abstract: Compound semiconductors tend to be more ionic if the cations and anions are further apart in atomic columns, such as II-VI compared to III-V compounds, due in part to the greater electronegativity difference between group-II and group-VI atoms. As the electronegativity between the atoms increases, the materials tend to have more insulator-like properties, including higher energy band gaps and lower indices of refraction. This enables significant differences in the optical and electronic properties between III-V, II-VI, and IV-VI semiconductors. Many of these binary compounds have similar lattice constants and therefore can be grown epitaxially on top of each other to create monolithic heterovalent and heterocrystalline heterostructures with optical and electronic properties unachievable in conventional isovalent heterostructures. Due to the difference in vapor pressures and ideal growth temperatures between the different materials, precise growth methods are required to optimize the structural and optical properties of the heterovalent heterostructures. The high growth temperatures of the III-V materials can damage the II-VI barrier layers, and therefore a compromise must be found for the growth of high-quality III-V and II-VI layers in the same heterostructure. In addition, precise control of the interface termination has been shown to play a significant role in the crystal quality of the different layers in the structure. For non-polar orientations, elemental fluxes of group-II and group-V atoms consistently help to lower the stacking fault and dislocation density in the II-VI/III-V heterovalent heterostructures. This dissertation examines the epitaxial growth of heterovalent and heterocrystalline heterostructures lattice-matched to GaAs, GaSb, and InSb substrates in a single-chamber growth system. The optimal growth conditions to achieve alternating layers of III-V, II-VI, and IV-VI semiconductors have been investigated using temperature ramps, migration-enhanced epitaxy, and elemental fluxes at the interface. GaSb/ZnTe distributed Bragg reflectors grown in this study significantly outperform similar isovalent GaSb-based reflectors and show great promise for mid-infrared applications. Also, carrier confinement in GaAs/ZnSe quantum wells was achieved with a low-temperature growth technique for GaAs on ZnSe. Additionally, nearly lattice-matched heterocrystalline PbTe/CdTe/InSb heterostructures with strong infrared photoluminescence were demonstrated, along with virtual (211) CdZnTe/InSb substrates with extremely low defect densities for long-wavelength optoelectronic applications. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2019

Les MOSFETs ultra-thin body UTB ont été fabriqués avec une technologie auto-alignée. Le canal conducteur est constitué d’InGaAs à 75% de taux d’indium ou d’un composite InAs/In0,53Ga0,47As. Une fine couche d'InP (3 nm) a été insérée entre le canal et l'oxyde, afin d’éloigner les défauts de l’interface oxyde-semiconducteur du canal. Enfin, une épaisseur de 4 nm d'oxyde de grille (Al2O3) a été déposée par la technique de dépôt des couches atomiques. Les contacts ohmiques impactent les performances des MOSFETs. La technologie UTB permet difficilement d’obtenir des contacts S/D de faibles résistances. De plus, l’utilisation de la technique d’implantation ionique pour les architectures UTB est incompatible avec le faible budget thermique des matériaux III-V et ne permet pas d’obtenir des contacts ohmiques de bonne qualité. Par conséquent, nous avons développé une technologie auto-alignée, basée sur la diffusion du Nickel « silicide-like » par capillarité à basse température de recuit (250°C) pour la définition des contacts de S/D. Finalement, nous avons étudié et analysé la résistance de l'alliage entre le Nickel et les III-V. A partir de cette technologie, des MOSFET In0,75Ga0,25As et InAs/In0,53Ga0,47As ont été fabriqués. On constate peu de différences sur les performances électriques de ces deux composants. Pour le MOSFET InAs/InGaAs ayant une longueur de grille LG =150 nm, un courant maximal de drain ID=730 mA/mm, et une transconductance extrinsèque maximale GM, MAX = 500 mS/mm ont été obtenu. Le dispositif fabriqué présente une fréquence de coupure fT égale à 100 GHz, et une fréquence d'oscillation maximale fmax de 60 GHz, pour la tension drain-source de 0,7 V. / The UTB MOSFETs were fabricated by self-aligned method. Two thin body conduction channels were explored, In0,75Ga0,25As and a composite InAs/ In0,53Ga0,47As. A thin upper barrier layer consisting of InP (3nm) is inserted between the channel and the oxide layers to realized a buried channel. Finally, the Al2O3 (4 nm) was deposited by the atomic layer deposition (ALD) technique. It is well known that the source and drain (S/D) contact resistances of InAs MOSFETs influence the devices performances. Therefore, in our ultra-thin body (UTB) InAs MOSFETs design, we have engineered the contacts to achieve good ohmic contact resistances. Indeed, for this UTB architecture the use of ion implantation technique is incompatible with a low thermal budget and cannot allow to obtain low resistive contacts. To overcome this limitation, an adapted technological approach to define ohmic contacts is presented. To that end, we chose low thermal budget (250°C) silicide-like technology based on Nickel metal. Finally, we have studied and analyzed the resistance of the alloy between Nickel and III-V (Rsheet). MOSFET with two different epilayer structures (In0,75Ga0,25As and a composite InAs/ In0,53Ga0,47As) were fabricated with a gate length (LG) of 150 nm. There were few difference of electrical performance of these two devices. We obtained a maximum drain current (ION) of 730 mA/mm, and the extrinsic transconductance (GM, MAX) showed a peak value of 500 mS/mm. The devices exhibited a current gain cutoff frequency fT of 100 GHz and maximum oscillation frequency fmax of 60 GHz for drain to source voltage (VDS) of 0.7 V.

