In this work, alkaline earth aluminate phosphors doped with rare-earth ions and manganese were synthesized using combustion method. Several characterization techniques were used to study the structural and luminescent properties of the as-synthesized phosphors, namely X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Ultraviolet-Visible (UV-Vis) Spectroscopy, Photoluminescence (PL), and Thermoluminescence (TL). The structural properties were studied by collecting the XRD patterns of the samples using an X'Pert PRO PANalytical diffractometer with CuKα at λ = 0.15405 nm. The particle morphologies of the as-synthesized powder phosphors were investigated using a JEOL JSM-7500F field-emission scanning electron microscope (FE-SEM). The optical properties of the phosphors were studied using Perkin-Elmer Lambda 750s UV-Vis spectrometer, Jobin Yvon/SPEX FluoroLog spectrofluorometer (Model FL-1040) and Riso TL/OSL reader (Model DA-20). The as-prepared SrAl2O4:Eu 2+ ; SrAl2O4:Dy 3+; SrAl2O4:Mn 2+; phosphors were synthesized at an initiating temperature of 600 oC. The XRD patterns were consistent with the low temperature monoclinic structure of SrAl2O4 for all the as-synthesized phosphor powders. SEM measurements showed nano-rod like particles. The SrAl2O4:Eu 2+ ; SrAl2O4:Dy 3+; SrAl2O4:Mn 2+ samples were excited using a 450 W Xenon light source at 364 nm, 390 nm, and 426 nm respectively. A broad blue emission peak at 500 nm shown by the SrAl2O4:Eu 2+ sample is attributed to the 6 1 7 4f 5d 4f transition of the Eu 2+ ion. Also, the red sharp emission lines due to the 4f-4f transition of the Eu 3+ were observed. SrAl2O4:Dy3+ samples exhibited blue, green, and red emissions which can be atributed to the 4 6 9/2 15/2 F  H ,4 6 9/2 13/2 F  H , and 4 6 9 11 2 2 F  H transitions of Dy 3+ ions respectively. The two broad emissions (green at 513 nm and red at 650 nm) shown by 2+ 0.98 2 4 0.02 Sr Al O :Mn sample can be atributed to the 4 4 6 6 1 1 T ( G)  A ( S) transition of the Mn 2+ ion in the sample. The SrAl2O4:Eu 2+ , Dy 3+ ; SrAl2O4:Eu 2+, Mn 2+ ; SrAl2O4:Dy 3+, Mn 2+; and SrAl2O4:Eu 2+ ,Mn 2+, Dy 3+ phosphors were synthesized by combustion method at an initiating temperature of 600 oC. The blue emissions were observed in all the samples except SrAl2O4:Eu 2+ ,Mn 2+, Dy 3+ sample. The SrAl2O4:Eu 2+ ,Mn 2+, Dy 3+ phosphor showed the longest afterglow intensity. The BaAl2O4 doped with Eu 2+ , Mn 2+ and Dy 3+ phosphors synthesized at an initiating temperature of 600 oC using combustion method. The XRD patterns confirmed the hexagonal structure of BaAl2O4 in all the as-synthesized samples. A broad blue emission of the BaAl2O4:Eu 2+ sample at 490 nm is attributed to the 6 1 7 4f 5d 4f transition of the Eu 2+ ion in the sample. A red emission peak observed at 611 nm is due to the 4f - 4f transition of un-reduced Eu 3+ ions during the combustion reaction. A blue emission at 482 nm, a green emission at 575 nm, and a red emission at 663 nm of the BaAl2O4:Dy 3+ sample can be associated with 4 6 9/2 15/2 F  H ,4 6 9/2 13/2 F  H , and 4 6 9 11 2 2 F  H transitions of the Dy 3+ ions respectively. The green emission peaks exhibited by BaAl2O4:Mn 2+ sample at 512 nm is due to the 4 4 6 6 1 1 T ( G)  A ( S) transitions of the Mn 2+ ions. Barium aluminate phosphors doped with different concentrations of Dy 3+ ion were synthesized by combustion method at an initiating temperature of 600 oC. The XRD patterns confirmed the hexagonal structure of BaAl2O4. The emission peaks observed at 482 nm, 575 nm, and 663 nm are due to4 6 9/2 15/2 F  H ,4 6 9/2 13/2 F  H and 4 6 9 11 2 2 F  H transitions of Dy 3+ ion respectively. The PL measurements also confirmed the quenching of luminescence at higher concentrations