Ce manuscrit est consacré à la physique des polaritons dans deux matériaux semiconducteurs à grand gap : ZnO et GaN. Les paramètres polaritoniques de ces matériaux ont été déterminés avec précision grâce à une étude combinant différentes techniques spectroscopiques linéaires et non-linéaires (réflectivité continue, autocorrélation, photoluminescence et mélange à quatre ondes dégénérées). L’interprétation de ces résultats conduit à une meilleure compréhension des processus d’interaction au sein du semiconducteur : le rôle important des interactions polariton-phonon LO dans l’élargissement polaritonique a notamment pu être mis en évidence. Ce travail effectué sur des échantillons massifs est indispensable pour mener au mieux l’étude de l’effet laser à polaritons dans des microcavités présentée dans la seconde partie de ce manuscrit. Pour cette étude, deux microcavités massives semblables, une à base de ZnO l’autre de GaN, ont été réalisées. Les qualités photoniques de ces structures sont à l’état de l’art : elles présentent un bon facteur de qualité (Q ≈ 1000) et un faible désordre photonique. Le régime de couplage fort ainsi que l’effet laser à polaritons sont observés jusqu'à température ambiante. Enfin, l’établissement de diagrammes de phases permet de mettre en exergue le rôle important des phonons LO dans l’abaissement du seuil laser. / This manuscript is devoted to the physics of polaritons in two wide band gap semiconductor : ZnO and GaN. The polaritonic parameters of these materials have been accurately determined through a study which combines linear and non-linear spectroscopies (continuous reflectivity, autocorrelation, photoluminescence and degenerate four-wave mixing). The interpretation of these results lead to a better understanding of the interaction processes in the semiconductor : the important role played by the polariton-LO phonon interactions in the polaritonic damping is highlighted and particularly for ZnO. This preliminary work on bulk samples is essential for a suitable study of polariton lasing in microcavities like it is presented in the second part of this manuscript. For this study, two similar microcavities, one based on ZnO and another on GaN. The photonic properties of these structures are at the state of the art : they have a good quality factor (Q ≈ 1,000) and have a low photon disorder. The strong coupling regime and the polariton lasing are observed to room temperature. Finally, the establishment of phase diagrams allows to highlight the important role of LO phonons in reduction of the laser threshold.

Parmi les nitrures III-V, le matériau InGaN a été intensément étudié depuis les années 2000 pour des applications photovoltaïques, en particulier pour des cellules multi-jonctions, grâce à son large gap modulable pouvant couvrir quasiment tout le spectre solaire. On pourrait alors atteindre de hauts rendements tout en assurant de bas coûts. Cependant, l’un des problèmes de l’InGaN est l’absence de substrat accordé en maille provoquant une grande densité de défauts et limitant ainsi les performances des composants. Nous avons donc étudié la faisabilité de cellules solaires simples jonctions à base d’InGaN sur des substrats alternatifs comme le silicium et le verre afin de baisser les coûts et d’avoir de larges applications. Afin d’adapter l’InGaN sur ces substrats alternatifs, nous avons utilisé une couche tampon en ZnO. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR NewPVonGlass. Plus particulièrement, dans ce projet, mon travail avait pour objectifs de réaliser des caractérisations électriques et optiques des matériaux et des composants. Les deux premières parties de cette thèse introduisent le matériau InGaN et l’effet photovoltaïque. Les techniques de caractérisation utilisées sont expliquées dans le troisième chapitre. Ensuite, les résultats obtenus lors de la caractérisation cristalline du matériau InGaN sont présentés en fonction du substrat, de la concentration d’indium et de l’épaisseur de la couche. Puis, la cinquième partie développe les caractérisations des premières cellules à base d’InGaN sur saphir. Enfin, dans le dernier chapitre, des simulations de cellules solaires à base d’InGaN ont été réalisées. Le modèle développé nous a permis d’optimiser la structure et le dopage du composant et de déterminer les paramètres critiques. Nous montrons donc, dans ce travail, le développement d’une cellule solaire à base d’InGaN : des caractérisations des matériaux de base à celles des cellules solaires, en passant par la modélisation. / Among III-V nitrides, the InGaN material has intensively been studied since the year 2000 for photovoltaic applications, in particular for multi-junction solar cells, thanks to its large tunable band gap covering almost the entire solar spectrum. Then, it will be possible to reach high efficiency and low cost. However, one of the problems of InGaN material is the absence of lattice-matched substrate leading to high defect density which limits device performances. We have thus studied the feasibility of single junction InGaN based solar cells on alternative substrate such as silicon and glass in order to lower the price and to benefit from their wide application fields. To adapt InGaN material on these new substrates, we have utilized ZnO buffer layer. This work has been carried out within the framework of the ANR project NewPVonGlass. More particularly, in this project, I was in charge of the electrical and optical characterizations of the materials and devices. In the two first parts of this manuscript, the InGaN material and the photovoltaic effect are introduced. Then, the characterization techniques are explained in the third chapter. In the fourth part, the results obtained during crystalline characterization of the InGaN materials are presented depending on the substrate, the indium percentage and the InGaN layer thickness. Then, the fifth chapter presents the first InGaN-based solar cell characteristics on sapphire substrate. Finally, in the last part, simulations of InGaN-based solar cell have been performed. The developed model was able to optimize the structure and to determine the critical parameters. Thus, we have shown in this work the development of an InGaN-based solar cell from the base material characterizations to the device tests, through modeling.

