La sécurisation des systèmes de transmission de données est un enjeu majeur de la société de l'information. Ce travail aborde une solution potentielle originale, dédiée aux transmissions radio-fréquences en espace libre, et en utilisant un mode de sécurisation à base de comportements chaotiques. La porteuse chaotique est générée par un oscillateur non linéaire à retard, qui permet d'appliquer la méthode de sécurisation par porteuse chaotique en modulation de fréquence directement au niveau de la couche physique du système de transmission. L'étude et la réalisation expérimentale du principe de génération de chaos en modulation de fréquence (FM) est présentée à partir d'une transformation non linéaire construite par profil de filtrage RF à résonances multiples, et l'autre en utilisant un montage optoélectronique original réalisant la non linéaire à partir d'un interféromètre radio-fréquence à fibre optique. Dans chacun, un système complet d'émission-réception par porteuse chaotique FM démontré.

Depuis vingt ans, la capacité d'intégration des technologies MOS double tous les dix-huit mois. Une approche prometteuse pour exploiter cette progression a été introduite récemment par l'invention des “circuits analogiques cellulaires”, qui sont composés de l'assemblage régulier de milliers de cellules analogiques identiques. L'objectif de cette thèse est de contribuer à la conception de ces circuits, en étudiant ceux pour lesquels sont possibles une modélisation statistique à l'aide de Réseaux de Neurones Formels (RNF) et des applications à la reconnaissance des formes. Elle porte plus particulièrement sur la machine de Boltzmann, qui est un modèle de RNF booléen et stochastique, à temps discret. Au chapitre I, je présente les Réseaux de Reurones Formels et les algorithmes de la Machine de Boltzmann Synchrone, qui est un modèle adapté au parallélisme matériel. Au chapitre II, je présente l'état de l'art des réalisations de Machine de Boltzmann et des techniques analogiques utilisées pour les RNF. Au chapitre III, je présente une architecture originale de circuits dédiés aux réseaux multi-couches exécutant la Machine de Boltzmann. Au chapitre IV, je présente la conception et la simulation des cellules et des circuits nécessaires : convertisseurs tension-courant et courant-tension, comparateur, fonction sigmoïde... Ce modèle étant stochastique, je présente aussi deux réalisations originales de générateurs aléatoires : le premier est optoélectronique et tire partie des propriétés du speckle optique, le second est électronique et à base d'automates cellulaires. Le chapitre V est consacré à la description des mesures effectués sur des circuits prototypes de chacune des cellules. En conclusion, je présente les évolutions de ces travaux vers des circuits analogiques à temps continu et à états de neurones continus.

Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer une nouvelle technique de caractérisation électro-optique de barrettes de diodes Laser de puissance (DLPs), au niveau émetteur individuel à partir d'un banc dédié, utilisées pour le pompage optique à 808nm de système LIDAR en environnement spatial et en régime QCW. Après une étude métrologique fine, ils décrivent une méthodologie de sélection d'un indicateur précoce de défaillance potentielle et sa capacité à estimer la fiabilité de DLPs en conditions opérationnelles (> 109 impulsions à 100Hz/200µs). L'analyse de la dégradation des DLPs se base sur l'identification de signatures paramétriques de défaillance mises en lumière après une série de tests accélérés ciblés et relatives à l'évolution de la puissance optique, du spectre optique (λmax) et du degré de polarisation (DOP) de chaque émetteur de la barrette. Nous montrons également la forte complémentarité entre la mesure du DOP par électroluminescence et par photoluminescence et nous proposons une méthodologie de sélection précoce des émetteurs en considérant leur localisation dans le plan (λmax, DOP). Ces études expérimentales, confortées par des simulations thermiques et mécaniques par éléments finis en introduisant un grand nombre de paramètres technologiques, ont permis de quantifier les niveaux de contraintes résiduelles dans les DLPs en fonction de différentes configurations d'assemblage et d'établir un lien avec leur fiabilité intrinsèque.

