The purpose of our research is growing the coupled InGaAs quantum dots on the n-type substrate by molecular beam epitaxy in laboratory, and we choose 5,10 and 15 nanometers to be the thicknesses of GaAs spacer between the quantum dots layer. Due to the couple effect, we hope to realize the theorem of intermediate band proved by Luque and Marti. We measure the characteristic of samples by electroluminescence spectra, photoelectric current spectra, electrical absorption spectra and electro reflectance spectra in laboratory; moreover, we acquire the basic parameters of solar cell by AM1.5G for analyzing. From the basic parameters of solar cell, we know that the quantum dots can enhance the photocurrent by absorbing additional photons , however, the strain caused by quantum dots would decay the open voltage seriously, so that the efficiency always under the baseline. Each efficiency of 9-stack QDs are 4.3%(c494),5.1%(c519),5.3% (c520),and each efficiency of 9-stack Dwells are 3.9%(c524),4.2%(c525),4.7%(c526), and 10-stack QDs(5nm) is 2.9%(c514),and 12-stack QDs(10nm) is 4.48%(c538),and 12-stack QDs(15nm) is 5.89%. The break through of this paper is that the efficiency of c529¡]VOC=0.64V,JSC=11.97mA/cm2,FF=67%,£b=5.89%¡^is higher than GaAs¡]VOC =0.87 V, JSC =7.4 mA/cm2,FF=72.3%,£b=5.6%¡^,and we attribute this performance to its good quality of miniband, because the current can be enhanced a lot, and it will make up for the lose of open voltage and filling factor, so that the efficiency can be higher than GaAs baseline.

abstract: There has been recent interest in demonstrating solar cells which approach the detailed-balance or thermodynamic efficiency limit in order to establish a model system for which mass-produced solar cells can be designed. Polycrystalline CdS/CdTe heterostructures are currently one of many competing solar cell material systems. Despite being polycrystalline, efficiencies up to 21 % have been demonstrated by the company First Solar. However, this efficiency is still far from the detailed-balance limit of 32.1 % for CdTe. This work explores the use of monocrystalline CdTe/MgCdTe and ZnTe/CdTe/MgCdTe double heterostructures (DHs) grown on (001) InSb substrates by molecular beam epitaxy (MBE) for photovoltaic applications. Undoped CdTe/MgCdTe DHs are first grown in order to determine the material quality of the CdTe epilayer and to optimize the growth conditions. DH samples show strong photoluminescence with over double the intensity as that of a GaAs/AlGaAs DH with an identical layer structure. Time-resolved photoluminescence of the CdTe/MgCdTe DH gives a carrier lifetime of up to 179 ns for a 2 µm thick CdTe layer, which is more than one order of magnitude longer than that of polycrystalline CdTe films. MgCdTe barrier layers are found to be effective at confining photogenerated carriers and have a relatively low interface recombination velocity of 461 cm/s. The optimal growth temperature and Cd/Te flux ratio is determined to be 265 °C and 1.5, respectively. Monocrystalline ZnTe/CdTe/MgCdTe P-n-N DH solar cells are designed, grown, processed into solar cell devices, and characterized. A maximum efficiency of 6.11 % is demonstrated for samples without an anti-reflection coating. The low efficiency is mainly due to the low open-circuit voltage (V_oc), which is attributed to high dark current caused by interface recombination at the ZnTe/CdTe interface. Low-temperature measurements show a linear increase in V_oc with decreasing temperature down to 77 K, which suggests that the room-temperature operation is limited by non-radiative recombination. An open-circuit voltage of 1.22 V and an efficiency of 8.46 % is demonstrated at 77 K. It is expected that a coherently strained MgCdTe/CdTe/MgCdTe DH solar cell design will produce higher efficiency and V_oc compared to the ZnTe/CdTe/MgCdTe design with relaxed ZnTe layer. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2014

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 thesis consists of two parts. Part 1 deals with the preparation of thin films and sub-micron powders of complex metal oxides by nebulized spray pyrolysis (NSP) and Part 2 consists of Brillouin scattering studies of solid materials exhibiting interesting phase transitions. The simple technique of NSP has been employed to prepare thin films of A12O3, PbTiO3, Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 (PZT) and PbZrO3 on single crystal substrate. The films were characterized by various techniques for their composition, structure, morphology and dielectric properties. Ferroelectric (FE) films of the configuration FE/LaNiO3/SiO2/Si (FE = PbTiO3 and PZT), wherein the LaNiO3 barrier electrode was also deposited on the SiO2/Si substrate by NSP, have been investigated. The films exhibit satisfactory ferroelectric properties. PbZrO3 films deposited on LaNiO3/SiO2/Si substrates show good features, including a reversible AFE ↔ FE transition. Sub-micron particles of TiO2, ZrO2, Pb(Zr0.5Ti0.5)O3, Al2O3, S1O2 and mullite have been prepared by NSP and characterized by various