III-V materials such as indium arsenide (InAs) and gallium arsenide (GaAs) are increasingly used in electronic and photovoltaic devices. The extensive application of these materials may lead to release of III-V ionic species during semiconductor manufacturing or disposal of decommissioned devices into the environment. Although arsenic is recognized as an important contaminant due to its high toxicity, there is a lack of information about the toxic effects of indium and gallium ions. In this study, acute toxicity of As(III), As(V), In(III) and Ga(III) species was evaluated using two microbial assays testing for methanogenic activity and 02 uptake, as well as two bioassays targeting aquatic organisms, including the marine bacterium Aliivibrio fischeri (bioluminescence inhibition) and the crustacean Daphnia magna (mortality). The most noteworthy finding was that the toxicity is mostly impacted by the element tested. Secondarily, the toxicity of these species also depended on the bioassay target. In(III) and Ga(III) were not or only mildly toxic in the experiments. D. magna was the most sensitive organism for In(III) and Ga(III) with 50% lethal concentrations of 0.5 and 3.4 mM, respectively. On the other hand, As(III) and As(V) caused clear inhibitory effects, particularly in the methanogenic toxicity bioassay. The 50% inhibitory concentrations of both arsenic species towards methanogens were about 0.02 mM, which is lower than the regulated maximum allowable daily effluent discharge concentration (2.09 mg/L or 0.03 mM) for facilities manufacturing electronic components in the US. Overall, the results indicate that the ecotoxicity of In (III) and Ga(III) is much lower than that of the As species tested. This finding is important in filling the knowledge gap regarding the ecotoxicology of In and Ga.

Doctor of Philosophy / Department of Chemical Engineering / James H. Edgar / The semiconductor boron phosphide (BP) has many outstanding features making it attractive for developing various electronic devices, including neutron detectors. In order to improve the efficiency of these devices, BP must have high crystal quality along with the best possible electrical properties. This research is focused on growing high quality crystalline BP films on a variety of superior substrates like AIN, 4H-SiC, 3C-SiC and ZrB₂ by chemical vapor deposition. In particular, the influence of various parameters such as temperature, reactant flow rates, and substrate type and its crystalline orientation on the properties of BP films were studied in detail. Twin-free BP films were produced by depositing on off-axis 4H-SiC(0001) substrate tilted 4° toward [1-100] and crystal symmetry matched zincblende 3C-SiC. BP crystalline quality improved at higher deposition temperature (1200°C) when deposited on AlN, 4H-SiC, whereas increased strain in 3C-SiC and increased boron segregation in ZrB₂ at higher temperatures limited the best deposition temperature to below 1200°C. In addition, higher flow ratios of PH₃ to B₂H₆ resulted in smoother films and improved quality of BP on all substrates. The FWHM of the Raman peak (6.1 cm⁻¹), XRD BP(111) peak FWHM (0.18°) and peak ratios of BP(111)/(200) = 5157 and BP(111)/(220) = 7226 measured on AlN/sapphire were the best values reported in the literature for BP epitaxial films. The undoped films on AlN/sapphire were n-type with a highest electron mobility of 37.8 cm²/V·s and a lowest carrier concentration of 3.15x1018 cm⁻ᶟ. Raman imaging had lower values of FWHM (4.8 cm⁻¹) and a standard deviation (0.56 cm⁻¹) for BP films on AlN/sapphire compared to 4H-SiC, 3C-SiC substrates. X-ray diffraction and Raman spectroscopy revealed residual tensile strain in BP on 4H-SiC, 3C-SiC, ZrB₂/4H-SiC, bulk AlN substrates while compressive strain was evident on AlN/sapphire and bulk ZrB₂ substrates. Among the substrates studied, AlN/sapphire proved to be the best choice for BP epitaxy, even though it did not eliminate rotational twinning in BP. The substrates investigated in this work were found to be viable for BP epitaxy and show promising potential for further enhancement of BP properties.

