Résumé : Les circuits photoniques intégrés qui combinent des dispositifs photoniques pour la génération, la détection, la modulation, l'amplification, la commutation et le transport de la lumière dans une puce, ont été rapportés comme étant une innovation technologique importante qui simplifie la conception du système optique et qui réduit l'espace et la consommation de l'énergie en améliorant ainsi la fiabilité. La capacité de modifier la bande interdite des zones sélectives des différents dispositifs photoniques à travers la puce est la clé majeure pour le développement de circuits photoniques intégrés. Comparé à d'autres méthodes d’épitaxie, l’interdiffusion de puits quantiques a attiré beaucoup d'intérêt en raison de sa simplicité et son efficacité en accordant la bande interdite durant le processus de post-épitaxie. Cependant, l’interdiffusion de puits quantiques a subi des problèmes reliés au manque de précision pour modifier convenablement la bande interdite ciblée et à l’incontrôlabilité de l’absorption des impuretés au cours du processus qui peut dégrader la qualité du matériel interdiffusé. Dans cette thèse, nous avons utilisé les lasers excimer pour créer des défauts à proximité de la surface (~ 10 nm) des microstructures à base de puits quantiques III-V (par exemple InP et GaAs) et pour induire l’interdiffusion après le recuit thermique. L'irradiation par les lasers excimer (ArF et KrF) des microstructures à puits quantiques a été réalisée dans différents environnements, y compris l'air, l'eau déionisée, les couches diélectriques (SiO2 et Si3N4) et les couches d’InOx. Pour proposer un bon contrôle de la technique d’interdiffusion de puits quantiques par laser excimer, nous avons étudié la génération et la diffusion de défauts de surface en utilisant différentes méthodes de caractérisation de surface/interface, comme l'AFM, SEM, XPS et SIMS qui ont été utilisées pour analyser la modification de la morphologie de surface/interface et la modification chimique de la microstructure de ces puits quantiques. La qualité des microstructures à puits quantiques étudiées a été représentée par des mesures de photoluminescence et de luminescence des diodes lasers ainsi fabriqués. Les résultats montrent que le laser excimer induit des quantités d'oxydes de surface dans les surfaces des microstructure à puits quantiques InP/InGaAs/InGaAsP dans l'air et des impuretés d'oxygène des couches d'oxydes diffusées dans la région active de la microstructure lors du recuit, ce qui améliore l’interdiffusion, mais réduit l'intensité de la photoluminescence. Par contre, l’irradiation dans un environnement d'eau déionisée n’a pas démontré de diffusion des impuretés évidentes d'un excès d'oxygène vers les régions actives, mais la stœchiométrie de surface a été restaurée après l’interdiffusion. L’InOx a été trouvé avec un grand coefficient de dilatation thermique dans la microstructure interdiffusée qui était supposée d’augmenter la contrainte de compression dans la région active et ainsi d’augmenter l'intensité de photoluminescence de 10 fois dans l’échantillon irradié dans l'eau déionisée. Concernant les microstructures avec une couche diélectrique, la modification de la bande interdite a été toujours réalisée sur des échantillons dont les couches diélectriques ont été irradiées et la surface de InP a été modifiée par le laser excimer. Pour l'échantillon avec une couche de 243 nm de SiO2, les variations de la photoluminescence ont été mesurées sans l’ablation de cette couche de SiO2 lors de l'irradiation par le laser KrF. Cependant, la morphologie de l'interface d’InP a été modifiée, les oxydes d'interface ont été générés et les impuretés d'oxygène se sont diffusées à l'intérieur des surfaces irradiées. Les améliorations de l’interdiffusion dans les deux surfaces non irradiées et irradiés de l'échantillon couvert de couche d’InOx ont démontré l'importance des oxydes dans l’interdiffusion des puits quantiques. Les diodes laser fabriquées à partir d’un matériau interdiffusé par un laser KrF ont montré un seuil de courant comparable à celui des matériaux non interdiffusés avec un décalage de photoluminescence de 100 nm. En combinant un masque d'aluminium, nous avons créé un déplacement uniforme de photoluminescence de 70 nm sur une matrice rectangulaire de 40 μm x 200 μm ce qui présente un potentiel d’application de l’interdiffusion des puits quantiques par les lasers excimer dans les circuits