Les plasmons de surface sont des quasi-particules résultant du couplage fort entre l'oscillation collective des porteurs libres d'un métal (plasma) et une onde électromagnétique. Ils sont générés à l'interface entre un métal et un diélectrique. Ils sont étudiés depuis plusieurs années pour leurs propriétés remarquables de confinement du champ électromagnétique à l'interface ou encore d'exaltation de ce même champ. Les plasmons de surface (SPP) sont à la base de la plasmonique, domaine qui exploite leurs propriétés optiques. L'une des caractéristiques principales des SPP est la fréquence plasma. Elle est proportionnelle à la densité de porteurs libres. La majorité des travaux effectués en plasmonique concerne les métaux nobles comme l'or ou l'argent. Cependant, leur utilisation est délicate dans certaines gammes de longueurs d'onde, telle que l'infrarouge, lorsqu'il est nécessaire d'exploiter l'exaltation du champ électrique pour la détection de molécules en biologie. Pour contrôler au mieux cet effet d'exaltation du champ électrique, il est nécessaire d'ajuster la fréquence plasma. Cela impossible pour les métaux nobles qui sont par ailleurs incompatibles avec les procédés actuels de la microélectronique. L'utilisation de semi-conducteurs fortement dopés en plasmonique permet de contourner ces limitations. En changeant le dopage ou le type de semi-conducteur, il est possible de changer la fréquence plasma du matériau et ainsi, d'obtenir des résonances plasmoniques dans le moyen infrarouge. Mon travail de thèse concerne la réalisation et la caractérisation de réseaux plasmoniques à base semi-conducteurs dopés. Les échantillons sont constitués d'une couche d'InAsSb (antimoniure d'arséniure et d'indium) dopée au silicium. Cette couche est déposée par épitaxie par jets moléculaires (MBE) sur un substrat de GaSb (antimoniure de gallium). Dans un premier temps j'ai mis au point un moyen de caractérisation rapide et non destructif du niveau de dopage dans les couches d'InAsSb et donc de la fréquence plasma, basé sur la réflectivité en angle. Un modèle théorique basé sur le mode de Brewster m'a permis d'expliquer les résultats expérimentaux. J'ai ensuite mis au point les étapes technologiques permettant de réaliser les rubans d'InAsSb. Elles sont basées sur de la lithographie interférentielle, la gravure chimique humide et la gravure sèche par plasma. En modifiant les dimensions du réseau, j'ai démontré la possibilité de contrôler les propriétés optiques des résonateurs plasmoniques. Enfin, nous avons fabriqué des réseaux d'InAsSb enterrés, en procédant à une reprise d'épitaxie par MBE d'une couche de GaSb sur le réseau InAsSb. Nous arrivons ainsi à planariser la structure en conservant sa cristallinité. J'ai donc démontré qu'il était possible d'intégrer des structures plasmoniques à des composants photoniques opérant dans l'infrarouge en utilisant seulement des semi-conducteurs. La voie est ouverte pour le développement d'une plasmonique infrarouge tout-semi-conducteurs. Mon travail de thèse est pionnier dans ce domaine. / Surface plasmons polaritons (SPP) are quasi-particles resulting from the strong coupling between the collective oscillations of free carriers in a metal and an electromagnetic wave. They are generated at the interface between a metal and a dielectric. They are studied in detail for several years for their outstanding properties of electromagnetic field confinement at the interface or of filed exaltation. SPP are the building blocks of plasmonics, the area that exploit their optical properties. One of the main characteristics of the SPP is the plasma frequency which is proportional to the density of free carriers. Plasmonics is essentially based on noble metals like gold or silver. However, noble metals are difficult to use in certain ranges of wavelengths, such as infrared, to exploit the electric field exaltation for the detection of molecules in biology. To improve the control of this electric field exaltation, it is necessary to adjust the plasma frequency. It impossible with noble metals that are otherwise incompatible with current microelectronics processes. To overcome these limitations we propose to use heavily doped semiconductors. By changing the doping or the type of the semiconductor, it is possible to change the plasma frequency and thus