The aim of this master thesis was to develop a process for fabricating Schottky diodes, using techniques that are suitable for cheap large volume mass production e.g. printing, with tetrapod structured ZnO as the semiconductor. Part of the work involved selecting suitable metals for ohmic and Schottky contact and identification of a binder that can be used for dispersion of the Zinc Oxide (ZnO). ZnO is a II-VI compound semiconductor with a wide band gap (3,4 eV). The Schottky diode is used as a rectifier. A rectifier serves the purpose to turn Alternating Current (AC) to Direct Current (DC). The Schottky diode should only conduct current in the forward direction, in the reverse direction the current should be blocked. In this thesis printed diodes were used to construct different types of rectifiers for example half wave rectifiers and full wave rectifiers. Aside from electrical properties, adhesion properties have also been investigated. Adhesion was showed to depend on not only the choice of binder, but also UV-dose and annealing temperature. Aluminum and silver together with ZnO proved to be the best materials combination with a rectification ratio up to 105−106. Different sizes of Schottky diodes were printed and the smaller diodes with an area of 0,5x0,5mm^2 performed best as a half wave rectifiers while the larger size,1x1mm^2, performed best as a full wave rectifier.

Cette thèse décrit dans un premier temps la synthèse entièrement régiosélective de phtalocyanines tétra-(endo-alcoxy)-fonctionnalisées puis la formation de leurs complexes avec des ions métalliques. Dans un second temps sont étudiées leurs propriétés magnétiques, l'induction de mésophases colonnaires dans des gammes de températures convenables et avec des tailles modérées de substituants, ainsi que leur utilisation dans des diodes organiques. L'approche synthétique à suivre est la cyclo-tétramérisation de 3-(2-alkylalcoxy)-phtalonitriles suivie de la coordination d'un ion métallique. La symétrisation des chaînes aliphatiques dans le précurseur 3-alcoxy-phtalonitrile, en allant de 2 butyloctyl à 2-pentylheptyl, maintient la régiosélectivité et le mésomorphisme, tandis que les courtes chaînes 2-butylhexyl mènent à la formation d'un mélange de phtalocyanines régioisomères et à une plus grande tentance à la crystallisation. La combinaison de températures de clarification raisonnables avec un empilement colonnaire à température ambiante et avec une proportion assez importante de centres conjurés au sein de la masse moléculaire rend les deux premières séries de matériaux, c'est-à-dire MPc(OCH2CHBuHex)4, and MPc(OCH2CHPent2)4, potentiellement utiles comme transporteurs de charges uniformément orientables dans des dispositifs électroniques organiques. Nous démontrons que ces matériaux phtalocyanines tétra-α-alcoxy-substitués, représentés par H2Pc(OCH2CHBuHex)4, NiPc(OCH2CHBuHex)4 et CuPc(OCH2CHBuHex)4, mènent à des performances originales des dispositifs quand ils sont utilisés comme couche active organique dans des structures simples de diode ITO/PEDOT :PSS/PC/Al. Un redressement prononcé du courant est obtenu dans des diodes malgré l’alignement planaire prépondérant des colonnes dans les couches. Le ligand Pc tétra-α-alcoxy-substitué très soluble donne des molécules-aimants mononucléaires originales par coordination avec MnIII et DyIII. Remarquablement, l’isomère de symétrie C4h du complexe sandwich octa-alcoxy se forme sélectivement grâce aux subsistants encombrants sur les deux cycles Pc. / This thesis describes the fully regioselective synthesis of symmetric all-endo tetra-alkoxy-functionalized phthalocyanines and their metal ion complexes accompanied by induction of columnar mesophases in convenient temperature ranges at moderate substituent sizes, as well as their use in organic diodes and the study of their magnetic properties. The synthetic approach to follow is lithium-induced macrocyclization of 3-(2-alkylalkoxy)-phthalonitriles prior to transition meatl ion insertion. Symmetrization of the aliphatic chains in the 3-alkoxy-phthalonitrile precursor from 2-butylocytyl to 2-pentylheptyl maintains both the regioisomeric mixture during the cyclo-tetramerization and to a somewhat greater tendency to crystallization. The combination of attainable clearing temperatures with room temperature columnar stacking and with a relatively high content of conjugated core within the molecular mass makes the first two series of materials, i.e. MPc(OCH2CHBuHex)4, and MPc(OCH2CHPent2)4, potentially useful as uniformly orientable charge transposters in organic electronic devices. We establish that these tetra-α-alkoxy substituted phthalocyanine materials, as exemplified with H2Pc(OCH2CHBuHex)4, NiPc(OCH2CHBuHex)4 and CuPc(OCH2CHBuHex)4, lead to original device performances when applied as an active organic layer in simple ITO/PEDOT:PSS/PC/Al diode structures. A pronounced current rectification of the diodes is obtained despite the preponderantly planar alignment of the columns in the films. The highly soluble tetra-α-alkoxy-substituted Pc ligand, when combined with MnIII and DyIII, gives rise to original mononuclear single molecule magnets. Remarkably, the C4h-symmetric isomer of the octa-alkoxy double decker complex is formed selectively due of presence of the bulky substituents on both Pc rings.