photoniques intégrés. En outre, les lasers excimer ont été utilisés pour créer des structures de nano-cônes auto-organisées sur des surfaces de microstructure de InP/InGaAs/InGaAsP en augmentant l'intensité de PL par ~ 1.4 fois. Les lasers excimer ont été aussi utilisés pour modifier la mouillabilité sélective des zones d’une surface de silicium par une modification chimique de surface induite par laser dans différents milieux liquides. Ainsi, la fluorescence des nanosphères a été réussie pour des fonctions de configuration spécifique avec une surface de silicium. // Abstract : Photonic integrated circuits (PICs) which combine photonic devices for generation, detection, modulation, amplification, switching and transport of light on a chip have been reported as a significant technology innovation that simplifies optical system design, reduces space and power consumption, improves reliability. The ability of selective area modifying the bandgap for different photonic devices across the chip is the important key for PICs development. Compared with other growth methods, quantum well intermixing (QWI) has attracted amounts of interest due to its simplicity and effectiveness in tuning the bandgap in post-growth process. However, QWI has suffered problems of lack of precision in achieving targeted bandgap modification and uncontrollable up-taking of impurities during process which possibly degrade the quality of intermixed material. In this thesis, we have employed excimer laser to create surface defects in the near surface region (~ 10 nm) of III-V e.g. InP and GaAs, based QW microstructure and then annealing to induce intermixing. The irradiation by ArF and KrF excimer lasers on the QW microstructure was carried out surrounded by different environments, including air, DI water, dielectric layers (SiO2 and Si3N4) and InOx coatings. To propose a more controllable UV laser QWI technique, we have studied surface defects generation and diffusion with various surface/interface characterization methods, like AFM, SEM, XPS and SIMS, which were used to analyse the QW surface/interface morphology and chemical modification during QWI. The quality of processed QW microstructure was represented by photoluminescence measurements and luminescence measurements of fabricated laser diodes. The results shows that excimer laser induced amounts of surface oxides on the InP/InGaAs/InGaAsP microstructure surface in air and the oxygen impurities from oxides layer diffused to the active region of the QW microstructure during annealing, which enhance intermixing but also reduce the PL intensity. When irradiated in DI water environment, no obvious excessive oxygen impurities were found to diffuse to the active regions and the surface stoichiometry has been restored after intermixing. InOx with large coefficient of thermal expansion was found inside the intermixed QW microstructure, which was supposed to increase the compressive strain in active region and enhance the PL intensity to maximum 10 times on sample irradiated in DI water. On microstructure coated with dielectric layers, bandgap modifications were always found on samples whose dielectric layers were ablated and InP surface was modified by excimer laser. On sample coated with 243 nm SiO2 layer, the PL shifts were found on sample without ablation of the SiO2 layer when irradiated by KrF laser. However, the InP interface morphology was modified, interface oxides were generated and oxygen impurities have diffused inside on the irradiated sites. The enhancements of interdiffusion on both non irradiated and irradiated sites of sample coated with InOx layer have verified the importance of oxides in QWI. The laser diodes fabricated from KrF laser intermixed material have shown comparable threshold current density with as grown material with PL shifted by 133 nm. Combined aluminum mask, we have created uniform 70 nm PL shifts on 40 μm x 200 μm rectangle arrays which presents UV laser QWI potential application in PICs. In addition, excimer lasers have been used to create self organized nano-cone structures on the surface of InP/InGaAs/InGaAsP microstructure and enhance the PL intensity by ~1.4x. Excimer lasers have selective area modified wettability of silicon surface based on laser induced surface chemical modification in different liquid environments. Then the fluorescence nanospheres succeeded to specific pattern functions with silicon surface.

