The quantum Spin Hall Insulator (QSHI) is a two-dimensional variant of a novel class of materials characterized by topological order, whose unique properties have recently triggered much interest and excitement in the condensed matter community. Most notably, the topological properties of these systems hold great promise in mitigating the difficult problem of decoherence in implementations of quantum computers. Although QSHI has been theoretically predicted in a few different materials, prior to the work presented in this thesis, only the HgTe/CdTe semiconductor system has shown direct evidence for the existence of this phase. Ideally insulating in the bulk, QSHI is characterized by one-dimensional channels at the sample perimeter, which have a helical property, with carrier spin tied to the carrier direction of motion, and protected from elastic back-scattering by time-reversal symmetry. In this thesis we present low temperature transport measurements, showing strong evidence for the existence of proposed helical edge channels in InAs/CaSb quantum wells, which thus emerge as an important alternate to HgTe/CdTe quantum wells in studies of two-dimensional topological insulators and superconductors. Surprisingly, edge modes persist in spite of comparable bulk conduction of non-trivial origin and show only weak dependence on magnetic field in mesoscopic devices. We elucidate that the seeming independence of edge on bulk transport comes due to the disparity in Fermi wave-vectors between the bulk and the edge, leading to a total internal reflection of the edge modes. Furthermore, low Schottky barrier of this material system and good interface to superconductors allows us to probe topological properties of helical channels in Andreev reflection measurements, opening a promising route towards the realization of topologically superconducting phases hosting exotic Majorana modes.

Depuis quelques années, les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) connaissent un véritable essor se traduisant par leur intégration progressive au sein d'appareils électroniques « grand public » : téléphones portables, téléviseurs, etc. En dépit d'avantages indéniables, des obstacles — notamment des coûts de fabrication élevés et des durées de vie insuffisantes — freinent encore l'adoption massive de cette technologie. Le remplacement de la couche émissive organique par des quantum dots pourrait résoudre tout ou partie de ces problèmes, tout en améliorant les performances des dispositifs « QD-LEDs » ainsi constitués.L'objectif de cette thèse consiste à élaborer, par voie colloïdale, des nanocristaux semi-conducteurs non toxiques et présentant toutes les caractéristiques requises pour leur intégration dans des QD-LEDs.Un protocole de synthèse de nanoparticules d'antimoniure d'indium (InSb) reposant sur l'injection du précurseur d'antimoine en phase gazeuse a tout d'abord été mis au point. Suite à l'optimisation des différents paramètres de réaction, les nanocristaux obtenus par cette voie présentent un certain nombre de qualités : bonne cristallinité, faible dispersion en taille et excellente stabilité en solution. En revanche, l'absence de photoluminescence — attribuée à la présence d'une coquille amorphe autour du cœur des particules — ne permet pas à l'heure actuelle d'exploiter pleinement ces nanocristaux dans des applications optiques.L'étude a ensuite été dirigée vers la production de quantum dots à base de phosphure d'indium (InP), afin de permettre la réalisation ultérieure d'un dispositif QD-LED fonctionnel. Grâce à l'élaboration de structures à gradient de composition, des nanocristaux dotés d'un fort rendement quantique de photoluminescence ainsi que d'une excellente stabilité en milieu oxydant ont pu être élaborés.Enfin, des essais préliminaires portant sur l'intégration des nanocristaux à base de phosphure d'indium dans des diodes électroluminescentes ont été menés. Le dépôt des quantum dots a été réalisé selon la technique dite de « LANGMUIR-SCHAEFFER stamping » tandis que les autres couches présentes dans l'empilement — à base de petites molécules — ont été élaborées par évaporation. En dépit de performances encore modestes, l'émission des QD-LEDs ainsi produites présente toutefois une nette contribution provenant de la couche de nanocristaux Ces résultats ouvrent ainsi la voie à de nouveaux développements très prometteurs. / During the past few years, organic light-emitting devices (OLEDs) gradually appeared in consumer electronics such as smartphones and television sets. Unfortunately, the OLED market is still curbed by some drawbacks of this technology — namely high manufacturing costs and limited lifetime. By replacing the organic emitting layer by quantum dots, one could expect to partially solve these problems and further improve the performances of the so-called QD-LED devices.The aim of this study is to produce semiconductor nanocrystal quantum dots which are non-toxic and exhibit all the required features for their successful integration inside QD-LED structures.A new approach for the synthesis of colloidal indium