of the Dy 3+ ion. The UV-Vis measurements has confirmed the increase in the band-gap of the BaAl2O4 sample followed by a decrease and an increase again as doping concentration of the Dy 3+ increased. The X-ray diffraction patterns of the Ca0.97M0.3Al2O4:Eu 2+ , Dy 3+ (M = Ba, Mg, and Sr) powder samples prepared by combustion method confirms the monoclinic structure of CaAl2O4 in all samples. A broad emission peak at 490 nm for both Ba 2+ and Mg 2+ substituted samples and the one for Sr 2+ substituted sample at 485nm are attributed to the 6 1 7 4f 5d 4f transition of the Eu 2+ . The decay curves confirmed that the Mg 2+ substituted sample has a longer persistence (phosphorescence) than all the other samples. / Physics / M. Sc. (Physics)

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques et électroniques des puits quantiques de GaN / AlGaN grâce à des techniques classiques de réflectivité résolue en angle et de photoluminescence, ainsi qu’avec la technique de photoluminescence résolue temporellement. Les expériences de photoluminescence en régime continu ont permis d’estimer les énergies des transitions excitoniques qui sont également accessibles en réflectivité. Ces techniques ont ainsi permis de mettre en évidence l’effet Stark dans les puits quantiques GaN / AlGaN. L’effet Stark sur les énergies de transition est cohérent avec la théorie des fonctions enveloppes. Les spectres de réflectivité permettent d’accéder à la force d’oscillateur des excitons grâce à leur modélisation par le formalisme des matrices de transfert, prenant en compte les phénomènes d’élargissement homogène et inhomogènes des transitions optiques. Enfin, les mesures de photoluminescence résolue en temps en fonction de la température, ont également permis d’extraire la force d’oscillateur qui est inversement proportionnelle au temps de recombinaison radiative. Cette étude a également permis de mettre en évidence l’effet Stark responsable de la diminution de la force d’oscillateur en fonction de l’épaisseur du puits quantique mais aussi en fonction de la composition d’aluminium. L’augmentation de l’épaisseur du puits entraîne une diminution du recouvrement des fonctions d’onde, et une augmentation de la composition d’aluminium intensifie le champ électrique et diminue également le recouvrement des fonctions d’onde. / This work deals with the study of optical and electronic properties of GaN / AlGaN quantum wells, by classical techniques of spectroscopy including angle resolved reflectivity or photoluminescence, but also by time resolved photoluminescence. The continuous wave photoluminescence experiments allowed estimating the energies of the excitonic transitions, which are also available through reflectivity. These techniques highlighted the Stark effect in GaN / AlGaN quantum wells. The influence of the Stark effect on the energies of the excitonic transitions is well reproduced by envelop functions theory. Reflectivity spectra give access to the oscillator strength via their fitting by transfer matrix formalism, taking in account both homogeneous and inhomogeneous broadenings of the optical transitions. Finally, time resolved photoluminescence measurements as a function of temperature were performed to extract the oscillator strength, which is proportional to the inverse of the radiative recombination time. This technique also highlighted the Stark effect which is responsible of the vanishing of the oscillator strength with the thickness of the well and the aluminium composition. Increasing of the quantum well’s thickness induces decreasing of wave functions overlap, as well as an increasing of the aluminium composition which intensifies the electric field and splits the wave functions.

