Le silicium (Si) et le germanium (Ge) sont les matériaux de base utilisés dans les circuits intégrés. Cependant, à cause de leur gap indirect, ces matériaux ne sont pas adaptés à la fabrication de dispositifs d'émission de lumière, comme les lasers ou diodes électroluminescentes. Comparé au Si, le Ge pur possède des propriétés optiques uniques, à température ambiante son gap direct est de seulement 140 meV au-delà du gap indirect tandis qu'il est supérieur à 2 eV dans le cas du Si. Compte tenu du coefficient de dilatation thermique du Ge, deux fois plus grand que celui du Si, une croissance de Ge sur Si à hautes températures suivie d'un refroidissement à température ambiante permet de générer une contrainte en tension dans le Ge. Cependant, l'existence d'un désaccord de maille de 4,2% entre deux matériaux conduit à une croissance Stranski-Krastanov avec la formation des films rugueux et contenant de forte densité des dislocations. Nous avons mis en évidence l'existence d'une fenêtre de température de croissance, permettant de supprimer la croissance tridimensionnelle de Ge/Si. En combinant la croissance à haute température à des recuits thermiques par cycles, une contrainte de 0,30% a pu être obtenue. Le dopage de type n a été effectué en utilisant la décomposition de GaP, ce qui produit des molécules P2 ayant un coefficient de collage plus grand par rapport à celui des molécules P4. En particulier, en mettant en oeuvre la technique du co-dopage en utilisant le phosphore et l'antimoine, nous avons mis en évidence une augmentation de l'émission du gap direct du Ge à environ 150 fois, ce qui constitue l'un des meilleurs résultats obtenus jusqu'à présent. / Silicon (Si) and germanium (Ge) are the main materials used as active layers in microelectronic devices. However, due to their indirect band gap, they are not suitable for the fabrication of light emitting devices, such as lasers or electroluminescent diodes. Compared to Si, pure Ge displays unique optical properties, its direct bandgap is only 140 meV above the indirect one. As Ge has a thermal expansion coefficient twice larger than that of Si, tensile strain can be induced in the Ge layers when growing Ge on Si at high temperatures and subsequent cooling down to room temperature. However, due to the existence of a misfit as high as 4.2 % between two materials, the Ge growth on Si proceeds via the Stranski-Krastanov mode and the epitaxial Ge films exhibits a rough surface and a high density of dislocations. We have evidenced the existence of a narrow substrate temperature window, allowing suppressing the three-dimensional growth of Ge on Si. By combining high-temperature growth with cyclic annealing, we obtained a tensile strain up to 0.30 %. The n-doping in Ge was carried out using the decomposition of GaP to produce the P2 molecules, which have a higher sticking coefficient than the P4 molecules. In particular, by implementing a co-doping technique using phosphorus and antimony, we have evidenced an intensity enhancement of about 150 times of the Ge direct band gap emission. This result represents as one of the best results obtained up to now.

Nous étudions la réalisation optique de réseaux neuronaux simples. La réalisation optique de tels modèles passe par l'étude d'éléments non linéaires et de connecteurs holographiques. Nous proposons un schéma global faisant appel a une architecture optoélectronique pour réaliser des modèles d'ordre élevé. Cette approche est validée par une expérience en laboratoire. Dans la seconde partie, nous abordons une étude préliminaire de faisabilité d'un générateur optique de tableaux de nombres aléatoires. Nous proposons un montage optimise permettant la réalisation d'un prototype compact, rapide et fiable

Ce travail de thèse aborde la problématique de caractérisation structurale à l'échelle atomique d'hétérostructures à base de semiconducteurs II-VI. La sonde atomique tomographique et la microscopie électronique en transmission sont utilisées de façon couplées pour obtenir la structure et la composition des interfaces dans les super-réseaux de ZnTe/CdSe afin d'améliorer leurs processus de croissance. La structure et la distribution des atomes de Cr dans le semiconducteur magnétique (Cd,Cr)Te sont aussi présentées.La sonde atomique tomographique permet d'obtenir des données quantitatives à partir de l'évaporation des semi-conducteurs ZnTe et CdSe lorsque les paramètres expérimentaux sont optimisés. Le spectre de masse à partir duquel les compositions sont extraites doit d'abord être correctement interprétés car il dépend des conditions d'évaporation. Grâce à différentes études expérimentales, il a été observé que pour détecter un mélange stœchiométrique de cations et d'anions dans les semi-conducteurs ZnTe et