There is an understanding of surface photovoltage (SPV) behavior for GaN, yet little is known about the SPV behavior for AlGaN. In this work, a Kelvin probe was used to measure the SPV for p-type AlGaN. Very slow SPV transients were found in AlGaN, which could not be explained with a simple thermionic model. A possible explanation of this behavior is the segregation of impurities to the surface, which causes significant reduction of the depletion region width (down to 2 nm), with carrier tunneling and hopping becoming the dominant mechanisms responsible for the SPV transients. To verify this assumption, the near-surface defective region (about 40 nm) has been removed through the ICP-RIE process. After the etching, the SPV transients became fast and increased in magnitude by about 0.6 eV. By using the thermionic model, band bending was estimated to be -1 eV.

Ce travail de thèse porte sur des composants à cristaux photoniques (CP) bidimensionnels réalisés dans des matériaux à base d'InP pour un fonctionnement dans le domaine 1,55 µm. Au sein du CP, la périodicité de la constante diélectrique génère une bande interdite photonique, domaine de fréquence dans lequel la propagation des modes optiques est interdite. L'introduction de défauts dans le CP permet à certains modes optiques localisés d'exister. De telles structures peuvent alors être utilisées comme brique élémentaire d'un circuit intégré photonique. Nous avons étudié des adaptateurs de mode et des lasers monofréquences ainsi que des guides d'onde sur membrane InP.<br /><br /> Les CP sont ici un réseau de trous fabriqués à l'aide de la gravure ionique réactive associée à un plasma à couplage inductif. Dans un plasma Cl2/Ar optimisé, nous avons obtenu une profondeur de gravure de 2,9 µm pour des trous de 250 nm diamètre. Nous avons montré que la présence de N2 dans un plasma contenant du chlore renforce la gravure anisotrope et supprime la rugosité des surfaces gravées, et que l'addition de BCl3 permet d'augmenter la verticalité des trous. Le plasma BCl3/N2 a permis d'obtenir les meilleurs profils et états de surface et une profondeur gravée de 1 µm.<br /><br /> Plusieurs géométries d'adaptateurs de mode à CP ont été étudiées et leurs spectres de transmission ainsi que la divergence du mode émergent ont été caractérisés et comparés avec les résultats de simulation. La meilleure géométrie conduit à une amélioration de l'efficacité de transmission d'un facteur 4. Les guides W1 sur membrane InP présentent des pertes de propagation de 25 dB/cm pour des fréquences situées sous la ligne de lumière.

The electro-optical properties of the ZnO/Si heterojunction embedded with self-assembled gold nanoparticles on patterned silicon substrate are investigated in this master thesis. High quality n-type ZnO film is deposited on patterned p-type silicon substrate by radio-frequency sputtering to form a ZnO/Si pn junction. The patterned silicon substrates are prepared by ICP-RIE using self-assembled nickel metal dot and silicon dioxide as etching mask. The optimum ICP process conditions of silicon nanopillars are CF4/Ar ~ 40/40 sccm and bias/RF power 400/400 W. Silicon nanopillars of diameter ~ 50 nm and height 100~400 nm are formed on the substrate surface. ZnO film is then deposited of a growth rate ~ 12 nm/min at the substrate temperature = 200oC. The plasmonic effects on the electro-optical properties, including photoluminescence (PL), reflection, and electrical characteristics, are studied by adding self-assembled gold nanoparticles within the ZnO film. The self-assembled gold nanoparticles are formed by thermal deposition and rapid thermal annealing at 700oC. The gold nanoparticles are observed by scanning electron microscopy (SEM) and particles of diameter about 100 nm. The PL intensity of ZnO is enhanced more than ten times at the peak wavelength = 380 nm by adding the gold nanoparticles and silicon nanopillars. Strong blue emission light could be saw with the naked eyes. For the electric characteristics, self-assembled gold nanoparticles in patterned ZnO/Si heterojunction show photoelectric conversion phenomenon because of high electromagnetic absorption and plasmonic effects.

