L’intégration de matériaux ferromagnétiques dans des hétérostructures semi-conductrices offre aujourd'hui de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d’hétérostructures de Mn5Ge3 sur Ge(111). Le Mn5Ge3 est un composé ferromagnétique jusqu'à température ambiante qui a l’avantage de pouvoir s’intégrer directement au Ge, semiconducteur du groupe IV. S'agissant d'un matériau relativement nouveau, un des efforts majeurs a porté sur la maîtrise de la croissance des couches minces de Mn5Ge3 par la technique d'épitaxie en phase solide (SPE). Un fort accent a été mis sur les caractérisations structurales, la détermination des relations d'épitaxie avec le Ge(111), afin de les relier aux propriétés magnétiques des films. La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude des processus cinétiques d'incorporation de carbone dans les couches minces de Mn5Ge3. La combinaison des différents moyens de caractérisations structurales et magnétiques a permis d'aboutir à une augmentation notable de la température de Curie tout en conservant une excellente qualité structurale de la couche et de l'interface avec le Ge et une stabilité thermique jusqu’à 850°C. Tous ces résultats indiquent que les couches minces de Mn5Ge3épitaxiées sur Ge(111) apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour l'injection de spin dans les semi-conducteurs du groupe IV / Spin-electronics based on ferromagnetic metal/semiconductor systems offer a pathway toward integration of information storage and processing in a single material. This emerging fieldaims to create a new generation of electronic devices where two degrees of freedom will be associated: spin and charge of carriers. In this context, the outcome of this thesis is toelaborate a novel ferromagnetic compound, namely Mn5Ge3, on Ge using molecular beamepitaxy method. The interests in this compound are manyfold: it can be stabilized as a uniquephase on Ge(111) in the form of epitaxial thin films, it is ferromagnetic until room temperature and it is compatible with Si-based conventional microelectronics. In this work,one major effort was devoted to the epitaxial growth of Mn5Ge3 on Ge using Solid PhaseEpitaxy method. By combining structural and magnetic characterizations, we demonstrated high quality epitaxial thin Mn5Ge3 films with good magnetic properties. We also studied theeffect carbon incorporation on the structural and magnetic properties of epitaxial Mn5Ge3films. The carbon-doped films exhibit a high Curie temperature with an atomically smoothinterface and a high thermal stability. All these results show that Mn5Ge3 is a promisingcandidate opening up the ways for spin injection via tunnel effect through the Schottky barrierinto Ge

Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée. / This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed.

Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Mg- und Si-Dotierung auf das Wachstum von InN-Nanodrähten (ND) sowie die Etablierung, Anwendung und Analyse des selektiven Wachstums von GaN-ND auf Si-Substraten. Das Ziel der Arbeit ist dabei die Herstellung von ND mit homogenen Abständen, Durchmessern und Längen. Zunächst wird die Si- und Mg-Dotierung von InN-ND untersucht. Dazu werden die einzelnen Wachstumsparameter variiert und deren Einfluss analysiert. Für die Si-Dotierung kann dabei eine nicht lineare Abhängigkeit der Morphologie der Nanodrähte mit der Substrattemperatur, dem In- und Si-Fluss beobachtet werden, sowie eine Erweiterung der Wachstumstemperatur zu Werten oberhalb des Einsetzens der Dekomposition bei gleichzeitig verbesserter Homogenität der Länge und des Durchmessers der ND. Für die Mg-Dotierung von InN-ND wird kein Einfluss auf die Morphologie beobachtet. Durch optische und elektrische Messungen wird ein Hinweis auf das erfolgreiche Einbringen der Mg-Atome als Akzeptoren beobachtet. Nach einer Voruntersuchung anhand von nicht-selektivem Wachstum bei hohen Substrattemperaturen, sowie einer Untersuchung zur Dekomposition von GaN-ND werden die Wachstumsparameter für das selektive Wachstum mit einem neuentwickelten Ansatz eingegrenzt. Anschließend wird innerhalb dieser Grenzen der Einfluss der Wachstumsparameter auf das selektive Wachstum untersucht. Ein Schwerpunkt dieser Untersuchungen wird auf die Nukleation gesetzt, bei der anhand von Variationen des Substratdesigns (Maskentyp, -material sowie Substratmaterial) und direkten Analysen für kurze Wachstumszeiten ein neuartiges Nukleationsmodell vorgeschlagen wird. Ein zweiter Schwerpunkt wird auf die Diffusion der Ga-Atome gesetzt. Es wird ein geometrisches Modell zur Analyse der Diffusion auf dem Substrat und den Seitenfacetten vorgeschlagen und durch experimentelle Daten untermauert. Anhand des Modells