Ce travail de thèse concerne l’élaboration et la caractérisation structurale de couches minces d’oxyde d’étain dopées avec des terres rares ainsi que l’étude de leurs propriétés de photoluminescence. Les couches sont dopées avec du cérium, du terbium ou de l’ytterbium. Les films sont élaborés par évaporation sous vide d’une poudre de SnO2 sur un substrat de silicium monocristallin, et nécessitent un recuit post-dépôt à 600°C à l’air pour cristalliser en phase SnO2 de type rutile. Dans une première partie du travail a consisté caractériser le matériau non dopé. La caractérisation microstructurale a révélé qu’une oxydation du substrat conduisant à une réaction entre l’oxyde d’étain et le silicium avait lieu, conduisant à une microstructure complexe. Afin de limiter les interactions chimiques, des substrats recouverts de silice thermique ont également été utilisées. Les films non dopés présentent des propriétés de luminescence, mise en évidence et discutées en lien avec la microstructure. Pour les films dopés, l’étude structurale a mis en évidence la cristallisation d’une seconde phase de SnO2 de type orthorhombique. Une étude approfondie en STEM-EELS a permis de localiser les ions de terre rare dans la couche. Enfin les propriétés de luminescence des terres rares ont été étudiées en fonction de leur concentration dans le film et de la température de recuit. Après des recuits à 700°C, les couches dopées au Tb émettent intensément dans le vert à température ambiante, ce qui pourrait être intéressant pour le développement de diodes vertes à base de SnO2 / This thesis concerns the structural characterization and the photoluminescence properties of tin oxide thin films doped with rare earths. The films are doped with cerium, terbium and ytterbium. The films were obtained by evaporation of SnO2 on silicon substrates. The as-deposited films were sub-stoichiometric and the films were then annealed in air at 600°C to reach rutile phase. The microstructural study reveals a substrate oxidation leading to a chemical reaction between tin oxide and silicon, and a complex microstructure. To limit the chemical interaction during annealing, silicon substrate coated with thermal silica were used. Undoped films show a broad luminescent band, which is discussed and linked with the microstructure. On the other hand, the structural study of doped films demonstrated the crystallization of a second phase of SnO2, which is orthorhombic. A STEM-EELS study allow to localize the rare earths ions in the films. Finally, the luminescence properties of the rare earths were study with respect to their concentration and the temperature of annealing. After annealing at 700°C, the Tb-doped films emit intensively in the green region, which might be of interest for the development of SnO2-based green light emitting diodes

Dans le manuscrit, nous étudions l’impact des défauts sur le transport électronique dépendant du spin dans les jonctions tunnel magnétiques (JTM). Ces études ont été effectuées sur des hétérostructures possédant des barrières tunnel composé de SrTiO3, TiO2 et de MgO. Dans le cas des deux premières structures, nous montrons comment l’oxydation à l’interface induit réduction très prononcée de la magnétorésistance tunnel (TMR). Dans le cas du MgO, des études optiques sur les états induits par les défauts dans la barrière isolante ont été effectué. Nous avons montré qu’il est possible de contrôler la densité de certain type de défaut (lacune d’oxygène) en altérant les conditions de dépôts du MgO. Les études électriques et optiques effectué sur ces échantillons permettent de remonter à l’énergie des défauts au sein de la barrière. Les méthodes d’analyses des mesures électrique Î (I chapeau), qui représente la variation relative ou absolue du courant électrique en fonction de la température, permet de définir différents régime de transport à travers les jonctions CoFeB/MgO/CoFeB. Le régime intrinsèque observé à basse température s’explique par les effets de structure de bande du CoFeB et du MgO (filtrages des électrons de différente symétrie par la barrière de MgO), tandis que le régime « extrinsèque » observé aux températures intermédiaires résulte d’une activation thermique progressive des lacunes d’oxygène et est accompagné d’une réduction de la résistance ainsi que du signal TMR. Nous avons également montré dans des études préliminaires qu’une excitation optique des défauts a un impact sut le magnéto-transport. / In the manuscript it is presented how the spin-polarized transport across magnetic tunnel junctions (MTJ) is affected by presence of structural defects within the barrier and at its interfaces. Studies concern structures incorporating SrTiO3, TiO2 and MgO insulators. In case of the first two structures it is shown how interfacial oxidation results in the drastically reduced value of the tunnelmagnetoresistance (TMR). In case of the MgO barrier, extensive studies on defect sites within the crystalline network of the insulator are performed. It is shown that one may control density of certain types of oxygen vacancies by altering growth conditions of the MgO layer. Further electrical and optical studies give insight into energetical positioning of these defect sites. Extension of the Î magnetotransport analysis method from the ‘absolute’ to the ‘relative’ case reveals several regimes of transport across CoFeB/MgO/CoFeB junctions. The low-temperature ‘intrinsic’ regime is attributed exclusively to the band structure effects of the CoFeB electrodes, whereas the mid- to room-temperature ‘extrinsic’ regimes result from the gradual incidence of thermally activated defect sites on the spin-polarized transport, which is accompanied by an increased reduction of both the resistance and the TMR signal. Initial experiments show that optical excitation of the defect sites has a crucial impact on the magnetotransport.

