L'imagerie des propriétés spectroscopiques locales, par microphotoluminescence, nous a permis de comprendre et d'analyser les propriétés de localisation dans les fils quantiques semiconducteurs gravés en V, et d'identifier les causes structurales de désordre. Nous avons ainsi mis en évidence les différences entre deux générations de fils quantiques. Dans la première, la rugosité des hétéro-interfaces impliquées dans le confinement des porteurs est importante et donne lieu à la localisation des excitons; le fil quantique, dit en "régime 0D", se comporte comme une collection de boîtes quantiques. Dans la deuxième génération, les fluctuations des hétéro-interfaces sont beaucoup plus rares (2 par µm dans les meilleurs échantillons) et les excitons sont délocalisés sur plusieurs centaines de nanomètres. Chaque îlot peut alors être considéré comme une portion de fil quantique, justifiant l'appellation de "régime 1D". Les propriétés électroniques des fils quantiques ont été étudiées en microluminescence sur une boîte quantique ou un îlot unique, et ont été corrélées à leurs propriétés structurales. Cette approche "nano-objet individuel" nous a donné accès aux propriétés intrinsèques de ces objets, en nous affranchissant de l'élargissement inhomogène des résultats habituellement obtenus sur une population macroscopique. Dans les fils quantiques en régime 0D, la structure fine du doublet radiatif de l'exciton localisé dans les boîtes quantiques a été mise en évidence expérimentalement et reliée à l'interaction Coulombienne d'échange. L'évolution en température des spectres de microluminescence a été interprétée comme l'établissement du couplage fort entre excitons et phonons acoustiques : le pic zéro phonon observé à basse température disparaît dès 30 K au profit d'une raie plus large de luminescence assistée par les processus d'émission et d'absorption de phonons. Dans les fils quantiques en régime 1D, nous avons montré que les excitons délocalisés dans les îlots sont sensibles au désordre résiduel, principalement dû à la présence de champs piézoélectriques internes. La théorie de l'exciton a été reprise dans le cas des fils quantiques, dont la singularité nécessite une grande rigueur dans la résolution de l'hamiltonien de l'atome d'hydrogène à 1D. Le temps de vie radiatif des excitons a été mesuré et suit à basse température une loi en sqrt(T), prouvant que les excitons de bas de bande sont localement à l'équilibre thermique et que leur densité est en 1/sqrt(E) à l'échelle de kT, comme attendu pour un système unidimensionnel. Nous avons enfin mis en évidence la transition de Mott entre un gaz dilué d'excitons en interaction Coulombienne et un plasma dense d'électrons et de trous lorsque la densité de porteurs photocréés est augmentée, et nous avons caractérisé ces différents régimes de densité. La formation de biexcitons dans le gaz dilué d'excitons a en particulier été confirmée.

Dans les nanostructures 1D et 0D, le confinement latéral des porteurs autorise des transitions intrabandes polarisées dans le plan des couches. Ces structures présentent alors un intérêt pour la photodétection à incidence normale ou l'émission de lumière par la surface. Les échantillons sont réalisés par épitaxie par jets moléculaires. Les contraintes dues au désaccord de maille entre l'InAs et l'InP donnent naissance à des îlots de taille nanométrique en suivant le mode de croissance Stranski-Krastanov. La caractérisation structurale de ces îlots par AFM et TEM montre un profil en forme de pyramide tronquée et un allongement le long de la direction [1-10]. Le faible désaccord de maille (3%) conduit à une couverture complète de la surface d'InAlAs par des boîtes allongées ou des fils. Les échantillons ont été caractérisés par photoluminescence et par spectroscopie d'absorption photo-induite. Ces expériences ont permis de montrer la présence d'absorptions infrarouges remarquables (12-14µm), polarisées dans le plan des couches et attribuées à la transition optique entre l'état fondamental et le premier état excité confiné suivant la direction [110]. D'autre part, nous mettons également en évidence la présence de transitions moins intenses à plus courte longueur d'onde (9-12µm) dans les polarisations [110] et [1-10] dont l'intensité est fortement dépendante de la température. Nous attribuons ainsi ces résonances à des transitions entre niveaux excités de la bande de conduction. Des mesures de spectroscopie de photocourant complètent l'étude optique et montrent les performances remarquables de ce système pour la photodétection à incidence normale. Les résultats issus de simulations, tenant compte de la non-parabolicité des bandes, montrent un accord satisfaisant avec les expériences et autorisent l'identification des raies observées. La synthèse des différentes spectroscopies conduit à la reconstruction de la structure énergétique des boîtes.

