Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission résonnante de boîtes quantiques uniques InAs/GaAs en microcavité planaire. Un montage original d'excitation par fibre optique est mis en oeuvre afin de découpler spatialement l'excitation résonnante de l'émission des boîtes quantiques et de s'affranchir de la diffusion parasite du laser superposée au signal d'émission résonnante. Des études en puissance d'excitation et les mesures des fonctions de corrélation du premier et deuxième ordre confirment qu'une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante peut être assimilée à un véritable système à deux niveaux. Cependant, l'environnement électrostatique lié aux impuretés non-intentionnelles de l'échantillon influence fortement l'émission résonnante des boîtes quantiques. Il apparaît pour la quasi-totalité des boîtes quantiques une complète inhibition de l'émission résonnante par blocage de Coulomb. L'utilisation d'un laser non-résonant supplémentaire de très faible puissance permet de résoudre ce problème grâce à un contrôle optique très efficace de l'émission résonnante. En effet, en présence de ce " gate " optique, l'émission résonnante est débloquée et les propriétés d'un système à deux niveaux sont spectaculairement restituées. Les effets du " gate " optique sur l'émission résonnante, le décalage spectral de l'émission résonnante et la statistique des photons émis sont parfaitement expliqués de manière quantitative par un modèle de population aléatoire que nous avons développé au cours de cette thèse.

La conversion analogique-numérique sigma-delta passe-bande à temps continu constitue une approche intéressante pour la numérisation directe de signaux radiofréquences. Pour faire un premier pas vers des systèmes de conversion rapides et agiles basés sur cette approche, la faisabilité d'un convertisseur sigma-delta passe-bande à fréquence centrale ajustable sur une bande de fréquence limitée est étudiée au travers de la conception d'un circuit intégré prototype en technologie GaAs P-HEMT 0.2 µm.<br />L'architecture du modulateur sigma-delta comprend un filtre de boucle à structure parallèle, afin d'assurer à la fois la stabilité et la précision du dispositif, un sommateur et un comparateur. Les filtres passe-bande, constitutifs du filtre de boucle, sont du type Gm-LC à résistance négative. Le retard optimal théorique pour cette architecture est de 1,25 Te (Te : période d'échantillonnage) et ce retard est approximativement atteint grâce à un comparateur verrouillable (1,12 Te). Le réglage de la fréquence centrale s'opère par le biais de varicaps dans le résonateur d'entrée. La simulation du circuit au niveau transistor permet d'évaluer une résolution de 10 bits sur une bande de 4 MHz pour une fréquence centrale de 750 MHz et une fréquence de sur-échantillonnage de 3 GHz. La fréquence centrale du modulateur peut être abaissée à 725 MHz où la résolution atteint 9 bits. La consommation est estimée à 5,7 W. Le circuit a été implanté et la surface de la puce s'élève à 12 mm2.<br />Ce travail présente une méthodologie de conception basée sur des simulations multi-niveaux (transistor, fonctionnel). Cette approche permet d'isoler l'impact des non-idéalités de chacun des blocs au niveau circuit sur le fonctionnement général du modulateur. Des solutions sont proposées pour la correction de ces défauts. La robustesse du circuit a aussi fait l'objet d'une étude en termes de dispersions technologiques et d'éléments parasites introduits par l'implantation. Des remèdes sont proposés pour pallier ces problèmes.

Cette thèse a porté sur la réalisation et la caractérisation d'une source paramétrique guidée en GaAs/AlGaAs. Grâce à son design, basé sur la biréfringence de forme, celle-ci permet la génération paramétrique sur une gamme spectrale allant de 1.2 à 2.4 µm. Cette propriété optique et sa taille réduite font d'un tel dispositif un candidat pour la fabrication d'un oscillateur paramétrique optique intégré. Néanmoins, au cours de sa fabrication, les pertes optiques guidées augmentent de 0.1 à 0.5 cm-1 suite à l'oxydation sélective des couches riches en aluminium, les transformant en AlOx. A travers une étude par microscopie électronique en transmission, nous avons tout d'abord caractérisé les propriétés structurales et chimiques de l'AlOx et des interfaces GaAs/AlOx. Nous avons ainsi constaté une augmentation de la rugosité de ces interfaces et une modification locale des couches de GaAs induites par l'étape d'oxydation. Dans un second temps, nous avons caractérisé certaines propriétés optiques des guides d'ondes. Un calcul semi-analytique nous a permis d'établir la valeur des pertes de propagation, en bon accord avec les mesures expérimentales, induite par la rugosité des interfaces GaAs/AlOx. Nous avons ensuite établi les conditions d'oxydation optimales en mesurant systématiquement les pertes de propagation. Nous avons caractérisé les performances de notre source en effectuant la première mesure d'amplification paramétrique dans un guide d'ondes semi-conducteur. Le coefficient de gain paramétrique mesuré, compatible avec l'obtention de l'oscillation paramétrique, nous a amené à concevoir, fabriquer et caractériser différentes cavités résonnantes.