L'optique non linéaire sur silicium a pris son essor en raison des nombreuses perspectives d'applications à l'optoélectronique en circuit intégré. Pour observer des effets non-linéaires sans travailler à des puissances trop élevées, il faut utiliser des résonateurs à très haut facteur de confinement optiques (Q/V). Les microcavités à cristal photonique bidimensionnel sont une technologie mature et planaire pour réaliser de tels résonateurs sur silicium. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur une application des microcavités à cristal photonique à la détection télécom. Le silicium est en effet transparent dans cette plage de longueurs d'onde, sauf si on atteint des densités de puissance élevées, auquel cas l'absorption à deux photons intervient. Le principe du détecteur repose sur l'exaltation de absorption à deux photons grâce à la microcavité en cristal photonique. La collection des porteurs ainsi générés est assurée par une jonction latérale métal-semiconducteur-métal (MSM). Nous avons d'abord étudié numériquement la viabilité du concept du détecteur sous deux aspects : collection des porteurs libres à travers le cristal photonique et influence des métallisations sur le facteur de qualité. Les modèles standards pour le courant d'obscurité et le photocourant dans les photodétecteurs MSM ont été étendus pour tenir compte du cristal photonique. La fabrication d'une jonction MSM dans le cristal photonique a fait l'objet d'un travail approfondi en salle blanche de l'IEF. La mesure du courant circulant dans le dispositif a permis de mettre en évidence un photocourant résonnant. On retiendra que la réponse peut alors atteindre 90 mA/W et que la bande-passante est supérieure au GHz. Outre la démonstration du détecteur en elle-même, des résultats originaux ont été obtenus. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler les densités de porteurs dans les microcavités à cristal photonique en jouant sur la polarisation externe. Enfin, le détecteur est un moyen de mesurer certaines grandeurs essentielles de la physique des microcavités sur silicium, comme l'absorption linéaire résiduelle ou la résistance thermique de la cavité.

Les liaisons par fibre optique sont une alternative sérieuse aux câbles électriques pour la transmission de signaux analogiques. A bord des satellites, elles permettent une réduction significative de la taille et de la masse des harnais de distribution vers les charges utiles, une meilleure isolation électromagnétique, et les applications TéraHertzs bénéficieront de leur bande passante très large. Au sol, la faible atténuation des fibres a des applications comme le partage d'une horloge ou la synchronisation des réseaux de stations sols ou d'antennes. Cette thèse propose des systèmes de transmissions optiques de signaux hyperfréquences, optimisés en gain et en bruit. La modulation par annulation de porteuse optique, ou DSB-CS, a été plus particulièrement étudiée. Enfin le signal reçu est conditionné par la synchronisation d'un oscillateur faible bruit : le bruit de phase du signal est ainsi amélioré et son niveau largement relevé.

Le sujet de la thèse a porté sur la mise au point, la caractérisation et l'utilisation de matériaux semi-conducteurs, au sein desquels les porteurs libres ont un temps de vie extrêmement brefs (picoseconde ou sub-picoseconde), pour réaliser des antennes photoconductrices émettrices ou détectrices de rayonnement électromagnétique térahertz (THz). Contrairement au semi-conducteur LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) à la technologie bien dominée et aux performances exceptionnelles lorsque photo-excité par des impulsions lasers de longueurs d'onde typiquement inférieures à 0,8 µm, le travail portait ici sur des matériaux permettant l'emploi de lasers dont les longueurs d'onde sont celles des télécommunications optiques, à savoir aux alentours de 1,5 µm. L'intérêt est de bénéficier de la technologie mature de ces lasers, et du coût relativement modique des composants pour les télécommunications optiques. Pour réaliser des antennes THz performantes et efficaces, le matériau semi-conducteur doit présenter plusieurs qualités : vie des porteurs libres très courte, grande mobilité des porteurs, haute résistivité hors éclairement, et bonne structure cristallographique pour éviter les claquages électriques. Pour obtenir une courte durée de vie, on introduit un grand nombre de pièges dans le semi-conducteur, qui capturent efficacement les électrons libres. Pour les matériaux de type InGaAs employés à 1,5 µm, le problème est que le niveau en énergie de ces pièges, par exemple pour les matériaux épitaxiés à basse température, est très proche de la bande de conduction du semi-conducteur. Cela est équivalent à un dopage n du matériau, ce qui en diminue fortement sa résistivité hors éclairement. Plusieurs solutions ont été apportées par différents laboratoires : compensation par dopage p pour les matériaux épitaxiés à basse température, bombardement ionique, implantation ionique, ou même structures à couches alternées où la photo-génération et la recombinaison des porteurs libres se produisent à des endroits différents. Le but du travail de thèse était de fabriquer des matériaux préparés suivant ces différentes techniques, de les caractériser et de comparer leurs performances pour l'optoélectronique THz. Les semi-conducteurs à étudier étaient de type InGaAs comme déjà publiés par la concurrence, l'originalité de thèse portant sur la comparaison de ces différents matériaux et si possible leur optimisation,. Au cours de ce travail de thèse, de nombreuses couches d'InGaAs ont été épitaxiées, en faisant varier les paramètres de dépôt, et des antennes THz ont été fabriquées. Les couches ont été caractérisées du point de vue cristallographique, ainsi que pour la conductivité électrique DC (mesures 4 pointes, mobilité Hall...), les propriétés d'absorption optique (spectroscopie visible et IR), la durée de vie des porteurs par mesure optique pompe-sonde. Pour les couches épitaxiées à basse température, l'influence d'un recuit thermique ainsi que du dopage en béryllium ont été étudiés. Dans le cas de couches bombardées ou implantées, plusieurs ions ont été utilisés, le brome, le fer et l'hydrogène. Les relations entre la cartographie des défauts structuraux et/ou des ions implantés et les propriétés électriques et de dynamique des porteurs ont été examinées en détail. Ces études permettent de comprendre le type de défauts qui piègent les porteurs dans ces matériaux, ainsi que leur formation lors du processus de fabrication et de traitement des couches. Finalement les meilleures couches fabriquées présentent des performances comparables à celles publiées par ailleurs. Les derniers travaux de thèse ont permis d'obtenir les premiers signaux de rayonnement THz générés par une antenne fabriquée avec l'InGaAs optimisé.

