Le champ biomédical n’a pas échappé à l’évolution de la technologie, elle cherche aussi à intégrer plusieurs fonctions dans un espace restreint. Un des points forts du développement est la massification de points de service, afin d'obtenir un diagnostic rapide des maladies. Le diagnostique aux premières étapes de son évolution permettra réduire considérablement les coûts associés aux traitements des patients. Le présent document exprimera une alternative à l'évolution de la technologie des biocapteurs qui sont basés sur le phénomène optique appelé résonance par plasmons de surface. Ce projet de recherche vise l’étude de l’intégration monolithique des deux tiers des composants principaux qui conforment normalement à ce type de biocapteurs optiques. Tandis que d'autres projets de recherche ont centré leurs travaux sur l’intégration de la surface de réaction et le détecteur, notre travail a pris en compte l’intégration de la source de lumière et la surface de réaction biologique. Deux types de sources ont été employés au moment de faire la conception, l’étude de matériaux, la fabrication et la caractérisation de la performance de notre dispositif. La première source a employé des puits quantiques à l’intérieur d’une gaufre de GaAs qui nécessitait un pompage optique pour son fonctionnement. La deuxième source a eu une gaufre commerciale employée pour la fabrication des diodes d’émission lumineuse verticale, qui a dû être excitée par un courant électrique. On a découvert que les deux types de sources sont complémentaires. La source avec des puits quantiques a démontré une amélioration de la performance en comparaison à notre système commercial de référence. La deuxième source a démontré la faisabilité d’intégration monolithique en permettant se rapprocher à la fabrication d’un prototype commercial. La porte reste donc ouverte pour la poursuite du développement de cette technologie en cherchant un nouveau système employant ces deux sources, mais usant de meilleures caractéristiques.

Les diodes électroluminescentes (LEDs) bleues ou blanches actuelles sont constituées de couches épitaxiales planaires, essentiellement à base de GaN. Sans autres opérations technologiques, la réflexion totale interne aux interfaces réduit le nombre de photons extraits à quelques pourcents du nombre de photons émis. Cette thèse s'intéresse à un concept en rupture : les LEDs à nanofils GaN ou ZnO. Plus précisément elle vise à préciser l'intérêt de ces couches pour l'augmentation du rendement d'extraction. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à trois types de couches (taille des fils, arrangement), chacune mettant en jeu un processus d'extraction différent. La première géométrie, basée sur des fils relativement gros (rayons 50-100nm minimun) et distants vise à profiter des résonances ou du guidage optique pouvant exister au sein de chaque fil pour canaliser l'émission spontanée. Les coefficients de couplage de la couche active sur ces modes ainsi que la réflectivité des modes guidés en bout de fils ont notamment été évalué numériquement en fonction de la taille des fils. La seconde approche, issue de l'étude goniométrique de couches de fils MBE sur substrat Silicium, vise à profiter des propriétés d'indice effectif des couches de fils sublongueurs d'onde pour éviter le phénomène de réflexion totale à l'origine des faibles rendements d'extraction des couches planaires. Le modèle anisotrope numérique développé montre qu'un rendement d'extraction proche de 70% est envisageable sur ce type de couche épitaxiée sur Silicium. Enfin la troisième approche, plus prospective, vise à initier une étude sur l'émission dans des réseaux de fils agencés périodiquement.