Ce manuscrit de thèse est consacré aux condensats de polaritons dans deux semi-conducteurs à grand gap : GaN et ZnO. La première partie de ce travail se concentre sur l’étude par spectroscopie optique de deux microcavités planaires (une de GaN, l’autre de ZnO) présentant des structures et des propriétés photoniques identiques. Le régime de couplage fort lumière-matière et l’effet laser à polaritons ont pu être observés de 5 K à 300 K pour les deux microcavités. La réalisation de diagrammes de phase a mis en évidence l’impact variable des résonances avec les phonons LO sur l’abaissement du seuil laser. L’étude de la microcavité GaN a été poussée jusqu’à 350 K et nous avons pu démontrer, pour la première fois à cette température, la persistance du couplage fort et du laser à polaritons pour des conditions d’excitations optimales. La deuxième partie de ce travail est focalisée sur des guides d’onde de ZnO. Outre l’observation du régime de couplage fort de 5 K à 300 K, notre étude a pu mettre en exergue un phénomène laser inédit dans cette géométrie : le laser à polaritons horizontal. / This manuscript is devoted to polariton condensates in two wide band gap semiconductors: GaN and ZnO. The first part of this work focuses on the study by optical spectroscopy of two planar microcavities (one of GaN, the other of ZnO) sharing the same structure and the same photonic properties. The strong coupling and polariton lasing regime have been observed from 5 K to 300 K in both microcavities. The realization of phase diagrams has pointed out the inconstant impact of resonances with LO phonons on the lowering of the laser threshold. The study of the GaN microcavity has been pushed to 350 K and we have demonstrated, for the first time at this temperature, the persistence of the strong coupling regime and the polariton laser under optimal excitation conditions. The second part of this work is focused on ZnO waveguides. Besides the observation of strong coupling regime from 5 K to 300 K, our study has highlighted a new lasing effect in this geometry: the horizontal polariton laser.

Les semi-conducteurs à base de composés III-V de type GaN présentent de nombreux avantages – liés essentiellement à leur grande bande interdite - par rapport aux semi-conducteurs traditionnels Si, ou III-V des filières GaAs. De plus, il est possible de former, comme pour les semi-conducteurs traditionnels III-V des hétérojonctions de type HEMT (High Electron Mobility Transistor) AlGaN/GaN permettant d'obtenir à la fois une forte densité de porteurs confinés à l'hétérojonction et des mobilités électroniques élevées. Ces composants sont à l'heure actuelle les candidats les plus prometteurs pour des applications hyperfréquences de puissance. Cependant, l'échauffement observé au cours du fonctionnement et les différentes étapes de réalisation des composants ont un impact anormal sur les performances intrinsèques du composant. La microspectrométrie Raman est une technique nondestructive et sans contact avec une résolution spatiale submicronique, adaptée à l'étude des HEMTs AlGaN/GaN en fonctionnement. L'utilisation de différentes longueurs d'onde excitatrices visible et UV permet de sonder les hétérostructures à différentes profondeurs de pénétration. Les informations obtenues avec cette technique d'analyse sont la composition de l'hétérostructure, les contraintes entre les différentes couches, la résistance thermique aux interfaces, la qualité cristalline des différentes couches, le dopage et le comportement thermique des différentes couches. Le développement d'un système de microspectrométrie Raman UV résolue en temps a permis d'analyser le comportement thermique transitoire des HEMTs AlGaN/GaN en fonctionnement et plus particulièrement dans la zone active du composant.

