This paper presents a new technique for the monolithic heterogeneous integration of compound semiconductor devices with silicon integrated circuits, and establishes the theoretical foundation for a key element of the process, tailored magnetic attraction and retention. It is shown how a patterned thin film of hard magnetic material can be used to engineer the attraction between the film and nanopills covered with a soft magnetic material. With a suitable choice of pattern, it is anticipated that it will be possible to achieve complete filling of recesses in the surface of fully-processed integrated circuit wafers, preparatory to subsequent processing to fabricate the nanopills into heterostructure devices integrated monolithically with the pre-existing electronics. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

This paper describes recent progress in a continuing program to develop and apply RM³ (recess mounting with monolithic metallization) technologies for heterogeneous integration. Particular emphasis is placed on the APB (aligned pillar bonding) and MASA (magnetically assisted statistical assembly) technologies. Next, ongoing research on applications of RM3 integration to produce optoelectronic integrated circuits (OEICs) for optical clock distribution, diffuse optical tomography, and smart pixel arrays are described. Finally, potential new applications of these technologies in intra- and interchip optical signal interconnects, in fluorescent dye detection and imaging for biomedical applications, and in III-V mini-IC integration on Si-CMOS for enhancing off-chip drive capabilities are outlined. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

L'intégration de composés semi-conducteurs III-V sur silicium devrait conduire au développement de nouveaux dispositifs micro- et optoélectroniques performants. Le composé InGaAs de haute mobilité électronique est un candidat prometteur pour le transistor métal-oxyde-semiconducteur à effet de champ à canal n au-delà du noeud technologique 10 nm. En outre les semi-conducteurs III-V sont aussi des matériaux appropriés pour la fabrication de composants optiques (lasers, diodes) et de dispositifs analogiques ultra-haute fréquence et leur intégration sur une plateforme Si ajoutera de nouvelles fonctionnalités pour le réseau de communications optiques. Cependant la miniaturisation des dispositifs et leur intégration dans les architectures 3D nécessitent le développement de méthodes de caractérisation avancées pour fournir des informations sur leur composition physico-chimique avec une résolution à l'échelle nanométrique.Dans cette thèse, les études physico-chimiques des hétérostructures III-V directement élaborées sur plaquettes de Si 300 mm par épitaxie en phase vapeur sont adressées. Les techniques de spectrométrie de masse d'ions secondaires sont utilisées et développées dans le but d'étudier la raideur des interfaces, la composition chimique et le dopage de couches III-V minces dans des architectures 2D et 3D avec une bonne résolution en profondeur. L'analyse quantitative précise sur un puits quantique InGaAs (PQ) pour des architectures 2D et 3D a été réalisée en utilisant les techniques SIMS magnétique et Auger. Pour obtenir le profil chimique des structures III-V étroites et répétitives, une méthode de moyenne des profils a été développée pour ces deux techniques. Egalement, la reconstruction 3D et le profil en profondeur de tranchées individuelles (moins de cent nanomètres de largeur) contenant un PQ d’InGaAs mince obtenu par croissance sélective dans des cavités de dioxyde de silicium en utilisant la méthode de piégeage des défauts par rapport d’aspect ont été obtenus avec succès en utilisant le SIMS à temps de vol ainsi que la sonde atomique tomographique. Enfin, les résultats ont été corrélés avec des mesures de photoluminescence. / The integration of III-V semiconductor compounds on silicon should lead to the development of new highly efficient micro- and opto-electronic devices. High mobility InGaAs material is a promising candidate for n-channel metal-oxide semiconductor field-effect transistor beyond the 10 nm technology node. Moreover III-V semiconductors are also suitable materials for fabrication of optical (lasers, diodes) and ultra-high frequency analog devices and their integration on a Si platform will add new functionalities for optical network and communication. However the miniaturization of devices and their integration into 3D architectures require the development of advanced characterization methods to provide information on their physico-chemical composition with nanometer scale resolution.In this thesis, the physico-chemical studies of III-As heterostructures directly grown on 300 mm Si wafers by metalorganic vapor phase epitaxy are addressed. Secondary ion mass spectrometry techniques are used and developed in order to study interfaces abruptness, chemical composition and doping of III-V thin layers in 2D and 3D architectures with high depth resolution. The accurate quantitative analysis on InGaAs quantum wells (QWs) in 2D and 3D architectures was performed using magnetic SIMS and Auger techniques. To obtain the chemical profiling of narrow and repetitive III-V structures the averaging profiling method was developed for both techniques. Additionally, 3D reconstruction and depth profiling of individual trenches (less than hundred nanometer in width) containing thin InGaAs QWs selectively grown in silicon dioxide cavities using the aspect ratio trapping method were successfully obtained using Time-of-flight SIMS and atom probe tomography. Finally, the results were correlated with photoluminescence measurements.