techniques. Brillouin scattering has been used, for the first time, not only to characterize the Peierls transition but also the incommensurate to commensurate transition in the one-dimensional blue bronze, K0.3M0O3. The charge density wave transition in NbSe2 has also been investigated by Brillouin scattering. The charge ordering and antiferromag-netic transitions in single crystals of the rare earth manganates, Nd0.5Ca0.5MnO3 and Pr0.63Ca 0.37MnO3, have been investigated by Brillouin scattering. It is noteworthy that the temperature variation of the Brillouin shift and intensity parallel to that of the magnetization, thereby throwing light on magnetic excitations in charge-ordered state. Brillouin scattering investigations of C60 and C70 films have yielded values of the elastic moduli.

Dans ce travail de thèse a été développé et étudié un nouveau type d'objet semiconducteur magnétique : des boîtes quantiques de CdMnTe insérées dans des nanofils de ZnTe/ZnMgTe constituant une structure de type cœur-coquille. L'objectif était d'étudier la croissance par épitaxie par jets moléculaires et les propriétés fondamentales de ces hétéro-structures complexes. Dans ce but deux aspects principaux ont été abordés : i) la qualité et le contrôle des propriétés structurales, électroniques et magnétiques de ces objets, grâce à une maîtrise de leur croissance et ii) l'obtention d'informations quantitatives locales sur la composition chimique de ces nanostructures inhomogènes. Pour atteindre ces objectifs, nous avons divisé notre étude en quatre étapes. La première étape de ce travail a été concentrée sur l'étude quantitative de la formation des particules d'or servant de catalyseurs à la croissance des nanofils. La seconde étape a porté sur l'analyse des mécanismes de croissance et des paramètres gouvernant la croissance des fils de ZnTe. En particulier deux types de fils ont été observés : des fils cylindriques de structure wurtzite et des fils coniques de structures zinc-blende. Un modèle de croissance guidée par la diffusion a été utilisé pour rendre compte de certains des résultats quantitatifs présentés dans cette partie. La troisième étape a concerné l'insertion de boîtes quantiques de CdMnTe dans des nanofils de structure cœur-coquille ZnTe/ZnMgTe. Une étude préalable des paramètres pertinents influençant les propriétés magnéto-optiques de ces objets, tels que le confinement de la boîte quantique, l'incorporation du Mn et l'anisotropie de contrainte créée par la structure, a été menée. La quatrième et dernière étape de ce travail a porté sur l'interprétation quantitative de mesures d'analyse dispersive en énergie effectuées sur des nanofils de structure cœur-multicoquille. Un modèle géométrique a été proposé, permettant de retrouver la forme, les dimensions et la composition chimique des boîtes quantiques et des coquilles. Cette étude a été couplée à des mesures de caractérisation telles que la cathodo-luminescence, la micro-photo-luminescence et la spectroscopie magnéto-optique effectuées sur le même nanofil. / In this PhD work a novel type of magnetic semiconductor object has been developed: Cd(Mn)Te quantum dots embedded in ZnTe/ZnMgTe core-shell nanowires. The goal was to investigate the growth, by molecular beam epitaxy, and the fundamental properties of these complex heterostructures. For that purpose, two main issues were addressed: i) gaining control of the structural, electronic and magnetic properties of these quantum objects by mastering their growth; and ii) obtaining quantitative local knowledge on the chemical composition of those non-homogeneous nanostructures. To tackle these topics, our research was divided into four stages. The first stage was devoted to perform a quantitative study of the formation process of the Au particles that catalyze the growth of nanowires. The second stage involved the analysis of the mechanisms and parameters governing the growth of ZnTe nanowires. In particular, two different types of nanowires were found: cone-shaped nanowires with the zinc-blende crystal structure and cylinder-shaped nanowires with the hexagonal wurtzite structure. A diffusion-driven growth model is employed to fit some of the quantitative results presented in this part. The third stage focused on the insertion of pure CdTe quantum dots containing Mn ions in the core-shell nanowires. An initial study of the relevant parameters influencing the magneto-optical properties of these objects, such as the quantum dot confinement, the Mn incorporation, and the strain anisotropy, was performed. The four and last stage of this work concerned the quantitative interpretation of Energy-Dispersive X-ray spectroscopy measurements performed on single core-multishell nanowires. A geometrical model was proposed to retrieve the shape, the size and the local composition of the quantum dot insertions and of the multiple layers of the heterostructures. This study was coupled to other complementary characterization measurements on the same nanowire, such as cathodo-luminescence, micro-photo-luminescence and magneto-optical spectroscopy.