L'intégration de composés semi-conducteurs III-V sur silicium devrait conduire au développement de nouveaux dispositifs micro- et optoélectroniques performants. Le composé InGaAs de haute mobilité électronique est un candidat prometteur pour le transistor métal-oxyde-semiconducteur à effet de champ à canal n au-delà du noeud technologique 10 nm. En outre les semi-conducteurs III-V sont aussi des matériaux appropriés pour la fabrication de composants optiques (lasers, diodes) et de dispositifs analogiques ultra-haute fréquence et leur intégration sur une plateforme Si ajoutera de nouvelles fonctionnalités pour le réseau de communications optiques. Cependant la miniaturisation des dispositifs et leur intégration dans les architectures 3D nécessitent le développement de méthodes de caractérisation avancées pour fournir des informations sur leur composition physico-chimique avec une résolution à l'échelle nanométrique.Dans cette thèse, les études physico-chimiques des hétérostructures III-V directement élaborées sur plaquettes de Si 300 mm par épitaxie en phase vapeur sont adressées. Les techniques de spectrométrie de masse d'ions secondaires sont utilisées et développées dans le but d'étudier la raideur des interfaces, la composition chimique et le dopage de couches III-V minces dans des architectures 2D et 3D avec une bonne résolution en profondeur. L'analyse quantitative précise sur un puits quantique InGaAs (PQ) pour des architectures 2D et 3D a été réalisée en utilisant les techniques SIMS magnétique et Auger. Pour obtenir le profil chimique des structures III-V étroites et répétitives, une méthode de moyenne des profils a été développée pour ces deux techniques. Egalement, la reconstruction 3D et le profil en profondeur de tranchées individuelles (moins de cent nanomètres de largeur) contenant un PQ d’InGaAs mince obtenu par croissance sélective dans des cavités de dioxyde de silicium en utilisant la méthode de piégeage des défauts par rapport d’aspect ont été obtenus avec succès en utilisant le SIMS à temps de vol ainsi que la sonde atomique tomographique. Enfin, les résultats ont été corrélés avec des mesures de photoluminescence. / The integration of III-V semiconductor compounds on silicon should lead to the development of new highly efficient micro- and opto-electronic devices. High mobility InGaAs material is a promising candidate for n-channel metal-oxide semiconductor field-effect transistor beyond the 10 nm technology node. Moreover III-V semiconductors are also suitable materials for fabrication of optical (lasers, diodes) and ultra-high frequency analog devices and their integration on a Si platform will add new functionalities for optical network and communication. However the miniaturization of devices and their integration into 3D architectures require the development of advanced characterization methods to provide information on their physico-chemical composition with nanometer scale resolution.In this thesis, the physico-chemical studies of III-As heterostructures directly grown on 300 mm Si wafers by metalorganic vapor phase epitaxy are addressed. Secondary ion mass spectrometry techniques are used and developed in order to study interfaces abruptness, chemical composition and doping of III-V thin layers in 2D and 3D architectures with high depth resolution. The accurate quantitative analysis on InGaAs quantum wells (QWs) in 2D and 3D architectures was performed using magnetic SIMS and Auger techniques. To obtain the chemical profiling of narrow and repetitive III-V structures the averaging profiling method was developed for both techniques. Additionally, 3D reconstruction and depth profiling of individual trenches (less than hundred nanometer in width) containing thin InGaAs QWs selectively grown in silicon dioxide cavities using the aspect ratio trapping method were successfully obtained using Time-of-flight SIMS and atom probe tomography. Finally, the results were correlated with photoluminescence measurements.

