Il est connu que lorsque l'on met en présence un gaz de trous bidimensionnel dans un puits quantique de semi-conducteur semimagnétique, il s'établit une phase ferromagnétique. Des structures à base de semi-conducteur II-VI (tellurures) ont été réalisés par Epitaxie par Jets Moléculaires afin de démontrer la possibilité de contrôler la transition ferromagnétique. Ceci a été obtenu indépendamment sur des diodes pin par application d'une tension de polarisation, sur des structures pip par modification de la densité de trous grâce à un éclairement, et par le jeu des contraintes et du confinement imposés au puits. De plus, une méthode de dopage p par la surface a été développée : il s'agit de la création d'états accepteurs de surface par oxydation à l'air. Nous avons effectué un suivi de l'oxydation afin d'identifier les espèces formées, et montré que le dopage est très sensible à l'épaisseur de la barrière de surface.

La création d'un gaz de trous bidimensionnel dans un puits quantique (Cd,Mn)Te permet d'induire une interaction ferromagnétique entre les spins localisés du semiconducteur magnétique dilué. Une nouvelle méthode de dopage utilisant les pièges à la surface de l'échantillon a été mise au point ; elle a permis d'étendre la gamme des valeurs expérimentalement accessibles pour les densités de spins et de porteurs. Les propriétés magnétiques sont mesurées par spectroscopie magnéto-optique (photoluminescence). Nous mesurons une température critique plus élevée que la température de Curie-Weiss, ce qui suggère un effet du désordre. Des mesures locales de la photoluminescence permettent de tracer des cartes de l'aimantation spontanée, de la densité de porteurs et de la densité de spins localisés : les échantillons dopés par la surface présentent des fluctuations de densité de porteurs plus grandes que les échantillons dopés par impuretés azote, et ces fluctuations induisent directement des fluctuations de l'aimantation spontanée.

Dans ce travail, des boîtes quantiques CdSe/ZnSe sont élaborées par épitaxie par jets moléculaires et sont placées dans des microcavités piliers pour contrôler leur émission spontanée. Pour un mode de cavité optique, le confinement du photon dans un volume de l'ordre du cube de la longueur d'onde peut conduire à un raccourcissement marqué de la durée de vie pour un émetteur résonant avec ce mode : c'est l'effet Purcell. <br />Nous présentons une nouvelle méthode d'élaboration de boîtes quantiques CdSe/ZnSe de manière auto-organisée. Des caractérisations structurales par microscopie à force atomique, microscopie électronique à transmission et diffraction de rayons X haute résolution sont présentées. Des études spectroscopiques sur des ensembles de boîtes et des boîtes uniques nous permettent d'étudier la tenue du confinement des porteurs dans nos boîtes quantiques avec la température. Enfin, ces boîtes quantiques sont placées en microcavités piliers pour contrôler leur émission spontanée. Pour la réalisation des microcavités, des couches d'oxydes sont utilisées pour l'élaboration de miroirs de Bragg et la couche active utilise des boîtes quantiques CdSe/ZnSe. Des expériences de photoluminescence résolue en temps sur une série de boîtes quantiques montrent l'obtention de l'effet Purcell dans nos structures. Un raccourcissement de temps de vie d'un facteur trois est observé pour des boîtes quantiques en résonance avec des modes de cavité excités.

Etude expérimentale de la condensation de Bose-Einstein des excitons dans les solides.

