Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée. / This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed.

Le transfert d'énergie par résonance de type Förster (FRET) est un transfert d'énergie non radiatif d'un donneur à un accepteur à proximité. En raison de sa dépendance de la distance extrêmement sensible entre env. 1 et 20 nm, FRET joue un rôle important dans la nanobiotechnologie. Ainsi FRET peut être utilisé comme système de transduction du signal, mais aussi pour l'estimation de la distance entre le donneur et l'accepteur.Les accepteurs de FRET utilisés dans ce travail étaient des nanocristaux semi-conducteurs (quantum dots, QD). Ce type de luminophore est bien connu pour ses propriétés photophysiques supérieures. Leur absorption forte et spectralement large, et leur photoluminescence (PL) brillante et spectralement fine et de l'accordabilité spectrale de la PL sont idéalement adaptés aux applications de FRET. La combinaison des QDs comme accepteurs de FRET avec des complexes luminescents de terbium (CLT) comme donneurs permet des grandes distances de FRET (> 10 nm). La distance de FRET est caractéristique d'une paire FRET et décrit la distance à laquelle l'efficacité de FRET est égale à 50%. CLT sont idéal comme donneurs de FRET parce qu'ils fournissent des longues durées de vie des états excités à l'ordre de la milliseconde. Cette longue période de décroissance de PL permet de mesurer en temps décalé pour une répression d’autofluorescence et la PL des QDs directement excités, ce qui augmente fortement la sensibilité de détection. Les bandes d'émission de PL structurés de CLT et la PL accordable de QDs sont idéales pour l'application dans le diagnostic multiplexé.La thèse se compose de deux parties. Dans la première le couple FRET CLT-QD a été utilisé dans des immunodosages de FRET homogènes pour la détection de marqueurs biologiques antigène prostatique spécifique (TPSA), énolase specifique des neurones (NSE), antigène carcino-embryonnaire (CEA), et le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR). La sensibilité du dosage immunologique a été optimisé en utilisant des différents types d'anticorps IgG, F (ab')2, F (ab), et pour EGFR un anticorps de chaîne lourde unique. Des limites de détection picomolaires étaient réalisées en utilisant des échantillons de sérum de petit volume et des mesures sur des lecteurs de microplaques cliniques. Une étude détaillée des différents systèmes de FRET en utilisant la spectroscopie résolue en temps a été réalisée pour étudier l'influence des différents anticorps sur la distance, la fonctionnalité, et la sensibilité des immunodosages. L'étude a été complétée par la mesure de NSE et CEA dans un format duplexé et des échantillons réels de patients.Dans la deuxième partie le FRET pour des mesures de distance nanométriques (réglette moléculaire ou spectroscopique) étaient étudiés. FRET en résolution temporelle a permis de calculer la distance entre le donneur et l’accepteur. Par conséquent, deux stratégies de liaisons différentes ont été étudiées pour établir une proximité entre le CLT et le QD : la reconnaissance biotine-streptavidine et l’auto-assemblage médié par polyhistidine. Une étude en résolution temporelle détaillée a été effectuée avec des QDs de différentes tailles, formes et revêtements de surface combiné avec des CLT liés à trois différentes biomolécules. L'analyse des courbes de décroissance multiexponentielle des donneurs et accepteurs permettait à obtenir des informations sur la taille, la forme et la biofonctionnalité des bioconjugués CLT-QD. Les résultats étaient en accord avec d'autres méthodes d'analyse de structure, telles que la microscopie électronique à transmission (MET) ou la diffusion de lumière dynamique (DLS), mais avec l'avantage d'une mesure homogène à la résolution 3-dimensionelle (impossible pour le MET), sans l'inclusion d'une couche d'hydratation (l’inconvénient de DLS) et en faible concentration dans le même environnement que celui utilisé pour l'application biologique. / Förster resonance energy transfer (FRET) is a non-radiative energy transfer from a donor to an acceptor in close proximity. Due to its extremely sensitive distance dependence in the 1 – 20 nm range, FRET plays an important role in nanobiotechnology. Thereby FRET can be used as signal transduction system but also for the distance estimation between donor and acceptor. The selected FRET acceptors in this work were semiconductor nanocrystals (quantum dots, QDs). This type of luminophore is well known for its superior photophysical properties. Their strong and broad absorption and their bright, narrow-band, and size-tunable photoluminescence (PL) emission make QDs ideally suited for FRET application. Combing QDs as FRET acceptors with luminescent terbium complexes (LTC) as FRET donors offers exceptionally large Förster distances of more than 10 nm. The Förster distance is characteristic of a FRET pair and is the distance at which the FRET efficiency equals 50 %. A large Förster distance is desirable as it offers the detection of biological interactions over large distances. LTC are suitable FRET donors for QDs because they provide long excited-state lifetimes in the millisecond range. This long PL decay time enables time-gated measurements for the suppression of autofluorescence and PL of directly excited QDs, which strongly increases the detection sensitivity. Additionally, the structured PL emission bands of LTCs together with the size-tunable PL emission bands of QDs make this FRET pair ideal for the application in multiplexed diagnostics, which is the measurement of multiple biomarkers in a single sample.The PhD thesis consists of two parts. In the first part the LTC-QD FRET pair was used within homogeneous FRET immunoassays for the detection of the biomarkers prostate specific antigen (TPSA), neuron-specific enolase (NSE), carcinoembryonic antigen (CEA), and epidermal growth factor receptor (EGFR). The immunoassay sensitivity was optimized using different types of antibodies IgG, F(ab’)2,F(ab), and for EGFR single heavy chain antibodies, which differ largely in their size. The use of small-volume serum samples and measurements on clinical as well customized fluorescence plate readers result in picomolar detection limits for all measured biomarkers. In addition to these QD-based in vitro diagnostic tests, a detailed study of the different FRET-systems using time-resolved spectroscopy was performed. The investigation revealed the influence of the different antibodies on distance, functionality, and sensitivity of the FRET immunoassays. The study was completed by the measurement of NSE and CEA in a duplexed format and real patient samples were investigated.The second part was to use FRET for nanometric distance measurements as molecular or spectroscopic ruler. Time-resolved FRET measurements enabled the calculation of the distance between donor and acceptor. Therefore two different binding strategies were investigated to establish a close proximity between the LTC-donor to the QD-acceptor, namely biotin-streptavidin recognition and polyhistidine mediated self-assembly. A detailed time-resolved study was performed of QDs with different sizes, shapes, and surface coatings in combination with LTC bound to three different host biomolecules, which also possessed different sizes, shapes, orientations, and binding conditions. The analysis of the multi-exponential decay curves of donor and acceptor allowed to obtain information about the size, shape, and biofunctionality of the investigated QD bioconjugates. The results were in agreement with other structural analysis methods, such as transmission electron microscopy (TEM) or dynamic light scattering (DLS), but with the advantage of a homogeneous measurement with three-dimensional resolution (not possible for TEM), without the inclusion of a hydration shell (drawback for DLS), and at low concentration in the same environment as used for the biological application.