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Les potentialités du nitrure de gallium (GaN) et notamment de l'hétérostructure AlGaN/GaN, semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer et d'optimiser l'étape d'isolation de la grille lors la réalisation de transistors MIS-HEMT de puissance sur hétérostructure AlGaN/GaN, le but étant de réduire les courants de fuite de grille sans perturber les propriétés du transistor. Après avoir évaluation, le choix s'est porté sur l'alumine Al2O3 déposé par ALD comme diélectrique de grille. L'étude s'est d'abord concentrée sur l'analyse de l'influence de traitements, chimiques ou plasma, sur la contamination de la surface d'AlGaN au travers d'analyses XPS et AFM. Puis, l'influence du diélectrique de grille a été évalué à travers la réalisation et la mesure électrique de dispositifs, diodes et transistors, en variant les méthodes de dépôt par ALD. Enfin, l'impact d'un recess par gravure ICP-RIE partielle ou complètes de la barrière d'AlGaN sous la grille a été étudiée. La réalisation d'un HEMT passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, et le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/AlGaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, mais aussi la nature et la technique de dépôt du diélectrique. Ainsi il apparaît à travers l'étude qu'un traitement de surface à l'ammoniaque à haute température est le plus efficaces pour retirer les contamination en oxydes natifs. Les mesures électriques, C(V) et Id(Vg), ont quant à elle montrés la supériorité de la PEALD par rapport à un dépôt thermique conventionnel. Ceci peut s'expliquer par le fait que le plasma oxygène qui entre jeu lors du dépôt de l'alumine par PEALD semble nettoyer la surface lors des premiers cycles, retirant notamment la contamination carbone. Cela permet d'avoir une meilleure interface entre l'alumine et le semi-conducteur, limitant les pièges à l'interface et dans l'oxyde. Cela a réduit de manière considérable les courants de fuite de grille, sans détériorer la qualité et la rapidité de la transition entre l'état on et off. De plus, les HEMTs réalisé étant de type normally-off, le recess de grille par gravure ICP-RIE a été implémenté afin de rendre moins négative la tension de pincement. Cela a été réalisé avec succès, notamment avec la réalisation d'un composant de type noramlly-off grâce à un recess total de la barrière d'AlGaN sous la grille. Des résultats à l'état de l'art ont été obtenus à travers une approche simple, et un processus de création de transistors robuste et hautement reproductible, avec une réduction importante des courants de fuite de grille et une pente sous le seuil record. Afin de compléter l'étude il conviendra par la suite de réaliser des études de fiabilité, notamment à travers des mesures dynamiques pour évaluer notamment les phénomènes de dégradation du Ron. / With its large band gap, Gallium Nitride (GaN) semiconductor is one of the most promising materials for new power devices generation thanks to its outstanding material properties for high voltage, temperature and frequency applications. The main objective of this thesis was the development and optimization of the insulating step taking place in the elaboration of MIS-HEMT transistors on an AlGaN/GaN heterstroctructure. In order to reduce gate leakage currents without degrading the device properties, alumina Al2O3 deposited by ALD was chosen as a gate dielectric. The study was first centered on the influence of surface treatments, chemical or plasma, regarding surface contamination. Their impact was analyzed through XPS and AFM. Secondly, electrical measures were performed on complete MIS-HEMT diodes and transistors to evaluate the influence of the alumina insulating layer depending on the ALD deposition method. Lastly, partial and full recess of the AlGaN barrier was studied via ICP-RIE etching. The gate dielectric deposition is one of the crucial steps intervening in the HEMT creation process. The quality and control at the Al2O2/AlGaN interface being paramount, it will directly influence the device's electric properties. This involves control ing the semiconductor surface, but also the nature and deposition technique of the dielectric. As such, an ammonia-based treatment at high temperature appears to be the most efficient in reducing native oxygen contamination. Regarding electric performances, C(V) and Id(Vg) measures showed the superiority of PEALD compared to traditional thermal ALD deposition. This can be explained by the fact that the oxygen plasma used as oxydant during the alumina deposition by PEALD seems to clean the surface during the first cycles, mostly by reducing carbon contamination. This allowed to achieve a better interface between the semiconductor and the insulting layer, thus limiting traps at the interface or in the oxyde. This allows to considerably reduce gate leakage currents, without degrading the quality and transition sharpness between the on and off state. Moreover, the realized HEMTs being normally-off, gate recess etching via ICP-RIE was implemented in order to make the threshold voltage less negative. This was successfully achieved, especially through the realization of a normally-off transistors thanks to a full recess of the AlGaN barrier under the gate. State of the art results were achieved through a simple approach, and a robust and highly reproducible transistor elaboration process, with great reduction of gate leakage currents and a record sub-threshold slope. In order to complete the study, it will be necessary in the future to proceed to viability studies, especially through dynamic electric evaluation, in order to evaluate for instance Ron degradation phenomenons.

