This dissertation describes the development of III-nitride (III-N) bipolar devices for optoelectronic and electronic applications. Research mainly involves device design, fabrication process development, and device characterization for Geiger-mode gallium nitride (GaN) deep-UV (DUV) p-i-n avalanche photodiodes (APDs), indium gallium nitride (InGaN)/GaN-based violet/blue laser diodes (LDs), and GaN/InGaN-based npn radio-frequency (RF) double-heterojunction bipolar transistors (DHBTs). All the epitaxial materials of these devices were grown in the Advanced Materials and Devices Group (AMDG) led by Prof. Russell D. Dupuis at the Georgia Institute of Technology using the metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) technique. Geiger-mode GaN p-i-n APDs have important applications in DUV and UV single-photon detections. In the fabrication of GaN p-i-n APDs, the major technical challenge is the sidewall leakage current. To address this issue, two surface leakage reduction schemes have been developed: a wet-etching surface treatment technique to recover the dry-etching-induced surface damage, and a ledged structure to form a surface depletion layer to partially passivate the sidewall. The first Geiger-mode DUV GaN p-i-n APD on a free-standing (FS) c-plane GaN substrate has been demonstrated. InGaN/GaN-based violet/blue/green LDs are the coherent light sources for high-density optical storage systems and the next-generation full-color LD display systems. The design of InGaN/GaN LDs has several challenges, such as the quantum-confined stark effect (QCSE), the efficiency droop issue, and the optical confinement design optimization. In this dissertation, a step-graded electron-blocking layer (EBL) is studied to address the efficiency droop issue. Enhanced internal quantum efficiency (ɳi) has been observed on 420-nm InGaN/GaN-based LDs. Moreover, an InGaN waveguide design is implemented, and the continuous-wave (CW)-mode operation on 460-nm InGaN/GaN-based LDs is achieved at room temperature (RT). III-N HBTs are promising devices for the next-generation RF and power electronics because of their advantages of high breakdown voltages, high power handling capability, and high-temperature and harsh-environment operation stability. One of the major technical challenges to fabricate high-performance RF III-N HBTs is to suppress the base surface recombination current on the extrinsic base region. The wet-etching surface treatment has also been employed to lower the surface recombination current. As a result, a record small-signal current gain (hfe) > 100 is achieved on GaN/InGaN-based npn DHBTs on sapphire substrates. A cut-off frequency (fT) > 5.3 GHz and a maximum oscillation frequency (fmax) > 1.3 GHz are also demonstrated for the first time. Furthermore, A FS c-plane GaN substrate with low epitaxial defect density and good thermal dissipation ability is used for reduced base bulk recombination current. The hfe > 115, collector current density (JC) > 141 kA/cm², and power density > 3.05 MW/cm² are achieved at RT, which are all the highest values reported ever on III-N HBTs.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la cryptographie, et plus précisément de la cryptographie quantique. Le but est de concevoir un système permettant de transmettre simultanément une clé de cryptage et un signal horloge dans une même fibre optique (à la longueur d'onde des télécommunications soit 1550 nm) en essayant d'éviter les effets de la dispersion chromatique. En effet le signal représentant la clé de cryptage doit être réalisé sous forme d'impulsions fortement atténuées simulant des photons uniques et dans ces conditions il est nécessaire de disposer au niveau du détecteur d'un signal horloge donnant l'instant d'arrivée des impulsions. Nous fabriquons deux signaux de longueurs d'onde très proches (écart de 0,88 pm) grâce à un modulateur acousto-optique, chacune servant de porteuse à un des deux signaux. A la réception il est nécessaire de séparer ces deux longueurs d'ondes et pour cela un filtre basé sur un interféromètre de Fabry-Pérot a été conçu, réalisé, testé et mis en oeuvre au laboratoire. Puis nous avons aussi réalisé un photodétecteur basé sur une photodiode à avalanche, dont nous pouvons abaisser la température de fonctionnement jusqu'à environ 0°C. Le système a été entièrement réalisé et nous avons pu montrer la faisabilité de cette technique. Des améliorations restent à apporter en particulier sur la stabilité du filtre optique et sur le fonctionnement du détecteur en mode comptage de photons.

Realization of spectral responsivity scale was studied in three stages. Firstly, absolute optical power measurements using Electrical Substitution Cryogenic Radiometer (ESCR) was studied. The absolute measurements were done at discrete laser wavelengths of tunable Ar+ (488 nm and 514.5 nm), Nd:YAG (532 nm) and fixed He-Ne (632.8 nm) laser sources. To increase measurement accuracy the method used for the stabilization of laser beams, transmittance measurements of optical windows, and minimization of scattered beams were discussed. Secondly, realization of absolute responsivity scale between 350- 850 nm ranges was studied. The scale based on reflection type trap detectors consisting of three silicon photodiodes. Various measurement systems were established in order to make optical characterization of trap detectors like non-linearity, surface non-homogeneity, polarization dependency, reflectance, and internal quantum efficiency. The absolute responsivity was linked to the absolute optical power by measuring the current response of trap detectors to the absolute power measured by ESCR system at laser wavelengths. Using models for the trap detector&rsquo / s, reflectance and internal quantum efficiency the scale between 350- 850 nm ranges was realized with an uncertainty of 0.05 %. Finally, the spectral responsivity scale in ultraviolet (UV) and near-infrared (NIR) regions was realized using Electrically Calibrated Pyroelectric Radiometer (ECPR). Optically characterizing the spatial non-uniformity of pyroelectric detector and its surface reflectance, the spectral responsivity scale was established with uncertainties &plusmn / 0.5-1.0 % between 250 nm and 350 nm and &plusmn / 0.5-1.5 % between 850 and 2500 nm.