Résumé : Les circuits photoniques intégrés qui combinent des dispositifs photoniques pour la génération, la détection, la modulation, l'amplification, la commutation et le transport de la lumière dans une puce, ont été rapportés comme étant une innovation technologique importante qui simplifie la conception du système optique et qui réduit l'espace et la consommation de l'énergie en améliorant ainsi la fiabilité. La capacité de modifier la bande interdite des zones sélectives des différents dispositifs photoniques à travers la puce est la clé majeure pour le développement de circuits photoniques intégrés. Comparé à d'autres méthodes d’épitaxie, l’interdiffusion de puits quantiques a attiré beaucoup d'intérêt en raison de sa simplicité et son efficacité en accordant la bande interdite durant le processus de post-épitaxie. Cependant, l’interdiffusion de puits quantiques a subi des problèmes reliés au manque de précision pour modifier convenablement la bande interdite ciblée et à l’incontrôlabilité de l’absorption des impuretés au cours du processus qui peut dégrader la qualité du matériel interdiffusé. Dans cette thèse, nous avons utilisé les lasers excimer pour créer des défauts à proximité de la surface (~ 10 nm) des microstructures à base de puits quantiques III-V (par exemple InP et GaAs) et pour induire l’interdiffusion après le recuit thermique. L'irradiation par les lasers excimer (ArF et KrF) des microstructures à puits quantiques a été réalisée dans différents environnements, y compris l'air, l'eau déionisée, les couches diélectriques (SiO2 et Si3N4) et les couches d’InOx. Pour proposer un bon contrôle de la technique d’interdiffusion de puits quantiques par laser excimer, nous avons étudié la génération et la diffusion de défauts de surface en utilisant différentes méthodes de caractérisation de surface/interface, comme l'AFM, SEM, XPS et SIMS qui ont été utilisées pour analyser la modification de la morphologie de surface/interface et la modification chimique de la microstructure de ces puits quantiques. La qualité des microstructures à puits quantiques étudiées a été représentée par des mesures de photoluminescence et de luminescence des diodes lasers ainsi fabriqués. Les résultats montrent que le laser excimer induit des quantités d'oxydes de surface dans les surfaces des microstructure à puits quantiques InP/InGaAs/InGaAsP dans l'air et des impuretés d'oxygène des couches d'oxydes diffusées dans la région active de la microstructure lors du recuit, ce qui améliore l’interdiffusion, mais réduit l'intensité de la photoluminescence. Par contre, l’irradiation dans un environnement d'eau déionisée n’a pas démontré de diffusion des impuretés évidentes d'un excès d'oxygène vers les régions actives, mais la stœchiométrie de surface a été restaurée après l’interdiffusion. L’InOx a été trouvé avec un grand coefficient de dilatation thermique dans la microstructure interdiffusée qui était supposée d’augmenter la contrainte de compression dans la région active et ainsi d’augmenter l'intensité de photoluminescence de 10 fois dans l’échantillon irradié dans l'eau déionisée. Concernant les microstructures avec une couche diélectrique, la modification de la bande interdite a été toujours réalisée sur des échantillons dont les couches diélectriques ont été irradiées et la surface de InP a été modifiée par le laser excimer. Pour l'échantillon avec une couche de 243 nm de SiO2, les variations de la photoluminescence ont été mesurées sans l’ablation de cette couche de SiO2 lors de l'irradiation par le laser KrF. Cependant, la morphologie de l'interface d’InP a été modifiée, les oxydes d'interface ont été générés et les impuretés d'oxygène se sont diffusées à l'intérieur des surfaces irradiées. Les améliorations de l’interdiffusion dans les deux surfaces non irradiées et irradiés de l'échantillon couvert de couche d’InOx ont démontré l'importance des oxydes dans l’interdiffusion des puits quantiques. Les diodes laser fabriquées à partir d’un matériau interdiffusé par un laser KrF ont montré un seuil de courant comparable à celui des matériaux non interdiffusés avec un décalage de photoluminescence de 100 nm. En combinant un masque d'aluminium, nous avons créé un déplacement uniforme de photoluminescence de 70 nm sur une matrice rectangulaire de 40 μm x 200 μm ce qui présente un potentiel d’application de l’interdiffusion des puits quantiques par les lasers excimer dans les circuits