La miniaturisation des transistors a progressé par noeud technologique avec l’introduction successive de nouveaux matériaux (high k) et de nouvelles architectures (FinFET, NWFET). Pour les noeuds technologiques avancés, une nouvelle rupture en matériau est envisagée pour remplacer le Silicium du canal de conduction par des matériaux à forte mobilité (2D, III-V). Les matériaux III-V sont de bons candidats pour répondre à cette problématique grâce à leur forte mobilité de type n (InGaAs, InAs, InSb) ou de type p (GaSb). Au cours de cette thèse, un intérêt particulier a été porté au couple de matériaux InAs/GaSb, qui offre un avantagesupplémentaire de par son accord de paramètre de maille permettant d’accéder dans une même structure à des couches de mobilités n et p. La croissance de matériau III-V directement sur substrat (001)-Si 300mm est aujourd’hui un challenge d’intérêt majeur pour proposer des procédés compatibles avec les plateformes industriels CMOS. Ces croissances restent complexes à cause de la formation de défauts : parois d’antiphase, dislocations, fissures ; générées respectivement par la différence depolarité, de paramètre de maille et de coefficient d’expansion thermique, entre le Silicium et les matériaux III-V. Dans cette thèse nous présentons une première démonstration de croissance par MOVPE de GaSb directement sur substrat (001)-Si nominal 300mm compatible avec les plateformes industrielles CMOS. Les couches de GaSb présentent une rugosité de surface sub-1nm, et une qualité cristalline au niveau de l’état de l’art en MBE. La croissance d’une couche d’InAs a ensuite permis la réalisation d’un démonstrateur FinFET à canaux multiples d’InAs. Ce derniera été élaboré via une technique lithographique alternative à haute résolution basée sur l’utilisation de copolymère à bloc. Ce procédé simple pour réaliser des canaux de conduction permet d’accéder à une forte densité de fils, de faibles dimensions, et en seulement cinq étapes de fabrication. / The transistors’s miniaturization evolved through technological nodes with the successive introduction of new materials (high k) and new architectures (FinFET, NWFET). For the advanced technological nodes, a new break in material is considered to replace the silicon of the conduction channel with high mobility materials (2D, III-V). III-V materials are good candidates to address a solution to this problem thanks to their n-type (InGaAs, InAs, InSb)or p-type (GaSb) high mobility. During this PhD, a particular interest has been given to the InAs/GaSb pair of materials, which offers an additional advantage by its lattice parameter agreement making it possible to access n-type and p-type high mobility layers in the same structure.Nowadays, the growth of III-V materials directly on (001) -Si 300mm substrates is a challenge of major interest to develop industrial platforms compatible processes. These growths remain complex because of defects formation: antiphase boundaries, dislocations, cracks; generated respectively by the difference in polarity, lattice mismatch and difference in thermal expansion coefficient, between the silicon and III-V materials. In this PhD, we present a first demonstration of GaSb growth by MOVPE directly on nominal (001) -Si 300mm substrate compatible with industrial platforms. The GaSb layers have a sub-1nm surface roughness, and an equal to MBE state of the art crystalline quality. The growth of a InAs layer then allowed the realization of an InAs FinFET multi-channel demonstrator. The latter was developed via a high resolution alternative lithographic technique based on the use of block copolymer. This simple method for producing conduction channels makes it possible to access a high density of wires, of small dimensions, and in only five manufacturingsteps.

