Les nanofils (NFs) semiconducteurs sont sujets d'un intérêt croissant depuis une vingtaine d'années pour de nombreuses applications potentielles liées à leurs propriétés optoélectroniques spécifiques. Ils présentent ainsi un intérêt particulier pour l'application photovoltaïque. En effet, l'association du fort coefficient d'absorption des semiconducteurs III-V et du bas coût des substrats de silicium permettrait de réaliser des cellules photovoltaïques à bas coût et à haut rendement. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse qui visait deux objectifs : d'une part, la simulation RCWA (Rigorous CoupledWave Analysis) de l'absorption de la lumière dans un réseau ordonné de NFs de GaAs sur un substrat de silicium et d'autre part, la croissance auto-catalysée de NFs de GaAs par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) en mode Vapeur- Liquide-Solide (VLS). La simulation RCWA a permis de déterminer les paramètres optimaux en termes de diamètre et hauteur des NFs ainsi que de la période du réseau de NFs pour avoir une absorption optimale de la lumière, en prenant en compte les couches de passivation de GaAlAs et d'ITO. L'étude de la croissance auto-catalysée des NFs de GaAs a permis de déterminer les paramètres de croissance (température, flux de Ga, flux d'As, rapport V/III, ...) optimaux pour avoir une densité, un diamètre et une hauteur de NFs verticaux corrélés aux résultats de simulation. Il a aussi été mis en évidence un rapport V/III critique à ne pas dépasser pour conduire à des NFs de structure cristalline pure Zinc-Blende. Des NFs de GaAs à jonction p-n cœur-coquille ont été produits et caractérisés par EBIC et SSRM. Enfin, nous avons démontré la faisabilité de la croissance auto-catalysée de NFs de GaAlAs sur substrat Si par EJM-VLS. / Over the past few years, semiconductor nanowires (NWs) have aroused a lot of interest for their specific optoelectronic properties. The latter make them particularly interesting for photovoltaics. The combination of the high absorption coefficient of the III-V semiconductors and the low cost of the silicon substrates would indeed make it possible to produce low-cost and with high-efficiency photovoltaic cells. This context made it possible to write this thesis. On the one hand, the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) simulation of the light absorption in an ordered GaAs NW array on a silicon substrate and on the other hand the self-catalyzed growth of GaAs NWs by Molecular Beam Epitaxy (MBE) in Vapor-Liquid-Solid (VLS) mode. The RCWA simulation was carried out to determine the optimal parameters such as the diameter and the height of the NWs, and the period of the NW array for efficient light absorption. This work took into account both GaAlAs "passivating" layer and ITO transparent contact layer in order to define the optimal parameters. The study of the self-catalyzed growth of GaAs NWs allowed us to determine the optimal growth parameters (temperature, Ga flux, As flux, V/III ratio, ...) in order to obtain a density, diameter and height of vertical NWs correlated to simulation results. A critical V/III ratio was also determined, and in order to produce pure Zinc-Blende NWs, this ratio should not exceed that value. GaAs NWs with p-n core-shell junction were produced and characterized by EBIC and SSRM. Finally, we demonstrated the feasibility of the self-catalyzed growth of GaAlAs NWs on Si substrate by VLS-MBE.

Dans un contexte où les limites intrinsèques des matériaux classiques de l’industrie CMOS sont en passe d’être atteintes du fait de la forte miniaturisation des composants, le développement de la microélectronique requiert la définition de nouvelles solutions pour combiner sur un même substrat (le silicium) des matériaux différents aux propriétés physiques variées. Ceci devrait permettre d’intégrer sur silicium des fonctionnalités nouvelles. Parmi les matériaux d’intérêt, les oxydes fonctionnels de la famille des pérovskites offrent une large gamme de propriétés et attirent donc une attention particulière. D’autre part, la recherche se porte aussi sur les semi-conducteurs de la classe III-V et le Ge pour leurs propriétés optiques ou de transport de charges. Cependant, la grande hétérogénéité chimique et cristallographique entre ces matériaux rend leur association sur silicium par voie épitaxiale particulièrement délicate. Dans ce contexte, ce travail de thèse consiste en une étude approfondie de l’interface Ge sur SrTiO3et des mécanismes à l’origine des modes d’accommodation et de croissance du semi-conducteur sur le substrat pérovskite. Les échantillons, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires, ont été étudiés par caractérisations in situ, au synchrotron, diffraction de rayons X en incidence rasante et spectroscopie de photoémission. Des images de microscopie électronique en transmission sont venues compléter cette étude. La combinaison de ces résultats a permis de comprendre et de décrire deux aspects spécifiques des systèmes III-V et Ge sur SrTiO3. Le mode de croissance Volmer-Weber et la compétition entre les orientations cristallines(001) et (111) du Ge sont décrits dans une première partie. La relation d’épitaxie de Ge/SrTiO3est identifiée et l’influence des énergies d’adhésion et de surface libre du semi-conducteur sur sa croissance est élucidée. Dans une deuxième partie, le mode d’accommodation du Ge est plus spécifiquement étudié. La mise en place d’un réseau de dislocations d’interface est observée expérimentalement et analysée à l’aide d’un modèle numérique. Ce travail de thèse a permis de discuter de l’interface d’un système épitaxié très hétérogène et il ouvre des perspectives intéressantes, liées aux spécificités de l’accommodation aux interfaces semi-conducteurs/oxydes, pour l’intégration monolithique de Ge et de III-V sur des substrats d’oxydes/Si. / With the recent developments of the microelectronic industry, the intrinsic limits of the classical CMOS materials are being reached because of the strong miniaturization. Thus, the microelectronic industry is waiting for new solutions for combining, on the same substrate (silicon), different materials with various physical properties