Mécanismes de formation des boîtes quantiques semiconductrices, application aux nanostructures II-VI (puits et boîtes) et étude de leurs propriétés optiques Ce travail présente un modèle de croissance hétéroépitaxiale à l'équilibre mettant en évidence les principaux paramètres qui gouvernent la relaxation des contraintes. Le mode effectif de croissance résulte de la compétition entre la relaxation plastique (dislocations à l'interface) et l'élastique (îlots en surface). Dans les semiconducteurs II-VI, le faible coût en énergie à former des dislocations favorise la relaxation plastique. Nous avons par conséquent développé une procédure de croissance qui court-circuite la relaxation plastique (grâce à l'abaissement du coût en énergie de surface pour créer des facettes) et induit donc la formation de boîtes quantiques CdTe sur Zn(Mg)Te. Celles-ci sont étudiées en diffraction d'électrons en incidence rasante, microscopie à force atomique et, une fois encapsulées, spectroscopie optique. L'incorporation de magnésium dans les barrières améliore les propriétés optiques tant des boîtes que des puits grâce à un meilleur confinement des trous. Mots clefs : semiconducteurs II-VI, épitaxie par jets moléculaires, relaxation des contraintes, puits quantiques, boîtes quantiques, spectroscopie optique.

Une étude théorique préliminaire à cette thèse a prévu que lorsque l'on introduit un gaz de trous bidimensionnel (2D) dans un puits quantique de semiconducteur semimagnétique, l'interaction entre les spins localisés et les porteurs de charges induit une transition de phase ferromagnétique. Nous avons mis au point l'élaboration d'un tel système à base de tellurures en épitaxie par jets moléculaires, ainsi que la caractérisation au niveau microscopique des interfaces, du dopage et du transfert de porteurs dans le puits quantique. Ceci nous a permis d'élaborer des échantillons ayant donné lieu à toute une série d'études physiques. Le dopage par modulation d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à base de tellure en épitaxie par jets moléculaires n'avait été réalisé jusqu'à notre étude que pour un dopage de type n, sur des structures comportant du CdMgTe comme matériau barrière, avec peu de magnésium. Or cet alliage est la clef de la réalisation d'un bon confinement quantique dans les tellurures, surtout pour le dopage de type p où la concentration en Mg doit être augmentée. L'utilisation d'une source d'azote ECR, dopant de type p, et l'optimisation des paramètres de la croissance ont permis l'obtention d'un gaz de trous 2D de bonne densité, comme le montrent la spectroscopie optique, l'effet Hall et la capacité-tension. L'étude de structures interdiffusées par SIMS, diffraction de rayon X et spectroscopie optique, nous a de plus permis de mieux comprendre les mécanismes de dégradation en cours de croissance de nos couches comportant du magnésium, et dopées à l'azote. Un modèle basé sur la diffusion de l'azote a été proposé. Il a ensuite été possible de réaliser des structures semimagnétiques dans lesquelles l'interaction entre un gaz de trous 2D et des spins localisés de manganèse a permis la mise en évidence de la transition de phase ferromagnétique attendue théoriquement. Par ailleurs, un nouveau dopant de type n pour l'épitaxie par jets moléculaire des tellurures a été testé avec succès sur des couches épaisses, ainsi que pour des hétérostructures. Il s'agit de l'aluminium, dont le domaine d'utilisation est plus étendu que les autres dopants utilisés jusqu'à présent, puisqu'il permet d'obtenir une bonne efficacité même sur des couches comportant du magnésium.

Ce travail repose sur le développement de la croissance, par épitaxie par jets moléculaires, d'hétérostructures présentant une alliance de deux familles de matériaux semi-conducteurs: les tellurures et les séléniures. Il tend à montrer l'originalité des propriétés physique spécifiques de cette association en développant deux cas: les puits et les boîtes quantiques de type-II ZnTe/ZnSe et les centres isoélectroniques CdTe:Se.<br /> Pour ZnTe fortement contraint sur ZnSe, une transition morphologique de type Stranski-Krastanow non-standard a été observée. La formation d'îlots nanométriques a pu être obtenue grâce à un traitement de surface à base de Te amorphe. Lors de leur encapsulation, nous avons été confrontés à une disparition totale de ces îlots. Nous proposons de nouvelles conditions de croissance qui limitent les phénomènes de ségrégation, ou d'échange Se/Te, et préservent en partie les îlots. Cependant les nanostructures obtenues ne contiennent pas ZnTe sous forme binaire pure mais sous forme d'alliage ordonné ZnSeTe.<br /> Les propriétés de photoluminescence d'un plan de boîtes quantiques et celles d'un puits quantique ZnTe/ZnSe sont analysées et comparées. Nous proposons un modèle capable de décrire parfaitement les différents résultats optiques spécifiques d'un système où l'alignement de bande est de type-II. Ce modèle est basé sur des arguments statistiques et électrostatiques.<br />La dernière partie traite de l'insertion d'atomes de sélénium dans CdTe sous forme d'un dopage planaire. Des centres isoélectroniques sélénium ont pu être isolés. Une mesure du dégroupement des photons émis montre que ces objets individuels se comportent comme des émetteurs de photons uniques.