ergeben sich Diffusionslängen von 400 nm auf dem Substrat respektive 500 nm auf den ND-Seitenfacetten. / The influence of the Si- and Mg-doping of InN NWs as well as the selective area growth (SAG) of GaN NWs on Si substrates is developed, optimized and analyzed to obtain NWs with homogeneous periods, lengths and diameters. The variation of growth parameters for Si-doped InN NWs reveals a nonmonotonic morphology dependence and an extended growth window towards higher substrate temperatures. In addition, the NW density is reduced and the size homogeneity improved for high Si doping levels. In contrast, no impact on the morphology of the InN NWs is observed under Mg-doping. Nevertheless, indications of a successful incorporation of the Mg-acceptors are found by optical and electrical studies. The non-selective growth of GaN NWs at high substrate temperatures is investigated for various Ga-fluxes and substrate temperatures. Furthermore, the decomposition of GaN NWs is observed with an investigation of the NW morphology and the Ga desorption during growth. The nucleation on the mask (Si) and the substrate (AlN) is investigated with a new approach to define a growth window for the SAG. Within this window, the influence of the substrate temperature, growth time, Ga- and N-flux on the SAG is investigated by a separate variation for each parameter. An optimal set of growth parameters with respect to a homogeneous NW morphology is obtained. The growth on substrates with different mask types, mask materials and substrate materials reveals a novel nucleation mechanism. The asymmetric nucleation in the holes of the mask could be attributed to a local increase in the Ga-supply by blocking the impinging Ga-flux at the vertical sidewalls. The diffusion of Ga-atoms on the substrate and the NW is finally investigated. A descriptive model is proposed and the fit to experimental data reveals a diffusion length of 400 nm. The limitation of the axial growth is explained by the diffusion length of Ga atoms on the NW sidewall and a diffusion length of approximately 500 nm is obtained.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:35:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2893346 bytes, checksum: 9ae656930afe35b3a72cddee0c2cc87c (MD5) Previous issue date: 2009-05-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The epitaxial growth technique by molecular beams (Molecular Beam Epitaxy – MBE) can be considered as one of the most important for obtaining thin fine films, heterostructures and nanostructures nowadays, allowing the production of high quality layers, and it also allows the in situ monitoring of process through several techniques of characterization. This work presents the project, the construction and the initial tests of a MBE system for the growing of compounds containing cadmium, tellurium, manganese and zinc. The work shows a bibliographic revision of the main types of epitaxy, some of the main techniques of growth, the basic principles of vacuum technology and the necessary tools to the construction of the system. The detailed project of the system and its main components represented. Finally, the functioning tests of the vacuum systems, the effusion cells, the system of controlling and automation and the results obtained with the first obtained samples represented. The total cost of the system in the current configuration is approximately R$150.000 which is about as less as one fourth of one commercial system with approximately the same characteristics. / A técnica de crescimento epitaxial por feixes moleculares (Molecular Beam Epitaxy – MBE) pode ser considerada como uma das mais importantes para a obtenção de filmes finos, heteroestruturas e nanoestruturas nos dias atuais, permitindo a obtenção de filmes de excelente qualidade, além de permitir o acompanhamento do crescimento in situ através de diversas técnicas de caracterização. Este trabalho aborda o projeto, a construção e os testes iniciais de um sistema de MBE para o crescimento de compostos contendo Cádmio, Telúrio, Manganês e Zinco. O trabalho apresenta uma revisão bibliográfica dos principais tipos de epitaxia, algumas das principais técnicas de crescimento, princípios básicos da tecnologia de vácuo e os instrumentos necessários à construção do sistema. É apresentado o projeto detalhado do sistema e seus principais componentes. Finalmente, descrevem-se os testes de funcionamento do sistema de vácuo, das células de efusão, o sistema de controle e automatização e os resultados obtidos com as primeiras amostras obtidas. O custo total do sistema na configuração atual é de aproximadamente R$ 150.000, cerca de 4 vezes menor que o de um sistema comercial com aproximadamente as mesmas características.

Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié une approche permettant de réaliser les composants d'émission de la lumière basés sur les couches epitaxiées de Ge contraint en tension et fortement dopé de type n. Afin de créer de contrainte en tension dans les films épitaxiés de Ge, nous avons investi deux méthodes : faire croître du Ge sur InGaAs ayant un paramètre de maille plus grand que celui de Ge, et faire croître du Ge sur Si, en prenant l'avantage du coefficient de dilatation thermique du Ge, qui est deux fois plus grand que celui du Si. Concernant la croissance de Ge sur les substrats Si, nous avons étudié deux orientations cristallines, <001> and <111>, afin de pouvoir comparer la valeur de contrainte en tension obtenue et aussi la densité des dislocations émergeantes. Le dopage de type n dans le Ge a été effectué en utilisant le phosphore et l'antimoine. Nous avons montré que quand le dopage est effectué à des températures relativement basses et suivi d'un recuit thermique rapide, de concentration d'électrons électriquement activés de ~ 4x10^19 cm-3, a pu être obtenue. Cette valeur représente l'un des meilleurs résultats expérimentalement obtenus jusqu'à présent. Des mesures de recombinaison radiative par spectroscopie de photoluminescence effectuées à température ambiante ont mis en évidence une augmentation de l'émission du gap direct de Ge d'environ 150 fois. Finalement, nous avons étudié les effets de la barrière de diffusion sur l'efficacité de dopage pendant les recuits thermiques. Une comparaison sur l'efficacité de trois barrières de diffusion, Al2O3, HfO2 and Si3N4, sera présentée et discutée. / During my thesis, we studied approaches to achieve light-emitting devices based on tensile strained and highly n-doped Ge epitaxial films. In order to create an elastic tensile strain in the epitaxial Ge films, we have investigated two methods: The epitaxial growth of Ge on InGaAs buffer layers that have a larger lattice constant, and the epitaxial growth of Ge on Si, by which we take benefit of the thermal expansion coefficient of Ge which is twice greater than that of Si. Concerning the growth of Ge on Si substrates, we have studied two crystalline orientations, <001> and <111>, in order to compare the values of the accumulated tensile strain and also the density of threading dislocations. The n-type doping in Ge was performed using a co-doping technique with phosphorus (P2 molecule) and antimony (Sb). We demonstrated that the dopants sticking coefficient leads to dopant incorporation in the Ge film larger than their solid solubility, which generally increases with increasing substrate temperature. As a result, when the doping is carried out at relatively low temperatures and followed by rapid thermal annealing, electrically activated electron concentration of 4x1019 cm-3 was demonstrated. This value is one of the best results obtained experimentally so far. The radiative recombination, at RT, measured by photoluminescence spectroscopy showed an increase in the direct gap emission of Ge of about 150 times. Finally, we studied the effects of diffusion barrier on the doping concentration during the thermal annealing. A comparison between the advantages of three diffusion barriers, Al2O3, HfO2 and Si3N4, will be presented and discussed.