Le phénomène d’interférométrie par réinjection optique, ou effet self-mixing dans un laser permet de concevoir des capteurs non-invasifs, auto-alignés, ne nécessitant que peu d’éléments optiques et simples à implémenter. Ce type de capteur permet de mesurer avec la précision propre à l’interférométrie laser le déplacement, la vitesse ou la position de cibles dite coopératives (cibles réfléchissantes ou fortement diffusantes). Dans cette étude, ce type de capteurs est appliqué à la mesure de profil d’écoulement des fluides dans des microcanaux. Le faible coût et la polyvalence des capteurs à réinjection optique sont d’un grand intérêt dans l’industrie biomédicale et chimique, ainsi que pour la recherche en mécanique des fluides. Dans un premier temps, et en se basant sur les études réalisées dans des macro-canaux, nous avons proposé un modèle d’interferométrie par réinjection optique dans une diode laser lorsque la cible est constitué de particules en mouvement, en suspension dans un liquide. A partir de ce modèle, nous avons étudié expérimentalement l’impact du volume de mesure ainsi que du type de particules (taille et concentration) sur le signal mesuré. Nous avons ensuite proposé des méthodes de traitement du signal permettant de calculer le calcul du débit du fluide, ainsi que sous certaines conditions identifiées, la vitesse locale en tout point d’un microcanal. Ces études préliminaires nous ont permis de reconstruire le profil d’écoulement de différents liquides dans des canaux de 320µm de diamètre. Enfin, nous avons comparé les performances du capteur développé dans cette thèse avec un capteur basé sur la technique du Dual-Slit, technique déjà validée pour la microfluidique, en mesurant le profil d’écoulement dans un canal à section rectangulaire de 100x20µm. / The phenomenon of optical feedback interferometry (OFI) or self-mixing effect in a laser is used to design non-invasive and self-aligned sensors, requiring only few optical elements and simple to implement. This type of sensor is used to measure the displacement, velocity or position of cooperative targets (reflective or strongly scattering targets). In this study, this phenomenom is applied to the measurement of fluid flow profile in microchannels. The low cost and versatility of optical feedback sensors are of great interest in biomedical and chemical industry as well as research in fluid mechanics. Based on studies in macro-channels, we proposed first a theoretical model of OFI in a laser diode when the target consists of moving particles suspended in a liquid. Based on this model, we then studied experimentally the impact of the sensor’s sensing volume and the type of particles (size and concentration) on the OFI signal. We then proposed signal processing methods for calculating the fluid flow rate, as well as the local velocity at any point in a microchannel. These preliminary studies allowed us to reconstruct the flow profile of different liquids flowing in a circular channel of 320μm diameter. Finally, we compared the performance of the sensor developed in this thesis with a sensor based on the Dual-Slit technique, which has been already validated for microchannels, by measuring the flow profile in a rectangular shaped channel (100x20µm).

