Le premier chapitre est consacré à la description rapide des différentes méthodes d'auto-organisation de boîtes quantiques et à leur mise en ordre à longue distance dans le plan du dépôt. Puis l'intérêt d'une méthode utilisant des dislocations enterrées est présenté. Cette méthode utilise le collage moléculaire et a été initiée lors de mon séjour à l'Université de Santa Barbara en 1997 dans le système InAs/GaAs. L'apport des collages moléculaires silicium/silicium, très bien maîtrisés au CEA/LETI/DTS, a permis d'aller bien au-delà de cette étude préliminaire (voir thèse F. Fournel, 2001). Les principes des collages moléculaires du silicium sont succinctement rappelés dans le chapitre II, qui est consacré à la présentation d'une méthode originale de réflectivité à haute énergie et à haute résolution permettant d'étudier les mécanismes structuraux du collage pour des interfaces très enterrées (travail en collaboration avec F. Rieutord). Des exemples sont donnés dans le cas des collages de type silicium sur oxyde de silicium, et silicium sur silicium. Le troisième chapitre traite de la réalisation et de l'utilisation d'un réseau enterré de dislocations. L'état de l'art est rappelé avant de décrire les calculs d'élasticité continue isotrope qui permettent de quantifier les champs de déplacements et de contraintes efficaces en surface pour positionner les boîtes quantiques. La diffraction en incidence rasante est utilisée pour mesurer et analyser quantitativement ces réseaux. Le quatrième chapitre est consacré aux résultats obtenus avec cette technique dans le cas de dépôts de Si et de Ge sur des substrats collés, ainsi qu'à l'obtention d'une morphologie de surface gaufrée contrôlée à la fois en période et en amplitude. Pour conclure, trois perspectives importantes de ce travail sont succinctement exposées à la fin de ce mémoire.

Afin de rendre les télécommunications optiques disponibles au plus grand nombre, le rapport coût/fonctions entrainé par la production de composants photoniques doit être fortement réduit. Or, un procédé permet de repousser les limites des dispositifs classiques basés sur un seul matériau. Il s'agit de l'intégration hybride. Cette technique fait intervenir deux échantillons ou plus pour optimiser les composants. C'est pourquoi ce projet de maîtrise s'est concentré sur le développement de nouvelles technologies de fabrication pouvant appuyer l'hybridation. En fait, ce document aborde le sujet à partir des trois directions suivantes: Direction 1: Collage moléculaire basse température à base de titane oxydé par plasma. Dans ce premier cas, le but est d'obtenir des collages moléculaires dont la forte adhésion permet de faire de l'intégration hybride en dessous de 300 [degrés Celsius]. Pour y arriver, une couche intermédiaire de titane oxydé par plasma est utilisée. Cela rend possible le collage d'échantillons de petites tailles, de matériaux différents et possédants des microstructures. Direction 2: Intégration de réseaux de Bragg verticaux dans des circuits planaires optiques. Dans ce second cas, le but est d'intégrer des réseaux de Bragg verticaux sur des branches de jonctions"Y" grâce à une lithographie mixte (photolithographie et électrolithographie combinés). Cela rend possible l'étude de dispositifs non disponibles commercialement. Direction 3: Coupleur SU-8/Silicium à faibles pertes. Dans ce dernier cas, le but est de faire le prototypage rapide de coupleurs dont les simulations prédisent une grande efficacité de couplages (>75%). Ces composants tirent profit de la plateforme silicium-sur-isolant (SOI ) et d'une photorésine, la SU-8. Cela rend possible la fabrication et le test de la première génération de ces coupleurs. L'ensemble de ces travaux ouvre la voie à des projets de microfabrication de dispositifs photoniques hybride complets et fonctionnels à l'Université de Sherbrooke.

