Cette étude porte sur la conception, l'élaboration sous contrôle optique et la caractérisation de modulateurs Fabry-Pérot en multicouches (Ga, Al)As. Ces dispositifs sont destinés à être utilisés comme portes optiques à 885 nm dans une architecture tout-optique. Après avoir exposé les contraintes imposées à ces composants par l'application visée, nous rappelons les notions de base nécessaires à la compréhension et au calcul du comportement optique de ces résonateurs. Nous discutons la capacité à assurer la fonction de modulation et les conditions de fonctionnement de ces dispositifs, directement liées aux propriétés optiques non-linéaires des semi-conducteurs sous excitation optique et électrique. Nous montrons que l'obtention de bonnes performances de modulation exige une grande maîtrise dans l'élaboration des structures, notamment dans les épaisseurs des couches constituantes dont la précision doit être inférieure à 1%. Dans un second temps, nous décrivons la technique d'épitaxie par jets moléculaires assortie des conditions expérimentales utilisées pour l'élaboration de ces composants. Après avoir mis en évidence la nécessité de disposer d'un moyen de contrôle en temps réel des épaisseurs déposées pour assurer la précision requise, nous présentons la technique de réflectométrie dynamique accordable développée dans ce but: principe, montage et caractéristiques. En particulier, nous montrons comment l'utilisation originale d'une source accordable permet de garantir la précision du contrôle optique par sélection des longueurs d'onde expérimentales optimales déterminées par un calcul préalable. Nous développons alors l'étude menée à l'aide de cette technique sur la caractérisation de la dispersion des indices optiques des alliages (Ga,Al)As à la température d'épitaxie et sur la croissance de réflecteurs de Bragg et de modulateurs Fabry-Pérot. Nous présentons ensuite les caractérisations des structures élaborées qui montrent que la précision requise sur les épaisseurs déposées est atteinte et que la modulation de la réflectivité est effectivement obtenue à la longueur d'onde de résonance visée. Nous concluons sur les perspectives d'amélioration de ces performances

Les progrès réalisés au cours des trente dernières années dans les domaines de la croissance cristalline et de la technologie des semiconducteurs III-V ont permis aux composants optoélectroniques (lasers, détecteurs) fonctionnant dans la bande 0,4-1,8 µm d'être de nos jours des éléments essentiels pour les télécommunications, le stockage des données ou le domaine médical. Cependant, de nombreuses applications, comme la détection infrarouge, la spectroscopie moléculaire de polluants atmosphériques, nécessitent le développement de lasers et de détecteurs fonctionnant à plus grande longueur d'onde, notamment dans les fenêtres de transparence atmosphériques (3-5 µm et 8-12 µm). La réalisation de ces différents dispositifs est possible en utilisant les hétérostructures mixtes antimoniures/arséniures. Cependant, plusieurs difficultés sont associées à la croissance épitaxiale de ces hétérostructures (désaccords de maille entre les différents matériaux considérés, caractérisation des hétérostructures, incorporation compétitive des différents éléments V As et Sb...).<br /> L'objet de cette thèse a consisté, dans un premier temps, à déterminer les conditions de croissance permettant la réalisation des lasers à cascade quantique basés sur le système de matériaux AlAsSb/GaInAs épitaxié sur substrat d'InP et de détecteurs photovoltaïques InAsSb épitaxiés sur substrat de GaSb. Pour ce faire, l'ensemble des paramètres intervenant dans l'incorporation concurrentielle des deux éléments V As et Sb (température, vitesse, nature de l'élément III...) a été étudié. Une procédure de détermination des épaisseurs individuelles et des compositions des hétérostructures GaInAs/AlAsSb, par diffraction de rayons X, basée sur l'utilisation d'un double superréseau a également été proposée. Ce travail a permis de mieux comprendre les phénomènes intervenant aux interfaces selon les conditions de croissance utilisées et d'obtenir ainsi un calibrage rigoureux et reproductible. Des résultats préliminaires satisfaisants ont finalement été obtenus sur les diodes électroluminescentes AlAsSb/GaInAs à cascade quantique sur InP ainsi que sur les détecteurs photovoltaïques InAsSb sur GaSb.<br /> La seconde partie de cette thèse a consisté en l'optimisation des conditions de croissance des hétérostructures (Al,Ga)Sb/InAs épitaxiées sur substrat d'InAs et de GaSb. Dans ce système de matériaux, l'existence d'une ségrégation d'indium aux interfaces AlSb/InAs a pu être mise en évidence par différentes techniques de caractérisation (HRTEM, RHEED, HRXRD). La prise en compte de cette ségrégation a permis d'améliorer les performances des LCQs InAs/AlSb et d'atteindre le fonctionnement à température ambiante. Des résultats prometteurs ont également été obtenus pour des structures détectrices interbandes à cascade GaSb/AlSb/InAs.

