Dans cette thèse nous explorons, par microscopie par effet tunnel (STM), les effets de surface et du nombre de coordination sur les propriétés électroniques d’un atome de métal de transition occupant un site cationique dans la surface de GaAs(110). Par une méthode de dépôt in situ, nous avons déposé des adatomes de Cr sur des faces clivées de GaAs(110) avec des taux de couvertures très inférieurs à une monocouche. Et en appliquant des rampes de tensions proches de quelques adatomes magnétiques cibles à l’aide de la pointe du STM, nous les avons manipulés et substitués par des atomes de Ga dans les deux premières couches de la surface de GaAs(110). Obtenant ainsi des atomes magnétiques ayants des environnements atomiques différents, c’est-à-dire des adatomes de Cr, des atomes de Cr formant trois liaisons avec trois atomes d’As voisins (Cr en première couche) et des atomes de Cr formant quatre liaisons avec quatre atomes d’As voisins (Cr en deuxième couche). Pour étudier les propriétés électroniques de ces atomes de transition en fonction de leur position dans la surface de GaAs(110), nous avons réalisé sur eux des imageries STM à différents signes de tension ainsi que des mesures de spectroscopie par effet tunnel (STS). Ils ont montré des formes topographiques ayant des symétries miroirs différentes et ont révélé des nombres de pics de STS différents dans le gap de la surface de GaAs(110) selon leur site atomique. Des calculs de densité d’états électroniques et des simulations d’images STM ont été effectués, en collaboration, sur des atomes de Cr occupant des sites cationiques dans le GaAs massif et dans les cinq premières couches de la surface de GaAs(110) en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Des accords entre les calculs théoriques et nos résultats expérimentaux nous ont permis de montrer (i) que les pics de STS mesurés sur les atomes de Cr correspondent à des pics de densité d’états électroniques provenant d’une hybridation entre les états à caractères d’orbitales d du Cr et les états à caractères d’orbitales p de leurs voisins d’atomes d’As et de Ga ; (ii) que nos mesures de STS sur les atomes de Cr dans les deux premières couches de surface sont affectés par la brisure de symétrie à la surface de GaAs(110); (iii) qu’il se produit une levée de dégénérescence de certains états induits dans le gap de GaAs(110) lorsqu’un atome de Cr passe de la première vers la deuxième couche de surface ; (iv) et que les images STM topographiques réalisées à différents signes de tension sur des atomes de Cr insérés dans les deux premières couches de la surface correspondent à des fonctions d’ondes d’états d’hybridations pd spécifiques / In this thesis, we investigate by scanning tunneling microscopy (STM) the effects of surface and coordination on the electronic properties of a transition metal atom occupying a cationic site in the GaAs(110) surface.By an in situ deposition method, we deposited Cr adatoms on cleaved GaAs(110) surfaces with coverage rates lower than a monolayer. And by applying voltage pulses close to a few target magnetic adatoms using the STM tip, we have manipulated them and substituted them with Ga atoms in the two first layers of the GaAs(110) surface. Thus obtaining magnetic atoms having different atomic environments, i.e. Cr adatoms, Cr atoms forming three bonds with three neighboring As atoms (Cr in the first layer) and Cr atoms forming four bonds with four neighboring As atoms (Cr in the second layer).To study the electronic properties of these transition atoms as a function of their position in the GaAs surface (110), we have realized on them STM imagery with different voltage bias as well as scanning tunneling spectroscopy (STS). They showed topographic forms with different mirror symmetries and revealed different numbers of STS peaks in the gap of the GaAs surface (110) according to their atomic site.By collaboration, density of states (DOS) calculations and simulations of STM images were carried out on Cr atoms occupying cationic sites in the GaAs bulk and in the five first layers of the GaAs surface (110) using the density functional theory (DFT). Agreements between the theoretical calculations and our experimental results have allowed us to show (i) that the measured STS peaks on the Cr atoms correspond to peaks of DOS resulting from an hybridization between the d states of Cr and the p states of their neighbors atoms of As and Ga ; (ii) that our STS measurements on the Cr atoms in the two first layers are affected by the symmetry breaking at the GaAs(110) surface; (iii) that a splitting of some induced states in the GaAs gap (110) occurs when a Cr atom passes from the first to the second surface layer; (iv) and that the measured topographic STM images on Cr atoms inserted in the first two layers of the surface correspond to wave functions of specific pd hybridization states

