O Nitreto de Gálio (GaN) é um semicondutor de gap direto, motivo de numerosas pesquisas científicas, principalmente devido a sua importância na fabricação de dispositivos de alta potência e optoeletrônicas. Ligas de GaN como InGaN e AlGaN, por exemplo, possibilitam a fabricação de LEDs e LASERs azuis. Neste nosso estudo selecionamos o Arseneto de Gálio (GaAs) como um substrato viável para síntese de GaN mediante a permuta de Arsênio (As) por Nitrogênio (N) fundamentada em três passos: a) incorporação de N por implantação iônica em GaAs (à 350, 450 ou 550 ºC) em elevadas fluências (1, 2, 3 ou 4 × 1017 N/cm2); b) maior estabilidade das ligações Ga-N frente às de Ga-As; e c) expurgo de As da região contendo N implantado mediante recozimentos (à 550, 650, 750, 850 ou 1000 ºC) sob fluxo de N2. Uma capa de ~ 125 nm de Nitreto de Silício (Si3N4) foi depositada por sputtering sobre o GaAs previamente a implantação à quente: camada de sacrifício que pode ser removida após a síntese. Análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Espectroscopia de Raios- X por Dispersão em Energia (EDS) demonstraram que, no estado como-implantado da fluência de 3 × 1017 N/cm2, formam-se bolhas de N para ambos os lados da interface Si3N4/GaAs e a região implantada do GaAs amorfiza. Após um recozimento à 850 ºC/5 min, observou-se uma elevada degradação da camada de Si3N4, fragilizada pela formação das bolhas de N. Formou-se uma camada contínua de GaN (GaN-layer) de ~ 70 nm na sua fase hexagonal, sustentada por “pilares” no substrato GaAs, entre os quais existem extensos vazios. Medidas TEM em alta resolução (HRTEM) e por Difração de Elétrons de Área Selecionada (SAED) revelaram que a GaN-layer apresenta forte tendência à epitaxia com o substrato GaAs (relações de epitaxia são aqui apresentadas), e regiões estruturalmente espelhadas (i.e., twins). SAED sobre os pilares evidenciaram uma fase transicional cúbica, com um parâmetro de rede substancialmente menor (0,42 ± 0,01) nm que o reportado na literatura (0,45 nm). Estudos por Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford e Canalização (RBS/C) mostraram que a GaN-layer é rica em N (Ga1,00N1,90, para 3 × 1017 N/cm2) e apresenta canalização (para implantações de 2 e 3 × 1017 N/cm2), confirmando o caráter monocristalino identificado por TEM. Medidas de Fotoluminescência (PL) confirmam emissão na região do gap de banda do α-GaN (~ 3,4 eV), bem como bandas associadas a defeitos estruturais do material. Também foi investigado o efeito de campos de tensão provenientes de bolhas de Hélio (He) mediante a realização da síntese a partir de substrato GaAs pré-implantado com He. Neste caso, as bolhas, que se formam no GaAs durante a implantação de N à quente e extinguem-se após recozimentos, limitam a difusão de N para o interior do substrato, conduzindo a formação de uma GaN-layer mais espessa (~ 120 nm) e com bem mais N (Ga1,00N2,80). Como consequência, a GaNlayer apresentou um caráter mais policristalino. / The Gallium Nitride (GaN) is a direct gap semiconductor, is issue of numerous scientific research, mainly due to its importance in the manufacture of high power devices and optoelectronic devices. GaN alloys, as InGaN and AlGaN, for example, enable the production of LEDs and blue LASERs. In this study, we have selected Gallium Arsenide (GaAs) as a suitable substrate for GaN synthesis through Arsenic (As) replacement by Nitrogen (N), based on three steps: a) incorporation of N by ion implantation into GaAs (at 350, 450 or 550 ºC) at high fluences (1, 2, 3 or 4 × 1017 N/cm2); b) higher stability of the Ga-N bonds compared to the Ga-As ones; and c) purge of As from the region containing implanted N by annealing (at 550, 650, 750, 850 or 1000 ºC) under N2 flow. A 125-nm cap-layer of Silicon Nitride (Si3N4) was deposited by sputtering on GaAs prior to the hot implantation: it is a sacrifice layer which can be removed after the synthesis. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analyzes demonstrated that, on the as-implanted state of the fluence of 3 × 1017 N/cm2, N bubbles are formed on both sides of the Si3N4/GaAs interface and the implanted region of GaAs amorphizes. After annealing at 850 °C/5min, a high degradation of the Si3N4 layer was observed, weakened by the formation of N bubbles. A continuous layer of GaN (GaN-layer) of ~ 70 nm was formed in its hexagonal phase, supported by “pillars” on the GaAs substrate, with extensive voids in between them. High-Resolution TEM (HRTEM) and Selected Area Electron Diffraction (SAED) measurements revealed that the GaN-layer exhibits a strong tendency to epitaxy with the GaAs substrate (epitaxial relationships are here presented), and structurally mirrored regions (i.e., twins). SAED on the pillars showed a transitional cubic phase, with a lattice parameter substantially smaller (0.42 ± 0.01) nm than the one reported in the literature (0.45 nm). Rutherford Backscattering Spectrometry studies and Channeling (RBS/C) showed that the GaN-layer is rich in N (Ga1.00N1.90, for 3 × 1017 N/cm2) and presents channeling (for implantations of 2 and 3 × 1017 N/cm2), corroborating the monocrystalline nature identified by TEM. Photoluminescence (PL) measurements confirm emission in the band gap region of a- GaN (~ 3.4 eV), as well as bands associated to structural defects in the material. It was also investigated the effect of strain fields from Helium (He) bubbles through synthesis starting up from He pre-implanted GaAs substrate. In this case, the bubbles, which are formed in the GaAs during the hot N-implantation and are annihilated after annealing, limit the N diffusion into the substrate, leading to the formation of a thicker GaN-layer (~ 120 nm) and with much more N (Ga1.00N2.80). As a result, the GaN-layer presented an aspect more polycrystalline.

<div>The purpose of this thesis was to investigate the possibility of Optical Frequency Identification (OFID) technology being used as a communication pathway for devices in LiFi systems that serve to open alternative transmission paths for Internet-of-Things infrastructure. LiFi or light-fidelity, plays off the concept of wireless-fidelity, commonly known as WiFi, and follows the trend of moving to higher frequencies within the electromagnetic spectrum. LiFi lies within the visual light and infrared wavelength range, which can be referred to as the nanometer wave range. The developed optical communication testbed is a proof of concept showing that OFID technology, enabled by Gallium Arsenide solar cell emission, can communicate with Visual Light Communication (VLC) systems. The scope of the work entails the development of a testbed for a custom optical communications testbed for OFID linked to VLC communication by sending transmissions via powerline modulation. An optical receiver circuit was developed and tested, and integration and testing for powerline communication and LED luminaire were successful. Manchester encoded data was sent at 4800 bit rate optically from an infrared light source, received by the developed receivers and was decoded. Information was successfully transmitted over powerline from computer terminal to LED luminaire output at 2400, 3600, 4800, 7200, and 9600 bit rate. Integration of these communication links did not occur due to Purdue University closure of campus related activities from COVID-19.<br></div>

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’Université de Bourgogne Franche-Comté en France et l’Université de Sherbrooke au Canada. Elle porte sur le développement d'un biocapteur miniature pour la détection et la quantification de bactéries dans des milieux liquides complexes. La bactérie visée est l’Escherichia coli (E. coli), régulièrement mise en cause dans des épidémies d'infections alimentaires, et parfois meurtrière.La géométrie du biocapteur consiste en une membrane en arséniure de gallium (GaAs) sur laquelle est déposé un film mince piézoélectrique d’oxyde de zinc (ZnO). L'apport du ZnO structuré en couche mince constitue un réel atout pour atteindre de meilleures performances du transducteur piézoélectrique et consécutivement une meilleure