antimonide (InSb) nanocrystals relying on the use of a gaseous antimony precursor was firstly developed. Thanks to the optimization of several reaction parameters, the nanocrystals obtained by this pathway exhibit a good crystallinity, a reduced size dispersion, and are highly stable in solution. Unfortunately, no photoluminescence signal was recorded — probably because of an amorphous shell surrounding the particle cores — so these nanocrystals cannot be used for optical applications.Then, we investigated the chemical synthesis of indium phosphide (InP) based quantum dots likely to yield a working QD-LED prototype. Owing to composition gradient shells, we produced nanocrystals exhibiting a high photoluminescence quantum yield and a good stability in oxygen-rich medium.Finally, we made several preliminary attempts in order to integrate indium phosphide based nanocrystals in light-emitting diodes. The quantum dot films were deposited by the “Langmuir-Schaeffer stamping” technique while the other layers made of small molecules were evaporated. Despite its still modest performances, the emission of the elaborated QD-LEDs shows a neat contribution from the embedded quantum dots. These results open the way for future developments.

The effects of optical heating via infrared free carrier absorption on the electron magneto-transport properties of n-InSb at helium temperatures have been studied for the first time. Oscillatory photoconductivity (OPC) type structure is seen in the photon energy dependence of the transport properties. A C0₂ laser (hω = 115 to 135 meV) was used as the optical source. Concentrations between 1 x 10¹⁵ cm⁻³ and 2 x 10¹⁶ cm⁻³ were studied. The conclusions of this study are that the energy relaxation of high energy photoexcited electrons, generated by free carrier absorption of C0₂ laser radiation in degenerate n-InSb at liquid helium temperatures, is by emission of a maximum number of optical phonons, and that this relaxation mechanism produces OPC type structure in the photon energy dependence of the electron temperature of the conduction band electron gas. This structure is seen, therefore, in the transport properties of the sample, including the Shubnikovde Haas effect, the effective absorption coefficient, and the photoconductivity (mobility) response (lower concentrations only). In addition, the highest concentration studied, nₑ = ~2 x 10¹⁶ cm⁻³, sets an experimental lower limit on the concentration at which electron-electron scattering will become the dominant energy relaxation mechanism for the photoexcited electrons, since OPC effects were present in this sample.

Ce travail de thèse porte sur le développement et l'étude de diodes laser moyen infrarouge dont la zone active est constituée d'un super réseau (SR) à très courte période InAs/GaSb/InSb élaboré par épitaxie par jets moléculaires. La gamme de longueur d'onde d'émission visée est 3 - 3,5 µm qui est très intéressante pour des applications d'analyse de gaz par spectroscopie optique mais pour laquelle il n'y a encore aucun composant performant. Nous avons tout d'abord étudié les propriétés optoélectroniques du SR InAs/GaSb/InSb. La structure de bandes a été modélisée dans une approche k-p. L'interface sans atome commun InAs/GaSb est simulée arbitrairement par une monocouche de InAsxSb1-x dont la composition varie avec les conditions de croissance et donc avec l'interface réelle. Un bon accord est obtenu entre le gap effectif calculé et l'énergie des spectres de photoluminescence. Une attention particulière a été portée à l'impact de l'insertion contrôlée d'InSb dans le SR. Le raccordement de bandes du SR avec le guide d'onde, capital pour fabriquer un laser, a aussi été étudié. Un premier dessin de zone active a été proposé pour atteindre l'objectif. Par la suite, les performances intrinsèques des diodes lasers à SR ont été calculées par l'intermédiaire de la modélisation du gain du SR. L'effet laser avec une densité de courant de seuil proche de 0,5 kA/cm² est théoriquement possible. Les lasers à SR InAs/GaSb/InSb ont alors été étudiés expérimentalement. Nous avons fait varier de nombreux paramètres : composition et épaisseur du SR, du guide d'onde et des couches de confinement, procédé technologique? Les résultats expérimentaux ont montré des comportements proches des modélisations effectuées. L'effet laser à la température ambiante a été obtenu avec une densité de courant de seuil de l'effet laser de 2 kA/cm² à 3,2 µm et de 1,8 kA/cm² à 3,1 µm. Des perspectives d'optimisation des composants sont proposées en conclusion. / This work reports the development and study of infra-red laser diodes with InAs/GaSb/InSb short-period super lattice (SL) active region grown by molecular beam epitaxy. The target wavelength range of emission is 3 - 3.5 µm which is very interesting for gas application analysis by optical spectroscopy. There is no efficient component in this range. Firstly, we have studied the optoelectronic properties of the InAs/GaSb/InSb SL. The band structure was modelled with the k-p approach. The non-common atom InAs/GaSb interface