Ce mémoire porte sur deux aspects du traitement des surfaces de GaAs faisant appel à des plasmas, dans le but de déposer des couches contrôlées d’oxyde et de nitrure. Dans les deux cas divers moyens d’analyse ont été utilisés pour contrôler la composition chimique ainsi que l’épaisseur et la structure des couches créées. Des calculs théoriques des signaux XPS établis sur une représentation schématique des échantillons ont été à la base de la compréhension des phénomènes mis en jeu. La première étude exposée dans ce mémoire a permis de démontrer l’efficacité d’un plasma micro-ondes composé d’O2 et de SF6 pour le nettoyage de substrats de GaAs ayant subis un ou plusieurs processus technologiques. La variation de paramètres comme la composition ou la puissance du plasma et le temps d'exposition à celui-ci nous a permis de mieux comprendre les mécanismes d’oxydation se déroulant sur la surface. Notamment, la présence de SF6 dans le plasma diminue la concentration d’arsenic sur la surface et améliore ainsi la stabilité de l’oxyde. La seconde étude réalisée dans ce travail, qui présente la nitruration de substrats de GaAs suivant différentes orientations, a mis en évidence les avantages que procure l’utilisation d’une source GDS à faible puissance pour la création d’une couche surfacique de GaN de très bonne qualité. Ce processus optimisé amène à une couche de nitrure exempte de composés dus à l’inter-diffusion de l’arsenic et de l’azote, et montre une quasi-saturation de l’épaisseur de la couche de nitrure en fonction du temps d’exposition. De plus cette couche se cristallise par recuit en une maille cubique de paramètre proche de celui du GaN. / This thesis focuses on two aspect of GaAs surface treatment using plasma in order to deposit controlled oxide and nitride layers. In both cases, various means of analysis were used to control the chemical composition and the thickness and the structure of produced layers. Theoretical calculations of the XPS signals established on a schematic representation of the samples allow the understanding the involved phenomena. The first study reported in this thesis has demonstrated the efficiency of a microwave plasma composed of O2 and SF6 for the cleaning of GaAs substrates having undergone one or several technological processes. The variation of plasma parameters such as composition, power and exposure time enables us to better understand the mechanisms of oxidation occurring on the surface. Particularly, the presence of SF6 in the plasma induces the decrease of the concentration of arsenic on the surface and thus improves the stability of the oxide. The second study of this work presents the nitridation of GaAs substrates with different orientations. More the benefits of using a low power GDS source to create high quality GaN layer on the surface is highlighted. This optimized process leads to an As-free nitride layer formed by the inter-diffusion of arsenic and nitrogen, and shows a near saturation of the nitride layer thickness as a function of exposure time. Furthermore, this layer is crystallized by annealing in a cubic lattice parameter close to that of c-GaN.

Un microgyromètre 3 axes permet avec une structure unique de mesurer la vitesse de rotation d’un objet autour des trois axes de l’espace. Les micro-gyromètres 3 axes existants sont peu nombreux et typiquement résonants, fabriqués en technologie silicium par micro-usinage de surface, à transductions électro-statiques, et conçus pour des applications de fort volume ou la taille et le coût sont des critères majeurs. Dans cette thèse nous avons étudié la transduction et le procédé de fabrication d’un gyromètre résonant 3 axes à actionnement et détection piézoélectriques, fabriqué par micro-usinage de volume dans du GaAs semi-isolant, et dont les performances sont potentiellement très supérieures à l’état de l’art tout en conservant une taille et un coût limité. Ce microgyromètre nécessite une transduction piézoélectrique 3D et un routage des connexions électriques qui ont été modélisés et optimisés pour réduire les couplages parasites entre les modes de détection et le mode pilote. Un procédé original de fabrication collective du microgyromètre a été développé, modélisé et caractérisé. Ce procédé utilise notamment une gravure ionique réactive très profonde et traversante du GaAs dans un plasma BCl3-Cl2. Il est démontré pour la première fois qu’une gravure anisotrope traversante de tranchées de 450 μm de profondeur peut être réalisée grâce à une optimisation des paramètres de gravure et à l’utilisation d’un masque en résine. Un procédé original de dépôt