Dans ce travail, nous avons décrit dans un premier temps la croissance de GaN<br />avec traitement Si/N élaboré à haute température et à pression atmosphérique par<br />Epitaxie en Phase Vapeur par pyrolyse d'OrganoMétalliques (EPVOM). Cette phase<br />de traitement Si/N, juste après l'étape de nitruration du substrat saphir (0001), induit<br />le passage d'un mode de croissance 3D-2D à mesure que la couche de GaN s'épaissie.<br />L'étude de différents niveaux de croissance montre une amélioration de la qualité morphologique,<br />électrique, structurale et optique lorsque l'épaisseur de la couche de GaN<br />augmente. Par la suite, nous nous présentons une étude systématique du dopage de type<br />p dans GaN en utilisant le magnésium. Les paramètres évoqués sont le débit de TMG,<br />le débit de Cp2Mg et la température de croissance. Une fois les conditions optimales<br />de GaN:Mg sont obtenues et après avoir étudier l'effet de la durée d'envoi de TMG et<br />la température de croissance de GaN dopé silicium, nous avons réalisé deux types de<br />diodes électroluminescentes bleues ; un premier type à base d'une homojonction p/n et<br />un deuxième type avec l'intercalation de cinq puits quantiques standards InGaN.

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d'intégrer ces composants dans un système électronique, l'analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L'objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d'hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d'analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L'étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L'étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'outil d'épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la synthèse avec et sans catalyseur de nanofils semiconducteurs GaN et GaAs. Une étude systématique de l'influence des conditions expérimentales sur la croissance des fils de GaN est effectuée, afin de démontrer la faisabilité de cette croissance sur la surface des substrats saphir plan-c et silicium sans aucun traitement de la surface préalablement à la croissance. Nous avons démontré la croissance par VLS-HVPE, de nanofils de GaN de diamètres constants de 40 à 200 nm, de longueurs supérieures à 60 μm et présentant des qualités optique et cristallographique remarquables. Pour les nanofils de GaAs, la stabilité, inédite, de la phase cubique zinc-blende pour des diamètres de 10 nm a été démontrée par le procédé de croissance VLS-HVPE sur des longueurs de quelques dizaines de micromètres. Les mécanismes de croissance sont discutés à partir des diagrammes de phase et de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. Pour les semiconducteurs III-V, cette étude permet d'envisager des applications liées aux nanofils longs qui jusque là n'étaient exploitées que pour le silicium. Ces travaux montrent que dans le contexte des Nanosciences, la HVPE, outil épitaxial à fortes vitesses de croissance, mérite une audience élargie, et peut s'inscrire comme un outil complémentaire efficace aux procédés MOVPE et MBE pour le façonnage contrôlé de la matière à l'échelle nanométrique.

