Pendant que la menace potentielle du bioterrorisme augmente, il y a grand besoin d'un outil qui peut détecter les agents biologiques contaminants dans l'environnement de façon rapide, fiable et précise. Par contre, les méthodes traditionnelles utilisées nécessitent l'utilisation de laboratoires d'analyse sophistiquée, souvent dans des installations centralisées, ce qui demande un capital considérable et une main-d'oeuvre hautement qualifiée. Il est possible de développé des dispositifs basés sur les biocapteurs à faible coût et très efficace à la détection d'agents biologiques. De plus, ils peuvent être utilisés dans d'autres domaines, au jour le jour, tel pour la surveillance de contaminants dans les produits comestibles. Dans le but de résoudre ce problème, une nouvelle approche pour la fabrication d'un biocapteur optique a été développée. Celui-ci serait capable de détecter, de façon directe, des micro-organismes qui seraient immobilisés à sa surface plus rapidement et plus aisément qu'avec les méthodes conventionnelles. En effet, les expériences présentées visent la fabrication d'un biocapteur suite à la déposition de molécules biochimiques sur une hétérostructure de GaAs/ALGaAs. Le biocapteur ainsi produit tire parti de la photoluminescence émise par ce semi-conducteur quantique III-V pour la détection de microorganismes immobilisés spécifiquement et négativement chargés. La présente recherche est basée sur des techniques novatrices de biocapteurs pour lesquelles il existe peu de littérature. Les travaux expérimentaux et les explications théoriques se révèlent ainsi de nature très exploratoires. Les résultats préliminaires obtenus ont d'ailleurs été similaires aux prédictions initiales. De plus, les détails théoriques et explications physiques permettent de comprendre l'origine des résultats obtenus et d'établir, de manière convaincante, les procédures à suivre pour une architecture optimale. Je rapporte ainsi l'étude de la bio-fonctionnalisation du GaAs (001) visant l'immobilisation d'anticorps polyclonaux selon deux architectures différentes. De plus, les architectures proposées ont leurs régions actives ouvertes à l'environnement, pour permettre des mesures en continues et, en plus d'être des systèmes offrant la possibilité de multiplexage, offrent un potentiel de mesures en parallèle, pour un grand nombre de mesures en simultanées. Les résultats obtenus démontrent l'immobilisation réussie ainsi que la détection effectuée du virus de l' influenza A et des bactéries Escherichia coli et Legionella pneumophila respectivement. Enfin, les avantages et les limites de chaque architecture ont ensuite été détaillés.

Semiconductor surfaces coupled to molecular structures derived from organic chemistry form the basis of an emerging class of field-effect devices. In addition to molecular electronics research, these interfaces are developed for a variety of sensor applications in the electronic and optical domains. Of practical interest are self-assembled monolayers (SAMs) comprised of n-alkanethiols [HS(CH[subscript 2])[subscript n]R], which couple to the GaAs(001) surface through S-GaAs covalent bond formation. These SAMs offer potential functionality in terms of the requisite sensor chemistry and the passivation effect such coupling is known to afford. In this thesis, the SAM-GaAs interface is investigated in the context of a photonic biosensor based on photoluminescence (PL) variation. The scope of the work is categorized into three parts: i) the structural and compositional analysis of the surface using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ii) the investigation of electronic properties at the interface under equilibrium conditions using infrared (IR) spectroscopy, the Kelvin probe method, and XPS, and iii) the analysis of the electro-optic response under steady-state photonic excitation, specifically, the surface photovoltage (SPV) and PL intensity. Using a partial overlayer model of angle-resolved XPS spectra in which the component assignments are shown to be quantitatively valid, the coverage fraction of methyl-terminated SAMs is shown to exceed 90%. Notable among the findings are a low-oxide, Ga-rich surface with elemental As present in sub-monolayer quantities consistent with theoretical surface morphologies. Modal analysis of transmission IR spectra show that the SAM molecular order is sufficient to support a Beer-Lambert determination of the IR optical constants, which yields the observation of a SAM-specific absorbance enhancement. By correlation of the IR absorbance with the SAM dipole layer potential, the enhancement mechanism is attributed to the vibrational moments added by the electronic polarizability in the static field of the SAM. Lastly, the surface Fermi level position is determined by XPS and is used to interpret SPV results in terms of a thiol-induced reduction of the surface cross-section for minority carrier-capture. Numerical analysis confirms this result based on the carrier transport theory of PL intensity by means of a reduction of the surface recombination velocity.