Le développement des systèmes de télécommunication et de transfert d’informations motive la mise au point de systèmes de transmission qui permettent des débits plus élevés sur des distances plus grandes. De ce fait, les transistors utilisés dans ces systèmes doivent fonctionner à des fréquences et des puissances plus élevées. Différents transistors sont apparus pour répondre au mieux aux contraintes des applications visées par ces systèmes. Les transistors à haute mobilité électronique, HEMT, en nitrure de gallium (GaN) répondent actuellement aux applications allant de 1GHz à 30GHz. Pour ces applications, les HEMT GaN concurrencent avantageusement les technologies bipolaires et BiCMOS basées sur SiGe, les LDMOS Si et SiC, ainsi que les PHEMT GaAs. Même si la filière technologique GaN est encore récente, les HEMT GaN semblent prometteurs. A l’image des autres technologies III-V (InP, GaAs), les procédés de fabrication utilisés pour les HEMT AlGaN/GaN sont complexes et entraînent la formation de nombreux défauts cristallins. Des effets parasites de fonctionnement sont induits par des mécanismes physiques qui pénalisent le transport des porteurs dans la structure. De ce fait, à l’heure actuelle, ces effets parasites ont une influence négative sur les performances de ce transistor. Ils sont principalement liés aux pièges à électrons induits par des impuretés présentes dans le matériau ou des défauts cristallins. Malgré cela, les performances sont très prometteuses et rivalisent déjà avec d’autres technologies hyperfréquences (InP, GaAs, SiC et Si) puisque les HEMTs AlGaN/GaN débitent des puissances de 4W/mm à 30GHz [ITRS08]. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude des phénomènes parasites dans les HEMTs AlGaN/GaN. Les composants étudiés dans ce travail proviennent du programme blanc ANR CARDYNAL et ont été fabriqués par III-V Lab Alcatel-Thales. Une méthodologie a été développer afin de permettre la simulation TCAD d’un HEMT GaN dans l’objectif de valider ou d’invalider les origines des mécanismes de dégradation ainsi que des effets parasites. Le courant de grille a été spécialement étudié et un modèle analytique permettant de le décrire en fonction de la température a été développé. Les mécanismes de transport à travers la grille ont aussi été étudiés par simulation TCAD afin de les localiser géographiquement dans la structure du transistor. / III-V nitrides have attracted intense interest recently for applications in high-temperature, high-power electronic devices operating at microwave frequencies. Great progress has been made in recent years to improve the characteristics of nitride High Electron Mobility Transistors (HEMTs). However, it's necessary to study the mecanisms involved in the electron transport as the mechanic strain on the AlGaN layer, the fixed charge distribution and leakage currents. In this goal, from DC I-V measurements, pulsed I-V measurements and DCTS measurements, TCAD simulation are used to validate the assumption on the origin of the parasitic mechanisms on the electron transport. I-V measurement in temperature (from 100K to 200K) are used to identify the nature of mechanisms (Poole-Frenkel, band-to-band tunneling, thermionic,..). With this method, an accurate study of the gate current was done. To choose the different physical phenomena and which model to implement in the TCAD simulations, an analytical model was developed with a compraison with measurements. These mechanisms are validated by TCAD simulation. The comparaison between I-V measurements and simulation permit to localize (in the transistor) these parasitic mechanisms. In conclusion of this work, a high density of traps in a thin layer under the gate increase the probability of tunnelling current through the gate. When the gate bias increases, the high density of traps in AlGaN layer is using by electrons to leak by the gate. When the gate bias increases, the valence band in AlGaN layer is aligned with the conduction band in the channel. The very thin thickness of this layer (about 25nm) makes possible a band-to-band tunneling.