sensibilité de détection. Une paire d'électrodes déposée sur le film de ZnO permet de générer sous une tension sinusoïdale une onde acoustique se propageant dans le GaAs, à une fréquence donnée. La face arrière de la membrane, quant à elle, est fonctionnalisée avec une monocouche auto-assemblée (SAM) d'alkanethiols et des anticorps anti-E. coli, conférant la spécificité de la détection. Ainsi, le biocapteur bénéficie à la fois des technologies de microfabrication et de bio-fonctionnalisation du GaAs, déjà validées au sein de l’équipe de recherche, et des propriétés piézoélectriques prometteuses du ZnO, afin d’atteindre potentiellement une détection hautement sensible et spécifique de la bactérie d’intérêt. Le défi consiste à pouvoir détecter et quantifier cette bactérie à de très faibles concentrations dans un échantillon liquide et/ou biologique complexe.Les travaux de recherche ont en partie porté sur les dépôts et caractérisations de couches minces piézoélectriques de ZnO sur des substrats de GaAs. L’effet de l’orientation cristalline du GaAs ainsi que l’utilisation d’une couche intermédiaire de Platine entre le ZnO et le GaAs ont été étudiés par différentes techniques de caractérisation structurale (diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, spectrométrie de masse à ionisation secondaire), topographique (microscopie à force atomique), optique (ellipsométrie) et électrique. Après la réalisation des contacts électriques, la membrane en GaAs a été usinée par gravure humide. Une fois fabriqué, le transducteur a été testé en air et en milieu liquide par des mesures électriques, afin de déterminer les fréquences de résonance pour les modes de cisaillement d’épaisseur. Un protocole de bio-fonctionnalisation de surface, validé au sein du laboratoire, a été appliqué à la face arrière du biocapteur pour l’ancrage des SAMs et des anticorps, tout en protégeant la face avant. De plus, les conditions de greffage d’anticorps en termes de concentration utilisée, pH et durée d’incubation, ont été étudiées, afin d’optimiser la capture de bactérie. Par ailleurs, l’impact du pH et de la conductivité de l’échantillon à tester sur la réponse du biocapteur a été déterminé. Les performances du biocapteur ont été évaluées par des tests de détection de la bactérie cible, E. coli, tout en corrélant les mesures électriques avec celles de fluorescence. Des tests de détection ont été réalisés en variant la concentration d’E. coli dans des milieux de complexité croissante. Différents types de contrôles ont été réalisés pour valider les critères de spécificité. En raison de sa petite taille, de son faible coût de fabrication et de sa réponse rapide, le biocapteur proposé pourrait être potentiellement utilisé dans les laboratoires de diagnostic clinique pour la détection d’E. coli. / This thesis was conducted in the frame of an international collaboration between Université de Bourgogne Franche-Comté in France and Université de Sherbrooke in Canada. It addresses the development of a miniaturized biosensor for the detection and quantification of bacteria in complex liquid media. The targeted bacteria is Escherichia coli (E. coli), regularly implicated in outbreaks of foodborne infections, and sometimes fatal.The adopted geometry of the biosensor consists of a gallium arsenide (GaAs) membrane with a thin layer of piezoelectric zinc oxide (ZnO) on its front side. The contribution of ZnO structured in a thin film is a real asset to achieve better performances of the piezoelectric transducer and consecutively a better sensitivity of detection. A pair of electrodes deposited on the ZnO film allows the generation of an acoustic wave propagating in GaAs under a sinusoidal voltage, at a given frequency. The backside of the membrane is functionalized with a self-assembled monolayer (SAM) of alkanethiols and antibodies anti-E. coli, providing the specificity of detection. Thus, the biosensor benefits from the microfabrication and bio-functionalization technologies of GaAs, validated within the research team, and the promising piezoelectric