<p>InP nanowires with short InAs segments were grown on InP (111)B substrates by Au assisted vapour-liquid-solid growth in a gas source molecular beam epitaxy system. Nanowire crystal structure and morphology were investigated by transmission electron microscopy as a function of temperature, growth rate, and V/III flux ratio. At 370C predominantly kinked nanowires with random morphology and low areal density were observed with a rough parasitic 2D film. At 440C, nanowire density was also reduced but the 2D film growth was smoother and nanowires grew straight without kinking. An optimum temperature of 400C maximized areal density with uniform nanowire morphology. At the optimum temperature of 400C, an increase in V/III flux ratio changed the nanowire morphology from rod-shaped to pencil like indicating increased radial growth. Growth rate did not affect the crystal structure of InP nanowires. For InAs nanowires, changing the growth rate from 1 to 0.5 μm/hr reduced the presence of stacking faults to as low as one per nanowire. Short InAs segments in InP nanowires were found to grow through two mechanisms for nanowires of length L and diameter D. The first mechanism described the supply of In to the growth front via purging of In from the Au droplet where L was proportional to D. The second mechanism involved direct deposition of adatoms on the nanowire sidewall and subsequent diffusion to the growth front where L was proportional to 1/D. For intermediate growth durations, a transition between these two mechanisms was observed. For InP and InAs nanowires, the growth mode was varied from axial to radial through the inclusion of Al to form a core shell structure. Al_xIn_1-xAs(P) shells were grown on InAs cores with Al alloy fractions between 0.53 and 0.2. These nanowires were examined by transmission electron microscopy and it was found, for all values of x in InAs-Al_xIn_1-xP structures, that relaxation had occurred through the introduction of dislocations. For InAs-Al_xIn_1-xAs structures, all values except x=0.2 had relaxed through dislocation formation. A critical thickness model was developed to determine the core-shell coherency limits which confirmed the experimental observation of strain relaxation. The effects of passivation on the electronic transport and the optical properties were examined as a function of structural core-shell passivation and chemical passivation. The mechanisms for the observed improvement in mobility for core-shell versus bare InAs nanowires was due to the reduction in ionized impurity scattering from surface states. Similarly an increase in photoluminescence intensity after ammonium sulfide passivation was explained by the reduction of donor type surface states.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Le transistor est la brique élémentaire des circuits intégrés présents dans tous les appareils électroniques. Années après années l’industrie de la microélectronique a amélioré les performances des circuits intégrés (rapidité, consommation énergétique) en réduisant les dimensions du transistor. De nos jours, en plus de la réduction de la taille du transistor d’autres techniques permettent de soutenir cette croissance: ce sont les « booster » technologiques. Les contraintes mécaniques ou encore le remplacement du Silicium par d’autres matériaux tels que germanium (Ge) et les matériaux semi-conducteurs de type III-V sont des exemples de booster technologiques. Grâce à la modélisation numérique, cette thèse propose d’étudier les effets de booster technologiques sur les performances électriques de la future génération de transistors. / The transistor is the elementary brick of Integrated circuits found in all electronic devices. Years after years the microelectronic industry has enhanced the performances of integrated circuits (speed and energy consumption) by downscaling the transistor. Nowadays besides the transistor’s downscaling, other techniques have been considered to maintain this growth: they are called technological boosters. Mechanical strain or new material, such as germanium (Ge) and III-V semiconductors, to replace Silicon are example of technological boosters. By the means of numerical quantum simulations and modeling, this these work propose a study of the effect of technological boosters on the electric performances of the next generation of transistors.

