V této diplomové práci je nejprve ve zkratce uvedena teorie fyziky solárních článků, kde jsou zmíněny klíčové procesy ovlivňující účinnost konverze slunečního záření na elektrickou energii. Dále je předložena rešerše o fotovoltaických nanostrukturách (nanodráty, nanokrystaly), jejichž implementací je možné účinnost solárních článků zvýšit. V přehledu experimentálních technik ke zkoumání fotovoltaických nanostruktur je důraz kladen zejména na korelativní měření pomocí SEM a AFM, vodivostního AFM, měření EBIC a mikroskopické měření elektroluminiscence. V experimentální části jsou předloženy výsledky měření struktur mikrokrystalického křemíku, vzorku hetero-přechodového Si solárního článku s kontakty na zadní straně (IBC-SHJ z projektu NextBase) a V-pitů vzorku InGaN/GaN kvantových jam. Měření elektroluminiscence bylo provedeno na vzorcích III-V polovodičů (InGaP, GaAs). Byly vypočítány jinak těžko dostupné charakteristiky III-V tandemových solárních článků pomocí elektroluminiscence a srovnání vlastností IBC-SHJ zjištěných pomocí mikroskopického měření elektroluminiscence a EBIC. Provedením experimentů bylo zjištěno, jakým způsobem se dělí proud vybuzený svazkem elektronů mezi hrot AFM a vzorek mikrokrystalického křemíku.

The change of the spontaneous polarization due to a change of temperature is known as the pyroelectric effect and is restricted to crystalline, non-centrosymmetric and polar matter. Its main application is the utilization in infrared radiation sensors, but usage for waste heat energy harvesting or chemical catalysis is also possible. A precise quantification, i.e. the measurement of the pyroelectric coefficient p, is inevitable to assess the performance of a material. Hence, a comprehensive overview is provided in this work, which summarizes and evaluates the available techniques to characterize p. A setup allowing the fully automated measurement of p by utilizing the Sharp-Garn method and the measurement of ferroelectric hysteresis loops is described. It was used to characterize and discuss the behavior of p with respect to the temperature of the doped bulk III-V compound semiconductors gallium nitride and aluminum nitride and thin films of doped hafnium oxide, as reliable data for these materials is still missing in the literature. Here, the nitride-based semiconductors show a comparable small p and temperature dependency, which is only slightly affected by the incorporated dopant, compared to traditional ferroelectric oxides. In contrast, p of HfO2 thin films is about an order of magnitude larger and seems to be affected by the present dopant and its concentrations, as it is considered to be responsible for the formation of the polar orthorhombic phase.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments / Die Änderung der spontanen Polarisation durch eine Änderung der Temperatur ist bekannt als der pyroelektrische Effekt, welcher auf kristalline, nicht-zentrosymmetrische und polare Materie beschränkt ist. Er findet vor allem Anwendung in Infrarot-Strahlungsdetektoren, bietet aber weitere Anwendungsfelder wie die Niedertemperatur-Abwärmenutzung oder die chemische Katalyse. Eine präzise Quantifizierung, d. h. die Messung des pyroelektrischen Koeffizienten p, ist unabdingbar, um die Leistungsfähigkeit eines Materials zu bewerten. Daher bietet diese Arbeit u.a. einen umfassenden Überblick und eine Bewertung der verfügbaren Messmethoden zur Charakterisierung von p. Weiterhin wird ein Messaufbau beschrieben, welcher die voll automatisierte Messung von p mit Hilfe der Sharp-Garn Methode und auch die Charakterisierung der ferroelektrischen Hystereseschleife ermöglicht. Aufgrund fehlerender Literaturdaten wurde dieser Aufbau anschließend genutzt, um den temperaturabhängigen pyroelektrischen Koeffizienten der dotierten III-V-Verbindungshalbleiter Gallium- und Aluminiumnitrid sowie dünner Schichten bestehend aus dotiertem Hafniumoxid zu messen und zu diskutieren. Im Vergleich zu klassichen ferroelektrischen Oxiden zeigen dabei die nitridbasierten Halbleiter einen geringen pyroelektrischen Koeffizienten und eine kleine Temperaturabhängigkeit, welche auch nur leicht durch den vorhandenen Dotanden beeinflusst werden kann. Dagegen zeigen dünne Hafniumoxidschichten einen um eine Größenordnung größeren pyroelektrischen Koeffizienten, welcher durch den anwesenden Dotanden und seine Konzentration beeinflusst wird, da dieser verantwortlich für die Ausbildung der polaren, orthorhombischen Phase gemacht wird.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments

Le confinement électrique et optique par oxydation des couches minces d'AlGaAs est une étape essentielle dans la réalisation des composants photoniques actifs et passifs dans la filière de matériaux GaAs. La recherche de performances ultimes sur ces composants nécessite une meilleure maîtrise du procédé d'oxydation ainsi qu'une meilleure connaissance des propriétés optiques de l'oxyde d'aluminium (AlOx). Dans cette perspective, j'ai d'abord réalisé une étude expérimentale de la vitesse d'oxydation des couches d'AlGaAs en fonction de la température du substrat, de la composition en gallium des couches étudiées, de la pression atmosphérique et de la géométrie des mesas considérés. Puis, j'ai établi un modèle anisotrope permettant une meilleure résolution spatiale et temporelle de la forme du front d'oxydation de l'AlAs. Enfin, j'ai exploité ce procédé pour réaliser des composants d'optique guidée notamment des micro-résonateurs puis réalisé des guides optiques à fente et caractérisé leurs performances optiques. / Optical and electrical confinement using Al(Ga)As layer oxidation is a key milestone in the fabrication of active and passive GaAs-based photonic components. To optimize those devices, through the control of the optical and electrical confinements, a better modelling of oxidation process and a better understanding of optical properties of aluminum oxide (AlOx) is required. One part of this work is focusing on a throughout experimental study of AlGaAs oxidation kinetics, where I studied different important parameters such as wafer temperature, gallium composition, atmospheric pressure and mesa geometry. Then, I developed a new predictive model taking into account the process anisotropy, thus allowing a better temporal and spatial of AlAs oxidation front evolution. Finally, I could exploit this technological process to realize whispering gallery mode microdisks as well as slot optical waveguides, and I have characterized this latter photonic devices.

Nitride-based semiconductor materials make it possible to fabricate optoelectronic devices that operate in the whole electromagnetic range, since the band gaps of these compounds can be modified by doping. Among these materials, the sp2-hybridized boron nitride has properties that make it a potential candidate for integration in devices operating in the short-wavelength limit, under harsh environment conditions, due to the strength of the B-N bond.  Nevertheless, this binary compound has been the less studied material among the nitrides, due to the lack of complete control on the growth process. This thesis is focused on the study of the optical properties of sp2-hybridized boron nitride grown by hot-wall chemical vapor deposition (CVD) method, at the Department of Physics, Chemistry and Biology, at Linköping University, Sweden. The samples received for this study were grown on c-plane aluminum nitride as the buffer layer, which in turn was grown by nitridation on c- plane oriented sapphire, as the substrate material. The first objective of the research presented in this thesis was the development of a suitable ellipsometry model in a spectral region ranging from the infrared to the ultraviolet zones of the electromagnetic spectrum, with the aim of obtaining in the process optical properties such as the index of refraction, the energy of the fundamental electronic interband transition, the frequencies for the optical vibrational modes of the crystal lattice, as well as their broadenings, and the numerical values of the dielectric constants; and on the other hand, structural parameters such as the layers thicknesses, and examine the possibility of the presence of roughness or porosity on the boron nitride layer, which may affect the optical properties, by incorporating their effects into the model. The determination of these parameters, and their relation with the growth process, is important for the future adequate design of heterostructure-based devices that incorporate this material. In particular, emphasis has been put on the modeling of the polar lattice resonance contributions, with the TO- LO model, by using infrared spectroscopic ellipsometry as the characterization technique to study the phonon behavior, in the aforementioned spectral region, of the boron nitride. On the other hand, spectroscopic ellipsometry in the visible-ultraviolet spectral range was used to study the behavior of the material, by combining a Cauchy model, including an Urbach tail for the absorption edge, and a Lorentz oscillator in order to account for the absorption in the material in the UV zone. This first step on the research project was carried out at Linköping University.  The second objective in the research project was to carry out additional studies on the samples received, in order to complement the information provided by the ellipsometry model and to improve the model itself, provided that it was possible. The characterization techniques used were X-ray diffraction, which made it possible to confirm that in fact boron nitride was present in the samples studied, and made it possible to verify the crystalline quality of the aforementioned samples, and in turn relate it to the quality of the ellipsometry spectra previously obtained; the Raman spectroscopy made it possible to further verify and compare the crystalline qualities of the samples received, as well as to obtain the frequency for the Raman active B-N stretching vibration in the basal plane, and to compare this value with that corresponding to the bulk sp2-boron nitride; scanning electron microscopy made it possible to observe the rough surface morphologies of the samples and thus relate them to some of the conclusions derived from the ellipsometry model; and finally cathodoluminescence