Le but de ce travail est d'étudier la possibilité d'intégrer à faible coût des sources optiques dans les circuits électroniques. Les matériaux organiques apparaissent comme de bons candidats car il est aisé de les déposer sur toutes sortes de substrats et certains matériaux électroluminescents ont un très bon rendement. Les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) ont une émission très large, tant sur le plan spectral que sur le plan angulaire, ce qui en fait des composants peu adaptés à la réalisation d'interconnexions optiques. Nous avons donc travaillé sur des OLEDs à microcavités résonnantes, qui ont été fabriquées sur des substrats de silicium oxydé thermiquement. La caractérisation optique a permis de mettre en évidence l'influence des microcavités sur la forme des spectres et les diagrammes angulaires d'émission. Grâce aux caractéristiques optiques de deux microcavités, nous avons déterminé la variation de l'indice de l'ITO en fonction de la longueur d'onde. L'émission monochromatique est concentrée dans des lobes orientés selon les directions vérifiant la condition de résonance, ce qui produit une augmentation de l'intensité rayonnée selon ces directions. Nous avons observé dans nos structures une amplification selon la normale d'un facteur compris entre 11,3 et 15,3. Nous avons également vérifié qu'une microcavité ne modifie quasiment pas l'intensité lumineuse totale émise par la diode. Ces résultats sont en accord avec notre modélisation. La caractérisation électrique des échantillons a montré que la résistance de l'ITO n'a pas une influence déterminante sur les caractéristiques courant - tension des OLEDs, et qu'un recuit de l'ITO n'apporte aucune amélioration. Il existe un certain retard entre l'établissement du champ électrique et le début de l'électroluminescence, causé par une ou des barrières de potentiel. Les fréquences de coupure qui ont été mesurées sont comprises entre 6,3 kHz et 8,5 kHz

Les systèmes sur puce comportant des fonctions optiques ont un vif intérêt pour les futures générations de systèmes embarqués, les telecommunications, l'instrumentation. La faisabilité d'une source silicium compatible avec la technologie CMOS reste à ce jour un verrou majeur pour ouvrir la voie à des systèmes optoélectroniques intégrés. L'utilisation des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 est actuellement une voie prometteuse visant à lever ce verrou. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de sources émettant dans le visible/proche infrarouge à base de nanocristaux de silicium, en explorant les potentialités de dépôts LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). En partant de l'étude des propriétés des nanocristaux, une approche bottom-up a été choisie pour la réalisation des composants de test. Un procédé d'élaboration du matériau actif, compatible avec la technologie CMOS, a été mis au point et nous a permis d'obtenir de façon reproductible des nanocristaux avec les propriétés souhaitées. Les mécanismes d'émission lumineuse ont été étudiés et corrélés avec les propriétés structurales et électriques. Une émission lumineuse intense a été obtenue sous excitation optique. L'obtention d'électroluminescence nécessite quant à elle une optimisation spécifique tant au niveau matériau qu'au niveau procédé technologique. A cette fin, plusieurs voies ont été explorées nous conduisant à établir le compromis entre propriétés optiques et électriques. Au terme de cette étude, nous avons évalué les avantages et inconvénients de cette technique d'élaboration et proposons des solutions pour parvenir à fabriquer un dispositif électroluminescent fonctionnel.

Malgré les rapides progrès technologiques dans les nitrures, les propriétés intrinsèques des alliages de nitrures et les processus physiques qui gouvernent la physique de ces dispositifs sont encore mal connus. Au cours de mon travail de thèse, de nouvelles approches expérimentales et théoriques ont été développées pour aborder l’étude des mécanismes microscopiques qui gouvernent les propriétés électroniques des dispositifs à base de nitrures semi-conducteurs. Une nouvelle technique expérimentale permettant de mesurer directement la distribution en énergie des électrons de conduction d’une LED en fonctionnement est explorée. Cette approche permet l’observation directe de populations d’électrons chauds excités dans le dispositif optoélectronique sous injection électrique et émis dans l’ultravide. Une théorie récente de la localisation dans les systèmes désordonnés est appliquée aux matériaux et dispositifs optoélectroniques à base de nitrures. Cette méthode permet pour la première fois la détermination du paysage de localisation induit par le désordre d’alliage sans résoudre l’équation de Schrödinger. Expérimentalement, une signature claire du désordre d’alliage est observée par des mesures de spectroscopie de photocourant dans des puits quantiques d’InGaN sous forme d’une queue d’Urbach pour des excitations d’énergie inférieure à la largeur de la bande interdite. Ceci permet de définir une énergie caractéristique du désordre qui est en excellent accord avec les prédictions fournies par la nouvelle théorie de la localisation. / In spite of the rapid technological progress in nitrides, the intrinsic properties of nitride alloys and the physics of III-N devices are still not well understood. In the course of my thesis work, novel experimental and theoretical approaches to tackle the study of the microscopic mechanisms governing the electronic properties of nitride semiconductors have been developed. A new experimental technique allowing to directly measure the energy distribution of conduction electrons of an operating LED is explored. This approach allows the direct observation of hot electron populations excited in the optoelectronic device under electrical operation and emitted in ultra-high vacuum. A recent theory of localization in disordered systems is applied to nitride materials and optoelectronic devices. This method allows for the first time the determination of the localization landscape induced by alloy disorder without resorting to the Schrödinger equation. Experimentally, a clear signature of alloy disorder is observed by biased photocurrent spectroscopy of InGaN quantum wells in the form of an Urbach tail for below-gap excitation and is found to be in excellent agreement with the predictions given by the novel localization theory.