Les diodes électroluminescentes (LEDs) utilisées dans les systèmes d'éclairage solide sont réalisées à base de GaN et de ses alliages. Bien que les LEDs commerciales soient principalement développées sur substrat saphir, les industriels et laboratoires de recherche s'intéressent également au substrat silicium, moins cher et disponible en de plus grands diamètres. Son utilisation pose cependant deux problèmes : la présence d'une importante densité de dislocations dans les couches épitaxiées et la mise en tension de celles-ci menant à l'apparition de fissures. Afin de les éviter, des solutions existent mais nécessitent des procédés de croissance longs et complexes entraînant une augmentation du coût de production.L'alternative proposée au cours de cette thèse consiste en la croissance sélective de pseudo-substrats de GaN sur silicium par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM). La croissance sélective doit en effet permettre l'obtention d'un matériau de bonne qualité cristalline présentant une contrainte limitée (en évitant la coalescence) tout en réduisant la durée d'épitaxie. Nos travaux ont porté sur l'analyse de l'influence des paramètres de croissance (conditions de croissance, design du masque, polarité du substrat) afin de comprendre les mécanismes mis en jeu et de maîtriser l'effet de chacun d'eux sur la morphologie du matériau. La croissance de pseudo-substrats de GaN hexagonal [000-1] sur du Si (100) a été démontrée grâce à l'utilisation d'une couche texturée d'AlN de polarité N. Des caractérisations optiques et structurales ont démontré une relaxation de la contrainte ainsi qu'une bonne qualité cristalline du matériau à la surface de ces structures. La croissance sur celles-ci de multi-puits quantiques (MQWs) InGaN/GaN a ensuite été étudiée pour la réalisation de micro-LEDs. Cependant, des difficultés ont été rencontrées du fait de la présence d'inversions de polarité dans les pseudo-substrats. Ces essais ont également mis en évidence la nécessité d'une étude à part entière de la croissance de MQWs de polarité N. / Light-emitting diodes (LEDs) used in solid lighting systems are made from GaN and its alloys. Although commercial LEDs are mainly developed on sapphire substrate, manufacturers and research laboratories are also interested in silicon substrate, which is cheaper and available in larger diameters. However, its usage raises two issues: the presence of a high dislocation density in epitaxial layers and their tensile stress leading to the formation of cracks. In order to avoid them, solutions exist but require long and complex growth processes resulting in an increase in production costs.The alternative proposed in this thesis is focused on the selective area growth of GaN pseudo-substrates on silicon by metalorganic vapour phase epitaxy (MOVPE). Indeed, selective area growth should make it possible to obtain a good crystalline material displaying a limited stress (avoiding coalescence) while reducing epitaxy duration. Our work focused on the analysis of the influence of growth parameters (growth conditions, mask design, substrate polarity) in order to understand the involved mechanisms and to control the effect of each of them on the material morphology. The growth of hexagonal [000-1] GaN pseudo-substrates on Si (100) was demonstrated by using a textured N-polar AlN layer. Optical and structural characterisations displayed a stress relaxation as well as a good crystalline quality of these structures’ surface material. The growth on top of those of InGaN/GaN multiple quantum wells (MQWs) was then studied for micro-LEDs realisation. However, difficulties have been encountered due to the presence of polarity inversions in pseudo-substrates. These tests also demonstrated the necessity of a complete study of N-polar MQWs growth.