Ce travail de thèse présente les caractéristiques optiques et électriques de dopants dans des couches de CdHgTe, CdZnTe et CdS. Ces 3 matériaux II-VI ont pour point commun d'être utilisés dans des dispositifs de détection, que ce soit la détection de lumière infrarouge pour les couches de CdHgTe et CdZnTe ou la détection visible comme c'est le cas pour le CdS. La caractérisation optique de ces couches de matériaux II-VI a été réalisée par la technique de photoluminescence et corrélée à des mesures électriques effectuées par effet Hall en température. Dans un premier temps, une étude du dopage intrinsèque par les lacunes de mercure et du dopage extrinsèque par incorporation d'arsenic de l'alliage CdHgTe, couche active des détecteurs IR a été réalisée. Pour cela, des mesures optiques par photoluminescence (sur un banc mis en place au laboratoire pendant la 1ere année de thèse permettant de travailler depuis les basses températures jusqu'à l'ambiante entre 1µm et 12 µm dans l'IR) sur des couches de CdHgTe réalisées par épitaxie en phase liquide (EPL) de différentes compositions en Cd ont été effectuées. La corrélation de ces mesures optiques avec des mesures électriques par effet Hall en température a permis d'identifier les énergies d'activation des 2 niveaux de la lacune de mercure ainsi que de démontrer le phénomène de U-négativité de la lacune de mercure dans le CdHgTe. De plus, la comparaison de spectres de PL d'échantillons dopés arsenic pendant la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) avec des mesures disponibles réalisées par absorption de rayons X (EXAFS) a permis d'observer des transitions optiques associées aux différents complexes arsenic formés avant et pendant le recuit d'activation. Par ailleurs, un travail de modélisation du phénomène de désordre d'alliage dans le CdHgTe a été réalisé. Plus précisément, un modèle basé sur une statistique gaussienne associée aux fluctuations d'alliage autour d'un gap moyen et une statistique de Boltzman a été développé pour ajuster dans un premier temps des spectres d'absorption puis pour ajuster les spectres de photoluminescence. Ce modèle nous a permis d'ajuster étroitement les spectres de photoluminescence et d'absorption, tout en prenant en compte intrinsèquement le désordre d'alliage du matériau. Nous avons ainsi constaté que l'ajustement des spectres par des fonctions gaussiennes comme il est réalisé communément dans la littérature permet de trouver les bons écarts entre les pics d'émission et donc les bonnes énergies d'ionisation. Dans un deuxième temps, toujours dans le cas de la détection infrarouge, le travail a porté sur l'étude du substrat CdZnTe utilisé pour l'épitaxie du CdHgTe. Des comparaisons des spectres de PL avec les paramètres de croissance ont été effectuées. Plus particulièrement, une étude sur une zone spécifique de certains échantillons présentant une absorption du rayonnement IR a été réalisée afin d'en comprendre l'origine. Enfin, nous nous sommes intéressés à la couche de CdS, matériau II-VI dopé intrinsèquement (type n) utilisé comme fenêtre transparente et formant la jonction p-n avec le CdTe dans les cellules solaires, détecteurs de lumière visible. Dans cette partie, nous avons cherché à étudier l'influence des différentes méthodes de dépôt, sublimation ou bain chimique de la couche de CdS sur un substrat de verre, en comparant les spectres d'émission de photoluminescence obtenus ainsi que les types de traitements thermiques effectués après dépôts. Ces mesures ont été corrélées avec le rendement des cellules solaires finales. / This thesis presents a study of the optical and electrical characteristics of dopants in HgCdTe, CdZnTe and CdS, three materials that play a major role in industry. HgCdTe and CdZnTe are important for infrared light detection and CdS for the fabrication of solar cells. Layers of those II VI materials are characterized by photoluminescence (PL) and temperature-dependent Hall effect. The PL apparatus, built in house, is equipped with a liquid helium cryostat and allows one to scan the entire range of interest between 1 and 12 µm. We address one of the major problems in current