is simulated by an arbitrary InAsxSb1-x monolayer whose composition depends with the growth conditions. A good agreement is obtained between the calculated effective gap and the energy of the photoluminescence spectra. A special attention was focus on the impact of InSb insertion in the SL. The SL band offset with the waveguide, capital to obtain high laser performance, was also studied. A first design of active zone was proposed to achieve the objective. Then, the intrinsic performances of SL lasers diode were calculated via modelling of the SL gain. Laser operation with a threshold current density close to 0.5kA/cm² is theorically possible. Lasers based on InAs/GaSb/InSb SL were then experimentally investigated. We studied several parameters: composition and thickness of SL, waveguide and cladding, technology process? The experimental results showed behaviours close to modelling. Laser operation was obtained at room temperature with a threshold current density of 2kA/cm² at 3.2µm and 1.8kA/cm² at 3.1µm. Prospects for device optimization are proposed in conclusion.

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This dissertation presents thermal and thermoelectric measurements of nanostructures. Because the characteristic size of these nanostructures is comparable to and even smaller than the mean free paths or wavelengths of electrons and phonons, the classical constitutive laws such as the Fourier’s law cannot be applied. Three types of nanostructures have been investigated, including nanoscale constrictions patterned in a sub-100 nm thick silicon film, monatomic thick graphene ribbons supported on a silicon dioxide (SiO₂) beam, and indium antimonide (InSb) nanowires. A suspended measurement device has been developed to measure the thermal resistance of 48-174 nm wide constrictions etched in 35-65 nm thick suspended silicon membranes. The measured thermal resistance is more than ten times larger than the diffusive thermal resistance calculated from the Fourier’s law. The discrepancy is attributed to the ballistic thermal resistance component as a result of the smaller constriction width than the phonon-phonon scattering mean free path. Because of diffuse phonon scattering by the side walls of the constriction with a finite length, the phonon transmission coefficient is 0.015 and 0.2 for two constrictions of 35 nm x 174 nm x220 nm and 65 nm x 48 nm x 50 nm size. Another suspended device has been developed for measuring the thermal conductivity of single-layer graphene ribbons supported on a suspended SiO₂ beam. The obtained room-temperature thermal conductivity of the supported graphene is about 600 W/m-K, which is about three times smaller than the basal plane values of high-quality pyrolytic graphite because of phonon-substrate scattering, but still considerably higher than for common thin film electronic materials. The measured thermal conductivity is in agreement with a theoretical result based on quantum mechanical calculation of the threephonon scattering processes in graphene, which finds a large contribution to the thermal conductivity from the flexural vibration modes. A device has been developed to measure the Seebeck coefficients (S) and electrical conductivities ([sigma]) of InSb nanowires grown by a vapor-liquid-solid process. The obtained Seebeck coefficient is considerably lower than the literature values for bulk InSb crystals. It was further found that decreasing the base pressure during the VLS growth results in an increase in the Seebeck coefficient and a decrease in the electrical conductivity, except for a nanowire with the smallest diameter of 15 nm. This trend is attributed to preferential oxidation of indium by residual oxygen in the growth environment, which could cause increased n-type Sb doping of the nanowires with increasing base pressure. The deviation in the smallest diameter nanowire from this trend indicates a large contribution from the surface charge states in the nanowire. The results suggest that better control of the chemical composition and surface states is required for improving the power factor of InSb nanowires. On approach is to use Indium-rich source materials for the growth to compensate for the loss of indium due to oxidation by residual oxygen. / text

Understanding and control of the flow structures in metallic fluids is important for the development of optimal crystal growth processes. One of the techniques used to control flow structures is the application of a rotating magnetic field (RMF) in the plane perpendicular to the growth direction, which induces two magnetic body force components; one in the radial direction and the other one in the circumferential direction. These two body force components alter the fluid flow in the growth system, leading to enhanced mixing, flatter growth interface, and more homogeneous crystal composition. The application of RFM was therefore considered in three separate projects: 1) the zone refining of cadmium and tellurium, 2) the synthesis of cadmium telluride (CdTe) by the travelling heater method (THM), and 3) the THM growth