CdSe, il est nécessaire d'appliquer une faible tension à la pointe et des énergies d'impulsions lasers proche de 2.5 nJ à une longueur d'onde de 515 nm (vert). Régler les rapports de charge entre cation Zn++/Zn+ autour de 0.06 et Cd++/Cd+ autour de 0.35 lors de l'évaporation de différentes pointes et dans différentes sondes atomiques permet d'atteindre une composition correcte des deux couches ZnTe et CdSe. Les paramètres déterminés expérimentalement permettent de réduire la perte de détection des ions liés à leurs différents champs d'évaporations. En revanche, il est préférable de privilégier une évaporation à laser minimale à 343 nm (UV) pour optimiser la résolution spatiale de la sonde et la reconstruction 3D pour ces deux semi-conducteurs. Pour l'analyse des super-réseaux par sonde atomique, il est donc primordiale de d'abord définir l'objectif de l'expérience (précision de composition ou de reconstruction) pour pouvoir choisir les bons paramètres d'analyse.L'étude structurale des super-réseaux de ZnTe/CdSe a révélé que les interfaces sont constituées de liaisons ZnSe. La nature des interfaces a été obtenue par imagerie en contraste chimique en haute résolution, par profils de concentrations obtenus par la méthode des zêta-facteurs en EDX et par la présence d'ions moléculaires ZnSe dans le spectre de masse en sonde atomique. L'étude structurale de nombreux échantillons a prouvé la capacité des atomes de Zn et de Se à former des liaisons au détriment des liaisons CdTe. Les conditions de croissance ont été successivement améliorées pour tenir compte de ces observations et afin de forcer la formation d'interfaces de type CdTe. Malgré les précautions prises, la présence de ZnSe semble inévitable et les options encore envisagées pour obtenir ces interfaces sont réduites.La sonde atomique couplée à l'analyse chimique EDX a révélé la présence d'agglomération des atomes de Cr sous forme de zone riche large de quelques nanomètres dans le semi-conducteur magnétique dilué CdCrTe. Ces deux techniques ne permettent pas de déterminer la composition précise de ces agglomérations riches en Cr mais leurs formes semblent évoluer avec l'augmentation de la teneur en Cr dans différents échantillons. / This PhD work addresses the problem of atomic scale structural characterization of II-VI based heterostructures. The correlative use of atom probe tomography and transmission electron microscopy reveals the structure and composition of interfaces in ZnTe/CdSe superlattices to improve their growth condition. The atomic structure and the atomic Cr distribution are also revealed in (Cd,Cr)Te diluted magnetic semiconductor.When experimental parameters set in the atom probe are optimized, quantitative data can be obtain on both ZnTe and CdSe semiconductors with this technique. Compositions are obtained with the mass spectrum and it has to be correctly indexed. Experimental studies reveal that with the application of a low voltage on the tip and a moderate laser power around 2.5 nJ with a green laser (515 nm), the measured composition in ZnTe and CdSe are close to the stoichiometry between cations and anions. Setting the cations ratio Zn++/Zn+ around 0.06 et Cd++/Cd+ around 0.35 during the evaporation of the field is a reliable way to reach the optimum evaporation condition for different tips and in different atom probes. Those parameters are responsible for lowering the loss in the detection of the ions due to their different evaporation field. However, the application of a low laser power in UV (343 nm) will enhance the spatial resolution of the atom probe and the 3D reconstruction of both semiconductors. Before the evaporation of the superlattices, it is therefore compulsory to define the objectives of the experiment first.Structural studies of ZnTe/CdSe superlattices reveal that interfaces are composed of ZnSe. Their chemistry is obtain by high resolution Z-contrast images, composition profiles obtain by the zeta-factor method in EDX and by the presence of ZnSe molecular ions in the atom probe tomography mass spectrum. Many samples are investigated to highlight the ability of Zn and Se to bind together instead of Cd and Te. Growth condition are improved by taking this information into account and to force the formation of CdTe based interfaces. Despite the growth precaution, ZnSe bonds seem inevitable and it lowers the possibility to finally obtain CdTe interfaces.Atom probe tomography studies correlated with EDX chemical mapping reveal the gathering of Cr in rich region off a few nanometers in the diluted magnetic semiconductor CdCrTe. Both techniques are not reliable to get the composition of this Cr riche regions but they reveal a change in their shapes with the increase of Cr concentration in different samples.