HgCdTe technology: p-type doping by both Hg vacancies and arsenic. Low temperature PL and temperature-dependent Hall measurements are first carried out on HgCdTe layers grown by liquid phase epitaxy (LPE). They yield the activation energies of the 2 the Hg vacancy acceptor levels and reveal the U-negative nature of the Hg vacancy in HgCdTe. HgCdTe layers doped with As during molecular beam epitaxial (MBE) growth are also investigated by PL and the results correlated with existing X-ray absorption fine structure (EXAFS) studies. This work allows us to assign the observed optical transitions to the different arsenic complexes formed before and during activation annealing. Furthermore, a model for alloy disorder is developed to correctly fit the data. More precisely, a Gaussian model for the statistical fluctuation of the gap energy due to alloying is formulated and Boltzmann statistics is then introduced in order to fit both the transmission and the PL spectra. The introduction of such model allows one to find the correct emission peak energies, hence the correct ionization energies. Complementary to the study of HgCdTe layer growth, we examine the optical properties of CdZnTe substrates used for HgCdTe epitaxy. In particular, we correlate the PL spectra with the growth parameters, to understand the anomalous infrared absorption of certain CdZnTe ingots. Last, we became interested in CdS, an intrinsically doped (n-type) material used as transparent junction partner in CdTe in solar cells and visible light detectors. We study the impact of different deposition methods, namely sublimation or chemical bath on a glass substrate, by obtaining the PL spectra of as-grown layers and layers that underwent thermal treatment after deposition. These measurements are finally correlated with the final solar cell efficiency.

Ce travail de thèse porte sur l'analyse de nanofils de ZnO dopés au cobalt par implantation ionique, en utilisant la fluorescence des rayons X, la spectroscopie d'absorption des rayons X et les techniques de diffraction des rayons X à l'échelle nanométrique sur la ligne de lumière ID22 de l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron. Les nanofils sont obtenus par croissance catalysée sur des substrats de p-Si (100). Les nanofils de ZnO synthétisés ont été dopés avec du cobalt par d'implantation ionique. Pour la première fois, l'utilisation combinée des techniques de caractérisation par rayons X citées ci-dessus nous permet d'étudier l'homogénéité de la distribution des dopants, la composition, ainsi que l'ordre structurel à courte et grande distance de nanofils individuels. Les résultats de la nano-fluorescence des rayons X indiquent que le dopage au cobalt par implantation ionique dans les nanofils de ZnO est homogène, avec les concentrations désirées. La spectroscopie d'absorption de rayons X et l'analyse des données de diffraction de rayons X fournissent de nouvelles informations sur la distorsion du réseau cristallin produite par l'introduction de défauts structuraux par le processus d'implantation ionique. Ces résultats soulignent l'importance du recuit thermique après l'implantation pour récupérer la structure des nanofils de ZnO à l'échelle du nanomètre. Les mesures complémentaires de micro-photoluminescence et cathodo-luminescence corroborent ces résultats. En conclusion, les méthodes utilisées dans cette thèse ouvrent de nouvelles voies pour l'application de mesures multi-techniques basées sur le rayonnement synchrotron pour l'étude détaillée des nanofils semi-conducteurs à l'échelle nanométrique. / The PhD dissertation focuses on the investigation of single Co-implanted ZnO nanowires using X-ray fluorescence, X-ray absorption spectroscopy, and X-ray diffraction techniques with nanometer resolution at the beamline ID22 of the European Synchrotron Radiation Facility. The ZnO nanowires were grown on p-Si (100) substrates using vapor-liquid-solid mechanism. The synthesized ZnO nanowires were doped with Co via an ion implantation process. For the first time, the combined use of these techniques allows us to study the dopant homogeneity, composition, short- and