in the framework of integrating new functionalities on silicon. Research is now focusing on perovskite oxides because of the very wide range of properties they are offering (electronic, magnetic, etc.), but also on III-V semiconductors for the development of integrated photonic devices and on Ge for its electronic transport properties. However, combining these materials is challenging due to their strong chemical and crystallographic heterogeneity. Thus, this thesis focuses on the Ge/SrTiO3 system. The accommodation mode and growth mechanism have been studied by in situ, synchrotron-based, characterization methods like grazing incidence X-ray scattering and X-ray photoemission spectroscopy. The samples were prepared by molecular beam epitaxy. Transmission electron microscopy images complemented the study. The combination of these results have allowed for highlighting two specificities of the III-V or Ge/SrTiO3epitaxial systems. In a first chapter, the Volmer-Weber growth mode and a competition between (001)and (111)-oriented Ge islands is described. Epitaxial relationship between Ge and SrTiO3, chemical bonds at the interface and influence of adhesion and surface energies on the growth mode are described. In a second part, the specific accommodation mode of the Ge/SrTiO3 interface is studied. The development of a misfit dislocation network during the growth is experimentally observed and analyzed on the basis of a numerical model of the interface. This work provides state of the art understanding of the interface of weakly bonded epitaxial systems and opens interesting perspectives, especially related to the accommodation mode of semiconductors/oxides interfaces, for the monolithic integration of III-V or Ge on oxides/Si substrates.

Les semiconducteurs III-V ayant des propriétés électroniques et optiques très intéressantes, leur intégration sur Si permettrait la combinaison de fonctionnalités variées sur la même puce, une solution potentielle aux obstacles affrontés par les composants CMOS. Les travaux pionniers de McKee et al ont démontré que le SrTiO3 (STO) peut être directement épitaxié sur Si par EJM (Epitaxie par Jets Moléculaires). Plus tard, une équipe de Motorola a montré qu’il était possible d’épitaxier des couches minces de GaAs sur des templates de STO/Si, ouvrant une voie nouvelle pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Sur cette base, l’INL a entrepris l’étude de la croissance de semiconducteurs III-V sur STO. Il a notamment été montré que la faible adhésion caractéristique de ces systèmes favorisait un mode d’accommodation spécifique du désaccord paramétrique par la formation d’un réseau de dislocations confinées à l’interface entre les deux matériaux sans défauts traversant liés à une relaxation plastique, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Dans ce contexte, lors de cette thèse, Nous nous sommes d’abord focalisé sur l’optimisation de la croissance des templates de STO/Si. Nous avons en particulier montré qu’une couche de STO relaxée et riche en oxygène favorisait la reprise de croissance de l’InP. Nous avons ensuite étudié de manière systématique la croissance d’InP sur STO. La faible adhésion caractéristique de ce système conduit à la formation d’îlots aux premiers stades de la croissance, ainsi qu’à l’observation d’une compétition entre plusieurs orientations cristallines de l’InP. Nous avons fixé des conditions de croissance et de préparation de la surface de STO permettant d’obtenir des îlots purement orientés (001). Nous avons ensuite optimisés l’étape de coalescence de ces îlots pour former des couches 2D d’InP intégrées sur STO/Si. Une étude structurale et optique complète de ces hétérostructures, nous a permis d’analyser le potentiel de notre approche et pointer certaines limitations des templates de STO/Si. Sur cette base, nous avons enfin initié l’étude de templates alternatifs pour la croissance d’InP, en effectuant quelques études préliminaires de l’épitaxie d’InP sur substrats de LaAlO3. / Due to their electrical and optical properties, the integration of III-V semiconductors on Si would open the path to the combination of a various functionalities on the same chip, a potential solution to the challenges faced by CMOS components. The pionner studies by McKee and al have shown that SrTiO3 (STO) could be directly epitaxied on Si by MBE (Molecular Beam Epitaxy). Few years later, a Motorola team has shown that it is possible to epitaxy thin GaAs layers on STO/Si templates, hence opening a new path for III-V monolithic integration on Si. Based on this, the INL has undertaken the study of III-V semiconductors growth on STO. In particular, it has been shown that the weak adhesion specific to these systems favors a preferential accommodation mode of the lattice mismatch by breaking interfacial bonds rather than by plastic relaxation of an initially compressed layer. Hence, it is possible in spite of a strong lattice mismatch to grow III-V semiconductors without threading defects related to a plastic relaxation mechanism, which opens interesting perspectives for IIIV monolithic integration on Si. In this context, during this thesis, we have focalised in the beginning on optimising the growth of the STO/Si templates. In particular, we have shown that a relaxed and oxygen-rich STO layer favors undertaking InP growth. Next, we have studied systematically the InP growth on STO. The weak adhesion specific to this system leads to islands formation at the early stages of growth, as well as the observation of a competition between different crystalline orientations of the InP islands. We have worked out STO growth conditions and surface preparation strategies that allow obtaining purely (001) oriented InP islands. We have next optimised the islands coalescence step in order to form 2D InP layers on STO/Si. Based on a complete structural and optical study of these heterostructures, we have been able to analyse our approach’s potential and to point out cetain limitations of the STO/Si templates. On this basis, we have finally initiated the study of alternative templates for InP growth, by undergoing some preliminary studies of InP epitaxy on LaAlO3 substrates.

