The global increase in internet usage requires an upgrade of the existing infrastruc- ture. Lasers are a key proponent to improving existing systems, and engineering better gain materials aids in this effort. (InGa)As is the leading material in this field for 1.55 μm communication wavelengths, but can be improved on by changing the substrate from InP to GaAs. Another improvement would be reducing the losses due to Auger recombination. (InGa)(BiAs) is suggested to alleviate many of these issues, as it can be grown on a GaAs substrate and is capable of decreased Auger recombination. By analyzing prospective alloys (and existing ones) using spatial electron localization, a superior candidate for industrial use can be suggested. The localization captures the disorder introduced by alloying and can be associated with material properties such as the gain characteristics and photoluminescence linewidths. These properties are important factors in determining a successor. The subject of two-dimensional materials is another topic which has shown promise in various applica- tions. Examples include flexible, transparent, and miniaturized electronics. Recent research done by Al Balushi et al. suggests that GaN may be stabilized in a two-dimensional sys- tem. By extending the material modelling approach from the telecommunication application to this system, we were able to show which III-V isoelectronic elements can be substituted into GaN. This two-dimensional system may be the only candidate capable of spanning the visible spectrum. We found Phosphorus to be the strongest candidate for decreasing the band gap. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

III-V semiconductors are compounds made of elements from groups III and V of the periodic table. Most of these materials exhibit a direct bandgap, which makes them suitable for light emission and detection. Furthermore, ternary and quaternary III-V semiconductors offer some freedom in adjusting their material compositions, which also allows one to modify their bandgap energies, refractive indices, and other optical properties. This quality makes such materials suitable for the monolithic integration of laser sources with passive optical devices and detectors on a single chip. For example, such integration is used in indium phosphide (InP) technology for large-scale photonic integration in optical communication networks. Commercial integrated photonic circuits' functionality can be augmented by the implementation of nonlinear optical devices, enabling all-optical signal processing, frequency conversion, and on-chip sources of quantum light. This doctoral thesis focuses on design, fabrication, and testing of passive optical components based on III-V semiconductors. We explored various fabrication approaches for III-V nonlinear photonic devices. Among the III-V semiconductor platforms used in nonlinear photonics, we focused on AlGaAs as the most studied nonlinear optical platform, and InP and its quaternary derivatives as the most commercially developed platform. The fabrication processes for III-V photonic devices usually require the deposition of silica and chromium layers, and then three etch steps to etch the chromium, silica, and, finally, the III-V layer. In the thesis, we demonstrate a process which allows one to eliminate the chromium deposition and the associated etch step, thereby reducing the process complexity. We implemented this newly developed hard-mask process for etching numerous AlGaAs and InP photonic devices. This work was not only an important contribution to the University of Ottawa's cleanroom facility. The shared recipe can be used to recreate etch recipes for silica using soft masks like ZEP520a, PMMA, etc., at other similar university and research facilities around the world. The silica mask created using this process was later used to fabricate InP/InGaAsP-based half-core-etched and nanowire waveguides, which were used to perform the first reliable measurement of the nonlinear refractive index coefficient n₂ of InGaAsP/InP waveguides. We explored improved fabrication processes for AlGaAs waveguides, photonic crystals, and ring resonators. InP-based integrated optical devices are relatively difficult to fabricate because the etch byproducts are only volatile at elevated temperatures. Using a silica mask, we developed a very smooth etching process for InP waveguides with aspect ratios greater than 1:10. Suspended waveguide structures, where the guiding layer is surrounded by the air, are of great interest as they can exhibit large refractive index contrast for superior compactness and for achieving high intensity at low optical powers. We demonstrated fabrication process flows for creating suspended air-bridge structures in a 500-nm AlGaAs slab, which can be used in mid-IR sensing applications. The processes developed as part of this project cover a wide range of AlGaAs passive photonic devices such as waveguides, photonic crystals and ring resonators. Additionally, we demonstrated plasma etching selectivity improvements for AlGaAs etching using only a soft ZEP mask and were able to achieve a selectivity of 1:2.9. All these developments can be beneficial to other researchers working on III-V photonic devices. We also completed the first theoretical study of third-harmonic generation in dispersion-engineered AlGaAs suspended photonic crystal waveguide. Most importantly, we introduced a reliable and efficient method for modelling higher-order modes in photonic crystal waveguides that is less computationally intensive and far more accurate compared to the 3D FDTD method. We also experimentally demonstrate guided modes lying above the light line in AlGaAs photonic crystal waveguides. In one of the addition projects, we experimentally demonstrate third-harmonic generation (THG) in Silicon Nitride waveguides. In summary, this thesis presents details of the design and testing of different passive nonlinear III-V semiconductor photonic devices. In addition, this thesis presents the fabrication processes which can be used to reliably and repeatably fabricate photonic devices in these materials.

