In dieser Arbeit wurde eine Tandemsolarzelle aus III-V-Halbleitern auf der Gitterkonstanten von InP mit einem neuartigen Tunnelkontakt entwickelt. Für die Entwicklung der monolithischen Präparation wurden insbesondere kritische Hetero-Grenzflächen im Bereich des Tunnelkontaktes mit oberflächensensitiven Messmethoden untersucht. Die Tandemsolarzelle bestand aus Einzelsolarzellen mit Absorberschichten aus InGaAs (E_g=0,73eV) und InGaAsP (E_g=1,03eV), deren Serienverschaltung mit einem Tunnelkontakt erfolgte, der aus einer n-InGaAs- und einer p-GaAsSb-Schicht bestand. Die Halbleiterschichten wurden mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) einkristallin auf einem InP(100)-Substrat gitterangepasst präpariert. Insbesondere wurde der Einfluss der Präparation von InGaAs-Oberflächen auf die Schärfe der InGaAs/GaAsSb-Grenzfläche in-situ mit RAS und nach einem kontaminationsfreien Transfer ins UHV mit UPS, XPS und LEED untersucht. Dabei konnten erstmals drei verschiedene Rekonstruktionen der MOCVD-präparierten InGaAs-Oberfläche beobachtet werden, die von der Heiztemperatur abhängig waren: eine As-reiche (4x3)-, eine InGa-reiche (2x4)- und eine ebenfalls InGa-reiche (4x2)/c(8x2)-Rekonstruktion. Danach erfolgte die Untersuchung des Wachstums von dünnen GaAsSb-Schichten auf diesen drei InGaAs-Oberflächen. Anhand des Sb/As-Verhältnisses im GaAsSb konnte die Präparation auf der (4x3)-rekonstruierten Oberfläche als die schlechteste beurteilt werden. Abschließend wurden Tandemsolarzellen mit verschieden dicken Absorberschichten der InGaAsP-Topzelle gefertigt. Der höchste Wirkungsgrad einer hier hergestellten Tandemsolarzelle betrug 7,3% unter einem gefilterten Sonnenspektrum, das eine GaAs-basierte Tandemsolarzelle mit großen Bandlücken (E_g>1,4eV) simulierte. Die Kombination einer solchen Tandemsolarzelle mit der hier entwickelten InGaAs/InGaAsP-Tandemsolarzelle hat das Potential, für konzentriertes Sonnenlicht eine Konversionseffizienz von deutlich über 40% zu erreichen. / A monolithic low band gap tandem solar cell made up of III-V semiconductors lattice matched to InP and including a novel tunnel junction was developed. Critical hetero interfaces were investigated in detail, in particular the ones related to the tunnel diode. The tandem solar cell was composed of single junction cells with InGaAs (E_g=0.73eV) and InGaAsP (E_g=1.03eV) absorber layers. The serial connection of the subcells was realized by using a tunnel junction including n-InGaAs and p-GaAsSb layers. Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) was used to prepare the III-V layers lattice matched on InP(100) substrates. In particular, the influence of the preparation of the InGaAs surface on the sharpness of the InGaAs/GaAsSb interface was investigated in-situ by Reflection Anisotropy Spectroscopy (RAS). After a contamination free transfer to UHV the samples were analyzed by UPS, XPS and LEED. Three different surface reconstructions of MOVPE-prepared InGaAs were determined for the first time: an As-rich (4x3)-, an InGa-rich (2x4) and an also InGa-rich (4x2)/c(8x2)-reconstructed surface. In a second step, the growth of thin GaAsSb layers on the three different InGaAs surfaces was studied. The Sb/As-ratio in the GaAsSb layer indicated that the preparations on the InGa-rich surfaces result in a sharper interface. Finally, tandem solar cells with different thicknesses for the absorber layer of the top cell were produced. The highest efficiency obtained for the tandem solar cell was 7.3%, when measured under a filtered solar spectrum to simulate the operation below a GaAs-based tandem solar cell (E_g>1.4eV). The combination of a high band gap tandem solar cell with the InGaAs/InGaAsP tandem solar cell developed here is estimated to reach under a concentrated solar spectrum a total efficiency of more than 40% after further optimization steps.