et de délimitation d’électrodes Au/Cr sur les flancs verticaux d’une structure gravée par évaporation sous incidence oblique avec rotation du substrat et à travers un masque pochoir en film sec photosensible a aussi été étudié en détail. Une caractérisation fine de la structure cristalline, de la résistivité et des contraintes mécaniques avant, pendant et après recuit des couches Au/Cr poreuses évaporées sous incidence oblique a été menée. Des micro-gyromètres complets avec tout le système de transduction 3D ont été réalisés. Des premières caractérisations par vibrométrie optique hors du plan et dans le plan des gyromètres réalisés démontrent des résultats encourageants. Enfin, différentes voies d’amélioration de la conception et du procédé sont proposées. / A 3 axis gyroscope allows, with a single mechanical structure, the measurement of rotation rates of an object around 3 perpendicular spatial axes. Existing 3 axis microgyroscopes are scarce and typically resonating, made in silicon technology by surface micromachining, use electrostatic transductions and are designed for high volume applications where size and cost are major characteristics. In this thesis we investigated the transduction and fabrication process of a resonating 3 axis microgyroscope having piezoelectric actuation and detection, made in semi-insulating GaAs by bulk micromachining, and with performances potentially much higher than state of the art while limiting the size and cost. This microgyroscope requires a 3D piezoelectric transduction and circuitry which were modelled and optimized to reduce cross-talks effects. An original batch fabrication process was developed, modelled and characterized. This process notably makes use of very deep through wafer reactive ion etching of GaAs in a BCl3-Cl2 plasma. It is demonstrated for the first time that a through wafer highly anisotropic etching of 450 μm deep trenches can be realized owing to etching parameters optimization and the use of a resist masking layer. An original deposition and patterning process of Au/Cr electrodes on the vertical walls of an etched structure by oblique evaporation on rotated substrate through a dry film shadow mask has also been investigated in details. A fine characterization of the crystallographic structure, resistivity and mechanical stress before, during and after annealing of Au/Cr films evaporated under oblique incidence has been performed. Full microgyroscopes with the whole 3D tranduction system were realized. Preliminary characterizations of realized gyroscopes by out-of-plane and in-plane optical vibrometry demonstrated promising results. Finally, different ways to improve the design and fabrication process are proposed.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur le réseau de détecteurs à pixels ATLAS-TPX, installé dans l’expérience ATLAS afin d’étudier l’environement radiatif en utilisant la tech- nologie Timepix. Les travaux sont rapportés en deux parties, d’une part l’analyse des données recueillies entre 2015 et 2018, d’autre part l’étude de nouveaux détecteurs pour une mise à niveau du réseau. Dans la première partie, une méthode pour extraire certaines propriétés des MIPs (Mini- mum Ionizing Particles) est développée, basée sur l’étude des traces laissées par ces particules lorsqu’elles traversent les matrices de pixels des détecteurs ATLAS-TPX. Il est montré que la direction des MIPs et leur perte d’énergie (dE/dX) peut être déterminée, permettant d’évaluer leur origine. De plus, la méthode pour mesurer les champs de neutrons thermiques et neutrons rapides avec ces détecteurs est expliquée, puis appliquée aux données. Les flux de neutrons thermiques mesurés aux différentes positions des détecteurs ATLAS-TPX sont présentés, alors que le signal des neutrons rapides ne se distingue pas du bruit de fond. Ces résultats sont décrits dans une publication, et la façon dont ils peuvent être utilisés pour valider les simulations de champs de radiation dans ATLAS est discutée. Dans la seconde partie, la thèse présente une étude de détecteurs Timepix utilisant l’arséniure de gallium (GaAs) et le tellurure de cadmium (CdTe) comme capteur de radia- tion. Ces semiconducteurs offrent des avantages par rapport au silicium et pourraient être utilisés dans les prochaines mises à niveau du réseau ATLAS-TPX. Comme ils sont connus pour des problèmes d’instabilité dans le temps et une efficacité de collection de charge incomplète, ils sont testés en utilisant divers types d’irradiation. Ceci est décrit dans deux articles, l’un portant sur un capteur au GaAs de 500 μm d’épaisseur, l’autre sur un capteur au CdTe de 1 mm d’épaisseur. Malgré l’apparition de pixels bruyants lors des mesures, les détecteurs montrent une bonne stabilité