Les nanostructures de semiconducteurs sont des objets très intéressants pour de nombreuses applications en microélectronique ou en optoélectronique. Néanmoins, pour pouvoir les utili-ser, il est nécessaire de contrôler leur taille, leur densité et leur répartition spatiale. C'est pour-quoi de nombreux travaux de recherche ont été consacrés ces dernières années à la maîtrise de ces paramètres. La majorité des études porte sur la mise au point d'une méthode de croissance collective auto-organisée des nanostructures. Dans notre travail, nous avons choisi d'élaborer un substrat fonctionnel apte à provoquer l'auto-organisation latérale des nanostructures. Le moteur de l'organisation est le champ de contraintes induit en surface par un réseau de dislo-cations enterrées, obtenues par le collage et le transfert d'un film ultra-mince de silicium sur une plaque de silicium. Pour ce faire, nous avons mis au point des méthodes originales de contrôle des angles de collage. En menant de front procédé de réalisation et études structura-les, nous avons démontré que ces substrats organisent latéralement le dépôt de boîtes quanti-ques de silicium. Ces substrats pourraient donc être utilisés pour fabriquer de nouveaux com-posants pour la microélectronique ou l'optoélectronique tels que par exemple des nouveaux types de mémoires non volatiles.

L'élaboration de nanostructures semi-conductrices ordonnées, contrôlées en taille et en position, est un enjeu technologique important pour satisfaire les besoins de miniaturisation des circuits actuels de la micro/nano-électronique. Dans cette thèse, une méthode originale d'organisation latérale de nanostructures a été explorée et appliquée au cas de nanostructures de germanium épitaxiées sur silicium (001). Cette technique utilise un réseau de dislocations de flexion proche de la surface libre du substrat, obtenu par collage moléculaire. Un champ de déformation élastique, périodique, se propageant de l'interface de collage jusqu'à la surface des échantillons, nous avons pu obtenir une croissance organisée de nanostructures de germanium.

L’exploitation de l’énergie nucléaire pour la production d’électricité présente un défi de gestion des e˜uents radiotoxiques pour les générations présentes et futures. Face à ce constat, la communauté des chimistes recherche continument à améliorer les solutions de traitement et de recyclage du combustible usé. Dans le contrôle de ces procédés, les opérations d’analyse jouent un rôle primordial. La miniaturisation des procédés est un des enjeux principaux de la recherche en sûreté nucléaire, dans un e˙ort de réduction des risques, des délais et des coûts des activités de laboratoire. Dans ce contexte, les travaux présentés ici sont issus d’une collaboration entre le CEA de Marcoule et l’IMEP-LAHC et traitent de la mise au point d’un microsystème optofluidique sur verre, adapté à la mesure de concentration de plutonium (VI) en acide nitrique. Une source de lumière sonde est confinée dans un guide d’onde obtenu par échange d’ions et interagit par onde évanescente avec un canal microfluidique. La raie d’absorption à 832 nm du Pu(VI) dans la solution à analyser devient donc observable dans le spectre de la lumière après une certaine longueur d’interaction. Un des enjeux principaux est de fabriquer un capteur très robuste, fonctionnel en boîte à gants. L’assemblage du dispositif est e˙ectué par collage moléculaire avec un procédé permettant d’atteindre une énergie de surface > 2, 5 J·m2 suÿsante à garantir la tenue du dispositifs à des pressions testées jusqu’à 2 bars dans les canaux. Les fonctions optiques et fluidiques du dispositif sont complètement interfacées avec des fibres optiques et des capillaires fluidiques. Des mesures spectrales d’une solution de plutonium (VI) en acide nitrique ont permis de vérifier la compatibilité de la solution technologique abordée pour la manipulation d’acides forts et la résistance à l’irradiation. Le système présente une limite de détection de 1,6·10−2 mol·L−1 Pu(VI) pour un volume sondé inférieur à 1 nano-litre, au sein d’un microcanal de 21 micro-litres. Une structure permettant d’optimiser la sensibilité du capteur ainsi que le volume du canal est étudiée en perspective du travail de thèse, afin d’atteindre les performances équivalentes à des outils commerciaux pour des volumes sondés de l’ordre de quelques nano-litres. / .The use of nuclear energy for electricity production presents an important concern with radiotoxic waste management for present and future generations. In view of this fact, the chemists’ community has been searching for solutions to treat and recycle nu-clear fuel. The miniaturization of chemical processes is extensively sought out nowerdays, in an attempt to reduce laboratory acivity risks, delays and costs. The researched ana-lytical innovation requires subsequent development of appropriate analysis tools. In this respect, the work presented here addresses the development of co-integrated optofluidic micro-systems on borosilicate glass, compatible with nuclear e˜uent analysis constraints. A spectrometric sensor is designed, fabricated, interfaced and characterized in a nuclear environement. An optical waveguide and a microfluidic channel are designed adjacent to one another in order to obtain wide-spectrum absorption spectroscopy measurements by light/fluid evanescent interaction. Both ion-exchange technology and wet-etching tech-nologies were used to create the optical and fluidic planar functions. The device is assem-bled by direct molecular bonding with an optimized protocole which withstands surface energies > 2, 5 J·m2. Sensor optical and fluidic functions are interfaced with fiber optics and fluid capillaries in order for the chip to be used within a plug-and-play detection chain. Spectral measurements of a plutonium(VI) in nitric acid solution have allowed to verify the technological solution’s compatibility with harsh acid manipulation and irra-diation resistance. The system put together for the detection of plutonium(VI) displays a detection limit of 1.6×10−2 mol·L−1 for a probed volume below 1 nano-liter, inside a 21 micro-liter channel. A new sensor design is studied in the thesis work perspectives in order to optimize sensor detection limit and channel volume and reach industrial tools analytical performances with nano-liter sample volumes.