Les semi-conducteurs III-V présentent des propriétés remarquables de mobilité électronique et d’émission optique. La croissance de ces matériaux par MOCVD sur substrat silicium (001) en 300 mm offre l’opportunité de réaliser les composants bas coût, et d’apporter de nouvelles fonctionnalités à la microélectronique silicium par l’intégration de composants électroniques et optiques. De ce fait, la croissance de semi-conducteurs III-V sur silicium a connu un engouement important au cours de ces dernières années. De telles intégrations monolithiques impliquent de développer des couches III-V de très bonne qualité épitaxiées sur silicium. Actuellement, le principal enjeu réside dans la réduction des densités de défauts cristallins tels que les fautes d’empilement, parois d’antiphase et dislocations. L’impact de ces défauts structuraux sur ces propriétés reste encore aujourd’hui principalement étudié à l’échelle micrométrique (effet Hall, photoluminescence,…) ne présentant pas de résolution spatiale suffisante permettant pas de dissocier les différents paramètres physico-chimiques. Ces développements nécessitent en conséquence des moyens adaptés de caractérisation pour contrôler et connaitre les propriétés physico-chimique de ces couches III-V épitaxiée sur Si.Le travail de cette thèse porte sur le développement d’une méthode destinée à corréler spatialement à l’échelle nanométrique les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques de couches III-As crues par MOCVD sur Si (001) en 300mm. Elle a permis d’étudier des puits quantiques d’InGaAs épitaxiés sur buffer GaAs et sur substrat Si avec pour méthode de réduction des défauts émergeants l’utilisation de couches tampons à base de GaAs et la croissance localisée entre murs d’oxydes (aspect ratio trapping (ART)). L’étude s’est appuyée sur deux techniques de caractérisation: La cathodoluminescence (CL) permettant d’observer spatialement sur l’échantillon bulk l’énergie d’émission et l’intensité correspondantes d’un puits quantique d’InGaAs, et la microscopie électronique en transmission (STEM/TEM) en lame mince donnant des informations quantitatives sur la morphologie de la structure (épaisseurs des couches, position des défauts, stoechiométrie…). Nous avons développé une méthode qui permet de corréler spatialement les résultats de ces deux techniques de caractérisation. La méthode consiste en plusieurs marquages spécifiques réalisés par faisceau d’électron pour repérer et extraire précisément les zones d’intérêt observés en cathodoluminescence. Des mesures de déformation (N-PED) sur lame mince ont également été réalisées.Cette méthode de caractérisation corrélée a permis de mettre en évidence des modifications des propriétés physico-chimique de puits quantiques d’InGaAs à l’échelle nanométrique directement liées aux conditions de croissance, et à la présence de défauts émergents. / III-V semiconductors have remarkable properties of electronic mobility and optical emission. Their growth by MOCVD on 300 mm (001) silicon substrate offers the opportunity of manufacturing at low cost and to get new functionalities in microelectronic devices for electronic components and optical emitters. Thereby III-V growth on silicon has been a huge success in recent years. Monolithic integrations imply to develop very good quality of III-V layers epitaxied on silicon. That is why currently, the major issue is to reduce crystalline defect density such as stacking faults, antiphase boundaries and dislocations. Structural defects which impact these properties are still mainly studied at micrometric scale (Hall effect, photoluminescence,…) but they not have sufficient spatial resolution to dissociate the different physicochemical parameters. Consequently, these developments require adapted characterizations to control and to obtain physicochemical properties of III-V epitaxied layers on Si.The aim of this thesis is to develop a method to spatially correlate at nanoscale optical properties and morphological characteristics of III-As layers grown by MOCVD on 300 mm (001) Si. In the frame of this thesis, this method allowed to study InGaAs quantum wells (QW) epitaxied on GaAs buffer and on Si substrate with defect density reduction method the use of GaAs buffer layers and patterned growth (aspect ratio trapping (ART)). The study is based on two characterization techniques : cathodoluminescence (CL) which allows to spatially observe on bulk sample InGaAs QW energy emission and intensity, and transmission electronic microscopy (STEM/TEM) of thin lamella which give quantitative information on the morphology (layer thicknesses, defect positions, stoichiometry,…). The method developed allows to spatially correlate results of these two techniques. It is to realize several specific marks made by electron beam to localize and precisely extract interesting areas observed by CL. Strain measurements (N-PED) on TEM lamella is realized too.This correlated characterization method has highlighted physicochemical property modifications of InGaAs QW at nanoscale directly related to growth conditions and to threading dislocations presence.