Nous avons étudié les propriétés optiques de nanocristaux de semiconducteurs II-VI à base de CdSe. Tout d'abord, la mise en place d'un montage permettant une mesure précise et rapide de leur rendement quantique de fluorescence, conjointement à des mesures de photoluminescence (PL), a contribué à l'optimisation des paramètres de synthèse. Les phénomènes de clignotement de la fluorescence et de dégroupement de photons ont été caractérisés sur des nanocristaux uniques grâce à la mise en place d'un montage de micro-PL résolue en temps. L'inclusion de nanocristaux dans des matrices de polymères conducteurs, dans le but de mieux comprendre le clignotement, a été étudiée. Nous avons aussi modifié le diagramme de rayonnement des nanocristaux en les plaçant dans une demi-cavité à miroir d'or pour augmenter le signal de fluorescence collecté sur des nanocristaux individuels. Enfin, nous avons démontré le couplage de nanocristaux à des modes de galerie de microdisques de silice.

Nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques uniques de CdSe et de CdTe dans le but de les utiliser comme sources pouvant émettre des photons uniques à haute température (au dessus de 100 K). Nous avons ainsi caractérisé les sources de déphasage (les fluctuations aléatoires de charges, l'interaction exciton – phonon), qui limitent l'émission de photons indiscernables. L'étude de nos boîtes chargées de CdSe permet de montrer l'importance du mélange entre trous lourds et trous légers, qui limite l'utilisation des boîtes comme sources de paires de photons intriqués. De plus, nous avons étudié deux mécanismes de transfert inter-boîte affectant l'émission de photons uniques sur demande: le transfert par effet tunnel, qui intervient à des fortes densités de boîtes, et le transfert thermoactivé, apparaissant à des faibles confinements de porteurs. Finalement, la preuve de l'émission de photons uniques est apportée par des expériences de corrélation de photons avec une excitation continue.