Semiconductor lasers based on gallium arsenide and relatedmaterials are widely used in applications such as opticalcommunication systems, sensing, compact disc players, distancemeasurement, etc. The performance of these lasers can beimproved using a buried heterostructure offering lateralcarrier and optical confinement. In particular, if theconfinement (burying) layer is implemented by epitaxialregrowth of an appropriate aluminium-free semi-insulating (SI)material, passivation of etched surfaces, reduced tendency tooxidation, low capacitance and integration feasibility areadditional advantages. The major impediment in the fabrication of GaAs/AlGaAsburied-heterostructure lasers is the spontaneous oxidation ofaluminium on the etched walls of the structure. Al-oxide actsas a mask and makes the regrowth process extremely challenging.In this work, a HCl gas-basedin-situcleaning technique is employed successfully toremove Al-oxide prior to regrowth of SI-GaInP:Fe and SI-GaAs:Fearound Al-containing laser mesas by Hydride Vapour PhaseEpitaxy. Excellent regrowth interfaces, without voids, areobtained, even around AlAs layers. Consequences of usinginadequate cleaning treatments are also presented. Regrowthmorphology aspects are discussed in terms of different growthmechanisms. Time-resolved photoluminescence characterisation indicates auniform Fe trap distribution throughout the regrown GaInP:Fe.Scanning capacitance microscopy measurements demonstrate thesemi-insulating nature of the regrown GaInP:Fe layer. Thepresence of EL2 defects in regrown GaAs:Fe makes more difficultthe interpretation of the characterisation results in the nearvicinity of the laser mesa. GaAs/AlGaAs buried-heterostructure lasers, both in-planelasers and vertical-cavity surface-emitting lasers, withGaInP:Fe as burying layer are demonstrated for the first time.The lasers exhibit good performance demonstrating thatSI-GaInP:Fe is an appropriate material to be used for thispurpose and the suitability of our cleaning and regrowth methodfor the fabrication of this type of semiconductor lasers.Device characterisation indicates negligible leakage currentalong the etched mesa sidewalls confirming a smooth regrowthinterface. Nevertheless, experimental and simulation resultsreveal that a significant part of the injected current is lostas leakage through the burying material. This is attributed todouble carrier injection into the SI-GaInP:Fe layer.Simulations also predict that the function of GaInP:Fe ascurrent blocking layer should be markedly improved in the caseof GaAs-based longer wavelength lasers. <b>Keywords:</b>semiconductor lasers, in-plane lasers, VCSELs,GaAs, GaInP, semi-insulating materials, hydride vapour phaseepitaxy, regrowth, buried heterostructure, leakage current,simulation.

Optical spin injection in InAs/GaAs quantum dots (QDs) structures under cryogenic temperature has been investigated in this work using continuous-wave optical orientation spectroscopy. Circularly polarized luminescence from trions in the QDs was used as a measure for the degree of spin polarization of the carriers in the QD ground states. The efficiency of spin conservation of the carriers during the injection process into the QDs and also the influence of the nuclear spins in the QDs were studied both under zero and external magnetic field. It was shown in zero magnetic field that the spin states were less conserved during the injection process for correlated excitons and hot free carriers. While under the external magnetic field, measurements were done in Faraday configuration. Confined electron motion yielding the quantized Landau levels in the InGaAs wetting layer (WL) and lifting of the Landau level spin degeneracy was observed. Also possible spin thermalization in the InGaAs WL during spin injection process was found. Finally, the quench of hyperfine induced spin relaxation by dynamic nuclear polarization (DNP) in the QDs was discovered and believed to be a stronger effect under weak/zero magnetic field.

The objective of this research is to demonstrate the feasibility of the implementation of low-cost, small-size, and high power RF front ends using CMOS technology which has been known not to be suitable for high-power applications due to its material characteristic. One part of this research focuses on developing GaAs switches for multi band and multi mode high power applications. The development of RF front end switches for high power applications using CMOS technology is very challenging in that the characteristics of CMOS technology such as low breakdown voltages, slow electron mobility and existence of substrate junction diodes are limiting power handling capability of CMOS technology. Various topologies of CMOS switches have been employed in implementing high power RF front end CMOS switches in order to overcome material limitations of CMOS technology in high power applications. Based on measurement data such as power handling capability and S-parameters of fabricated CMOS switches, the feasibility of use of CMOS technology in high power RF antenna switch design has been studied, and novel methods of designing CMOS switches to improve the power handling capability without compensating S-parameter performance are proposed. As a part of this research, multi-band and multi-mode power switches using GaAs technology are fabricated and tested for use of the commercial applications such as handsets covering GSM, PCS/DCS, and UMTS bands. Current commercial RF switch products demand small size, low cost and low voltage control as the number of wireless standards integrated in a single application increases. This research provides a solution for commercial products which can meet all the specifications as well as needs required in the wireless market.