The present work has been focused on the growth of Group III-nitride epitaxial layers and nanostructures on Si (111) substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Silicon is regarded as a promising substrate for III-nitrides, since it is available in large quantity, at low cost and compatible to microelectronics device processing. However, three-dimensional island growth is unavoidable for the direct growth of GaN on Si (111) because of the extreme lattice and thermal expansion coefficient mismatch. To overcome these difficulties, by introducing β-Si3N4 buffer layer, the yellow luminescence free GaN can be grow on Si (111) substrate. The overall research work carried out in the present study comprises of five main parts. In the first part, high quality, crack free and smooth surface of GaN and InN epilayers were grown on Si(111) substrate using the substrate nitridation process. Crystalline quality and surface roughness of the GaN and InN layers are extremely sensitive to nitridation conditions such as nitridation temperature and time. Raman and PL studies indicate that the GaN film obtained by the nitridation sequences has less tensile stress and optically good. The optical band gaps of InN are obtained between ~0.73 to 0.78 eV and the blueshift of absorption edge can be induced by background electron concentration. The higher electron concentration brings in the larger blueshift, due to a possible Burstein–Moss effect. InN epilayers were also grown on GaN/Si(111) substrate by varying the growth parameters such as indium flux, substrate temperature and RF power. In the second part, InGaN/Si, GaN/Si3N4/n-Si and InN/Si3N4/n-Si heterostructures were fabricated and temperature dependent electrical transport behaviors were studied. Current density-voltage plots (J-V-T) of InGaN/Si heterostructure revealed that the ideality factor and Schottky barrier height are temperature dependent and the incorrect values of the Richardson’s constant produced, suggests an inhomogeneous barrier at the heterostructure interface. The higher value of the ideality factor compared to the ideal value and its temperature dependence suggest that the current transport is primarily dominated by thermionic field emission rather than thermionic emission. The valence band offset of GaN/β-Si3N4/Si and InGaN/Si heterojunctions were determined by X-ray photoemission spectroscopy. InN QDs on Si(111) substrate by droplet epitaxy and S-K growth method were grown in the third part. Single-crystalline structure of InN QDs (droplet epitaxy) was verified by TEM and the chemical bonding configurations of InN QDs were examined by XPS. The interdigitated electrode pattern was created and (I-V) characteristics of InN QDs were studied in a metal–semiconductor–metal configuration in the temperature range of 80–300 K. The I-V characteristics of lateral grown InN QDs were explained by using the trap model. A systematic manipulation of the morphology, optical emission and structural properties of InN/Si (111) QDs (S-K method) is demonstrated by changing the growth kinetics parameters such as flux rate and growth time. The growth kinetics of the QDs has been studied through the scaling method and observed that the distribution of dot sizes, for samples grown under varying conditions, has followed the scaling function. In the fourth part, InN nanorods (NRs) were grown on Si(111) and current transport properties of NRs/Si heterojunctions were studied. The rapid rise and decay of infrared on/off characteristics of InN NRs/Si heterojunction indicate that the device is highly sensitive to the IR light. Self-aligned GaN nanodots were grown on semi-insulating Si(111) substrate. The interdigitated electrode pattern was created on nanodots using photolithography and dark as well as UV photocurrent were studied. Surface band gaps of InN QDs were estimated from scanning tunneling spectroscopy (STS) I-V curves in the last part. It is found that band gap is strongly dependent on the size of InN QDs. The observed size-dependent STS band gap energy blueshifts as the QD’s diameter or height was reduced.