large-range structural order of individual nanowires. The nano-X-ray fluorescence results indicate the successful and homogeneous Co doping with the desired concentrations in the ZnO nanowires by an ion implantation process. The nano-X-ray absorption spectroscopy and X-ray diffraction data analyses provide new insights into the lattice distortions produced by the structural defect formation generated by the ion implantation process. These findings highlight the importance of the post-implantation thermal annealing to recover the structure of single ZnO nanowires at the nanometer length scale. Complementary microphotoluminescence and cathodoluminescence measurements corroborrate these results. In general, the methodologies used in this work open new avenues for the application of synchrotron based multi-techniques for detailed study of single semiconductor nanowires at the nanoscale.

L’objectif de cette étude est de mieux comprendre le rôle joué par les défauts dans les propriétés optiques et électroniques des nanostructures d’oxyde de zinc. Pour ce faire, nous avons synthétisé des nanoparticules d’oxyde de zinc de 6 à 18 nm de diamètres pouvant être considérées comme modèle en terme de stœchiométrie, de cristallinité et de qualité de surface par une méthode physique originale : la Low Energy Cluster Beam Deposition.La caractérisation optique des défauts présents dans les nanoparticules de ZnO a été faite grâce à l’analyse des spectres d’émission visible et UV à différentes températures [10K-300K]. En particulier la luminescence excitonique à 3,31 eV, qui est un sujet controversé, a été étudiée en comparant la luminescence excitonique d’échantillons structurés à différentes échelles (nanoparticules, microcristaux et monocristal). Les temps de déclins très rapides des défauts donneurs ont été étudiés par spectroscopie à décalage de fréquence au CELIA à Bordeaux révélant une dépendance en fonction de la taille des NPs du type Giant Oscillator Strenght.Les propriétés de transport électronique des couches minces de NPs, naturellement dopées n, ont été caractérisées grâce à des expériences σ(T). Différents scénarios sont proposés pour expliquer les résultats des expériences de conductivité, et discutés en fonction des propriétés optiques des couches et de leur morphologie. En particulier, il est montré que la surface des NPs, très réactive, influence fortement le transport, ce qui laisse entrevoir la possibilité d’utiliser ces films nanostructurés comme capteurs de gaz. / This study deals with the influence of defects on the electronic properties of ZnO nanoparticles (NPs).In order to perform this study we have synthesized ZnO NPs using an original physical way : the Low Energy Cluster Beam Deposition. The NPs size can be adjusted between 6 and 18 nm depending the synthesis parameters and their analysis shows that the NPs have a good stoichiometry, cristallinity and surface quality.The photoluminescence properties of different ZnO samples structured at different scales (i.e. nanoparticle, microcrystal and monocrystal) have been analyzed at different temperature (10K-300K). The good cristallinity of the NPs is confirmed by the lack of visible luminescence. The comparison of the 3,31 eV excitonic emission of ZnO samples structured at different scales shows that this band is due to extended defect and/or exciton-phonon coupling rather than a surface luminescence. Moreover the lack of the 3.31 eV in the NPs luminescence shows that these defect does not occurs in ZnO NPs. At last, the time resolved study of the donor bounded exciton emission shows a variation of the decay time with the size of NPs suggesting a Giant Oscillator Strenght phenomenon.The transport properties of ZnO NPs assembled thin film are determined by conductivity measurements at variable temperatures. Different possibilities are considered in order to explain the temperature dependence of the conductivity and correlated with the optical properties of the NPs, showing a hopping type conductivity. The huge reactivity of the nanostructured film strongly influences the conductivity showing a possibility to use ZnO NPs as a gas sensor.