Un nombre croissant d’applications Laser nécessite l’utilisation de sources impulsionnelles présentant une grande modularité en termes de durée, de puissance et de fréquence des impulsions Laser générées. Ces sources s’appuient sur une architecture bien connue, basée sur un amplificateur de puissance à oscillateur maître (MOPA) et intégrée dans un grand nombre de systèmes d’amplification optique. Généralement, elle se compose d’une diode « seed » jouant le rôle d’un oscillateur « source » et pilotée en régime impulsionnel fournissant des impulsions optiques à un étage d’amplification (solide ou fibré), dopé avec des éléments terres rares (ex. Ytterbium). Néanmoins, la puissance crête émise par ce type de diodes dépasse rarement quelques centaines de mW. Afin d’obtenir, en sortie du « MOPA », des impulsions d’une puissance de plusieurs dizaines de kW, il est donc nécessaire de concevoir une chaîne d’amplification optique possédant un gain élevé mais en contrepartie susceptible de générer des phénomènes optiques non-linéaires néfastes à l’application. L’utilisation de diodes Laser monomode commercialisées, à très haute fiabilité, dans des régimes de polarisation en courant crête très élevé mais sous des durées d’impulsion très courtes (très inférieures à 1μs), apparaît comme une solution alternative mais impose d’être validée tant sur le plan de la caractérisation électro-optique de ces diodes que sur la robustesse de leurs performances dans ces régimes critiques de fonctionnement. / A growing number of Laser applications requires the use of pulsed sources with a large versatility in terms of duration, power and frequency of the generated Laser pulses. Such sources are based on the well-established “Master Optical Power Amplifier” architecture, and integrated into a large variety of optical amplification systems. Generally, it is composed of a “seed” diode, acting as a “source” oscillator, operated in pulse regime in order to produce optical pulses forwarded to an amplification stage (solid or fibered), doped with rare earth elements (ex. Ytterbium). However, the maximum output power delivered by such diodes barely reaches a few hundred mW. In order for the “MOPA” to produce output pulses with a peak power reaching a few tens of kW, it is necessary to design an amplification chain with a high optical gain but on the other hand susceptible to generate non-linear phenomena detrimental to the application. The use of commercialized and ultra-reliable single mode Laser diodes, operating in large overcurrent but under short pulse conditions (under 1μs), appears as an alternative solution, which, however, requires to be validated in terms of electro-optical characterizations as well as in terms of performances robustness under these critical conditions.

Nous étudions l’influence d’une rétroaction optique à conjugaison de phase dans une diode laser. Ce type de rétroaction a été peu étudié et nous montrons ici qu’il donne des résultats intéressants, permettant de débloquer du contenu à haute fréquence. Cela pourrait mener à de meilleures performances dans des systèmes de génération de nombres aléatoires utilisant du chaos optique. / We study the influence of phase-conjugate feedback in a laser diode. This type of feedback has not been studied a lot and yet we show here that it can give interesting results. It unlocks oscillations at high frequencies. This could lead to an improvement in the performance of random number generators based on optical chaos.

