Der Einfluss der Modifikation der technologisch relevanten GaAs(100) Oberfläche durch Chalkogene, i.e. Selen, Schwefel und Tellur, wird in dieser Arbeit untersucht. Es wird ein Modell vorgestellt, das die Eigenschaften der modifizierten Oberfläche beschreibt. In einem zweiten Schritt werden die so modifizierten Oberflächen mit Metallen unterschiedlicher Reaktivität und verschiedenen Elektronegativitäten bedampft. Die Bandbreite dieser Eigenschaften wird durch die Metalle Indium und Silber, das Alkalimetall Natrium, das Erdalkalimetall Magnesium und das Halbmetall Antimon abgebildet. Die Untersuchung des Einflusses der Chalkogene auf die chemischen Eigenschaften und die Barrierenhöhe der Metall/GaAs(100) Grenzfläche bilden einen weiteren Schwerpunkt. Die Änderung der Barrierenhöhe wird dabei mit Hilfe des Modells metallinduzierter Bandlückenzustände (metal induced gap states) erklärt. Als experimentelle Techniken werden Photoemissionsspektroskopie, Raman Spektroskopie und Strom-Spannungsmessungen verwendet. / The influence of a modification of the technological relevant GaAs(100) surface by chalcogens, i.e. selenium, sulphur and tellurium, is evaluated in this work. A model is proposed, which describes the properties of the modified surface. In a second step metals of different reactivity and electronegativity have been evaporated onto these modified surfaces. Among these materials were the metals indium and silver, the alkali metal sodium, the earth alkali metal magnesium and the half metal antimony. The investigation of the influence of chalcogens on the chemical properties and the barrier height of the metal/GaAs(100) interface is another point of interest. The change in barrier height is explained by the model of metal induced gap states (MIGS). Photoemission spectroscopy, Raman spectroscopy and current-voltage-measurement have been used as experimental techniques.

L'intégration de semiconducteurs III-V à gap direct sur silicium est un enjeu de taille pour le développement de l'optoélectronique. En effet, si le silicium est aujourd'hui à la base de la microélectronique, la nature indirecte de son gap en fait un très mauvais émetteur de lumière. Parmi les matériaux candidats à l'intégration, l'In(Ga)As présente l'avantage d'un gap direct plus faible que le silicium, favorisant un comportement de puits de potentiel pour les paires électrons-trous. En revanche, le fort désaccord paramétrique entre les deux matériaux fait de la croissance épitaxiale d'In(Ga)As sur silicium un sérieux défi pour le physicien. Cette thèse est focalisée sur l'étude par faisceaux d'ions de boîtes quantiques (BQs) d'In(Ga)As épitaxiées sur silicium et de leur encapsulation ultérieure par du silicium. L'analyse par rétrodiffusion élastique à haute énergie (RBS) a permis de quantifier la composition des îlots d'In(Ga)As et de la couche cap de Si. Des phénomènes d'exo-diffusion d'indium et la présence d'espèces en excès ont été mis en évidence. En pratiquant l'analyse en géométrie de canalisation (RBS-C), nous avons pu caractériser l'épitaxie des BQs sur le substrat ainsi que celle de la couche cap. La deuxième technique utilisée dans ce travail est l'analyse par rétrodiffusion élastique à moyenne énergie (MEIS), qui permet de profiler composition, défauts cristallins, et déformation avec une résolution sub-nanométrique au voisinage de la surface de la cible. Les spectres MEIS en modes aléatoire et canalisé ont permis d'obtenir le profil de composition et de défauts du plan de BQs. Enfin, la déformation du cristal d'In(Ga)As par rapport au monocristal de silicium du substrat a été étudiée grâce à l'effet de blocage du flux d'ions rétrodiffusés qui permet d'observer les ombres des axes et des plans cristallographiques.

Carrier, spin, charge current, and spin current injection by one- and two-color optical schemes are investigated within 30-band k·p theory. Parameters of the band model are optimized to give full-Brillouin zone band structures for GaAs and Ge that give accurate Γ-point effective masses and gyromagnetic factors and give access to the L valley, and to the E₁ and E₁+Δ₁ critical points in the linear optical absorption. Calculations of one- and two-photon carrier and spin injection and two-color current injection are performed for excitation energies in the range of 0—4 eV in GaAs and 0—3.5 eV in Ge. Significant spin and spin current injection occurs with 30% spin polarization in GaAs and Ge at photon energy matching the E₁ critical point. Further, the anisotropy and disparity of the current injection between parallel and perpendicular linearly-polarized beam configurations are calculated. For light propagating along a <111> crystal axis, anisotropic contributions in coherent current control and two-photon spin injection give rise to normal current components and in-plane spin components. In Ge, contributions from the holes to spin, electrical current, and spin current injection are investigated. Optical orientation results in 83% spin-polarized holes at the band edge. The effects of carrier dynamics in Ge are treated within a rate-equation model. The detection of spin dynamics in a pump-probe setup is considered, and the Fermi-factor approach is justified for electrons but not for holes. Carrier and current injection are further investigated in single-layer and bilayer graphene within the tight-binding model. In single-layer graphene, the linear-circular dichroism in two-photon absorption yields an absorption coefficient that is twice as large for circularly polarized light compared to linearly polarized light. Coherent current injection is largest for co-circularly polarized beams and zero for cross-circularly polarized beams. For linearly polarized beams, the magnitude of the injected current is independent of beam polarizations. In contrast, the injected current in bilayer graphene shows disparity between parallel and perpendicular configurations of the beams. The resulting angular dependence of the current is a macroscopic, measurable consequence of interlayer coupling in the bilayer.