Achieving high efficiency solar cells and concurrently driving down the cell cost has been among the key objectives for photovoltaic researchers to attain a lower levelized cost of energy (LCOE). While the performance of silicon (Si) based solar cells have almost saturated at an efficiency of ~25%, III-V compound semiconductor based solar cells have steadily shown performance improvement at approximately 1% (absolute) increase per year, with a recent record efficiency of 46%. However, the expensive cost has made it challenging for the high efficiency III-V solar cells to compete with the mainstream Si technology. Novel approaches to lower down the cost per watt for III-V solar cells will position them to be among the key contenders in the renewable energy sector. Integration of such high-efficiency III-V multijunction solar cells on significantly cheaper and large area Si substrate has the potential to address the future LCOE roadmaps by unifying the high-efficiency merits of III-V materials with low-cost and abundance of Si. However, the 4% lattice mismatch, thermal mismatch polar-on-nonpolar epitaxy makes the direct growth of GaAs on Si challenging, rendering the metamorphic cell sensitive to dislocations. The focus of this dissertation is to systematically investigate heterogeneously integrated III-V multijunction solar cells on Si substrate. Utilizing a combination of comprehensive solar cell modeling and experimental techniques, we seek to better understand the material properties and correlate them to improve the device performance, with simulation providing a very valuable feedback loop. Key technical design considerations and optimal performance projections are discussed for integrating metamorphic III-V multijunction solar cells on Si substrates for 1-sun and concentrated photovoltaics. Key factors limiting the “GaAs-on-Si” cell performance are identified, and novel approaches focused on minimizing threading dislocation density are discussed. Finally, we discuss a novel epitaxial growth path utilizing high-quality and thin epitaxial Ge layers directly grown on Si substrate to create virtual “Ge-on-Si” substrate for III-V-on-Si multijunction photovoltaics. With the plummeting price of Si solar cells accompanied with the tremendous headroom available for improving the III-V solar cell efficiencies, the future prospects for successful integration of III-V solar cell technology with Si substrate looks very promising to unlock an era of next generation of high-efficiency and low-cost photovoltaics. / Ph. D.

