La microélectronique rencontre des difficultés croissantes avec la miniaturisation des composants. La photonique sur silicium propose de les contourner en choisissant le photon comme vecteur de l'information, mais les sources de ces photons restent des verrous. Cette thèse s'est donc attachée à la réalisation par épitaxie par jets moléculaire en mode vapeur-liquide-solide et la caractérisation par spectroscopie de photoluminescence (PL) de boîtes quantiques en nanofils (NFs-BQ) d'InP/InAs crûs sur silicium orienté (111), dans le but d'une intégration monolithique de sources lumineuses. Des NFs d'InP de phase cristalline pure wurtzite ont d'abord été crûs verticaux sur Si(111), à partir d'un catalyseur sous forme de gouttelettes or-indium. La formation préalable d'un piédestal d'InP par la cristallisation de ces gouttelettes, ainsi que la migration de l'or au sommet de ce piédestal pour catalyser la croissance, ont été mise en évidence. Le diamètre de ces NFs a ensuite été augmenté pour qu'ils se comportent comme un matériau massif du point de vue des propriétés optomécaniques. Ils ont été soumis à une pression hydrostatique allant jusqu'à quelques GPa pour déterminer des paramètres mal connus de l'InP Wz. L'optimisation de la croissance du système NF-BQ d'InP/InAs a ensuite été réalisée. Des BQs de hauteur variable ont été obtenues, avec des interfaces très abruptes. Les études de PL sur un ensemble de NFs-BQ montrent des spectres plus ou moins complexes suivant la hauteur des BQs, ainsi qu'une polarisation de l'émission accordable avec cette hauteur. Le dernier objectif a été d'améliorer l'efficacité de l'émission des NFs-BQs d'InP/InAs grâce à l'effet photonique d'une coquille en silicium amorphe (a-Si). Les études de PL ont révélé une forte perte d'intensité de PL et la disparition de l'anisotropie de polarisation de l'émission des NFs-BQ après dépôt. Plusieurs raisons sont discutées pour expliquer ceci. / Microelectronics encounter growing issues with components miniaturization. Silicon photonics offer to avoid them by taking the photon as the information carrier, but the sources are challenging to make. This thesis thus focused on the realization by vapor-liquid-solid assisted molecular beam epitaxy and the characterization by photoluminescence spectroscopy (PL) of InAs/InP quantum dots in nanowires (QD-NW) on (111) oriented silicon, with the aim of monolithic integration of light sources. Pure wurtzite InP NWs have first been vertically grown on Si(111) with a gold-indium droplet catalyst. The preliminary formation of InP pedestals by the crystallization of the droplets, and the migration of gold at the top of the pedestals to catalyze the growth, have been evidenced. The NWs diameter has then been increased so they behave as bulk InP regarding optomechanical properties. The NWs have been put under hydrostatic pressure to several GPa to determine little known InP wurtzite parameters. The growth optimization of the InAs/InP QD-NW system has then been realized. QDs with various height and very sharp interfaces have been obtained. PL studies show more or less complex spectra, according to the QDs' height, as well as a height-tunable polarization. The last goal was to enhance the efficiency of the InAs/InP QD-NWs thanks to the photonic effect brought by an amorphous silicon shell. PL studies revealed a high signal loss and the disappearance of the polarization anisotropy of the QD-NWs emission after deposition. Several hypothesis are discussed.

L'objectif de ce travail porte sur la généralisation de la modélisation de la gravure du silicium dans les plasmas de fluor ou de chlore à celle de la gravure des éléments de la colonne IV et des composés III-V de structure cristalline de type diamant ou zinc-blende dans les plasmas d'halogènes, i.e. fluor, chlore, brome et iode. Dans ce contexte, les effets stériques et de diffusion en volume et/ou en surface en constituent les problématiques principales. Cette généralisation s'appuie sur le modèle de gravure de Petit et Pelletier qui, par rapport aux modèles antérieurs, prend en compte un certain nombre d'hypothèses distinctes ou additionnelles telles que les interactions répulsives entre adatomes d'halogènes proches voisins, les mécanismes de Langmuir-Hinshelwood pour la formation des produits de réaction, la nature mono-couche ou multi-couches de l'adsorption, et la diffusion des adatomes en surface. Les effets stériques relatifs à la diffusion des atomes d'halogènes à travers les surfaces (100) des structures cristallines des éléments de la colonne IV et des composés III-V définissent une première loi de similitude entre la maille du réseau cristallin et le rayon ionique de Shannon des atomes d'halogènes concernant leurs conditions de diffusion en volume. Cette loi se traduit par un diagramme prévisionnel, commun aux éléments de la colonne IV et aux composés III-V, délimitant les systèmes de gravure de types mono-couche et multi-couches. Les effets stériques relatifs aux mécanismes réactionnels de gravure sur les surfaces (100) aboutissent à des secondes lois de similitude entre la maille du réseau et le rayon covalent des adatomes d'halogènes caractérisant la nature de la gravure : gravure isotrope, gravure anisotrope, ou absence de gravure. Ces lois de similitude, distinctes pour les éléments de la colonne IV et les composés III-V (stœchiométrie différente des produits de réaction), se traduisent par deux diagrammes prévisionnels délimitant les différents domaines de gravure. Les diagrammes prévisionnels pour les éléments de la colonne IV ont pu être validés, d'une part, à partir des résultats expérimentaux antérieurs, et, d'autre part, en l'absence de données, à partir d'études expérimentales complémentaires : gravure de Si et Ge en plasma de brome et d'iode, gravure de Sn en plasma d'iode. / The objective of this work is the generalization of the modeling of the