L’étude de l’impact des défauts sur les propriétés électriques des semi-conducteurs a joué un rôle crucial dans la révolution des technologies de l’information dans le milieu du 20ème siècle. Jusqu’ici, la course à la miniaturisation a permis de répondre à la demande croissante en termes de puissance de calcul. Cependant, cette stratégie est vouée à rencontrer des limites physiques qu’il ne sera pas possible de surpasser, c’est pourquoi de nouvelles approches sont nécessaire. Dans ce nouveau paradigme de recherche, les dispositifs électroniques à base d’oxydes sont des candidats prometteurs afin de réaliser de nouveaux dispositifs multifonctionnels. L’importance des défauts sur les propriétés nominale des oxydes n’est pas autant reconnue que dans le domaine des semi-conducteurs. Notre projet de recherche tourne autour de deux objectifs principaux, le premier a pour but d’identifier explicitement l’impact de défauts spécifiques sur les propriétés électrique de dispositifs à base d’oxydes. Le second a pour but de tirer avantage des propriétés induites pour les défauts pour des applications optoélectroniques. / The study of the impact of defects on the electrical properties of semiconductors played a crucial role in the revolution of information technologies in the middle of the 20th century. Up to now, the race to miniaturization allowed to meet the increasing demand in terms of processing power. However, this strategy is predicted to encounter physical limits impossible to overcome and new approaches are necessary. Within this new research paradigm, oxide based electronic devices are promising candidates to fabricate new multifunctional devices. The importance of defects on the nominal properties of oxides is not acknowledged as much as it is in the field of semiconductors. Our research project revolved around two primary objectives, the first one aimed to explicitly identify the impact of specific defects on the properties of oxide-based electronic devices. The second one aimed to actually take advantage of properties induced by defects for optoelectronic applications.

Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié une approche permettant de réaliser les composants d'émission de la lumière basés sur les couches epitaxiées de Ge contraint en tension et fortement dopé de type n. Afin de créer de contrainte en tension dans les films épitaxiés de Ge, nous avons investi deux méthodes : faire croître du Ge sur InGaAs ayant un paramètre de maille plus grand que celui de Ge, et faire croître du Ge sur Si, en prenant l'avantage du coefficient de dilatation thermique du Ge, qui est deux fois plus grand que celui du Si. Concernant la croissance de Ge sur les substrats Si, nous avons étudié deux orientations cristallines, <001> and <111>, afin de pouvoir comparer la valeur de contrainte en tension obtenue et aussi la densité des dislocations émergeantes. Le dopage de type n dans le Ge a été effectué en utilisant le phosphore et l'antimoine. Nous avons montré que quand le dopage est effectué à des températures relativement basses et suivi d'un recuit thermique rapide, de concentration d'électrons électriquement activés de ~ 4x10^19 cm-3, a pu être obtenue. Cette valeur représente l'un des meilleurs résultats expérimentalement obtenus jusqu'à présent. Des mesures de recombinaison radiative par spectroscopie de photoluminescence effectuées à température ambiante ont mis en évidence une augmentation de l'émission du gap direct de Ge d'environ 150 fois. Finalement, nous avons étudié les effets de la barrière de diffusion sur l'efficacité de dopage pendant les recuits thermiques. Une comparaison sur l'efficacité de trois barrières de diffusion, Al2O3, HfO2 and Si3N4, sera présentée et discutée. / During my thesis, we studied approaches to achieve light-emitting devices based on tensile strained and highly n-doped Ge epitaxial films. In order to create an elastic tensile strain in the epitaxial Ge films, we have investigated two methods: The epitaxial growth of Ge on InGaAs buffer layers that have a larger lattice constant, and the epitaxial growth of Ge on Si, by which we take benefit of the thermal expansion coefficient of Ge which is twice greater than that of Si. Concerning the growth of Ge on Si substrates, we have studied two crystalline orientations, <001> and <111>, in order to compare the values of the accumulated