Le couplage d'un métal ferromagnétique (MF) et d'un semiconducteur (SC) permettrait d'intégrer un nouveau degré de liberté - le spin - aux propriétés logiques et optiques des semiconducteurs. Cependant, l'élaboration de jonctions tunnel magnétiques (JTM) couplant ces deux types de matériaux (barrières MF/SC/MF) présente des difficultés majeures. En effet, à la température de croissance optimale de la barrière semiconductrice (∼580 ◦C), le métal de l'électrode inférieure diffuse à travers l'interface pour s'incorporer à la barrière et ainsi réduire les effets de magnétorésistance. Pour éviter l'interdiffusion, la barrière doit être élaborée à basse température. Ce procédé implique l'incorporation d'antisites d'As dans la barrière SC qui réduit, encore une fois, les effets magnétorésistifs. Le couple MnAs/GaAs est considéré comme un bon candidat pour la réalisation de jonction hybride MF/SC /MF à cause de la faible réactivité et de la forte polarisation à l'interface. Afin de faire croître des JTM de bonne qualité chimique et cristalline, nous avons étudié des jonctions tunnel originales où l'électrode inférieure est une couche de clusters de MnAs dans une matrice de GaAs (GaAs:MnAs). Cet électrode est couvert par une barrière de SC III-V et par une électrode supérieure composée par une couche continue de MnAs. Le protocole de croissance de l'électrode inférieure (recuit in situ d'une couche de GaMnAs à T>500řC) permet simultanément de recuire la barrière semiconductrice et d'augmenter considérablement la qualité structurale et chimique de la barrière. Ce travail a été réalisé en trois parties. Dans un premier temps, les conditions d'élaboration de couches de GaAs:MnAs/GaAs(001) et de MnAs/GaAs(001) ont été optimisées. Ensuite, nous avons mené des études originales de microscopie à gradient de force magnétique et de spectroscopie de photoémission (in situ et au synchrotron). Ces mesures ont permis de faire ressortir des informations pertinentes pour l'intégration de ces couches en tant qu'électrode magnétique pour l'électronique de spin. Enfin, une étude du transport tunnel polarisé en spin a été conduite sur des jonctions tunnel MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs.