Dans ce travail de thèse a été développé et étudié un nouveau type d'objet semiconducteur magnétique : des boîtes quantiques de CdMnTe insérées dans des nanofils de ZnTe/ZnMgTe constituant une structure de type cœur-coquille. L'objectif était d'étudier la croissance par épitaxie par jets moléculaires et les propriétés fondamentales de ces hétéro-structures complexes. Dans ce but deux aspects principaux ont été abordés : i) la qualité et le contrôle des propriétés structurales, électroniques et magnétiques de ces objets, grâce à une maîtrise de leur croissance et ii) l'obtention d'informations quantitatives locales sur la composition chimique de ces nanostructures inhomogènes. Pour atteindre ces objectifs, nous avons divisé notre étude en quatre étapes. La première étape de ce travail a été concentrée sur l'étude quantitative de la formation des particules d'or servant de catalyseurs à la croissance des nanofils. La seconde étape a porté sur l'analyse des mécanismes de croissance et des paramètres gouvernant la croissance des fils de ZnTe. En particulier deux types de fils ont été observés : des fils cylindriques de structure wurtzite et des fils coniques de structures zinc-blende. Un modèle de croissance guidée par la diffusion a été utilisé pour rendre compte de certains des résultats quantitatifs présentés dans cette partie. La troisième étape a concerné l'insertion de boîtes quantiques de CdMnTe dans des nanofils de structure cœur-coquille ZnTe/ZnMgTe. Une étude préalable des paramètres pertinents influençant les propriétés magnéto-optiques de ces objets, tels que le confinement de la boîte quantique, l'incorporation du Mn et l'anisotropie de contrainte créée par la structure, a été menée. La quatrième et dernière étape de ce travail a porté sur l'interprétation quantitative de mesures d'analyse dispersive en énergie effectuées sur des nanofils de structure cœur-multicoquille. Un modèle géométrique a été proposé, permettant de retrouver la forme, les dimensions et la composition chimique des boîtes quantiques et des coquilles. Cette étude a été couplée à des mesures de caractérisation telles que la cathodo-luminescence, la micro-photo-luminescence et la spectroscopie magnéto-optique effectuées sur le même nanofil. / In this PhD work a novel type of magnetic semiconductor object has been developed: Cd(Mn)Te quantum dots embedded in ZnTe/ZnMgTe core-shell nanowires. The goal was to investigate the growth, by molecular beam epitaxy, and the fundamental properties of these complex heterostructures. For that purpose, two main issues were addressed: i) gaining control of the structural, electronic and magnetic properties of these quantum objects by mastering their growth; and ii) obtaining quantitative local knowledge on the chemical composition of those non-homogeneous nanostructures. To tackle these topics, our research was divided into four stages. The first stage was devoted to perform a quantitative study of the formation process of the Au particles that catalyze the growth of nanowires. The second stage involved the analysis of the mechanisms and parameters governing the growth of ZnTe nanowires. In particular, two different types of nanowires were found: cone-shaped nanowires with the zinc-blende crystal structure and cylinder-shaped nanowires with the hexagonal wurtzite structure. A diffusion-driven growth model is employed to fit some of the quantitative results presented in this part. The third stage focused on the insertion of pure CdTe quantum dots containing Mn ions in the core-shell nanowires. An initial study of the relevant parameters influencing the magneto-optical properties of these objects, such as the quantum dot confinement, the Mn incorporation, and the strain anisotropy, was performed. The four and last stage of this work concerned the quantitative interpretation of Energy-Dispersive X-ray spectroscopy measurements performed on single core-multishell nanowires. A geometrical model was proposed to retrieve the shape, the size and the local composition of the quantum dot insertions and of the multiple layers of the heterostructures. This study was coupled to other complementary characterization measurements on the same nanowire, such as cathodo-luminescence, micro-photo-luminescence and magneto-optical spectroscopy.