Le développement de l’industrie microélectronique a été jusqu’à récemment essentiellement basé sur une augmentation régulière des performances des composants liée à une réduction toujours plus poussée de leurs dimensions dans la continuité de la loi de Moore. Cette évolution se heurte cependant aux limitations intrinsèques des propriétés physiques du couple silicium-silice sur lesquelles elle repose. La diversification des matériaux intégrés sur Si devient ainsi un enjeu majeur du développement de cette industrie. Dans ce contexte, les oxydes dits fonctionnels forment une famille de matériaux particulièrement intéressante : leurs propriétés physiques (ferroélectricité, ferromagnétisme, diélectricité, piézoélectricité, effet Pockels fort) ainsi que la possibilité de les combiner sous forme d’hétérostructures par épitaxie ouvrent la voie à la fabrication de composants innovants et ultraperformants pour des applications dans les domaines de la micro et de l’optoélectronique, de la spintronique, des micro-ondes et des MEMS. Ces oxydes, et plus spécifiquement ceux appartenant à la famille des pérovskites, sont classiquement épitaxiés par ablation laser (PLD), pulvérisation cathodique ou dépôt de vapeur chimique (CVD) sur des substrats de SrTiO3 (STO). Cependant, ces substrats sont inadaptés aux applications industrielles du fait de leur taille limitée au cm2 et de leur qualité structurale médiocre. Par ailleurs, définir une stratégie pour intégrer ces matériaux sur Si est indispensable pour le développement d’une filière susceptible d’avoir des débouchés applicatifs. Dans ce contexte, l’utilisation de l’épitaxie par jets moléculaires (l’EJM) pour la croissance de ces oxydes est particulièrement pertinente, puisque cette technique permet de fabriquer des couches minces monocristallines de STO sur Si et sur GaAs, ce qui ouvre la voie à l’intégration d’oxydes fonctionnels sur ces substrats via des templates de STO. Cependant, l’EJM est une technique peu mature pour la croissance des oxydes fonctionnels, et doit donc être développée pour cet objectif. C’est le but de ce travail de thèse, financé par un contrat CIFRE avec la société RIBER, équipementier pour l’épitaxie par jets moléculaires, et entrant dans le cadre d’un laboratoire commun entre RIBER et l’INL pour le développement de l’EJM d’oxydes fonctionnels. Nous présentons tout d’abord les développements techniques que nous avons menés autour d’un réacteur EJM « oxydes » prototype. Nous montrons notamment comment nous avons pu améliorer la fiabilité des sources d’oxygène, Sr, Ba et Ti nécessaires à l’épitaxie de matériaux clés que sont le STO et le BaTiO3 ferroélectrique. Nous montrons ensuite comment ces développements techniques nous ont permis de mieux comprendre et mieux maîtriser la croissance de templates de STO sur Si, et en particulier que la cristallisation du STO, initialement amorphe sur Si, est catalysée par un excès de Sr aux premiers stades de la croissance. Nous montrons comment il est possible de contrôler cet excès de Sr pour qu’il ne détériore pas la qualité des couches minces, et nous proposons d’une manière plus générale une étude de l’influence de la stoechiométrie de l’alliage sur ses propriétés structurales. Nous montrons également comment l’utilisation de notre source d’oxygène à plasma permet d’obtenir une oxydation satisfaisante des couches minces d’oxyde. Nous donnons enfin quelques exemples d’intégration sur Si d’oxydes fonctionnels (PZT piézoélectrique, BaTiO3 ferroélectrique) réalisés sur des templates de STO/Si. Nous avons enfin initié l’étude de la croissance par EJM de STO sur des substrats de GaAs et enfin, réaliser la première démonstration d’intégration de PZT ferroélectrique monocristallin sur GaAs. / The development of microelectronics industry has been, until recently, essentially based on the regular improvement of device performances thanks to the downscaling strategy as a continuity of Moore’s law. This evolution is now confronted to the intrinsic physical properties limitations of the material used in the silicon industry (Si and SiO2). Integrating different materials on silicon thus becomes a major challenge of industry development. In this context, functional oxides form a very interesting family of materials: their physical properties (ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity, strong Pockels effect) and the possibility to combine them (heterostructures) by epitaxy opens a way for fabricating innovating and high-performance components for applications in micro and optoelectronic, spintronic, micro-waves and MEMs… These oxides and specifically those belonging to the perovskite family are classicaly grown by Laser Ablation (PLD), sputtering or by chemical vapour deposition (CVD) on STO substrates. These substrates are inappropriate for industry applications due to their limited size (1cm²) and their relatively bad structural quality. On the other hand, defining a strategy for integrating these materials on silicon is essential for future applications. In this context, using molecular beam epitaxy (MBE) for the growth of oxides is particularly relevant since this technique allows fabricating monocristalline thin films of STO on Silicon and on GaAs, which open the way of integrating other functional oxides on this substrates via templates of STO. However, MBE is not a mature technique for functional oxides growth. The purpose of this PhD work, financed by a CIFRE contract with the RIBER Company, equipment manifacturer for molecular beam epitaxy, is to develop the growth of functional oxides by MBE. It enters into the framework of a joint laboratory signed between RIBER and INL In this work, we first present technical development performed on a prototype MBE reactor dedicated to oxide growth. We show by then how these technical developments allow a better understanding and control of the growth of STO on Si templates, in particular the crystallisation of initially amorphous STO on Silicon, which is catalysed by an excess of Sr at the first stage of the growth. We demonstrate how it is possible to control this Sr excess so that it does not affect the film quality. We propose a study of the effect of STO cationic stoechiometry on the structural properties. We also show how the use of a conveniently designed oxygen plasma source allows for obtaining good oxidation of the oxide thin films. Finally, we detail a few examples of integration of functional oxides (piezoelectric PZT, ferroelectric BTO) on templates STO/Si. We have also studied the growth of STO on GaAs substrates by MBE and we demonstrate the first integration of monocristalline ferroelectric PZT on GaAs.