Ce mémoire de thèse traite de la caractérisation de microfils et nanofils semi conducteurs dopés individuels par microscopie à émission de photoélectrons X (XPEEM) complétée par des techniques de champ proche électrique: Kelvin force microscopy (KFM) et scanning capacitance microscopy (SCM). L'objectif est d'évaluer l'apport des méthodes locales de surface « sans contact », grâce à la mesure du travail de sortie local et de l'énergie de liaison des niveaux de cœur, pour l'étude des phénomènes liés au dopage dans ces objets, comme par exemple l'uniformité longitudinale. Nous mettons d'abord en évidence l'importance de la préparation des échantillons pour la mise en œuvre des techniques citées: méthodes de transfert des fils, adéquation du substrat, influence des caractérisations pré-analyse. Nous présentons ensuite deux principales études de cas en lien avec une problématique technologique : les microfils de nitrure de gallium dopés Si (diamètre 2 µm) pour applications dans l'éclairage à l'état solide, et les jonctions pn à nanofils de Si (diamètre 100 nm) pour la nanoélectronique basse puissance. Dans le premier cas, nous avons mis en œuvre la SCM pour l'identification rapide de l'hétérogénéité axiale du dopage n, puis avons utilisé l'imagerie XPEEM spectroscopique avec excitation synchrotron pour, d'abord, estimer le travail de sortie local et la courbure de bande en surface; ensuite, élucider les modes d'incorporation du silicium en surface, qui pointent notamment sur la sensibilité des conditions d'élaboration dans la part du dopage intentionnel (Si en sites Ga) et non intentionnel (Si sur sites lacunaires en azote). (Des mesures complémentaires sur sections radiales et longitudinales de fils, par microscopie Auger et spectrométrie ToF-SIMS montrent une incorporation du Si limitée à la surface des microfils). Concernant les jonctions pn à nanofils de silicium étudiées après retrait partiel de l'oxyde de surface, nous avons mis en relation des résultats obtenus indépendamment par KFM et par XPEEM. Ils mettent conjointement en lumière une très faible différence de travail de sortie local entre partie n et partie p, et qui semble en partie expliquée par un ancrage du niveau de Fermi en surface. / This thesis addresses the characterization of individual doped semiconductors microand nanowires by photoemission electron microscopy (XPEEM) and near field techniques : Kelvin probe force microscopy (KFM) and scanning capacitance microscopy. The aim of this study is to evaluate the benefits of contactless surface methods, thanks to local work function and core level binding energy measurements, for the study of phenomena linked to doping in such objects, like for example axial uniformity. First, we highlight the importance of sample preparation required for these techniques: wires transfer methods, substrate/wire match, and preanalysis characterization influence. Then we present two case studies addressing technological issues: Si doped gallium nitride microwires (2μm diameter) for solid state lighting, and p-n junction nanowires (100 nm diameter) for low power microelectronics. In the first case, we have performed SCM for quick identification of n doping axial heterogeneity, then performed spectroscopic XPEEM using synchrotron radiation to, first, estimate local work function and surface band bending, then clarify surface silicon incorporation highlighting growth process influence over intentional (si on Ga sites) and unintentional doping (si on nitrogen vacancy). Complementary measurements on both axial and radial section of wires have been led by Auger microscopy and ToF-SIMS, highlighting silicon incorporation preferentially at the surface of the microwires. Regarding p-n junctions, after partial removal of surface oxide, we have linked results obtained independently by KFM and XPEEM. Both methods highlighted a weak local work function difference between n-doped and p-doped part, partly explained by Fermi level pinning induced by surface states.

Les matériaux semi-conducteurs III-N sont à l’origine d’une véritable révolution technologique. Mais malgré l’effervescence autour de ces sources lumineuses, leurs performances dans le vert et l’UV demeurent limitées. La principale raison à cela est l’orientation cristalline (0001)III-N (dite polaire) selon laquelle ces matériaux sont généralement épitaxiés et qui induit de forts effets de polarisation. Ces effets peuvent cependant être fortement atténués par l’utilisation d’orientations de croissance dite semi-polaires. Malheureusement, les films de GaN semi-polaires hétéroépitaxiés présentent des densités de défauts très importantes, ce qui freine très fortement leur utilisation. L’enjeu de cette thèse de doctorat est de réaliser des films de GaN semi-polaire (11-22) de haute qualité cristalline sur un substrat de saphir en utilisant la technique d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. La réduction de la densité de défaut étant l’objectif majeur, différentes méthodes d’ingénieries de défauts s’appuyant sur la structuration de la surface des substrats et sur la croissance sélective du GaN ont été développées. Elles ont permis d’établir l’état de l’art actuel du GaN semi-polaire hétéroépitaxié. Par la suite, dans le but d’améliorer les performances des DELs vertes, une étude dédiée à l’optimisation de leur zone active a été menée. D’autre part, le développement de substrats autosupportés de GaN semi-polaires, ainsi que la confection de cristaux 3D de grande taille dont la qualité cristalline est comparable aux cristaux de GaN massifs ont été démontrés. Ces deux approches permettant de s’approcher encore plus de la situation idéale que serait l’homoépitaxie. / Nitride based materials are the source of disruptive technologies. Despite the technological turmoil generated by these light sources, their efficiency for green or UV emission is still limited. For these applications, the main issue to address is related to strong polarization effects due to the (0001)III-N crystal growth orientation (polar orientation). Nevertheless these effects can be drastically decreased using semipolar growth orientations. Unfortunately semipolar heteroepitaxial films contain very high defect densities which hamper their adoption for the time being. The aim of this doctoral thesis is to achieve semipolar (11-22) GaN of high quality on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition. Defect reduction being the main objective, several defect engineering methods based on sapphire substrate patterning and GaN selective area growth have been developed. Thanks to refined engineering processes, the remaining defect densities have been reduced to a level that establishes the current state of the art in semipolar heteroepitaxial GaN. These results have enabled the achievement of high quality 2 inches semipolar GaN templates, thus forming an ideal platform for the growth of the forthcoming semipolar optoelectronic devices. With this in mind, to improve green LEDs, a study dedicated to the optimization of their active region has been conducted. Finally, the development of semipolar freestanding substrate has been performed, and beyond, the realization of large size crystals with a structural quality similar to that of bulk GaN has been demonstrated. These last two approaches pave the way to quasi-homoepitaxial growth of semipolar structures.