A variety of benefits motivate the development of epitaxial metals, among which include the ability to design fully integrated layer structures where metallic films and nanostructures can be embedded into the cores of optoelectronic devices. Applications include high-performance tunnel-junctions, epitaxial transparent Ohmic contacts, photomixer material, and thermoelectrics. Additionally, the integration of metallic nanostructures and films into optoelectronic devices has shown potential for improving device performance and functionality through sub-wavelength confinement of plasmonic modes and enhancement of light/matter interactions. The rare-earth monopnictide (RE-V) material system can be integrated epitaxially with conventional zincblende III-V substrates under normal growth conditions, resulting in high-quality, thermodynamically stable interfaces. The RE-V semimetals span a range of optical, electrical, and structural properties, making them ideal for integration into III-V-based optoelectronic devices and applications. In this dissertation, high-quality epitaxial LuAs, LaAs and La(x)Lu(1-x)As films and nanostructures were grown and characterized for their structural, electrical, optical, and plasmonic properties. Through a sweep of alloy film compositions of the RE-V alloy material La(x)Lu(1-x)As, the ability to produce tunable epitaxial metals was demonstrated, with a range of peak transmission spectra from near- to mid-infrared wavelengths, plasmonic response in the mid-infrared, moderate resistivity, and lattice-matching potential to many relevant III-V substrates. Additionally, there is a great deal of interest in developing techniques to produce optoelectronic devices that are not restricted by substrate lattice constant. Many epitaxial approaches have been tried, with moderate success; however, growing low defect-density heteroepitaxial materials with differing crystal structures and highly-mismatched lattice parameters is extremely challenging, and such structures suffer from poor thermal properties and reliability issues. A general approach is needed for thin metamorphic buffer layers with minimal threading dislocations that simultaneously have low thermal resistance for effective heat-sinking and device reliability. An investigation was conducted into the use of RE-V nanostructure superlattices towards the reduction of dislocation density in highly-mismatched III-V systems. / text

Si complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology has been prospered through continuously scaling of its feature size. As scaling is approaching its physical limitations, new materials and device structures are expected. High electron mobility III-V materials are attractive as alternative channel materials for future post-Si CMOS applications due to their outstanding transport property. High-k dielectrics/metal gate stack was applied to reduced gate leakage current and thus lower the power dissipation. Combining their benefits, great efforts have been devoted to explore III-V/high-k/metal metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs). The main challenges for III-V MOSFETs include interface issues of high-k/III-V, source and drain contact, silicon integration and reliability. A comprehensive study on III-V MOSFETs has been presented here focusing on three areas: 1) III-V/high-k/metal gate stack: material and electrical properties of various high-k dielectrics on III-V substrates have been systematically examined; 2) device architecture: device structures from planar surface channel MOSFETs and buried channel quantum well FETs (QWFETs) to 3D gate-wrapped-around FETs (GWAFETs) and tunneling FETs (TFETs) have been designed and analyzed; 3) fabrication process: process flow has been set up and optimized to build scaled planar and 3D devices with feature size down to 40nm. Potential of high performances have been demonstrated using novel III-V/high-k devices. Effective channel mobility was significantly improved by applying buried channel QWFET structure. Short channel effect control for sub-100nm devices was enhanced by shrinking gate dielectrics, reducing channel thickness and moving from 2D planar to 3D GWAFET structure. InGaAs TFETs have also been developed for ultra-low power application. This research work demonstrates that III-V/high-k/metal MOSFETs with superior device performances are promising candidates for future ultimately scaled logic devices. / text

