This thesis examines the optical properties of nanoscale silicon and the sensitization of Er with Si. In this context, it predominantly investigates the role of defects in limiting the luminescence of Si nanocrystals, and the removal of these defects by hydrogen passivation. The kinetics of the defect passivation process, for both molecular and atomic hydrogen, are studied in detail. Moreover, the optical absorption of Si nanocrystals and the effect of annealing environment (during nanocrystal synthesis) on the luminescence are investigated. The effect of annealing temperature and hydrogen passivation on the coupling (energy transfer) of Si nanocrystals to optically active centres (Er) is also examined.¶ The electronic structure of silicon-implanted silica slides is investigated through optical absorption measurements. Before and after annealing to form Si nanocrystals, optical absorption spectra from these samples show considerable structure that is characteristic of the particular implant fluence. This structure is shown to correlate with the transmittance of the samples as calculated from the modified refractive index profile for each implant. Due to the high absorption coefficient of Si at short wavelengths, extinction at these wavelengths is found to be dominated by absorption. As such, scattering losses are surprisingly insignificant. To eliminate interference effects, photothermal deflection spectroscopy is used to obtain data on the band structure of Si in these samples. This data shows little variance from bulk Si structure and thus little effect of quantum confinement. This is attributed to the dominance of large nanocrystals in the absorption measurements.¶ The effect of annealing environment on the photoluminescence (PL) from silicon nanocrystals synthesized in fused silica by ion implantation and thermal annealing is studied as a function of annealing temperature and time. Interestingly, the choice of annealing environment (Ar, N2, or 5 % H2 in N2) is found to affect the shape and intensity of luminescence emission spectra, an effect that is attributed both to variations in nanocrystal size and the density of defect states at the nanocrystal/oxide interface.¶ The passivation kinetics of luminescence-quenching defects, associated with Si nanocrystals in SiO2, during isothermal and isochronal annealing in molecular hydrogen are studied by time-resolved PL. The passivation of these defects is modeled using the Generalized Simple Thermal model of simultaneous passivation and desorption, proposed by Stesmans. Values for the reaction-rate parameters are determined for the first time and found to be in excellent agreement with values previously determined for paramagnetic Si dangling-bond defects (Pb type centers) found at planar Si/SiO2 interfaces; supporting the view that non-radiative recombination in Si nanocrystals is dominated by such defects.¶ The passivation kinetics of luminescence-quenching defects during isothermal and isochronal annealing in atomic hydrogen are studied by continuous and time-resolved PL. The kinetics are compared to those for standard passivation in molecular hydrogen and found to be significantly different. Atomic hydrogen is generated using the alneal process, through reactions between a deposited Al layer and H2O or –OH radicals in the SiO2. The passivation and desorption kinetics are shown to be consistent with the existence of two classes of nonradiative defects: one that reacts with both atomic and molecular hydrogen, and the other that reacts only with atomic hydrogen. A model incorporating a Gaussian spread in activation energies is presented that adequately describes the kinetics of atomic hydrogen passivation and dissociation for the samples.¶ The effect of annealing temperature and hydrogen passivation on the excitation cross-section and PL of erbium in silicon-rich silica is studied. Samples are prepared by co-implantation of Si and Er into SiO2 followed by a single thermal anneal at temperatures ranging from 800 to 1100 degrees C, and with or without hydrogen passivation performed at 500 degrees C. Using time-resolved PL, the effective erbium excitation cross-section is shown to increase by a factor of 3, while the number of optically active erbium ions decreases by a factor of 4 with increasing annealing temperature. Hydrogen passivation is shown to increase the luminescence intensity and to shorten the luminescence lifetime at 1.54 micron only in the presence of Si nanocrystals. The implications of these results for realizing a silicon-based optical amplifier are also discussed.