etching of silicon in fluorine or chlorine plasmas to that of the etching of the elements in column IV and of III-V compounds with diamond-like or zinc-blend crystal structure in halogen plasmas (i.e. fluorine, chlorine, bromine and iodine). In this context, steric effects and volume and/or surface diffusion are the main issues. This generalization is based on the etching model of Petit and Pelletier which, compared to previous models, takes into account a number of separate or additional assumptions such as the repulsive interactions between halogen adatoms in nearest neighbor positions, the Langmuir-Hinshelwood mechanisms for the formation of reaction products, the mono-layer or multi-layer nature of the adsorption, and the diffusion of adatoms on the surface. Steric effects related to the diffusion of halogens through the (100) surfaces of the crystal structures of the elements of column IV and III-V compounds define a first law of similarity between the crystal lattice and the Shannon ionic radius of the halogen atoms concerning their bulk diffusion conditions. This law results in a forecast diagram, common to column IV elements and III-V compounds, delimiting the mono-layer or multi-layer type of the etching systems. Steric effects related to the reaction mechanisms of etching on (100) surfaces lead to the second laws of similarity between the crystal lattice and the covalent radius of halogen adatoms characterizing the etching behavior: isotropic etching, anisotropic etching or no etching. These laws of similarity, distinct between the elements of the column IV and III-V compounds (different stoichiometry of the reaction products), result in two forecast diagrams delimiting the distinct etching domains. Forecast diagrams for column IV elements have been validated, first, from previous experimental results, and, secondly, in the absence of data, from additional experimental studies: etching of Si and Ge in bromine and iodine plasmas, and etching of Sn in iodine plasmas.

La conversion photovoltaïque (PV) de l’énergie solaire repose sur la capacité qu’ont certains matériaux à convertir l’énergie des photons en courant électrique. Le développement des systèmes de conversion PV ces trente dernières années a permis des améliorations considérables en terme de coût et de performances dans le domaine des énergies renouvelables.Une cellule multi-jonctions (MJ), à base de matériaux semi-conducteurs III-V, est un empilement de sous-cellules aux gaps décroissants qui permet notamment une plus large utilisation du spectre solaire. Soumettre ces cellules PV à un flux solaire concentré permet d’augmenter significativement la puissance électrique créée par celles-ci, et ainsi d’abaisser substantiellement le coût de l’électricité produite.Le record du monde est actuellement détenu par le partenariat Soitec / Fraunhofer ISE avec un rendement de 46,0 % mesuré sur une cellule quadruple-jonctions en GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs pour un taux de concentration de 508 X (où 1 X =1 soleil = 1 kW/m²).L’objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de proposer une alternative aux cellules existantes plus simple à mettre en œuvre avec des cellules MJ monolithiques accordées sur substrat de GaSb pour des concentrations solaire de 1 000, soit une irradiance directe de 1 MW/m². Ce type de cellules, du fait de la très bonne complémentarité des gaps des matériaux et ses alignements de bandes favorables, constitue une alternative crédible et originale aux cellules existantes pour une utilisation sous flux solaire fortement concentré.Afin de mieux comprendre la cellule multijonctions III-Sb optimale, les travaux réalisés ont porté sur la fabrication et la caractérisation des trois sous-cellules fabriquées indépendamment. Ces trois échantillons épitaxiés sont l’Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (cellule Top), l’Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (cellule Middle) et le GaSb (cellule Bottom) ayant comme gaps respectifs 1,6 eV, 1,22 eV et 0,726 eV à 300 K.Le travail présenté dans cette thèse porte sur :- La réalisation et la mise au point de toutes les étapes technologiques nécessaires à la fabrication des cellules (dépôts métalliques, gravure humide et sèche par plasma …).- La caractérisation des métallisations par structure TLM (Transmission Line Method) dont le meilleur résultat obtenu concerne une métallisation tri-couche Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) sur substrat GaSb type P.- La caractérisation sous obscurité courant-tension des paramètres électriques des cellules PV à température ambiante et en fonction de la température.- La caractérisation thermique par mesure de la conductivité thermique des matériaux et une cartographie de température de surface en fonction du flux solaire concentré en conditions réelles.- La caractérisation électro-optique par réponse spectrale, à partir de laquelle nous avons calculé le rendement quantique externe qui représente le rapport entre la quantité d’électrons créés et la quantité de photons incidente.- La caractérisation sous illumination à 1 soleil (1 000 W/m²) sous simulateur solaire et en conditions solaire dont nous avons comparé les paramètres électriques.- La caractérisation des cellules sous flux solaire (fortement) concentré au laboratoire PROMES. Les meilleurs rendements obtenus pour les cellules PV Bottom, Middle et Top respectifs de 4,6 % à 40 X (proche de l’état de l’art), 8,2 % à 96 X et 5,4 % à 185 X (première mondiale pour ces matériaux quaternaires).Ce travail a été cofinancé par le Ministère de l’Education et de la Recherche (Allocation ED) et le Labex SOLSTICE.Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies. / Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies.A multi-junction (MJ) cell, based on III-V semiconductor materials, is a stack of sub-cells with decreasing gaps which notably allows wider use of the solar spectrum. Exposing these PV cells to a concentrated solar flux can significantly increase the electrical power generated, and therefore substantially lower the cost of electricity yielded.The world record is currently held by the partnership Soitec / Fraunhofer ISE with an efficiency of 46.0 % measured on a four-junction cell GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs for a concentration ratio of 508 X (where 1 X = 1 sun = 1 kW/m²).The objective of the work in this thesis is to propose an alternative to existing cells, easier to implement with monolithic MJ cells grown on a GaSb substrate for solar concentrations of 1 000, which corresponds to a direct irradiance of 1 MW/m². This type of cell, due to the good complementary of the material gaps and its favorable band alignments, is a realistic and original alternative to existing cells for use under highly concentrated solar flux.To better understand the optimal multijunction III-Sb cell, the work carried out consisted on the manufacturing and characterization of the three sub-cells independently.These three epitaxial samples are Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (Top cell), the Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (Middle cell) and GaSb (Bottom cell) having as respective gaps 1.6 eV, 1.22 eV and 0.726 eV at 300 K.The work presented in this thesis is:- The establishment of all the technological steps required to manufacture the cells (metal deposition, wet and dry plasma etching ...).- The characterization of metallization by TLM structure (Transmission Line Method) with the best result being a three-layer metallization Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) on a GaSb P-type substrate.- The characterization under dark of current-voltage electrical parameters of PV cells at room temperature and in function of the temperature.- The thermal characterization by measuring the thermal conductivity of the materials and a surface temperature mapping in function of the concentrated solar flux in realistic conditions.- The electro-optical characterization by spectral response, from which we calculated the external quantum efficiency which is the ratio between the amount of electrons created and the amount of incident photons.- The characterization under 1 sun illumination (1 000 W/m²) in a solar simulator and in realistic conditions of which we compared the electrical parameters.- The characterization of solar cells under (highly) concentrated solar flux in the PROMES laboratory.The best efficiencies for Bottom, Middle and Top PV cells respectively are 4.6 % for 40 X (close to the state of the art), 8.2 % for 96 X and 5.4 % for 185 X (world first for these quaternary materials).This work was cofounded by the Ministry of Education and Research (ED Research grant) and Labex SOLSTICE.

Dans un contexte où les limites intrinsèques des matériaux classiques de l’industrie CMOS sont en passe d’être atteintes du fait de la forte miniaturisation des composants, le développement de la microélectronique requiert la définition de nouvelles solutions pour combiner sur un même substrat (le silicium) des matériaux différents aux propriétés physiques variées. Ceci devrait permettre d’intégrer sur silicium des fonctionnalités nouvelles. Parmi les matériaux d’intérêt, les oxydes fonctionnels de la famille des pérovskites offrent une large gamme de propriétés et attirent donc une attention particulière. D’autre part, la recherche se porte aussi sur les semi-conducteurs de la classe III-V et le Ge pour leurs propriétés optiques ou de transport de charges. Cependant, la grande hétérogénéité chimique et cristallographique entre ces matériaux rend leur association sur silicium par voie épitaxiale particulièrement délicate. Dans ce contexte, ce travail de thèse consiste en une étude approfondie de l’interface Ge sur SrTiO3et des mécanismes à l’origine des modes d’accommodation et de croissance du semi-conducteur sur le substrat pérovskite. Les échantillons, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires, ont été étudiés par caractérisations in situ, au synchrotron, diffraction de rayons X en incidence rasante et spectroscopie de photoémission. Des images de microscopie électronique en transmission sont venues compléter cette étude. La combinaison de ces résultats a permis de comprendre et de décrire deux aspects spécifiques des systèmes III-V et Ge sur SrTiO3. Le mode de croissance Volmer-Weber et la compétition entre les orientations cristallines(001) et (111) du Ge sont décrits dans une première partie. La relation d’épitaxie de Ge/SrTiO3est identifiée et l’influence des énergies d’adhésion et de surface libre du semi-conducteur sur sa croissance est élucidée. Dans une deuxième partie, le mode d’accommodation du Ge est plus spécifiquement étudié. La mise en place d’un réseau de dislocations d’interface est observée expérimentalement et analysée à l’aide d’un modèle numérique. Ce travail de thèse a permis de discuter de l’interface d’un système épitaxié très hétérogène et il ouvre des perspectives intéressantes, liées aux spécificités de l’accommodation aux interfaces semi-conducteurs/oxydes, pour l’intégration monolithique de Ge et de III-V sur des substrats d’oxydes/Si. / With the recent developments of the microelectronic industry, the intrinsic limits of the classical CMOS materials are being reached because of the strong miniaturization. Thus, the microelectronic industry is waiting for new solutions for combining, on the same substrate (silicon), different materials with various physical properties in the framework of integrating new functionalities on silicon. Research is now focusing on perovskite oxides because of the very wide range of properties they are offering (electronic, magnetic, etc.), but also on III-V semiconductors for the development of integrated photonic devices and on