La thèse, composée de trois parties, est consacrée à des problèmes physiques différents reliés à la Théorie Conforme des Champs (CFT) bidimensionnelle. La première partie s'intéresse aux propriétés de transport hors d'équilibre à travers une jonction de fils quantiques. Trois modèles y sont étudiés. Le premier décrit les fils par un champs bosonique libre compactifié vu comme la bosonisation du liquide de Luttinger d'électrons. La jonction des fils est modélisée par une condition limite assurant la diffusion non triviale des charges entre les fils. Associant la quantification canonique et l'intégrale fonctionnelle, on calcule exactement les fonctions de corrélation des courants dans l'état d'équilibre du modèle, mais aussi dans un état stationnaire hors d'équilibre, ainsi que la statistique complète de comptage pour les transferts de charge et d'énergie entre les fils maintenus en températures et potentiels différents. Les deux autres modèles d'une jonction de fils quantiques sont basés sur la théorie de Wess-Zumino-Witten (WZW). Dans le premier, la jonction est décrite par une "brane cyclique" et dans le deuxième, par une "brane coset". Les résultats dans le premier cas sont aussi complets que pour le champ libre, mais les charges y sont entièrement transmises d'un fils au suivant. Dans le deuxième cas, la diffusion des charges n'est pas triviale, mais le modèle se révèle difficile à résoudre. La deuxième partie de la thèse étudie les anomalies globales de jauge dans les modèles "coset" de CFT réalisés comme la théorie WZW jaugée. La classifications (presque) complète de telles anomalies, lesquelles rendent certains modèles coset inconsistants, est présentée. Elle emploie la classification des sous-algèbres des algèbres de Lie simples due à Dynkin. Finalement, la troisième partie de la thèse décrit la construction géométrique d'indice des familles d'opérateurs unitaires obtenues des projecteurs sur les bandes de valence d'un isolant topologique bidimensionnel invariant par renversement du temps. L'indice construit est relié d'un côté à la racine carrée de l'amplitude de Wess-Zumino d'une telle famille, et, de l'autre, il reproduit l'invariant de Kane-Mele de l'isolant. La dernière identification exige un argument complexe qui exploite une nouvelle anomalie de jauge pour les modèles WZW à bord. Les trois parties de la thèse emploient des outils géométriques de CFT assez semblables, permettant d'obtenir toute une série des résultats originaux. Cette unité de méthode, ainsi que le thème des anomalies, constituent le trait d'union entre les différents composants du manuscrit. / The thesis, consisting of three parts, is focusing on different physical problems that are related to two dimensional Conformal Field Theory (CFT).The first part deals with nonequilibrium transport properties across a junction of quantum wires. Three models are studied. The first one describes the wires by a free compactified bosonic field, seen as the bosonization of the Luttinger liquid of electrons. The junction of the wires is modeled by a boundary condition that ensures nontrivial scattering of the charges between the wires. Combining canonical quantization and functional integral, we compute exactly the current correlation functions in equilibrium, but also in a nonequilibrium stationary state, as well as the full counting statistics of charge and energy between the wires set at different temperatures and potentials. The two other models of quantum wire junction are based on Wess-Zumino-Witten theory (WZW). In the first one, the junction is described by a “cyclic brane” and in the second, by a “coset brane”. The results in the first case are as complete as for the free field, but the charges are fully transmitted from one wire to the next one. In the second case, the scattering is nontrivial, but the model turns out to be difficult to solve.The second part of the thesis studies the global gauge anomalies in “coset” models of CFT, realized as gauged WZW theories. The (almost) complete classification of such anomalies, that lead to some inconsistent coset models, is presented. It is based on Dynkin classification of subalgebras of simple Lie algebras.Finally, the third part of the thesis describes the geometric construction of index from unitary operator families obtained from valence band projectors of a two-dimensional time-reversal invariant topological insulator. The index is related on one hand to the square root of the Wess-Zumino amplitude of such a family, and, on the other hand, it reproduces the Kane-Mele invariant of the insulator. The last identification requires a nontrivial argument that uses a new gauge anomaly of WZW models with boundary.The three parts of the thesis use similar geometrical tool of CFT, that permits to obtain several original results. The unity in the method, as well as the topic of anomalies, builds a bridge between the different components of the manuscript.