La diversification des fonctionnalités intégrées dans les systèmes micro-optoélectroniques est l'un point clé du développement de ces filières. Combiner sur une même puce des matériaux ayant des propriétés différentes doit permettre de faire émerger de nouveaux concepts de composants basés sur de nouveaux effets physiques ou sur la combinaison des propriétés physiques des matériaux intégrés. Parmi les matériaux d'intérêt, les semi-conducteurs III-V présentent des propriétés optiques exceptionnelles et sont couramment utilisés pour réaliser des composants photoniques. Les oxydes fonctionnels, quant à eux, offrent une grande variété de propriétés physiques qui en font des matériaux très prometteurs pour de nombreuses applications. Dans ce contexte, l'objectif global de cette thèse est de démontrer la possibilité d'intégrer des oxydes fonctionnels cristallins sur des hétérostructures à base de GaAs par épitaxie, et de montrer que de telles structures peuvent présenter des propriétés nouvelles pour la photonique. Plus précisément, nous avons focalisé nos efforts sur l'intégration de couches minces de PZT sur des structures à puits quantiques InGaAs/GaAs via des couches tampons de SrTiO3 (STO). Nous avons étudié et développé la croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE) des templates de STO sur GaAs. La forte hétérogénéité entre ces deux types de matériaux nécessite d'avoir recours à des stratégies d'ingénierie d'interface spécifiques et à un excellent contrôle des paramètres de croissance. Nous avons mis en évidence les effets bénéfiques sur la qualité structurale du STO d'une préparation de la surface de GaAs au Ti. Pour ces études, nous avons utilisé la spectroscopie de photoélectrons (XPS, in-situ ou en collaboration avec la ligne TEMPO du synchrotron SOLEIL) et microscopie électronique en transmission (TEM, en collaboration avec le LPN). Ces expériences nous ont permis de sonder structure et chimie de l'interface semi-conducteur/oxyde. Nous avons également étudié les mécanismes de croissance et de cristallisation du STO sur GaAs, en mettant notamment en œuvre des expériences d'XPS in-situ au synchrotron SOLEIL. La compréhension de ces mécanismes spécifiques nous a permis d'adapter les conditions de croissance du STO et d'obtenir des couches tampons d'excellente qualité. Nous avons étudié la croissance de couches minces de PZT sur des structures à puits quantique d'In- GaAs/GaAs via des templates de STO. Nous avons tout d'abord montré que les procédés standards de croissance de PZT (sol-gel ou ablation laser (collaboration avec l'IEF)) conduisaient à de fortes dégradations des puits quantiques du fait des réactions chimiques entre l'oxyde et le matériau III-V. Nous avons étudié les mécanismes de ces dégradations et mis en évidence une forte affinité chimique entre l'As, le Pb et le Sr. Pour pallier cette difficulté, nous avons modifié le procédé de croissance du PZT ainsi que l'hétérostructure III-V (enfouissement du puits, ajout d'AlAs ...). Ces actions combinées nous ont permis de réaliser des couches minces de PZT ferroélectriques sur des structures à puits quantiques d'InGaAs/GaAs. Nous avons ensuite défini un design d'émetteur accordable basé sur une hétérostructure PZT/GaAs/InGaAs. De tels émetteurs ont été réalisés en collaboration avec l'IEF) et mesurés leurs propriétés mécaniques et optiques en effectuant des expériences sous champ. Enfin, nous avons effectué un certain nombre d'études préliminaires visant à démontrer la possibilité d'intégrer des hétérostructures à base de GaAs sur des substrats de Si recouverts de couches tampons de STO. Nous avons pour cela envisagé et étudié la possibilité d'utiliser des composés Zintl-Klemm d'interface susceptibles de minimiser l'énergie d'interface entre le GaAs et le STO. / Diversification of the materials and functionalities integrated on silicon is an important issue for further progression in the field of micro-optoelectronics. The monolithic heterogeneous integration of new materials on silicon, and more generally the combination on the same wafer of materials having different physical properties is a key challenge. Amongst the materials of interest, III-V semiconductors are the object of specific attention because their optoelectronic and transport properties are superior to those of silicon. Similarly, the so-called functional oxides have interesting physical properties (ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity, etc.) making them suitable for various applications (NVM, energy harvesters, MEMS . . . ). In this context, the goal of this thesis is to demonstrate the possible integration of crystalline functional oxides on GaAs-based heterostructures using epitaxy and that such structures show new properties for photonic. More precisely, we focused on integration PZT thin film on InGaAs/GaAs quantum wells structures thanks to SrTiO3 (STO) buffer layer. We first studied and developed the growth of STO on GaAs templates using molecular beam epitaxy (MBE). Because of the strong heterogeneity between the two materials, specific interface engineering strategies are required. We highlight the benefit of a Ti-based GaAs surface treatment on the structural quality of STO. For these studies we used photoelectrons spectroscopy (XPS, in-situ and collaboration with TEMPO beam line of SOLEIL synchrotron) and transmission electron spectroscopy (TEM, collaboration with LPN/C2N). Those experiments allowed us to probe both structural and chemical aspects of the semiconductor/ oxide interface. We also studied the growth mechanism of STO on GaAs through in-situ XPS experiments at SOLEIL. Thanks to the understanding of those specifics mechanisms, we could accommodate the