Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [54]-55. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. Électronique phys.--Toulouse 3, 1980. N°: 965.

Th. 3e cycle--Électronique--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 12.

Al4SiC4 est une céramique réfractaire avec une bande d’énergie 2.5eV qui est très intéressant pour diverses applications dans le domaine de l’énergie. Pourtant, la synthèse des monocristaux d’Al4SiC4 n’a pas été étudiée jusqu’à présent.Dans la première partie de ce mémoire, les phénomènes de vaporisation et de condensation dans le système Al4C3-SiC sont étudiés en combinant une analyse de thermodynamique avec une approche d’expérimentale focalisée. Les conditions expérimentales de la synthèse d’Al4SiC4, telles que la composition initiale, la température de recuit et le gradient de température, sont étudiées et optimisées. À partir des résultats obtenus, un diagramme de phase condensée à l’équilibre est établi pour la fraction molaire XAl4C3/(Al4C3+SiC) < 0.5, qui est déterminée comme la condition préférée pour la condensation d’Al4SiC4. En effet, Al4SiC4 pourrait être synthétisée expérimentalement par sublimation à 1900°C avec un gradient de température inférieur à 40°C. Les caractéristiques de base comme la qualité structurale et l’absorption optique des couches cristalline d’Al4SiC4 obtenues sont étudiées.Dans la deuxième partie, les nouvelles structures d’hétéro-épitaxiales du système Al-Si-C sur substrats de SiC hexagonal (orienté [0001]) sont proposées comme Al4C3/SiC et Al4SiC4/SiC. Les caractéristiques des hétérostructures comme le mécanisme de croissance et les relations cristallographiques, sont principalement étudiées à l’échelle nanoscopique par utiliser la TEM à haute résolution. / Al4SiC4 is a refractory ceramic with a reported band gap of about 2.5 eV, making it an interesting semiconductor material for various applications in the field of energy. However, the synthesis of Al4SiC4 single crystals has so far not been investigated.In the first part of this thesis, combining a thermodynamic analysis with a focused experimental approach, the vaporization and condensation phenomena in the Al4C3-SiC system are described. Experimental conditions, such as initial composition, baking temperature and temperature gradient, are investigated and optimized regarding the crystallization of Al4SiC4. From the results obtained, a condensed phase diagram at equilibrium is established for the molar fraction XAl4C3/(Al4C3+SiC) < 0.5, which is determined as the favorite condition for the Al4SiC4 condensation. Indeed, Al4SiC4 single phase could be experimentally synthesized by sublimation at 1900°C with a temperature gradient smaller than 40°C. Some basics characteristics of obtained Al4SiC4 crystalline layers like the structural quality and optical absorption are investigated.In the second part, new hetero-epitaxial structures on [0001] oriented hexagonal SiC are studied like Al4C3/SiC and Al4SiC4/SiC. The characteristics of heterostructures, like growth mechanism and crystallographic relationships are mainly investigated in nanoscopic scale by using high resolution TEM.

L’intégration monolithique de matériaux III-V ou Ge sur Si est un enjeu majeur de l’hétéroépitaxie qui a donné lieu à de nombreuses recherches depuis plus de vingt ans. Car premièrement, il permet de combiner des fonctionnalités optoélectroniques au standard industriel CMOS, cela peut remplacer des interconnexions métalliques par des interconnexions optiques dans lescircuits intégrés. De plus, le procédé d’intégration de semiconducteurs III-V ou de Ge sur Si permettrait de réduire sensiblement le coût de fabrication des cellules solaire pour le marché de niche du spatial.L’hétéroépitaxie directe de tels matériaux sur Si n’est pas aisée du fait du fort désaccord de maille et du différent coefficient de dilatation thermique entre ces matériaux. Plusieurs méthodes on tété proposées au cours des 20 derniers, notamment les solutions