Les semiconducteurs III-V ayant des propriétés électroniques et optiques très intéressantes, leur intégration sur Si permettrait la combinaison de fonctionnalités variées sur la même puce, une solution potentielle aux obstacles affrontés par les composants CMOS. Les travaux pionniers de McKee et al ont démontré que le SrTiO3 (STO) peut être directement épitaxié sur Si par EJM (Epitaxie par Jets Moléculaires). Plus tard, une équipe de Motorola a montré qu’il était possible d’épitaxier des couches minces de GaAs sur des templates de STO/Si, ouvrant une voie nouvelle pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Sur cette base, l’INL a entrepris l’étude de la croissance de semiconducteurs III-V sur STO. Il a notamment été montré que la faible adhésion caractéristique de ces systèmes favorisait un mode d’accommodation spécifique du désaccord paramétrique par la formation d’un réseau de dislocations confinées à l’interface entre les deux matériaux sans défauts traversant liés à une relaxation plastique, ce qui ouvre des perspectives intéressantes pour l’intégration monolithique de III-V sur Si. Dans ce contexte, lors de cette thèse, Nous nous sommes d’abord focalisé sur l’optimisation de la croissance des templates de STO/Si. Nous avons en particulier montré qu’une couche de STO relaxée et riche en oxygène favorisait la reprise de croissance de l’InP. Nous avons ensuite étudié de manière systématique la croissance d’InP sur STO. La faible adhésion caractéristique de ce système conduit à la formation d’îlots aux premiers stades de la croissance, ainsi qu’à l’observation d’une compétition entre plusieurs orientations cristallines de l’InP. Nous avons fixé des conditions de croissance et de préparation de la surface de STO permettant d’obtenir des îlots purement orientés (001). Nous avons ensuite optimisés l’étape de coalescence de ces îlots pour former des couches 2D d’InP intégrées sur STO/Si. Une étude structurale et optique complète de ces hétérostructures, nous a permis d’analyser le potentiel de notre approche et pointer certaines limitations des templates de STO/Si. Sur cette base, nous avons enfin initié l’étude de templates alternatifs pour la croissance d’InP, en effectuant quelques études préliminaires de l’épitaxie d’InP sur substrats de LaAlO3. / Due to their electrical and optical properties, the integration of III-V semiconductors on Si would open the path to the combination of a various functionalities on the same chip, a potential solution to the challenges faced by CMOS components. The pionner studies by McKee and al have shown that SrTiO3 (STO) could be directly epitaxied on Si by MBE (Molecular Beam Epitaxy). Few years later, a Motorola team has shown that it is possible to epitaxy thin GaAs layers on STO/Si templates, hence opening a new path for III-V monolithic integration on Si. Based on this, the INL has undertaken the study of III-V semiconductors growth on STO. In particular, it has been shown that the weak adhesion specific to these systems favors a preferential accommodation mode of the lattice mismatch by breaking interfacial bonds rather than by plastic relaxation of an initially compressed layer. Hence, it is possible in spite of a strong lattice mismatch to grow III-V semiconductors without threading defects related to a plastic relaxation mechanism, which opens interesting perspectives for IIIV monolithic integration on Si. In this context, during this thesis, we have focalised in the beginning on optimising the growth of the STO/Si templates. In particular, we have shown that a relaxed and oxygen-rich STO layer favors undertaking InP growth. Next, we have studied systematically the InP growth on STO. The weak adhesion specific to this system leads to islands formation at the early stages of growth, as well as the observation of a competition between different crystalline orientations of the InP islands. We have worked out STO growth conditions and surface preparation strategies that allow obtaining purely (001) oriented InP islands. We have next optimised the islands coalescence step in order to form 2D InP layers on STO/Si. Based on a complete structural and optical study of these heterostructures, we have been able to analyse our approach’s potential and to point out cetain limitations of the STO/Si templates. On this basis, we have finally initiated the study of alternative templates for InP growth, by undergoing some preliminary studies of InP epitaxy on LaAlO3 substrates.