The performance and power scaling of metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) has been historically achieved through shrinking the gate length of transistors for over three decades. As Si complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) scaling is approaching the physical and optical limits, the emerging technology involves new materials for the gate dielectrics and the channels as well as innovative structures. III-V materials have much higher electron mobility compared to Si, which can potentially provide better device performance. Hence, there have been tremendous research activities to explore the prospects of III-V materials for CMOS applications. Nevertheless, the key challenges for III-V MOSFETs with high-[kappa] oxides such as the lack of high quality, thermodynamically stable insulators that passivate the gate oxide/III-V interface still hinder the development of III-V MOS devices. The main focus of this dissertation is to develop the proper processes and structures for III-V MOS devices that result in good interface quality and high device performance. Firstly, fabrication processes and device structures of surface channel MOSFETs were investigated. The interface quality of In[subscript 0.53]Ga[subscript 0.47]As MOS devices was improved by developing the gate-last process with more than five times lower interface trap density (D[subscript it]) compared to the ones with the gate-first process. Furthermore, the optimum substrate structure was identified for inversion-type In[subscript 0.53]Ga[subscript 0.47]As MOSFETs by investigating the effects of channel doping concentration and thickness on device performance. With the proper process and channel structures, the first inversion-type enhancement-mode In[subscript 0.53]Ga[subscript 0.47]As MOSFETs with equivalent oxide thickness (EOT) of ~10 Å using atomic layer deposited (ALD) HfO₂ gate dielectric were demonstrated. The second part of the study focuses on buried channel InGaAs MOSFETs. Buried channel InGaAs MOSFETs were fabricated to improve the channel mobility using various barriers schemes such as single InP barrier with different thicknesses and InP/InAlAs double-barrier. The impacts of different high-[kappa] dielectrics were also evaluated. It has been found that the key factors enabling mobility improvement at both peak and high-field mobility in In[subscript 0.7]Ga[subscript 0.3]As quantum-well MOSFETs with InP/InAlAs barrier-layers are 1) the epitaxial InP/InAlAs double-barrier confining carriers in the quantum-well channel and 2) good InP/Al₂O₃/HfO₂ interface with small EOT. Record high channel mobility was achieved and subthreshold swing (SS) was greatly improved. Finally, InGaAs tunneling field-effect-transistors (TFETs), which are considered as the next-generation green transistors with ultra-low power consumption, were demonstrated with more than two times higher on-current while maintaining much smaller SS compared to the reported results. The improvements are believed to be due to using the In[subscript 0.7]Ga[subscript 0.3]As tunneling junction with a smaller bandgap and ALD HfO₂ gate dielectric with a smaller EOT. / text

Le substrat SOI (Silicon-On-Insulator) constitue aujourd'hui le support de choix pour la fabrication de fonctions optiques compactes. Cette plateforme commune avec la micro-électronique favorise l'intégration de circuits photoniques avec des circuits CMOS. Néanmoins, si le silicium peut être utilisé de manière très avantageuse pour la fabrication de composants optiques passifs, il présente l'inconvénient d'être un très mauvais émetteur de lumière. Ceci constitue un obstacle majeur au développement de sources d'émission laser, briques de constructions indispensables à la fabrication d'un circuit photonique. La solution exploitée dans le cadre de cette thèse consiste à reporter sur SOI des épitaxies laser III-V par collage direct SiO2-SiO2. L'objectif est de réaliser sur SOI des sources lasers à cavité horizontale permettant d'injecter au moins 1mW de puissance dans un guide d'onde silicium inclus dans le SOI. Notre démarche est de transférer un maximum des fonctions du laser vers le silicium, dont les procédés sont familiers au monde de la micro-électronique. Dans l'idéal, le III-V ne devrait être utilisé que comme matériau à gain ; la cavité laser pouvant être fabriquée dans le silicium. Mais cette ligne de conduite n'est pas forcément aisée à mettre en œuvre. En effet, les photons sont produits dans le III-V mais doivent être injectés dans un guide silicium placé sous l'épitaxie. La difficulté est que les deux matériaux sont séparés par plus d'une centaine de nanomètres d'oxyde de collage faisant obstacle au transfert de photons. Le développement de lasers III-V couplés à un guide d'onde SOI demande alors de nouvelles conceptions du système laser dans son ensemble. Notre travail a donc consisté à concevoir un laser hybride III-IV / silicium se pliant aux contraintes technologiques du collage. En s'appuyant sur la théorie des modes couplés et les concepts des cristaux photoniques, nous avons imaginé, réalisé, puis caractérisé un laser à contre-réaction distribuée hybride (en anglais : " distributed feedback laser ", laser DFB). Son fonctionnement optique original, permet à la fois un maximum de gain et d'efficacité de couplage grâce à une circulation en boucle des photons du guide III-V au guide SOI. Sur ces dispositifs, nous montrons une émission laser monomode (SMSR de 35 dB) à température ambiante en pompage optique et électrique pulsé. Comme attendu, la longueur d'onde d'émission est dépendante du pas de réseau DFB. Les lasers fonctionnent avec une épaisseur de collage de silice de 200 nm, ce qui offre une grande souplesse quant au procédé d'intégration. Tous les lasers fonctionnent jusqu'à des longueurs de 150 μm (la plus petite longueur prévue sur le masque). Malgré les faibles niveaux de puissances récoltés dans la fibre lors des caractérisations, la prise en compte des pertes optiques induites pas les coupleurs fibres nous indique que la puissance réellement injectée dans le guide silicium dépasse le milliwatt. Notre objectif de ce point de vue est donc rempli. Malheureusement le fonctionnement des lasers en injection électrique continue n'a pas pu être obtenu dans les délais impartis. Cependant, les faibles densités de courant de seuil mesurées en injection pulsée (300A / cm2 à température ambiante sur les lasers de 550 μm de long) laissent présager un fonctionnement prochain en courant continu.