Les sources cohérentes dans l'infrarouge proche sont très prometteuses pour de nombreuses applications, que ce soit en spectroscopie d'absorption pour la détection de gaz ou en imagerie médicale. Actuellement le Cr:ZnSe est un excellent matériau laser utilisé par pompage optique qui peut émettre de façon accordable entre 2 et 3 μm. Nous présentons ici nos résultats sur le phénomène d'électroluminescence infrarouge dans le Cr:ZnSe monocristallin. Obtenir une émission infrarouge par pompage électrique constitue en effet le premier pas vers la réalisation d'un laser pompé électriquement à base de Cr:ZnSe Dans cet objectif, nous avons exploré les mécanismes d'excitation électro-optique dans un cristal massif, couplée à une étude phénoménologique des propriétés mécaniques et chimiques du matériau. Nos résultats de photoconductivité résolue spectralement (visible et proche ultra-violet) et de photoluminescence infrarouge exaltée par un champ électrique montrent l'intérêt d'une double excitation optique et électrique pour atteindre une émission efficace.

Les matériaux BGaAs et BInGaAs ont été élaborés par EPVOM sur GaAs. Ces matériaux sont proposés comme voie possible pour l'émission à 1,3 μm sur substrats de GaAs. Les précurseurs utilisés pour la croissance de ces matériaux sont le diborane, le triéthylgallium, l'arsine et le triméthylindium. L'incorporation et la solubilité du bore ont été étudiées en fonction des paramètres de croissance. Le mode de croissance des couches de B(In)GaAs a été exploré par microscopie à force atomique. L'épitaxie de puits quantiques de BInGaAs/GaAs a également été réalisée. Les propriétés optiques de ces puits ont été caractérisées par photoluminescence (PL). L'incorporation de bore dégrade fortement l'intensité de PL du matériau. L'émission de PL à basse température pourrait être attribuée à la recombinaison d'excitons localisés piégés dans des puits de potentiel. A plus haute température, elle est dominée par la transition E1H1 du puits.

La grande surface développée du silicium poreux fait de lui un hôte potentiel pour l'incorporation de molécules organiques. Les nanocomposites hybrides à base de molécules conjuguées luminescentes pourraient se prêter à des applications en optoélectronique.<br />L'étude comprend deux parties : la première est consacrée à l'étude morphologique et optique des couches minces et des membranes auto-supportées de silicium poreux fabriquées au laboratoire en utilisant la microscopie électronique, l'ellipsométrie spectroscopique et l'absorption. L'analyse microstructurale des couches poreuses par diffusion Raman nous a permis d'estimer la distribution de tailles des nanocristallites via le modèle de confinement des phonons et de confirmer l'absence de porteurs de charges libres. Une étude de Raman polarisé sur des membranes poreuses libres permet de sonder les inhomogénéités de propagation de la lumière dans ce milieu.<br />La seconde partie présente les études concernant l'imprégnation de molécules fluorescentes dans les pores. La photoluminescence donne un moyen de vérifier l'efficacité de l'incorporation de molécule de Rodhamine R6G et son homogénéité. L'excitation sélective permet une approche des transferts d'énergie entre les deux matériaux. La photoluminescence résolue en temps montre que la présence de la R6G crée de nouveaux canaux de désexcitation non radiative.<br />Le THD est incorporé dans des membranes libres rendues organophiles, puis polymérise spontanément in situ en son poly-Diacétylène. La variation angulaire de la photoluminescence et du Raman témoignent de la présence de chaînes de polymères dont le degré d'orientation est compatible avec une croissance le long des pores.