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der Spinrelaxation in epitaktischen GaN-Schichten mit unterschiedlichen Donatorkonzentrationen und Versetzungsdichten mit Hilfe spin- und zeitaufgelöster differentieller Reflektanzspektroskopie präsentiert. Dabei wurden die optischen Anregungsbedingungen sehr sorgfältig gewählt. Neben der genauen Abstimmung der Anregungsenergie, unterstützt durch die Modellierung der differentiellen Reflektanz, wurden insbesondere spektral schmale Laserpulse verwendet. Diese erlauben eine selektive Anregung der untersuchten Übergänge. Es wurden Spinlebensdauern von 30 bis 170~ps bei tiefen Temperaturen für das freie A-Exziton bestimmt. In der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs ließ sich eine langsamere Spinrelaxation als für schwächer dotierte Proben nachweisen. Die längsten beobachteten Spinrelaxationszeiten zeigen freistehende GaN-Schichten hoher Materialqualität mit sehr geringen Versetzungsdichten. In der Literatur besteht eine kategorische Unterteilung der Ergebnisse in lange elektronische Spinlebensdauern bis in den Nanosekundenbereich, erhalten mit Kerr-Messungen, und extrem kurze exzitonische Spinrelaxation in Reflektanz-Experimenten im (Sub-)Pikosenkundenbereich. Dieses Bild wird hier nicht bestätigt. Die beobachteten Spinrelaxationszeiten liegen eineinhalb bis zweieinhalb Größenordnungen über Ergebnissen, von denen bisher mit der hier verwendeten Methode berichtet wurde. Es wird gezeigt, dass die Beobachtungen extrem kurzer Spinrelaxationszeiten an anderer Stelle eine Folge der optischen Anregungsbedingungen sind. Die Verwendung sehr kurzer und damit spektral breiter Laserpulse, die eine selektive Exziton-Anregung verbieten, führt zu einem deutlich anderen zeitlichen Verhalten und stark verfälschten Ergebnissen. Diese Beobachtung löst den scheinbaren Widerspruch zwischen den beiden Ergebnisgruppen in der Literatur auf und bildet die Grundlage für weiterführende Untersuchungen. / In this work, an investigation of spin relaxation in GaN epitaxial layers with different doping concentrations and dislocation densities is presented. The measurements were carried out by the means of spin- and time-resolved differential reflectance spectroscopy. The conditions of optical excitation were chosen with special care. In particular, spectrally narrow laser pulses were used to achieve selective excitation of the examined transitions in addition to the precise adjustment of the excitation energy, supported by the modeling of the differential reflectance. The spin relaxation times obtained for the free A exciton at low temperatures are in the range of 30 to 170 ps. In the proximity of the metal insulator transition, a slower spin relaxation was observed than for lower doping concentrations. The longest spin relaxation times were found in high quality, free-standing GaN layers with very low dislocation densities. Existing results in the literature can be strictly grouped into long electronic spin lifetimes of up to a few nanoseconds, obtained with Kerr rotation, and extremely short spin relaxation in the (sub)picosecond range, measured with reflectance experiments. This picture cannot be confirmed here. The spin relaxation times observed here lie 1.5 to 2.5 orders of magnitude above the values previously reported using the same experimental method. It is shown that the instances of extremely fast spin relaxation are caused by the properties of the optical excitation. The use of ultra-short and thus spectrally broad laser pulses, which prohibits the selective excitation of excitons, leads to a significantly different temporal behavior and strongly distorted results. This finding elucidates the apparent conflict between the two groups of results and forms the basis for further investigations.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée. / This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed.