photoniques intégrés. En outre, les lasers excimer ont été utilisés pour créer des structures de nano-cônes auto-organisées sur des surfaces de microstructure de InP/InGaAs/InGaAsP en augmentant l'intensité de PL par ~ 1.4 fois. Les lasers excimer ont été aussi utilisés pour modifier la mouillabilité sélective des zones d’une surface de silicium par une modification chimique de surface induite par laser dans différents milieux liquides. Ainsi, la fluorescence des nanosphères a été réussie pour des fonctions de configuration spécifique avec une surface de silicium. // Abstract : Photonic integrated circuits (PICs) which combine photonic devices for generation, detection, modulation, amplification, switching and transport of light on a chip have been reported as a significant technology innovation that simplifies optical system design, reduces space and power consumption, improves reliability. The ability of selective area modifying the bandgap for different photonic devices across the chip is the important key for PICs development. Compared with other growth methods, quantum well intermixing (QWI) has attracted amounts of interest due to its simplicity and effectiveness in tuning the bandgap in post-growth process. However, QWI has suffered problems of lack of precision in achieving targeted bandgap modification and uncontrollable up-taking of impurities during process which possibly degrade the quality of intermixed material. In this thesis, we have employed excimer laser to create surface defects in the near surface region (~ 10 nm) of III-V e.g. InP and GaAs, based QW microstructure and then annealing to induce intermixing. The irradiation by ArF and KrF excimer lasers on the QW microstructure was carried out surrounded by different environments, including air, DI water, dielectric layers (SiO2 and Si3N4) and InOx coatings. To propose a more controllable UV laser QWI technique, we have studied surface defects generation and diffusion with various surface/interface characterization methods, like AFM, SEM, XPS and SIMS, which were used to analyse the QW surface/interface morphology and chemical modification during QWI. The quality of processed QW microstructure was represented by photoluminescence measurements and luminescence measurements of fabricated laser diodes. The results shows that excimer laser induced amounts of surface oxides on the InP/InGaAs/InGaAsP microstructure surface in air and the oxygen impurities from oxides layer diffused to the active region of the QW microstructure during annealing, which enhance intermixing but also reduce the PL intensity. When irradiated in DI water environment, no obvious excessive oxygen impurities were found to diffuse to the active regions and the surface stoichiometry has been restored after intermixing. InOx with large coefficient of thermal expansion was found inside the intermixed QW microstructure, which was supposed to increase the compressive strain in active region and enhance the PL intensity to maximum 10 times on sample irradiated in DI water. On microstructure coated with dielectric layers, bandgap modifications were always found on samples whose dielectric layers were ablated and InP surface was modified by excimer laser. On sample coated with 243 nm SiO2 layer, the PL shifts were found on sample without ablation of the SiO2 layer when irradiated by KrF laser. However, the InP interface morphology was modified, interface oxides were generated and oxygen impurities have diffused inside on the irradiated sites. The enhancements of interdiffusion on both non irradiated and irradiated sites of sample coated with InOx layer have verified the importance of oxides in QWI. The laser diodes fabricated from KrF laser intermixed material have shown comparable threshold current density with as grown material with PL shifted by 133 nm. Combined aluminum mask, we have created uniform 70 nm PL shifts on 40 μm x 200 μm rectangle arrays which presents UV laser QWI potential application in PICs. In addition, excimer lasers have been used to create self organized nano-cone structures on the surface of InP/InGaAs/InGaAsP microstructure and enhance the PL intensity by ~1.4x. Excimer lasers have selective area modified wettability of silicon surface based on laser induced surface chemical modification in different liquid environments. Then the fluorescence nanospheres succeeded to specific pattern functions with silicon surface.