Afin de permettre de développer un modèle de mémoire non-volatile basée sur le transistor à nanotube de carbone à commande optique qui est utilisée dans des circuits électroniques neuromorphiques, il est nécessaire de comprendre les physiques électroniques et optoélectroniques des nanotubes de carbone, en particulier l’origine de l'effet mémoire que présente ces transistors. C’est dans ce contexte général que cette thèse s'intègre. Le travail est mené sur trois plans :• Caractériser électriquement et optoélectroniquement des structures de test des CNTFETs et des OG-CNTFETs.• Développer un modèle compact pour les contacts Schottky dans les transistors à nanotube de carbone de la façon auto-cohérente basé sur le diamètre et la nature du métal d’électrode en utilisant la méthode de la barrière effective avec les paramètres nécessaires calibrés.• Modéliser l'OG-CNTFET selon les régimes de fonctionnement, lecture, écriture, effacement ou programmation pour application à une mémoire non-volatile en intégrant le mécanisme de piégeage et dépiégeage à l’interface polymère/oxyde. / This PhD thesis presents a computationally efficient physics-based compact model for optically-gated carbon nanotube field effect transistors (OG-CNTFETs), especially in the non-volatile memory application. This model includes memory operations such as “read”, “write”, “erase” or “program”, and “reset” which are modeled using trapping and detrapping mechanisms at the polymer/oxide interface. The relaxation of the memory state is taken into account. Furthermore, the self-consistent modeling of Schottky barriers at contacts between the carbon nanotube channel and metal electrodes is integrated in this model applying the effective Schottky barrier method. The Schottky contact model can be included in CNTFET based devices for a typical biasing range of carbon nanotube transistors. This compact model is validated by the good agreement between simulation results and experimental data (I-V characteristics). In the non-volatile memory application, this model can fully reproduce device behaviors in transient simulations. A prediction study of the key technological parameter, the CNT diameter variety is established to expect its impact on the transistor performance, and more importantly, on the memory operation. In the other hand, this thesis presents a preliminary electric characterization (I-V) of CNTFETs and OG-CNTFETs for the device modeling database. A preliminary optoelectronic characterization method is proposed.

L'oscillateur optoélectronique (OEO) a été introduit pour la première fois en 1996 par S. Yao et L. Maleki, en tant qu'oscillateur microondes à très faible bruit de phase et obtenu par synthèse directe. Les développements de l'OEO concernent les applications en photonique microondes, télécommunications optiques, radar et traitement du signal. Mais l'OEO devrait aussi pouvoir être utilisé dans le domaine des capteurs. Dans cette thèse nous étudiants plusieurs aspects de l'OEO pour son application à la mesure d'indice de réfraction d'un liquide. Compte tenu de sa structure l'OEO dépend fortement des conditions ambiantes d'utilisation. S'il n'est pas bien optimisé ni contrôlé, il ne peut pas fonctionner correctement sur une longue durée. Nous avons étudié les influences de la température sur le modulateur électrooptique (EOM) et sur le comportement global de l'OEO. Un contrôle de température réduit de façon significative le phénomène de dérive de l'EOM. Afin de la supprimer complètement, nous avons mis au point une instrumentation construite autour d'une carte DSP, permettant de détecter et compenser la dérive du point de fonctionnement optique de l'EOM tout en contrôlant simultanément sa température. Une première technique est basée sur un signal de test, basse fréquence, appliqué à l'électrode DC du modulateur. Une deuxième solution consiste à travailler sur la puissance optique en sortie du modulateur. En combinant les deux on peut profiter des avantages de ces deux méthodes. Utilisant ainsi l'OEO nous avons testé plusieurs configurations pour mesurer l'indice de réfraction de quatre solutions chimiques bien connues, nous avons obtenu une variance de 3 pour mille. Les résultats sont en assez bon accord avec les publications correspondantes. Enfin nous avons aussi introduit une nouvelle méthode pour améliorer les mesures d'indice de réfraction faites à long terme en suivant, grâce à un analyseur vectoriel de réseau, les évolutions au cours du temps du temps de propagation dans la fibre optique. En introduisant à partir de cette mesure une correction aux mesures de la fréquence d'oscillation il est possible de réduire les fluctuations