reposant sur des technologies de report telle que ‘Smart Cut TM’, ‘GEOI condensation’ donnent d’excellents résultats, mais n’offre pas autant de souplesse qu’une technologie d’hétéroépitaxie, et induit des coûts nettement supérieurs.L’objectif de cette thèse est de proposer une solution qui consiste à intégrer de façon monolithique des semiconducteurs III-V sur Si en utilisant des couches tampons des oxydes. Nous avons tout d’abord montré de manière théoriquement et expéritalement que pour les systèmes semiconducteur/oxyde, le semiconducteur croît avec son paramètre de maille massif dès le début decroissance et ne contient pas de défaut entendus associé à la relaxation plastique, la différence deparamètre de maille est entièrement accommodée par un réseau de dislocation interfacial. Il est donc apriori possible d’obtenir une couche 2D plane de semiconducteur/oxyde par la coalescence des îlots sans défauts étendus, présentant le paramètre de maille massif du semiconducteur dès le début de lacroissance, a condition qu’aucun défaut ne soit formé lors de la coalescence des îlots.La deuxième partie est dédiée à la coalescence des îlots pour le système InP/SrTiO3/Si, une stratégie de 3-étape a été utilisé pour favoriser la coalescence des îlots InP sur SrTiO3, la couche InPcoalescée présente une très bonne qualité structurale et surfacique. Cependant, nous avons observé la présence de défauts, notamment des micromacles et des parois d’inversion. Malgré ses défauts dans la couche, nous avons réalisé le puits quantique InP/InAsP épitaxié sur SrTiO3/Si, il présente une meilleure qualité cristalline et optique comparé avec un puits quantique référence InP/InAsP qui est épitaxié directement sur Si. / The monolithic integration of III-V semiconductors and Ge on Si is a major issue of heteroepitaxy that gave rise to extensive researches for over twenty years. Firstly because it allows combining the optoelectronic functionalities with industry standard CMOS, which can replace the metal interconnects by optical interconnects in integrated circuits. Moreover, the integration of III-V semiconductors or Ge on Si would significantly reduce the manufacturing cost of solar cells for the niche space market.The direct heteroepitaxy of III-V semiconductor on Si is difficult because of the great lattice mismatch and different thermal expansion coefficient between these materials. Various methods have been proposed in the last twenty years, especially, the solutions based on sticking technologies such as‘Smart Cut TM’ offer excellent results, but is limited by its less flexibility and higher cost.The objective of this thesis is to propose a solution that consists in integrating monolithicallyIII-V semiconductors on Si by using the buffer layers of oxides. We have firstly demonstrated theoretically and experimentally that for the systems semiconductor/oxide, the semiconductor grows with his lattice parameter from the beginning of the growth and doesn’t contain any defaults associated with the plastic relaxation, the difference of the lattice parameter is fully accommodated bythe interfacial dislocations, thus, it’s a priori possible to obtain a flat 2D layer of semiconductor/oxideby the coalescence of the islands without extended defects, presenting the lattice parameter of the semiconductor from the beginning of the growth, providing that no defect is formed during the coalescence of islands.The second part is dedicated to the coalescence of islands for the system InP/SrTiO3/Si, a 3-step strategy was used to favor the coalescence of islands InP on SrTiO3/Si, the coalesced InP layershows good crystalline quality and excellent surface quality. However, we observed the presence of defects, including anti-phase boundaries and microtwins. Despite these defects in the layer, we have realized a quantum well InP/InAsP grown on SrTiO3/Si, it presents a better quality crystal and optical compared with a reference quantum well InP/InAsP that grows directly on Si.