Le développement d'un procédé de détection de gaz atmosphériques à l'état de traces en temps réel, fiable, robuste, sélectif, sensible et portable, est impératif pour répondre à des enjeux sanitaires, écologiques et industriels. La spectroscopie par diodes laser accordables est une des voies envisagées pour pourvoir à ce besoin. Elle nécessite le développement de diodes lasers mono-fréquences émettant en régime continu à température ambiante entre 2 µm et 3.3 µm. Nous reportons ici les modélisations et développements technologiques nécessaires à la fabrication de lasers à contre-réaction répartie – à couplage par l'indice, réseau du 1er et 2nd ordre, sur substrat antimoniure – ainsi que les résultats obtenus. Dans la première partie de ce document, après avoir dressé le contexte de l'étude, nous introduirons la théorie des lasers à contre-réaction répartie et présenterons les modélisations qui ont permis de décrire nos structures. La seconde partie est dédiée aux développements des procédés technologiques qui ont permis de mettre en place deux filières de fabrication de composants – à savoir des lasers DFB à ailettes et lasers DFB à réseau enterré. La troisième partie expose les performances des composants fabriqués et présente les premières mesures d'analyse de gaz effectuées. Ces travaux ont conduit au développement de deux nouvelles filières de fabrication de composants : des diodes lasers mono-fréquences présentant une puissance élevée et une forte sélectivité modale. Les prototypes fabriqués seront utilisés sur des systèmes de spectroscopie. / Development of a reliable, real-time, selective, sensitive and suitable technique for atmospheric trace gas spectroscopy is a critical challenge in science and engineering, for sanitary, ecological and industrial issues. Tunable single-frequency lasers in the 2µm to 3.3µm wavelength range, working in continuous regime at room temperature, can be used in absorption spectroscopy to identify and quantify several atmospheric gases. We report here on the design, the technological development and the performances of 1st and 2nd order index-coupled distributed-feedback (DFB) antimonide-lasers diodes in the 2µm to 3.3µm wavelength range. The first part of this document establishes the context of the thesis, introduces the DFB theory and our modelisation. The second part presents the technological fabrication of the two different components: the side wall corrugated DFB lasers and the buried DFB lasers. The third part shows the performances of the components and the first tests on gas measurement.This work has led to the development of two different kinds of single-frequency laser diodes with high optical power and spectral purity. The fabricated prototypes will soon be used on gas spectroscopy set-up.

Du fait de leur facilité de fabrication et de leurs propriétés physiques uniques, les nanofils (NFs) de semi-conducteurs présentent des potentialités d’application importantes elles pouvaient être comme briques élémentaires de nombreux dispositifs nano- et opto-électroniques. Différents procédés de fabrication ont été développés pour fabriquer et organiser ces nanofils en épitaxie sur silicium. Cependant, un des principaux problèmes réside dans le manque de reproductibilité des NFs produits naturellement. Pour obtenir un meilleur contrôle de leur périodicité, localisation, forme et taille, différents types de gravure ont été mis au point. Aujourd’hui, des incertitudes importantes persistent quant à leurs propriétés fondamentales, en raison d’un manque de corrélation entre les propriétés électroniques et optiques et les détails microscopiques (composition, structure, chimie ...etc.). L’objectif de ce travail est de développer deux types de procédés de fabrication : le premier "top-down" est basé sur la nanogravure directe par faisceau d’ions focalisés (FIB)de couches bi-dimonsionnelles de SiGe. Ce procédé permet de contrôler la taille des NFs, les déformations, et leur localisation précise. Il permet de fabriquer des réseaux de larges piliers. Les NFs réalisés par cette technique sont peu denses et de diamètre important. Le second procédé est de type "Bottom-Up" ; il s’appuie sur la croissance VLS à partir de catalyseurs métalliques (AuSi). Les NFs réalisés ont étudiés à l’échelle locale afin de mesurer la taille moyenne de contrainte ainsi que leur effet sur le confinement quantique et sur la structure de bande des NFs. / SiGe/Si core/shell nanowires (NWs) and nanodots (NDs) are promising candidates for the future generation of optoelectronic devices. It was demonstrated that the SiGe/Si heterostructure composition, interface geometry, size and aspect ratios can be used to tune the electronic properties of the nanowires. Compared to pure Si or Ge nanowires, the core-shell structures and exhibit extended number of potential configurations to modulate the band gap by the intrinsic strain. Moreover, the epitaxial strain and the band-offsets produce a better conductance and higher mobility of charge carriers. Recent calculations reported that by varying the core-shell aspect ratio could induce an indirect to direct band gap transition. One of the best configurations giving direct allowed transitions consists of a thin Si core embedded within wide Ge shell. The Germanium condensation technique is able to provide high Ge content (> 50%) shell with Si core whom thickness of core and shell can be accurately tuned. The aim of this work is to develop two types of synthesis processes: the first "top-down" will be based on direct nanoetching by focused ion beam (FIB) of 2D SiGe layer. This process allows the control of the size of NWs, and their precise location. The NWs achieved by this technique are not very dense and have a large diameter. The second processes called "bottom-up"; are based on the VLS growth of NWs from metal catalysts (AuSi). Grown NWs have been studied locally in order to measure the mean size and the strain and their effects on the quantum confinement and band structure of NWs.