Ce travail repose sur le développement de la croissance, par épitaxie par jets moléculaires, d'hétérostructures présentant une alliance de deux familles de matériaux semi-conducteurs: les tellurures et les séléniures. Il tend à montrer l'originalité des propriétés physique spécifiques de cette association en développant deux cas: les puits et les boîtes quantiques de type-II ZnTe/ZnSe et les centres isoélectroniques CdTe:Se.<br /> Pour ZnTe fortement contraint sur ZnSe, une transition morphologique de type Stranski-Krastanow non-standard a été observée. La formation d'îlots nanométriques a pu être obtenue grâce à un traitement de surface à base de Te amorphe. Lors de leur encapsulation, nous avons été confrontés à une disparition totale de ces îlots. Nous proposons de nouvelles conditions de croissance qui limitent les phénomènes de ségrégation, ou d'échange Se/Te, et préservent en partie les îlots. Cependant les nanostructures obtenues ne contiennent pas ZnTe sous forme binaire pure mais sous forme d'alliage ordonné ZnSeTe.<br /> Les propriétés de photoluminescence d'un plan de boîtes quantiques et celles d'un puits quantique ZnTe/ZnSe sont analysées et comparées. Nous proposons un modèle capable de décrire parfaitement les différents résultats optiques spécifiques d'un système où l'alignement de bande est de type-II. Ce modèle est basé sur des arguments statistiques et électrostatiques.<br />La dernière partie traite de l'insertion d'atomes de sélénium dans CdTe sous forme d'un dopage planaire. Des centres isoélectroniques sélénium ont pu être isolés. Une mesure du dégroupement des photons émis montre que ces objets individuels se comportent comme des émetteurs de photons uniques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude par spectrophotométrie de phénomènes de couplage entre un émetteur photonique discret et une cavité optique dont les propriétés sont adaptées à l'émetteur. Nous nous sommes intéressés à l'interaction de boîtes quantiques semiconductrices InAs/GaAs avec des microcavités optiques dont la géométrie originale diffère selon les propriétés dont on veut tirer partie. Ainsi, nous partirons de la fabrication de ces systèmes par épitaxie par jets moléculaires, pour nous focaliser sur trois grands types de microcavités, dont nous décrirons à la fois les étapes de fabrication, mais aussi les études optiques réalisées par spectrophotométrie Infra-rouge. Ainsi, les microdisques reportés sur saphir par collage moléculaire ont montré un important potentiel pour la réalisation de microlasers, grâce à de très bonnes propriétés de dissipation thermique. Sur les micropiliers à miroirs de Bragg, nous avons expérimentalement montré pour la première fois la co-existence de modes de galerie et de modes de micropiliers, ainsi que la possibilité d'exploiter l'effet laser sur ces modes, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en termes de systèmes photoniques. Nous avons également développé une technique originale et reproductible de métallisation à l'or des flancs et démontré son innocuité sur les propriétés optiques de ces modes, ce qui permet d'envisager son application à d'autres dispositifs. Enfin, nous terminons par la fabrication et l'étude de nano-fils photoniques à boîtes quantiques uniques, dont les capacités prometteuses permettent de conclure à une concurrence sérieuse vis-à-vis des micropiliers en tant que source de photon unique.