Ce mémoire présente les résultats de travaux portant sur l’analyse de la fiabilité de diodes laser de pompe émettant à 980 nm et de photodiodes InGaAs pour des applications spatiales. La sévérité de l’environnement spatial (vide, radiations, contraintes thermomécaniques) impose d’évaluer la robustesse de ces deux technologies qui ont été spécialement conçues pour des applications de télécommunications sous-marines. L’objectif de ce mémoire est donc de proposer une méthodologie d’évaluation de la fiabilité en s’appuyant la caractérisation électro-optique, l’analyse physico-chimique et la modélisation. Les diodes laser ont été vieillies sous ultravide (pression de 10-7 mbar) pendant 5000h sous 800 mA et 60°C. Certains composants, dont l’herméticité du boîtier a été volontairement rompue, ont présenté des défaillances de type COD (Catastrophic Optical Damage). Les caractéristiques des composants, dont le boîtier est resté hermétique, n’ont cependant pas dérivé. Après avoir modélisé les caractéristiques électriques du composant, mené des analyses physiques (AFM, MEB, MET, cathodoluminescence et ToF-SIMS) et calculé la variation de la pression à l’intérieur du boîtier, nous avons estimé la durée de vie du composant fonctionnant sous ultravide à 26 ans.Les photodiodes ont été irradiées par des protons d’énergie comprise entre 30 et 190 MeV sous une fluence comprise entre 5.1010 et 1012 p/cm², entrainant une augmentation du courant d’obscurité de trois décades. La modélisation du courant d’obscurité a permis d’estimer la durée de vie du composant en environnement spatial à 15 ans.Ces travaux ont également contribué à mettre en évidence des mécanismes de dégradation peu documentés (COD sous vide, difficulté d’ajustement avec le NIEL, dégradation du réseau de Bragg exposé aux rayonnements ionisants), ce qui permet de mieux appréhender le comportement des diodes laser et des photodiodes exposées à l’environnement spatial. / In this work, the reliability of 980 nm pump laser diode and InGaAs photodiode modules has been estimated for space applications. The space environment is particularly harsh (vacuum, radiation, thermal and mechanical stresses) for these electro-optical devices, which were designed for long-haul submerged telecommunication applications. The main objective of this thesis is to provide a guideline for the space evaluation of optoelectronic devices, using characterization, physical analysis and modeling.Eight laser diodes were aged in vacuum (10-7 mbar) during 5000h, at 60°C and 800 mA bias current. The hermeticity of four of them was voluntarily broken to simulate a long term vacuum exposition. Three of four non-hermetic devices failed during the ageing, because of COD (Catastrophic Optical Damage) whereas the electro-optical characteristics of hermetic devices remained unchanged. The MTBF of laser diodes operating in vacuum was estimated to 26 years, by means of modeling (electro-optics and pressure) and physical analyses (AFM, SEM, TEM, cathodoluminescence, ToF-SIMS).InGaAs photodiodes were irradiated by protons, with energies ranging from 30 to 190 MeV and fluences ranging from 5.1010 to 1012 p/cm². The dark current increased by three decades after irradiation. The photodiode MTBF was then estimating to 15 years using dark current modeling.This study also permitted to show up almost new failure mechanisms (COD under vacuum, NIEL scaling errors in InGaAs, Bragg grating degradation under ionizing radiation and its effects on laser diode stabilization), which could contribute to the space evaluation of laser diodes and photodiodes for future missions.

The subject of this thesis is the construction of one-way communication device. This device consists of the transmitter and the receiver, both of which are connected to its respective computer via USB interface. This device allows sending UTF-8 characters or files from one computer to another. Both computers are running a graphical user interface program. The core of a transmitter is a digital signal modulating laser diode. The receiver is made of photovoltaic panel with a resonance circuit and an amplifier. Communication between the electronics and the computer is driven by microcontrollers. Received messages are verified with one of multiple error detection algorithms, which can be selected by user in the utility program.

Diese Arbeit befasst sich mit Hochleistungsdioden aus den Halbleitermaterialen Silizium und Siliziumkarbid. Analysiert werden die statischen und dynamischen Schalteigenschaften. Bei den SiC-Bauelementen handelt es sich um unipolare Schottky-Dioden und bei den Silizium-Dioden um bipolare pin-Dioden. Bei den SiC-Schottky-Dioden liegt der Schwerpunkt auf der Analyse des statischen Durchbruchverhaltens von Randstrukturen und auf der Untersuchung der Selbsterwärmung bei Einzel- und Mehrpulsbelastung. Bei den bipolaren Silizium-Dioden wird das Durchbruchverhalten bei niedrigen und hohen Stromdichten untersucht. Aus den Sperrcharakteristiken, die positiv und negativ differentielle Widerstandsäste aufweisen, lassen sich Schlussfolgerungen auf das dynamische Verhalten ziehen. Das Abschaltverhalten (reverse recovery) der mit Plasma überschwemmten Bauelemente wird zuerst im Hinblick auf den Einfluss von Strukturparametern untersucht, um die prinzipiellen Einflussgrößen zu erläutern. Dann folgen die Ergebnisse zur Filamentbildung, die bei den hohen Belastungen der Bauelemente während des Kommutierungsprozesses auftreten können. Die auftretenden Filamentstrukturen werden analysiert und - soweit möglich - Einflussgrößen herausgearbeitet. Schließlich wird noch auf den Einfluss von Randstrukturen auf das Filamentierungsverhalten, die als Inhomogenität in jedem Bauelement vorhanden sind, eingegangen.

