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Photoresist is a light sensitive material whose physical and chemical properties change when exposed to light. Photoresist makes it possible to transfer the image of a circuit pattern directly onto a substrate. The first part of this work deals with developing a photo process using AZ 1518 and AZ P4330 positive resists on SiC substrate. The aim was to determine the optimal spin parameters, softbake time, and exposure time for these resists matching their thickness. AZ 1518 process was developed for a 1.76 um thickness and AZ P4330 for 4.3 um thickness. With the parameters obtained the resist had about 5% of difference in thickness across a wafer surface. The absence of practical wet chemical etching of SiC is the reason for the study of dry, plasma etching of SiC in this thesis. There is an interest in photoresist as an etch mask because it is cheap, easy to deposit, pattern and remove. However its ability to mask etching of materials with high bond strength like SiC is limited. This work examines its selectivity under various etching parameters and determines the effect of increase in the RF power on selectivity, SiC etch rate and photoresist etch rate.

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Light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) have many advantages over conventional light sources. Current commercial LEDs span the spectrum from IR to near- UV. There are a variety of applications for devices that extend into the deep-UV, including biological agent detection and optical storage. The nitride material system is a set of semiconducting compounds that have wavelengths that span a broad range, from yellow to deep-UV. AlGaN has a direct bandgap that extends into the deep-UV range; we will try to grow device-quality material, deposited epitaxially using metalorganic chemical vapor deposition on sapphire substrates.

Light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) have many advantages over conventional light sources. Current commercial LEDs span the spectrum from IR to near- UV. There are a variety of applications for devices that extend into the deep-UV, including biological agent detection and optical storage. The nitride material system is a set of semiconducting compounds that have wavelengths that span a broad range, from yellow to deep-UV. AlGaN has a direct bandgap that extends into the deep-UV range; we will try to grow device-quality material, deposited epitaxially using metalorganic chemical vapor deposition on sapphire substrates.

Ce travail de doctorat est dédié à l’étude des mécanismes régissant l’interaction lumière-matière dans des dispositifs optoélectroniques à base d’alliages (Al,Ga,In,)N. Diverses compositions de ces alliages sont assemblées en structures multicouches de matériaux d’épaisseurs nanométriques afin d’obtenir une émission à plus grande longueur d’onde que le bleu, couleur pour laquelle la technologie est mature depuis plus de vingt ans. Il s’agit de réaliser des émetteurs efficaces de lumière jaune, verte ou blanche (avec une approche alternative au pompage optique de luminophore par une diode bleue). Les solutions solides assemblées pour obtenir des émissions à grandes longueur d’onde sont à base de GaN et de Ga0.8In0.2N, matériaux pour lesquels les mailles cristallographiques sont désaccordées. Lorsqu’elles sont déposées sur un substrat ou un pseudo-substrat de GaN, matériau pour lequel les dopages n et p sont maitrisés et permettent l’injection électrique des porteurs, les tranches de Ga0.8In0.2N subissent de très fortes compressions dans leur plan de croissance et l’énergie élastique est relaxée par la formation de défauts délétères pour le rendement lumineux. Nous avons construit des hétéro-structures plus complexes en intercalant une couche complémentaire d’Al0.2Ga0.8N afin de réduire la densité d’énergie élastique globale. L’insertion de telles couches améliore la qualité cristalline et augmente leur rendement optique. Nous avons mesuré le rendement quantique interne en utilisant la spectroscopie de photoluminescence résolue en temps et une analyse des temps de déclins par une approche de type Lotka-Volterra des équations de recombinaison pour obtenir les taux de recombinaisons radiatifs et non-radiatifs. Nous avons montré quantitativement comment les champs électriques internes résultant du contraste de polarisation électrique aux interfaces et les recombinaisons non-radiatives de type Schockley-Read-Hall contribuent à définir le rendement quantique à faible densité d’excitations (optique ou électrique). L’objectif est l’obtention d’une émission spontanée intense pour une densité d’excitation modérée. Nous avons donc conduit une campagne d’expériences en variant l’intensité d’injection. Nous avons montré que l’effet Auger est le facteur dominant régissant la chute du rendement quantique interne sous fortes densités d’injection. Nous avons étudié diverses architectures à simple puits quantique ou à puits quantiques multiples émettant à des longueurs d’onde identiques pour quantifier l’influence spécifique de l’effet Stark confiné quantique. Nous avons corrélé l’apparition d’un seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger avec l’augmentation du temps de recombinaison radiative et de l’énergie de localisation des porteurs dans l’alliage inhomogène. Nous arrivons à la conclusion que la localisation des porteurs produite par le champ électrique aux interfaces et les fluctuations de la composition chimique de Ga0.8In0.2N contribuent de concert, facilitant l’interaction répulsive électron-électron et la recombinaison non-radiative Auger nnp. Nous avons montré que le modèle ABC permet de bien décrire la physique du phénomène si ses trois paramètres tiennent compte des effets d’écrantages sous injections modérées et des effets de remplissage de l’espace des phases sous fortes injections. Enfin, nous nous sommes écartés de l’étude des structures traditionnellement épitaxiées selon le plan polaire (0001) pour choisir des plans d’épitaxie semi-polaire (11-22). Dans ces conditions, il a été nécessaire de fabriquer des puits quantiques en Ga0.65In0.35N. Nous avons montré que la quasi-absence d’effet Stark confiné quantique augmente de manière très significative le seuil d’excitation au-delà duquel domine la recombinaison non-radiative de type Auger. Cette amélioration par rapport aux échantillons épitaxiés selon le plan (0001) est d’autant plus marquée que la longueur d’onde émise est grande. / Non renseigné