Depuis le début des années 2000, les performances des diodes électroluminescentes (LED) ne cessent de s’améliorer alors que leur prix connait une diminution spectaculaire grâce à une production à grande échelle liée au marché de l'éclairage. Ainsi, les LED deviennent une source de lumière intéressante pour le pompage de lasers solides, intermédiaire entre les lampes flash et les diodes laser. C’est pourquoi, nous proposons dans cette thèse, de revisiter le pompage laser par LED, 40 ans après la première démonstration. Nous avons démontré le premier système laser Nd:YVO4 pompé directement par LED. La brillance des LEDs limitant fortement les performances, nous nous sommes intéressé au concept de concentrateur luminescent (en Ce:YAG) pompé par LED. Nous avons ainsi développé une nouvelle source d’éclairage haute brillance, améliorant les performances des LEDs d’un facteur 20 pour aboutir à des éclairements comparables à ceux des diodes laser (de l’ordre de plusieurs kW/cm²). Le pompage laser par cette nouvelle source de pompage a été validé pour la première fois sur les cristaux laser de Nd:YVO4 (3 mJ obtenus avec un profil monomode et 6 mJ en multimode) ainsi que sur des cristaux de Nd:YAG. Dans ce dernier cas, un déclenchement passif à l’aide d’absorbants saturables a permis d'obtenir ainsi des performances encore jamais atteintes pour un laser pompé par LED. Ainsi, les concentrateurs pompés par LED ouvrent de nouvelles possibilités pour le pompage de matériaux laser nécessitant de forte brillance de pompage. Les premiers essais sur le saphir dopé au titane montrent qu'il est possible d'obtenir du gain sur ce matériau en pompage par LED. / Since the early 2000s, the lighting market is constantly growing up, pulling the Light-Emitting Diodes (LED) performance forward and pushing their cost down. LED is becoming an interesting source of light for laser pumping, between flashlamp and laser diodes. Thus, 40 years after the first demonstration, we suggest to revisit laser LED pumping. In this work, we demonstrated for the first time a Nd:YVO4 laser directly LED-pumped. LED radiance being limited, we took interest in LED-pumped luminescent concentrators. By developing Ce:YAG concentrator, we were able to overcome the LEDs irradiance by a factor of 20, leading to output irradiances similar to the laser diode ones (of the order of multi-kW/cm²). We validated the concept by pumping for the first time a Nd:YVO4 crystal and a Nd:YAG crystal with luminescent concentrators. Output energies of several mJ were obtained. In addition, we succeeded to get a passively Q-switched regime for the Nd:YAG laser by using saturable absorbers leading to unpreceded performance for a LED-pumped laser. Finally, LED-pumped concentrators pave the way for new possibilities for high-radiance source pumped media. Our first tests on titanium doped sapphire show that a laser gain with a LED pumping is achievable.