Après avoir calculé les états liés d'électrons et de trous dans une boîte quantique auto-organisée InAs/GaAs isolée, nous présentons certaines caractéristiques des propriétés optiques de ces nanostructures.<br /><br />Dans une premièm partie, nous étudions le rôle joué par l'environnement électrostatique sur la perte de cohérence dans les boîtes. Nous montrons que les fluctuations électrostatiques sont essentiellement de deux types, engendrant soit un décalage en énergie de la transition sans induire de déphasage, soit un élargissement homogène du type rétrécissement par le mouvement.<br /><br />Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'effet de l'interaction d'échange longue portée sur la structure fine de l'exciton confiné dans la boîte. En particulier, nous montrons la possibilité d'annuler le splitting d'échange résultant de l'anisotropie de forme de la boîte en appliquant un champ électrique le long de son grand axe. Nous montrons enfin qu'une anisotropie de polarisation apparaît à cause de la nature même de l'interaction d'échange.

L'imagerie des propriétés spectroscopiques locales, par microphotoluminescence, nous a permis de comprendre et d'analyser les propriétés de localisation dans les fils quantiques semiconducteurs gravés en V, et d'identifier les causes structurales de désordre. Nous avons ainsi mis en évidence les différences entre deux générations de fils quantiques. Dans la première, la rugosité des hétéro-interfaces impliquées dans le confinement des porteurs est importante et donne lieu à la localisation des excitons; le fil quantique, dit en "régime 0D", se comporte comme une collection de boîtes quantiques. Dans la deuxième génération, les fluctuations des hétéro-interfaces sont beaucoup plus rares (2 par µm dans les meilleurs échantillons) et les excitons sont délocalisés sur plusieurs centaines de nanomètres. Chaque îlot peut alors être considéré comme une portion de fil quantique, justifiant l'appellation de "régime 1D". Les propriétés électroniques des fils quantiques ont été étudiées en microluminescence sur une boîte quantique ou un îlot unique, et ont été corrélées à leurs propriétés structurales. Cette approche "nano-objet individuel" nous a donné accès aux propriétés intrinsèques de ces objets, en nous affranchissant de l'élargissement inhomogène des résultats habituellement obtenus sur une population macroscopique. Dans les fils quantiques en régime 0D, la structure fine du doublet radiatif de l'exciton localisé dans les boîtes quantiques a été mise en évidence expérimentalement et reliée à l'interaction Coulombienne d'échange. L'évolution en température des spectres de microluminescence a été interprétée comme l'établissement du couplage fort entre excitons et phonons acoustiques : le pic zéro phonon observé à basse température disparaît dès 30 K au profit d'une raie plus large de luminescence assistée par les processus d'émission et d'absorption de phonons. Dans les fils quantiques en régime 1D, nous avons montré que les excitons délocalisés dans les îlots sont sensibles au désordre résiduel, principalement dû à la présence de champs piézoélectriques internes. La théorie de l'exciton a été reprise dans le cas des fils quantiques, dont la singularité nécessite une grande rigueur dans la résolution de l'hamiltonien de l'atome d'hydrogène à 1D. Le temps de vie radiatif des excitons a été mesuré et suit à basse température une loi en sqrt(T), prouvant que les excitons de bas de bande sont localement à l'équilibre thermique et que leur densité est en 1/sqrt(E) à l'échelle de kT, comme attendu pour un système unidimensionnel. Nous avons enfin mis en évidence la transition de Mott entre un gaz dilué d'excitons en interaction Coulombienne et un plasma dense d'électrons et de trous lorsque la densité de porteurs photocréés est augmentée, et nous avons caractérisé ces différents régimes de densité. La formation de biexcitons dans le gaz dilué d'excitons a en particulier été confirmée.