Ge for its electronic transport properties. However, combining these materials is challenging due to their strong chemical and crystallographic heterogeneity. Thus, this thesis focuses on the Ge/SrTiO3 system. The accommodation mode and growth mechanism have been studied by in situ, synchrotron-based, characterization methods like grazing incidence X-ray scattering and X-ray photoemission spectroscopy. The samples were prepared by molecular beam epitaxy. Transmission electron microscopy images complemented the study. The combination of these results have allowed for highlighting two specificities of the III-V or Ge/SrTiO3epitaxial systems. In a first chapter, the Volmer-Weber growth mode and a competition between (001)and (111)-oriented Ge islands is described. Epitaxial relationship between Ge and SrTiO3, chemical bonds at the interface and influence of adhesion and surface energies on the growth mode are described. In a second part, the specific accommodation mode of the Ge/SrTiO3 interface is studied. The development of a misfit dislocation network during the growth is experimentally observed and analyzed on the basis of a numerical model of the interface. This work provides state of the art understanding of the interface of weakly bonded epitaxial systems and opens interesting perspectives, especially related to the accommodation mode of semiconductors/oxides interfaces, for the monolithic integration of III-V or Ge on oxides/Si substrates.

Les semiconducteurs III-V ayant des propriétés électroniques et optiques très intéressantes, leur intégration sur Si permettrait la combinaison de fonctionnalités variées sur la même puce, une solution potentielle aux obstacles affrontés par les composants CMOS. Les travaux pionniers de McKee et al ont démontré que le SrTiO3 (STO) peut être directement épitaxié sur Si par EJM (Epitaxie par Jets Moléculaires). Plus tard, une équipe de Motorola a montré qu’il était possible d’épitaxier des couches minces de GaAs sur des templates de STO/Si, ouvrant une voie nouvelle pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Sur cette base, l’INL a entrepris l’étude de la croissance de semiconducteurs III-V sur STO. Il a notamment été montré que la faible adhésion caractéristique de ces systèmes favorisait un mode d’accommodation spécifique du désaccord paramétrique par la formation d’un réseau de dislocations confinées à l’interface entre les deux matériaux sans défauts traversant liés à une relaxation plastique, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Dans ce contexte, lors de cette thèse, Nous nous sommes d’abord focalisé sur l’optimisation de la croissance des templates de STO/Si. Nous avons en particulier montré qu’une couche de STO relaxée et riche en oxygène favorisait la reprise de croissance de l’InP. Nous avons ensuite étudié de manière systématique la croissance d’InP sur STO. La faible adhésion caractéristique de ce système conduit à la formation d’îlots aux premiers stades de la croissance, ainsi qu’à l’observation d’une compétition entre plusieurs orientations cristallines de l’InP. Nous avons fixé des conditions de croissance et de préparation de la surface de STO permettant d’obtenir des îlots purement orientés (001). Nous avons ensuite optimisés l’étape de coalescence de ces îlots pour former des couches 2D d’InP intégrées sur STO/Si. Une étude structurale et optique complète de ces hétérostructures, nous a permis d’analyser le potentiel de notre approche et pointer certaines limitations des templates de STO/Si. Sur cette base, nous avons enfin initié l’étude de templates alternatifs pour la croissance d’InP, en effectuant quelques études préliminaires de l’épitaxie d’InP sur substrats de LaAlO3. / Due to their electrical and optical properties, the integration of III-V semiconductors on Si would open the path to the combination of a various functionalities on the same chip, a potential solution to the challenges faced by CMOS components. The pionner studies by McKee and al have shown that SrTiO3 (STO) could be directly epitaxied on Si by MBE (Molecular Beam Epitaxy). Few years later, a Motorola team has shown that it is possible to epitaxy thin GaAs layers on STO/Si templates, hence opening a new path for III-V monolithic integration on Si. Based on this, the INL has undertaken the study of III-V semiconductors growth on STO. In particular, it has been shown that the weak adhesion specific to these systems favors a preferential accommodation mode of the lattice mismatch by breaking interfacial bonds rather than by plastic relaxation of an initially compressed layer. Hence, it is possible in spite of a strong lattice mismatch to grow III-V semiconductors without threading defects related to a plastic relaxation mechanism, which opens interesting perspectives for IIIV monolithic integration on Si. In this context, during this thesis, we have focalised in the beginning on optimising the growth of the STO/Si templates. In particular, we have shown that a relaxed and oxygen-rich STO layer favors undertaking InP growth. Next, we have studied systematically the InP growth on STO. The weak adhesion specific to this system leads to islands formation at the early stages of growth, as well as the observation of a competition between different crystalline orientations of the InP islands. We have worked out STO growth conditions and surface preparation strategies that allow obtaining purely (001) oriented InP islands. We have next optimised the islands coalescence step in order to form 2D InP layers on STO/Si. Based on a complete structural and optical study of these heterostructures, we have been able to analyse our approach’s potential and to point out cetain limitations of the STO/Si templates. On this basis, we have finally initiated the study of alternative templates for InP growth, by undergoing some preliminary studies of InP epitaxy on LaAlO3 substrates.