du signal dans le temps. Par contre, l’efficacité de iv collection de charge est inhomogène à travers la surface des détecteurs, avec des fluctuations de produits mobilité-temps de vie (μτ) importantes. Ces résultats montrent qu’il est nécessaire d’étudier l’influence de ces défauts sur les algorithmes de reconnaissance de traces avant l’utilisation du GaAs et CdTe dans les mises à niveau du réseau ATLAS-TPX. / The work presented in this thesis focuses on the ATLAS-TPX pixel detector network, in- stalled in the ATLAS experiment for studying the radiation environement using the Timepix technology. The achievements are presented in two parts, on one hand the analysis of data acquired between 2015 and 2018, on another hand the study of new detectors for an upgrade of the network. In the first part, a method to extract properties of MIPs (Minimum Ionizing Particles) is developed, based on the analysis of clusters left by the interaction of these particles in the pixel matrixes of the ATLAS-TPX detectors. It is shown that the direction of MIPs and their energy loss (dE/dX) can be determined, allowing the evaluation of their origin. Moreover, the method for mesuring the thermal and fast neutron fields is explained, and applied to the data. The thermal neutron fluxes at the different detector locations are reported, whereas the fast neutron signal cannot be distingished from the background. Thoses results are described in a publication, and their use for benchmarking simulations of the radiation field in ATLAS is discussed. In the second part, the thesis presents a study of Timepix detectors equipped with gallium arsenide (GaAs) and cadmium telluride (CdTe) sensors. These semiconductors offer some advantages over silicon and could be used for upgrades of the ATLAS- TPX network. Since they are known to suffer from time instabilities and incomplete charge collection efficiency, they are tested using several types of irradiation. This is described in two publications, one focusing on a 500μm thick GaAs sensor, another focusing on a 1mm thick CdTe sensor. Despite the appearance of noisy pixels during the measurements, the detectors are found to be reasonably stable in time. However, the charge collection efficiency is found to be inhomogeneous across the sensor surfaces, with significant fluctuations of mobility-lifetime (μτ) products. These results show that vi it is necessary to study the influence of these material defects on the pattern recog- nition algorithms before the integration of such sensors in the ATLAS-TPX upgrades.

Optoelectronics is quickly becoming a fast emerging technology field. It refers to detect or emit electromagnetic radiation, and convert it into a form that can be read by an integrated measuring device. These devices can be a part of many applications like photodiodes, solar cells, light emitting diode (LED), telecommunications, medical equipment, and more. Due to their different applications, the semiconductor optoelectronic devices can be divided by their operating wavelength and working mechanisms. In this work, I have focused on semiconductor plasmonic systems operating in the mid-infrared and on the optical detectors made of 2D materials operating in the UV-visible spectral range. Mid-infrared plasmonic devices are very attractive for chemical sensing. Our results show that ultra-doped n-type GaAs is ideal for mid-infrared plasmonics, where the plasmon wavelength is controlled by electron concentration and can be as short as 4 μm. Ultra-doped n-type GaAs is achieved using ion implantation of chalcogenides like S and Te followed by nonequillibrium thermal annealing, namely ns-range pulsed laser melting or ms-range flash lamp annealing. I have shown that the maximum electron concentration in our GaAs layer can be as high as 7×10¹⁹ cm⁻³, which is a few times higher than that obtained by alternative techniques. In addition to plasmonic applications, the ultra-doped n-type GaAs shows negative magnetoresistance, making GaAs potential material for quantum devices and spintronic applications. UV-visible optical detectors are made of 2D materials based on van der Waals heterostructures, i.e. transition metal dichalcogenides (TMDCs) e.g. MoSe₂ and transition metal chalcogenophosphates (TMCPs) with a general formula MPX₃ where M=Fe, Ni, Mn and X=S, Se, Te. The external quantum efficiency of a self-driven broadband photodetector made of a few layers of MoSe₂/FePS₃ van der Waals heterojunctions is as high as 12 % at 532 nm. Moreover, it is shown that multilayer MoSe₂ on FePS₃ forms a type-II band alignment, while monolayer MoSe₂ on FePS₃ forms a type-I heterojunction. Due to the type-I band alignment, the PL emission from the monolayer MoSe₂ is strongly enhanced.