Cette thèse porte sur la réalisation de composants photoniques à base de fils de nitrures III-V. Les fils de GaN non-catalysés ont été élaborés de manière auto-assemblée par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE) sur saphir. Un des axes de ce travail a porté sur la croissance organisée de ces fils à travers un réseau d’ouvertures défini par lithographie et gravure d’une couche de SiNx. Nous avons étudié en particulier l’influence des paramètres de croissance (température, pression, ratio V/III) et du motif sur l’homogénéité de la croissance sélective. Ces fils ont servi de substrat pour la croissance d’hétérostructures radiales cœur-coquille InGaN/GaN.D’autre part, la croissance, la fabrication et les propriétés physiques de trois types de composant ont pu être étudiées :-Des cellules solaires à fils uniques. Nous avons comparé l’efficacité de conversion de deux types d’hétérostructures : des coquilles épaisses d’In0.1Ga0.9N et des coquilles à 15 et 30 puits quantiques In0.18Ga0.82N/GaN. Après optimisation du contact électrique sur la coquille p-GaN, un rendement maximal de 0,33 % a été obtenu avec des fils à 30 puits quantiques sous éclairement équivalent à 1 soleil (AM1.5G). Le seuil d’absorption mesuré par spectroscopie de photocourant varie entre 400 et 440 nm.- Une plateforme émetteur-détecteur. Le système, qui fonctionne à 400 nm, comprend deux fils de GaN à hétérostructure radiale InGaN/GaN positionnés sur le même substrat et couplés par un guide d’onde en SiNx. La caractérisation électrique du dispositif a mis en évidence une durée de commutation inférieure à 0,25 s sans photocourant persistant.- Des diodes électroluminescentes (LED) flexibles. Ces diodes qui émettant dans le visible (400-470 nm) ont été réalisées en se basant sur une approche hybride organique/inorganique. Les fils émetteurs à puits quantiques InGaN/GaN sont encapsulés dans une matrice organique de PDMS puis détachés de leur substrat de croissance. Les contacts sont réalisés à partir de nanofils d’argent qui présentent l’avantage d’être à la fois flexibles, transparents et conducteurs. A partir de ce procédé, une LED bicolore flexible a été réalisée en combinant des émetteurs bleus et « verts ». / This thesis reports on the realization of photonic devices based on nitride wires. Self-assembled GaN wires were grown without catalyst by metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) on sapphire substrates. Part of this work focused on the selective area growth of GaN wires through a dielectric SiNx mask with regular arrays of holes defined by lithography and dry etching. We studied the influence of the growth conditions (temperature, pressure, V/III ratio) and pattern geometry on the homogeneity of the selective area growth. These wires were used as templates for the growth of core-shell InGaN/GaN heterostructures. In addition, the growth, microfabrication process and properties of three types of devices were studied:- Single wire solar cells. We compared the efficiency of two type of heterostructures: shells composed of thick In0.1Ga0.9N layers and In0.18Ga0.82N/GaN quantum wells. After optimization of the electrical contact on the p-GaN shell, a maximal conversion efficiency of 0,33 % was obtained on single GaN wires with a shell of 30 quantum wells under 1 sun illumination (AM1.5G). Photocurrent spectroscopy revealed that the wire absorption edge varied between 400 and 440 nm.- An integrated photonic platform. The system, that operates around 400 nm, is composed of two GaN wires with radial InGaN/GaN heterostructures positioned on the same substrate and coupled with a SiNx waveguide. The electrical characterization of the platform revealed a switching speed inferior to 0.25 s without persistent photocurrent.- Flexible light emitting diodes (LED). The LED fabrication is based on a dual approach which associates inorganic InGaN/GaN emitters (400-470 nm) and a polymer. The wires are encapsulated in a PDMS matrix before being detached from their native substrate. Electrical contacts are made with silver nanowires which are flexible, highly conductive and transparent in the visible range. Based on this procedure a two-color LED was realized by stacking a blue and a “green” LED.

Les diodes organiques électroluminescentes (OLEDs) représentent une évolution de la technologie des diodes électroluminescentes (LED) dans lesquelles l'émission de couleur provient de molécules organiques. Ce travail porte sur la synthèse et l'étude de nouvelles molécules dans le but de leur utilisation (i) comme couche active dans les OLED fluorescentes ou (ii) comme matériau hôte dans les OLEDs phosphorescentes (PhOLEDs). Tout d'abord, une introduction à ce domaine important de l'électronique organique est présentée et suivie de la synthèse de nouveaux semi-conducteurs organiques dérivés d'oligophénylènes d'architecture 3π-2spiro ou 2π-1spiro. L'analyse détaillée de leurs propriétés physico-chimiques est ensuite présentée. Les performances des OLEDs et/ou PhOLEDs bleues utilisant ces nouvelles matrices sont alors décrites et montrent l'intérêt des designs choisis pour les molécules. / Organic light emitting diodes (OLEDs) represent an evolution of the light emitting diode (LED) technology in which light is emitted from an organic molecule. This work is focused on the synthesis and the study of new molecules, which will be used (i) as emissive layer in fluorescent OLEDs, or (ii) as host material in phosphorescent OLED (PhOLED). First of all an introduction of the important field of organic electronics is presented, followed by the presentation of the synthesis of new organic semi-conductors (3π-2spiro or 2π-1spiro hydrocarbons). A detailed analysis of their properties was performed and after incorporation in the devices, the performances of blue OLEDs and PhOLEDs are compared. The performances recorded attests that this molecular design is of great interest.

