La production d'énergie photovoltaïque est une option d'avenir pour répondre au développement économique de notre société tout en réduisant notre impact sur l'environnement. Mais pour devenir compétitive, cette filière doit améliorer le rendement des cellules solaires. Une technologie d'avenir consiste à combiner différents matériaux via une croissance par épitaxie et l'usage du collage direct. Cette thèse, financée par SOITEC, vise au développement du collage d'arseniure de gallium (GaAs) sur le phosphure d'indium (InP) pour la cellule SmartCell. L'objectif est d'optimiser son comportement électrique via un modèle numérique prenant en compte son état physico-chimique. Nous présentons d'abord un ensemble d'outils de caractérisations électriques pour réaliser une mesure I(V) précises de l'interface de collage. En fonction des cas, nous détaillons des contacts métalliques adaptés pour améliorer cette caractérisation. Une étude détaillée de l'hétérostructure GaAs/InP et des homostructures GaAs/GaAs et InP/InP amène ensuite à une compréhension de leur mécanisme de collage. Après recuit thermique, le procédé de collage hydrophile engendre des oxydes d'interfaces qui se résorbent dans le cas de l'InP et se fragmentent pour le GaAs. A paramètres constants, les empilements obtenus sont meilleurs que ceux de l'état de l'art au niveau électrique et mécanique. Nous poursuivons avec des propositions de procédés innovants pour maitriser l'oxyde d'interface et optimiser l'hétérostructure. Parmi ces options nous validons l'approche avec exposition ozone qui vise à générer sélectivement un oxyde avant mise en contact. L'empilement obtenu affiche une résistance proche de nos mesures de référence et a un fort potentiel. Enfin l'étude se conclue sur la présentation d'un modèle numérique inédit reliant procédé de collage, état d'interface et comportement électrique. A recuit donné, l'interface est hétérogène avec une zone reconstruite (conduction thermo-électronique) et une zone avec oxyde (conduction tunnel). Ces régions s'activent préférentiellement en fonction de la température de fonctionnement. Elles sont pondérés par un critère qui détermine le niveau de reconstruction du collage et qui sera utile pour de futurs développements de l'application. / The solar photovoltaic is a promising way to support our economical growth while it can reduce the environmental impact of our society. But, to be truly competitive, the sector has to develop more efficient solar cells. An interesting option aims at combining different materials either by epitaxy growth and direct bonding. The Ph.D. was funded by the SOITEC company with the goal to develop the bonding of the gallium arsenide (GaAs) on the indium phosphide (InP) for the SmartCell architecture. We had to optimize its electrical behavior with a numerical model taking into account the bonding interface state. We introduce the study with a wide range of I(V) tools to precisely characterize the bonding interface. Depending on the case, we detail suitable metal contacts to improve the test. A study in deep of the GaAs/InP heterostructure and the GaAs/GaAs and the InP/InP homostructures leads to a better understanding of the bonding mechanisms. After a thermal annealing, the hydrophilic bonding process generates oxyde compounds at the interface which are absorbed in the InP case and are fragmented in the GaAs case. For given parameters, our stacks are electrically and mechanically better than the state of the art. Then we propose innovative processes to control the interface oxyde and thus optimize the heterostructure. Among them, we validate a new approach with ozone exposure that selectively generates an oxyde prior to bonding. The interface resistance of the stack is therefore closed to our best results and has great potentials. To conclude, the study focuses on a novel numerical model connecting the bonding process, the interface state and the electrical behavior. For a given annealing, the interface is heterogenous with reconstructed areas (thermionic conduction) and oxyde areas (tunnel conduction). These regions are preferentially activated as a function of the operating temperature. They are weighted by a criteria determining the level of the bonding reconstruction which will be useful for the future developments of the application.

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.

