differential conductance (NDC). With increasing pumping power, the nonlinear NDC regime and bistable states were investigated as well.

Ce travail a consisté en la croissance (par épitaxie à jets moléculaires) et la caractérisation de nanostructures à base de semiconducteurs nitrures (GaN, AlN et alliages) afin de développer de composants optoélectroniques avancés basés sur les transitions intrabandes pour la prochaine génération de systèmes de télécommunications à très haut débit. Une première série de résultats concerne la croissance de couches minces de nitrures, notamment celle des alliages d'AlGaN. D'après notre étude, la croissance de couches dont la fraction molaire d'Al reste en deçà de 35 % nécessite la présence d'un excès de Ga. Au delà, il est nécessaire d'utiliser l'In en tant que surfactant ou bien de réaliser des superalliages GaN/AlN. Des études du dopage Si de ce type de structures ont été menées. Nous avons ensuite étudié des structures à multicouches de puits quantiques GaN/AlN dopées Si. Celles-ci présentent les pics d'absorption ISB polarisée p à des longueurs d'onde de la gamme des télécommunications à température ambiante. L'effet de divers paramètres de croissance et de design a été étudié. L'analyse des caractérisations de ces échantillons a permis d'évaluer le champ électrique interne ainsi que l'offset de bande de conduction entre le GaN et l'AlN de nos structures. Concernant la synthèse des structures multicouches de boîtes quantiques GaN/AlN dopées Si, nous avons adapté la technique de croissance de ces structures pour minimiser la taille de boîtes, et ce, de manière à ce que leur absorption intrabande puisse atteindre les longueurs d'onde des télécommunications optiques. L'énergie du pic d'absorption des boîtes peut être ajustée en modifiant la quantité de GaN dans les boîtes, la température de croissance, et le temps d'interruption de croissance. Enfin, les résultats obtenus sur la réalisation de composants sont développés. Nous nous sommes focalisés sur les dispositifs basés sur l'absorption (photodétecteurs à puits et à boites quantiques, modulateurs électro-optiques) et l'émission de lumière infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde des télécommunications. Des résultats prometteurs ont été obtenus sur l'ensemble de ces composants, ils forment une première étape vers la fabrication de composants pour les télécommunications à base de semiconducteurs nitrures.

Le champ électromagnétique térahertz (THz) se situe dans l'intervalle de fréquence entre l'infrarouge et les micro-ondes, à peu près entre 1 THz à 10 THz. Ce domaine est hautement souhaitable tant pour la recherche fondamentale que pour les applications. Pourtant des sources THz compacts et accordables ne sont pas encore disponibles. Depuis la première proposition en 1970, les superréseaux semiconducteurs, dans lequel deux couches semi-conductrices atomiques avec bande interdite différente sont disposés périodiquement, fournissent de nouvelles possibilités. De nouvelles techniques et de nouveaux dispositifs deviennent réalisables. Dans cette thèse, les oscillations de Bloch dans des mini-bandes électroniques d'un superréseau polarise et la dispersion du gain associée sont utilisées pour réaliser une source THz compacte et accordable : l'oscillateur de Bloch THz. Un premier ensemble de dispositifs utilisent des réseaux dopes spécifiquement conçus pour éviter la formation de domaine d'accumulation de charges. Ces dispositifs utilisent une surface semi-isolante ou deux surfaces métalliques permettant un guidage par plasmon de surface. Cependant, malgré la réalisation de couplage par les bords ou par un réseau diffractant en surface et des mesures directes ou avec un interféromètre a transformation de Fourrier (FTIR), l'électroluminescence a été observée dans le domaine térahertz, avec un gain qui n'a pas pu etre relie aux oscillations de Bloch. Avec des superréseaux non dope, l'émission THz des oscillations de Bloch a été détectée par spectroscopie dans le domaine temporel. La dépendance de la fréquence d'émission avec le champ électrique appliqué constitue une preuve directe des oscillations de Bloch. L'échelle de Wannier Stark des trous sous pompage optique continu a aussi été observe dans les superréseaux non dopes. Avec l'augmentation de la puissance de pompage optique, les pics du photocourant se décalent et leurs formes deviennent asymétriques. L'évolution est attribue a l'accumulation des porteurs photogénérés dans les deux couches encadrant le superréseau. En outre, pour une puissance de pompage élevée, la bistabilité du photocourant a été également observée.