The objective of this work was to study the noise in semiconductors and relate the transport mechanisms in the devices with the noise from the devices. The main part of the work was to set up a system for the measurement of noise in semiconductor devices. To establish the sensitivity of the system, it was calibrated at different temperatures. Some of the results from GaAs pn-junction showed some anomaly from that available in the literature. But certain points are yet to be clarified. This requires certain developments in the measurement system. In the case of QWIPS structures, studies on some samples with varying number of wells are required and in order to study the GR noise spectra and other activated processes, we need to study the temperature dependence of the noise and a larger bias variation for studying the low frequency current noise.

<p>Semiconductor lasers based on gallium arsenide and relatedmaterials are widely used in applications such as opticalcommunication systems, sensing, compact disc players, distancemeasurement, etc. The performance of these lasers can beimproved using a buried heterostructure offering lateralcarrier and optical confinement. In particular, if theconfinement (burying) layer is implemented by epitaxialregrowth of an appropriate aluminium-free semi-insulating (SI)material, passivation of etched surfaces, reduced tendency tooxidation, low capacitance and integration feasibility areadditional advantages.</p><p>The major impediment in the fabrication of GaAs/AlGaAsburied-heterostructure lasers is the spontaneous oxidation ofaluminium on the etched walls of the structure. Al-oxide actsas a mask and makes the regrowth process extremely challenging.In this work, a HCl gas-based<i>in-situ</i>cleaning technique is employed successfully toremove Al-oxide prior to regrowth of SI-GaInP:Fe and SI-GaAs:Fearound Al-containing laser mesas by Hydride Vapour PhaseEpitaxy. Excellent regrowth interfaces, without voids, areobtained, even around AlAs layers. Consequences of usinginadequate cleaning treatments are also presented. Regrowthmorphology aspects are discussed in terms of different growthmechanisms.</p><p>Time-resolved photoluminescence characterisation indicates auniform Fe trap distribution throughout the regrown GaInP:Fe.Scanning capacitance microscopy measurements demonstrate thesemi-insulating nature of the regrown GaInP:Fe layer. Thepresence of EL2 defects in regrown GaAs:Fe makes more difficultthe interpretation of the characterisation results in the nearvicinity of the laser mesa.</p><p>GaAs/AlGaAs buried-heterostructure lasers, both in-planelasers and vertical-cavity surface-emitting lasers, withGaInP:Fe as burying layer are demonstrated for the first time.The lasers exhibit good performance demonstrating thatSI-GaInP:Fe is an appropriate material to be used for thispurpose and the suitability of our cleaning and regrowth methodfor the fabrication of this type of semiconductor lasers.Device characterisation indicates negligible leakage currentalong the etched mesa sidewalls confirming a smooth regrowthinterface. Nevertheless, experimental and simulation resultsreveal that a significant part of the injected current is lostas leakage through the burying material. This is attributed todouble carrier injection into the SI-GaInP:Fe layer.Simulations also predict that the function of GaInP:Fe ascurrent blocking layer should be markedly improved in the caseof GaAs-based longer wavelength lasers.</p><p><b>Keywords:</b>semiconductor lasers, in-plane lasers, VCSELs,GaAs, GaInP, semi-insulating materials, hydride vapour phaseepitaxy, regrowth, buried heterostructure, leakage current,simulation.</p>

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.

High efficiency photovoltaic solar cells are expected to continue to be important for a variety of terrestrial and space power applications. Solar cells made of optically thick materials often cannot meet the cost, efficiency, or physical requirements for specialized applications and, increasingly, for traditional applications. This dissertation investigates improving the performance of single-junction GaAs solar cells by incorporating InGaAs/GaAs quantum wells and quantum dots to increase their spectral response bandwidth, and by incorporating structures that confine light in the devices to improve their absorption of it. InGaAs/GaAs quantum dots-in-wells extend the response of GaAs homojunction devices to wavelengths >1200 nm. Nanoparticles that are randomly deposited on the top of optically thick devices scatter light into waveguide modes of the device structures, increasing their absorption of electromagnetic energy and improving their short-circuit current by up to 16%. Multiply periodic diffractive structures have been optimized using rigorous software algorithms and fabricated on the back sides of thin film quantum dot-in-well solar cells, improving their spectral response at wavelengths 850 nm to 1200 nm, where only the quantum dot-in-well structures absorb light, by factors of up to 10. The improvement results from coupling of diffracted light to waveguide modes of the thin film device structure, and from Fabry-Perot interference effects. Simulations of absorption in these device structures corroborate the measured results and indicate that quantum well solar cells of ~2 µm in thickness, and which are equipped with optimized backside gratings, can achieve 1 Sun Airmass 0 short-circuit current densities of up to ~5 mA/cm2 (15%) greater than GaAs homojunction devices, and of up to >2 mA/cm2 (7%) greater than quantum well devices, with planar back reflectors. A combination of Fabry-Perot interference and diffraction into waveguide modes of the thin devices is shown to dominate the simulated device response spectra. Simulations also demonstrate the importance of low-loss metals for realizing optimal light trapping structures. Such device geometries are promising for reducing the cost of high efficiency solar cells that may be suitable for a variety of traditional and emerging applications. / text