Étude de la croissance de nanofils de SiGe par dépôt chimique en phase vapeur et caractérisation par microscopie à force atomique. Les nanofils semi-conducteurs constituent des briques de bases au potentiel prometteur pour l’amélioration des dispositifs du futur. D’autre part, l’alliage SiGe permet de contrôler les propriétés électroniques de la matière telles que les mobilités des porteurs et la largeur de bande. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous étudions les mécanismes de croissance catalysée de nanofils de SiGe et développons des méthodes de caractérisation de nanofils par AFM.Dans un premier temps, la croissance par CVD de nanofils de SiGe est étudiée en utilisant l’or comme catalyseur. Nous étudions l’influence du HCl en phase gazeuse qui permet un contrôle de la croissance de nanofils de SiGe et modélisons son action.Dans un deuxième temps, nous étudions la croissance de nanofils SiGe catalysée par siliciures compatibles CMOS, et la croissance de nanofils de Ge pur à basse température. Nous nous intéressons également à l’élaboration d’hétérostructures.Enfin, nous étudions le module de Young de NF unique de Si, GaN et ZnO par AFM et une nouvelle méthode de génération de potentiel piézoélectrique sur NF de GaN a été développée. / Study of SiGe nanowires growth by chemical vapour deposition and characterization by atomic force microscopy.The use of semiconductor nanowires as building block for futur devices is a promising way of improving their performances. Moreover, \SiGe alloy is valuable for today’s microelectronics. In the present work, the catalyzed growth mechanisms of SiGe nanowires are studied and new methods for nanowire caracterisation using AFM are developped.First, gold catalyzed SiGe nanowire growth by CVD is studied. A better control of SiGe nanwires morphology and composition is then achieved by introducing HCl in the gas phase. A qualitative model based on our observations is proposed to explain the role of HCl.Second, we study the growth of SiGe nanowires using CMOS compatibles silicides, and pure Ge nanowires growth at low temperature. We also present the elaboration of heterostructured nanowire using different catalysts.Finally, single nanowire Young modulus is measured thanks to different AFM methods and a new approach for piezoelctric nanowire caracterisation using AFM is described.

Orientador: Newton Cesário Frateschi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T02:03:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mialichi_JoseRoberto_D.pdf: 4426656 bytes, checksum: f54944bc3408b22608afdd373e3445dd (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esta tese de doutorado apresenta resultados experimentais do crescimento de pontos quânticos de InAs diretamente sobre InGaAsP de baixa energia de bandgap (?g=1420 nm), cujo desenvolvimento visa a obtenção de um meio ativo com emissão na banda C (1520¿1570 nm) para a fabricação de ressonadores de microdisco. Baseado em resultados de fotoluminescência e microscopia de força atômica, o fenômeno da inter-difusão de elementos na interface InAs/InGaAsP é proposto e calculado, indicando a presença de Gálio e Fósforo na composição dos pontos quânticos. O ganho óptico de pontos quânticos de InAs crescidos sobre InGaAsP é também calculado com base nos resultados obtidos na análise de inter-difusão. Subseqüentemente, a teoria dos modos ressonantes no microdisco, particularmente os modos chamados whispering gallery modes (WGMs), é desenvolvida com o intuito de auxiliar os cálculos de fator de qualidade, fator de confinamento e corrente de limiar. Uma estrutura multicamada (diodo PIN) com região ativa baseada em pontos quânticos do sistema InAs/InGaAsP foi crescida por epitaxia de feixe químico (CBE) para a fabricação de ressonadores de microdisco. A fabricação dos microdiscos é feita por litografia óptica, corrosão por plasma de íons e ataque químico seletivo de InP. Feixe de íons focalizados (FIB) foi usado para substituir o ataque por plasma para diminuir a rugosidade das paredes dos discos. Os ressonadores de microdiscos são caracterizados elétrica e opticamente e os resultados são confrontados com base nos resultados teóricos apresentados ao longo da tese. Com base nos resultados das caracterizações eletro/ópticas dos ressonadores, correções como a inclusão de perdas ópticas da rugosidade da borda e aquecimento local foram acrescidas ao modelo teórico, resultando em boa concordância com os resultados experimentais. Por