La recherche d’une miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs en micro- et opto- électronique a participé au développement des nanotechnologies. A l’échelle nanométrique, la densité des interfaces augmente énormément leur conférant un rôle crucial dans les performances des dispositifs. Dans cette thèse, l’intérêt a été porté sur les interactions aux interfaces entre matériaux hétérogènes lors des premiers stades de leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Chaque chapitre est dédié à l’étude d’une interface spécifique dans le cadre des recherches menées par l’équipe Hétéroépitaxie et Nanostructures de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon. Deux approches complémentaires pour l’intégration monolithique du semiconducteur III-V GaAs sur silicium ont été étudiées: les nanofils de GaAs sur Si(111) et la recherche d’une phase Zintl pour la croissance bidimensionnelle (2D) de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100). Pour ce qui concerne la croissance des nanofils de GaAs, l’étude par spectroscopie de photoémission de l’interface entre le gallium, en tant que catalyseur, et le substrat de silicium (111) recouvert de silice a montré qu’une réaction d’oxydoréduction entre les deux matériaux a lieu et est dépendante de la température pendant la croissance. Ensuite, le mécanisme d’encapsulation / désencapsulation par l’arsenic nécessaire à la protection des nanofils de GaAs lors des transferts, a été étudié structurellement en temps réel grâce à la microscopie électronique en transmission. Enfin, la croissance d'une demi-coquille métallique sur les nanofils de GaAs a été analysée in situ par diffraction et diffusion des rayons X en incidence rasante en utilisant un rayonnement synchrotron. Cette étude exploratoire a montré qu’il était possible d’obtenir une croissance partiellement épitaxiée d’or et d’aluminium sur les facettes des nanofils. Pour ce qui concerne la croissance 2D de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100), la croissance de la phase SrAl2 proposée théoriquement dans la littérature a été tentée et examinée par photoémission. Une alternative, BaGe2, permettant de mieux pallier aux problèmes d’hétérogénéité chimique a finalement été proposée. / Miniaturization of micro- and opto-electronics devices has led to the development of nanotechnologies. At this scale, the density of interfaces drastically increases explaining their critical role in the device performances. In this thesis, interest has been focused on interactions at the interfaces between heterogeneous materials during their first growth stages by molecular beam epitaxy. Each chapter studies a specific interface with the objective of monolithically integrating III-V semiconductors (GaAs) on silicon substrate, which is a main goal of the INL’s Heteroepitaxy and Nanostructures team. Two complementary approaches have been considered: GaAs nanowires on Si (111) substrate and the research of a Zintl phase as a buffer layer adequate for the two-dimensional (2D) growth of GaAs on a SrTiO3 / Si (100) substrate. In the context of growing GaAs nanowires on Si(111) with gallium as catalyst, the role played by a silica overlayer has been studied by X-Ray Photoelectron Spectroscopy. It has been shown that an oxido-reduction reaction takes place at the interface, reaction which is strongly dependent on the temperature during the process. Besides, the real-time evolution of an As capping/decapping mechanism, which is needed for the protection of GaAs nanowires during transfers, has been studied thanks to electron transmission microscopy. Finally, the growth of a metal half-shell on GaAs nanowires has been investigated by in situ grazing incidence X-ray diffraction using synchrotron radiation. This exploratory study has shown that obtaining a partially epitaxial growth of gold and aluminum on nanowires facets is possible. In the context of obtaining a 2D growth of GaAs on SrTiO3/Si(100) substrate, the growth of the theoretically-suggested Zintl phase SrAl2 was tried by MBE and probed by photoemission, along with an alternative, BaGe2, which appeared more suitable for chemical reasons.

Magnetic properties of diluted magnetic semiconductors and magnetic metallic multilayers are investigated by SQUID magnetometry. By doping GaAs with magnetic Mn2+ ions under well defined growth conditions, one obtains a diluted magnetic semiconductor, (Ga,Mn)As, in which the randomly-distributed magnetic ions act as acceptor centers. At high enough dopant and hole concentration a carrier-induced ferromagnetic state results between the magnetic ions. Due to peculiarities of the growth process sizable amounts of donor defects, such as Mn interstitials and As antisites, are also introduced into the GaAs host. The magnetic properties of (Ga,Mn)As are altered by the presence of such defects through the compensation effect of the holes. The Mn interstitials are thermally unstable above a certain threshold temperature and therefore their concentration can be controlled by post-growth annealing. The influence of the interfaces on the magnetic moment of FeNi/V and FeNi/Co superlattices has been studied. A decrease of the `FeNi' magnetic moment at the interfaces is observed for FeNi/V superlattices while in case of FeNi/Co an enhanced magnetic moment is obtained at the interfaces. Changes of the interlayer exchange coupling have been studied in a series of Fe/V(Fe) multilayers in which the V spacer was alloyed with small amounts of Fe. The dynamic magnetic properties of discontinuous metal-insulator multilayers of Ni81Fe19/Al2O3 have been investigated. By varying the thickness of the insulator the system exhibits a superferromagnetic, a 3d spin-glass-like and a superparamagnetic behavior.