de cette fréquence à seulement 606 Hz, sur une durée de 62 h, ce que l'on peut comparer aux 8 GHz de l'oscillateur. Ainsi le rapport signal à bruit, peut être grandement amélioré lors de la mesure d'indice de réfraction et il doit être possible de diminuer la limite de détection des variations de l'indice de réfraction au cours du temps. / The optoelectronic oscillator (OEO) was first introduced in 1996 by S. Yao and L. Maleki as a very low phase noise microwave oscillator working in direct synthesis. The OEO developments concern applications in microwave photonics, optical telecommunication, radar and high speed signal processing systems but it should also be used in the sensing domain. In this thesis, we study several aspects to apply the OEO to liquid refractive index measurement. Because of its structure the OEO is very dependent on the ambient conditions. If the OEO is not optimized and controlled, it cannot operate well for long duration. We have analyzed the influences of temperature on the electrooptic modulator (EOM) and the global OEO behavior. Temperature control can significantly reduce the drift phenomena of the EOM. In order to totally remove this drift, we have developed a complete digital system, based on a DSP kit, to detect and compensate automatically the EOM optical bias point drift and to control simultaneously its temperature. The first technique is based on a dither signal at low frequency, injected to DC electrode of the EOM. The second one is based on the average optical output power of the EOM. A combination of these two techniques can take advantages from both of them. Using like that the OEO, we have tested several configurations to measure the refractive index of four classical chemical solutions leading to a standard deviation of 3 per thousand. The results are in rather good agreement with previous publications. Finally, we have introduced a new method to improve the long-term refractive index measurement by monitoring, with a vector network analyzer, the variations of the optical delay in the fiber loop of the OEO. Introducing by this way a correction to the long-term frequency measurement it is possible to reduce the oscillation frequency fluctuations to only 606 Hz, compared to the 8 GHz of the oscillator, for a duration of 62 hours. Therefore the signal-to-noise ratio in the refractive index measurement can be enhanced and so the detection resolution of the refractive index variations during time.

L'oxyde de zinc ZnO, est un semiconducteur II-VI très prometteur pour les applications en opto-électronique dans le domaine UV, notamment pour la réalisation de dispositifs électroluminescents (LED). Les potentialités majeures du ZnO pour ces applications résident notamment dans sa forte liaison excitonique (60 meV), sa large bande interdite directe (3.4 eV), la disponibilité de substrats massifs de grand diamètre ainsi que la possibilité de réaliser des croissances épitaxiales de très bonne qualité en couches minces ou nano structurées (nanofils). Néanmoins, le développement de ces applications est entravé par la difficulté de doper le matériau de type p. L'impureté permettant d'obtenir une conductivité électrique associée à des porteurs de charges positifs (trous), et donc la réalisation de jonctions pn à base de ZnO, n'a pas encore été réellement identifiée. C'est pourquoi une des étapes préliminaires et nécessaires à l'obtention d'un dopage de type p fiable et efficace, réside dans la compréhension du dopage résiduel de type n, ainsi que des phénomènes de compensation et de passivation qui sont mis en jeu au sein du matériau. La maîtrise de la nature des contacts (ohmique ou Schottky) sur différentes surfaces d'échantillons de ZnO nous a permis dans ce but de mettre en œuvre à la fois des mesures de transport (résistivité et effet Hall) et des mesures capacitives (capacité-tension C(V), Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) et Spectroscopie d'admittance).Dans un premier temps, nous avons donc cherché à comprendre de manière approfondie les propriétés électriques du ZnO massif. Nous avons ainsi étudié le rôle des défauts profonds et peu profonds sur la conductivité des échantillons, aux travers de différents échantillons massifs obtenus par synthèse hydrothermale ou par croissance chimique en phase vapeur. Nous avons également étudié l'impact de la température de recuits post-croissance, sur les propriétés de transport des échantillons. A la lumière des résultats obtenus sur le dopage résiduel de type n des échantillons de ZnO massifs, nous avons ensuite procédé à différents essais de dopage de type p du ZnO par implantation ionique d'azote et par diffusion