Après avoir présenté les méthodes utilisées pour le calcul des états électroniques, nous discutons les états liés d'électrons et de trous dans une boite isolée. Nous calculons la force d'oscillateur et les régles de sélection pour les transitions intrabandes. Nous montrons qu'il faut distinguer entre les excitations polarisées dans le plan et celles polarisées verticalement; notre calcul montre que dans une boite isolée l'absorption est très anistrope. Dans le cadre des boites isolées nous développons également un modèle pour interpréter plusieurs experiences récentes de STM, qui prétendent l'observation directe des fonctions d'onde d'électrons et de trous. Nous étudions ensuite les systèmes de boites empilées. Nous discutons le couplage entre les boites en fonction de l'epaisseur de la barriere qui les separe. Nous nous interessons en particulier au regime de boites fortement couplees. Nous montrons que l'anisotropie typique des boites uniques diminue considerablement dans le cas des systemes de boites fortement couplees. Ces derniers sont particulierement interessants si l'on regarde les effets du champ electrique. Nous montrons ainsi que les systemes de boites fortement couplees sont aussi polarisables que les puits quantiques, avec une proprite en plus: le confinement dans le plan. La derniere partie de ce travail presente une discussion detaille des etats du continuum bidimensionnel (couche de mouillage) et tridimensionnel (barriere). Le role du continuum est particulirement important dans le cas des transitions interbandes: nous montrons que les transitions croisees entre etats lies et etats du continuum sont a l'origine d'un fond continu entre la partie basse energie du spectre (due aux transitions liees) et le seuil de la couche de mouillage. Cet effet, observe exprimentalement, montre de facon claire que le modele ``atome artificiel'' est trop simple pour decrire de facon adequate les propriets des boites quantiques.

Nous avons étudié les mécanismes responsables de la perte de cohérence dans des boîtes quantiques uniques auto-organisées InAs/GaAs. Dans un premier temps, une étude sous excitation continue de ces systèmes nous a permis d'observer un signal de photoluminescence anti-Stokes c'est à dire de la photoluminescence à plus haute énergie que l'énergie d'excitation. l'étude de ce signal a mis en évidence l'existence d'un continuum d'états descendant depuis la couche de mouillage jusqu'aux transitions des boîtes. Ce continuum d'états couplé à la fois aux niveaux discrets des boîtes et au continuum bidimensionnel de la couche de mouillage est en fait une propriété intrinsèque de ces systèmes car il provient de l'existence de transitions mixtes entre un état discret de la boîte et un état du continuum de la couche de mouillage. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés de cohérence des excitations électroniques grâce à des mesures de largeur spectrale des transitions. Pour atteindre la résolution nécessaire à cette étude, nous avons mis au point un dispositif de spectroscopie de la photoluminescence par transformée de Fourier. La résolution ainsi atteinte est de 0,5 microeV. Nous avons alors mis en évidence que, pour les transitions excitées des boîtes, le couplage aux phonons acoustiques, contrairement aux prédictions théoriques de goulot d'étranglement de phonons, est très efficace, aussi efficace que dans les puits quantiques InGaAs/GaAs. Cette efficacité est due à la présence du continuum des états mixtes mentionné précédemment. A l'inverse, la transition fondamentale des boîtes présente bien une inhibition du couplage aux phonons acoustiques pour des boîtes dont la transition fondamentale est bien isolée énergétiquement de ce même continuum. Enfin, nous avons montré qu'une excitation non-résonante des boîtes est responsable d'un élargissement des transitions et qu'une excitation résonante permet de limiter les interactions des boîtes avec leur environnement pour atteindre la limite ultime d'un temps de décohérence limité par le temps de vie radiatif.