Le contexte de cette thèse couvre les dispositifs photoniques hybrides III-V sur silicium. L’étude porte sur l’intégration par collage de matériau à base d'InP sur le silicium, puis la conception d’un guide optique comportant une nanostructuration qui permettra la sélection en longueur d’onde dans un laser DFB hybride. Enfin, on étudie les étapes technologiques de fabrication d’un laser hybride injecté électriquement fonctionnant dans le domaine spectral 1.55µm, et on caractérise les dispositifs. Pour associer les matériaux III-V sur Si, nous avons développé le collage sans couche intermédiaire que l’on nomme collage hétéroépitaxial ou oxide-free. Ce collage est reporté dans la littérature comme présentant une meilleure qualité électrique. Nous avons établi les conditions de préparation permettant d’obtenir des surfaces parfaitement désoxydées, et les conditions de recuit conduisant à une interface hybride sans oxyde et sans dislocation. Mais ce recuit est réalisé à température assez élevée (~450-500°C). Nous avons alors développé le collage avec une fine couche intermédiaire d’oxyde réalisé à plus faible température -300°C- qui présente l'avantage d'être compatible avec la technologie CMOS. Nous avons étudié différentes approches pour élaborer et activer une couche d’oxyde très fine (~3nm), de façon à obtenir une surface collée sans zones localement non collées. Le collage est dans les deux cas réalisé sous vide dans un équipement de type Bonder Suss SB6e. La qualité structurale de l’interface a été observée par STEM et la qualité mécanique du joint de collage a été caractérisée par indentation. Une méthode originale de mesure quantitative et locale de l’énergie du joint de collage a été développée. La qualité optique des couches collées a été étudiée par la mesure de la photoluminescence de puits quantiques placés proches du joint d’interface. En conséquence du collage sans couche intermédiaire ou avec une couche très fine, le design du mode optique est de type double-cœur, qui ne nécessite pas de taper. Le guide optique Si est de type shallow ridge, le confinement latéral étant assuré par un matériau nanostructuré à une période sub-longueur d’onde. Ce matériau fonctionne comme un matériau effectif uniaxe pour lequel on a calculé les indices optiques ordinaire et extraordinaire selon la géométrie de la nanostructuration. On peut rajouter sur cette nanostructuration une super-périodicité qui conduit à un fonctionnement sélectif en longueur d’onde. Le comportement modal du guide est simulé à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics, le comportement spectral est simulé par FTDT 3D. Nous avons validé la pertinence de ce design en mesurant la transmission de guides hybrides. Ce design sera inclus dans un laser et permettra d’obtenir une émission monofréquence de type DFB. Nous avons développé les étapes technologiques nécessaires à la fabrication d’un laser hybride à base d'InP sur Silicium fonctionnant en injection électrique. Nous avons mis en oeuvre de nombreuses techniques, et développé plusieurs procédés spécifiques, en particulier, des procédés de gravure sèche de type Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE pour la gravure de la nanostructuration dans le silicium, et pour la gravure du mésa du laser. La présence des 2 matériaux III-V et Si dans le dispositif hybride rend ces étapes complexes. Les premiers résultats peuvent être améliorés en optimisant la technologie des contacts. Un design permettant de s’affranchir de la pénalité thermique présenté par tous les dispositifs ayant les 2 contacts électriques du coté du matériau III-V a été proposé, exploitant le passage du courant à l’interface hybride III-V / Si, ce qui est possible dans le cas du collage oxide-free. Cette approche ouvre des perspectives d’intégration au-delà de la photonique. / This work contributes to the general context of III-V materials on Silicon hybrid devices for optical integrated functions, mainly emission/amplification at 1.55µm. Devices are considered for operation under electrical injection, reaching performances relevant for data transfer application. The main three contributions of this work concern: (i) bonding InP-based materials on Si, (ii) nanostructuration of the Si guiding layer for spatial and spectral control of the guided mode and (iii) technology of an hybrid electrically injected laser, with a special attention to the thermal budget. Bonding has been investigated following two approaches. The first one we call heterohepitaxial or oxide-free bonding, is performed without any intermediate layer at a temperature ~450°C. This approach has the great advantage allowing electrical transport across the interface, as reported in the literature. We have developed oxide-free surface preparation for both materials, mainly InP-based layers, and established bonding parameter processing. An in-depth STEM and RX structural characterization has demonstrated an oxide-free reconstructed interface without any dislocation except on one or two atomic layers which accommodate the large lattice mismatch (8.1%) between InP and Si. Photoluminescence of quantum wells intentionally grown close to the interface has shown no degradation. We have also developed an oxide-based bonding process operated at 300°C in order to be compatible with CMOS processing. The original ozone activation of the very thin (~5nm) oxide layer we have proposed demonstrates a bonding surface without any unbonded area due to degassing under annealing. We have developed an original method based on nanoindentation characterization in order to obtain a quantitative and local value of the surface bonding energy. Related to the absence or to the very thin intermediate layer between the two materials, our modal design is based on a double core structure, where most of the optical mode is confined in the Si guiding layer, and no taper is required. The Si waveguide on top of the SOI stack is a shallow ridge. A nanostructured material on both sides of the waveguide core ensures the lateral confinement, the nanostructuration geometry being at a sub-wavelength period in order to operate this material well below its photonic gap. It behaves as an uniaxial material with ordinary and extraordinary indices calculated according to the structuration geometry. Such a structuration allows modal and spectral control of the guided mode. 3D modal and spectral simulation have been performed. We have demonstrated, on a double-period structuration, a wavelength selective operation of hybrid optical waveguides. Such a double-period geometry could be included in a laser design for DFB operation. This nanostructuration has larger potential application such as coupled waveguides arrays or selective resonators. We have developed all the technological processing steps for an electrically injected hybrid laser fabrication. Main developments concern dry etching, performed with the Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE technique of both the nanostructuration of the Silicon material, and the mesa of the hybrid laser. Efficient electrical contacts fabrication is also a complex step. First lasers operating performances could be improved. We have investigated a specific design in order to overcome the thermal penalty encountered by all the hybrid devices. This penalty is due to the thick buried oxide layer of the SOI stack that prevents heating related to the current flow to be dissipated. Taking advantage of the electrical transport we have shown at the oxide-free interface, we propose a design where the n-contact is defined on the guiding Si layer, suppressing thermal heating under electrical operation. Such an approach is very promising for densely packed hybrid devices integrated with associated electronic driving elements on Si.