Le développement de l’industrie microélectronique a été jusqu’à récemment essentiellement basé sur une augmentation régulière des performances des composants liée à une réduction toujours plus poussée de leurs dimensions dans la continuité de la loi de Moore. Cette évolution se heurte cependant aux limitations intrinsèques des propriétés physiques du couple silicium-silice sur lesquelles elle repose. La diversification des matériaux intégrés sur Si devient ainsi un enjeu majeur du développement de cette industrie. Dans ce contexte, les oxydes dits fonctionnels forment une famille de matériaux particulièrement intéressante : leurs propriétés physiques (ferroélectricité, ferromagnétisme, diélectricité, piézoélectricité, effet Pockels fort) ainsi que la possibilité de les combiner sous forme d’hétérostructures par épitaxie ouvrent la voie à la fabrication de composants innovants et ultraperformants pour des applications dans les domaines de la micro et de l’optoélectronique, de la spintronique, des micro-ondes et des MEMS. Ces oxydes, et plus spécifiquement ceux appartenant à la famille des pérovskites, sont classiquement épitaxiés par ablation laser (PLD), pulvérisation cathodique ou dépôt de vapeur chimique (CVD) sur des substrats de SrTiO3 (STO). Cependant, ces substrats sont inadaptés aux applications industrielles du fait de leur taille limitée au cm2 et de leur qualité structurale médiocre. Par ailleurs, définir une stratégie pour intégrer ces matériaux sur Si est indispensable pour le développement d’une filière susceptible d’avoir des débouchés applicatifs. Dans ce contexte, l’utilisation de l’épitaxie par jets moléculaires (l’EJM) pour la croissance de ces oxydes est particulièrement pertinente, puisque cette technique permet de fabriquer des couches minces monocristallines de STO sur Si et sur GaAs, ce qui ouvre la voie à l’intégration d’oxydes fonctionnels sur ces substrats via des templates de STO. Cependant, l’EJM est une technique peu mature pour la croissance des oxydes fonctionnels, et doit donc être développée pour cet objectif. C’est le but de ce travail de thèse, financé par un contrat CIFRE avec la société RIBER, équipementier pour l’épitaxie par jets moléculaires, et entrant dans le cadre d’un laboratoire commun entre RIBER et l’INL pour le développement de l’EJM d’oxydes fonctionnels. Nous présentons tout d’abord les développements techniques que nous avons menés autour d’un réacteur EJM « oxydes » prototype. Nous montrons notamment comment nous avons pu améliorer la fiabilité des sources d’oxygène, Sr, Ba et Ti nécessaires à l’épitaxie de matériaux clés que sont le STO et le BaTiO3 ferroélectrique. Nous montrons ensuite comment ces développements techniques nous ont permis de mieux comprendre et mieux maîtriser la croissance de templates de STO sur Si, et en particulier que la cristallisation du STO, initialement amorphe sur Si, est catalysée par un excès de Sr aux premiers stades de la croissance. Nous montrons comment il est possible de contrôler cet excès de Sr pour qu’il ne détériore pas la qualité des couches minces, et nous proposons d’une manière plus générale une étude de l’influence de la stoechiométrie de l’alliage sur ses propriétés structurales. Nous montrons également comment l’utilisation de notre source d’oxygène à plasma permet d’obtenir une oxydation satisfaisante des couches minces d’oxyde. Nous donnons enfin quelques exemples d’intégration sur Si d’oxydes fonctionnels (PZT piézoélectrique, BaTiO3 ferroélectrique) réalisés sur des templates de STO/Si. Nous avons enfin initié l’étude de la croissance par EJM de STO sur des substrats de GaAs et enfin, réaliser la première démonstration d’intégration de PZT ferroélectrique monocristallin sur GaAs. / The development of microelectronics industry has been, until recently, essentially based on the regular improvement of device performances thanks to the downscaling strategy as a continuity of Moore’s law. This evolution is now confronted to the intrinsic physical properties limitations of the material used in the silicon industry (Si and SiO2). Integrating different materials on silicon thus becomes a major challenge of industry development. In this context, functional oxides form a very interesting family of materials: their physical properties (ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity, strong Pockels effect) and the possibility to combine them (heterostructures) by epitaxy opens a way for fabricating innovating and high-performance components for applications in micro and optoelectronic, spintronic, micro-waves and MEMs… These oxides and specifically those belonging to the perovskite