Cette thèse s'est axée sur la synthèse de nanocristaux (NCs) colloïdaux semi-conducteurs III -V dopés par des ions de terre rare (TR) à l'aide de diverses méthodes de synthèses. Des séries quasi-monodisperses de nanocristaux InP et In(Zn)P ainsi que des NCs cœur/coquille fortement luminescent d'InP/ZnS et d'In(Zn)P/ZnS ont été synthétisés avec succès en faisant réagir le précurseur d'In (myristate d'indium) avec différents précurseurs phosphorés tel que le phosphore jaune, le PH3 gazeux ou le P(TMS)3 dans le 1-octadecene, solvant non-coordinant. Ces NCs ont été caractérisés par DRX sur poudre, MET, EDX, SFX, absorption UV-vis ainsi que par spectroscopies de photoluminescence en régime stationnaire (SSPL) et résolue en temps (TRPL). Les QDs constitués d'alliages tels que l'In(Zn)P et l'In(Zn)P/ZnS ont été synthétisés à l'aide d'une technique " one-pot " par réchauffement en additionnant le stéarate de zinc pendant la nucléation et la croissance des NCs d'InP. Les QDs composés d'un alliage In(Zn)P/ZnS présentent de fort rendement quantique (RQ) de photoluminescence (PL), supérieur à 70 %. Leur émission peut être facilement modulée dans la gamme spectrale allant de 480 à 590 nm (FWHM : 50 nm) en faisant varier le rapport molaire Zn2+ : In3+ et la température de réaction. Le fort RQPL est dû aux fluctuations existantes dans la bande passante de la structure de l'alliage In(Zn)P, qui contribue au bon confinement des photo-excitateurs. Les NCs In(Zn)P/ZnS dopés Eu ont été synthétisés avec succès en utilisant une méthode " one-pot " en trois étapes : (étape 1) synthèse des NCs " hôtes " en In(Zn)P ; (étape 2) croissance de la couche dopante contenant l'Eu ; (étape 3) synthèse de la coquille externe en ZnS. Des mesures optiques complémentaires - absorption, PL, PLE, spectroscopies de phosphorescence et TRPL - sont venues confirmer la réussite du dopage des NCs d'In(Zn)P/ZnS par l'Eu et ont mis en évidence l'existence d'un transfert énergétique par résonnance entre le In(Zn)P " hôte " et les ions Eu3+ " invités ". Enfin, nous avons étudié l'influence de l'environnement sur les caractéristiques optiques des QDs d'alliage In(Zn)P/ZnS en comparant des NCs inclus dans une couche mince et dispersés en solution colloïdale. Le spectre obtenu en SSPL pour des NCs In(Zn)P/ZnS inclus en couche mince présente un pic à des longueurs d'ondes plus courtes par rapport au spectre obtenu en solution. De plus, les études spectroscopiques TRPL ont montré qu'en couche mince, les NCs d'In(Zn)P/ZnS présentent des durée de vie de luminescence plus courtes ainsi qu'un du décalage spectral fortement accru avec le temps retard du moment d'excitation par rapport aux NCs en solution. Les transferts énergétique par résonnance de Förster et/ou les transferts de porteurs de charges excitées entre les NCs d'In(Zn)P/ZnS sont les principales raisons d'observer ce comportement. La présence des transferts de porteurs de charges au sein des couches minces contenant des QDs d'In(Zn)P/ZnS est très importante pour leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques tels que les QD LEDs ou les transistors à effet de champs luminescents (LEFETs).

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)

Photon detectors based on single-crystalline materials are of great interest for high performance imaging applications due to their low noise and fast response. The major detector materials for sensing in the long-wavelength infrared (LWIR) band (8-14 µm) are currently HgCdTe (MCT) and AlGaAs/GaAs quantum wells (QW) used in intraband-based quantum-well infrared photodetectors (QWIPs). These either suffer from compositional variations that are detrimental to the system performance as in the case of MCT, or, have an efficient dark current generation mechanism that limits the operating temperature as for QWIPs. The need for increased on-wafer uniformity and elevated operating temperatures has resulted in the development of various alternative approaches, such as type-II strained-layer superlattice detectors (SLSs) and intraband quantum-dot infrared photodetectors (QDIPs). In this work, we mainly explore two self-assembled quantum-dot (QD) materials for use as the absorber material in photon detectors for the LWIR, with the aim to develop low-dark current devices that can allow for high operating temperatures and high manufacturability. The detection mechanism is here based on type-II interband transitions from bound hole states in the QDs to continuum states in the matrix material. Metal-organic vapor-phase epitaxy (MOVPE) was used to fabricate (Al)GaAs(Sb)/InAs and In(Ga)Sb/InAs QD structures for the development of an LWIR active material. A successive analysis of (Al)GaAs(Sb) QDs using absorption spectroscopy shows strong absorption in the range 6-12 µm interpreted to originate in intra-valence band transitions. Moreover, record-long photoluminescence (PL) wavelength up to 12 µm is demonstrated in InSb- and InGaSb QDs. Mesa-etched single-pixel photodiodes were fabricated in which photoresponse is demonstrated up to 8 µm at 230 K with 10 In0.5Ga0.5Sb QD layers as the active region. The photoresponse is observed to be strongly temperature-dependent which is explained by hole trapping in the QDs. In the current design, the photoresponse is thermally limited at typical LWIR sensor operating temperatures (60-120 K), which is detrimental to the imaging performance. This can potentially be resolved by selecting a matrix material with a smaller barrier for thermionic emission of photo-excited holes. If such an arrangement can be achieved, type-II interband InGaSb QD structures can turn out to be interesting as a high-operating-temperature sensor material for thermal imaging applications. / <p>QC 20130521</p>