La substitution du canal de silicium par un semi-conducteur III-V est une des voies envisagées pour accroitre la mobilité des électrons dans les transistors n-MOSFET et ainsi réduire la consommation des circuits. Afin de réduire les coûts et de profiter des plateformes industrielles de la microélectronique, les transistors III-V doivent être réalisés sur des substrats de silicium. Cependant, la différence de paramètre de maille entre le Si et les couches III-V induit de nombreux défauts cristallins dans le canal du transistor, diminuant la mobilité des porteurs. L’objectif de cette thèse est la réalisation de transistors à canal III-V sur substrat de silicium au sein de la plateforme microélectronique du CEA Leti. Dans le cadre de ces travaux, deux filières technologiques d’intégration ont été développées pour la réalisation de transistors tri-gate à base d’In0,53Ga0,47As sur substrat de silicium : par un collage moléculaire d’une couche d’InGaAs sur InP et par une épitaxie directe de la couche d’InGaAs sur substrat Si. Les différentes étapes technologiques spécifiques à l’InGaAs ont été mises au point au cours de ces travaux, en prenant en compte les contraintes de contamination des équipements. Le traitement de surface de l’InGaAs et le dépôt du diélectrique de grille à haute permittivité (type high-k) par ALD ont été particulièrement étudiés afin de réduire la quantité d’états d’interface (Dit) et d’optimiser l’EOT. Pour cela, des analyses XPS et des mesures électriques C(V) de capacités MOS ont été réalisées à l’échelle d’un substrat de 300mm de diamètre. / The replacement of the silicon channel by III-V materials is investigated to increase the electron mobility in the channel and reduce the power consumption. In order to decrease the cost and to take advantage of the microelectronic silicon platform, III-V transistors must be built on Silicon substrates. However, the lattice parameter mismatch between Silicon and the III-V layers leads to a high defects density in the channel and reduces the carrier mobility. This thesis aims to realize III-V transistors on silicon substrate in the CEA-Leti microelectronic clean room. In the frame of this PhD, two integration process are elaborated to realize In0,53Ga0,47As tri-gate transistors on silicon: the molecular bonding of an InGaAs layer grown on a InP substrate, and the direct epitaxy of InGaAs on a silicon substrate. The fabrication steps for InGaAs transistors were developed, taking into account the clean room contamination restriction. InGaAs surface treatment and high-permittivity dielectric deposition by ALD are studied in order to reduce the density of interface states (Dit) and to optimize the EOT. XPS analysis and C(V) measurement are performed at the scale of a 300mm Silicon substrate.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l'étude expérimentale de fonctions de traitement optique de signaux, multiplexés en longueur (WDM) ou en temps (OTDM), à base de composants à cristaux photoniques (CPh) en matériaux semi-conducteurs III-V réalisés dans le cadre du projet européen Copernicus. Les propriétés dispersives singulières qu'il est possible d'obtenir dans ces structures ont été étudiées au travers d'effets non linéaires améliorés dans le régime de lumière lente. Ainsi, une étude sur le mélange à quatre ondes a été réalisée avec des applications de conversion de longueur d'onde à haut débit et de démultiplexage temporel. Par ailleurs, de la génération de seconde harmonique a été démontrée avec une efficacité record pour ce type de structure, et appliquée au monitoring de signaux télécoms à 42,5 Gbit/s. Des nanocavités CPh ont été utilisées en tant que filtres extracteurs de longueurs d'onde pour démontrer le démultiplexage d'un signal WDM à 100 Gbit/s. Par la suite, nous avons travaillé sur une plate-forme photonique hybride. L'intégration hétérogène de nanocavités CPh en semi-conducteurs III-V sur des guides silicium nous a permis de réaliser de la commutation optique très rapide appliquée à des fonctions de conversion de longueur d'onde jusqu'à 20 Gbit/s et de limiteur de puissance à 10 Gbit/s. Tous ces résultats sont très prometteurs pour l'intégration photonique avec la micro-électronique et la technologie CMOS. Par le biais de ces travaux, nous montrons que les cristaux photoniques, de par leurs propriétés de confinement et de ralentissement de la lumière, sont des structures particulièrement intéressantes pour la réalisation de fonctions de traitement du signal sur porteuse optique. / This thesis is devoted to the experimental study of optical processing functions, of wavelength multiplexed (WDM) or time multiplexed (OTDM) signals, based on III-V semiconductors photonic crystals (PhC) devices produced in the European project Copernicus. The unique dispersive properties that is possible to obtain in such a structure were studied through nonlinear effects enhanced in slow light regime. Thus, a study of four-wave mixing was performed with high bit rate wavelength conversion and time demultiplexing applications. Moreover, second harmonic generation has been demonstrated with record efficiency for such a structure, and applied to 42.5 Gbit/s telecom signals monitoring. PhC nanocavities were used as wavelength drop filter to demonstrate 100 Gbit/s WDM signal demultiplexing. Thereafter, we worked on hybrid photonic platform. The heterogeneous integration of III-V PhC nanocavity on silicon waveguide allowed us to perform very fast optical switching, applied to wavelength conversion up to 20 Gbit/s and power limiting function at 10 Gbit/s. All of these results are very promising for future photonic integration with micro-electronics and CMOS technology. Through this work, we show that PhC, owing to their confinement and slow light properties, are structures particularly interesting to perform optical processing functions.

Cette thèse de doctorat propose d'explorer un nouveau paradigme de propagation de l'information de spin sur de très longues distances après encodage sur la polarisation de lumière cohérente. L'objectif principal de ce manuscrit est de fournir une étude détaillée de l'injection de spin dans des composants optoélectroniques III-V à géométrie verticale. Pour atteindre cet objectif, nous nous concentrons sur l'étude de l'injection optique et électrique de spin dans des structures « Light Emitting Diodes » (LEDs) et des structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers » (VECSELs) à base de semiconducteurs III-V. Nos investigations et résultats sont présentés suivant trois axes majeurs.La première partie regroupe un état de l'art sur l'injection de spin dans les composants optoélectroniques III-V et se concentre sur les phénomènes physiques engagés dans la conversion d'une accumulation de spin en information de polarisation lumineuse. Une discussion sur l'injection et le transport de spin dans des structures semi-conductrices est suivie par une analyse orientée-composant sur l'injection de spin dans les LEDs et les VCSELs.La deuxième axe s'articule autour de notre travail expérimental sur le développement et l'optimisation sur LEDs III-V d'un injecteur de spin MgO/CoFeB/Ta ultra-fin présentant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique. Nous nous focalisons en premier lieu sur l'optimisation de la barrière tunnel MgO pour maximiser l'injection de porteurs polarisés en spin et détaillons par la suite le développement et la caractérisation d’un injecteur de spin possédant une aimantation perpendiculaire à la rémanence magnétique.La troisième partie contient le travail principal de cette thèse de doctorat. Elle est entièrement consacrée à notre recherche expérimentale sur l'injection de spin dans les structures « Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers ». Nous commençons par introduire un model vectoriel permettant la compréhension théorique de la sélection de polarisation dans les structures VECSELs injectées en spin. Nous rapportons ensuite la mesure de biréfringence d'une structure VECSEL designée pour le pompage optique en utilisant une technique expérimentale originale basée sur la mesure du décalage en fréquence entre les deux modes de polarisation orthogonaux TE et TM. Ultérieurement, nos observations et résultats sur l'injection optique de spin dans les VECSELs sont détaillés, analysés et commentés. L'étude est étendue à l'estimation des temps de vie caractéristiques du système par mesures de Photoluminescence résolues en temps afin d'évaluer l'efficacité de conversion de l'information de spin. Pour finir, les résultats préliminaires sur l'injection électrique de spin dans les VECSELs sont présentés. / This Ph.D Thesis proposes to explore a new paradigm of spin-information propagation over very long distances after encoding on coherent light polarization. The main objective of this manuscript is to provide a detailed study of spin-injection into III-V semiconductor based opto-electronic devices with vertical geometries. To achieve this goal, we focus on the study of optical and electrical spin-injection in III-V semiconductor based Light Emitting Diodes (LEDs) and Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers (VECSELs). Our investigations and results are presented on three axes.The first part regroups a state-of-the-art of spin-injection into semiconductors