[EN] This thesis will analyze various constructions of contemporary art projects and exhibitions held since the beginning of the 21st century in rural areas in Spain. From these general cultural parameters and specific parameters, indeterminacy of artistic projects in rural areas requires, at present, a review of the various samples for the analysis of the activities of artists, collectives and institutions in the same area. This study is divided into three chapters: The first chapter will examine the increase in the recuperation of autonomous pedagogical approaches and popular education frameworks, which has led to rethinking relationship modes and generating nodes of artistic creation in rural areas. More specifically, in line with the new cultural policy review models, allowing for affective, the contribution of other participatory political mutual support and mediation in terms of the commons, the representation of cultural, ecological, aesthetic, educational, productive and free software use in various artistic projects. These creation-based laboratories are represented in the more mature manifestations of projects and works that integrate rural art within an institutional framework and try to develop a standardized normative. The second chapter examines how interdisciplinary knowledge and art function in the various locations called Fab labs, which advocate the use of open-source technologies. After verifying this, the analysis of case studies related to existing art in rural areas in Spain is presented. This has led to the formulation of a few basic steps to follow for the compendium and creation of a directory in the last chapter of the dissertation. The third chapter will present my personal proposal as an artist in search of new production models. Being part of a collective has allowed me to develop an interdisciplinary art project in rural areas called "Paraisurural". This is implemented with the knowledge acquired during the research into the creation of an online platform called Lab Rural, hosting artistic presentations in rural areas made by groups, institutions and entities created in Spain during the first decade of this century. Places that are labeled and cataloged in hitherto neglected parameters -such as ethnographical readings, ethnology and assessment of the contributions of open-source technologies- provide a more rigorous characterization and promote coherence in the creation of artistic works. / [ES] La tesis analiza diversas construcciones del Arte contemporáneo en los proyectos y exposiciones llevados a cabo desde principios del siglo XXI en el ámbito rural en España. A partir de estos parámetros culturales generales y de parámetros específicos la indeterminación de los proyectos artísticos en el medio rural requiere, en la actualidad, una revisión de las diversas muestras para el análisis de las actividades realizadas por los artistas, los colectivos y las instituciones en este mismo ámbito. El estudio se divide en tres capítulos: El primer capítulo ha detectado la proliferación de recuperar planteamientos pedagógicos autónomos y marcos de educación popular, repensando los modos de relación y generación de Arte en los nodos de creación en el medio rural. Más concretamente bajo los nuevos modelos de una política cultural crítica, dando cabida a lo afectivo, la aportación de otras políticas participativas del apoyo mutuo y la mediación en términos del procomún, la representación de las funciones culturales, ecológicas, estéticas, didácticas, productivas y los usos del software libre en los diversos proyectos artísticos. Estos laboratorios de creación se representan en las manifestaciones más maduras de proyectos y obras que integran el Arte en el medio rural en el sistema institucional e intentan el desarrollo de una normativa regularizada. El segundo capítulo examina de qué maneras actúan el conocimiento transdisciplinar y el Arte en los diversos emplazamientos de los centros llamados Fab labs, sedes de creación cuyo uso aboga las tecnologías de código abierto. Tras constatar esto se presenta el análisis de los casos prácticos en torno al Arte existentes en el medio rural en España, que han llevado a la formulación de unos criterios básicos a seguir para el compendio y creación de un directorio en el último capítulo. El tercer capítulo presenta mi propuesta personal como artista en búsqueda de nuevos modelos de producción, que como parte de un colectivo me ha permitido desarrollar un proyecto artístico transdisciplinar en el medio rural, llamado "Paraisurural". Este se implementa con los conocimientos adquiridos a lo largo de esta investigación en la creación de una plataforma online llamada Labrural o Laboratorio rural, que acoge las representaciones artísticas en el medio rural realizadas por los colectivos, las instituciones y las entidades creadas en España en la primera década del siglo XXI. Lugar en el que se etiquetan y catalogan en parámetros hasta ahora no considerados -como