tensile strain and also the density of threading dislocations. The n-type doping in Ge was performed using a co-doping technique with phosphorus (P2 molecule) and antimony (Sb). We demonstrated that the dopants sticking coefficient leads to dopant incorporation in the Ge film larger than their solid solubility, which generally increases with increasing substrate temperature. As a result, when the doping is carried out at relatively low temperatures and followed by rapid thermal annealing, electrically activated electron concentration of 4x1019 cm-3 was demonstrated. This value is one of the best results obtained experimentally so far. The radiative recombination, at RT, measured by photoluminescence spectroscopy showed an increase in the direct gap emission of Ge of about 150 times. Finally, we studied the effects of diffusion barrier on the doping concentration during the thermal annealing. A comparison between the advantages of three diffusion barriers, Al2O3, HfO2 and Si3N4, will be presented and discussed.

La cellule solaire à porteurs chauds est un dispositif à haut rendement de conversion qui permettrait de réduire significativement le coût de l’énergie qu’il génère. Ces cellules fonctionnent avec des électrons et des trous en non-équilibre thermique avec le réseau cristallin du materiau grâce à la réduction des pertes d’énergie des porteurs, nécessitant le développement de contacts électriques sélectifs en énergie des porteurs en non-équilibre. La conception des contacts sélectifs nécessite une bonne connaissance des propriétés des porteurs dans le matériau considéré. Une méthode permettant de séparer les propriétés de chaque porteur par l’analyse de spectres de photoluminescence du matériau est proposée. Disposant de mesures de photoluminescence résolues spatialement, une seconde méthode a été développée pour approcher les coefficients de transport de chaque porteur dans le matériau : ces coefficients sont mesurés en une seule fois, par une méthode optique sans contacts. Ensuite le fonctionnement des contacts sélectifs est détaillé, démontrant la difficulté d’une stabilité électrique du système en courant continu, contrairement aux dispositifs photovoltaïques classiques. Quelques pistes de fabrication expérimentales avec des molécules et des boîtes quantiques colloïdales ont également été étudiées. Enfin, en combinant les résultats de ces travaux sur le semiconducteur photosensible et sur les contacts, un modèle de simulation a été développé. Il intègre les principaux mécanismes de pertes des porteurs, résultant ainsi en une généralisation de différents modèles précédemment étudiés dans la littérature. Un lien entre le dispositif étudié et les machines thermiques est proposé. / The hot carrier solar cell is a high conversion yield device that could enable to significantly reduce thecost of the energy it generates. Unlike classical photovoltaic devices, these cells work with electronsand holes in thermal non-equilibrium with the lattice of the material, due to the reduction of thelosses by thermalization. This specific feature require the development of energy selective contacts fornon-equilibrium carriers. The design of energy selective contacts require a good knowledge of the carrier properties in the considered material. A method enabling to separate the properties of each carrier with the analysis of photoluminescence spectra of the material is proposed. Having spatially resolved photoluminescence measurements, a second method has been developed to estimate the transport coefficients of each carrier in the material: these coefficients are measured with a one-probe optical contactless technique. Then the working principle of the energy selective contacts is studied, showing thereby the challenge of a direct current electrical stability of the system, unlike classical photovoltaïc devices. Some experimental manufacturing with molecules and colloidal quantum dots have also been studied. Last, combining the obtained results on the semiconductor and on the contacts, a modeling tool breaking the symmetry between carriers has been developed. The model takes two principal loss mechanisms of the carrier into account, leading thereby to a generalization of different models previously studied in the literature. More global thermodynamic aspects also show the link between the studied device and the heat engines.