optoelectronic devices and focuses on the physical phenomena engaged in the conversion of a spin accumulation into light polarization information. A discussion on spin-injection and spin-transport into III-V semiconductor structures is followed by a more device-oriented review on spin-injection in LEDs and VCSELs.The second axis is articulated around our experimental work on the development and the optimization on III-V semiconductors LEDs of an ultra-thin MgO/CoFeB/Ta spin-injector with perpendicular magnetization at magnetic remanence. We focus on the MgO tunnel barrier optimization for maximizing the spin-injection efficiency and further detailed the development and the characterization of the spin-injector with perpendicular magnetization at remanence.Finally, the third part contains the main work of this Ph.D thesis. It is fully dedicated to our experimental research on spin-injection in Vertical External Cavity Surface Emitting Laser structures. A vectorial model allowing the theoretical understanding of polarization selection in spin-injected VECSELs is first introduced. Next, we report the birefringence measurement of a VECSEL designed for optical pumping using an original frequency detuning measurement between the two orthogonal TE- and TM-modes. Afterward, our observations and results on optical spin-injection in VECSELs are displayed, analyzed and commented. The study is farther extended to the measurement of the system's characteristic lifetimes using Time Resolved Photo-Luminescence in order to evaluate the spin-information conversion efficiency. Finally the preliminary results on electrical spin-injection experiment are presented.

L'intégration monolithique des semi-conducteurs III-V sur silicium est une voix prometteuse pour la fabrication de composants électroniques et photoniques. Cependant, cette croissance s'accompagne de la génération d'une forte densité de défauts cristallins (dislocations résiduelles, macles et parois d'inversion). Au cours de ce travail de thèse, nous avons étudié les propriétés structurales, par diffraction des rayons X et microscopie électronique en transmission, d'hétérostructures à base de GaSb et de GaP épitaxiées sur silicium (001). Vu le fort désaccord paramétrique entre le GaSb et le Si (12.2%), la croissance s'accompagne de la génération d'une très forte densité de dislocations résiduelles. D'autres défauts sont présents dans la croissance de GaSb sur Si comme les macles. Ces défauts dépendent de la qualité cristalline du surface du substrat . La préparation de surface du substrat permet de diminuer la rugosité et de supprimer les contaminants présents. Dans ce contexte, nous avons mis au point un protocole de préparation adapté permettant de réduire la densité de macles générées à l'interface GaSb sur Si. Nous avons aussi réussi à réduire la densité de défauts en utilisant un super-réseau capable de filtrer les dislocations mais également d'aider à la fermeture des domaines d'inversion. L'efficacité du super-réseau dépend beaucoup de sa nature (nombre de périodes, épaisseur et contrainte des couches constituant le super-réseau) ainsi que sa position dans la structure. Nous avons aussi développer un modèle géométrique de recombinaison des dislocations. Ce modèle, nous a permis de mettre en évidence les interactions globales entre dislocations et de donner des paramètres d'interaction entre dislocations. Pour la croissance de GaP sur Si, le très faible désaccord paramétrique (0.37%) permet d'éviter le problème de relaxation plastique des structures à base de GaP. Les défauts essentiellement présents sont les domaines et les parois d'inversion. Nous avons montré que le taux de couverture initial en gallium sur le substrat en tout début de croissance a un effet prépondérant sur la présence de micro-macles mais également sur la taille et la densité des domaines d'inversion. D'autres paramètres de croissance sont également étudiés, comme la température, la vicinalité du substrat et l'utilisation de fines couches contraintes pour limiter le développement des domaines d'inversion. Nous avons observé que pour ces deux types d'hétérostructure (GaP/Si mais aussi GaSb/Si), la suppression de domaines d'inversion permet de réduire la rugosité. En troisième partie, nous avons étudié l'effet d'incorporation de l'azote sur le contraste des images STEM-HAADF des couches de GaPN. Contrairement à ce qui est attendu, les couches GaPN apparaissent toujours plus claires que le substrat de GaP, quelque soit la concentration en azote. Nous avons montré que le rapport des intensités HAADF des couches GaPN et GaP dépend de deux paramètres : la déformation effective de