Ce travail porte sur la croissance par MOVPE et l’étude de structures à base de nanofilsde ZnO, semi-conducteur à large bande interdite directe (3,37 eV) qui possède un fort po-tentiel pour les applications optoélectroniques. Des observations systématiques par MEBet TEM de nanofils de ZnO crûs sur saphir, sous différentes conditions, renseignent surla formation de ces nanostructures et notamment sur l’importance de la polarité du ma-tériau. Les observations structurales par TEM révèlent l’absence de défaut étendu dansles nanofils. Dans un second temps, la croissance de structures à puits quantiques coeur-coquilles ZnO/ZnMgO est étudiée. L’imagerie de cathodoluminescence révèle l’émis-sion de puits quantiques axiaux (avec effet stark confiné) et radiaux. L’optimisation dela composition en Mg des barrières ZnMgO permet d’éviter la relaxation plastique dansles nanofils et montre une amélioration très significative de la tenue en température del’émission de photoluminescence des puits quantiques radiaux. Le rendement quantiqueinterne des meilleures structures est estimé à 54%. Enfin, la localisation de la croissancesur substrats structurés est démontrée. La morphologie ainsi que le taux de remplissagedes nanofils sont comparés en fonction de la polarité de la couche de germination utilisé,de la taille et de l’espacement des ouvertures pratiquées dans le masque. L’ensemble deces briques technologiques ouvre la voie à la réalisation de LEDs à base de nanofils ZnO. / This work deals with the MOVPE growth and the study of ZnO based structures,which is a direct and large gap semiconductor (3.37 eV) with a high potential for op-toelectronics applications. Systematic SEM and TEM observations of ZnO nanowires onsapphire grown under various conditions help us to understand growth mechanism, andmore particularly the role of the polarity in formation of nanowires. Structural TEM ob-servations reveal the lack of dislocations or stacking fault in nanowires. In a second hand,the growth of ZnO/ZnMgO core-shell structure with quantum wells is studied. Cathodolu-minescence mapping exhibit both radial and axial quantum wells emission with quantumconfinement and quantum confined stark effect, respectively. Mg composition is optimi-zed to avoid plastic relaxation in nanowires structure, which allow us to obtain internalquantum efficiency as high as 54%. Finally, the selective area growth is demonstrated onpatterned substrates. Morphology and efficiency of ZnO nanowires growth is compare asa function of seed layer polarity and size of holes in the mask. These technological stepsopen the way to ZnO nanowires based LEDs devices.

Les matériaux conducteurs transparents font partie intégrante de très nombreux dispositifs optoélectroniques (de type cellule solaire, OLED, capteur tactile, etc.). Pour des raisons techniques et économiques (évolution des marchés vers les applications flexibles),d’importantes recherches sont mises en œuvre pour remplacer les couches minces d’oxydes métalliques (principalement en ITO) actuellement utilisées. En effet, de par sa faible résistance mécanique à la flexion et son coût d’élaboration élevé, l’ITO ne répond pas aux besoins de ces marchés émergents. L’utilisation de nanomatériaux en solution, et en particulier de nanofils métalliques, apparaît comme une alternative très prometteuse qui offre la possibilité d’utiliser des méthodes d’impression bas coût et grande surface. Ces travaux de thèse présentent les procédés de synthèse et purification de nanofils d’argent et de cuivre à forme facteur de forme. L’impression par spray de réseaux 2D percolants permet la réalisation d’électrodes flexibles démontrant d’excellentes propriétés optoélectroniques.Les nanofils d’Ag semblent toutefois être de meilleurs candidats que les nanofils de Cu (synthèse multi-grammes, impression grande surface, meilleure stabilité à l’air, etc.). Ainsi,après avoir identifié les principaux verrous technologiques ayant trait à l’utilisation des AgNF (rugosité, adhésion, travail de sortie, stabilités environnementales/électriques), différentes solutions ont été proposées dans le but d’améliorer les performances et de rendre les nanofils d’argent compatibles avec l’intégration en dispositif. Le potentiel des nanofils d’argent en tant que remplaçants de l’ITO a été confirmé grâce à l’intégration d’électrodes dans divers dispositifs fonctionnels (cellule solaire organique, capteur capacitif ou encore film chauffant). / Transparent conductive thin films are widely used in technologies like solar cells, light-emitting diodes, and display technologies. The fabrication of transparent conductive films is currently realized with thin films of transparent conductive oxides (TCOs), and in particular indium tin oxide (ITO). The as-made ITO transparent conductors suffer from limitations like costly fabrication process and brittleness. The use of solution-processable nanomaterials, and especially metallic nanowires, appears as a promising alternative since it affords a large area, low-cost deposition method with high performances.This thesis report that by optimizing synthesis methods and printing methods, flexible electrodes demonstrating excellent opto-electronic properties were performed, either with the use of a percolating network of silver nanowires or copper nanowires. The silver nanowires, however, seem to be better candidates than the copper nanowires (synthesized substantial amount, printing large area, better stability in air, etc.). Thus, having identified the main technological barriers related to the use of Ag NW (roughness, adhesion, work function, electrical/environmental stabilities), different solutions have been proposed in order to make the silver nanowires compatible with as many devices for integration.The potential of silver nanowires as replacements for ITO was confirmed through the integration of electrodes in various functional devices (organic solar cell, capacitive touch sensor or the film heater).