Cette thèse porte sur l’analyse microstructurale d’intermétalliques formés par réaction à l’état solide entre une couche mince de métal Ni(Co) et un substrat d’InGaAs et s’inscrit dans le cadre du développement de reprises de contact pour les dispositifs MOSFET sub-10 nm ou les applications photoniques. Ce travail comporte une partie relative au développement d’une méthodologie de diffraction des rayons x adaptée à ces composés très texturés et deux parties distinctes où nous décrivons et discutons les résultats expérimentaux.L’étude microstructurale (phase, texture…) des intermétalliques obtenus par réaction à l’état solide est rendue complexe par la formation transitoire de phases métastables, non stœchiométriques parfois, contraintes mécaniquement, et présentant en général des orientations cristallines (texture cristallographique) très marquées. Du fait de cette complexité microstructurale, ces intermétalliques n’ont souvent pas été caractérisés de façon complète et peu de connaissances se trouvent sur leur structure et leur formation. Aussi, et pour caractériser de façon complète et sans omettre des phases ou des orientations dans le système Ni-In-Ga-As, nous avons contribué au développement d’une méthode de mesure globale et rapide par diffraction des rayons X permettant de reconstruire une cartographie large 3D de l’espace réciproque. Les données recueillies par cette méthode sont reconstruites afin d’extraire soit des diagrammes de diffraction dits « détexturés », soit des figures de pôle…permettant une analyse semi quantitative de la microstructure des échantillons.Dans la première partie des résultats expérimentaux, nous nous intéressons à la caractérisation des intermétalliques formés à partir d’empilements Ni/InGaAs/InP recuits ex-situ à différentes températures. Nous décrivons la formation des intermétalliques, leurs textures, et leurs paramètres structuraux. Nous relevons certains aspects de la microstructure qui évoluent en fonction de la température de recuit comme l’anisotropie de texture, la stœchiométrie des intermétalliques et le domaine d’existence thermique et nous proposons des hypothèses qui peuvent expliquer l’évolution de ces phénomènes. Cette première étude faite sur des substrats InP a été confrontée aux résultats obtenus pour des intermétalliques similaires réalisés sur substrats InGaAs/GaAs/Si. En effet, les substrats Si sont les substrats industriellement ciblés pour la réalisation de composés logiques à canal III-V à grande échelle (sur des plaquettes de 300mm de diamètre). Ensuite, nous avons comparé la métallisation de la couche d’InGaAs dans le cas de Ni pur avec la métallisation d’InGaAs lorsqu’un élément d’alliage (Co) est ajouté à la couche de Ni. Ainsi, l’analyse microstructurale révèle des différences notamment sur les textures qui ont été interprétées sur la base de considérations thermodynamiques, mais aussi structurales comme l’alignement des deux couches entre elles, liées à des aspects plus cinétiques.Dans la deuxième partie de ce travail, nous présentons les résultats des analyses in situ effectuées par cartographies de l’espace réciproque en 3D au synchrotron ESRF à Grenoble. Il s’agit de suivre en temps réel par diffraction des rayons X, les réactions à l’état solide des échantillons du type Ni (7 nm et 20 nm)/InGaAs/InP et Ni0.9Co0.1 (20 nm)/InGaAs/InP lors de recuits par rampes... Ensuite, nous avons effectué des recuits isothermes sur les échantillons de type Ni (20 nm)/InGaAs/InP. Ces différentes mesures, couplées avec des hypothèses sur la croissance nous ont permis d’extraire les paramètres cinétiques relatifs à la formation de la première phase d’intermétallique. Les textures observées et leur évolution lors des recuits thermiques in situ sont différents des recuits ex situ. Ceci peut notamment être expliqué par un mode de recuit différent dans le cas in situ où la cinétique du système est plus lente, favorisant ainsi les structures et textures les plus stables. / This thesis focuses on the microstructural analysis of intermetallics formed by solid-state reaction between a thin layer of Ni (Co) metal and an InGaAs substrate and was carried out in the framework of contact development for sub-10 nm MOSFET but have also photonic applications. This work includes a part related to the development of an X-ray diffraction methodology adapted to highly textured compounds and two distinct parts in which we describe and discuss the experimental results.The microstructural study (phase, texture ...) of intermetallics obtained by solid-state reaction is complicated due to the formation of transient metastable, often non-stoichiometric and mechanically stressed phases. These phases have generally very marked crystalline orientations (crystallographic texture). Because of this microstructural complexity, these intermetallic have often been not fully characterized and there is little knowledge about their structure and formation. Moreover, and to fully characterize the Ni-In-Ga-As system without omitting phases or textures, we have contributed to the development of a comprehensive method of