La diversification des fonctionnalités intégrées dans les systèmes micro-optoélectroniques est l'un point clé du développement de ces filières. Combiner sur une même puce des matériaux ayant des propriétés différentes doit permettre de faire émerger de nouveaux concepts de composants basés sur de nouveaux effets physiques ou sur la combinaison des propriétés physiques des matériaux intégrés. Parmi les matériaux d'intérêt, les semi-conducteurs III-V présentent des propriétés optiques exceptionnelles et sont couramment utilisés pour réaliser des composants photoniques. Les oxydes fonctionnels, quant à eux, offrent une grande variété de propriétés physiques qui en font des matériaux très prometteurs pour de nombreuses applications. Dans ce contexte, l'objectif global de cette thèse est de démontrer la possibilité d'intégrer des oxydes fonctionnels cristallins sur des hétérostructures à base de GaAs par épitaxie, et de montrer que de telles structures peuvent présenter des propriétés nouvelles pour la photonique. Plus précisément, nous avons focalisé nos efforts sur l'intégration de couches minces de PZT sur des structures à puits quantiques InGaAs/GaAs via des couches tampons de SrTiO3 (STO). Nous avons étudié et développé la croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE) des templates de STO sur GaAs. La forte hétérogénéité entre ces deux types de matériaux nécessite d'avoir recours à des stratégies d'ingénierie d'interface spécifiques et à un excellent contrôle des paramètres de croissance. Nous avons mis en évidence les effets bénéfiques sur la qualité structurale du STO d'une préparation de la surface de GaAs au Ti. Pour ces études, nous avons utilisé la spectroscopie de photoélectrons (XPS, in-situ ou en collaboration avec la ligne TEMPO du synchrotron SOLEIL) et microscopie électronique en transmission (TEM, en collaboration avec le LPN). Ces expériences nous ont permis de sonder structure et chimie de l'interface semi-conducteur/oxyde. Nous avons également étudié les mécanismes de croissance et de cristallisation du STO sur GaAs, en mettant notamment en œuvre des expériences d'XPS in-situ au synchrotron SOLEIL. La compréhension de ces mécanismes spécifiques nous a permis d'adapter les conditions de croissance du STO et d'obtenir des couches tampons d'excellente qualité. Nous avons étudié la croissance de couches minces de PZT sur des structures à puits quantique d'In- GaAs/GaAs via des templates de STO. Nous avons tout d'abord montré que les procédés standards de croissance de PZT (sol-gel ou ablation laser (collaboration avec l'IEF)) conduisaient à de fortes dégradations des puits quantiques du fait des réactions chimiques entre l'oxyde et le matériau III-V. Nous avons étudié les mécanismes de ces dégradations et mis en évidence une forte affinité chimique entre l'As, le Pb et le Sr. Pour pallier cette difficulté, nous avons modifié le procédé de croissance du PZT ainsi que l'hétérostructure III-V (enfouissement du puits, ajout d'AlAs ...). Ces actions combinées nous ont permis de réaliser des couches minces de PZT ferroélectriques sur des structures à puits quantiques d'InGaAs/GaAs. Nous avons ensuite défini un design d'émetteur accordable basé sur une hétérostructure PZT/GaAs/InGaAs. De tels émetteurs ont été réalisés en collaboration avec l'IEF) et mesurés leurs propriétés mécaniques et optiques en effectuant des expériences sous champ. Enfin, nous avons effectué un certain nombre d'études préliminaires visant à démontrer la possibilité d'intégrer des hétérostructures à base de GaAs sur des substrats de Si recouverts de couches tampons de STO. Nous avons pour cela envisagé et étudié la possibilité d'utiliser des composés Zintl-Klemm d'interface susceptibles de minimiser l'énergie d'interface entre le GaAs et le STO. / Diversification of the materials and functionalities integrated on silicon is an important issue for further progression in the field of micro-optoelectronics. The monolithic heterogeneous integration of new materials on silicon, and more generally the combination on the same wafer of materials having different physical properties is a key challenge. Amongst the materials of interest, III-V semiconductors are the object of specific attention because their optoelectronic and transport properties are superior to those of silicon. Similarly, the so-called functional oxides have interesting physical properties (ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity, etc.) making them suitable for various applications (NVM, energy harvesters, MEMS . . . ). In this context, the goal of this thesis is to demonstrate the possible integration of crystalline functional oxides on GaAs-based heterostructures using epitaxy and that such structures show new properties for photonic. More precisely, we focused on integration PZT thin film on InGaAs/GaAs quantum wells structures thanks to SrTiO3 (STO) buffer layer. We first studied and developed the growth of STO on GaAs templates using molecular beam