The predicted acceptor impurity nature of carbon in hexagonal GaN grown by molecular-beam epitaxy (MBE) is revisited spectroscopically in the energy range between 1.6 and 3.5 eV. Photoluminescence (PL) spectra from ultra-pure GaN and material doped with carbon at a level of 1·18 cm⁻³ differ significantly in the energy range between 3.0 and 3.3 eV depending on the Ga/N stoichiometry during MBE growth. Acceptor-like features formerly attributed to carbon, beryllium or magnesium incorporation are found for both, undoped and carbon-doped GaN. The intensity of these features depends on the Ga/N stoichiometry during growth. While for Ga-lean surface regions, exhibiting multiple 10 nm deep pits, the observed PL features are found to be less intense compared to Ga-rich surface regions, the situation reverses for carbon-doped material. For all samples, the intensity of the yellow luminescence band around 2.2 eV is weak. The results point at crystal defects and the unintentionally present oxygen as the origin of the spectroscopic features traditionally attributed to carbon in GaN.

Les mémoires flash non volatiles - utilisées dans les ordinateurs, téléphones portables ou clés USB - peuvent être constituées de nanocristaux semiconducteurs (SC) insérées dans une matrice isolante. Elles nécessitent l'élaboration d'hétérostructures de type "oxyde/SC/oxyde/Si(00l)" et la maîtrise de chaque interface. Dans ce cadre, nous avons étudié les mécanismes de croissance initiale du Si et du Ge (SC) sur des substrats d'oxyde cristallins LaA1O3(001) à forte permittivité (high-k). Les propriétés chimiques et structurales ont été déterminées in-situ par photoémission X (XPS et XPD) et par diffraction d'électrons (RHEED et LEED) puis ex-situ par microscopies en champ proche (AFM) et en transmission (HRTEM). Le substrat LaAlO3(001) propre présente une reconstruction de surface c(2x2) attribuée à des lacunes d'O en surface. Les croissances de Si et Ge ont été réalisées par épitaxie par jet moléculaire (MBE), soit à température ambiante suivies de recuits, soit à haute température. L'épitaxie requiert des températures de dépôt supérieures à 550°C. Le mode de croissance est de type Volmer Weber caractérisé par la formation d'îlots cristallins de dimensions nanométriques et de forte densité. Ces îlots sont relaxés et présentent une interface abrupte avec le substrat. Quant aux îlots de Ge, ils ont majoritairement des orientations aléatoires avec néanmoins une relation d'épitaxie privilégiée, la même que celle du Si.

Ferroelectric materials have been extensively studied theoretically and experimentally for many decades. Their ferroelectric, piezoelectric, pyroelectric, dielectric and electro-optical properties offer great promise in various applications such as non-volatile random access memory devices, non linear optics, motion and thermal sensors, and tunable microwave devices. Advanced applications for high dielectric constant insulators and nonvolatile memories in semiconductor industry have led to a meteoric rise of interest in the ferroelectrics recently. As most studied and technically important ferroelectric materials, lead zirconate titanate (PZT) and barium strontium titanate (BST) are widely investigated to understand their properties for potential device applications. Using radio frequency magnetron sputtering, single crystalline PZT and BST thin films have been achieved on SrTiO3 substrates, and been characterized for their structural and electrical properties. Eyeing their different potential applications, ferroelectric, pyroelectric and dielectric properties of PZT and BST thin films were studied. In addition, the introduction of bridge layers (nucleation or buffer layers) grown by molecular beam epitaxy (MBE) has been employed to facilitate the heterostructure growth of PZT thin films on GaN and BST thin films on sapphire substrates. Highly (111)-oriented perovskite PZT thin films were achieved on silicon-doped GaN (0001)/c-sapphire with a PbTiO3/PbO oxide bridge layer. And (001)-oriented BST thin films were grown on a-plane sapphire with an MgO/ZnO bridge layer. This dissertation also discusses the realization of PZT ferroelectric field effect transistors (FeFET). Two different 1T FeFET structures were successfully fabricated and their electrical properties were examined. Ferroelectric behavior was observed in the plot of source-drain current versus gate voltage where it exhibited a large counterclockwise hysteresis with 50% current modulation.