measurements carried out at low temperature (4 K) allowed to obtain a broad band emission, on all the samples studied, which could be related to native defects inside the boron nitride layers, i.e., boron vacancies. Nevertheless, no trace of a free carrier recombination was observed. Considering that the hexagonal-boron nitride is nowadays considered to be a direct band gap semiconductor, it may be indirectly concluded, in principle, that the dominant phase present in the samples studied was the rhombohedral polytype. Moreover, it can be tentatively concluded that the lack of an observable interband recombination may be due to the indirect band gap nature of the rhombohedral phase of the boron nitride. Spectroscopic ellipsometry does not give a definite answer regarding this issue either, because the samples analyzed were crystalline by nature, thus not being possible to use mathematical expressions for the dielectric function models that incorporate the band gap value as a fitting parameter. Therefore, the nature of the band gap emission in the rhombohedral phase of the boron nitride is still an open research question. On the other hand, luminescent emissions originating from radiative excitonic recombinations were not observed in the cathodoluminescence spectra. This second step of the project was carried out at the Leroy Eyring Center for Solid State Science at Arizona State University.

Afin de rendre les télécommunications optiques disponibles au plus grand nombre, le rapport coût/fonctions entrainé par la production de composants photoniques doit être fortement réduit. Or, un procédé permet de repousser les limites des dispositifs classiques basés sur un seul matériau. Il s'agit de l'intégration hybride. Cette technique fait intervenir deux échantillons ou plus pour optimiser les composants. C'est pourquoi ce projet de maîtrise s'est concentré sur le développement de nouvelles technologies de fabrication pouvant appuyer l'hybridation. En fait, ce document aborde le sujet à partir des trois directions suivantes: Direction 1: Collage moléculaire basse température à base de titane oxydé par plasma. Dans ce premier cas, le but est d'obtenir des collages moléculaires dont la forte adhésion permet de faire de l'intégration hybride en dessous de 300 [degrés Celsius]. Pour y arriver, une couche intermédiaire de titane oxydé par plasma est utilisée. Cela rend possible le collage d'échantillons de petites tailles, de matériaux différents et possédants des microstructures. Direction 2: Intégration de réseaux de Bragg verticaux dans des circuits planaires optiques. Dans ce second cas, le but est d'intégrer des réseaux de Bragg verticaux sur des branches de jonctions"Y" grâce à une lithographie mixte (photolithographie et électrolithographie combinés). Cela rend possible l'étude de dispositifs non disponibles commercialement. Direction 3: Coupleur SU-8/Silicium à faibles pertes. Dans ce dernier cas, le but est de faire le prototypage rapide de coupleurs dont les simulations prédisent une grande efficacité de couplages (>75%). Ces composants tirent profit de la plateforme silicium-sur-isolant (SOI ) et d'une photorésine, la SU-8. Cela rend possible la fabrication et le test de la première génération de ces coupleurs. L'ensemble de ces travaux ouvre la voie à des projets de microfabrication de dispositifs photoniques hybride complets et fonctionnels à l'Université de Sherbrooke.

Semiconductor nanowires are nanostructures with lengths up to few microns and small cross sections (10ths of nanometers). In the recent years the development in the field of III-N nanowire technology has been spectacular. In particular they are consider as promising building in nanoscale electronics and optoelectronics devices; such as photodetectors, transistors, biosensors, light source, solar cells, etc. In this work, we present fabrication and the characterization of photodetector and light emitter based devices on III-N nanowires. First we present a study of a visible blind photodetector based on p-i-n GaN nanowires ensembles grown on Si (111). We show that these devices exhibit a high responsivity exceeding that of thin film counterparts. We also demonstrate UV photodetectors based on single nanowires containing GaN/AlN multi-axial quantum discs in the intrinsic region of the nanowires. Photoluminescence and cathodoluminescence spectroscopy show spectral contributions above and below the GaN bandgap according to the variation of the discs thickness. The photocurrent spectra show a sub-band-gap peak related to the interband absorption between the confined states in the large Qdiscs. Finally we present a study of photodetectors and light emitters based on radial InGaN/GaN MQW embedded in GaN wires. The wires used as photodetectors showed a contribution below the GaN bandgap. OBIC measurements demonstrate that, this signal is exclusively generated in the InGaN MQW region. We showed that LEDs based on this structure show a electroluminescence emission and a red shift when the In content present in the QWs increases which is in good agreement with photoluminescence and cathodoluminescence results.