De nombreuses filières de détecteurs coexistent dans le domaine infrarouge (longueur d’onde entre 1µm et 50µm). Chacune possède ses avantages et ses inconvénients (coût, performance, compacité …). Certaines filières sont bien établies et disponibles commercialement alors que d’autres sont encore émergentes. La filière super-réseaux (SR) est une filière récemment commercialisée. Elle repose sur l’empilement périodique de semiconducteurs (InAs/GaSb), donnant un détecteur quantique capable de détecter des longueurs d’ondes comprises entre 1 et 32µm typiquement.L’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel de la filière super-réseaux en cryostat opérationnel à l’aide de fonctions de mérite orientées système qui tiennent compte du packaging entourant le détecteur. Nous nous concentrerons sur la Fonction de Transfert de Modulation (FTM), décrivant la résolution du système ainsi que sur le rapport Bruit Spatial Fixe Résiduel sur Bruit Temporel (BSFR/BT), décrivant la stabilité temporelle de la qualité image.Ce travail a ainsi permis de confirmer deux promesses des SR en moyen infrarouge : d’une part, la grande stabilité temporelle de la qualité image et d’autre part le faible nombre de pixels clignotants. Par ailleurs, les bancs de mesures de FTM et de stabilité temporelle développés au cours de la thèse pourront être adaptés pour caractériser d’autres filières dans les mêmes conditions de mesure. / Many photodetector technologies coexist in the infrared domain (wavelength between 1µm and 50µm). Each of them comes with its assets and drawbacks (cost, performance, compactness, etc.). Some technologies are well established and available while others are still under development. The superlattice technology (SL) recently made its way into the market. It is based on the periodic stack of semiconductors (InAs/GaSb), giving a quantum detector capable of detecting wavelengths between 1 and 32µm typically. Like other quantum infrared detectors, superlattice photodetectors need to be cooled at cryogenic temperature to maximize their electro-optical performance.The objective of this thesis is to evaluate the potential of the SLSL in IDDCA using system-oriented figures of merit, which also take into account the packaging of the detector. The present work is focused on the Modulation Transfer Function, which describes the system resolution and the ratio Residual Fixed Pattern Noise over Temporal Noise (RPFN/TN), which evaluates the temporal stability of the image quality.This present work successfully confirmed two promises of the SL in midwave infrared : the excellent stability of the image quality and the low flickering pixel count. Besides, the experimental benches developped (MTF and temporal stability alike) can be adapted to perform similar measurements with other technologies.

La thermoélectricité est une science remise au goût du jour depuis quelques années en tant que source de récupération d'énergie. Dans cette optique, l'étude et la conception de dispositifs thermoélectriques à base de films minces se justifient parfaitement : en effet, les faibles dimensions de ces modules, de l'ordre du cm2, permettent leur intégration et leur utilisation dans des domaines nombreux et variés, tels l'industrie automobile, l'environnement du corps humain, l'alimentation de capteurs sans fil... Ainsi, ces travaux ont permis la réalisation et la caractérisation de plusieurs modules, composés de matériaux de différente nature, et de diverses géométries. Pour cela, le développement des procédés de calibration de couches minces, à la fois de matériaux semimétalliques, en bismuth et antimoine, mais aussi de matériaux semiconducteurs, en silicium et silicium-germanium, a été étudié et optimisé. De plus, l'utilisation de matériaux nanostructurés permet une amélioration des performances thermoélectriques via notamment une diminution de la conductivité thermique. Dans ce cadre, une étude théorique sur les transports électriques et thermiques dans les nanostructures, complémentée de mesures expérimentales sur des superréseaux Si/SiGe, ont permis de valider ces propos et de justifier leur intégration au sein de dispositifs thermoélectriques.