las lecturas de la etnografía, la valoración de la etnología y las aportaciones de las tecnologías de código abierto- para servir de una más rigurosa tipificación y propiciar una coherencia en la materialización de las obras artísticas. / [CAT] La tesi analitza diverses construccions de l'art contemporani en els projectes i exposicions duts a terme des de principis del segle XXI en l'`ambit rural a Espanya. A partir d'estos paràmetres culturals generals i de paràmetres específics la indeterminació dels projectes artístics en el medi rural requerix, en l'actualitat, una revisió de les diverses mostres per l'anàlisis de les activitats realitzades pels artistas, els col lectius i les institucions en este mateix àmbit. L'estudi es dividix en tres capítols: El primer capìtol ha detectat la proliferació de recuperar plantejaments pedagògics autònoms i marcs d'educació popular, repensant els modes de relació i generació d'Art en els nodes de creació en el medi rural. Més concretament davall els nous models d'una política cultural crítica, donant cabuda a l'afectiu, l'aportació d'altres polítiques participatives del suport mutu i la mediació en termes de l'utilitat pública, la representació de les funcions culturals, ecològiques, estètiques, didàctiques, productives i els usos del programari lliure en els diversos projectes artístics. Estos laboratoris de creació es representen en les manifestacions més madures de projectes i obres que integren l'art en el medi rural en el sistema institucional i intenten el desenrotllament d'una normativa regularitzada. El segon capítol examina de quines maneres actuen el coneixement transdisciplinar i l'Art en els diversos emplaçaments dels centres cridats Fab labs, seus de creació l'ús dels quals advoca les tecnologies de codi obert. Després de constatar açò es presenta l'anàlisis dels casos pràctics entorn de l'Art existents en el medi rural a Espanya, que han portat a la formulació d'uns criteris bàsics a seguir per al compendi i la creació d'un directori en l'últim capítol. El tercer capítol presenta la meua proposta personal com a artista a la recerca de nous models de producció, que com a part d'un col¿lectiu m'ha permés desenrotllar un projecte artístic transdisciplinar en el medi rural, cridat "Paraisurural". Este s'implementa amb els coneixements adquirits al llarg d'esta investigació en la creació d'una plataforma online crida Labrural o Laboratori Rural, que acull les respresentacions artístiques en el Medi Rural realitzades pels col¿lectius. les institucions i les entitats creades a Espanya en la primera década del segle XXI. Lloc en què s'etiqueten i cataloguen en paràmetres fins ara no considerats -com les lectures de l'etnografía, la valoració de l'etnologia i les aportacions de les tecnologies de codi obert- per a servir d'una més rigorosa tipificació i propiciar una coherencia en la materialització de les obres artístiques. / Gónzalez Fernández, M. (2016). Prácticas artísticas híbridas contemporáneas en el ámbito rural. Paraisurrural [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61461 / TESIS

Dans le contexte environnemental actuel, le photovoltaïque bénéficie de l'augmentation des efforts de recherche dans le domaine des énergies renouvelables. Pour réduire le coût de la production d'électricité par conversion directe de l'énergie lumineuse en électricité, le photovoltaïque concentré est intéressant. Le principe est de concentrer une grande quantité d'énergie lumineuse sur des petites surfaces de cellules solaires multi-jonction à haute efficacité. Lors de la fabrication d'une cellule solaire, il est essentiel d'inclure une méthode pour réduire la réflexion de la lumière à la surface du dispositif. Le design d'un revêtement antireflet (ARC) pour cellules solaires multi-jonction présente des défis à cause de la large bande d'absorption et du besoin d'égaliser le courant produit par chaque sous-cellule. Le nitrure de silicium déposé par PECVD en utilisant des conditions standards est largement utilisé dans l'industrie des cellules solaires à base de silicium. Cependant, ce diélectrique présente de l'absorption dans la plage des courtes longueurs d'onde. Nous proposons l'utilisation du nitrure de silicium déposé par PECVD basse fréquence (LFSiN) optimisé pour avoir un haut indice de réfraction et une faible absorption optique pour l'ARC pour cellules solaires triple-jonction III-V/Ge. Ce matériau peut aussi servir de couche de passivation/encapsulation. Les simulations montrent que l'ARC double couche SiO[indice inférieur 2]/LFSiN peut être très efficace pour réduire les pertes par réflexion dans la plage de longueurs d'onde de la sous-cellule limitante autant pour des cellules solaires triple-jonction limitées par la sous-cellule du haut que pour celles limitées par la sous-cellule du milieu. Nous démontrons aussi que la performance de la structure est robuste par rapport aux fluctuations des paramètres des couches PECVD (épaisseurs, indice de réfraction).