La thèse a porté sur l'étude par spectroscopie magnéto-optique de boites quantiques magnétiques et de nanofils semiconducteurs. Ces nanostructures à base de semiconducteurs magnétiques dilués sont élaborées et étudiées dans l'équipe depuis une quinzaine d'année. L'intérêt de ces structures repose sur la possibilité de contrôler et d'étudier très finement le couplage d'un petit nombre de spins localisés avec des porteurs libres. La première partie de la présente thèse a porté sur l'étude des conditions de formation de polarons magnétiques (orientation d'un petit ensemble de spins par l'intermédiaire d'un porteur ou d'une paire électron-trou) dans des boites quantiques CdMnTe. La formation de polarons magnétiques encore assez mal comprise avec les systèmes 0D tels que les boites quantiques auto-assemblées. Une série d'échantillons originaux de boites quantiques magnétiques auto-assemblées (concentration en manganèse intermédiaires) a été élaborée par épitaxie par jets moléculaires dans l'équipe. L'étude de ces échantillons pendant la thèse a permis d'étudier pour la première fois la formation de polarons magnétiques avec des boites quantiques magnétiques chargées négativement par spectroscopie magnéto-optique. La deuxième partie de la présente thèse a porté sur l'étude de nanofils semiconducteurs de boites quantiques insérées en nanofils. Ce projet vise à insérer et étudier des boites quantiques magnétiques dans des nanofils semiconducteurs (ANR Magwires). / This thesis is a part of a project which aims at fabricating a nanometer-sized magnetic object in and at optimizing its properties. A unique feature of Diluted Magnetic Semiconductors (DMS) is a magnetic polaron: a local ferromagnetic order of the spins of the magnetic atoms induced by the strong exchange interaction with the spin of an exciton optically injected in the quantum dot. The first part of the present work is devoted to a study of the optical properties of self-assembled DMS quantum dots. Using time-resolved and CW magneto-optical spectroscopy, we demonstrate the formation of the magnetic polaron associated with a negatively charged exciton or a neutral exciton. We show that the magnetic polaron associated with a negatively charged exciton is characterized by a stronger exchange field and a higher polaron energy than the one of associated with a neutral exciton. A theoretical description is provided in terms of a newly developed model which, in contrast to the widely used "exchange box" model, takes into account the Coulomb interaction between an electron and a hole. The numerical calculation based on this theory allows us to demonstrate its pertinence and to obtain parameters of the magnetic polaron which are in good agreement with the experiment. The second part of the present work is devoted to a study of semiconductor nanowire heterostructures. Such a geometry provides better access to "single object" studies and a better control of the size and the position of a quantum dot which is inserted in a nanowire. The unique anisotropy properties and the possibility of doping with magnetic impurities make nanowires promising candidates for future studies of DMS heterostructures. As a first step, the study of the optical properties of non-magnetic single nanowires with and without an inserted quantum dot, have been performed in the present work. Polarization-resolved photoluminescence experiments combined with cathodoluminescence allowed us to demonstrate the spatial localization of the emitted light. The influence of the strain on the photoluminescence energy is discussed for the nanowire with the core-shell structure. The single-photon emitter properties are characterized by photon correlation measurements. The exciton confinement in the quantum dot inserted in the nanowire is investigated by means of the temperature dependence of the photoluminescence. From the first part, we have in hand the spectroscopic and modeling tools to study the properties of a magnetic polaron with several carriers. In the second part, the fabrication and spectroscopy study of more promising nanostructure to host the magnetic polaron have been performed.

Dans cette thèse nous décrivons l'étude expérimentale et théorique d'un modulateur à électro-absorption (EAM) en vue de son intégration verticale sur un VCSEL (Laser à Cavité Verticale Emettant par la Surface) pour des communications optiques à très hautes fréquences. La modulation externe de la lumière émise par le VCSEL, alimenté en continu, permet de s'affranchir de la limite physique due à la dynamique des porteurs et devrait donc permettre d'augmenter la bande passante comparé à un VCSEL à modulation directe. Notre approche permet de considérablement diminuer la surface utile de par son intégration monolithique verticale et ainsi la consommation électrique. La première partie est consacrée au design du composant EAM-VCSEL. Tout d'abord nous expliquerons l'effet d'électro-absorption et comment le modéliser, sa combinaison avec la méthode de transfert matricielle, et son implémentation pour optimiser les paramètres physiques des puits quantiques tels que : l'épaisseur, la concentration d'aluminium dans les barrières et le champ électrique à appliquer. Ensuite, basé sur l'état de l'art des modulateurs verticaux, nous présenterons la conception d'une structure Fabry-Pérot asymétrique pour augmenter l'effet d'absorption dans la cavité. Cette structure optimisée du modulateur sera ensuite intégrée sur une structure standard de VCSEL tout en considérant le découplage optique entre ces cavités. Je présenterai ensuite la fabrication de ces composants complexes. Nous aborderons la croissance des structures EAM et EAM-VCSEL avec notamment l'optimisation de la calibration des cellules et les caractérisations après croissance. Ensuite nous présentons un procédé lift-off innovant visant à faciliter le procédé complet. Ce procédé sera utilisé pour fabriquer le modulateur afin de le caractériser en régime statique. Nous démontrons ainsi son fonctionnement en mesurant la réflectivité en fonction de la température et de la tension appliquée ce qui nous permet d'avoir une validation du modèle précédent. Nous présentons enfin la caractéristique LIV du modulateur-VCSEL ainsi que son spectre en longueur d'onde.