en ampoule scellée d'arsenic. L'impureté azote a été choisie dans le cadre d'une substitution simple de l'oxygène qui devrait permettre de créer des niveaux accepteurs dans la bande interdite du ZnO. Nous avons également étudié l'impureté arsenic, qui selon un modèle théorique peut former un complexe qui permet d'obtenir un niveau accepteur plus proche de la bande de valence que le niveau. Outres les études réalisées sur les échantillons de ZnO massif et les essais de dopage de type p, nous avons également étudié les propriétés électriques d'échantillons de ZnO monocristallins sous forme de couches minces obtenues par croissance en phase vapeur d'organométalliques, dopées intentionnellement ou non. Les corrélations entres les mesures SIMS et C(V) nous ont permis notamment de mettre en évidence une diffusion et un rôle très importante de l'aluminium sur les propriétés électriques des couches minces de ZnO épitaxiées sur substrat saphir.Dans le cadre de cette thèse nous avons réussi à clarifier les mécanismes du dopage de type n, intentionnel ou non intentionnel, dans le ZnO monocristallin. Nous avons également identifié les impuretés et les paramètres de croissance importants permettant d'obtenir un dopage résiduel de type n le plus faible possible dans les couches épitaxiées. Cette maitrise du dopage résiduel de type n est une étape préliminaire indispensable aux études de dopage de type p car elle permet de minimiser la compensation des accepteurs introduits intentionnellement. Cette approche du dopage sur des couches minces de ZnO dont le dopage résiduel de type n est très faible apparait comme une voie très prometteuse pour surmonter les problèmes d'obtention du dopage de type p.

On a réalisé la démonstration d'une commutation spatiale de données d'une entrée vers 64 sorties par voie tout optique. Les composants originaux utilises sont une matrice de modulateurs a puits quantiques multiples en technologie gaalas a 64 éléments et une structure bistable optique de même technologie. Le principal résultat est le fonctionnement complet du démonstrateur voie par voie a la fréquence d'horloge de 20mhz (taux d'erreur inférieur a 1%). Les limitations viennent de la stabilité du laser et des non uniformités lors de la croissance epitaxiale des composants.

L’oxyde de zinc ZnO, est un semiconducteur II-VI très prometteur pour les applications en opto-électronique dans le domaine UV, notamment pour la réalisation de dispositifs électroluminescents (LED). Les potentialités majeures du ZnO pour ces applications résident notamment dans sa forte liaison excitonique (60 meV), sa large bande interdite directe (3.4 eV), la disponibilité de substrats massifs de grand diamètre ainsi que la possibilité de réaliser des croissances épitaxiales de très bonne qualité en couches minces ou nano structurées (nanofils). Néanmoins, le développement de ces applications est entravé par la difficulté de doper le matériau de type p. L'impureté permettant d'obtenir une conductivité électrique associée à des porteurs de charges positifs (trous), et donc la réalisation de jonctions pn à base de ZnO, n'a pas encore été réellement identifiée. C'est pourquoi une des étapes préliminaires et nécessaires à l'obtention d'un dopage de type p fiable et efficace, réside dans la compréhension du dopage résiduel de type n, ainsi que des phénomènes de compensation et de passivation qui sont mis en jeu au sein du matériau. La maîtrise de la nature des contacts (ohmique ou Schottky) sur différentes surfaces d'échantillons de ZnO nous a permis dans ce but de mettre en œuvre à la fois des mesures de transport (résistivité et effet Hall) et des mesures capacitives (capacité-tension C(V), Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) et Spectroscopie d'admittance).Dans un premier temps, nous avons donc cherché à comprendre de manière approfondie les propriétés électriques du ZnO massif. Nous avons ainsi étudié le rôle des défauts profonds et peu profonds sur la conductivité des échantillons, aux travers de différents échantillons massifs obtenus par synthèse hydrothermale ou par croissance chimique en phase vapeur. Nous avons également étudié l'impact de la température de recuits post-croissance, sur les propriétés de transport des échantillons. A la lumière des résultats obtenus sur le dopage résiduel de type n des échantillons de ZnO massifs, nous avons ensuite procédé à différents essais de dopage de type p du ZnO par implantation ionique d'azote et par diffusion en ampoule scellée d’arsenic. L'impureté azote a été choisie dans le cadre d'une substitution simple de l'oxygène qui devrait permettre de créer des niveaux accepteurs dans la bande