Les nanofils (NFs) semiconducteurs suscitent un intérêt croissant depuis ces dix dernières années, aussi bien pour leurs propriétés fondamentales que pour leurs applications potentielles dans de nombreux domaines (électronique, optoélectronique, photonique, photovoltaïque, ...). Par exemple, grâce à leur aptitude à relaxer des contraintes, ils présentent une nouvelle voie pour l'intégration monolithique des matériaux semiconducteurs III-V sur le substrat de Silicium. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse axée sur la croissance de NFs d'InP sur Silicium par la technique d'épitaxie EJM en mode VLS (pour Vapeur-Liquide-Solide). Nous avons étudié les mécanismes de croissance VLS de ces NFs et comparé nos résultats expérimentaux à des modèles théoriques. Nous avons plus particulièrement décrit la forme, la direction de croissance, la nature des facettes et les propriétés structurales des NFs d'InP, en fonction des conditions de croissance, en particulier du rapport V/III. Nous avons aussi étudié la croissance de NFs d'InP sur une surface de SrTiO3 qui vise à l'obtention de NFs verticaux sur Si(001). Nous avons enfin abordé d'autres aspects nécessaires pour l'intégration de tels NFs dans des composants actifs, comme la croissance d'héterostructures axiale, le dopage ou encore la localisation spatiale de ces NFs.

This thesis presents the development of III-nitride materials for deep-ultraviolet (DUV) light emitting devices. The goal of this research is to develop a DUV laser diode (LD) operating at room temperature. Epitaxial structures for these devices are grown by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) and several material analysis techniques were employed to characterize these structures such as atomic force microscopy, electroluminescence, Hall-effect measurement, photoluminescence, secondary ion mass spectrometry, transmission electron microscopy, transmission line measurement, and X-ray diffraction. Each of these will be discussed in detail. The active regions of III-nitride based UV emitters are composed of AlxGa1-xN alloys, the bandgap of which can be tuned from 3.4 eV to 6.2 eV, which allows us to attain the desired wavelength in the DUV by engineering the molar fraction of aluminum and gallium. In order to emit photons in the DUV wavelength range (> 4.1 eV), high aluminum molar fraction AlxGa1-xN alloys are required. Since aluminum has very low ad-atom mobility on the growth surface, a very low group V to group III precursor ratio (known as V/III ratio), high growth temperature, and low growth pressure is required to form a smooth surface and subsequently abrupt heterointerfaces. The first part of this work focuses on developing high-quality multi-quantum well structures using high aluminum molar fraction ([Al] > 60%) AlxGa1-xN alloys. Optically pumped DUV lasers were demonstrated with threshold power density as low as 250 kW/cm² for the emission wavelength as short as 248.3 nm. Transverse electric (TE) -like emission dominates when the lasers were operating above threshold power density, which suggests the diode design requires the active region to be fully strained to promote better confinement of the optical mode in transverse direction. The second phase of this project is to achieve an electrically driven injection diode laser. Owing to their large bandgap, low intrinsic carrier concentration, and relatively high dopant activation energy, the nature of these high aluminum molar fraction materials are highly insulating; therefore, efficiently transport carriers into active region is one of the main challenges. Highly conducting p-type material is especially difficult to achieve because the activation energy for magnesium, a typical dopant, is relatively large and some of the acceptors are compensated by the hydrogen during the growth. Furthermore, due to the lack of a large work function material to form a p-type ohmic contact, the p-contact layer design is limited to low aluminum molar fraction material or gallium nitride. Besides the fabrication challenges, these low aluminum molar fraction materials are not transparent to the laser wavelength causing relatively high internal loss (αi). In this work, an inverse tapered p-waveguide design is employed to transport holes to active region efficiently while the graded-index separate-confinement heterostructure (GRINSCH) is employed for the active region design. Together, a multi-quantum well (MQW) ultraviolet emitter was demonstrated.