Les nitrures d’éléments III, à savoir GaN, InN, AlN et leurs alliages, forment une famille de matériaux semi-conducteurs dont les propriétés sont particulièrement intéressantes pour la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Leur intérêt réside en particulier dans leur bande interdite qui est directe et qui couvre une large bande spectrale de l’infrarouge (0,65eV pour InN) à l’ultraviolet (6,2eV pour AlN). En raison de l’absence de substrats accordés en maille avec ces matériaux, les couches minces hétéroépitaxiées de nitrure sont généralement touchées par des problèmes de qualité cristalline. Grâce au phénomène de relaxation des contraintes en surface, les nanofils offrent une solution prometteuse pour résoudre ce problème. Ils combinent de nombreux autres avantages : en comparaison des couches minces, l’efficacité quantique interne des LEDs peut être améliorée (surface effective plus importante permettant de diminuer l’effet Auger à courant injecté identique, absence de champ de polarisation en utilisant les facettes non polaires des nanofils) et l’extraction des photons est facilitée par l’effet guide d’onde des nanofils. Cependant, une des difficultés est de parvenir à contrôler la synthèse de ces nano-objets pour garantir une homogénéité des propriétés structurales d’un fil à l’autre et au sein d’un même fil. Dans ce contexte, mon travail de thèse a consisté à étudier d’un point de vue expérimental et théorique l’impact des inhomogénéités structurales sur les propriétés optoélectroniques de dispositifs à nanofils de type LED. J’ai pu mettre en évidence et modéliser un effet de concentration du courant dans les régions riches en indium lorsque les courants injectés sont modérés. Pour de forts courants, le courant se concentre à proximité du contact sur la coquille dopée p. Théoriquement, j’ai montré que la dérive des porteurs de charge dans les puits quantiques et leur diffusion unipolaire et ambipolaire en présence d’un gradient de compositions des puits étaient négligeables. Par ailleurs, je me suis également intéressé à l’interprétation des caractéristiques courant-tension. A l’aide d’un modèle simple, j’ai également identifié la présence de courant de fuite par effet tunnel dans des structures présentant une densité importante de défaut. Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis également intéressé à la caractérisation de nanofils à structure coeur-coquille par la technique de courant induit par faisceau d’électrons (Electron Beam Induced Current). La dépendance des cartographies EBIC en fonction de la tension appliquée et de l’énergie du faisceau incident a été modélisée. Ce travail m’a notamment amené à proposer une nouvelle méthode de caractérisation permettant de cartographier les résistivités du coeur et de la coquille des nanofils. / III-nitrides i.e. GaN, InN, AlN and their alloys are semiconductors of choice to fabricate optoelectronic devices such as Light Emitting Diodes (LEDs). One of their most interesting features relies in their direct band gap that covers a very wide spectral range, from infrared (0.65 eV for InN) to UV (6.2 eV for AlN). However, the lack of lattice-matched substrate has been responsible for strong crystalline quality issues in heteroepitaxial thin films. Thanks to stress relaxation at their surface, nanowires provide a smart solution to this problem. Besides, they have a few more assets. In comparison to thin films, nanowires can improve the internal quantum efficiency of LEDs because of their higher effective surface that leads to lowered current densities and thus mitigated Auger effect. The internal quantum efficiency also benefits from the possibility to grow the active region on non polar facets, thus getting rid of the detrimental high internal polarization-induced electric field in quantum wells. Furthermore, the photon extraction efficiency is enhanced by the guiding effect of nanowires. However, despite all this promising advantages, one of the main challenges remains the control of structural homogeneity from wire to wire but also inside single wires.In this context, my work has consisted into studying from an experimental and theoretical point of view the consequences of these structural inhomogeneities on the optoelectronic properties of nanowire based LED devices. I have shown that the current tends to gather into indium-rich regions for moderate bias. At higher bias, the dominant current path though the junction is generally located under the p-contact on the nanowire shell. I have theoretically demonstrated that the unipolar and ambipolar diffusion of carriers as well as their drift induced by a composition gradient inside the quantum wells is not significant in the devices I have studied. Moreover, I took also an interest in the detailed analyze of I-V curves. Thanks to a simple model, I have identified the presence of leakage current related to defect- and phonon-assisted tunneling effect. In the second part of my work, I have focused onto the characterization of core-shell wires using the Electron Beam Induced Current technique. The bias-dependant and acceleration voltage-dependant EBIC maps has been explained with a theoretical model based on equivalent circuits. This study leads me to suggest a new experimental method that can be used to map the nanowire core and shell resistivity.