family are classicaly grown by Laser Ablation (PLD), sputtering or by chemical vapour deposition (CVD) on STO substrates. These substrates are inappropriate for industry applications due to their limited size (1cm²) and their relatively bad structural quality. On the other hand, defining a strategy for integrating these materials on silicon is essential for future applications. In this context, using molecular beam epitaxy (MBE) for the growth of oxides is particularly relevant since this technique allows fabricating monocristalline thin films of STO on Silicon and on GaAs, which open the way of integrating other functional oxides on this substrates via templates of STO. However, MBE is not a mature technique for functional oxides growth. The purpose of this PhD work, financed by a CIFRE contract with the RIBER Company, equipment manifacturer for molecular beam epitaxy, is to develop the growth of functional oxides by MBE. It enters into the framework of a joint laboratory signed between RIBER and INL In this work, we first present technical development performed on a prototype MBE reactor dedicated to oxide growth. We show by then how these technical developments allow a better understanding and control of the growth of STO on Si templates, in particular the crystallisation of initially amorphous STO on Silicon, which is catalysed by an excess of Sr at the first stage of the growth. We demonstrate how it is possible to control this Sr excess so that it does not affect the film quality. We propose a study of the effect of STO cationic stoechiometry on the structural properties. We also show how the use of a conveniently designed oxygen plasma source allows for obtaining good oxidation of the oxide thin films. Finally, we detail a few examples of integration of functional oxides (piezoelectric PZT, ferroelectric BTO) on templates STO/Si. We have also studied the growth of STO on GaAs substrates by MBE and we demonstrate the first integration of monocristalline ferroelectric PZT on GaAs.

La diversification des fonctionnalités intégrées dans les systèmes micro-optoélectroniques est l'un point clé du développement de ces filières. Combiner sur une même puce des matériaux ayant des propriétés différentes doit permettre de faire émerger de nouveaux concepts de composants basés sur de nouveaux effets physiques ou sur la combinaison des propriétés physiques des matériaux intégrés. Parmi les matériaux d'intérêt, les semi-conducteurs III-V présentent des propriétés optiques exceptionnelles et sont couramment utilisés pour réaliser des composants photoniques. Les oxydes fonctionnels, quant à eux, offrent une grande variété de propriétés physiques qui en font des matériaux très prometteurs pour de nombreuses applications. Dans ce contexte, l'objectif global de cette thèse est de démontrer la possibilité d'intégrer des oxydes fonctionnels cristallins sur des hétérostructures à base de GaAs par épitaxie, et de montrer que de telles structures peuvent présenter des propriétés nouvelles pour la photonique. Plus précisément, nous avons focalisé nos efforts sur l'intégration de couches minces de PZT sur des structures à puits quantiques InGaAs/GaAs via des couches tampons de SrTiO3 (STO). Nous avons étudié et développé la croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE) des templates de STO sur GaAs. La forte hétérogénéité entre ces deux types de matériaux nécessite d'avoir recours à des stratégies d'ingénierie d'interface spécifiques et à un excellent contrôle des paramètres de croissance. Nous avons mis en évidence les effets bénéfiques sur la qualité structurale du STO d'une préparation de la surface de GaAs au Ti. Pour ces études, nous avons utilisé la spectroscopie de photoélectrons (XPS, in-situ ou en collaboration avec la ligne TEMPO du synchrotron SOLEIL) et microscopie électronique en transmission (TEM, en collaboration avec le LPN). Ces expériences nous ont permis de sonder structure et chimie de l'interface semi-conducteur/oxyde. Nous avons également étudié les mécanismes de croissance et de cristallisation du STO sur GaAs, en mettant notamment en œuvre des expériences d'XPS in-situ au synchrotron SOLEIL. La compréhension de ces mécanismes spécifiques nous a permis d'adapter les conditions de croissance du STO et d'obtenir des couches tampons d'excellente qualité. Nous avons étudié la croissance de couches minces de PZT sur des structures à puits quantique d'In- GaAs/GaAs via des templates de STO. Nous avons tout d'abord montré que les procédés standards de croissance de PZT (sol-gel ou ablation laser (collaboration avec l'IEF)) conduisaient à de fortes dégradations des puits