fim, apresentamos o desenvolvimento de dispositivos híbridos a partir de polímeros orgânicos depositados diretamente sobre microdiscos de InGaAs com o objetivo de integrar meio ativo orgânico com ressonadores inorgânicos para aplicações em optoeletrônica. Estes resultados foram obtidos durante o programa de doutorado com estágio no exterior no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (NNL) vinculado à Università del Salento (Lecce/Itália) / Abstract:This doctorate¿s thesis presents the growth of InAs quantum dots directly on high bandgap InGaAsP (?g=1420 nm) barriers to be used as the active region of microdisk resonators with emission in the C-band (1520¿1570 nm). Based on photoluminescence and atomic force microscopy experiments, the occurrence of inter-diffusion on the InAs/InGaAsP interface is calculated, suggesting the presence of Gallium and Phosphorus in the quantum dots (QDs) composition. Based also on the inter-diffusion results, the optical gain of the InAs QDs is calculated. Subsequently, microdisk resonator whispering gallery modes (WGMs) are calculated and employed to predicting the cavity quality and confinement factors, as well as the threshold current. A PIN diode with an active region based on InAs QDs was grown by Chemical Beam Epitaxy (CBE) for the fabrication of current injected microdisk resonators. Microdisk fabrication process is performed using photolithography, reactive ion etching and InP selective wet-etching. Focused ion beam is used to replace the plasma etching in order to reduce the roughness of the disk¿s edge. Microdisks resonators are characterized electrically and optically and the measurements are analyzed based on the theoretical results presented along this thesis. Based on these measurements, optical losses caused by disk¿s edge roughness and local heating are added to our simulation tool, resulting in better agreement with the experimental results. Finally, we present the development of hybrid resonators using organic polymer deposited directly on inorganic microdisks integrating an organic active medium with inorganic resonators for optoelectronic applications. These results were obtained during our work at the National Nanotechnology Laboratory (NNL) and the University of Salento (Lecce/Italy) / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Física

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.

Le Bismuth, un élément V, a longtemps été négligé dans la famille des semi-conducteurs III V. Toutefois, les matériaux bismures connaissent un intérêt croissant depuis le début des années 2000, principalement en raison de l’exceptionnelle réduction de l’énergie de bande interdite couplée à la forte augmentation de l’énergie entre la bande de valence et la bande de spin-orbite introduites par l’atome de Bismuth. Parmi les alliages III-V-Bi, le GaSbBi est particulièrement intéressant pour l’émission dans la gamme de longueurs d’onde entre 2 et 5 µm. Jusqu’à présent, ce matériau n’a été que très peu étudié, principalement à cause des difficultés d’incorporation du Bismuth. En effet, l’incorporation du Bismuth dans les matériaux III-V nécessite des conditions de croissance très spécifiques et inhabituelles. Dans ce contexte, l’objectif premier de cette thèse est d’étudier l’épitaxie par jet moléculaire et les propriétés du GaSbBi.Ainsi, l’influence des différents paramètres de croissance sur l’incorporation du Bismuth a été étudiée minutieusement. Ces expériences ont permis la réalisation de couches de GaSbBi à forte teneur en Bismuth démontrant une excellente qualité cristalline. La plus importante concentration de Bismuth atteinte est de 14%, ce qui constitue encore aujourd’hui le record mondial dans GaSb. Par ailleurs, une réduction de l’énergie de bande interdite de 28 meV/%Bismuth a été observée. Des puits quantiques GaSbBi/GaSb, émettant jusqu’à 3.5 µm à température ambiante ont ensuite été épitaxiés et caractérisés. Le premier laser à base de GaSbBi a également été réalisé. Ce composant fonctionne en continu à 80 K et une émission laser pulsée a été observée proche de 2.7 µm à température ambiante. Enfin, un autre alliage bismure méconnu, le GaInSbBi, a été épitaxié. L’influence de l’Indium sur l’incorporation du Bismuth et les propriétés de puits quantiques GaInSbBi/GaSb ont été étudiées. / Bismuth, a group-V element, has long been neglected in the III-V semiconductor family. However, dilute bismides started to attract great attention since the early 2000s, due