la maille de GaPN (par rapport à celle de GaP) et la présence des défauts ponctuels liés à l'incorporation d’azote. Une hypothèse avancée serait la présence de gallium en site substitutionnel du phosphore, voire en site interstitiel. / Monolithique integration of III-V compound semiconductors on silicon makes possible the large scale integration of compound semiconductors for optical and electronic devices. However, the growth of III-V semiconductors on silicon generate several defects (threading dislocations, twins and antiphase boundaries). In this PhD thesis, we studied structural properties of GaSb-based and GaP-based hetero-structures grown on silicon using X-Ray diffraction and Transmission Electon Microscopy. Threading dislocations are the major defects in the growth of GaSb on Si because of the high lattice mismatch between the two materials(12.2%). Other defects like twins are presents on the growth of GaSb on Si. Twins are related to the crystalline quality of surface substrate (contaminants and roughness). We developed a cleaning process of surfaces which shows a high efficiency on twins density reduction. We reduced the high defects density using super-lattices . The super-lattices act not only as a dislocations filter but also help antiphase domains closure. The efficiency of super-lattices depends on its nature (thickness and strain) and its position on the structure. With our dislocations geometrical recombination model, we bring out the global interaction between dislocations and we define essential interaction parameters between dislocations. For the growth of GaP on Si, We have shown that the initial coverage of gallium on the substrate in the early stages of growth has a major effect on the presence of micro-twins, but also on the size and density of the antiphase domains. Due to the small lattice mismatch between GaP and Si (0.37%), antiphase boundaries and domains are the major defects on the GaP-based heterostructures. Antiphase domains can be blocked near the interface using specific growth conditions (substrate miscut, growth temperature, strained thin films). We showed with the two heterostructures (GaP-based and GaSb-based) that the suppression of antiphase boundaries decreases semiconductors roughness. We studied the influence of Nitride incorporation on the STEM-HAADF contrast of GaPN films. This inversed contrast (GaPN layers are more brilliant than GaP ) depend on two parameters: the deformation state of GaPN lattice compared to GaP one and the punctual defects related to the Nitride incorporation. Those defects can be Interstitial or anti-site Ga atoms.

<p>GaAs/GaP heterostructure nanowires (NWs) were grown on GaAs(111)B and Si(111) substrates by gold (Au) assisted vapor-liquid-solid (VLS) growth in a molecular beam epitaxy (MBE) system. NW morphology and crystal structure were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Early results indicated substantial differences in the length and crystal structure of the GaAs/GaP heterostructures. Efforts to remove these inhomogeneities required an improved Au VLS seed deposition method as well as a better understanding of VLS growth across GaAs/GaP hetero-interfaces.</p> <p>Experiments with GaAs/GaP heterostructures yielded the observation of changes in crystal phase in GaP, including the first reported occurrence of the 4H polytype. These observations revealed the presence of transient growth behavior during the formation of the GaAs to GaP hetero-interface that was unique to the VLS technique. Further characterization required the need to move from VLS seeds formed by annealing thin Au films to Au particles formed precisely by electron beam lithography (EBL). NW growth using EBL patterned Au seeds was discovered to be inhibited by the formation of a thin silicon oxide layer, formed at low temperatures by Au-enhanced silicon oxidation. Elimination of this layer immediately prior to growth resulted in successful patterned VLS growth.</p> <p>A systematic study of the transient GaP growth behavior was then conducted using patterned arrays to grow GaAs/GaP heterostructure NWs with frequent, periodic oscillations in the group V composition. These oscillations were measured by high angle annular dark field (HAADF) to determine the instantaneous growth rate of many NWs. A phenomenological model was fit to the data and transient growth rate behavior following a GaAs to GaP hetero-interface was understood on the basis of transient droplet compositions, which arise due to the large difference in As or P alloy concentrations required to reach the critical supersaturation.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)