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 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.

La conversion photovoltaïque (PV) de l’énergie solaire repose sur la capacité qu’ont certains matériaux à convertir l’énergie des photons en courant électrique. Le développement des systèmes de conversion PV ces trente dernières années a permis des améliorations considérables en terme de coût et de performances dans le domaine des énergies renouvelables.Une cellule multi-jonctions (MJ), à base de matériaux semi-conducteurs III-V, est un empilement de sous-cellules aux gaps décroissants qui permet notamment une plus large utilisation du spectre solaire. Soumettre ces cellules PV à un flux solaire concentré permet d’augmenter significativement la puissance électrique créée par celles-ci, et ainsi d’abaisser substantiellement le coût de l’électricité produite.Le record du monde est actuellement détenu par le partenariat Soitec / Fraunhofer ISE avec un rendement de 46,0 % mesuré sur une cellule quadruple-jonctions en GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs pour un taux de concentration de 508 X (où 1 X =1 soleil = 1 kW/m²).L’objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de proposer une alternative aux cellules existantes plus simple à mettre en œuvre avec des cellules MJ monolithiques accordées sur substrat de GaSb pour des concentrations solaire de 1 000, soit une irradiance directe de 1 MW/m². Ce type de cellules, du fait de la très bonne complémentarité des gaps des matériaux et ses alignements de bandes favorables, constitue une alternative crédible et originale aux cellules existantes pour une utilisation sous flux solaire fortement concentré.Afin de mieux comprendre la cellule multijonctions III-Sb optimale, les travaux réalisés ont porté sur la fabrication et la caractérisation des trois sous-cellules fabriquées indépendamment. Ces trois échantillons épitaxiés sont l’Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (cellule Top), l’Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (cellule Middle) et le GaSb (cellule Bottom) ayant comme gaps respectifs 1,6 eV, 1,22 eV et 0,726 eV à 300 K.Le travail présenté dans cette thèse porte sur :- La réalisation et la mise au point de toutes les étapes technologiques nécessaires à la fabrication des cellules (dépôts métalliques, gravure humide et sèche par plasma …).- La caractérisation des métallisations par structure TLM (Transmission Line Method) dont le meilleur résultat obtenu concerne une métallisation tri-couche Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) sur substrat GaSb type P.- La caractérisation sous obscurité courant-tension des paramètres électriques des cellules PV à température ambiante et en fonction de la température.- La caractérisation thermique par mesure de la conductivité thermique des matériaux et une cartographie de température de surface en fonction du flux solaire concentré en conditions réelles.- La caractérisation électro-optique par réponse spectrale, à partir de laquelle nous avons calculé le rendement quantique externe qui représente le rapport entre la quantité d’électrons créés et la quantité de photons incidente.- La caractérisation sous illumination à 1 soleil (1 000 W/m²) sous simulateur solaire et en conditions solaire dont nous avons comparé les paramètres électriques.- La caractérisation des cellules sous flux solaire (fortement) concentré au laboratoire PROMES. Les meilleurs rendements obtenus pour les cellules PV Bottom, Middle et Top respectifs de 4,6 % à 40 X (proche de l’état de l’art), 8,2 % à 96 X et 5,4 % à 185 X (première mondiale pour ces matériaux quaternaires).Ce travail a été cofinancé par le Ministère de l’Education et de la Recherche (Allocation ED) et le Labex SOLSTICE.Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies. / Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies.A multi-junction (MJ) cell, based on III-V semiconductor materials, is a stack of sub-cells with decreasing gaps which notably allows wider use of the solar spectrum. Exposing these PV cells to a concentrated solar flux can significantly increase the electrical power generated, and therefore substantially lower the cost of electricity yielded.The world record is currently held by the partnership Soitec / Fraunhofer ISE with an efficiency of 46.0 % measured on a four-junction cell GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs for a concentration ratio of 508 X (where 1 X = 1 sun = 1 kW/m²).The objective of the work in this thesis is to propose an alternative to existing cells, easier to implement with monolithic MJ cells grown on a GaSb substrate for solar concentrations of 1 000, which corresponds to a direct irradiance of 1 MW/m². This type of cell, due to the good complementary of the material gaps and its favorable band alignments, is a realistic and original alternative to existing cells for use under highly concentrated solar flux.To better understand the optimal multijunction III-Sb cell, the work carried out consisted on the manufacturing and characterization of the three sub-cells independently.These three epitaxial samples are Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (Top cell), the Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (Middle cell) and GaSb (Bottom cell) having as respective gaps 1.6 eV, 1.22 eV and 0.726 eV at 300 K.The work presented in this thesis is:- The establishment of all the technological steps required to manufacture the cells (metal deposition, wet and dry plasma etching ...).- The characterization of metallization by TLM structure (Transmission Line Method) with the best result being a three-layer metallization Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) on a GaSb P-type substrate.- The characterization under dark of current-voltage electrical parameters of PV cells at room temperature and in function of the temperature.- The thermal characterization by measuring the thermal conductivity of the materials and a surface temperature mapping in function of the concentrated solar flux in realistic conditions.- The electro-optical characterization by spectral response, from which we calculated the external quantum efficiency which is the ratio between the amount of electrons created and the amount of incident photons.- The characterization under 1 sun illumination (1 000 W/m²) in a solar simulator and in realistic conditions of which we compared the electrical parameters.- The characterization of solar cells under (highly) concentrated solar flux in the PROMES laboratory.The best efficiencies for Bottom, Middle and Top PV cells respectively are 4.6 % for 40 X (close to the state of the art), 8.2 % for 96 X and 5.4 % for 185 X (world first for these quaternary materials).This work was cofounded by the Ministry of Education and Research (ED Research grant) and Labex SOLSTICE.