to the giant bandgap reduction and the strong increase of the spin-orbit splitting energy introduced by the incorporation of Bismuth. Among the III-V-Bi alloys, GaSbBi is particularly interesting but has only been sporadically studied, mainly due to the very challenging incorporation of Bismuth. Bismuth requires indeed very unusual growth conditions to be incorporated into III-V materials. The main objective of this thesis was to investigate the molecular beam epitaxy and the properties of GaSbBi alloys and heterostructures.A careful study of the influence of the different growth parameters on the Bismuth incorporation was first carried out. These investigations lead to the fabrication of high quality GaSbBi layers and to the incorporation of 14% Bismuth, the highest content reached in GaSb so far. A bandgap reduction of 28 meV/%Bismuth was observed. GaSbBi/GaSb multi quantum-wells structures with various thicknesses and compositions were then fabricated and exhibited photoluminescence emission up to 3.5 µm at room-temperature. The first GaSbBi-based laser diode was also fabricated, demonstrating continuous wave operation at 80 K and a room-temperature emission close to 2.7 µm under pulsed excitation. Finally, the growth of another dilute bismide alloy, GaInSbBi, was investigated. The influence of the Indium atoms on the incorporation of Bismuth was particularly studied together with the properties of GaInSbBi/GaSb multi quantum-wells structures.

Des rendements record à plus de 26% ont récemment été démontrés avec des cellules solaires en Si, approchant la limite théorique de 30% pour une seule jonction. Les cellules solaires à multi-jonctions (MJSC) fabriquées à base de matériaux III-V peuvent dépasser cette limite: des rendements supérieurs à 45% ont été reportés pour une cellule à 5 jonctions sous un soleil et pour une cellule à 4 jonctions sous lumière concentrée. Cependant, pour des applications terrestres, le coût élevé de ces technologies impose l’utilisation d’une haute concentration, ce qui augmente la complexité du système.Une solution intermédiaire consiste à fabriquer des cellules solaires III-V à haut rendement sur des substrats Si, moins coûteux que les substrats III-V ou Ge utilisés dans les MJSC classiques. Des rendements supérieurs à 33% ont déjà été démontrés pour des MJSC fabriquées par collage direct. Ceci, combiné aux progrès récents dans la réutilisation des substrats III-V, présage un avenir prometteur pour les cellules solaires tandem III-V sur Si, ce qui pourrait mener à la prochaine génération de systèmes photovoltaïques à haut rendement et faible coût.Dans ce travail de thèse, des cellules solaires tandem AlGaAs//Si à 2 jonctions (2J) et GaInP/AlGaAs//Si à 3 jonctions (3J) ont été fabriquées par collage direct, ce qui a donné lieu à une configuration à 2 terminaux (2T).Différentes techniques de collage ont été étudiées, notamment une approche innovante présentant un potentiel d'industrialisation prometteur pour l’intégration des matériaux III-V sur Si. Les propriétés électriques de l'interface de collage GaAs//Si ont été analysées à l'aide de dispositifs de test dédiés conçus au CEA, permettant d'évaluer la résistance d'interface et le mécanisme de conduction.Des caractérisations et simulations expérimentales ont été effectuées afin d'optimiser le design et le processus de fabrication, conduisant à des rendements record. Pour la sous-cellule supérieure en AlGaAs de la 2J, cela comprend l'utilisation d'une fenêtre en AlInP avec un émetteur en GaInP, formant une hétérojonction n-GaInP/p-AlGaAs, qui améliore les performances pour les faibles longueurs d'onde. De plus, la réduction de l'épaisseur de la couche de collage en GaAs et l'utilisation d'une jonction tunnel en AlGaAs, avec bande interdite plus large, augmentent la transparence et donc le photocourant de la sous-cellule inférieure.Pour la sous-cellule inférieure en Si, les simulations ont permis d'identifier les facteurs clés qui limitent les performances, la durée de vie étant la caractéristique la plus critique dans les cellules Si épaisses utilisées. Dans le cas des interfaces III-V//Si, un émetteur fortement dopé est essentiel pour minimiser la recombinaison de surface et donc augmenter la tension en circuit ouvert. La passivation de la surface arrière est également importante, notamment pour augmenter la réponse dans l’infrarouge. Différents processus de diffusion et d'implantation ont été étudiés pour former l'émetteur. Les processus