epitaxy (MBE). Because of the strong heterogeneity between the two materials, specific interface engineering strategies are required. We highlight the benefit of a Ti-based GaAs surface treatment on the structural quality of STO. For these studies we used photoelectrons spectroscopy (XPS, in-situ and collaboration with TEMPO beam line of SOLEIL synchrotron) and transmission electron spectroscopy (TEM, collaboration with LPN/C2N). Those experiments allowed us to probe both structural and chemical aspects of the semiconductor/ oxide interface. We also studied the growth mechanism of STO on GaAs through in-situ XPS experiments at SOLEIL. Thanks to the understanding of those specifics mechanisms, we could accommodate the growth conditions to obtain good quality STO buffer layers. Then we studied the growth of thin film PZT on InGaAs/GaAs quantum well structures by means of STO templates. We first showed that standard growth process (sol-gel and pulsed laser deposition at IEF/C2N) lead to strong deterioration of quantum well due to chemical reactions between the oxide and the III-V material. We studied the mechanisms involved in this deterioration and highlight the strong chemical affinity between As, Pb and Sr. To palliate this difficulty, the growth process of PZT has been modify and an AlAs “sacrificial” layers has been added in order to limit the oxygen difiusion into the substrate. Thanks to these two solutions, it has been possible to realize a PZT ferroelectric thin film on an InGaAs/GaAs quantum well heterostructure. A tunable source based on such heterostructure has been designed. In this device, the strain induced in the ferroelectric PZT by an electric field is transmitted to the substrate and the quantum well modifying its emitted wavelength. We simulated this device in order to optimize its dimensions. Then we realized this device (collaboration with IEF/C2N) and measured its mechanical and optical properties under an electric field. We also performed preliminary studies in order to demonstrate the possible integration of GaAs-based heterostructures on Si substrates in by the means of STO buffer layer. We considered the use of Zintl- Klemm compounds to minimize the interface energy between GaAs and STO allowing 2D growth of the semiconductor on the oxide.

Cette thèse porte sur l’étude de la croissance auto-organisée de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de silicium visant à l’intégration monolithique d’un émetteur de lumière sur silicium à base d’un matériau semiconducteur III-V. Le développement d’un tel système se heurte à deux verrous majeurs : le premier provient d’un très fort désaccord de maille qui rend difficile l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si présentant de bonnes qualités structurales et optiques, et le second provient de la nature électronique de l’interface entre In(Ga)As et le Si dont il est prédit qu’elle est de type II et donc peu efficace pour l’émission de lumière. L’approche que nous avons proposée consiste à insérer des BQs d’In(Ga)As dans un puits quantique de silicium dans SiO2, fabriqué sur un substrat SOI. Les effets attendus de confinement quantique dans le puits de Si favoriseraient une interface In(Ga)As/Si de type I. D’un point de vue expérimental, nous avons donc étudié l’influence de différents paramètres de croissance (température de croissance, rapport V/III, quantité d’In(Ga)As déposé, teneur en indium des boîtes quantiques …) sur le mode de croissance et sur les propriétés structurales et optiques des BQs d’In(Ga)As épitaxiées sur substrat de Si(001). Nous avons proposé une interprétation des phénomènes microscopiques qui régissent la formation des boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si en fonction de la teneur en indium. Nous avons aussi montré qu’il est possible de fabriquer des boîtes quantiques d’In0,4Ga0,6As sur Si ne présentant pas de défauts structuraux liés à la relaxation plastique. La luminescence attendue des boîtes quantiques n’a pas pu être obtenue, probablement en raison de deux conditions requises mais antagonistes: la fabrication de boîtes quantiques de très haute qualité structurale (possible uniquement pour de l’In(Ga)As avec une teneur en In inférieure à 50%) et un alignement de bandes à l’interface BQs In(Ga)As/Si de type I (possible théoriquement pour une teneur en In supérieure ou égale à 70%). Ce travail a permis d’enrichir la connaissance et le savoir-faire concernant l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de Si(001) et l’encapsulation de ces boîtes quantiques par du silicium dans un réacteur d’épitaxie par jets moléculaires III-V. / This thesis focuses on the study of the self-organized growth of In(Ga)As quantum dots (QDs) on a silicon substrate. The purpose of this work is to pave the way for a monolithic integration of III-V semiconductor-based light emitter on silicon. One of the big challenges of this project is to overcome the high lattice mismatch between InGaAs and Si which