rapid measurement by X-ray diffraction to reconstruct large 3D maps of the reciprocal space. The collected data through this method are reconstructed to extract either diffraction diagrams called "detextured" diagrams or pole figures ... which allows a semi-quantitative analysis of the intermetallic microstructure.In the first part of the experimental results, we focus on the characterization of intermetallic formed through Ni / InGaAs / InP stacks and annealed ex situ at different temperatures. We describe the formation of the intermetallics, textures, and structural parameters. We note some aspects which vary depending on the annealing temperature such as the texture anisotropy, the stoichiometry of intermetallic and range of thermal existence and propose hypotheses that can explain the evolution of these phenomena. The studies on InP substrates were compared to results obtained for similar intermetallic made on GaAs / Si substrates. Indeed, the Si substrates are targeted for industrials to achieve logic compounds III-V channel large-scale (on 300 mm wafers). Then, we compared the metallization of the InGaAs layer in the case of pure Ni metallization with the results when an alloying element (cobalt) was added to the Ni layer. The microstructural analysis revealed several differences especially texture differences. These differences were interpreted on the basis of thermodynamic considerations, but also on the basis of structural alignment of the two layers together which are also linked to more kinetic aspects.In the second part of this work, we present the analysis results of studies performed by in situ 3D Reciprocal Space Mapping on the ESRF synchrotron in Grenoble. We followed the formation and stability of the intermetallics by real-time X-ray diffraction measurements, for different kind of samples: Ni (7 nm and 20 nm) / InGaAs / InP and Ni0.9Co0.1 (20nm) / InGaAs / InP, using ramp annealing... Then, we performed isothermal annealings for Ni(20 nm) / InGaAs / InP samples. These measurements, coupled with assumptions on the intermetallic growth, allowed us to extract the kinetic parameters for the formation of the first phase of the intermetallic. The observed textures and their evolution during in situ thermal annealings are different than ex situ annealing. This can be explained by a different mode of annealing in the case of in situ where the kinetics of the system is slower, thus favoring the most stable structures and textures.

<div>With the transistor dimensions scaling down to a few atoms, quantum phenomena - like quantum tunneling and entanglement - will dictate the operation and performance of the next generation of electronic devices, post-CMOS era. While quantum tunneling limits the scaling of the conventional transistor, Tunneling Field Effect Transistor (TFET) employs band-to-band tunneling for the device operation. This mechanism can reduce the sub-threshold swing (S.S.) beyond the Boltzmann's limit, which is fundamentally limited to 60 mV/dec in a conventional Si-based metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET). A smaller S.S. ensures TFET operation at a lower supply voltage and, therefore, at lesser power compared to the conventional Si-based MOSFET.</div><div><br></div><div>However, the low transmission probability of the band-to-band tunneling mechanism limits the ON-current of a TFET. This can be improved by reducing the body thickness of the devices i.e., using 2-Dimensional (2D) materials or by utilizing heterojunction designs. In this thesis, two promising methods are proposed to increase the ON-current; one for the 2D material TFETs, and another for the III-V heterojunction TFETs.</div><div><br></div><div>Maximizing the ON-current in a 2D material TFET by determining an optimum channel thickness, using compact models, is presented. A compact model is derived from rigorous atomistic quantum transport simulations. A new doping profile is proposed for the III-V triple heterojunction TFET to achieve a high ON-current. The optimized ON-current is 325 uA/um at a supply voltage of 0.3 V. The device design is optimized by atomistic quantum transport simulations for a body thickness of 12 nm, which is experimentally feasible.</div><div> </div><div>However, increasing the device's body thickness increases the atomistic quantum transport simulation time. The simulation of a device with a body thickness of over 12 nm is computationally intensive. Therefore, approximate methods like the mode-space approach are employed to reduce the simulation time. In this thesis, the development of the mode-space approximation in modeling the triple heterojunction TFET is also documented.</div><div><br></div><div>In addition to the TFETs, quantum computing is an emerging field that utilizes quantum phenomena to facilitate information processing. An extra chapter is devoted to the electronic structure calculations of the Si:P delta-doped layer, using the empirical tight-binding method. The calculations agree with angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements. The Si:P delta-doped layer is extensively used as contacts in the Phosphorus donor-based quantum computing systems. Understanding its electronic structure paves the way towards the scaling of Phosphorus donor-based quantum computing devices in the future.</div>

