L’oxyde de zinc est un matériau prometteur pour la réalisation de composants optoélectroniques dans la gamme des émetteurs UV. Pour cela il faut développer des hétéro-structures tel que des puits quantiques ZnO/(Zn, Mg)O afin de mieux contrôler les propriétés d’émissions. Ce travail porte sur la caractérisation de telles structures crûes sur le plan A, surface non polaire, de ZnO massif. A partir de mesures de spectroscopie optiques (réflectivité, photoluminescence en excitation continue et photoluminescence résolue en temps) nous avons déterminé les différents phénomènes physiques mis en jeux lors de la recombinaison radiative des porteurs dans ces puits quantiques. Dans un premier temps, nous avons étudié en détail l’émission des photons par les barrières de (Zn, Mg)O. Grace à l’étude en température nous avons montré que l’émission optique de la barrière correspond à la recombinaison de paires électron trou en interactions (excitons) qui sont à basses températures localisées dans des fluctuations de potentiel. Sous l’effet de la température ils se délocalisent et se recombinent comme des exciton libres. L’étude détaillée des déclins temporels de photoluminescence nous à permis de démontrer que nous avions affaire à deux états excitoniques différents qui présentent des dynamiques de recombinaisons différentes. Un modèle est proposé pour rendre compte des différentes observations. La partie principale de ce travail porte sur le comportement des excitons dans le puits quantique. Le résultat majeur de cette étude est la démonstration expérimentale que dans ce cas des complexes excitoniques, ici des trions chargé négativement (exciton en interaction avec un électron libre), se forment à basse température et sont responsable de la luminescence observée. De plus, en variant la densité d’excitation nous avons montré que se former également des bi-excitons (pseudo particule formée de deux exciton en interactions). Le comportement en température de la photoluminescence obtenue dans différente conditions d’excitation à permis de démontrer que sous l’effet de l’énergie thermique les complexes excitoniques se dissociés pour créer des excitons libres. Des mesures en fonction de la polarisation de la lumière émise et de la température ont permis également d’étudier l’état C de l’exciton dans le puits. Les dynamiques de recombinaison des différents complexes excitoniques sont examinées en fonction de la température.

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un semi-conducteur à large bande interdite (~ 6 eV) avec une stabilité thermique et chimique très élevées lui offrant la possibilité d'être utilisé dans des dispositifs fonctionnant dans des conditions de fonctionnements extrêmes. La nature indirecte de la bande interdite dans h-BN a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons dans h-BN ont été observées par photoluminescence.Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de cristaux massifs et de couches hétéro-épitaxiales de nitrure de bore hexagonal. Nous avons étudié des échantillons provenant de différentes sources et des cristaux qui ont été fabriqués en utilisant différentes méthodes de croissance pour nous permettre de mesurer les propriétés optiques intrinsèques de h-BN. Nous rapportons l'impact des symétries des phonons sur la réponse optique du h-BN en effectuant des mesures photoluminescence résolues par polarisation. L’analyse des données en polarisation, nous permet de mesurer la contribution du phonon manquant, celui qui n'a pas été détectée avant cette thèse. En suite, nous démontrons que l'origine de la structure fine du spectre de PL provient pour chaque réplique phonon d’une diffusion complémentaire de type Raman faisant intervenir le mode de phonon E2g à basse énergie (mode de cisaillement inter-feuillets). Les spectroscopies de photoluminescence et de diffusion inélastique Raman ont été combinées pour quantifier l'influence des effets isotopiques sur les propriétés optiques de h-BN ainsi pour révéler que les modifications des interactions de van de Waals liées à l'utilisation de 10B et 11B ou du bore naturel pour la croissance de cristaux h-BN massifs.Enfin, nous étudions des epitaxis de h-BN crues par Épitaxie sous Jets Moléculaires. L'utilisation conjointe de l’imagerie par microscopie à force atomique (AFM) et de la spectroscopie de photoluminescence permet de comprendre la première observation de recombinaison assistée par phonons dans des épitaxies de h-BN sur le saphir et le graphite. Ce résultat indique que la croissance de h-BN à large échelle par méthode épitaxiales est en voie d'acquérir la maturité nécessaire au développement technologique de h-BN.

I will discuss here our results on phonon-assisted recombination in hBN, from bulk crystals to few-layer samples. First, I will focus on hBN crystals where the combination of isotopic purification, Raman scattering and polarized-resolved photoluminescence allowed us to identify the different phonon modes involved in the efficient phonon-assisted recombination in bulk hBN. In a second part, I will discuss photoluminescence experiments in epilayers grown by high-temperature molecular beam epitaxy. These epilayers have a thickness of few monolayers of hBN, and I will show that phonon-assisted recombination displays a distinct phenomenology with a PL spectrum different from the one of bulk crystals.

In this talk, I will discuss the striking co-existence of a high internal quantum efficiency and an indirect bandgap in hexagonal boron nitride.

Microlasers covering the UV to blue spectral range are important building blocks for biochemical detection applications. This work presents a series of microdisk lasers realized within the same GaN-on-Si photonic platform scheme, and operating at room temperature under pulsed optical pumping over a broad spectral range extending from 275 nm to 470 nm. The III-nitride microdisks embed either binary GaN/AlN multiple quantum wells (MQWs) for UV operation, or ternary InGaN/GaN MQWs for violet and blue operation. The fabrication process is based on e-beam lithography and the release of the nitride membrane after selective under-etching of the silicon susbtrate, and has led to high quality factor resonators, microdisks as well as photonic crystal cavities, within the same platform. A detailed comparison of these microlasers leads to the conclusion that for our Q>1000 microdisk resonators, the pumping threshold is determined by the type of optical excitation, resonant with the barrier or with the MQW excited states, and the emission efficiency of the MQWs [Sellés et al., APL 109, 231101 (2016) and Sci. Rep. 6, 21650 (2016)].

Excitons in nitride quantum wells (QWs) are naturally indirect due to the strong internal electric field: electron and hole within such excitons are spatially separated, leading to strong dipole moments and long radiative lifetimes. The physics of indirect excitons (IXs) has been extensively studied in GaAs-based heterostructures: they can propagate over large distances, be trapped in gate-controlled electrostatic traps, and form a cold and dense gas of interacting bosons. Compared to traditional IXs in arsenide heterostructures, IXs in GaN QWs have much larger binding energies and smaller Bohr radii. This allows exploring IX propagation up to room temperature, and over a much larger density range. The length scale of the excitonic transport is an important figure of merit of the indirect excitons. The excitonic transport was first observed at low temperature in the case of hetero-epitaxy of the GaN QWs on sapphire substrates [1]. The improvement of the sample quality through homo-epitaxy on GaN substrates allowed observing an efficient transport up to room temperature [2]. Under a focused non-resonant excitation of the quantum well, we observe a spatial decay of the exciton density (deduced from the local blue shift of the QW transition), with a length scale of 100µm at 10K and 30µm at T=300K in our most recent homo-epitaxial samples. Such long propagation distances are a pre-requisite to the development of IX-based optoelectronic devices operating on a large temperature range, and to the exploration of exciton collective states. The realization of an excitonic trap is a first step forward, and we recently investigated the exciton transport in electrostatic traps formed when a semi-transparent gate is deposited on top of the QW sample (figure 1). Trapping of the excitons is observed, with a typical trap depth of 60-90 meV. The excitons can also be generated outside the trap and relax into the trap, so to spatially separate the trap from the generation spot, which is expected to be a source of heat and decoherence for the excitonic cloud. These results are promising for the investigation of trapped collective states of IXs, and their cooling into exotic phases.