Les boites quantiques de semiconducteurs représentent une voie attractive pour la réalisation de sources de photon efficaces pour le transfert quantique de l’information, avec un fort potentiel de miniaturisation et d’intégration. Dans ce travail, les paires de photons intriqués sont générées via le déclin radiatif de bi-excitons, à partir de boite quantiques d’InAs auto-assemblées placé dans une jonction p-i-n. Dans une première série d’expérience d’interférence à deux photons, nous avons démontré des corrélations de polarisation non classiques et la capacité de deux photons à interférer. L’intrication a été démontrée avec une fidélité de 0.87±0.04, et une visibilité des interférences de 0.60±0.05. Nous avons ensuite réalisé le premier téléporteur injecté électriquement dans un circuit à fibre monomode. Une fidélité moyenne de 0.704±0.016 a été mesurée pour 6 états distribués symétriquement sur la sphère de Poincaré, ce qui supérieur à la limite classique de 2/3 et prouve la téléportation. Un dispositif modifié de téléportation permettant d’injecter des photons à partir d’un laser continu indépendant a été développé. L’interférence à deux photons entre sources différentes a été démontrée et des battements quantiques observés. La téléportation quantique des états de polarisation portés par les photons a été obtenue avec une fidélité moyenne 0.76±0.012. Le contrôle du spin des charges confinés dans les nanostructures tels que les boites quantiques requiert une compréhension profonde de la physique des matériaux constituant, y compris au niveau nucléaire. Ainsi, nous avons démontré le contrôle électrique de l’interaction hyperfine entre les spins électroniques et nucléaires en utilisant un composant à charge ajustable. La modélisation suggère que le mécanisme est contrôlé par le temps de corrélation hyperfine de l’électron et le temps de dépolarisation du noyau. / Semiconductor quantum dots offer an attractive route towards efficient and high-quality photon sources for optical quantum information applications, with potential for miniaturization and integration on chip. Here, entangled photon pairs are generated in the biexcitonic radiative cascade resulting from electrical excitation of InAs self-assembled quantum dots placed in a p-i-n diode. In a first set of experiments the non-classical polarisation correlations and the ability to interfere the photons in two-photon interference experiments was verified, finding entanglement fidelities of up to 0.87±0.04 and interference visibilities up to 0.60±0.05. Encouraged by the two-photon interference experiments, the first directly electrically driven teleporter was implemented in a single-mode fibre circuit. An average fidelity of 0.704±0.016 was achieved for six states symmetrically distributed on the Poincaré sphere, beating the classical limit of 2/3 and proving that quantum teleportation is taking place. A modified teleportation setup allowed for the accommodation of input photons from an independent CW laser. Two-photon interference between the dissimilar light sources was demonstrated and quantum beats could be observed. Quantum teleportation of polarisation states carried by laser photons was then performed with average fidelity 0.76±0.012. Controlling confined charge carriers in nano-scale systems such as quantum dots requires a deep understanding of the underlying material physics, even on the nuclear level. Voltage control of electron-nuclear hyperfine spin interactions was demonstrated using a charge-tuneable device. Modelling suggests that the mechanism is controlled mainly via the electron hyperfine correlation time and the nuclear depolarisation time.