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Thesis (MSc (Physics. Institute for Laser Research))--University of Stellenbosch, 2005. / This thesis consists of two parts: a discussion on diode-pumped solid-state lasers and a detailed description of the development of a diode-end-pumped Nd:YLF laser. A background motivation, which places this research area in perspective, is also given. Part One introduces solid-state lasers and their physics. The focus is on the Nd3+ active ion and describes its energy level structure as a typical four-level solid-state laser. An overview of optical pump sources for solid-state lasers is given, focussing on the construction, operation and advantages of diode lasers. It is motivated that diode-end-pumping solid-state lasers produce laser systems with the highest efficiency and diffraction limited beam quality. It is, however, emphasised that power scaling of diode-end-pumped solid-state lasers is problematic due to localised heat generation in the solid-state laser medium. The adverse effect of heat generation on the laser performance is also described. In the design of diode-endpumped solid-state lasers, the management of thermal effects is suggested as the approach to scale the output power of these lasers. Part Two of the thesis describes the design and the results of a novel high-power diode-end-pumped solid-state laser developed at the Laser Research Institute. The description of the design is split into three components: the laser material, the pump source and the laser resonator. The choice of laser material is motivated in detail, focussing on Nd:YLF’s advantage of having a very weak thermal lens when operated on the σ-polarization at 1053 nm. Its disadvantage of having a low fracture limit is also highlighted, but the approach to power scale it to the multi-10-watt level, with the use of low doping concentration, a low absorption pump wavelength, and a large pump beam, is described. It is further shown that this approach led to the development of a novel laser resonator, which allows a large fundamental mode in the laser material to match the large pump beam, and it can compensate for the astigmatic thermal lens in Nd:YLF. The experimental results of the high-power diode-end-pumped Nd:YLF laser are presented, showing the influence of doping concentration, output coupling efficiency and resonator adjustments on the continuous wave and Q-switched laser performance. It is shown that the optimum laser parameters were determined, resulting in the Nd:YLF laser producing more than 26 W of continuous wave output power with a close to diffraction limited beam quality (M2 < 1.4), and more than 3 mJ of energy per pulse at a repetition rate of 6 kHz when Q-switched. It is concluded that the powerscaling concept proved to be efficient and that further power scaling would be possible with this scheme.