Cette thèse s’intéresse à l'intégration sur Si de cellules solaires III-V à simple et double jonction par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques (MOVPE). Les dispositifs photovoltaïques ont été réalisés avec des matériaux accordés sur InP. L'objectif était d'abord d'obtenir des dispositifs performants sur des substrats InP, puis de les intégrer sur une structure avec un paramètre de maille différent, en évaluant les effets sur les performances photovoltaïques. Ceci a nécessité la réalisation et l'optimisation de plusieurs étapes de fabrication.Tout d'abord, nous avons réalisé une cellule InP à simple jonction, qui peut correspondre à la cellule top dans notre structure tandem. Cela était également nécessaire pour mettre en place un processus de fabrication pour toutes les cellules suivantes. Les conditions de croissance ont été optimisées en profitant des techniques de caractérisation des matériaux telles que la XRD, l’analyse C-V et le SIMS. En optimisant les épaisseurs et les niveaux de dopage des différentes couches du dispositif, ainsi que le procédé en salle blanche, nous avons obtenu une efficacité de conversion de 12.9%, avec un FF de 84.3%. Nous avons démontré que l'utilisation d'une couche fenêtre en AlInAs au lieu de l’InP peut augmenter l'efficacité à 13.5%, malgré une légère réduction du FF (81.4%). La même procédure a ensuite été étendue à la réalisation d'une cellule solaire InGaAs comme cellule bottom du dispositif tandem. Nous avons obtenu un rendement de 11.4% et un FF de 74.5%.En parallèle, des jonctions tunnels capables de relier électriquement les deux sous-cellules dans un dispositif tandem ont été étudiées. En particulier, nous avons concentré notre attention sur les conditions de croissance de l'anode de la jonction, qui a été fabriquée en AlInAs et dopée avec le précurseur CBr4. Les réactions chimiques d’un tel précurseur avec le précurseur de l’Al et l’In nécessitaient une importante réduction de la température de croissance à 540 °C. En déterminant les effets des flux sur la composition et les niveaux de dopage du composé, nous avons obtenu un dopage élevé de +4x1019 cm-3. En obtenant un niveau équivalent pour la cathode InP:S, nous avons réalisé un dispositif présentant un Jp de 1570 A/cm2, capable de fonctionner dans des conditions de concentration solaire élevée. En combinant finalement les trois dispositifs présentés dans une cellule tandem, nous avons pu obtenir un rendement global de conversion de 18.3%, avec un FF de 83.9%.Un template approprié pour l'intégration III-V/Si a été déterminé en testant plusieurs possibilités fournies par différents partenaires. Les caractérisations XRD et AFM ont démontré qu'un template InP/GaP/Si fourni par la société NAsP était la meilleure option. Ceci a été confirmé par la croissance d'une cellule InP à simple jonction sur le template. La techno sur un substrat Si a été rendu possible en déplaçant le contact arrière de la cellule sur la face avant du dispositif, ce qui a nécessité la mise au point d'un ensemble approprié de masques photolithographiques. La réussite de l’intégration des cellules solaires III-V sur Si a été confirmée par le photocourant produit. Celui-ci correspond à environ 60% de la valeur obtenue sur les substrats InP. De plus, les caractéristiques J-V mesurées donnent une tendance de type diode, démontrant la validité de l'approche proposée. / This thesis focuses on III-V/Si integration of single- and dual-junction solar cells by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). The photovoltaic devices were made with materials lattice matched to InP. The goal was to firstly obtain efficient devices on InP substrates and then to integrate them on a structure with a different lattice parameter, by evaluating the effects on the photovoltaic performances. This required the realization and the optimization of several manufacturing steps.Firstly, we realized an InP single junction device, which may correspond to the top cell of our tandem structure. This was also necessary to set up a manufacturing process for all the next cells. The growth conditions were optimized by taking advantage of material characterization techniques such as XRD, C-V profiling and SIMS. By optimizing thicknesses and doping levels of the various layers of the device, as well as the clean room process, we obtained a conversion efficiency of 12.9%, with a FF of 84.3%. We demonstrated that the use of an AlInAs window layer instead of InP may increase the efficiency to 13.5%, despite a slight reduction