La situation énergétique et les enjeux environnementaux auxquels la société est confrontée entraînent un intérêt grandissant pour la production d'électricité à partir de l'énergie solaire. Parmi les technologies actuellement disponibles, la filière du photovoltaïque à concentrateur solaire (CPV pour concentrator photovoltaics) possède un rendement supérieur et un potentiel intéressant à condition que ses coûts de production soient compétitifs.La méthode d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE pour chemical beam epitaxy) possède plusieurs caractéristiques qui la rendent intéressante pour la production à grande échelle de cellules photovoltaïques à jonctions multiples à base de semi-conducteurs III-V. Ce type de cellule possède la meilleure efficacité atteinte à ce jour et est utilisé sur les satellites et les systèmes photovoltaïques à concentrateur solaire (CPV) les plus efficaces. Une des principales forces de la technique CBE se trouve dans son potentiel d'efficacité d'utilisation des matériaux source qui est supérieur à celui de la technique d'épitaxie qui est couramment utilisée pour la production à grande échelle de ces cellules. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux effectués dans le but d'évaluer le potentiel de la technique CBE pour réaliser la croissance de couches de GaAs sur des substrats de Ge. Cette croissance constitue la première étape de fabrication de nombreux modèles de cellules solaires à haute performance décrites plus haut.La réalisation de ce projet a nécessité le développement d'un procédé de préparation de surface pour les substrats de germanium, la réalisation de nombreuses séances de croissance épitaxiale et la caractérisation des matériaux obtenus par microscopie optique, microscopie à force atomique (AFM), diffraction des rayons-X à haute résolution (HRXRD), microscopie électronique à transmission (TEM), photoluminescence à basse température (LTPL) et spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS). Les expériences ont permis de confirmer l'efficacité du procédé de préparation de surface et d'identifier les conditions de croissance optimales. Les résultats de caractérisation indiquent que les matériaux obtenus présentent une très faible rugosité de surface, une bonne qualité cristalline et un dopage résiduel relativement important. De plus, l'interface GaAs/Ge possède une faible densité de défauts. Finalement, la diffusion d'arsenic dans le substrat de germanium est comparable aux valeurs trouvées dans la littérature pour la croissance à basse température avec les autres procédés d'épitaxie courants. Ces résultats confirment que la technique d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE) permet de produire des couches de GaAs sur Ge de qualité adéquate pour la fabrication de cellules solaires à haute performance. L'apport à la communauté scientifique a été maximisé par le biais de la rédaction d'un article soumis à la revue Journal of Crystal Growth et la présentation des travaux à la conférence Photovoltaics Canada 2010.

Ce projet de maîtrise consiste à l'asservissement et la mise en marche d'un réacteur d'épitaxie par jets chimiques au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. Le réacteur sert à la croissance dans l'ultravide de matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium-gallium (GalnP). La programmation LabVIEW™ et du matériel informatique de National Instruments sont utilisés pour asservir le réacteur. Le contrôle de la température de l'échantillon et de la pression de contrôle des réactifs de croissance dans le réacteur est assuré par des boucles de rétroaction. Ainsi, la température de l'échantillon est stabilisée à ±0,4 °C, alors que les pressions de contrôle de gaz peuvent être modulées sur un ordre de grandeur en 2 à 4 secondes, et stabilisées à ±0,002 Torr. Le système de pompage du réacteur a été amélioré suite à des mesures de vitesse de pompage d'une pompe cryogénique. Ces mesures révèlent une dégradation sur plus d'un ordre de grandeur de son pompage d'hydrogène avec l'opération à long terme. Le remplacement de la pompe cryogénique par une pompe turbo-moléculaire comme pompe principale a permis d'améliorer la fiabilité du système de pompage du système sous vide. D'autre part, la conductance du système d'acheminement de gaz et d'injection a été augmentée afin de réduire un effet mémoire des sources le système et faciliter la croissance de matériaux ternaires. Ainsi, des croissances de GaAs (100) sur substrat de même nature ont été effectuées et ont révélé un matériau de bonne qualité. Sa