[...] / In this PhD thesis, we describe experimental and theoretical studies on Electro-Absorption Modulator (EAM) for its vertical integration onto a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) to reach high-speed modulation for optical communications. The external modulation of the emitted light by the VCSEL, biased in continuous-wave, avoids the physical limitation due to the carrier dynamics encountered in directly-modulated lasers and thus enables very high frequency bandwidth. Furthermore, this fully monolithic integrated approach decreases the footprint and thus the energy consumption. In the first part of the manuscript, we describe the design of the EAM-VCSEL device. First, we explain the electro-absorption effect and its modelling; its combination with the transfer matrix method, and the implementation of the combined model for optimization of the quantum well parameters: thickness, barrier Al-content and applied electric field. Then, based on the state-of-the-art of the vertical modulators, we design an Asymmetric Fabry-Perot modulator structure to improve the electro-absorption in the top cavity. This EAM structure is integrated onto a standard VCSEL device while considering the decoupling between the two cavities. I present afterwards the fabrication of these complex devices. The epitaxial growth of EAM and EAM-VCSEL structures is presented as an implementation of pre-growth calibration routine to achieve the expected characteristics and the post-growth characterization of the wafers. Then, we present an innovative technological solution used to facilitate the global process. We used a double resist stack for a self-aligned process for the modulator, useful for the mesa etch, the sidewalls passivation and the metallization, all realized with only one single photolithography step. This process is used for the static characterization of the EAM. We demonstrate the feasibility of these devices by carrying out static reflectivity measurements as a function of the temperature and the applied EAM voltage. This allows to validate the previous absorption model. We also present the static characterization of the EAM-VCSEL with LIV curves and spectrum measurements. [...]

Cette thèse porte sur des calculs numériques des propriétés électroniques et optiques des boîtes quantiques avec des confinements non-usuels tels que des boîtes de InGaN/GaN, des tétrapodes de CdSe,...<br /><br />Après avoir présenté les méthodes de calculs numériques utilisées tout au long de cette thèse, nous commençons par étudier théoriquement un super-réseau des boîtes quantiques InAs/GaAs avec une petite périodicité. Cette petite périodicité entraîne l'alignement vertical des boîtes quantiques. Nous montrons que l'état fondamental ne couple qu'avec les états du continuum qui ont presque la même extension dans le plan pour les excitations avec la polarisation suivant la direction de croissance (z). En conséquence de ces couplages particuliers, les photo-réponses en polarisation z ne changent pas quand un champ magnétique est appliqué parallèle à z malgré la présence de nombreux états de quasi-Landau dans le continuum. Nous montrons ensuite qu'une absorption lié-continuum forte en polarisation dans le plan peut être obtenue si l'on réduit la taille latérale des boîtes. Ces résultats sont utilisés pour expliquer les résultats expérimentaux obtenus à Vienne. Dans ce travail effectué en collaboration, nous étudions théoriquement et expérimentalement les photo-détecteurs basés sur des boîtes quantiques InAs/GaAs insérées dans un super-réseau, sans ou avec les barrières de AlAs. Nous montrons que ces structures périodiques peuvent être utilisées pour fabriquer des photo-détecteurs dans la gamme infrarouge lointain. Les spectres de photo-courant sont en bon accord avec les spectres d'absorption optique obtenus par nos calculs.<br /><br />Nous nous intéressons aussi à des hétéro-structures à base de nitrure. Ces semi-conducteurs présentent des propriétés physiques originales comme des grandes masses effectives, de grands offsets de bande, un champ piézo-électrique colossal, ... Nous nous focalisons sur les hétéro-structures InGaN/GaN sur lesquelles de nombreuses applications opto-électroniques sont basées. Nous montrons que les effets du désordre ainsi que les grandes valeurs physiques rendent l'Approximation du Cristal Virtuel non valable dans ces systèmes. Enfin, nous effectuons des calculs des structures électroniques des tétrapodes de CdSe. Nous montrons que les quatre premiers états sont confinés en grande partie dans le corps sphérique, ce qui est cohérent avec les spectres expérimentaux.