properties of ZnO, to potentially achieve a highly sensitive and specific detection of the bacteria of interest. The challenge is to be able to detect and quantify these bacteria at very low concentrations in a complex liquid and/or biological sample.The research work partly focused on the deposition and characterization of piezoelectric ZnO thin films on GaAs substrates. The effect of the crystalline orientation of GaAs and the use of a titanium / platinum buffer layer between ZnO and GaAs were studied using different structural (X-ray diffraction, Raman spectroscopy, secondary ionization mass spectrometry), topographic (atomic force microscopy), optical (ellipsometry) and electrical characterizations. After the realization of the electrical contacts on top of the ZnO film, the GaAs membrane was micromachined using chemical wet etching. Once fabricated, the transducer was tested in air and liquid medium by electrical measurements, in order to determine the resonance frequencies for thickness shear mode. A protocol for surface bio-functionalization, validated in the laboratory, was applied to the back of the biosensor for anchoring SAMs and antibodies, while protecting the top side. Furthermore, different conditions of antibody grafting such as the concentration, pH and incubation time, were tested to optimize the immunocapture of bacteria. In addition, the impact of the pH and the conductivity of the solution to be tested on the response of the biosensor has been determined. The performances of the biosensor were evaluated by detection tests of the targeted bacteria, E. coli, while correlating electrical measurements with fluorescence microscopy. Detection tests were completed by varying the concentration of E. coli in environments of increasing complexity. Various types of controls were performed to validate the specificity criteria. Thanks to its small size, low cost of fabrication and rapid response, the proposed biosensor has the potential of being applied in clinical diagnostic laboratories for the detection of E. coli.

In dieser Arbeit wurden tiefe Zentren in p-leitendem Zinkselenid mittels Kapazitaetstransientenspektroskopie untersucht. Es wurden Au/p-ZnSe/p-GaAs-Schichtstrukturen verwendet Mit Strom-Spannungs- und Kapazitaets-Spannungs-Messungen erfolgte eine Vorcharakterisierung der Proben. Dies lieferte Aussagen zu den bei kleinen Spannungen wirkenden Barrieren des Schottky-Kontaktes und des Hetero¨uberganges und die Bandkantenoffsets. Die effektiven Akzeptorkonzentrationen im p-ZnSe wurden bestimmt. Mit der DLTS wurden vier Loecher-Haftstellen in den p-ZnSe-Schichten gefunden. Ihre thermischen Aktivierungsenergien waren 0,40eV, 0,62eV, 0,83eV und 0,65eV. Die Konzentration des tiefen Zentrums HT nimmt bei Temperung ¨uber 450~K zu; moeglicherweise aufgrund einer Eindiffusion des als Schottky-Kontakt dienenden Goldes. Einfangmessungen fuer das Zentrum HT ergaben einen thermisch aktivierten Einfang mit Multiphononenemission bei einer Einfangbarriere von 0,46eV. Die Entropieaenderung bei der Emission aus dem Zentrum HT wurde bestimmt. Die Emission aus dem Zentrum HT laeuft schneller als der Einfang ab. Moegliche Gruende dafuer werden diskutiert. Mit Isothermalen Kapazitaetstransienten-Messungen und Spannungsvariationen wurde das Emissionsverhalten des tiefen Zentrums HT weitergehend untersucht. Transparente Gold-Kontakte gestatteten eine Beeinflussung der Emissionstransienten mittels Lichteinstrahlung durch den Schottky-Kontakt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Ag/organischen Schichten/GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt, um den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die chemischen und strukturellen Eigenschaften beider Grenzflächen, sowie auf die Morphologie, Struktur und Kristallinität von organischen Schichten zu charakterisieren. Die molekularen Schichten von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) werden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt. Weiterhin wird der Einfluss des Substrats untersucht, indem PTCDA-Wachstum auf H-passiviertem Si(100):1x1 durchgeführt wird. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Ramanspektroskopie eingesetzt. Diese ist eine nicht-destruktive Methode, die auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die komplementäre Infrarotspektroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung (XRD) werden zur Ergänzung des Verständnisses der Heterostruktureigenschaften verwendet. Die Empfindlichkeit von Raman- und Infrarot-Spektroskopien auf die chemisch unterschiedlichen Endgruppen wird durch experimentelle Untersuchungen an PTCDA- und DiMe-PTCDI-Kristallen, beziehungsweise dicken Schichten und mit Hilfe theoretischer Berechnungen nachgewiesen. So wird zum ersten Mal eine vollständige Zuordnung der Schwingunsfrequenzen zu den internen Schwingungsmoden von DiMe-PTCDI vorgeschlagen. Im niedrigen Frequenzbereich der Ramanspektren werden die externen molekularen Schwingungsmoden, oder molekularen „Phononen“, die eine Signatur der Kristallinität darstellen, beobachtet. Die Phononen von DiMe-PTCDI werden in dieser Arbeit zum ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Mittels resonanter Ramanspektroskopie wird die Detektion von C-H-Deformationsmoden und C-C-Streckmoden sogar im Sub-Monolagenbereich molekularer Bedeckung auf Halbleiteroberflächen möglich. Anhand dieser Ramanspektren konnte die Art der Wechselwirkung zwischen Molekülen und passivierten Oberflächen näher charakterisiert werden. Zusätzliche Information bringen die GaAs LO- und Plasmon-gekoppelten LO- Phononen, deren Intensitätsverhältnis im Ramanspektrum die Bandverbiegung im GaAs-Substrat widerspiegelt. Die Kristallinität der hergestellten organischen Schichten mit Dicken größer als 2 nm wird durch Beobachtung der molekularen „Phononen“ nachgewiesen. Als allgemeine Tendenz konnte bewiesen werden, dass mit steigender Substrattemperatur während des Wachstums größere Kristalldomänen entstehen. Weiterhin wird eine Methode vorgeschlagen, um den Anteil von zwei PTCDA- Kristallphasen mit ähnlichen Gitterparametern anhand der Raman- beziehungsweise XRD-Spektren zu bestimmen. Durch ihre sehr gute Ordnung können die DiMe-PTCDI- Schichten als Modellsystem dienen, um eine Methode zu entwickeln, die die Molekülorientierung im Bezug zum Substrat aus polarisationsabhängigen Raman- und Infrarotmessungen bestimmt. Bei der Metall-Bedampfung wird die Empfindlichkeit der Ramanstreuung an internen molekularen Schwingungsmoden von PTCDA und DiMe-PTCDI-Schichten durch oberflächenverstärkte Ramanstreuung (SERS) erhöht. Anhand der unterschiedlichen Signalverstärkungsmechanismen werden Informationen über die Ag/Molekül- Wechselwirkung und die Morphologie der Ag-Schichten abgeleitet.

Im Rahmen dieser Arbeit werden drei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Metall/organische Schicht/S-GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die elektronischen und chemischen Eigenschaften der Grenzflächen, sowie auf die molekulare Orientierung in den organischen Schichten nachzuweisen. Die Moleküle 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA), 3,4,9,10-PerylenTetraCarbonsäure DiImid (PTCDI) und Dimethyl-3,4,9,10-PerylenTetraCarbonsäure DiImid (DiMe-PTCDI) wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf Schwefel-passivierte GaAs(100):2x1-Substrate aufgedampft. Oberflächensensitive Charakterisierungsverfahren wie Photoemissionsspekroskopie (PES), Inverse Photoemissionsspektroskopie (IPES) und Nahkantenröntgenfeinstrukturmessungen (NEXAFS) wurden zur Charakterisierung eingesetzt. Theoretische Berechnungen mit Hilfe von Dichte-Funktional-Methoden wurden durchgeführt, um eine Zuordnung von verschiedenen Komponenten in Rumpfniveauspektren zu ermöglichen. Die NEXAFS-Messungen ermöglichen eine genaue Bestimmung der Molekülorientierung in Bezug zum Substrat. So lässt sich nachweisen, dass eine kleine Änderung von chemischen Endgruppen z.B. bei DiMe-PTCDI verglichen mit PTCDI, eine dramatische Änderung der Molekülorientierung hervorruft. Die Valenzbandspektren von DiMe-PTCDI zeigen eine energetische Dispersion von 0.2 