growth conditions to obtain good quality STO buffer layers. Then we studied the growth of thin film PZT on InGaAs/GaAs quantum well structures by means of STO templates. We first showed that standard growth process (sol-gel and pulsed laser deposition at IEF/C2N) lead to strong deterioration of quantum well due to chemical reactions between the oxide and the III-V material. We studied the mechanisms involved in this deterioration and highlight the strong chemical affinity between As, Pb and Sr. To palliate this difficulty, the growth process of PZT has been modify and an AlAs “sacrificial” layers has been added in order to limit the oxygen difiusion into the substrate. Thanks to these two solutions, it has been possible to realize a PZT ferroelectric thin film on an InGaAs/GaAs quantum well heterostructure. A tunable source based on such heterostructure has been designed. In this device, the strain induced in the ferroelectric PZT by an electric field is transmitted to the substrate and the quantum well modifying its emitted wavelength. We simulated this device in order to optimize its dimensions. Then we realized this device (collaboration with IEF/C2N) and measured its mechanical and optical properties under an electric field. We also performed preliminary studies in order to demonstrate the possible integration of GaAs-based heterostructures on Si substrates in by the means of STO buffer layer. We considered the use of Zintl- Klemm compounds to minimize the interface energy between GaAs and STO allowing 2D growth of the semiconductor on the oxide.

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour les développements futurs de l’industrie photovoltaïque, au travers des réductions de coûts attendues et des applications dans les modules souples. Pour devenir compétitive, la filière des couches minces de silicium monocristallin doit se différencier des filières classiques. Elle est donc généralement basée sur l’épitaxie de couches de haute qualité puis sur le transfert de ces couches vers un support mécanique pour terminer la fabrication de la cellule et réutiliser le premier substrat de croissance. Le but de cette thèse est de trouver les associations technologiques qui permettent de réaliser des cellules photovoltaïques en couches minces et ultra-minces de silicium monocristallin à haut-rendement. Les travaux présentés s’articulent selon deux axes principaux : le développement et la maîtrise de procédés technologiques pour la fabrication de cellules solaires en couches minces et l’optimisation des architectures de cellules minces haut-rendement.Dans ce cadre de travail, les développements des techniques de fabrication ont d’abord concerné la mise au point de procédés de transfert de couches minces : une technologie basse température de soudage laser et un soudage par recuit rapide haute température. Afin d’augmenter le rendement de conversion, nous avons développé des structurations de surface utilisant les concepts de la nano-photonique pour améliorer le pouvoir absorbant des couches minces. Avec une lithographie interférentielle à 266 nm et des gravures sèches par RIE et humides par TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), nous pouvons réaliser des cristaux photoniques performants sur des couches épitaxiées de silicium. Finalement, nous avons pu concevoir des architectures optimisées de cellules solaires minces à homo-jonction de silicium et à hétéro-jonction silicium amorphe / silicium cristallin plus performantes électriquement, grâce aux outils de simulation électro-optique. Notre approche théorique nous a aussi conduits à expliciter les phénomènes électriques propres aux couches minces, et à démontrer tout le potentiel des cellules photovoltaïques minces en silicium monocristallin. / Thin-film crystalline silicon solar cells are promising candidates for future developments in the photovoltaic industry, through expected costs reductions and applications in flexible modules. To be competitive, thin-film monocrystalline silicon solar cell technology must differentiate itself from conventional ones. It is generally based on the epitaxy of high-quality layers and then on the transfer of these layers onto a mechanical support to complete the manufacture of the cell and reuse the growth substrate. The aim of this thesis is to find the technological associations that make it possible to realize high-efficiency photovoltaic cells from thin and ultra-thin layers of monocrystalline silicon. The work presented focuses on two main axes: the development and control of technological processes for the fabrication of thin-film solar cells and the optimization of high-performance thin-cell architectures.In this framework, the development of manufacturing techniques began with the development of thin-film transfer processes: low temperature laser welding technology and high temperature fast annealing welding technology. In order to increase conversion efficiency, we have developed surface patterns using the nano-photonics concepts to improve the absorbency of thin films. With an interferential lithography at 266 nm and dry etching by RIE and wet etching by TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), we can produce high-performance photonic crystals on epitaxial layers of silicon. Finally, we were able to design optimized architectures of thin solar cells with homo-junction of silicon and hetero-junction amorphous silicon / crystalline silicon more efficient electrically, thanks to electro-optical simulation tools. Our theoretical approach has also led us to explain the electrical phenomena specific to thin films, and to demonstrate the full potential of thin photovoltaic cells made of monocrystalline silicon.