Le développement d'un procédé de détection de gaz atmosphériques à l'état de traces en temps réel, fiable, robuste, sélectif, sensible et portable, est impératif pour répondre à des enjeux sanitaires, écologiques et industriels. La spectroscopie par diodes laser accordables est une des voies envisagées pour pourvoir à ce besoin. Elle nécessite le développement de diodes lasers mono-fréquences émettant en régime continu à température ambiante entre 2 µm et 3.3 µm. Nous reportons ici les modélisations et développements technologiques nécessaires à la fabrication de lasers à contre-réaction répartie – à couplage par l'indice, réseau du 1er et 2nd ordre, sur substrat antimoniure – ainsi que les résultats obtenus. Dans la première partie de ce document, après avoir dressé le contexte de l'étude, nous introduirons la théorie des lasers à contre-réaction répartie et présenterons les modélisations qui ont permis de décrire nos structures. La seconde partie est dédiée aux développements des procédés technologiques qui ont permis de mettre en place deux filières de fabrication de composants – à savoir des lasers DFB à ailettes et lasers DFB à réseau enterré. La troisième partie expose les performances des composants fabriqués et présente les premières mesures d'analyse de gaz effectuées. Ces travaux ont conduit au développement de deux nouvelles filières de fabrication de composants : des diodes lasers mono-fréquences présentant une puissance élevée et une forte sélectivité modale. Les prototypes fabriqués seront utilisés sur des systèmes de spectroscopie. / Development of a reliable, real-time, selective, sensitive and suitable technique for atmospheric trace gas spectroscopy is a critical challenge in science and engineering, for sanitary, ecological and industrial issues. Tunable single-frequency lasers in the 2µm to 3.3µm wavelength range, working in continuous regime at room temperature, can be used in absorption spectroscopy to identify and quantify several atmospheric gases. We report here on the design, the technological development and the performances of 1st and 2nd order index-coupled distributed-feedback (DFB) antimonide-lasers diodes in the 2µm to 3.3µm wavelength range. The first part of this document establishes the context of the thesis, introduces the DFB theory and our modelisation. The second part presents the technological fabrication of the two different components: the side wall corrugated DFB lasers and the buried DFB lasers. The third part shows the performances of the components and the first tests on gas measurement.This work has led to the development of two different kinds of single-frequency laser diodes with high optical power and spectral purity. The fabricated prototypes will soon be used on gas spectroscopy set-up.

Ce manuscrit présente une étude sur les ondes de spin de vecteur d'onde nul par le moyen de la rotation Kerr résolue en temps. Les ondes de spin sont générées dans un puits quantique CdMnTe dopé n, ce qui introduit de la complexité dans le système. Le résultat principal de cette étude est l'apparition d'un anticroisement de mode d'excitation du gaz d'électron appelé onde de spin et du mode d'excitation des spins localisés sur les sites des ions magnétiques. Cet effet est provoqué par le couplage des deux systèmes de spin par l'interaction d'échange. On accède alors à la mesure de la polarisation du gaz bidimensionnel d'électrons qui ce compare très bien à la théorie tenant compte de l'augmentation de la polarisation par les effets à N-corps. Une partie de ce manuscrit est consacré à la mise en place expérimentale de la rotation Kerr résolue en temps. On étudie ensuite l'onde de spin pour les champs magnétiques hors résonance. On montre que le temps de relaxation de l'onde n'est pas encore complètement compris, même si nous décrivons un modèle de relaxation inhomogène. Puis nous étudions finalement la résonance où nous montrons que la description habituelle en champs moyen ne convient pas, et nous proposons un modèle au delà de cette approximation qui permet une mesure de la polarisation du gaz bidimensionnel d'électrons en accord avec la théorie. / This manuscript present a study of nul wave vector spin flip waves by time resolved Kerr rotation. Spin flip waves are generated in a n doped CdMnTe quantum well, increasing the complexity of the system. The main result of this study is the apparition of an anticrossing between the excitation mode of the electron gaz called spin flip wave and the excitation mode of localized spin on magnetic ions. This effect is caused by the coupling of the two spin sytem by the exchange interaction. We acces then to the gaz spin polarization which is compared to theorie explaining the enhancement of the polarization by many-body effects. A part of this manuscript is dedicated to the experimental set-up of the time resolved Kerr rotation. Next, we study the spin flip wave for magnetic field below the resonance. We show that the relaxation time of the spin wave is not well understand even if we describe a model of inhomogeneous relaxation. Finally we study the resonance and we show that the mean field description don't work and we propose a model beyond the mean field which allow a measurement of the spin polarization of electron gas in agreement with the theorie.