rugosité moyenne de 0,17 nm, mesurée par microscopie à force atomique, est très faible selon la littérature. De plus, une mobilité élevée des porteurs est obtenue à fort dopage au silicium, au tellure et au carbone, notamment une mobilité de 42 ± 9 cm2V_1s_1 des porteurs majoritaires "(trous) lors du dopage au carbone à 1,5 • 1019 cm-3, en accord avec la courbe théorique. La croissance du matériau ternaire GalnP a aussi été réalisée en accord de maille avec le substrat de GaAs, et avec une rugosité de 0,96 nm. Ceci constitue un premier pas dans la croissance d'alliages ternaires au laboratoire. Finalement, la mise eh marche du réacteur d'épitaxie par jets chimiques permet maintenant à cinq étudiants gradués de faire progresser des projets reliés directement à la croissance épitaxiale au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. [symboles non conformes]

L'infrarouge est un domaine spectral particulièrement attrayant pour de nombreux champs d'applications, tels que les télécommunications, la détection, etc. Cependant, les sources infrarouges compactes disponibles à l'heure actuelle pour le domaine spectral R-moyen sont particulièrement couteuses à fabriquer ou à mettre en oeuvre. Ce projet de recherche propose une nouvelle famille de sources infrarouges compactes utilisant les propriétés non-linéaires de l'AlGaAs. Afin de réaliser la preuve de concept pour ces nouvelles sources infrarouges, un convertisseur de longueur d'onde, basé sur un guide d'onde submicrométrique, fonctionnant par génération de seconde harmonique a été conçu. Dans le but de permettre l'interaction non-linéaire et de maximiser son rendement de conversion, différents critères doivent être respectés : des dimensions très précises ainsi que des flancs non rugueux, homogènes et verticaux. Le défi de ce projet de doctorat était donc de développer un procédé de fabrication de guides d'onde créneaux submicrométriques en GaAs/AlGaAs à fort rapport d'aspect et rugosité latérale minimale. Nous avons ainsi optimisé l'étape cruciale de gravure plasma ICP des matériaux. La recette développée est reproductible. La chimie Cl[indice inférieur 2]/BCl[indice inférieur 3]/Ar/N[indice inférieur 2] utilisée permet de graver non sélectivement des structures nanométriques en GaAs/Al[indice inférieur x]Ga[indice inférieur 1-x]As quelque soit la valeur de la composition x en aluminium. Les flancs et les fonds de gravure sont exempts de rugosités et le dépôt de couche inhibitrice permet d'atteindre de forts rapports d'aspect. Ce procédé nous a permis de fabriquer des guides d'onde submicrométriques avec des verticalités quasi idéales et des rapports d'aspect extrêmes encore jamais publiés : 80 nm de large et 2,6 [micro]m de haut, soit un rapport d'aspect supérieur à 32. Une fois ces guides d'onde fabriqués, l'étape suivante a consisté à mesurer les pertes de propagation afin d'évaluer leurs performances, qui se sont révélées excellentes. Ainsi, un guide de 550 nm de large présente des pertes de propagation d'environ 40 dB/cm inférieures à celle d'un guide strictement identique présenté dans la littérature. Ces résultats ont permis à nos collaborateurs de réaliser la conversion de longueur d'onde dans ces structures : une onde infrarouge à 1582 nm génère une onde à 791 nm. De plus, le composant final est accordable en température ([delta][lambda] [tilde] 2 nm pour +3[degrés Celsius]) comme en largeur de guide ([delta][lambda] [tilde] 53 nm pour +50 nm). Cette réalisation est le premier pas vers de nouvelles sources infrarouges non linéaires, cohérentes, compactes, peu couteuses et compatibles avec l'optique intégrée. Dans le but d'améliorer davantage ces performances, nous avons également étudié le traitement de passivation de surface. L'intérêt de cette passivation est d'améliorer l'homogénéité des surfaces, en réduisant les densités de défauts responsables des pertes par recombinaisons non radiatives. Les traitements de passivation réalisés sur GaAs les plus efficaces ont permis de réduire la densité d'états de surface, originellement supérieure à 10[indice supérieur 13] cm[indice supérieur -2] eV[indice supérieur -1], à 5-7.10[indice supérieur 11] cm[indice supérieur -2]eV[indice supérieur -1]. Un tel traitement est donc prometteur pour les composants semi-conducteurs à fort rapport"surface/volume". Par conséquent, ce travail de doctorat a permis de mettre en place un procédé reproductible pour la fabrication de dispositifs complexes à base de structures GaAs/AlGaAs dont la qualité à permis la démonstration de la conversion non-linéaire des signaux optiques.