Cette thèse porte sur l’optimisation de la croissance hétérogène de nanostructures III-V sur substrat de Si(001) désorienté selon [110]. Le but principal concerne la réalisation de sources optiques efficaces sur substrat de Si pour les interconnexions optiques à très haut débit inter et intra puces, dans le cadre du développement de circuits optoélectroniques intégrés (OEIC –optoelectronic integrated circuit). Dans un premier temps, cette étude porte sur l’optimisation de l’incorporation d’azote dans GaPN sur substrat de GaP (001), de façon à obtenir l’accord de paramètre de maille avec le Si. Cette étude est intéressante pour la croissance des composés III-V à azote dilué, tels que GaAsPN, qui sont très attractifs pour des applications lasers à grande longueur d’onde et des applications photovoltaïques à haut rendement, sur substrats de Si. Nous avons ensuite étudié la croissance d’une couche active à base de boîtes quantiques (In,Ga)As sur substrat de GaP(001). Ces boîtes présentent une haute densité et une bonne uniformité en taille. La photoluminescence à température ambiante est également obtenue sur ces boîtes quantiques, ce qui est très encourageant pour la réalisation de sources optoélectroniques intégrées sur substrat de silicium. Dans latroisième partie, nous avons étudié la croissance homoépitaxiale de Si par UHV/CVD nécessaire pour enterrerdes contaminants résiduels à la surface, et obtenir une surface propice à l’hétéroépitaxie de GaP de qualité structuraleoptimale. L’étude de croissance inclue la formation de doubles marches atomiques, favorisée par la désorientation du substrat, permettant de limiter l’apparition de défauts structuraux. Finalement, l’interface GaP/Si est optimisée, tout en obtenant une surface de GaP plane et une densité de défauts minimale. Une méthodologie pour quantifier les défauts structuraux (domaines d’antiphase, micro-macles) par diffraction des rayons X au Synchrotron et en laboratoire est présentée. Cette étude révèle une anisotropie d’orientation des micro-macles, liée à la direction de désorientation du substrat de Si, et une forte réduction de la densité de macles à haute température de croissance. La croissance de GaP sur substrat de Si, en couche mince d’épaisseur inférieure à l’épaisseur critique est obtenue spécifiquement avec un cluster de croissance composé d’un bâti Si UHV/CVD connecté sous ultra-vide avec un bâti III-V MBE. Les résultats montrent une réduction importante des défauts structuraux ce qui permet d’obtenir un pseudo-substrat GaP/Si présentant une surface plane, appropriée pour la croissance ultérieure de sources optiques efficaces. Les résultats obtenus permettent d’envisager la réalisation de sources lasers à base de composés III-V sur substrat de silicium. / This thesis focuses on the heterogeneous growth optimization of III-V nanostructures on Si (001) substrate displaying a miscut toward [110]. The main purpose concerns the integration of efficient light sources on Si substrate for high-speed optical interconnects inter-and intra-chip, as a cornerstone for the development of optoelectronic integrated circuits (OEIC).First, this study focuses on the optimisation of nitrogen incorporation in GaPN on GaP(001) substrate, while reachingthe lattice-matching condition with Si. This study is also interesting for the growth of any GaPN-based dilute nitridecompounds, such as GaAsPN, which are very attractive for long wavelength laser applications and high-efficiency photovoltaic applications on Si substrates. In a second step, we studied the growth of an active layer based on (In,Ga)As quantum dots (QD) on GaP (001) substrate. These QD display a high density and good uniformity in size. Room temperature photoluminescence is also obtained on these QD, which is very promising for the fabrication of integrated optoelectronic sources on a silicon substrate. In the third part, this study focuses on the homoepitaxial growth of Si by UHV/CVD necessary to bury residual contaminants initially present on the Si surface, and to obtain a Si surface suitable for the subsequent heteroepitaxial growth of optimal structural quality GaP layer. This includes the formation of double atomic steps, by step bunching and favors by the substrate miscut, in order to limit the structural defects. Finally, the GaP/Si interface is optimized, while obtaining a flat GaP surface and a minimum defects density. A methodology to quantify the structural defects (anti-phase domains, micro-twins) by X-ray diffraction using Synchrotron and laboratory sources is presented. This study reveals an anisotropic behavior of the micro-twins, linked to the miscut direction of the Si substrate, and a dramatic reduction of the micro-twins density at high growth temperature. The growth of thin GaP layers on Si substrates, with thickness less than the critical one and obtained with a purposely dedicated growth cluster composed of a Si UHV/CVD chamber connected under UHV with a III-V MBE chamber, shows a significant reduction of the structural defects and provides a GaP/Si pseudo-substrate with a flat surface suitable for subsequent growth of efficient light sources.