Carrier, spin, charge current, and spin current injection by one- and two-color optical schemes are investigated within 30-band k·p theory. Parameters of the band model are optimized to give full-Brillouin zone band structures for GaAs and Ge that give accurate Γ-point effective masses and gyromagnetic factors and give access to the L valley, and to the E₁ and E₁+Δ₁ critical points in the linear optical absorption. Calculations of one- and two-photon carrier and spin injection and two-color current injection are performed for excitation energies in the range of 0—4 eV in GaAs and 0—3.5 eV in Ge. Significant spin and spin current injection occurs with 30% spin polarization in GaAs and Ge at photon energy matching the E₁ critical point. Further, the anisotropy and disparity of the current injection between parallel and perpendicular linearly-polarized beam configurations are calculated. For light propagating along a <111> crystal axis, anisotropic contributions in coherent current control and two-photon spin injection give rise to normal current components and in-plane spin components. In Ge, contributions from the holes to spin, electrical current, and spin current injection are investigated. Optical orientation results in 83% spin-polarized holes at the band edge. The effects of carrier dynamics in Ge are treated within a rate-equation model. The detection of spin dynamics in a pump-probe setup is considered, and the Fermi-factor approach is justified for electrons but not for holes. Carrier and current injection are further investigated in single-layer and bilayer graphene within the tight-binding model. In single-layer graphene, the linear-circular dichroism in two-photon absorption yields an absorption coefficient that is twice as large for circularly polarized light compared to linearly polarized light. Coherent current injection is largest for co-circularly polarized beams and zero for cross-circularly polarized beams. For linearly polarized beams, the magnitude of the injected current is independent of beam polarizations. In contrast, the injected current in bilayer graphene shows disparity between parallel and perpendicular configurations of the beams. The resulting angular dependence of the current is a macroscopic, measurable consequence of interlayer coupling in the bilayer.

Une des forces des semi-conducteurs composés et de leurs alliages est de permettre une ingénierie très flexible des structures de bande et de couvrir une large bande spectrale intéressant de nombreuses applications optoélectroniques. De plus, il est possible de les réaliser sous forme de puits et boîtes quantiques, qui constituent des émetteurs efficaces pour les diodes laser. Mes travaux de thèse s'inscrivent dans le contexte du développement de nouvelles hétérostructures quantiques pour la filière GaAs en vue d'étendre sa gamme d'application. En premier lieu, la reprise d'épitaxie par jet moléculaire des puits quantiques de GaInAs et la croissance dirigée des boites quantiques d'InAs sur des surfaces nanostructurées de GaAs ont été visées. La structuration de surface a été réalisée par un procédé de nanoimpression que nous avons mis au point et par lithographie électronique. La désoxydation in situ par plasma hydrogène et sous flux de gallium a été étudiée et des surfaces lisses et propres ont été obtenues. L'influence de l'orientation et de la dimension des motifs sur les nanostructures a été précisée. La luminescence des nanostructures à température ambiante a été démontrée. En second lieu, la croissance des puits quantiques de GaAsBi a été développée après une optimisation des conditions de croissance de couches épaisses de GaAsBi. Une émission à température ambiante d'une longueur d'onde de 1.22 μm a été mesurée pour un puits contenant 7% de bismuth. Il présente des interfaces planes, une épaisseur uniforme et est déformé élastiquement. Par ailleurs, la présence d'états localisés a été mise en évidence par spectroscopie de photoluminescence. Nous avons montré que les recuits ne parviennent pas à guérir ces défauts.