A wide range of applications have been recognized for terahertz radiations. In fact, medical imaging, homeland security screening, very high-speed wireless telecommunications systems and even drug and gas detection are boosting the development of terahertz emitters and receivers. The work of this thesis is among the efforts in that regard. Actual terahertz detectors are suffering many drawbacks, they are bulky, very slow, not very sensitive or operates at non-practical temperatures. Combined with the complexity to realize terahertz emitters, it explains the difficulties of terahertz radiations to ensure market penetration with practicable civil applications. In that regard, we aim to better understand and improve a specific terahertz photodetector: the Terahertz Quantum Well Photodetector. Those devices working principle relies on a photocurrent created by the excitation of electrons from ground states of quantum wells to the continuum under terahertz impinging light. The intensity of the photocurrent is depending on the intensity of the radiation received by the device. The device active region is made of a multiple quantum wells GaAs/AlGaAs system. By changing the design of the device, that is the thicknesses of each layer, the aluminum fraction of the doping concentration, we can modify its performances. Documented and commented Matlab functions and routines have been implemented in order to simulate a given structure and scripts have been written to find the optimum parameters for a target absorption frequency. Our model has been verified by comparison with experimental data reported in the literature. Based on our model, we systematically study the impact of the active region and contact parameters on the device performances. In addition, innovative designs are proposed in order to reduce the undesirable dark current and thus increase the detectivity. They benefits from many-body effects, effects that are usually a constraint on the design. To our knowledge this is the first time those effects are used to realize innovative designs and increase the performances of quantum well infrared photodetectors. Finally we expose other designs that have been tested in the infrared domain with QWIP and adapt them to the terahertz range. In particular, we propose a quantum cascade photodetector, a double barrier bound-to-miniband and a phonon-assisted band to miniband structures.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The presentation highlights research on theory, design, EM modeling, fabrication, packaging, and measurement of GaAs Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs). The goal of this work is to design MMIC LNAs with low noise figure, high gain, and wide bandwidth. The work aims to develop GaAs MMIC LNAs for the application of RF front-end receivers in radio telescopes. GaAs MMIC technology offers modern radio astronomy attractive solutions based on its advantage in terms of high operational frequency, low noise, excellent repeatability and high integration density. Theoretical investigations are performed, presenting the formulation and graphical methods, and focusing on a systematic method to design a low noise amplifier for the best noise, gain and input/output return loss. Additionally, an EM simulation method is utilized and successfully applied to MMIC designs. The effect of packaging including the wire bond and chassis is critical as the frequency increases. Therefore, it is modeled by full-wave analysis where the measured results verify the reliability of these models. The designed MMICs are validated by measurements of several prototypes, including three C/X band and one Q band MMIC LNAs. Moreover, comparison to similar industrial chips demonstrates the superiority of the proposed structures regarding bandwidth, noise and gain flatness, and making them suitable for use in radio astronomy receivers. / Graduate / 2020-05-01

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. / Microwave devices for satellite applications are encapsulated in hermetic packages as metal or ceramic housings. The strong improvement of organic materials, especially outgassing and ionic impurity characteristics, makes it possible to use them as non-hermetic packaging solutions for space environment. Plastic encapsulations open proven gain perspectives of miniaturization and cost. The validation of an encapsulation technology is based on the achievement of standard reliability tests, typically 1000 hours at 85°C and 85% of relative humidity. Such tests are applicable regardless of the mission storage profile, devices and packaging technology. Moreover, the conditions of these tests are not clearly defined, e.g. the application or not of a strong electric field to the component. Yet this single parameter becomes dominant when the conditions are met to allow corrosion mechanisms, e.g. by the presence of condensed water and ionic contamination. This thesis focused on understanding the failure mechanisms that can occur during accelerated aging tests in high temperature and high humidity environment. For this work, a methodology has been implemented to establish DC electrical signatures of two different AsGa MMIC technologies. These tests were replicated on components with and without encapsulation by a silica-filled epoxy resin, dispensed by the dam-and-fill process. Thus, it was possible to distinguish failures due to the intrinsic degradation of the components from the effective protection or not of the plastic encapsulation. In parallel, the behavior of resin samples under different moist and heat atmospheres has been tested and a modeling was proposed to predict their moisture uptake. Concerning the effect of the dam-and-fill encapsulation technology, the results were contradictory and dependent of components batch. These results are to balance by the relatively limited size of the sampling for each test series, with and without encapsulation. Indeed, for the representative technology of this work, the presence of dam&fill encapsulation on a first batch of components has tended on one hand not to avoid nor even to delay the appearance of electric leakage, and on the other hand to aggravate these damages in the point to lead to failures in most of cases. Furthermore, doubts remain on the quality of this batch, especially regarding the passivation. For a second batch of devices with the same technology, an improvement of the humidity resistance was observed for encapsulated devices, compared to bare devices. In the failure analysis process of encapsulated devices, it is not possible to access directly to the observation of a defect at its surface. We therefore sought an alternative to overcome the problems represented by the encapsulating materials. A new approach was proposed. It combined infrared thermography method in hot spot mode, X-ray imaging and optical observations. We first located the defect from the front side of the encapsulated device. Then, the transparency of the AsGa substrate allowed infrared observations by the back side of the component. A relatively rapid and simple methodology was proposed and its feasibility demonstrated.