In this thesis, the strength of the LBIC system is enhanced in different aspects that includes its feasibility as a non-destructive characterization tool, the signal analysis and development of analytical solution to have better understanding on the defects and inhomogeneities in the quantum dot based hetero-structures for device applications, finally understanding its limits due to the size of the laser beam and interpretation of artefacts in the signal appearance due to the presence of co-devices. Chapter#1 provides the introduction and literature survey of the LBIC system. It covers the importance and area of application of the LBIC. Chapter#2 various tools and instrumentation are discussed briefly for the systems that are developed in the lab as well as standard tools utilised for the material characterization. A LBIC instrumentation a novel colloidal quantum dots (CQD) thin film deposition system is discussed. In the last part along with the standard characterization systems a software tool (semiconductor device simulator) is discussed, which is used to visualize and understand the LBIC profile that is obtained experimentally. Chapter#3 provides the information of colloidal synthesis of PbS and HgxCd1-xTe quantum dots. Device fabrication process is explained step by step for the following devices. p-n junction silicon diodes, PbS-CQD/Si hetero-structures, ITO/PbS-CQD/Al crossbar structures and HgCdTe-CQD/Si hetero-structures. Chapter#4 deals with the major constraints imposed on the LBIC due to the need of Ohmic contacts. To overcome this major limitation, in this work, the origin of the signal is studied with the remote contact geometry for silicon p-n junction devices. It was observed that the signals can be collected with the capacitively coupled remote contacts, where LBIC was ultimately demonstrated as contactless measurement tool without any compromise on the measurements and thus obtained physical parameters. The effect of finite laser beam size is also described, which was found to have effect on the actual dimensions measured with the LBIC images. LBIC utility is further enhanced with the Si/CQD based hetero-structure devices, which are the potential candidates in the evolving device technology to be utilized in various modular systems such as PDs and LED applications. Chapter#5 discusses the origin and possible mechanisms for lateral photo-voltage which is closely monitored in the PbS-CQD/Si hetero-junction device systems. Interestingly, it is observed that there are two different line profiles for n and p type Si substrates. Different mechanisms that give rise to this kind of profiles were found to be distinct and are related to the band alignment of the CQD/Si hetero-structure. It lead to the revelation of an interesting phenomenon and believed to be universally observed irrespective of the materials involved in the formation of hetero-junction. Simulations and experimental results are quite consistent and in agreement with each other, which confirm the underlying physical mechanism that connects the LBIC anomalies with the band alignment. Chapter#6 deals with the spatial variations in the transverse photocurrent in the PbS-CQD film which is studied as a function of applied bias. Analytical equation is setup for the photocurrent in the CQD film under applied bias with the help of available transport mechanism and equations from the literature. The spatial non-uniformity that exists in the photocurrent proved to be the result of spatial inhomoginities in the physical parameters. By correlating the spatial data to the analytical equation, it is shown that the inhomoginities can be predicted. This approach is important for the devices, where monolithic detectors are fabricated by depositing CQD film on Read-Out-Integrated-Circuit (ROIC), where the manifestation of non-uniformity can be understood and probably fixed. Chapter#7 HgCdTe CQD based devices are studied for the purpose of photo-detector applications in MWIR (3  5 μm) region. HgxCd1-xTe Colloidal quantum dots are technologically important due to their wide absorption range that covers different regions of the atmospheric window. HgxCd1-xTe are successfully synthesised, which covers the absorption edge up to ~6.25 m in the IR region. Absorption and photo-response studies are carried out on HgxCd1-xTe/Si hetero-junctions under incident IR radiation. It is observed that the band gap of the quantum dots can be tuned easily by controlling the growth time as a parameter, thus moulded HgxCd1-xTe CQD/Si hetero-structures were found to have good photo-response. Chapter#8 the summary and the future direction and scope of the work is discussed. This includes the interesting observations during this thesis work which are not reported here in details.