d'implantation ont montré moins de dégradation de la durée de vie et des surfaces moins rugueux, permettant ainsi le collage sans planarisation chimico-mécanique et donc des niveaux de dopage plus élevés en surface.Finalement, afin d’évaluer correctement le rendement de conversion de ces cellules tandem III-V sur Si, une méthode de caractérisation courant-tension rapide et peu coûteuse, adaptée aux MJSC sous faible concentration a été développée. Cette méthode ne nécessite pas de cellules isotypes parfaitement identiques, à la place, des cellules Si à simple jonction avec filtres optiques sont utilisées. Une efficacité de 23,7% sous 10 soleils a été démontrée de cette manière pour la cellule AlGaAs//Si, qui est le rendement le plus élevé signalé à ce jour pour une cellule tandem à base de Si avec 2J et 2T. / Si solar cells with record efficiencies over 26% have been recently demonstrated, approaching the Si single-junction limit of 30%. Multi-junction solar cells (MJSC) based on III-V materials can overcome this limit: efficiencies over 45% have been reported for a 5-junction under 1 sun and for a 4-junction under a concentrated illumination of 300 suns. Due to their elevated cost, these cells could be used in terrestrial applications only if operated under very high sunlight concentration for commercial terrestrial applications, which in turn increases the module and system complexity.An intermediate solution consists in fabricating high efficiency III-V solar cells on Si substrates, which are less expensive than the III-V or Ge substrates used in conventional MJSC. Mechanical-stacked and wafer-bonded solar cells, which avoid the unresolved issues of III-V on Si epitaxy, have already demonstrated efficiencies over 33%. This, combined with the recent advancements in the field of substrate reuse, predict a promising future for III-V on Si tandem solar cells, which could lead the next generation of high-efficiency and low-cost photovoltaics.In this PhD work, 2-junction (2J) AlGaAs//Si and 3-junction (3J) GaInP/AlGaAs//Si tandem solar cells were fabricated. The Si bottom subcell and the III-V top subcell(s) were joined together by wafer bonding, resulting in a 2-terminal (2T) III-V//Si solar cell configuration.Different wafer bonding techniques were studied, including an innovative bonding approach showing promising industrialization potential and thus, opening a new path for III-V on Si processing. The GaAs//Si bonding interface electrical properties were analyzed using dedicated test devices originally conceived at CEA, allowing to evaluate the interface resistance and the conduction mechanism.Experimental characterizations and simulations were performed in order to optimize the design and fabrication process, leading to record efficiencies. For the AlGaAs top subcell of the 2J, this includes the use of an AlInP window together with a GaInP emitter, forming an n-GaInP/p-AlGaAs heterojunction, which improved the short wavelength performance. In addition, the reduction of the GaAs bonding layer thickness and the use of a higher bandgap AlGaAs tunnel junction resulted in a higher transparency and a bottom subcell photocurrent improvement.For the Si bottom subcell, simulations allowed to identify the key factors that limit the performance, being the bulk lifetime the most critical characteristic in the thick Si cells used. In the case of III-V//Si interfaces, a highly doped emitter is crucial to minimize the surface recombination and maximize the open-circuit voltage, outweighing the drop in short-circuit current due to lifetime degradation. Back surface passivation is also important, specially to increase the infrared response. Different diffusion and implantation processes for the emitter formation were studied. Implantation processes showed less bulk lifetime degradation and smoother surfaces, thereby allowing bonding without chemical-mechanical planarization and thus higher doping levels at the surface.Finally, in order to correctly assess the efficiency of these III-V on Si tandem cells, a fast and low-cost current-voltage characterization method adapted for MJSC under low concentration was developed. This method does not require perfectly matched component cells and instead, Si single-junction cells with optical filters are used as pseudo-isotypes. An efficiency of 23.7% under 10 suns was demonstrated this way for the AlGaAs//Si cell, which is the highest efficiency reported to date for a 2J 2T Si-based tandem cell.