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de lasers à cavité verticale accordable et émettant à 1,55 µm, destinés aux applications télécom, capteurs intégrés et imagerie médicale. En vue de réaliser des VCSELs accordables sur de large gamme spectrale (>> 50 nm), ce travail de thèse s'est attaché à étudier et à améliorer les éléments clés constitutifs de ces dispositifs, à savoir : les miroirs de Bragg, la zone active, et les performances optiques et thermiques des VCSELs. Le fort contraste d'indice (Δn~1,9) des matériaux diélectriques (a-Si/a-SiN,x) a permis d'avoir une bande passante du miroir de Bragg suffisamment large (~700 nm) et des hautes réflectivités (~99,6%), assurant un bon fonctionnement du VCSEL. Pour la région active, nous avons opté pour les fils quantiques, qui grâce à leur dispersion en taille, permettent de bénéficier d'un gain matériau large bande. La réalisation d'un VCSEL à fils quantiques avec des miroirs diélectriques a permis une première démonstration internationale d'une émission laser sur un large domaine spectral de plus de 117 nm, couvrant ainsi les bandes de télécommunication optique C et L. L'émission laser est obtenue sous pompage optique continu jusqu'à une température de 42°C avec une puissance émise maximale de 1,3mW. Pour améliorer la puissance émise du laser, une étude en fonction du nombre de paires du miroir de sortie a été conduite. Pour un nombre de paires variable (4, 5 et 6 paires), le meilleur compromis a été obtenu pour un miroir de sortie comportant uniquement 4 paires, permettant d'accroitre la puissance émise de 0,1 mW (6 paires) à 1,3 mW (4 paires). Dans ce cas, l'amélioration des performances optiques s'est traduite également par un meilleur rendement quantique différentiel externe du laser et une augmentation de la plage de fonctionnement en puissance de pompe. Afin d'améliorer la dissipation thermique du VCSEL, le concept du miroir hybride a été développé. Ce dernier permet de conserver voire d'améliorer la réflectivité du miroir diélectrique classique tout en réduisant le nombre de paires le constituant. Ceci a permis de démontrer expérimentalement une diminution de 29 % de la résistance thermique, ce qui confirme l'efficacité du miroir hybride pour être une alternative potentielle au miroir diélectrique classique. Cette amélioration de l'aspect thermique a permis une augmentation de la température de fonctionnement jusqu'à 45°C et une puissance émise maximale de 1,8 mW. La réalisation du procédé TSHEC combiné au miroir hybride enterré, a permis d'améliorer encore davantage les performances optiques et thermiques du VCSEL. Ainsi, avec un miroir enterré de 20 µm de diamètre, nous avons démontré une puissance émise maximale de 2,2 mW avec une plage de fonctionnement en puissance de pompe plus large et une température de fonctionnement allant jusqu'à 55°C. L'ensemble de ces optimisations seront prochainement implémentées dans les structures VCSELs accordables du projet ANR HYPOCAMP. / This thesis focuses on the study and realization of broadband vertical cavity lasers emitting at 1,55 µm, useful for telecom applications, integrated sensors and medical imaging. ln order to achieve tunable VCSELs over broad spectral range(>> 50 nm), this thesis focused on the study and improvement the key components of these devices, which are: Bragg mirrors, active region and optical and thermal performances of VCSELs. The high index contrast (Δn~1,9) of dielectric materials (a-Si/a-SiN.) allowed a large bandwidth mirror (~700 nm) and high reflectivity (99.6%), ensuring a good VCSEL operation. For the active region, we opted for using quantum dashes, and thanks to their size dispersion allow having a broadband gain material. The realization