In dieser Arbeit wurde die atomare Struktur von Si(100)- und Ge(100)-Oberflächen untersucht, die mit metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) für anschließende Heteroepitaxie von III-V-Halbleitern präpariert wurden. An der III-V/IV Grenzfläche werden atomare Doppelstufen auf der Substratoberfläche benötigt, um Antiphasenunordnung in den III-V-Schichten zu vermeiden. Die MOCVD-Prozessgasumgebung beeinflusst die Domänen- und Stufenbildung der Si- und Ge(100)-Oberfläche sehr stark. Deswegen wurden in situ Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) und Ultrahochvakuum-(UHV)-basierte oberflächensensitive Messmethoden verwendet, um die verschiedenen Oberflächen zu charakterisieren. In situ RAS ermöglicht die Identifizierung der Oberflächenstruktur und somit Kontrolle über die Oberflächenpräparation, insbesondere der Domänenbildung auf Si- und Ge(100). Beide Oberflächen wechselwirken stark mit dem H2-Prozessgas, was zu Monohydrid-Bedeckung während der Präparation führt und sogar zu Si-Abtrag während Präparation unter hohem H2-Druck. Die Erzeugung von Leerstellen auf den Terrassen bewirkt eine kinetisch bedingte Oberflächenstruktur, basierend auf Diffusion von Leerstellen und Atomen. Dadurch kommt es zu ungewöhnlichen DA-Doppelstufen auf verkippten Si(100)-Substraten während auf exakten Substraten ein schichtweiser Abtrag stattfindet. Unter niedrigem H2-Druck bildet sich eine energetisch bedingte Domänen- und Stufenstruktur. Während das H2-Prozessgas keinen direkten Einfluss auf die Stufen- und Domänenbildung von verkippten Ge(100)-Oberflächen zeigt, ist der Einfluss von Gruppe-V-Elemente entscheidend. Die As-terminierten Ge(100)-Oberflächen bilden eindomänige Oberflächen unterschiedlicher Dimerorientierung und Stufenstruktur abhängig von Temperatur und As-Quelle. Angebot von P an Ge(100)-Oberflächen durch Heizen in Tertiärbutylphosphin führt zu einer ungeordneten, P-terminierten Ge(100)-Oberfläche, die instabiler als die Ge(100):As-Oberfläche ist. / In this work, the atomic surface structure of Si(100) and Ge(100) surfaces prepared in metalorganic chemical vapor phase deposition (MOCVD) ambient was studied with regard to subsequent heteroepitaxy of III-V semiconductors. At the III-V/IV interface, double-layer steps on the substrate surface are required to avoid anti-phase disorder in the epitaxial film. The MOCVD process gas ambient strongly influences the domain and step formation of Si and Ge(100) surfaces. Therefore, in situ reflection anisotropy spectroscopy (RAS) and ultra-high vacuum-based (UHV) surface sensitive methods were applied to investigate the different surfaces. In situ RAS enabled identification of the surface structure and the crucial process steps, leading to complete control of Si and Ge(100) surface preparation. Both surfaces strongly interact with H2 process gas which leads to monohydride termination of the surfaces during preparation and Si removal during processing in high H2 pressure ambient. The generation of vacancies on the terraces induces a kinetically driven surface structure based on diffusion of vacancies and Si atoms leading to an energetically unexpected step structure on vicinal Si(100) substrates with DA-type double-layer steps, whereas Si layer-by-layer removal occurs on substrates with large terraces. Processing in low H2 pressure ambient leads to an energetically driven step and domain structure. In contrast, H2-annealed vicinal Ge(100) surfaces show no direct influence of the H2 ambient on the step structure. At the Ge(100) surface, group-V elements strongly influence step and domain formation. Ge(100):As surfaces form single domain surfaces with different majority domain and significantly different step structures depending on temperature and As source, respectively. In contrast, exposure to P by annealing in tertiarybutylphosphine leads to a very disordered P-terminated vicinal Ge(100) surface which is less stable compared to the Ge(100):As surfaces.