of gallium antimonide (GaSb). In the zone refining of tellurium, the objective was to enhance the transport of selenium in the melt since the selenium segregation coefficient is close to unity. A magnetic field with intensity of 0.6 mT and frequency of 100 Hz was selected based on the results of earlier numerical simulations. Due to the very low electrical conductivity of tellurium, the numerical simulations predicted a very small effect of RMF on selenium transport. The designed zone refining experiments for the tellurium system have verified this numerical simulation result. On the other hand, cadmium is an electric conductor, and thus the numerical simulations predicted a notable effect of RMF. However, experiments on the cadmium system could not be carried out because of the instability of molten zones caused by cadmium’s very high thermal conductivity. The commercial synthesis of CdTe is presently done by THM, which produces materials with much better stoichiometry than other techniques, but very slow process speeds make THM very costly. An application of RMF was considered in order to improve the speed of the process. A 1.3 mT, 0.5 Hz field was applied during the THM synthesis of CdTe. Under the experimental conditions employed, the examination of samples has shown that the application of RMF did not increase the maximum synthesis speed. The use of higher intensity RMF was not possible with the present system, but it is thought that higher fields might worsen the mixing of Cd and Te to produce non-stoichiometry. The objective of the third project was to carry out preliminary THM growth experiments for GaSb under RMF in order to prepare a basis for future THM growth experiments aimed at reducing the cost of THM by using higher growth rates and smaller seeds with tapered ampoules. The substantially redesigned THM furnace permits rotation of the growth ampoule, better control of the experimental environment, and a stronger temperature gradient at the growth interface. Two crystals have been grown at 25 mm diameter with and without the application of a magnetic field of 0.6-mT intensity and 100-Hz frequency. These preliminary experiments have shown that the system can be used for the planned THM experiments; however, further experiments are required to attribute any effect to RMF.

Le développement d'un procédé de détection de gaz atmosphériques à l'état de traces en temps réel, fiable, robuste, sélectif, sensible et portable, est impératif pour répondre à des enjeux sanitaires, écologiques et industriels. La spectroscopie par diodes laser accordables est une des voies envisagées pour pourvoir à ce besoin. Elle nécessite le développement de diodes lasers mono-fréquences émettant en régime continu à température ambiante entre 2 µm et 3.3 µm. Nous reportons ici les modélisations et développements technologiques nécessaires à la fabrication de lasers à contre-réaction répartie – à couplage par l'indice, réseau du 1er et 2nd ordre, sur substrat antimoniure – ainsi que les résultats obtenus. Dans la première partie de ce document, après avoir dressé le contexte de l'étude, nous introduirons la théorie des lasers à contre-réaction répartie et présenterons les modélisations qui ont permis de décrire nos structures. La seconde partie est dédiée aux développements des procédés technologiques qui ont permis de mettre en place deux filières de fabrication de composants – à savoir des lasers DFB à ailettes et lasers DFB à réseau enterré. La troisième partie expose les performances des composants fabriqués et présente les premières mesures d'analyse de gaz effectuées. Ces travaux ont conduit au développement de deux nouvelles filières de fabrication de composants : des diodes lasers mono-fréquences présentant une puissance élevée et une forte sélectivité modale. Les prototypes fabriqués seront utilisés sur des systèmes de spectroscopie. / Development of a reliable, real-time, selective, sensitive and suitable technique for atmospheric trace gas spectroscopy is a critical challenge in science and engineering, for sanitary, ecological and industrial issues. Tunable single-frequency lasers in the 2µm to 3.3µm wavelength range, working in continuous regime at room temperature, can be used in absorption spectroscopy to identify and quantify several atmospheric gases. We report here on the design, the technological development and the performances of 1st and 2nd order index-coupled distributed-feedback (DFB) antimonide-lasers diodes in the 2µm to 3.3µm wavelength range. The first part of this document establishes the context of the thesis, introduces the DFB theory and our modelisation. The second part presents the technological fabrication of the two different components: the side wall corrugated DFB lasers and the buried DFB lasers. The third part shows the performances of the components and the first tests on gas measurement.This work has led to the development of two different kinds of single-frequency laser diodes with high optical power and spectral purity. The fabricated prototypes will soon be used on gas spectroscopy set-up.