On appelle laser à émission spontanée contrôlée, un laser dont la fraction beta d'émission spontanée dans le mode laser s'approche de 1. De tels composants présentant une redistribution spatiale et une exaltation de la dynamique d'émission spontanée, doivent présenter des seuils laser réduits et des bandes de modulation directe accrue. Ceci requiert néanmoins le recours à des cavités de fort facteur de qualité et de faible volume modal. Les cavités à cristaux photoniques sur membrane peuvent satisfaire ces critères. Outre un dessin de cavité adapté, l'obtention de forts facteurs de qualité requiert des profils de gravure parfaitement verticaux des trous formant le cristal photonique. Pour cela, j'ai développé un nouveau procédé de gravure de la membrane de GaAs avec la technique d' ''Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching ''. Nos cavités en GaAs, comprenant un plan de boîtes quantiques InAs comme milieu à gain, présentent des facteurs de qualité supérieurs à 15 000. En fonction du dessin de la cavité, un effet laser a été mis en évidence à 4 K avec des fractions beta allant de 0,44 à 0,94. L'étude dynamique résolue spectralement des lasers à fort beta (~ 0,67) révèle la génération d'impulsions laser gaussiennes d'une durée de 35 ps, avec une évolution spectrale linéaire de la résonance laser durant l'impulsion. En imprimant une modulation optique directe à 10 GHz sur le composant, le chirp linéaire observé sur chaque impulsion délivrée reste identique à celui mesuré en réponse à une seule impulsion d'excitation. Ceci permet d'envisager des techniques de compensation du chirp simple et indépendant du motif de modulation.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de la croissance et des propriétés structurales et optiques des hétérostructures non-polaires de GaN/AlN plan m, déposées sur 6H-SiC plan m par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d'azote.<br /><br />Nous avons tout d'abord étudié les couches épaisses d'AlN et de GaN. Les conditions de croissance de ces couches sont optimales en conditions riche métal. Toutes deux présentent des morphologies de surface anisotropes mais différentes l'une de l'autre avec une morphologie de type « tôle ondulée » pour l'AlN et « toît de tuiles » pour le GaN.<br />Nous nous sommes ensuite intéressés à la croissance d'hétérostructures de GaN/AlN. Nous avons démontré que la croissance de GaN en conditions riche N aboutit à la formation de puits quantiques de GaN tandis que la croissance en conditions riche Ga permet de former des fils ou des boîtes quantiques par le mode de croissance Stranski-Krastanow. Nous avons démontré que cette différence de morphologie pour les nanoobjets de GaN était liée à l'état de relaxation de la couche tampon d'AlN. Des études optiques ont mis en évidence une forte réduction du champ électrique interne dans les hétérostructures de GaN/AlN plan m.<br />Pour finir, nous avons étudié l'évolution de la morphologie des fils et des boîtes en fonction de la quantité de GaN déposée. Nous avons démontré l'existence d'une transition de forme ''boîtes-fils'' lorsque l'aire des boîtes excède une taille critique. Cette aire peut être contrôlée par la quantité de matière déposée mais également par la réalisation de superréseaux.