L'autocollimation permet de propager un faisceau lumineux sans étalement latéral et en l'absence de tout guide optique. Cette thèse traite de la conception de cavités membranaires GaAs à autocollimation pour démontrer une nouvelle génération de cavité laser, ici émettant aux environs de 1 µm. La première partie concerne l'étude théorique d'une cavité à autocollimation reposant sur un cristal photonique à maille carrée. Un modèle d'onde plane est développé pour simuler la propagation de modes dans ce milieu. Le dimensionnement, les propriétés de guidage et de sélectivité spectrale et spatiale d'une cavité à autocollimation sont analysées. La deuxième partie évalue la fabrication d'une cavité membranaire GaAs à cristal photonique en régime d'autocollimation. Ce travail passe par la mise au point d'un procédé de masquage et de gravure RIE spécifique. Un second volet porte sur la minimisation des dégradations du matériau actif induites lors de la fabrication. Sur ce point, un modèle balistique a été développé pour estimer le temps de gravure optimal et réduire ainsi les défauts générés lors de la gravure. Des voies de passivations électroniques post-process à base de sulfures et nitrures sont également examinées.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'outil d'épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la synthèse avec et sans catalyseur de nanofils semiconducteurs GaN et GaAs. Une étude systématique de l'influence des conditions expérimentales sur la croissance des fils de GaN est effectuée, afin de démontrer la faisabilité de cette croissance sur la surface des substrats saphir plan-c et silicium sans aucun traitement de la surface préalablement à la croissance. Nous avons démontré la croissance par VLS-HVPE, de nanofils de GaN de diamètres constants de 40 à 200 nm, de longueurs supérieures à 60 μm et présentant des qualités optique et cristallographique remarquables. Pour les nanofils de GaAs, la stabilité, inédite, de la phase cubique zinc-blende pour des diamètres de 10 nm a été démontrée par le procédé de croissance VLS-HVPE sur des longueurs de quelques dizaines de micromètres. Les mécanismes de croissance sont discutés à partir des diagrammes de phase et de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. Pour les semiconducteurs III-V, cette étude permet d'envisager des applications liées aux nanofils longs qui jusque là n'étaient exploitées que pour le silicium. Ces travaux montrent que dans le contexte des Nanosciences, la HVPE, outil épitaxial à fortes vitesses de croissance, mérite une audience élargie, et peut s'inscrire comme un outil complémentaire efficace aux procédés MOVPE et MBE pour le façonnage contrôlé de la matière à l'échelle nanométrique.

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques InAs/GaAs contenues dans un fil photonique. Des résultats antérieurs à cette thèse ont montré que ces fils photoniques permettent d'extraire les photons avec une efficacité très élevée.Le premier résultat original de ce travail est l'observation de la dérive temporelle de la raie d'émission de la photoluminescence d'une boîte quantique. Cet effet a été attribué à la lente modification de la charge de surface du fil due à l'absorption des molécules d'oxygène présentes dans le vide résiduel du cryostat. Nous avons montré qu'une fine couche de Si3N4 permettait de supprimer cette dérive. La dérive temporelle pouvant être différente pour différentes boites quantiques, nous avons pu tirer partie de cet effet pour mettre en résonance deux boites quantiques contenues dans le même fil.Le deuxième résultat original est la mise en évidence de la modification de l'énergie d'émission d'une boîte quantique soumise à une contrainte mécanique induite par la vibration du fil. Nous avons observé que le spectre de la raie d'émission d'une boîte quantique s'élargit considérablement lorsque le fil est mécaniquement excité à sa fréquence de résonance. A l'aide d'une illumination stroboscopique synchronisée avec l'excitation mécanique, nous avons pu reconstruire l'évolution du spectre d'une boîte quantique au cours d'une période de la vibration mécanique. L'amplitude de l'oscillation spectrale de la raie de luminescence dépend de la position de la boîte dans le fil à cause d'un très fort gradient de contrainte. En utilisant deux modes d'oscillation mécanique de polarisations linéaires et orthogonales, nous pouvons extraire une cartographie complète de la position des boîtes quantiques à l'intérieur du fil. Enfin, grâce à ce gradient, on peut, dans certains cas, trouver une position du fil pour laquelle deux boites quantiques peuvent être amenées en résonance.