Les imageurs à base d’alliage InGaAs sur substrat InP se sont fortement popularisés pour l’imagerie dans le proche infrarouge. La méthode de fabrication de référence est constituée d’une matrice de photodiodes planaires réticulées par diffusion localisée de zinc. Cette approche reste chère du fait d’une méthode d’hybridation individuelle entre circuit de lecture CMOS et circuit de détection. Afin de réaliser des imageurs proche infrarouge bas coût ou de grand format, cette méthode d’hybridation doit donc être revisitée. La solution présentée durant cette thèse est de transférer les structures III-V absorbantes directement sur le circuit de lecture par un collage moléculaire direct suivi d’une fabrication collective des matrices de photodiodes. Cette méthode demande le développement d’une nouvelle architecture pour la connexion électrique au circuit de lecture et la formation de diodes. Elle consiste en la réalisation de via de connexion à partir desquels un dopage localisé est réalisé. On forme alors des diodes circulaires autour de chaque via appelées LoopHoles. Ce dopage dont la température ne doit pas dépasser 400°C est réalisé par diffusion MOVPD. Malgré des phénomènes physiques parasites il a été possible de réaliser dans l’InP et l’InGaAs des jonctions p-n adaptées. Les caractéristiques optoélectroniques de groupes de diodes LoopHoles sur substrat InP et sur matériaux reportés ont ainsi pu être mesurées. / Nowadays short wavelength infrared (SWIR) imaging based on InP/InGaAs photo-diodes is quite popular for uncooled camera. The state of the art technology is a double layer planar heterointerface focal plane array. But, it remains expensive. Its cost comes essentially from the individually hybridization of photo-diodes array with read-out circuit, by the mean of an indium-bumps flip-chip process. We suggest an alternative method for hybridization, in order to lowering the cost and providing a sustainable process to decrease the pixel pitch. It consists in a direct integration by bonding silica of InP/InGaAs/InP structure above a finished read-out circuit (with CMOS technology) and circular diode architecture named “LoopHoles”. This diode consists in via-hole through the III-V materials and bonding silica layer down to top metal layer in the readout circuit for each active pixel. Via-hole is also used to diffuse laterally zinc in III-V layer in order to create p-type doping area. Because of the read-out circuit, temperature of diffusion has to be below 400°C which induces parasitic phenomena’s. We have found that a Hf02 coating on InP surface prevent this degradation while allowing zinc diffusion. We were able to control depth of p-n junction inside InP and InGaAs. We also investigated few steps of the processes like the molecular bonding, via etching and metallization. Finally, we succeeded to produce LoopHole photodiodes on bulk InP and on bonded materials with a high spectral efficiency, low pitch and a lower dark currant of 150 fA at room temperature.