Le développement de sources moyen infrarouge compactes et accordables dans les gammes de transmission de l’atmosphère présente un intérêt majeur dans les secteurs de la défense et de la sécurité. Les sources paramétriques à quasi-accord de phase en configuration guidée sont prometteuses pour gagner en compacité puisque l’on réduit la puissance de pompe nécessaire par rapport aux sources « massives ». Le premier axe de la thèse consiste à étudier des guides d’onde en arséniure de gallium périodiquement orientés (OP-GaAs) adaptés à un pompage par laser fibré et à des puissances relativement élevées. Le second vise à étudier de façon novatrice la possibilité d’intégrer dans un composant monolithique une diode laser en matériaux antimoniures avec un convertisseur de fréquence en antimoniure de gallium (GaSb). L’enjeu dans les deux cas est de réduire au maximum les pertes à la propagation dans ces guides d’onde pour exploiter pleinement leurs propriétés non-linéaires.Ce travail de thèse a permis de modéliser des structures de guides d’onde ambitieuses pour réduire les pertes, de développer les briques technologiques nécessaires à la fabrication de guides d’onde OP-semi-conducteur faibles pertes et de faire de premières caractérisations de ces composants dans le moyen-infrarouge. Les performances de guides d’onde GaAs ruban enterrés ou non ont pu être comparées, donnant une réduction des pertes d’un facteur trois avec des rubans enterrés. Plusieurs générations de guides d’onde GaSb ont vu le jour, et montrent des performances à l’état de l’art des structures en GaAs. En conséquence, diverses solutions ont été explorées pour intégrer une diode laser en matériaux antimoniures avec le guide d’onde convertisseur de fréquence. / The development of compact and tunable mid-infrared laser sources in the atmospheric transmission windows presents a major interest for several security and defense applications. Quasi-phase-matched parametric sources in guided wave configuration are promising solutions to enhance compactness, because of the reduction in pump power requirements with respect to bulk devices.The first axis of this thesis consists in studying orientation-patterned gallium arsenide (OP-GaAs) waveguides, adapted to fiber laser pumping and to relatively high pump power. The second axis is devoted to the original idea of integrating an antimonide based laser diode with a gallium antimonide (GaSb) frequency converter in a monolithic component. The goal in both cases is to minimize propagation losses in those waveguides to exploit the whole potential of their non-linear properties.This work led to model ambitious low-loss waveguides structures, to develop the technological fabrication steps necessary for OP-semiconductor waveguides manufacturing, and to characterize these components in the mid-infrared. The first buried ridge GaAs waveguide structure has been compared to the ridge one, giving a reduction of a factor three in the propagation losses. Several generations of GaSb waveguides have come forward, with constant losses improvement and reach GaAs state-of-the-art performances. Lastly, multiple solutions have been explored in order to integrate an antimonide-based laser diode with the frequency converter waveguide.

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.