L’objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés thermodynamiques et clarifier les toutes premières étapes de la croissance hétérogène de GaP sur Si (désaccord de maille de 0,3 %) pour les applications en photonique et dans le domaine de l’énergie. Tout d’abord, les énergies absolues de surfaces {001}, {136}, {114}, et d'interfaces abruptes et compensées de GaP/Si sont déterminées par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité. L’étude des propriétés de mouillage de GaP/Si permet ensuite de démontrer que le mouillage total n’est jamais atteint dans ce système, quel que soit le potentiel chimique, et que cet effet est renforcé par la passivation de la surface du Si. Les calculs de variation d’énergie libre montrent l’importance des termes de surface et d'interface par rapport au terme d’énergie élastique dans la croissance 3D III-V/Si.Ces résultats sont généralisés à l’ensemble des systèmes III-V/Si. Un mécanisme pour la croissance III-V/Si est proposé pour clarifier les premières étapes de la croissance et expliquer la génération de défauts tels que les domaines d’antiphase, qui est reliée aux propriétés de mouillage partiel du système. Des études expérimentales ont été réalisées pour comprendre l'influence de la surface initiale du silicium lors de la reprise de croissance IIIV. Ensuite, une étude préliminaire de l'efficacité de marqueurs AlGaP sur l'annihilation des parois d’antiphase et une première caractérisation des leurs propriétés électriques sont présentées. Enfin, une ingénierie d’énergie de surface est utilisée pour la réalisation d’une surface de GaP texturée, intégrée sur silicium, pour des applications dans le domaine de l’énergie. / This thesis aims to investigate thermodynamic properties and epitaxial processes at the very early stages of GaP on Si heterogeneous growth for photonics and energy applications. The absolute {001}, {136}, {114} surfaces energies and abrupt and compensated interface energies of the GaP/Si material system are first determined by density functional theory (DFT) calculations. Furthermore, we studied the wetting properties of the GaP/Si through the surface and interface energies computed by DFT. We found that the partial wetting (observed experimentally) is always achieved whatever the chemical potential, and that it is even favoured by the silicon surface passivation. Through free energy change calculations, we have shown that the surface and interface energies play a crucial role in the III-V/Si 3D- growth while the impact of elastic energy contribution on surface island morphology is negligible. These conclusions are generalized to the various III-V/Si systems. A general III-V on Si growth mechanism is finally proposed to clarify the very early stages of growth and the defect generation (such as antiphase domains) that fundamentally originate from the partial wetting of III-V on Si. Experimental studies have been performed to understand the influence of the initial silicon surface on the III-V overgrowth. Furthermore, preliminary studies on AlGaP markers efficiency on antiphase domains annihilation and a first characterization of their electrical properties are also presented. Finally, surface energy engineering was used to demonstrate a textured GaP template monolithically grown on silicon that could be used for photoelectrochemical water splitting applications.