La conversion photovoltaïque (PV) de l’énergie solaire repose sur la capacité qu’ont certains matériaux à convertir l’énergie des photons en courant électrique. Le développement des systèmes de conversion PV ces trente dernières années a permis des améliorations considérables en terme de coût et de performances dans le domaine des énergies renouvelables.Une cellule multi-jonctions (MJ), à base de matériaux semi-conducteurs III-V, est un empilement de sous-cellules aux gaps décroissants qui permet notamment une plus large utilisation du spectre solaire. Soumettre ces cellules PV à un flux solaire concentré permet d’augmenter significativement la puissance électrique créée par celles-ci, et ainsi d’abaisser substantiellement le coût de l’électricité produite.Le record du monde est actuellement détenu par le partenariat Soitec / Fraunhofer ISE avec un rendement de 46,0 % mesuré sur une cellule quadruple-jonctions en GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs pour un taux de concentration de 508 X (où 1 X =1 soleil = 1 kW/m²).L’objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de proposer une alternative aux cellules existantes plus simple à mettre en œuvre avec des cellules MJ monolithiques accordées sur substrat de GaSb pour des concentrations solaire de 1 000, soit une irradiance directe de 1 MW/m². Ce type de cellules, du fait de la très bonne complémentarité des gaps des matériaux et ses alignements de bandes favorables, constitue une alternative crédible et originale aux cellules existantes pour une utilisation sous flux solaire fortement concentré.Afin de mieux comprendre la cellule multijonctions III-Sb optimale, les travaux réalisés ont porté sur la fabrication et la caractérisation des trois sous-cellules fabriquées indépendamment. Ces trois échantillons épitaxiés sont l’Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (cellule Top), l’Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (cellule Middle) et le GaSb (cellule Bottom) ayant comme gaps respectifs 1,6 eV, 1,22 eV et 0,726 eV à 300 K.Le travail présenté dans cette thèse porte sur :- La réalisation et la mise au point de toutes les étapes technologiques nécessaires à la fabrication des cellules (dépôts métalliques, gravure humide et sèche par plasma …).- La caractérisation des métallisations par structure TLM (Transmission Line Method) dont le meilleur résultat obtenu concerne une métallisation tri-couche Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) sur substrat GaSb type P.- La caractérisation sous obscurité courant-tension des paramètres électriques des cellules PV à température ambiante et en fonction de la température.- La caractérisation thermique par mesure de la conductivité thermique des matériaux et une cartographie de température de surface en fonction du flux solaire concentré en conditions réelles.- La caractérisation électro-optique par réponse spectrale, à partir de laquelle nous avons calculé le rendement quantique externe qui représente le rapport entre la quantité d’électrons créés et la quantité de photons incidente.- La caractérisation sous illumination à 1 soleil (1 000 W/m²) sous simulateur solaire et en conditions solaire dont nous avons comparé les paramètres électriques.- La caractérisation des cellules sous flux solaire (fortement) concentré au laboratoire PROMES. Les meilleurs rendements obtenus pour les cellules PV Bottom, Middle et Top respectifs de 4,6 % à 40 X (proche de l’état de l’art), 8,2 % à 96 X et 5,4 % à 185 X (première mondiale pour ces matériaux quaternaires).Ce travail a été cofinancé par le Ministère de l’Education et de la Recherche (Allocation ED) et le Labex SOLSTICE.Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies. / Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies.A multi-junction (MJ) cell, based on III-V semiconductor materials, is a stack of sub-cells with decreasing gaps which notably allows wider use of the solar spectrum. Exposing these PV cells to a concentrated solar flux can significantly increase the electrical power generated, and therefore substantially lower the cost of electricity yielded.The world record is currently held by the partnership Soitec / Fraunhofer ISE with an efficiency of 46.0 % measured on a four-junction cell GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs for a concentration ratio of 508 X (where 1 X = 1 sun = 1 kW/m²).The objective of the work in this thesis is to propose an alternative to existing cells, easier to implement with monolithic MJ cells grown on a GaSb substrate for solar concentrations of 1 000, which corresponds to a direct irradiance of 1 MW/m². This type of cell, due to the good complementary of the material gaps and its favorable band alignments, is a realistic and original alternative to existing cells for use under highly concentrated solar flux.To better understand the optimal multijunction III-Sb cell, the work carried out consisted on the manufacturing and characterization of the three sub-cells independently.These three epitaxial samples are Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (Top cell), the Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (Middle cell) and GaSb (Bottom cell) having as respective gaps 1.6 eV, 1.22 eV and 0.726 eV at 300 K.The work presented in this thesis is:- The establishment of all the technological steps required to manufacture the cells (metal deposition, wet and dry plasma etching ...).