of the quantum dashes based VCSEL with dielectric mirrors allowed a first international demonstration of a laser emission over a broadband of 117 nm, covering the optical telecommunication C and L bands. The laser emission is obtained under continuous optical pumping up to 42°C with a maximum output power of 1.3 mW. To improve the emitted laser power, a study based on the number of the output mirror pairs was conducted. For a variable number of pairs (4, 5 and 6 pairs), the best compromise was obtained for an output mirror with 4 pairs only, for which the output power is increasing from 0.1 mW (6 pairs) to 1.3 mW (4 pairs). ln this case, besides the increase of the output power, performance improvement is also reflected by improved external differential quantum efficiency of the laser and an increase in the operating range of the pump power. To improve the thermal aspect of the VCSEL, an approach based on the use of hybrid mirror was developed. This allows to keep even to improve the reflectivity of the standard dielectric mirror while reducing its number of pairs. Experimentally, it has been demonstrated a 29 % reduction in thermal resistance, confirming the effectiveness of the hybrid mirror to be a potential alternative to standard dielectric mirror. This improvement in term of thermal dissipation allowed an increase in operating temperature up to 45°C and a maximum output power of 1.8 mW. The realization of TSHEC process based on buried hybrid mirror, allowed further optical and thermal enhancements. Thus, with a 20 µm Bragg mirror diameter, we have demonstrated a maximum output power of 2.2 mW with a larger pump power operating range and a temperature operating up to 55 °C. All these optimizations will soon be implemented within the tunable VCSEL structures of HYPOCAMP ANR project.

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.

Le couplage spin-orbite combiné avec des effets de brisure de la symétrie d'inversion conduit au dédoublement de niveaux d'énergie de la structure de bande réelle et complexe des matériaux massifs et des hétérostructures bidimensionnelles tels que puits quantiques et hétéro-jonctions. La première partie de ce travail calcule numériquement les trois contributions au splitting de spin : BIA, SIA et IIA en se basant sur le modèle k.p de Kane étendu à 14 bandes et sur les nouveaux paramètres obtenus par la méthode des liaisons fortes. Plusieurs résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux anciens. Nous avons obtenu, pour la première fois, une description quantitative satisfaisante des relations de dispersion des sousbandes de valence d'un puits quantique GaAs/(AlGa)As (mesurées par le groupe de L. Eaves par effet tunnel résonnant en présence d'un champ magnétique dans le plan.) et de leur splitting de spin (mesuré il y a déjà longtemps par H. Stormer et al.). Ces résultats semblent indiquer que le terme IIA est effectivement petit dans ce cas. Nous avons également calculé les spectres d'absorption optique de puits quantiques et obtenu, avec la nouvelle paramétrisation, un accord remarquablement bon avec des résultats expérimentaux d'O. Krebs sur l'effet Pockels confiné quantiquement.<br /><br />Nous examinons ensuite la structure de bande complexe du GaAs et montrons par une représentation complexe et non purement imaginaire du vecteur d'onde que les états évanescents existent pour toutes les directions de la zone de Brillouin. Cette existence se manifeste par des boucles reliant les bandes de conduction et les bandes de valence. Ce résultat est une contribution originale sur le concept de filtre de spin.<br /><br />La deuxième partie de ce travail porte sur l'étude expérimentale du rôle de couplage spin-orbite dans des fils quantiques semi-balistiques obtenus par gravure à partir d'une structure à gaz bidimensionnel d'électrons. Nous espérons observer une transition entre le régime de localisation faible et celui, opposé, d'antilocalisation faible. Les pics observés expérimentalement lors des mesures de la magnétorésistance ont des propriétés qui sont bien expliquées en termes de la localisation faible. Ces mesures nous ont permis d'extraire des différents temps caractéristiques des échantillons et d'observer les changements de régime fort champ magnétique/bas champ magnétique liés à la nature quasi-balistique des échantillons.