Single-photon sources are essential building blocks in quantum photonic networks, where quantum-mechanical properties of photons are utilised to achieve quantum technologies such as quantum cryptography and quantum computing. In this thesis, a single-photon source driven by a surface acoustic wave (SAW) is developed and characterised. This single-photon source is based on a SAW-driven lateral n-i-p junction in a GaAs quantum-well structure. On this device, the lateral n-i-p junction is formed by gate-induced electrons and holes in two adjacent regions. The SAW potential minima create dynamic quantum dots in a 1D channel between these two regions, and are able to transport single electrons to the region of holes along the channel. Single-photon emission can therefore be generated as these electrons consecutively recombine with holes. After characterisation and optimisation in four batches of devices, clear SAW-driven charge transport and the corresponding electroluminescence (EL) can be observed on an optimised SAW-driven n-i-p junction. Time-resolved measurements have been carried out to study the dynamics of SAW-driven electrons. Time-resolved EL signals indicate that a packet of electrons is transported to the region of holes in each SAW minimum. In addition, the carrier lifetime of SAW-driven electrons in the region of holes is shown to be $\sim 100$ ps, which is much shorter than the SAW period of $860$ ps. Hence, it is promising to observe single-photon emission in the optimised device. In order to test single-photon emission, a Hanbury Brown-Twiss experimental setup has been employed to record an autocorrelation histogram of the SAW-driven EL signal at the single-electron regime. Suppression of autocorrelation coincidences at time delay $\Delta t = 0$ is evidence of photon antibunching. By fitting theoretical functions describing the SAW-driven EL signal, it is found that the second-order correlation function shows $g^{(2)}(0) = 0.39 \pm 0.05$, which is lower than the common criterion for a single-photon source $g^{(2)}(0) < 0.5$. Moreover, theoretical calculation and simulation suggest that, if a constant background signal can be filtered out, $\sim 80 \%$ of the SAW-driven EL is single-photon emission.

Cette thèse a pour sujet la diffusion spectrale dans les boîtes quantiques. Engendrée par les fluctuations de l'environnement électrostatique, elle affecte les spectres d'émission de ces boîtes. Notre étude s'appuie sur l'analyse de l'évolution en température et en puissance de pompage des spectres de photoluminescence, obtenus par spectrométrie par transformée de Fourier. Nous constatons que la diffusion spectrale est généralement dans un régime de rétrécissement par le mouvement et peut sortir de ce régime pour une augmentation de température ou de puissance. Par cette étude, nous sondons les mécanismes à l'origine des fluctuations de l'environnement électrostatique. Ceci nous permet de proposer un modèle microscopique pour les sources de la diffusion spectrale. A l'aide de cette modélisation, nous avons pu imaginer un protocole de contrôle et d'amplification du rétrécissement par le mouvement en utilisant un champ électrique. Cette méthode est alors validée par nos résultats.

Dans un semiconducteur polaire, la propagation d'un phonon optique longitudinal s'accompagne d'un champ électrique macroscopique qui se couple aux porteurs libres pour donner naissance à l'effet magnéto-polaron résonant. Cet effet est une des manifestations les plus spectaculaires de l'interaction électron-phonon dans un milieu polaire et devrait se manifester par un comportement d'anti croisement entre les niveaux de Landau. Du point de vue expérimental, les résultats sont souvent masqués par la forte absorption du substrat et cette interaction n'a jamais été clairement observée. Nous avons pu résoudre ce problème en décollant les structures de leur substrat originel de GaAs pour les recoller sur un substrat de silicium qui est transparent dans l'infrarouge lointain. Ces structures décollées nous permettent de mesurer, de manière absolue, la transmission dans la région énergétique des phonons optiques de GaAs. Je présenterai des expériences de transmission infra rouge effectuées sur une série de puits quantiques de GaAs de haute mobilité et fortement dopées en configuration de Faraday perpendiculaire et de Faraday oblique. Les résultats seront interprétés dans le formalisme de la fonction diélectrique.