in FF (81.4%). The same procedure was then extended to the realization of an InGaAs solar cell as the bottom component of the tandem device. We obtained an efficiency of 11.4% and a FF of 74.5%.In parallel, tunnel junctions able to electrically connect the two subcells in a tandem device were studied. In particular, we focused our attention on the growth conditions of the junction anode, which was made in AlInAs and doped with CBr4 precursor. The particular chemical interactions that such a precursor has with Al precursor and In required a relevant reduction of growth temperature to 540 °C. By determining the effects of the flows on composition and doping levels of the compound, we obtained a high doping of +4x1019 cm-3. By obtaining an equivalent level for the InP:S cathode, we realized a device presenting a Jp of 1570 A/cm2, able to work under high solar concentration conditions. By finally combining the three presented devices in a tandem cell, we could obtain an overall conversion efficiency of 18.3%, with a FF of 83.9%.A proper template for III-V/Si integration was determined by testing several possibilities provided by different partners. XRD and AFM characterizations demonstrated that an InP/GaP/Si template provided by NAsP Company was the best option. This was confirmed by the growth of an InP single junction cell over the template. The processing over a Si substrate was made possible by shifting the rear contact of the cell on the front side of the device, which required the development of a proper set of photolithographic masks. The successful integration of the III-V solar cells on Si was confirmed by the relevant produced photocurrent. This corresponds to around 60% of the value obtained on InP substrates. Furthermore, the measured J-V characteristics show a diode-like trend, which demonstrates the validity of the proposed approach.

The Square Kilometre Array (SKA) is known to be the most powerful radio telescope of its type. In support of its high observational power, it is estimated that thousands of antenna unit equipped with millions of LNA (low noise amplifier) will be deployed over a large area (radius>3000km). The stringent requirements for high performance and low cost LNA design bring about many challenges in terms of material growth, device fabrication and low noise circuit designs. For the past decade, the Manchester group has been wholeheartedly committed to the research and development of high performance, low cost Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) LNA with high breakdown (15V) and low noise characteristics (1.2dB to 1.5dB) for the SKA mid-frequency application (0.4GHz to 1.4GHz). The on-going optimisation of current design is hindered by the restriction of standard i-line 1µm gate lithography. The primary focus of this work is on the design and fabrication of new, submicron gate InGaAs/InAlAs/InP pHEMTs for high frequency applications and future SKA high frequency bands. The study starts with the design and fabrication of InGaAs-InAlAs pHEMT sub-100nm gate structure using E-Beam lithography. To address the problems of short channel effect and parasitic components, devices with 128nm T-gate structure, and with optimised device geometries and enhanced material growth, having fT of 162GHz and fmax of 183GHz are demonstrated, outlining the importance of device scaling for high speed operation. In addition, a gate-sinking technique using Pd/Ti/Au metallisation scheme was investigated to meet the requirement for single voltage supply in circuit design. Device with Pd-buried gate exhibits enhanced DC and RF characteristics and showed no degradation over 5 hours’ annealing at 230˚C. The implementation of this highly thermal stable Pd Schottky gate is key to improving the device’s long-term reliability at high-temperature operation. To solve the problem of low productivity in E-Beam lithography, a simple, low cost, technique termed soft reflow was introduced by utilising the principle of solvent vaporisation in a closed chamber. It provides a hybrid solution for the fabrication of submicron device using low cost i-line lithography. The integration of this new soft reflow process with the Pd-gate sinking technique has enabled the large-scale fabrication of 250nm T-gate pHEMTs, with excellent fT of 108GHz and a fmax of 119GHz and with device yields exceeding 80%. This novel soft reflow technique provides a high yield, fast throughput, solution for the fabrication of submicron gate pHEMT and other ultra-high frequency nanoscale devices.