quantiques du fait des réactions chimiques entre l'oxyde et le matériau III-V. Nous avons étudié les mécanismes de ces dégradations et mis en évidence une forte affinité chimique entre l'As, le Pb et le Sr. Pour pallier cette difficulté, nous avons modifié le procédé de croissance du PZT ainsi que l'hétérostructure III-V (enfouissement du puits, ajout d'AlAs ...). Ces actions combinées nous ont permis de réaliser des couches minces de PZT ferroélectriques sur des structures à puits quantiques d'InGaAs/GaAs. Nous avons ensuite défini un design d'émetteur accordable basé sur une hétérostructure PZT/GaAs/InGaAs. De tels émetteurs ont été réalisés en collaboration avec l'IEF) et mesurés leurs propriétés mécaniques et optiques en effectuant des expériences sous champ. Enfin, nous avons effectué un certain nombre d'études préliminaires visant à démontrer la possibilité d'intégrer des hétérostructures à base de GaAs sur des substrats de Si recouverts de couches tampons de STO. Nous avons pour cela envisagé et étudié la possibilité d'utiliser des composés Zintl-Klemm d'interface susceptibles de minimiser l'énergie d'interface entre le GaAs et le STO. / Diversification of the materials and functionalities integrated on silicon is an important issue for further progression in the field of micro-optoelectronics. The monolithic heterogeneous integration of new materials on silicon, and more generally the combination on the same wafer of materials having different physical properties is a key challenge. Amongst the materials of interest, III-V semiconductors are the object of specific attention because their optoelectronic and transport properties are superior to those of silicon. Similarly, the so-called functional oxides have interesting physical properties (ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity, etc.) making them suitable for various applications (NVM, energy harvesters, MEMS . . . ). In this context, the goal of this thesis is to demonstrate the possible integration of crystalline functional oxides on GaAs-based heterostructures using epitaxy and that such structures show new properties for photonic. More precisely, we focused on integration PZT thin film on InGaAs/GaAs quantum wells structures thanks to SrTiO3 (STO) buffer layer. We first studied and developed the growth of STO on GaAs templates using molecular beam epitaxy (MBE). Because of the strong heterogeneity between the two materials, specific interface engineering strategies are required. We highlight the benefit of a Ti-based GaAs surface treatment on the structural quality of STO. For these studies we used photoelectrons spectroscopy (XPS, in-situ and collaboration with TEMPO beam line of SOLEIL synchrotron) and transmission electron spectroscopy (TEM, collaboration with LPN/C2N). Those experiments allowed us to probe both structural and chemical aspects of the semiconductor/ oxide interface. We also studied the growth mechanism of STO on GaAs through in-situ XPS experiments at SOLEIL. Thanks to the understanding of those specifics mechanisms, we could accommodate the growth conditions to obtain good quality STO buffer layers. Then we studied the growth of thin film PZT on InGaAs/GaAs quantum well structures by means of STO templates. We first showed that standard growth process (sol-gel and pulsed laser deposition at IEF/C2N) lead to strong deterioration of quantum well due to chemical reactions between the oxide and the III-V material. We studied the mechanisms involved in this deterioration and highlight the strong chemical affinity between As, Pb and Sr. To palliate this difficulty, the growth process of PZT has been modify and an AlAs “sacrificial” layers has been added in order to limit the oxygen difiusion into the substrate. Thanks to these two solutions, it has been possible to realize a PZT ferroelectric thin film on an InGaAs/GaAs quantum well heterostructure. A tunable source based on such heterostructure has been designed. In this device, the strain induced in the ferroelectric PZT by an electric field is transmitted to the substrate and the quantum well modifying its emitted wavelength. We simulated this device in order to optimize its dimensions. Then we realized this device (collaboration with IEF/C2N) and measured its mechanical and optical properties under an electric field. We also performed preliminary studies in order to demonstrate the possible integration of GaAs-based heterostructures on Si substrates in by the means of STO buffer layer. We considered the use of Zintl- Klemm compounds to minimize the interface energy between GaAs and STO allowing 2D growth of the semiconductor on the oxide.