Les travaux de cette thèse portent sur le développement des Circuits Photoniques Intégrés issus de la plateforme d’intégration hétérogène de matériaux III-V sur silicium. Les avantages proposés par cette approche, dans laquelle le gain optique des matériaux III-V se marie aux faibles pertes de propagation des guides d’onde silicium, sont notamment les coûts réduits de fabrication, un haut degré de compacité, et une grande flexibilité dans les fonctionnalités réalisables. Dès lors, notre approche est basée sur l’exploitation de cette technologie pour la réalisation de dispositifs hybrides d’émission laser adressant les objectifs de performance à débits élevés des nouveaux réseaux de télécommunication à fibres optiques. Nous rappelons tout d’abord les transformations récentes amorcées dans les réseaux de télécommunication en vue de répondre à l’accroissement du trafic mondial de données, et présentons alors deux solutions techniques étudiées durant cette thèse. En premier lieu, nous détaillons l’architecture et les éléments de conception d’un émetteur à multiplexage en longueur d’onde (WDM) à 4 longueurs d’onde DFB et 4 Modulateurs à Electro-absorption intégrés dans un circuit photonique hybride III-V sur silicium. Ce circuit est destiné aux transmissions courtes distances (<2km) à 100Gb/s au sein des centres de données (datacenter). Nous avons plus particulièrement étudié l’optimisation de la transition modale entre la section de gain III-V de la cavité laser et le circuit passif de propagation en silicium, que ce soit pour des structures à base de puits ou de boîtes quantiques. L’emploi de ces architectures pour la conception de dispositif à N sources DFB, directement modulées, et à gestion du chirp intégrée, a également été abordé. Nous présentons alors les résultats des caractérisations statiques et dynamiques de ces sources lasers à 1,3µm ainsi que des modulateurs à électro-absorption (MEA) modulés jusqu’à 32Gb /s, et discutons des améliorations structurales que nous avons apportées en vue de renforcer les performances globales du dispositif. La seconde solution approfondie durant cette thèse porte sur les sources lasers accordables intégrant des résonateurs en anneaux, centrées à 1,55µm et directement modulables, en vue d’un déploiement au sein de la nouvelle génération de réseaux optiques passifs d’accès (NG-PON2). Après l’étude de la structure de ces composants, nos travaux sur les problématiques du comportement thermique, ainsi que sur la caractérisation des fonctionnalités d’accord en longueur d’onde et du comportement dynamique de ces cavités hybrides, sont développés. Ainsi, nous rapportons les performances d’un dispositif en boitier de démonstration que ces travaux ont permis de réaliser, pour des transmissions à 10Gbit/s en modulation directe jusqu’à 40km. Enfin, cette thèse s’achève par une conclusion générale et propose un aperçu des possibilités, à court et moyen termes, ouvertes par ces recherches. / The work conducted in this thesis focuses on the development of Photonic Integrated Circuits based on the technological platform of heterogeneous integration of III-V materials on silicon. The benefits brought by this approach, in which the optical gain from III-V materials is coupled with the low propagation losses of silicon waveguide, are in particular a low manufacturing cost, high compacity and scalabity, and a wide range of achievable functionalities. In this way, we aim to exploit this technology to develop hybrid laser devices which meet the performance objectives of high-bit-rate optical fiber transmission networks. From the recent transformations initiated in transmission networks to face the data global traffic increase, two technical solutions have been investigated during this thesis. First, we detail the architecture and the design elements of a WDM emitter with 4 DFB lasers and 4 Electro-Absorption Modulators integrated in a III-V on silicon hybrid Photonic Circuit. This circuit addresses short-distances 100Gb/s transmissions challenges (<2km) in datacenters applications. We specifically studied the optimization of modal transition from the III-V on silicon optical gain section of the laser cavity to the passive silicon circuit, for both quantum wells and quantum dots structure. The use of this architecture for the design of devices including N directly modulated DFB sources with integrated chirp management is also introduced. Static and dynamic characterization results of this laser source emitting at 1,3µm as well as the electro-absorption behavior at modulation rate up to 32Gb/s is reported . The improvement routes of the structure are also discussed to enhance device global performances. The second solution studied in this thesis is a directly modulated tunable laser source, emitting around 1.55µm with integrated ring resonators, for the deployment in the Next-Generation Passive Optical access Networks (NG-PON2). After the description of the structure, thermal problematic, wavelength tunability, and dynamic behavior of these hybrid cavities are presented. Finally, we report the performances of a packaged device for direct modulation transmissions at 10Gb/s over 40km. The thesis ends up with general conclusions, and provides an overview of the short and medium terms possibilities offered by this research.