eV, die auf eine -Orbital-Überlappung zurückzuführen ist und die Ausbildung von Valenzbändern belegt. Die Energieniveauanpassung an der organische Schicht/S-GaAs-Grenzfläche, sowie die Transport-Bandlücke von PTCDI, DiMe-PTCDI und PTCDA wurden mit Hilfe von PES und IPES bestimmt. Die elektronischen, chemischen und strukturellen Eigenschaften von Metall/Organische Schicht- Grenzflächen wurden mit Hilfe von Rumpfniveauspektroskopie und NEXAFS untersucht. Mg reagiert stark mit den Endgruppen von PTCDA und PTCDI, währenddessen die In-Atome an einem Ladungstransferprozess mit den Perylen-Kernen aller dreien Molekülen beteiligt sind, wobei der Betrag der transferierten Ladung maximal für den Fall von PTCDI wird. Während Mg sehr wenig in die organischen Schichten diffundiert, zeigt In sehr starke Eindiffusion in PTCDA-Schichten und schwache in PTCDI-Schichten.

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The purpose of this thesis is to investigate the nonlinear phenomena known as doubly-stimulated, non-degenerate two-photon emission (ND-2PE) in Gallium Arsenide (GaAs). 2PE refers to the simultaneous emission of two-photons as electrons move from the conduction band in a direct gap semiconductor to the valence band. Following the same path for describing one-photon emission (1PE) we describe 2PE as a product of the irradiance, and the negative of the loss which in this case is two-photon absorption, , the negative coming from the population inversion. We attempt to observe 2PE by using a frequency non-degenerate pump-probe experiment in which a third beam optically excites a 4 µm thick GaAs sample. We use nondegenerate beams in hopes of utilizing the 3-orders of magnitude enhancement seen in twophoton absorption (2PA) by going to extreme nondegeneracy (END) to enhance 2PE. GaAs is chosen due to the availability of the appropriate wavelengths, the maturity of the GaAs technology, its use in optoelectronic devices and its ability to be electrically pumped. During the experimental development we learn how to effectively etch and manipulate thin GaAs samples and model the transmission spectrum of these samples using thin film transmission matrices. We are able to match the measured transmission spectrum with the theoretical transmission spectrum. Here we etch the bulk GaAs left on the sample leaving only the 4 µm thickness of molecular beam epitaxial grown GaAs plus additional layers of aluminum gallium arsenide (AlGaAs). These samples were grown for us by Professor Gregory Salamo of the University of Arkansas. iv Using the pump-probe experiment on the 4 µm GaAs sample, we measure the change of the 2PA due to the presence of optically excited carriers. The goal is to reduce the 2PA signal to zero and then invert the 2PA signal indicating an increase in transmission indicative of 2PE when the population is inverted. Our results show that we achieve a 45% reduction in the 2PA signal in a 4 μm thick GaAs sample due to the excited carriers. Unfortunately, we currently cannot experimentally determine whether the reduction is strictly due to free-carrier absorption (FCA) of our pump or possibly due to a change in the two-photon absorption coefficient. We measure the transmission of various wavelengths around the bang gap of GaAs as a function of excitation wavelength and achieve a transmittance of ~80% which we attribute to possibly be one photon gain (1PG) at 880 nm. We also go to cryogenic temperatures to concentrate the carriers near the bottom of the conduction band and improve the theoretical gain coefficient for 2PE. Unfortunately, we do not observe a measurable change in 2PA with the addition of optically excited carriers. Along with FCA of our infrared pump we suspect that the difficulties in this first set of experiments are also a result or radiative recombination due to amplified spontaneous emission reducing our free carrier density along with the fact that 4 m is too thick for uniform excitation. We now have 1 m samples from Professor Gregory Salamo which we hope will give better and more definitive results