La synthèse dans un verre d'agrégats métalliques ou semiconducteurs permet l'étude de leurs<br />propriétés intrinsèques et la réalisation de dispositifs pour l'optoélectronique. L'implantation ionique per-<br />met en principe de s'affranchir des limites de solubilité, mais permet-elle un contrôle de la densité, la taille<br />moyenne et de la distribution de tailles des agrégats réalisés ? Nous avons étudié les effets de l'implantation :<br />écart à l'équilibre thermodynamique, et dépôt d'énergie générateur de porteurs (électrons et trous) chargés.<br />Nous montrons l'importance de l'oxydoréduction due au passage et à l'arrêt des ions, et faisons varier la<br />densité d'énergie déposée pour induire des conditions réductrices favorables à la précipitation d'agrégats<br />métalliques. Le mécanisme d'agrégation de Ag dans le verre est analogue à celui de la photographie. Nous<br />avons ensuite étudié la croissance d'agrégats de semiconducteurs composés - les chalcogénures de plomb<br />(PbS, PbSe, PbTe), aux propriétés optiques intéressantes. Nous mettons en évidence les effets complexes de<br />la chimie redox des chalcogènes, et leur lien avec la perte de contrôle de la croissance d'agrégats synthétisés<br />après implantation séquentielle de Pb et S. Nous développons une nouvelle synthèse contrôlée d'agrégats de<br />PbS consistant, avant recuit, à implanter du soufre dans des verres au Pb. Le choix de la composition du<br />verre permet de contrôler la croissance, et l'implantation de S permet d'atteindre des fractions volumiques<br />importantes. Les propriétés d'émission optique de ces agrégats dans l'infrarouge (vers 1,5 µm) font appa-<br />raître une section efficace d'excitation très importante et l'existence d'un niveau d'"exciton noir".

Actuellement le silicium est le semiconducteur de base de la microélectronique grâce notamment à la grande échelle d'intégration et les faibles coûts de production. Cependant, à l'heure actuelle, la miniaturisation de composants microélectroniques est confrontée à des forts problèmes puisque selon les prédictions, dans une dizaine d'années les longueurs de transmission dépasseront les 90 km dans une seule puce et la transmission d'information représentera un gros handicap à cause des problèmes de retardement de propagation des signaux et de dissipation de chaleur. Dans ce contexte, une microphotonique basée 100% en silicium (Si) semble être une option particulièrement intéressante puisque à ce jour la plupart de dispositifs nécessaires pour développer cette technologie tels que des guides d'onde, des modulateurs et commutateurs optiques rapides ou encore des filtres optiques accordables ont été déjà démontrés. Pourtant, un élément majeur pour le développement de cette filière qui est l'obtention d'une source efficace de lumière à base de Si reste à nos jours un obstacle important à franchir. Ce travail porte sur l'étude des propriétés électro-optiques des nanocristaux de silicium (nc-Si) fabriqués par implantation ionique à l'Université de Barcelone et par LPCVD au CEA-LETI à Grenoble en vue de l'obtention de dispositifs électroluminescents (DEL) efficaces. Ainsi, la luminescence des nc-Si sera discutée dans le cadre des différents modèles théoriques postulés. Par ailleurs, nous montrerons les différentes approches utilisées pour l'obtention de DELs et nous présenterons un dispositif opérant à une faible tension de polarisation et dans un régime d'injection de porteurs « froids » qui évite la dégradation de leurs propriétés électroluminescentes. Enfin, la mise au point de la technique de photocourant qui a permit de déterminer d'une façon relativement simple le spectre d'absorption des nc-Si sera présentée.

L'objectif de cette thèse consiste à développer une nouvelle approche d'élaboration des îlots quantiques de Ge sur substrat de Si(001) par épitaxie sélective et à étudier les propriétés optiques et électriques de ces îlots. Deux méthodes d'épitaxie sélective ont été utilisées. La première est la croissance d'îlots quantiques de Ge dans des ouvertures obtenues par désorption partielle d'une couche de silice native. Cette approche qui ne nécessite pas de procédé technologique préalable permet d'obtenir des ouvertures, dont la dimension latérale varie entre 100 et 300 nm. Nous obtenons un ou plusieurs îlots de Ge par ouverture en fonction de cette dimension. Le silicium épitaxié sélectivement dans ces ouvertures évolue vers une forme de pyramide tronquée. En contrôlant la hauteur de cette couche, nous pouvons obtenir au sommet de celle-ci un seul îlot de Ge, même dans une grande ouverture. La deuxième est la croissance sélective des îlots quantiques de Ge dans des fenêtres obtenues par lithographie. Le nombre d'îlots et leurs positions dépendent de la taille, de la forme des fenêtres, et de la surface de la terrasse de Si. Des couches simples et des multicouches d'îlots de Ge ont été réalisées. Les propriétés optiques des îlots sélectifs sont étudiées par spectroscopie de photoluminescence et Raman. La comparaison avec les îlots auto-assemblés révèle l'absence de signaux provenant de la couche de mouillage et un décalage vers les hautes énergies. Les propriétés électriques des îlots sélectifs sont étudiées à travers des caractéristiques courant-tension de diodes Schottky en fonction de la température et des mesures électriques via une pointe AFM à température ambiante.