Les composants hyperfréquences embarqués dans des satellites utilisent actuellement l'encapsulation hermétique dans des boîtiers métalliques ou céramiques. La très forte amélioration des matériaux organiques en termes de dégazage et d'impureté ionique notamment rend possible l'utilisation de solutions quasi-hermétiques pour l'environnement spatial. Les encapsulations plastiques ouvrent des perspectives avérées de gain de dimension et de coût. La validation d'une technologie d'encapsulation repose sur la réalisation d'essais de fiabilité normatifs (1000 heures à 85°C et 85% d'humidité relative). Ces essais sont applicables quels que soient le profil de stockage de la mission, le type d'encapsulation et la technologie des composants utilisés. Les conditions de réalisation de ces essais ne sont pas clairement définies, par exemple l'application ou pas d'un fort champ électrique au niveau du composant. Or ce seul paramètre devient prépondérant lorsque les conditions sont réunies pour permettre la mise en place de phénomènes de corrosion. Ces travaux de thèse se sont axés sur la compréhension des mécanismes de défaillance mis en jeu dans des tests de vieillissement accéléré en chaleur humide. Pour cela, une méthodologie a été mise en œuvre pour établir les signatures électriques en statique de composants défaillants de deux filières technologiques de MMICs GaAs. Ces tests ont été reproduits sur des composants avec et sans encapsulation par une résine époxyde chargée silice, déposée selon le procédé dam-and-fill. Ainsi, il a été possible de distinguer les défaillances liées à la dégradation intrinsèque des composants, de l'effet protecteur ou non de l'encapsulation plastique. En parallèle, le comportement d'échantillons de résines sous différentes ambiances de chaleur humide a été testé et une modélisation a été proposée pour prédire leur prise d'humidité. Concernant l'effet de l'encapsulation par dam-and-fill, les résultats obtenus ont été contradictoires et dépendant des lots de composants. Ces résultats sont à pondérer par la taille restreinte de l'échantillonnage des files de test. En effet, pour la technologie représentative de cette étude, la présence d'une encapsulation plastique, pour un premier lot de composants, a eu tendance d'une part, à ne pas éviter ni même retarder l'apparition de fuites électriques, et d'autre part à aggraver ces dégradations, au point de mener à des défaillances dans la majorité des cas. De plus, des doutes subsistent sur la qualité de ce lot, notamment celle de la passivation. Pour un second lot de composants testés de technologie identique, il a été observé une amélioration de la résistance à l'humidité des composants encapsulés, vis-à-vis des puces nues. L'analyse de défaillance des composants encapsulés est extrêmement difficile car il faut pouvoir accéder aux défauts à la surface, voire sous la surface, du composant protégé. Une solution alternative a donc été cherchée afin de contourner les problèmes posés par la présence du matériau d'encapsulation. La nouvelle approche proposée combine la thermographie infrarouge avec la méthode du point chaud, l'imagerie en optique et l'analyse aux rayons X. Le défaut est tout d'abord localisé par la face avant, malgré la présence de la résine d'encapsulation. Ensuite, la transparence du substrat GaAs aux infrarouges permet des observations par la face arrière du composant. Une méthodologie de préparation relativement simple et rapide a pu être proposée et sa faisabilité démontrée.

In this work, the electronic band structure of III (In, Al, Ga) - V (N, As, Sb) compounds and their ternary alloys have been investigated by density functional theory (DFT) within generalized gradient approximation (GGA) and empirical tight binding (ETB) calculations, respectively. The present DFT-GGA calculations have shown direct band gap structures in zinc-blende phase for InN, InAs, InSb, GaN, and GaAs. However, indirect band gap structures have been obtained for cubic AlN, AlSb and AlAs com- pounds / here, the conduction band minima of both AlN and AlAs are located at X symmetry point, while that of AlSb is at a position lying along Gamma- X direction. An important part of this work consists of ETB calculations which have been parameterized for sp3d2 basis and nearest neighbor interactions to study the band gap bowing of III(In / Al)- V(N / As / Sb) ternary alloys. This ETB model provides a satisfactory electronic properties of alloys within reasonable calculation time compared to the calculations of DFT. Since the present ETB energy parameters reproduce successfully the band structures of the compounds at &iexcl / and X symme- try points, they are considered reliable for the band gap bowing calculations of the ternary alloys. In the present work, the band gap engineering of InNxAs1&iexcl / x, InNxSb1&iexcl / x, InAsxSb1&iexcl / x, Al1&iexcl / xInxN, Al1&iexcl / xInxSb and Al1&iexcl / xInxAs alloys has been studied for total range of constituents (0 &lt / x &lt / 1). The downward band gap bowing seems the largest in InNxAs1&iexcl / x alloys among the alloys considered in this work. A metallic character of InNxAs1&iexcl / x, InNxSb1&iexcl / x and InAsxSb1&iexcl / x has been ob- tained in the present calculations for certain concentration range of constituents (N / As) as predicted in the literature. Even for a small amount of contents (x), a decrease of the electronic e&reg / ective mass around &iexcl / symmetry point appears for InNxAs1-x, InNxSb1-x and InAsxSb1-x alloys manifesting itself by an increase of the band curvature. The calculated cross over from indirect to direct band gap of ternary Al alloys has been found to be consistent with the measurements. As a last summary, the determinations of the band gaps of alloys as a function of contents, the concentration range of con- stituents leading to metallic character of the alloys, the change of the electronic effective mass around the Brillioun zone center (Gamma) as a function of alloy contents, the cross over from indirect to direct band gap of the alloys which are direct on one end, indirect on the other end, are main achievements in this work, indispensable for the development of mate- rials leading to new modern circuit components.