can induce structural defects in the QDs. Another key challenge comes from the expected type II In(Ga)As/Si interface that is detrimental for efficient light emission. In order to solve the “interface type” issue, we suggested to insert the In(Ga)As QD plane inside a thin silicon layer grown on a SOI substrate. Confinement effects of the Si/SiO2 quantum well are expected to raise the X-valley of the Si conduction band above the Γ-valley, leading to a type I interface in both direct and reciprocal space. The influence of different parameters (such as the amount of deposited In(Ga)As, the growth temperature, the V/III ratio and the gallium content...) on the growth mode and on the structural and optical properties of the In(Ga)As QDs grown on Si(001) are experimentally studied. We propose an interpretation of the microscopic phenomena governing the formation of the QDs as a function of gallium content. We finally show the possibility of making In0,4Ga0,6As QDs on Si(001) substrates, these QDs being free of ‘plastic relaxation’-related structural defects. The expected luminescence from the QDs was not obtained probably due to two incompatible conditions: the first, required for growing high structural quality QDs (possible only for In(Ga)As containing less than 50% of In) and the second, essential for maintaining a type I interface band alignment (theoretically possible for an In content greater than 50%). This work is contributing to the understanding of In(Ga)As QDs growth on Si(001) substrates and to the know-how of capping such QDs with silicon inside a III-V molecular beam epitaxy reactor.

Les matériaux semi-conducteurs III-N sont à l’origine d’une véritable révolution technologique. Mais malgré l’effervescence autour de ces sources lumineuses, leurs performances dans le vert et l’UV demeurent limitées. La principale raison à cela est l’orientation cristalline (0001)III-N (dite polaire) selon laquelle ces matériaux sont généralement épitaxiés et qui induit de forts effets de polarisation. Ces effets peuvent cependant être fortement atténués par l’utilisation d’orientations de croissance dite semi-polaires. Malheureusement, les films de GaN semi-polaires hétéroépitaxiés présentent des densités de défauts très importantes, ce qui freine très fortement leur utilisation. L’enjeu de cette thèse de doctorat est de réaliser des films de GaN semi-polaire (11-22) de haute qualité cristalline sur un substrat de saphir en utilisant la technique d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. La réduction de la densité de défaut étant l’objectif majeur, différentes méthodes d’ingénieries de défauts s’appuyant sur la structuration de la surface des substrats et sur la croissance sélective du GaN ont été développées. Elles ont permis d’établir l’état de l’art actuel du GaN semi-polaire hétéroépitaxié. Par la suite, dans le but d’améliorer les performances des DELs vertes, une étude dédiée à l’optimisation de leur zone active a été menée. D’autre part, le développement de substrats autosupportés de GaN semi-polaires, ainsi que la confection de cristaux 3D de grande taille dont la qualité cristalline est comparable aux cristaux de GaN massifs ont été démontrés. Ces deux approches permettant de s’approcher encore plus de la situation idéale que serait l’homoépitaxie. / Nitride based materials are the source of disruptive technologies. Despite the technological turmoil generated by these light sources, their efficiency for green or UV emission is still limited. For these applications, the main issue to address is related to strong polarization effects due to the (0001)III-N crystal growth orientation (polar orientation). Nevertheless these effects can be drastically decreased using semipolar growth orientations. Unfortunately semipolar heteroepitaxial films contain very high defect densities which hamper their adoption for the time being. The aim of this doctoral thesis is to achieve semipolar (11-22) GaN of high quality on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition. Defect reduction being the main objective, several defect engineering methods based on sapphire substrate patterning and GaN selective area growth have been developed. Thanks to refined engineering processes, the remaining defect densities have been reduced to a level that establishes the current state of the art in semipolar heteroepitaxial GaN. These results have enabled the achievement of high quality 2 inches semipolar GaN templates, thus forming an ideal platform for the growth of the forthcoming semipolar optoelectronic devices. With this in mind, to improve green LEDs, a study dedicated to the optimization of their active region has been conducted. Finally, the development of semipolar freestanding substrate has been performed, and beyond, the realization of large size crystals with a structural quality similar to that of bulk GaN has been demonstrated. These last two approaches pave the way to quasi-homoepitaxial growth of semipolar structures.