The project contains adventurous research, with an aim to understand and design a planar Gunn diode with a novel integrated circuit configuration to extract the 2nd harmonic. This will potentially enhance the Gunn diode as a high frequency source towards frequencies in excess of 600 GHz. The RF performance from the above integrated circuit was achieved by design and simulation of radial and diamond stub resonators, which were used to short the fundamental oscillation frequency while allowing the second harmonic frequency to pass through to the load. The diamond stub resonator is a new configuration offering a number of advantages which include a higher loaded quality factor and occupies 55% less chip area than a comparable radial stub resonator. The designed novel circuits with integrated planar Gunn diode were fabricated using microwave monolithic integrated circuits (MMIC) technology at the James Watt Nanofabrication centre in Glasgow University. Full DC and microwave characterisation of the diodes and integrated circuits with diodes was carried out using a semiconductor analyser, network analyser (10 MHz to 110GHz) and spectrum analyser (10 MHz to 125GHz). The microwave measurements were carried out at the high frequency RF laboratories in Glasgow University. Both GaAs and InP based Gunn diodes were characterised and RF characterisation work showed that higher fundamental frequencies could be obtained from Gunn diodes fabricated on InGaAs on a lattice matched InP substrate. Planar Gunn diodes with an anode to cathode spacing of 4 microns giving a fundamental frequency of oscillation of 60 GHz were fabricated as an integrated circuit with coplanar waveguide (CPW) circuit elements to extract the second harmonic. A second harmonic frequency of 120 GHz with an RF output power of -14.11 dBm was extracted with very good fundamental frequency suppression. To the authors knowledge this was the first time second harmonic frequencies have been extracted from a planar Gunn diode technology. Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) planar Gunn diodes were also designed with an integrated series inductor to match the diode at the fundamental frequency to obtain higher RF output powers. Devices with a 1 micron anode to cathode separation gave the highest fundamental oscillation frequency of 121 GHz the highest reported for a GaAs based Gunn diode and with an RF output power of -9 dBm. These circuits will have potential applications in secure communications, terahertz imaging etc.

Two-dimensional (2D) carrier systems built from semiconductor heterostructures have been at the center of a wide variety of experimental and theoretical research over the past decades. The quality improvement of GaAs/AlGaAs systems has allowed the observation of several peculiar ground states stabilized by the subtle interplay between carrier-carrier interaction, disorder and magnetic field. More recently, 2D systems in semiconductor heterostructures have also been used as a prime substrate for further confinement of the carriers to mesoscopic systems of major interest for the emerging fields of quantum computing and spintronics. This thesis addresses both magnetotransport measurements in hole open quantum dots (QDs) and thermopower studies of 2D holes in (311)A GaAs heterostructures. In the first part of this thesis, we describe the fabrication process for hole GaAs open QDs and investigate their magnetotransport properties at very low temperature T. Below 500 mK, the magnetoconductance of the open QDs exhibits clear signatures of coherent transport, namely magnetoconductance fluctuations and weak anti-localization. From these effects, we extract a T dependence for the dephasing time, together with an upper limit for the spin-orbit scattering time using the random matrix theory. Both the dephasing time and the spin-orbit scattering time are found to be much smaller than for electrons in similar systems. In the second part of this work, we report low-T thermopower measurements in the parallel magnetic field-induced metal-insulator transition (MIT) of 2D GaAs hole heterojunctions with different interface-dependent mobilities. When the magnetic field is increased, the diffusion thermopower decreases across the MIT. The reduction of the diffusion thermopower is more pronounced for the lower mobility sample where it reverses its sign. This behaviour indicates that the system does not undergo any ground state modification through the MIT but rather that the parallel magnetic field induces a dramatic change of the dominant hole scattering mechanisms. Finally, the last part of this thesis is devoted to the thermopower study of the insulating phase (IP) observed in 2D GaAs bilayer hole systems around the total Landau level filling factor n = 1. Our measurements show that the diffusion thermopower diverges with decreasing T in the IP. This divergence of the diffusion thermopower at low T indicates the opening of an energy gap in the system's ground state and suggests the formation of a pinned bilayer hole Wigner crystal around n = 1.