- The characterization of metallization by TLM structure (Transmission Line Method) with the best result being a three-layer metallization Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) on a GaSb P-type substrate.- The characterization under dark of current-voltage electrical parameters of PV cells at room temperature and in function of the temperature.- The thermal characterization by measuring the thermal conductivity of the materials and a surface temperature mapping in function of the concentrated solar flux in realistic conditions.- The electro-optical characterization by spectral response, from which we calculated the external quantum efficiency which is the ratio between the amount of electrons created and the amount of incident photons.- The characterization under 1 sun illumination (1 000 W/m²) in a solar simulator and in realistic conditions of which we compared the electrical parameters.- The characterization of solar cells under (highly) concentrated solar flux in the PROMES laboratory.The best efficiencies for Bottom, Middle and Top PV cells respectively are 4.6 % for 40 X (close to the state of the art), 8.2 % for 96 X and 5.4 % for 185 X (world first for these quaternary materials).This work was cofounded by the Ministry of Education and Research (ED Research grant) and Labex SOLSTICE.

Le rendement consommation/fréquence des futures générations de circuits intégrés sur silicium n’est pas satisfaisant à cause de la faible mobilité électronique de ce semi-conducteur et des relativement grandes tensions d’alimentation VDD requises. Ce travail se propose d’explorer numériquement les potentialités des transistors à effet de champ (FET) à base de matériaux III-V à faible bande interdite et à haute mobilité pour un fonctionnement en haute fréquence et une ultra basse consommation. Tout d’abord, l’étude consiste à analyser théoriquement le fonctionnement d’une capacité MOS III-V en résolvant de façon auto-cohérente les équations de Poisson et Schrödinger (PS). On peut ainsi comprendre comment et pourquoi les effets extrinsèques comme les états de pièges à l’interface high-k/III-V dégradent les caractéristiques intrinsèques. Pour une géométrie 2D, les performances des dispositifs sont estimées pour des applications logiques et analogiques à l’aide d’un modèle de transport quasi-balistique.Nous avons ensuite étudié plus en détails les performances des MOSFET III-V en régimes statiques et dynamiques sous faible VDD, à l’aide du simulateur particulaire MONACO de type Monte Carlo. Les caractéristiques de quatre topologies de MOSFET ont été quantitativement étudiées, en termes de transport quasi-balistique, de courants statiques aux états passants et bloqués, de rendement fréquence/consommation et de bruit. Nous en tirons des conclusions sur l’optimisation de ces dispositifs. Enfin, l'étude comparative avec un FET à base de Si démontre clairement le potentiel des MOSFET III-V pour les applications à haute fréquence, à faible puissance de consommation et à faible bruit. / The optimal frequency performance/power-consumption trade-off is very difficult to achieve using CMOS technology because of low Si carrier mobility and relatively large supply voltage (VDD) required for circuit operation. The main objective of this work is to theoretically explore, in terms of operation frequency and power consumption, the potentialities of nano-MOSFET based on III-V materials with low energy bandgap and high electron mobility.First, this work analyzes theoretically the operation of a III-V MOS capacitor using self-consistent solution of Poisson - Schrödinger system equation. We can thus understand how and why the interface trap state densities at high-k/III-V interfaces degrade the intrinsic characteristics. For a 2D geometry, the performance of devices is estimated for digital and analog applications using a model of quasi-ballistic transport.Then, we estimated the performance of III-V MOSFET in static and dynamic regimes under low VDD, using MONACO a Monte Carlo simulator. The characteristics of four designs of III-V MOSFET have been studied quantitatively in terms of quasi-ballistic transport, DC current in ON and OFF states, frequency/consumption efficiency and optimum matching conditions of noise. We provide the guideline on the design optimization of the devices.Finally, the comparative study with Si-based devices clearly demonstrates the potentiality of III-V nano-MOSFET architectures for high-frequency and low-noise application under low operating power and even for low voltage logic.