Nous avons étudié les mécanismes responsables de la perte de cohérence dans des boîtes quantiques uniques auto-organisées InAs/GaAs. Dans un premier temps, une étude sous excitation continue de ces systèmes nous a permis d'observer un signal de photoluminescence anti-Stokes c'est à dire de la photoluminescence à plus haute énergie que l'énergie d'excitation. l'étude de ce signal a mis en évidence l'existence d'un continuum d'états descendant depuis la couche de mouillage jusqu'aux transitions des boîtes. Ce continuum d'états couplé à la fois aux niveaux discrets des boîtes et au continuum bidimensionnel de la couche de mouillage est en fait une propriété intrinsèque de ces systèmes car il provient de l'existence de transitions mixtes entre un état discret de la boîte et un état du continuum de la couche de mouillage. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés de cohérence des excitations électroniques grâce à des mesures de largeur spectrale des transitions. Pour atteindre la résolution nécessaire à cette étude, nous avons mis au point un dispositif de spectroscopie de la photoluminescence par transformée de Fourier. La résolution ainsi atteinte est de 0,5 microeV. Nous avons alors mis en évidence que, pour les transitions excitées des boîtes, le couplage aux phonons acoustiques, contrairement aux prédictions théoriques de goulot d'étranglement de phonons, est très efficace, aussi efficace que dans les puits quantiques InGaAs/GaAs. Cette efficacité est due à la présence du continuum des états mixtes mentionné précédemment. A l'inverse, la transition fondamentale des boîtes présente bien une inhibition du couplage aux phonons acoustiques pour des boîtes dont la transition fondamentale est bien isolée énergétiquement de ce même continuum. Enfin, nous avons montré qu'une excitation non-résonante des boîtes est responsable d'un élargissement des transitions et qu'une excitation résonante permet de limiter les interactions des boîtes avec leur environnement pour atteindre la limite ultime d'un temps de décohérence limité par le temps de vie radiatif.

Le but de ce travail est d'étudier la possibilité d'intégrer à faible coût des sources optiques dans les circuits électroniques. Les matériaux organiques apparaissent comme de bons candidats car il est aisé de les déposer sur toutes sortes de substrats et certains matériaux électroluminescents ont un très bon rendement. Les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) ont une émission très large, tant sur le plan spectral que sur le plan angulaire, ce qui en fait des composants peu adaptés à la réalisation d'interconnexions optiques. Nous avons donc travaillé sur des OLEDs à microcavités résonnantes, qui ont été fabriquées sur des substrats de silicium oxydé thermiquement. La caractérisation optique a permis de mettre en évidence l'influence des microcavités sur la forme des spectres et les diagrammes angulaires d'émission. Grâce aux caractéristiques optiques de deux microcavités, nous avons déterminé la variation de l'indice de l'ITO en fonction de la longueur d'onde. L'émission monochromatique est concentrée dans des lobes orientés selon les directions vérifiant la condition de résonance, ce qui produit une augmentation de l'intensité rayonnée selon ces directions. Nous avons observé dans nos structures une amplification selon la normale d'un facteur compris entre 11,3 et 15,3. Nous avons également vérifié qu'une microcavité ne modifie quasiment pas l'intensité lumineuse totale émise par la diode. Ces résultats sont en accord avec notre modélisation. La caractérisation électrique des échantillons a montré que la résistance de l'ITO n'a pas une influence déterminante sur les caractéristiques courant - tension des OLEDs, et qu'un recuit de l'ITO n'apporte aucune amélioration. Il existe un certain retard entre l'établissement du champ électrique et le début de l'électroluminescence, causé par une ou des barrières de potentiel. Les fréquences de coupure qui ont été mesurées sont comprises entre 6,3 kHz et 8,5 kHz

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.