interdite du ZnO. Nous avons également étudié l'impureté arsenic, qui selon un modèle théorique peut former un complexe qui permet d'obtenir un niveau accepteur plus proche de la bande de valence que le niveau. Outres les études réalisées sur les échantillons de ZnO massif et les essais de dopage de type p, nous avons également étudié les propriétés électriques d'échantillons de ZnO monocristallins sous forme de couches minces obtenues par croissance en phase vapeur d’organométalliques, dopées intentionnellement ou non. Les corrélations entres les mesures SIMS et C(V) nous ont permis notamment de mettre en évidence une diffusion et un rôle très importante de l'aluminium sur les propriétés électriques des couches minces de ZnO épitaxiées sur substrat saphir.Dans le cadre de cette thèse nous avons réussi à clarifier les mécanismes du dopage de type n, intentionnel ou non intentionnel, dans le ZnO monocristallin. Nous avons également identifié les impuretés et les paramètres de croissance importants permettant d'obtenir un dopage résiduel de type n le plus faible possible dans les couches épitaxiées. Cette maitrise du dopage résiduel de type n est une étape préliminaire indispensable aux études de dopage de type p car elle permet de minimiser la compensation des accepteurs introduits intentionnellement. Cette approche du dopage sur des couches minces de ZnO dont le dopage résiduel de type n est très faible apparait comme une voie très prometteuse pour surmonter les problèmes d'obtention du dopage de type p. / Zinc oxide (ZnO) is a II-VI semiconductor which appears as a very promising material for UV opto-electronic applications, in particular for the production of light emitting devices (LED). For these applications, ZnO presents strong advantages as a high exciton binding energy (60 meV ), a wide direct band gap (3.4 eV), the availability of large diameter bulk substrates for homoepitaxial growth of high quality thin films or nanostructures. However, the development of these applications is hampered by the difficulty to dope ZnO p-type. The impurity leading to an electrical conductivity associated with positive charge carriers (holes), and therefore the production of ZnO pn junctions have not yet been really identified.In this thesis we have studied the physical mechanisms that govern the electrical properties of ZnO single crystal and epilayers. The control of contacts (ohmic or Schottky) on different ZnO surfaces allowed us to carry out both transport measurements (resistivity and Hall effect) and capacitance measurements (C(V), Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and admittance spectroscopy).At first, we have studied the role of deep and shallow defects on the n-type conductivity of bulk ZnO samples obtained by Hydrothermal synthesis (HT) or by Chemical Vapor Transport (CVT). We also investigated the impact of post-growth annealing at high temperature under oxygen atmospheres on the transport properties of samples. Thanks to the previous results on the residual n-type doping, we have reported on several attempts to obtain p-type ZnO. We have discussed the potential of different candidates for the achievement of p-type doping and present our tentative experiments to try and demonstrate the reality, the ability and the stability of p-type doping by nitrogen implantation and arsenic diffusion. The nitrogen impurity has been chosen for oxygen substitution, which should allow the creation of acceptor levels in the ZnO band gap. We also studied arsenic as a potential p-type dopant, according to a model whereby arsenic substitutes for oxygen and, if associated with two zinc vacancies, forms a complex with a shallower ionization energy than in the case of direct oxygen substitution.In addition to the studies on bulk ZnO samples and attempts on p-type doping, we have also studied the electrical properties of thin film ZnO samples obtained by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, either intentionally or unintentionally doped. Correlations between SIMS and C(V) measurements allowed us to highlight especially the importance of aluminum as a residual impurity in epitaxial layers grown on sapphire substrates.In this thesis we have clarified intentional or unintentional n-type doping mechanisms in ZnO single crystal samples. We have also identified impurities and growth parameters responsible for the residual n-type doping. This understanding is a crucial and preliminary step for understanding the doping mechanisms at stake in this material and is also necessary to achieve stable p-type conductivity, which is still the main challenge for the realization of optoelectronic devices based on ZnO.