Cette thèse de doctorat traite de la mise en œuvre du procédé de soulèvement épitaxial (ou ELO pour epitaxial lift-off) à partir d'un substrat d'InP permettant le détachement des couches actives et le recyclage du substrat afin de rendre économiquement compétitive la fabrication de cellules solaires multi-jonctions pour le photovoltaïque concentré. Ce procédé, qui consiste à sous-graver sélectivement une couche sacrificielle comprise entre le substrat et les couches actives, est bien connu et maîtrisé sur un substrat de GaAs avec l'utilisation d'une couche sacrificielle d'AlAs d'épaisseur voisine de 5 nm, ce qui n'est pas possible sur un substrat d'InP en raison du fort désaccord de maille cristalline existant entre l'AlAs et l'InP. Pour l'adapter à un substrat d'InP, le développement d'une couche sacrificielle spécifique basée sur un super-réseau AlAs/InAlAs a été réalisé, ce qui permet de contourner les problématiques liées au désaccord de maille et à la croissance de matériaux contraints. Après optimisation des conditions de croissance de ce super-réseau, les épaisseurs atteintes et donc les vitesses de sous-gravure obtenues en utilisant ce type de couche sacrificielle ont satisfait aux exigences du procédé ELO. Ensuite, le report et le soulèvement de structures actives de cellules solaires InGaAs en couches minces cristallines ont été développés. Les cellules solaires ainsi fabriquées ont montré des performances semblables à celles réalisées par épitaxie standard sur un substrat d'InP, voire meilleures sous concentration en raison d'effets de confinement optique. Finalement, le recyclage du substrat d'InP réalisé avec un procédé utilisant seulement deux étapes de nettoyage par voies chimiques humides, a permis de produire des surfaces d'InP de qualité suffisante pour réaliser une reprise d'épitaxie satisfaisante. / This PhD thesis deals with the implementation of the epitaxial lift-off (ELO) process from an InP substrate allowing the detachment of active layers and the substrate recycling. The final target is to realize multi-junction solar cells in an economically competitive way for concentrated photovoltaic. The ELO process consists in the under-etching of a sacrificial layer inserted between the substrate and the active layers. It is well known and mastered on a GaAs substrate with the use of a sacrificial layer of AlAs with a thickness of about 5 nm. Such a layer is not usable on an InP substrate due to the high lattice mismatch between AlAs and InP. In order to adapt the ELO process to an InP substrate, this work aimed to develop a specific sacrificial layer based on an AlAs/InAlAs superlattice. Thus, it is possible to circumvent problems related to the lattice mismatch and to the strained layer growth. After optimization of growth conditions of this superlattice, using this type of sacrificial layer, we achieve a sufficient thickness and therefore a sufficient under-etching rate in order to meet the requirements of the ELO process. Then, the transfer and lift-off of thin crystalline film based InGaAs solar cells have been developed. This kind of solar cells showed performances similar to those obtained with a standard epitaxial growth on an InP substrate, or even better under concentration due to optical confinement effects. Finally, the recycling of the InP substrate carried out by a process using only two wet chemical cleaning steps made it possible to produce InP surfaces of sufficient quality to achieve a promising second epitaxial growth.

L’intégration photonique permet de réduire la taille et la consommation d’énergie des systèmes de communication par fibre optique par rapport aux systèmes assemblés à partir de composants unitaires. Cette technologie a récemment suscité un grand intérêt avec les progrès de l’intégration sur InP et le développement de la photonique sur silicium. Cette dernière challenge la plate-forme d’intégration sur InP car des composants à hautes performances et faibles coûts peuvent être fabriqués dans des fonderies originellement développées pour la microélectronique. Les lasers sont l'une des pièces maitresses des émetteurs-récepteurs pour les communications optiques. Leur intégration sur la plateforme silicium permet de développer des émetteurs-récepteurs comprenant les fonctions critiques d’émission de lumière, de modulation et de détection sur une même puce. L’intégration de matériaux III-V par collage moléculaire sur plaque silicium permet de produire de grands volumes : plusieurs dizaines voire centaines de composants sont réalisés par wafer. Dans cette thèse, j’ai étudié théoriquement et expérimentalement les propriétés des lasers accordables basés sur des résonateurs en anneau en silicium, des lasers à rétroaction distribuée modulés directement et des lasers à haut facteur de qualité qui présentent un faible bruit de phase et d’intensité. / Photonic integration reduces the size and energy consumption of fiber optic communication systems compared to systems assembled from discrete components. This technology has recently attracted a great interest with the progress of integration on InP and the development of silicon photonics. The latter challenges the integration platform on InP as high-performance and low-cost components can be manufactured in foundries originally developed for microelectronics. Lasers are one of the main parts of transceivers for optical communications. With their integration on the silicon platform, transceivers that include the critical functions of light emission, modulation and detection on the same chip can be made. In the heterogeneous integration platform, components are manufactured in high volumes: several tens or even hundreds of components are produced per wafer. In this thesis, I studied theoretically and experimentally the properties of tunable lasers based on silicon ring resonators, directly modulated distributed feedback lasers and low noise high-quality factor lasers