Cette thèse évalue le potentiel des alliages AlGaNAs en tant que couche active pour la quatrième jonction à ~1 eV de cellules photovoltaïques multi-jonctions III-V. L’introduction d’une faible quantité d’aluminium (Al, <15%) augmente de façon significative l’efficacité d’incorporation de l’azote (N), tout en distribuant de façon plus homogène les atomes de N dans la couche, réduisant aussi la densité d’agrégats. Une optimisation de la température de croissance démontre que la région optimale se situe entre 400°C et 440°C. Dans cette gamme, la concentration de N est maximisée tandis que la qualité cristalline de la couche épitaxiée est optimisée tout en préservant un mode de croissance 2D et une faible rugosité de ~1 nm. La bande interdite des alliages d’AlGaNAs est mesurée par transmission optique. Ces mesures révèlent que l’AlGaNAs suit le modèle théorique du modèle de croisement de bandes, ou band anticrossing et que son bandgap diminue quand la concentration de N augmente. La bande interdite est réduite jusqu’à ~1.22 eV pour des concentrations respectives d’Al et de N de ~15% et ~3.4%. Les défauts présents dans le GaNAs avec ~0.4% de N sont étudiés, révélant trois défauts peu profonds à 116, 18 et 16 meV, attribués à des contaminations en H et en C, et deux pièges profonds à 0.21 eV et 0.35 eV, attribués à des complexes N-H et à des antisites AsGa respectivement. Les mesures électriques de l’AlGaNAs démontrent que le recuit améliore la mobilité des trous et des valeurs de ~60 cm2/Vs avec ~5% d’Al et ~0.5% de N et ~6 cm2/Vs avec ~10% d’Al et ~2% de N sont obtenues. Les mesures optiques de photoluminescence obtenues sur des couches d’AlGaNAs crues sur un substrat de GaAs semi-isolent de 65 µm d’épaisseur révèlent un pic à ~920 nm attribué a un défaut radiatif qui ne semble pas être affecté par un changement dans la concentration d’Al ou de N, ni même par un recuit. Des mesures SIMS révèlent la présence de contaminants C, H et O dans les couches, qui dégradent les performances optoélectroniques des alliages AlGaNAs. Cette thèse démontre le bon potentiel de l’AlGaNAs pour les cellules photovoltaïques. Il est toutefois important de réduire la concentration de contaminants dans la couche pour obtenir un matériau adéquat.

Ce mémoire est consacré à l'étude d'empilements multicouches de semi-conducteurs gaas/algaas, et plus particulièrement d'empilements périodiques (réflecteurs de Bragg), étudiés en tant que tels ou comme éléments intégrés à des structures plus complexes. Les structures étudiées sont caractérisées par leur spectre de réflectivité linéaire. Pour interpréter ces résultats, nous développons deux approches théoriques complémentaires: la première, basée sur un formalisme matriciel, permet de décrire exactement la propagation d'une onde optique dans une structure stratifiée quelconque et a servi de support a un programme de calcul. La seconde, en termes de couplage d'ondes, complète utilement la première en fournissant les dépendances explicites du comportement des structures en fonction des indices et des épaisseurs des matériaux choisis. Nous établissons l'expression explicite de la constante de couplage et nous exposons les principes de la synthèse des dispositifs complexes. Nous consacrons tout un chapitre aux microcavités lasers à émission surfacique. Dans un échantillon réalisé par le l.c.r. de Thomson-csf, nous avons validé la possibilité d'une émission laser biraie. Ce composant a été utilisé pour réinjecter une cavité laser saphir dopé au titane. Nous avons par ailleurs pompé la micro cavité par des impulsions optiques ultrabrèves (=100 FS) et analysé son spectre d'émission laser biraie avec une camera à balayage de fente. A l'aide d'un modèle simple, nous montrons qu'il est nécessaire de tenir compte non seulement des porteurs libres photo créés dans les puits quantiques, mais encore de ceux crées dans les barrières, suite à l'absorption par ces dernières d'une partie du flux de pompé. La prise en compte de cet effet dans nos simulations donne des résultats en bon accord avec nos observations expérimentales