Cette thèse porte sur l’étude de la croissance auto-organisée de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de silicium visant à l’intégration monolithique d’un émetteur de lumière sur silicium à base d’un matériau semiconducteur III-V. Le développement d’un tel système se heurte à deux verrous majeurs : le premier provient d’un très fort désaccord de maille qui rend difficile l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si présentant de bonnes qualités structurales et optiques, et le second provient de la nature électronique de l’interface entre In(Ga)As et le Si dont il est prédit qu’elle est de type II et donc peu efficace pour l’émission de lumière. L’approche que nous avons proposée consiste à insérer des BQs d’In(Ga)As dans un puits quantique de silicium dans SiO2, fabriqué sur un substrat SOI. Les effets attendus de confinement quantique dans le puits de Si favoriseraient une interface In(Ga)As/Si de type I. D’un point de vue expérimental, nous avons donc étudié l’influence de différents paramètres de croissance (température de croissance, rapport V/III, quantité d’In(Ga)As déposé, teneur en indium des boîtes quantiques …) sur le mode de croissance et sur les propriétés structurales et optiques des BQs d’In(Ga)As épitaxiées sur substrat de Si(001). Nous avons proposé une interprétation des phénomènes microscopiques qui régissent la formation des boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si en fonction de la teneur en indium. Nous avons aussi montré qu’il est possible de fabriquer des boîtes quantiques d’In0,4Ga0,6As sur Si ne présentant pas de défauts structuraux liés à la relaxation plastique. La luminescence attendue des boîtes quantiques n’a pas pu être obtenue, probablement en raison de deux conditions requises mais antagonistes: la fabrication de boîtes quantiques de très haute qualité structurale (possible uniquement pour de l’In(Ga)As avec une teneur en In inférieure à 50%) et un alignement de bandes à l’interface BQs In(Ga)As/Si de type I (possible théoriquement pour une teneur en In supérieure ou égale à 70%). Ce travail a permis d’enrichir la connaissance et le savoir-faire concernant l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de Si(001) et l’encapsulation de ces boîtes quantiques par du silicium dans un réacteur d’épitaxie par jets moléculaires III-V. / This thesis focuses on the study of the self-organized growth of In(Ga)As quantum dots (QDs) on a silicon substrate. The purpose of this work is to pave the way for a monolithic integration of III-V semiconductor-based light emitter on silicon. One of the big challenges of this project is to overcome the high lattice mismatch between InGaAs and Si which can induce structural defects in the QDs. Another key challenge comes from the expected type II In(Ga)As/Si interface that is detrimental for efficient light emission. In order to solve the “interface type” issue, we suggested to insert the In(Ga)As QD plane inside a thin silicon layer grown on a SOI substrate. Confinement effects of the Si/SiO2 quantum well are expected to raise the X-valley of the Si conduction band above the Γ-valley, leading to a type I interface in both direct and reciprocal space. The influence of different parameters (such as the amount of deposited In(Ga)As, the growth temperature, the V/III ratio and the gallium content...) on the growth mode and on the structural and optical properties of the In(Ga)As QDs grown on Si(001) are experimentally studied. We propose an interpretation of the microscopic phenomena governing the formation of the QDs as a function of gallium content. We finally show the possibility of making In0,4Ga0,6As QDs on Si(001) substrates, these QDs being free of ‘plastic relaxation’-related structural defects. The expected luminescence from the QDs was not obtained probably due to two incompatible conditions: the first, required for growing high structural quality QDs (possible only for In(Ga)As containing less than 50% of In) and the second, essential for maintaining a type I interface band alignment (theoretically possible for an In content greater than 50%). This work is contributing to the understanding of In(Ga)As QDs growth on Si(001) substrates and to the know-how of capping such QDs with silicon inside a III-V molecular beam epitaxy reactor.

Les matériaux semi-conducteurs III-N sont à l’origine d’une véritable révolution technologique. Mais malgré l’effervescence autour de ces sources lumineuses, leurs performances dans le vert et l’UV demeurent limitées. La principale raison à cela est l’orientation cristalline (0001)III-N (dite polaire) selon laquelle ces matériaux sont généralement épitaxiés et qui induit de forts effets de polarisation. Ces effets peuvent cependant être fortement atténués par l’utilisation d’orientations de croissance dite semi-polaires. Malheureusement, les films de GaN semi-polaires hétéroépitaxiés présentent des densités de défauts très importantes, ce qui freine très fortement leur utilisation. L’enjeu de cette thèse de doctorat est de réaliser des films de GaN semi-polaire (11-22) de haute qualité cristalline sur un substrat de saphir en utilisant la technique d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. La réduction de la densité de défaut étant l’objectif majeur, différentes méthodes d’ingénieries de défauts s’appuyant sur la structuration de la surface des substrats et sur la croissance sélective du GaN ont été développées. Elles ont permis d’établir l’état de l’art actuel du GaN semi-polaire hétéroépitaxié. Par la suite, dans le but d’améliorer les performances des DELs vertes, une étude dédiée à l’optimisation de leur zone active a été menée. D’autre part, le développement de substrats autosupportés de GaN semi-polaires, ainsi que la confection de cristaux 3D de grande taille dont la qualité cristalline est comparable aux cristaux de GaN massifs ont été démontrés. Ces deux approches permettant de s’approcher encore plus de la situation idéale que serait l’homoépitaxie. / Nitride based materials are the source of disruptive technologies. Despite the technological turmoil generated by these light sources, their efficiency for green or UV emission is still limited. For these applications, the main issue to address is related to strong polarization effects due to the (0001)III-N crystal growth orientation (polar orientation). Nevertheless these effects can be drastically decreased using semipolar growth orientations. Unfortunately semipolar heteroepitaxial films contain very high defect densities which hamper their adoption for the time being. The aim of this doctoral thesis is to achieve semipolar (11-22) GaN of high quality on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition. Defect reduction being the main objective, several defect engineering methods based on sapphire substrate patterning and GaN selective area growth have been developed. Thanks to refined engineering processes, the remaining defect densities have been reduced to a level that establishes the current state of the art in semipolar heteroepitaxial GaN. These results have enabled the achievement of high quality 2 inches semipolar GaN templates, thus forming an ideal platform for the growth of the forthcoming semipolar optoelectronic devices. With this in mind, to improve green LEDs, a study dedicated to the optimization of their active region has been conducted. Finally, the development of semipolar freestanding substrate has been performed, and beyond, the realization of large size crystals with a structural quality similar to that of bulk GaN has been demonstrated. These last two approaches pave the way to quasi-homoepitaxial growth of semipolar structures.