obtain plasmonic resonances in the mid-infrared. My work deals with the realization and the characterization of doped semiconductors plasmonic gratings. The samples consist of an InAsSb (indium, arsenide, antimonide) layer doped with silicon. This layer is deposited by molecular beam epitaxy (MBE) on a GaSb substrate (gallium antimonide). I have developed an experimental technique based angular dependent reflectivity of rapid and non-destructive characterization of the doping level in the InAsSb layers and thus the plasma frequency. A theoretical model based on Brewster modes allowed explaining the experimental results. I then developed a technological process to achieve the InAsSb gratings. They are based on interference lithography, chemical wet etching and dry plasma etching. By changing the size of the grating, I have demonstrated the ability to control the optical properties of plasmonic resonators. Finally, we have made of InAsSb grating buried into a GaSb layer, using a regrowth by MBE technique. The structure is planarized with a good crystallinity. So it is possible to integrate plasmonic resonators nearby photonic compounds operating in the infrared using only semiconductors. We pave the way for the development of all-semiconductor infrared plasmonics. My thesis is a pioneer work in this field.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la croissance de boîtes quantiques par formation de nano-trous in-situ par « droplet-etching » ainsi qu’à la fabrication et caractérisation de dispositifs basés sur ces nanostructures. La thèse comporte sept chapitres. Le premier chapitre est une introduction au sujet et les méthodes expérimentales sont présentées dans le second chapitre. Les méthodes de fabrication ainsi que les résultats expérimentaux obtenus sont discutés dans le troisième chapitre.Nous montrons que l’utilisation in-situ de la méthode de droplet-etching permet de modifier localement l’épaisseur d’un puits quantique à modulation de dopage et créer des boîtes quantiques dans le puits où existe un gaz bidimensionnel d’électrons. Ces nanostructures constituent des diodes n-i Schottky que nous avons étudié. Les effets de ces boîtes quantiques non-contraintes et les fluctuations d’épaisseur à l’échelle nanométrique du puits quantique sur la mobilité du gaz bidimensionnel d’électrons sont discutés dans le quatrième chapitre et cinquième. Le sixième chapitre présente la fabrication d’une jonction p-n latérale basée sur l’échantillon de puits quantique avec des boîtes. Nous discutons les différentes étapes de fabrication et analysons leur influence sur le dispositif, ainsi que leurs propriétés optiques. En particulier, nous démontrons l’électroluminescence d’une boîte unique localisée dans une jonction p-n latérale. Finalement, le dernier chapitre conclue ce travail et en présente les perspectives. / In this thesis the formation of quantum dots (QD) via in-situ droplet nanohole etching, the fabrication and characterization of devices based on these nanostructures is described. The thesis consists of seven chapters. In the first chapter an introduction is given to present the topic to the reader. In the second chapter the experimental methods are presented. In the third chapter, the fabrication method is described and the experimental results obtained in this project are discussed. It will be shown the use of in-situ droplet etching to locally modify the thickness of a modulation doped quantum well, to create QDs embedded in a quantum well(QW) where a two dimensional electorn gas (2DEG) is confined by modulation doping and the embedding of these nanostructures in a n-i-Schottky diode. The effect of these strain-free dots, and the related nanoscale thickness fluctuations of the quantum well, on the 2DEG mobility are discussed in the fourth and in particular in the fifth chapter. In the sixth chapter, the fabrication of a lateral p-n junction based on the QW sample with embedded QD is presented. Following describing the fabrication stages and analysing the influence of each stage on the device, the optical properties of the junction will be discussed. In particular, it will be shown the electroluminescence of a single dot located at lateral the p-n junction. Finally, in the last chapter the conclusion of this work and the future projects are presented.