Dans le domaine de la photodétection infrarouge (IR) haute performance refroidie, le photodétecteur à superréseaux (SR) InAs/GaSb est une filière émergente qui peut compléter les technologies déjà établies. Grâce à des années de recherche, l'Institut d'Electronique du Sud (IES) de l'Université de Montpellier a développé une expertise sur la croissance du matériau SR InAs/GaSb par épitaxie par jets moléculaires et sur la fabrication technologique des photodiodes pin dont les performances sont à l'état de l'art mondial dans le moyen IR (3-5µm). Au cours de cette thèse, nous avons étudié deux périodes différentes de SR comme zone active de photodiodes pin ayant une longueur d'onde de coupure à 5 µm à 80K : une riche en InAs (InAs-rich) et l'autre riche en GaSb (GaSb-rich). Ces structures SR présentent des caractéristiques électriques et électro-optiques très différentes. Notamment, les densités de courant de la structure InAs-rich sont très bonnes, de l'ordre de 10-8A/cm2 à 80K, alors que celles de la structure GaSb-rich sont deux décades plus élevées. L'objectif de cette thèse était donc d'analyser les performances de ces photodiodes. Pour cela, nous avons développé une méthode de simulation avec l'outil TCAD SILVACO. Appliquée tout d'abord aux structures InAs-rich, nous avons mis en évidence que ces diodes sont limitées à basse température (typiquement < 120K) par le courant de génération-recombinaison et/ou par le courant tunnel assisté par pièges. La durée de vie extraite de la simulation suit une variation en T-1/2, démontrant que les mécanismes limitant les photodiodes est la génération-recombinaison SRH. Appliquée aux structures GaSb-rich, l'approche SILVACO ne peut expliquer les résultats en courant. Nous démontrons que ces résultats sont fortement liés à la présence du champ électrique dans la zone d'absorption du composant. Cela génère à faible polarisation, un fort courant tunnel, au travers des états Wannier-Stark localisés, qui pénalise fortement le courant d'obscurité et cela malgré des améliorations obtenues au niveau du matériau. Pour finir, nous établissons des règles de dimensionnement de structures à barrière et nous proposons une structure à SR pour le lointain infrarouge. / Among the high performance cooled infrared (IR) photodetector systems, the InAs/GaSb superlattice (SL) is an emerging material which may complement the currently technologies already established. Over the last 10 years, the Institut d'Electronique du Sud (IES) of the University of Montpellier has developed skills in both the growth of SL materials by molecular beam epitaxy and the process fabrication of pin photodiodes. The photodiode fabricated by the IES group are at the state of the art in the mid IR (3 – 5 μm). During this thesis, we studied two structures with different SL periods for the pin active zone showing the same cut-off wavelength of 5 μm at 80K: the structure called InAs-rich structure presents InAs layer thicker than the GaSb layer in each SL period while this configuration is reversed in the case of the GaSb-rich structure. These SL structures have very different electrical and electro-optical characteristics. In particular, the current densities of the InAs-rich structure are very good, about 10-8 A/cm2 at 80K - two orders of magnitude greater than that of GaSb-rich. The aim of this thesis work was therefore to analyze the performance of these photodiodes. For this purpose, we developed a simulation method with the SILVACO TCAD tool. Using this tool, we found that the InAs-rich diodes are limited at low temperatures (typically under 120K) by generation recombination and/or by assisted tunneling currents. The lifetimes extracted from the simulation follows the T-1/2 law, which demonstrates that the limiting mechanism is SRH recombination. However, we found that we could not study the current densities of the GaSb-rich structure using the same procedure. We demonstrate that these results are strongly related to the presence of the electric field in the absorption zone of the device. This electric field generates, at low biases, a strong tunneling current through localized Wannier-Stark states, which strongly limits the overall current despite material improvements. Finally, we define the design conditions to achieve an optimized SL barrier structure and propose a design for SL structures targeting the long wavelength domain.