Le domaine du Térahertz a suscité beaucoup d’intérêt de la part de la communauté scientifique ces dernières années. La diode Schottky constitue la pierre angulaire des circuits de détection, des multiplieurs de fréquence ou encore des mélangeurs dans cette bande de fréquence, notamment grâce à son comportement non-linéaire. Les travaux menés durant cette thèse visent à optimiser les caractéristiques de ce composant pour deux fonctions non-linéaires – la détection et la multiplication de fréquence – celles-ci ayant des facteurs de mérites bien spécifiques. Un même dispositif ne saurait les satisfaire conjointement La non-linéarité capacitive est généralement mise à profit pour la multiplication de fréquence alors que la détection s’appuie sur la non-linéarité résistive associée à la caractéristique statique. Pour réaliser cette optimisation, un code particulaire Monte-Carlo (MC) résolvant l’équation de Boltzmann couplée à l’équation de Poisson a été développé. La diode Schottky est un composant largement contrôlé par l’interface métal/semi-conducteur et la gestion des conditions aux limites constitue une étape clef dans la modélisation du dispositif. Le principe d’exclusion de Pauli doit être considéré pour un semi-conducteur très dopé et une distribution spécifique pour les porteurs injectés du côté du contact ohmique a été optimisée puis utilisée dans la modélisation de la diode. D’autres effets physiques à l’interface métal/semi-conducteur ont été implémentés tels que l’effet tunnel suivant différents degrés de raffinement, le phénomène de force image ou encore l’abaissement de la hauteur de barrière par le champ électrique dû aux états de surface. Cette modélisation MC a permis de déduire un schéma équivalent électrique petit-signal aux fréquences Térahertz dont les différents paramètres sont ajustés en prenant en compte la déplétion possible du substrat pour des diodes courtes. L’extraction du schéma équivalent peut s’effectuer suivant différentes stratégies : en excitant la diode avec un signal de faible amplitude ou encore à partir de l’étude des densités spectrales associées aux fluctuations de courant et de tension. Les phénomènes physiques pouvant mettre en défaut ce schéma électrique tels que la vitesse de saturation des porteurs ou le phénomène d’ionisation par choc en polarisation inverse sont discutés. Le recours à un schéma électrique est motivé par une volonté de l’intégrer facilement au cœur d’un circuit pour une fonction spécifique et de l’exploiter avec un logiciel commercial tel que ADS (Advanced Design System) dans une logique d’optimisation. Des simulations de type « Harmonic Balance » ont été menées afin d’étudier le rendement d’un circuit de détection et d’un multiplieur de fréquence pour dégager les caractéristiques optimales de la diode sur chacun de ces circuits. Le GaAs est souvent un semi-conducteur de choix pour la réalisation de circuits aux fréquences Térahertz grâce à sa maturité technologique et à sa haute mobilité électronique. D’autres semi-conducteurs tels que l’InGaAs, le GaSb ou encore le GaN sont également étudiés. Une diode avec un couple métal/semi-conducteur présentant une faible hauteur de barrière donne les meilleurs rendements de conversion pour la détection. Pour le multiplieur de fréquence, il existe un dopage optimal en fonction de la longueur de la couche active permettant de maximiser le rendement du circuit. / The terahertz field has generated significant interest from the scientific community in recent years. The Schottky diode is the cornerstone of detection circuits, frequency multipliers or mixers in this frequency band, thanks to its non-linear behavior. The work carried out during this thesis aims at optimizing the characteristics of this component for two non-linear functions - detection and frequency multiplication - these having very specific figures of merit. The same device can not satisfy them together. Capacitive non-linearity is generally used for frequency multiplication while the detection is based on the resistive non-linearity associated with the current-voltage characteristic. To achieve this optimization, a Monte Carlo (MC) particle code solving the Boltzmann transport equation coupled to the Poisson equation was developed. The Schottky diode is a component essentially controlled by the metal / semiconductor interface and the boundary conditions are a key step in the device modeling. The Pauli exclusion principle must be considered for a highly doped semiconductor and a specific distribution for the carriers injected on the ohmic