Cette thèse présente la réalisation d'une source de photons uniques basée sur une boîte quantique InAs intégrée dans un fil photonique. Un fil photonique est un guide d'onde monomode constitué d'un matériau de fort indice de réfraction (GaAs dans notre cas). Pour un diamètre optimal voisin de 200 nm, pratiquement toute l'émission spontanée de l'émetteur (longueur d'onde dans le vide 950 nm) est dirigée vers le mode guidé fondamental. Le couplage des photons guidés à un objectif de microscope est ensuite optimisé en travaillant la géométrie des extrémités du fil. Ce dernier repose ainsi sur un miroir intégré et présente une extrémité supérieure en forme de taper. Cette approche non résonante combine de très bonnes performances à une grande tolérance sur la longueur d'onde de l'émetteur intégré. Cette thèse discute la physique des fils photoniques, la réalisation des structures en salle blanche et les résultats obtenus lors de la caractérisation optique. En particulier, nous avons réalisé une source combinant une efficacité record (0.72, état de l'art à 0.4) et une émission de photons uniques très pure. Nous discutons également le contrôle de la polarisation obtenu dans des fils de section elliptique.

This doctorate thesis focuses on investigating the parameter space involved in numerically modeling the bandgap engineering of a GaInP/InGaAs/Ge lattice matched multi-junction solar cell (MJSC) using InAs/InGaAs quantum dots (QDs) in the middle sub-cell. The simulation environment – TCAD Sentaurus – solves the semiconductor equations using finite element and finite difference methods throughout well-defined meshes in the device to simulate the optoelectronic behavior first for single junction solar cells and subsequently for MJSCs with and without quantum dots under concentrated illumination of up to 1000 suns’ equivalent intensity. The MJSC device models include appropriate quantum tunneling effects arising in the tunnel junctions which serve as transparent sub-cell interconnects. These tunneling models are calibrated to measurements of AlGaAs/GaAs and AlGaAs/AlGaAs tunnel junctions reaching tunneling peak current densities above 1000 A/cm^2. Self-assembled InAs/GaAs quantum dots (QDs) are treated as an effective medium through a description of appropriate generation and recombination processes. The former includes analytical expressions for the absorption coefficient that amalgamates the contributions from the quantum dot, the InAs wetting layer (WL) and the bulk states. The latter includes radiative and non-radiative lifetimes with carrier capture and escape considerations from the confinement potentials of the QDs. The simulated external quantum efficiency was calibrated to a commercial device from Cyrium Technologies Inc., and required 130 layers of the QD effective medium to match the contribution from the QD ground state. The current – voltage simulations under standard testing conditions (1 kW/cm^2, T=298 K) demonstrated an efficiency of 29.1%, an absolute drop of 1.5% over a control structure. Although a 5% relative increase in photocurrent was observed, a 5% relative drop in open circuit voltage and an absolute drop of 3.4% in fill factor resulted from integrating lower bandgap nanostructures with shorter minority carrier lifetimes. However, these results are considered a worst case scenario since maximum capture and minimum escape rates are assumed for the effective medium model. Decreasing the band offsets demonstrated an absolute boost in efficiency of 0.5% over a control structure, thus outlining the potential benefits of using nanostructures in bandgap engineering MJSCs.