The present work focuses on the growth and characterizations of GaN and InN layers and nanostructures on p-Si(100) and p-Si(111) substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy and the studies of GaN/p-Si and InN/p-Si heterojunctions properties. The thesis is divided in to seven different chapters. Chapter 1 gives a brief introduction on III-nitride materials, growth systems, substrates, possible device applications and technical background. Chapter 2 deals with experimental techniques including the details of PAMBE system used in the present work and characterization tools for III-nitride epitaxial layers as well as nanostructures. Chapter 3 involves the growth of GaN films on p-Si(100) and p-Si(111) substrates. Phase pure wurtzite GaN films are grown on Si (100) substrates by introducing a silicon nitride layer followed by low temperature GaN growth as buffer layers. GaN films grown directly on Si (100) are found to be phase mixtured, containing both cubic and hexagonal modifications. The x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), photoluminescence (PL) spectroscopy studies reveal that the significant enhancement in the structural and optical properties of GaN films grown with silicon nitride buffer layer grown at 800 oC, when compared to the samples grown in the absence of silicon nitride buffer layer and with silicon nitride buffer layer grown at 600 oC. Core-level photoelectron spectroscopy of SixNy layers reveals the sources for superior qualities of GaN epilayers grown with the high temperature substrate nitridation process. The discussion has been carried out on the typical inverted rectification behavior exhibited by n-GaN/p-Si heterojunctions. Considerable modulation in the transport mechanism is observed with the nitridation conditions. The heterojunction fabricated with the sample of substrate nitridation at high temperature exhibites superior rectifying nature with reduced trap concentrations. Lowest ideality factors (~1.5) are observed in the heterojunctions grown with high temperature substrate nitridation which is attributed to the recombination tunneling at the space charge region transport mechanism at lower voltages and at higher voltages space charge limited current conduction is the dominating transport mechanism. Whereas, thermally generated carrier tunneling and recombination tunneling are the dominating transport mechanisms in the heterojunctions grown without substrate nitridation and low temperature substrate nitridation, respectively. A brief comparison of the structural, optical and heterojunction properties of GaN grown on Si(100) and Si(111) has been carried out. Chapter 4 involves the growth and characterizations of InN nanostructures and thinfilms on p-Si(100) and p-Si(111) substrates. InN QDs are grown on Si(100) at different densities. The PL characteristics of InN QDs are studied. A deterioration process of InN QDs, caused by the oxygen incorporation into the InN lattice and formation of In2O3/InN composite structures was established from the results of TEM, XPS and PL studies. The results confirm the partial oxidation of the outer shell of the InN QDs, while the inner core of the QDs remains unoxidized. InN nanorods are grown on p-Si(100), structural characterizations are carried out by SEM, and TEM. InN nanodots are grown on p-Si(100), structural characterizations are performed. InN films were grown on Si(100) and Si(111) substrates and structural characterizations are carried out. Chapter 5 deals with the the heterojunction properties of InN/p-Si(100) and InN/p-Si(111).The transport behavior of the InN NDs/p-Si(100) diodes is studied at various bias voltages and temperatures. The temperature dependent ZB BH and ideality factors of the forward I-V data are observed, while it is governed through the modified Richardson’s plot. The difference in FB BH and C-V BH and the deviation of ideality factor from unity indicate the presence of inhomogeneities at the interface. The band offsets derived from C-V measurements are found to be Δ EC=1.8 eV and Δ EV =1.3 eV, which are in close agreement with Anderson’s model. The band offsets of InN/p-Si heterojunctions are estimated using XPS data. A type-III band alignment with a valence band offset of Δ EV =1.39 eV and conduction band offset of ΔEC=1.81 eV is identified. The charge neutrality level model provides a reasonable description of the band alignment of the InN/p-Si interface. The interface dipole deduced by comparison with the electron affinity model is 0.06 eV. The transport studies of InN NR/p-Si(100) heterojunctions have been carried out by conductive atomic force microscopy (CAFM) as well as conventional large area contacts. Discussion of the electrical properties has been carried out based on local current-voltage (I-V) curves, as well as on the 2D conductance maps. The comparative studies on transport properties of diodes fabricated with InN NRs and NDs grown on p-Si(100) substrates and InN thin films grown on p-Si(111) substrates have also been carried out. Chapter 6 deals with the growth and characterizations of InN/GaN heterostructures on p-Si(100) and p-Si(111) substarets and also on the InN/GaN/p-Si heterojunction properties. The X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) studies reveal a considerable variation in crystalline quality of InN with grown parameters. Deterioration in the rectifying nature is observed in the case of InN/GaN/p-Si(100) heterojunction substrate when compared to InN/GaN/p-Si (111) due to the defect mediated tunneling effect, caused by the high defect concentration in the GaN and InN films grown on Si(100) and also due to the trap centers exist in the interfaces. Reduction in ideality factor is also observed in the case of n-InN/n-GaN/p–Si(111) when compared to n-InN/n-GaN/p–Si(100) heterojunction. The sum of the ideality factors of individual diodes is consistent with experimentally observed high ideality factors of n-InN/n-GaN/p–Si double heterojunctions due to double rectifying heterojunctions and metal semiconductor junctions. Variation of effective barrier heights and ideality factors with temperature are confirmed, which indicate the inhomogeneity in barrier height, might be due to various types of defects present at the GaN/Si and InN/GaN interfaces. The dependence of forward currents on both the voltage and temperatures are explained by multi step tunneling model and the activation energis were estimated to be 25meV and 100meV for n-InN/n-GaN/p–Si(100) and n-InN/n-GaN/p–Si(111) heterojunctions, respectively. Chapter 7 gives the summary of the present study and also discusses about future research directions in this area.