contact side has been optimized and then used in the diode modeling. Other physical effects at the metal / semiconductor interface have been implemented, such as tunneling following different degrees of refinement, image force barrier lowering or the barrier height lowering by the electric field due to surface states. A small-signal equivalent circuit at Terahertz frequencies was deduced from the MC modeling. The parameters of this circuit are adjusted by taking into account the possible depletion of the substrate for short diodes. The extraction of the equivalent circuit can be carried out according to different strategies: exciting the diode with a low amplitude signal or studying the spectral densities associated with the current and voltage fluctuations. The physical phenomena that can make the equivalent circuit defective, such as the saturation velocity of carriers or the impact ionization at reverse bias, are discussed. An electrical circuit of the diode was used to be easily integrated into a global circuit for a specific function and exploit it in commercial software such as ADS (Advanced Design System). Harmonic balance simulations were conducted to study the performance of a detection circuit and a frequency multiplier to reach the optimal characteristics of the diode on each of these circuits. GaAs is often a semiconductor of choice for the design of circuits at Terahertz frequencies thanks to its technological maturity and its high electronic mobility. Other semiconductors such as InGaAs, GaSb or GaN are also investigated. A diode with a metal / semiconductor couple having a low barrier height gives the best conversion efficiencies for detection. For the frequency multiplier, there is an optimal doping as a function of the active layer length which maximizes the circuit efficiency.

La capacité des sources laser à concentrer une quantité d’énergie énorme intéresse beaucoup le secteur industriel pour l’usinage et la structuration de la matière. Il faut pour cela rassembler une forte puissance optique sur une surface infime: on parle alors de luminance. La combinaison cohérente permet de répondre à la problématique de l’augmentation de la luminance d’un système laser. Dans le cadre du projet européen BRIDLE, ces travaux sont focalisés sur la combinaison cohérente de lasers à semi-conducteur. Ce type de combinaison nécessite un accord de phase stable entre les différents émetteurs. Plusieurs techniques permettent cette mise en phase; nous étudions en particulier les techniques d’amplification en parallèle ainsi que l’utilisation d’une cavité externe commune. L’originalité se situe dans le développement d’une architecture nouvelle, pensée pour optimiser l’extraction de puissance. La technique consiste à utiliser une cavité étendue commune aux émetteurs à combiner pour leur mise en phase, placée sur leur face arrière. Tout en fournissant un fort retour optique arrière nécessaire à la mise en phase, l’extraction de puissance est maximisée sur la face avant où les faisceaux sont par la suite combinés extracavité. Ce document démontre la bonne adéquation de cette architecture avec les meilleures diodes laser en termes de luminance : les émetteurs à section évasée. L’étude est étendue à une barrette de diodes par l’utilisation d’éléments diffractifs optique permettant la séparation et la combinaison des faisceaux. / Scaling up the brightness of laser diodes is a major research objective in the laser community. The coherent beam of several emitters is the most efficient technique to increase the brightness by constructive interference. An efficient combination can only be achieved in an arrangement that forces the required phase relation between the emitters. Different approaches are investigated: either active phase-locking of amplifiers seeded by a single-frequency laser split into N beams and amplified in parallel, or passive selforganization of emitters in a common laser cavity. We investigate a new coherent combining architecture using a common extended cavity on the back side of diode lasers for phase locking. As a result, the efficiency of the phase-locked laser cavity is increased as compared to standard front-side configurations. Moreover, such an extended cavity placed on the rear-side provides the strong optical feedback required for phase-locked operation. This configuration is demonstrated with high-brightness tapered devices, highlighting the capability of such setup for high power operation. This architecture is then extended to diode laser arrays by the use of diffractive optical elements.