Les matériaux III-N ont apporté un gain considérable au niveau des performances des composants pour les applications en électronique de puissance. Les potentialités majeures du GaN pour ces applications résident dans son grand champ de claquage qui résulte de sa large bande interdite, son champ de polarisation élevé et sa vitesse de saturation importante. Les hétérostructures AlGaN/GaN ont été jusqu’à maintenant le système de choix pour l’électronique de puissance. Les limites sont connues et des alternatives sont étudiées pour les surmonter. Ainsi, les hétérostructures InAlN/GaN en accord de maille ont suscité beaucoup d’intérêts, notamment pour des applications en électronique de puissance à haute fréquence. L’enjeu de ce travail de thèse consiste à élaborer et caractériser des hétérostructures HEMTs (High Electron Mobility Transistors) afin d’établir des corrélations entre défauts structuraux, électriques et procédés de fabrication. Une étude sera donc menée sur la caractérisation de composants AlGaN/GaN afin de cerner les paramètres de croissance susceptibles d’avoir un impact notable sur la qualité structurale et électrique de la structure, notamment sur l’isolation électrique des couches tampons et le transport des porteurs dans le canal. En ce qui concerne les HEMTs InAlN/GaN, l’objectif est d’évaluer la qualité de la couche barrière. Pour cela, une étude de l’influence des épaisseurs ainsi que la composition de la barrière sera menée. La combinaison de ces études permettra d’identifier la structure optimale. Ensuite, l’analyse des contacts Schottky par des mesures de courant et de capacité à différentes températures nous permettra d’identifier les différents modes de conduction à travers la barrière. Enfin, les effets de pièges qui constituent l’une des limites fondamentales inhérentes aux matériaux étudiés seront caractérisés par différentes méthodes de spectroscopie de défauts. / III-N materials have made a significant gain in component performance for power electronics applications. The major potential of GaN for these applications lies in its large breakdown field resulting from its wide bandgap, high polarization field and high electronic saturation velocity. AlGaN/GaN heterostructures have been, until recently, the system of choice for power electronics. The limits are known and alternatives are studied to overcome them. Thus, lattice matched InAlN/GaN heterostructures have attracted a great deal of research interest, especially for high frequency power electronic applications. The aim in this work of thesis consists in developing and in characterizing High Electron Mobility Transistors (HEMTs) to establish correlations between structural, electrical defects and technologic processes. A study will therefore be conducted on the characterization of AlGaN/GaN components to enhance the parameters of growth susceptible to have a notable impact on the structural and electrical quality of the structure, in particular on the electrical isolation of the buffer layers and the transport properties. For InAlN/GaN HEMTs, the objective is to evaluate the quality of the barrier layer. For this, a study of the influence of the thickness as well as the composition of the barrier will be conducted. The combination of these studies will allow identifying the optimum structure. Then, the analysis of Schottky contacts by measurements of current and capacity at different temperatures will allow us to identify the several conduction modes through the barrier. Finally, the effects of traps which constitute one of the fundamental limits inherent to the studied materials will be characterized by various defects spectroscopy methods.