La structuration de surface et la reprise d'épitaxie sont des technologies clé pour le développement des (nano)dispositifs optoélectroniques avancés. Nos travaux de thèse ont visé la préparation de surfaces GaAs micro et nanostructurées pour l'épitaxie et l'étude de la croissance dirigée de boîtes quantiques InAs sur ces surfaces. La lithographie électronique a été retenue pour structurer la résine en surface et une attaque chimique pour le transfert du motif dans le semiconducteur. La décontamination de la surface par plasma micro-onde O2 : SF6 a été démontrée. Sa rugosité a été supprimée par désoxydation in-situ à basse température avec un plasma d'hydrogène. L'influence de l'orientation et de l'échelle des motifs sur l'épitaxie de GaAs a été précisée. Des boîtes quantiques d'InAs ont été réalisées sur ces surfaces recouvertes d'un puits de GaInAs et leur organisation obtenue. Cette méthode de préparation convient aussi pour l'épitaxie sélective de GaAs sur des surfaces structurées par des motifs de Si3N4.

Les algorithmes de chiffrement symétriques (ou à clef secrète) sont<br />très largement répandus car ils sont les seuls à atteindre les débits<br />de chiffrement requis par la plupart des applications et à permettre<br />une mise en oeuvre sous forme d'un circuit de taille<br />raisonnable. Dans ce contexte, les travaux présentés dans ce mémoire<br />ont pour objet la conception de nouvelles attaques sur les algorithmes<br />symétriques et leur formalisation afin de mettre en évidence les<br />propriétés structurelles qui les rendent opérationnelles. Cette<br />approche conduit à de nouveaux critères de conception et à la<br />construction d'objets qui permettent de leur résister de manière<br />certaine. Cette étude s'articule notamment autour de l'idée que, pour<br />résister de manière sûre aux cryptanalyses connues et pour atteindre<br />de bonnes performances, un chiffrement symétrique doit utiliser des<br />objets aux propriétés exceptionnelles, dont la structure algébrique<br />forte ouvre paradoxalement une brèche exploitable dans une nouvelle<br />attaque. Ce principe est ici décliné pour les deux familles<br />d'algorithmes symétriques, les chiffrements à flot et les chiffrements<br />par blocs.

Il existe de nos jours beaucoup d'environnements dits de CAO, conçus pour assister et accompagner le travail des concepteurs tout au long d'un projet. Pourtant, ces logiciels sont peu adaptés à la première phase d'un projet: la conception créative. En effet, leurs approches géométriques et excessivement directrices ignorent le caractère flou et itératif de la démarche du concepteur, appuyée par un outil figuratif essentiel: le croquis. Cette thèse s'inscrit dans un courant de travaux axés sur l'utilisation du dessin pour la réalisation de modèles numériques 3D, dans le but de fournir des outils informatiques de support à la conception créative. Mais au delà de l'interprétation de croquis, nous proposons une approche originale appliquée au domaine de la conception architecturale, reposant sur un environnement instrumenté: SVALABARD, une Table à dessin virtuelle, basée sur un paradigme de feuilles d'interaction, composant des périphériques d'entrée et des techniques d'interaction non-standard.<br />Toutefois, la faisabilité technique d'une telle approche a rapidement été compromise de par la rigidité et le manque d'extensibilité des outils actuels pour le développement d'interfaces. C'est pourquoi nous proposons aussi dans cette thèse un nouveau modèle d'architecture logicielle plus flexible et dynamique, qui, une fois réalisé dans la boîte à outils MAGGLITE, nous a permis de faciliter et d'encourager le prototypage et la réalisation d'interactions avancées.

Nous avons étudié les propriétés optiques de nanocristaux de semiconducteurs II-VI à base de CdSe. Tout d'abord, la mise en place d'un montage permettant une mesure précise et rapide de leur rendement quantique de fluorescence, conjointement à des mesures de photoluminescence (PL), a contribué à l'optimisation des paramètres de synthèse. Les phénomènes de clignotement de la fluorescence et de dégroupement de photons ont été caractérisés sur des nanocristaux uniques grâce à la mise en place d'un montage de micro-PL résolue en temps. L'inclusion de nanocristaux dans des matrices de polymères conducteurs, dans le but de mieux comprendre le clignotement, a été étudiée. Nous avons aussi modifié le diagramme de rayonnement des nanocristaux en les plaçant dans une demi-cavité à miroir d'or pour augmenter le signal de fluorescence collecté sur des nanocristaux individuels. Enfin, nous avons démontré le couplage de nanocristaux à des modes de galerie de microdisques de silice.