Le développement récent de la théorie quantique de l’information porte la communauté scientifique à s’intéresser de plus en plus aux sources de photons uniques. En effet, ces sources peuvent par exemple être utilisées pour le calcul quantique optique ou la cryptographie quantique pour améliorer les performances de distribution des clés et éviter les écoutes ou tentatives de hacking. Par conséquent, il est nécessaire de disposer de sources fiables et pour des applications réalistes, le défi est d'obtenir des sources de photons uniques qui fonctionnent jusqu'à température ambiante.Notre groupe à récemment démontré qu'en insérant une boîte quantique de CdSe dans un nanofil de ZnSe, l'émission de photons uniques pouvait être obtenue jusqu'à température ambiante. Néanmoins, ces nanofils avaient un rendement quantique faible et n'étaient pas orientés verticalement à la surface des échantillons du fait de leur croissance suivant l'orientation cristallographique (001). Ces nanofils verticaux ont pour intérêt de pouvoir être aisément couplés à des structures photoniques pour augmenter la collection des photons et leur croissance est favorisée avec des substrats orientés suivant l'orientation cristallographique (111).Dans ce contexte, le but de ce travail de doctorat est de développer la croissance de boîtes quantiques de CdSe insérées dans des nanofils de ZnSe verticaux suivant l'orientation cristallographique (111) par épitaxie par jet moléculaire, d'en étudier les propriétés optiques jusqu'à température ambiante pour des applications potentielles en tant que sources de photons uniques, et de coupler ces nano-objets à des structures photoniques pour augmenter la collection de photons. Pour atteindre ces objectifs, nous avons divisé notre étude en trois points.La première étape de ce travail est concentrée sur le développement de la croissance de nanofils de ZnSe verticalement orientés et passivés par une coquille semiconductrice de ZnMgSe. Nous observons que grâce à cette coquille, l’émission lumineuse de nanofils uniques augmente de plus de deux ordres de grandeur. Dans un second temps, nous démontrons la possibilité d’insérer des boîtes de CdSe dans ces nanofils de ZnSe suivant différentes conditions de croissance. L’influence de ces conditions de croissance est mise en évidence par des études structurales et de composition de ces nano-objets. Des études optiques en fonction de la température montrent que ces nanofils émettent jusqu'à température ambiante. De plus, l'étude du temps de déclin de nanofils uniques révèle que ces fils sont robustes et insensibles aux canaux de recombinaison non-radiatifs jusqu'à 200 K. La troisième étape de ce travail concerne l'augmentation de la collection des photons de ces nano-objets. Nous montrons dans un premier temps qu’en changeant l’environnement diélectrique d’une boîte quantique, son taux d’émission spontanée peut être augmenté. Puis nous montrons la possibilité de créer des fils photoniques à partir des boîtes quantiques insérées dans des nanofils, en recouvrant ces fils d'une épaisse coquille diélectrique. A la lumière d'expériences de microphotoluminescence - qui montrent que ces fils photoniques augmentent efficacement la collection de photons - et de simulations, nous discutons l'intérêt de l'orientation du dipôle (parallèle ou perpendiculaire à l'axe de croissance du nanofil) dans ces structures. / The recent development of the quantum information theory focuses the interest of the scientific community on single-photon sources. Indeed, these sources can be used for instance for optical quantum computing or quantum cryptography to improve the quantum key distribution performances and avoid eavesdropping. Consequently, it is necessary to have reliable single-photon sources and for realistic applications, the challenge is to get a single-photon source operating up to room temperature.Our group recently demonstrated that by inserting a quantum dot of CdSe in a nanowire of ZnSe, single-photon emission could be obtained up to room temperature. Still, these nanowires had a low quantum yield and were not vertically oriented on the as-grown sample since they were grown along the (001) crystallographic orientation. The interest of vertically oriented nanowires is that they can be coupled to photonic structures to increase their photons collection and their growth is favored on (111)-oriented substrates.In this context, the aim of this PhD work is to develop the growth of vertically oriented ZnSe-CdSe nanowire quantum dots along the (111) crystallographic orientation by molecular beam epitaxy, to study their luminescence up to room temperature for single-photon sources applications, and to couple these nano-objects to photonic structures to increase the photons collection. To reach this goal, we divided this project in three steps.The first step focuses on the development of vertically oriented ZnSe nanowires, passivated with a semiconductor shell of ZnMgSe to enhance their luminescence. In a second step, we demonstrate the possibility to insert CdSe quantum dots in these ZnSe nanowires, using different growth conditions for the quantum dot. The influence of these growth conditions is studied with structural and composition analysis of these nano-objects. Optical studies as a function of the temperature show that these nanowires emit up to room temperature. Moreover, decay-time studies on single nanowire quantum dots reveal that these nanowires are robust and insensitive to non-radiative recombination channels up to 200 K. The third step of this work concerns the enhancement of the light collection from these nano-objects. First, we show that by changing the dielectric environment of the quantum dot, its decay-rate can be increased. Then, we show the possibility to create photonic wires by covering these nanowire quantum dots with a thick dielectric shell. In the light of microphotoluminescence experiments – which show that these photonic wires efficiently increase the photons collection – and simulations, we discuss the interest of the dipole orientation (parallel or perpendicular to the nanowire growth axis) in these structures.