Ce travail de thèse porte sur l'élaboration, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, et la caractérisation de superréseaux InAs/GaSb (SR) pour la réalisation de photodétecteurs infrarouges opérant dans la gamme de longueur d'onde 3-5 μm à température ambiante (RT). La première partie de ce mémoire présente les particularités de la détection infrarouge, ainsi qu'un état de l'art des différentes filières de détecteurs. Nous mettons également en exergue les propriétés des photodétecteurs infrarouges à SR (SLIPs) faisant de ce système de matériaux, un candidat très prometteur pour s'imposer dans la prochaine génération de caméras infrarouges. La seconde partie expose la croissance par EJM des SR sur substrat GaSb. La compensation de la contrainte par insertion d'une couche d'InSb à l'interface GaSb sur InAs a été étudiée, ainsi que l'influence de divers paramètres de croissance (température de croissance, pression équivalente des éléments V, ...). Les échantillons ont été caractérisés , et les mesures ont confirmé une grande qualité cristalline, et des SR épais (jusqu'à 2.5 μm) ont été réalisés. Enfin, nous avons élaboré des SLIPs p-i-n avec une longueur d'onde de coupure de 5.6 μm dont les caractérisations sont présentées dans la dernière partie. Ces composants à géométrie mesa ont fonctionné à RT avec un R0A~2-4.10-3 Ω.cm² , une sensibilité de 80 mA/W à 0 V donnant une détectivité spécifique calculée à 4 μm de 4.107 cmHz0.5/W. Une légère amélioration a été obtenue en insérant une couche d' Al0.4GaSb entre la couche buffer et le SR: un R0A~6.10-3 Ω.cm² , une sensibilité de 300 mA/W à -0.4 V donnant une détectivité spécifique calculée à 4 μm de 7.107 cmHz0.5/W.

Ce manuscrit est consacré à l'étude des propriétés cristallographiques et physiques particulières aux films supraconducteurs constitués du composé YBa2Cu3O7 (YBCO) et aux superréseaux supraconducteur/isolant (YBCO/LAO)n. Le premier travail de cette thèse était d'optimiser la fabrication des films YBCO. Cette étape s'est traduite par la mise au point de méthodes d'analyses structurales et surtout par le développement d'un nouveau modèle physique. Ce dernier a permis de mettre en évidence une hétérogénéité des propriétés supraconductrices au sein des couches d'YBCO et d'extraire des profils de températures critiques dans l'épaisseur des films. Néanmoins, même après optimisation des films par le biais des paramètres de dépôt, nous n'avons pu obtenir une homogénéité de la température critique dans toute l'épaisseur des films. En suspectant les contraintes d'interfaces d'agir sur les propriétés physiques et cristallographiques, nous avons développé, à partir d'une nouvelle méthode de simulations des pics de diffraction X, la détermination d'un profil type de déformation des mailles YBCO le long de l'axe de croissance des films. Enfin, en ce qui concerne les superréseaux, nous avons constaté l'impact des épaisseurs respectives des couches sur les propriétés physiques et structurales et avons mis en évidences l'existence de défauts de différentes natures grâce à la microscopie électronique en transmission. Enfin l'application du modèle physique développé dans cette thèse nous a conduit à constater que seule une fraction d'une structure supraconductrice possédait effectivement cette propriété. Le point limitant ayant été identifié, il faut reconsidérer le processus de dépôt des films afin de s'affranchir de ce problème d'inhomogénéité au sein des films pour envisager la conception de systèmes électroniques complexes.

Les manganites de terres rares hexagonaux RMnO3 sont multiferroïques à basse température : ils sont simultanément ferroélectriques (TC ~ 900 K) et antiferromagnétiques (TN ~ 80 K) sous forme massive. Nous avons élaboré par MOCVD des hétérostructures RMnO3 et (RMnO3/R'MnO3)n, avec R = Y, Ho, Er, Dy et Tb, sur des substrats de ZrO2(Y2O3) (111) et Pt (111)/Si. L'axe c est perpendiculaire au substrat dans tous les cas. Les effets de l'épaisseur et de la composition des films sur leur structure ont été étudiés. La diffraction neutronique a mis en évidence une transition antiferromagnétique dans les films, dont la température TN diminue avec l'épaisseur. La taille des domaines magnétiques est de l'ordre de 20 à 50 nm. Des mesures optiques par génération de second harmonique ont montré que les films sont ferroélectriques à la température ambiante. Un effet magnétocapacitif géant, d'origine extrinsèque, a été observé sur une multicouche (YMnO3/HoMnO3)15.