Current leakage in GaN thin films limits reliable device fabrication. A variety of Ga and N rich MBE GaN thin films grown by Rf, NH3, and Rf+ NH3, are examined with electrical measurements on NiIAu Schottky diodes and CAFM. Current-voltage (IV) mechanisms will identify conduction mechanisms on diodes, and CAFM measurements will investigate the microstructure of conduction in GaN thin films. With CAFM, enhanced conduction has been shown to decorate some extended defects and surface features, while CAFM spectroscopy on a MODFET structure indicates a correlation between extended defects and field conduction behavior at room temperature. A remedy for poor conduction characteristics is presented in molten KOH etching, as evidenced by CAFM measurements, Schottky diodes, and MODFET's. The aim of this study is to identify anomalous conduction mechanisms, the likely cause of anomalous conduction, and a method for improving the conduction characteristics. Keywords: 111-Nitride, 111-V, Gallium Nitride, GaN, Electrical Properties, Conduction, Conductivity, Mobility, Hall Measurements, Resistivity, Schottky Diode, Modulation Doped Field Effect Transistor (MODFET), Conductive Atomic Force Microscopy (AFM), Defects, Molten Potassium Hydroxide (KOH) etching, Silvaco, Atlas, and Illumination.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation, la fabrication et la caractérisation de Lasers à Cavité Verticale Emettant par la Surface (VCSEL) de grandes dimensions pour la manipulation de solitons de cavité, pour lesquels ces lasers permettraient une manipulation électrique plus souple de ces ondes stationnaires. Pour cela, il est nécessaire de disposer de structures à large zone d'émission uniforme (~100µm). Or, l'injection par électrode annulaire dans les VCSEL émettant par la surface entraîne une inhomogénéité rédhibitoire. Cette étude vise donc à proposer et évaluer des solutions technologiques innovantes pour atteindre une uniformité optimale dans ces dispositifs. Après une introduction dressant un état de l'art des solutions rapportées dans la littérature, nous présentons les travaux que nous avons menés sur la modélisation électrique des lasers pour évaluer les approches génériques de complexité croissante suivantes : l'ajout d'une couche d'étalement du courant en surface (électrode transparente en ITO) ; l'association de cette dernière à une barrière de potentiel (diode Zener) et la discrétisation de l'injection par création de zones localisées de conduction. L'optimisation des électrodes en ITO déposées sur GaAs, l'évaluation de l'apport d'une diode Zener ainsi que la mesure du contraste d'injection obtenu par gravure localisée en surface du composant sont ensuite détaillées. Suite à cette mise au point technologique, l'insertion des solutions que nous avons finalement retenues (gravures localisées et ITO) pour la réalisation de VCSEL est ensuite décrite. Enfin, les caractérisations électro-optiques des composants réalisés sont présentées; elles ont déjà permis d'obtenir des dispositifs de forme allongée émettant 50mW en continu à l'ambiante. Ces premiers résultats prometteurs ont cependant mis en évidence la nécessité d'améliorer encore les propriétés de l'interface ITO/GaAs. Ces solutions pourront alors être mises à profit pour l'application visée mai s également pour la génération de puissance ou encore la réalisation de VCSEL à cavité externe (VECSEL).

Un des obstacles majeurs pour démarrer une activité dans le domaine des microsystèmes est le fait que des technologies particulières et donc coûteuses sont nécessairement requises. D'autre part, alors que les outils de CAO pour la microélectronique ont acquis un degré de maturité élevé, où toutes les séquences de fabrication sont simulées et le fonctionnement d'un composant ou systèmes peut être complètement prévu, l'art de la modélisation et de la conception des microsystèmes ne fait que débuter. Le développement de la Microélectronique vers la fin des années 70 a été rendu possible par l'utilisation d'outils CAO et par la mise à disposition de fonderies. Sans apports comparables, les Microsystèmes resteraient des curiosités de laboratoire, des prouesses techniques de chercheurs, mais ne deviendraient pas des produits industriels. Ainsi, l'objectif de cette thèse est d'assurer un accès à la technologie des microsystèmes en adaptant des lignes de production industrielles pour la microélectronique, de développer un environnement de conception et de simulation basé sur des outils existants étendus et de définir une architecture générique de microsystèmes