Ce travail de thèse concerne le développement de la synthèse de différents types de nanocristaux (NCs) fluorescents de semi-conducteurs II-VI et III-V en vue de leur production à plus grande échelle. Les principaux intérêts de ces NCs pour de nombreuses applications (marquage biologique, diodes électroluminescentes, etc.) sont la possibilité d'ajuster leur couleur d'émission avec leur taille, leur rendement quantique de fluorescence élevé et leur stabilité. Nos études ont d'abord porté sur le système le plus connu, le CdSe, puis sur d'autres semi-conducteurs II-VI (CdS, Cd1-xZnxSe) et un composé III-V (InP). Le système réactionnel choisi est basé sur la méthode d'injection rapide des précurseurs dans un solvant organique à température élevée. Dans le but de l'augmentation de l'échelle de synthèse, les précurseurs et solvants ont été sélectionnés selon les critères de faible coût, disponibilité commerciale et facilité de manipulation (stabilité à l'air, toxicité). Nous avons effectué un plan d'expériences avec la méthode de Taguchi afin de déterminer l'influence de différents facteurs (concentration en réactifs, nature du ligand, température, ...) sur la taille et la dispersion en taille des NCs avec un minimum d'expériences. Pour l'utilisation de quantités plus importantes un montage permettant une injection automatisée des précurseurs dans un réacteur de 2 litres a été développé. Ceci a permis la synthèse de NCs de CdSe avec une augmentation de l'échelle d'un facteur 20. Nous avons ainsi obtenu des lots de plusieurs grammes de trois tailles distinctes de NCs de CdSe monodisperses. Dans le but d'améliorer le rendement quantique de fluorescence des NCs et d'augmenter leur stabilité, nous avons fait croître une coquille d'un semi-conducteur à gap plus grand à leur surface. Afin d'éviter l'utilisation de réactifs pyrophoriques pour la croissance de coquille, nous avons développé de nouveaux précurseurs pour les coquilles de CdS et ZnS, l'éthylxanthate de cadmium et l'éthylxanthate de zinc. Ces précurseurs monomoléculaires sont stables à l'air, faciles à synthétiser, peu chers et se décomposent à des températures adaptées pour la croissance de coquilles. Les NCs obtenus à base de CdSe, de CdS, de Cd1-xZnxSe et d'InP présentaient des rendements quantiques de fluorescence entre 40 et 70%. Un mélange dans certaines proportions des NCs émettant dans le bleu, le vert et le rouge a permis de générer de la lumière blanche stable dans le temps.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information et de l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optique intégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est le développement de sources de photons uniques et de lasers compacts aux longueurs d'onde des télécommunications. Les émetteurs étudiés dans ce travail de thèse sont des boîtes quantiques InAsP/InP [001] obtenues par Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques (EPVOM). Il a été démontré, par l'intermédiaire de mesures spectrales et des mesures de durée de vie, que ces émetteurs présentent les caractéristiques nécessaires en vue des applications visées. Plus particulièrement, la mise en évidence expérimentale d'un dégroupement de photons, à partir d'une boîte unique, valide la possibilité de réaliser une source de photons uniques. En parallèle, des études sur les lasers à cristaux photoniques de faible volume modal et fort facteur de qualité, utilisant les mêmes boîtes quantiques à température ambiante, ont montré des propriétés originales, particulièrement sur la physique au niveau du seuil laser. La différence de comportement au niveau du seuil, par rapport aux lasers conventionnels, s'explique dans nos structures par le fort taux de couplage de l'émission spontanée dans le mode laser.