[Truncated abstract] Infrared photodiodes fabricated in HgCdTe achieve near-ideal performance, however, in comparison with other semiconductors, processing techniques for HgCdTe are expensive and have relatively low yields. Reactive-ion-etching (RIE) in a H2⁄CH4 gas mixture, a process primarily used for material removal, will cause p-to-n type conversion in HgCdTe. It has been shown, by several groups, that infrared photodiodes fabricated with a process technology based on RIE p-to-n type-conversion achieve high yields with state-of-the-art performance. For this technology to be accepted RIE formed n-on-p photodiodes must demonstrate junction stability under normal operating conditions. Along with a stable junction, a compatible passivation technology that is able to withstand processing and operation temperatures is required. This thesis investigates the RIE p-to-n type-conversion mechanism in HgCdTe with the aim of demonstrating bake stable RIE formed junctions, and gaining an insight to the processes by which RIE type-conversion occurs. In pursuing these aims, two complimentary objectives were required, namely, the development of a passivation technology compatible with RIE formed junctions, and the development of a detailed I-V/Rd-V model for HgCdTe photodiodes. As a result of these objectives, this thesis presents a double-layer ZnS on CdTe passivation technology with which stable RIE-formed n-on-p junctions in HgCdTe are demonstrated. Using this process technology, mid-wave infrared (MWIR) HgCdTe photodiodes have been fabricated and subjected to a bake in vacuum at 80°C for 175 hours, after which there is negligible degradation in the zero-bias Dynamic-Resistance Area product (RoA) from the pre-bake values

L’utilisation de photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP) pour une utilisation au sein d’imageur préclinique par tomographie d’émission par positrons est d’intérêt. En effet, l’utilisation de ces photodétecteurs intégrés au CMOS est poussée par leurs excellentes performances de résolution en temps ainsi que leur haute sensibilité. Cependant, l’utilisation de ces détecteurs nécessite également un circuit intégré de contrôle visant à protéger les photodiodes de courants trop élevés lors de déclenchement d’avalanches et de contrôler leurs temps mort. Ces circuits de plus en plus sophistiqués nécessitent un espace significatif diminuant ainsi la surface photosensible à la surface de la puce et diminuant leurs sensibilités. L’assemblage 3D puce-à-puce est donc nécessaire dans le but d’augmenter la surface photosensible et de ne pas limiter les fonctionnalités de contrôles électroniques individuelles à chaque PAMP. Ce document présente le développement d’un procédé d’assemblage 3D puce-à-puce visant l’intégration de matrices de PAMP. Les étapes de microfabrication nécessaires visent l’intégration d’interconnexions verticales au travers du substrat (TSV) permettant de transmettre les signaux d’une couche à l’autre et le collage 3D de ceux-ci. De plus, des mesures de caractéristiques de bruits ont été effectuées sur des puces ayant subi certaines étapes de microfabrication du procédé d’assemblage 3D. Ces mesures ont été effectuées dans le but de déterminer l’impact potentiel du procédé d’assemblage sur les performances des PAMP intégrés en 3D.

Nous présentons une caméra à balayage de fente intégrée basée sur un système de comptage de photon unique résolu en temps (TCSPC-SC) employant l'architecture linéaire « streak » pour surmonter la limitation de l'espace inhérent aux systèmes TCSPC bidimensionnels. Cette solution permet l'intégration de fonctionnalités électroniques complexes dans les pixels sans l'inconvénient d'un faible facteur de remplissage conduisant à une faible efficacité de détection. Le TCSPC-SC se compose de deux blocs principaux: une photodiode à avalanche (SPAD) et un bloc de mesure de temps, les deux blocs sont intégrés en technologie 180 nm CMOS standard. La structure de la SPAD utilisée a été sélectionnée parmi 6 structures différentes après un processus de caractérisation précise et approfondie. Le bloc de mesure du temps se compose d'un TOC hybride capable d'atteindre des résolutions de temps élevées et ajustables avec une large dynamique de mesure grâce à un système de conversion de temps (TOC) hybride qui combine l'approche analogique basée sur un convertisseur de temps vers amplitude(TAC), et les approches numériques utilisant une boucle à verrouillage de retard (DLL) et un compteur numérique. Le TOC hybride a été spécialement conçu pour être utilisé dans un système TCSPC qui intègre une ligne de TOC nécessitant ainsi une conception appropriée pour limiter la consommation d'énergie et la surface d'occupation et parvenir à une architecture flexible et facilement extensible. Suite à la conception et la réalisation de ces deux blocs dans une technologie180 nm CMOS standard, une structure de test de la caméra à balayage de fente (TCSPC-SC) qui englobe 8 unités a été réalisée dans le but final de mettre en œuvre un modèle TCSPC-SC complet et plus large. / In this work we present a TCSPC Streak Camera (TCSPC-SC) that takes advantage of the streak mode imaging ta overcome the space limitation inherent ta 20 TCSPC sensor arrays. This cost-effective solution allows the integration of complex functionalities in the pixel without the inconvenience of low fill factor that leads ta low detection efficiency. The TCSPC~SC consists of two main building blacks: a SPAD and a time measurement black bath integrated in 180 nm Standard CMOS technology. The SPAD was selected among 6 different SPAD structures following a thorough characterization process ta fully determine its performance figures. The time measurement black consists of a hybrid TOC capable of achieving high adjustable time resolutions with large dynamic range owing ta a time conversion scheme that combines traditional Analog Time to Amplitude Converter (TAC), Digital DLL-based and counter-based TOC. Furthermore, thehybrid TOC was especially designed ta be used in a TCSPC system that incorporates an array of TDCs which required a careful design ta limit power consumption and occupation area in order to achieve a flexible and easily scalable architecture. These two building blacks were bath fabricated in a 180 nm standard CMOS technology and employed ta demonstrate a TCSPC Streak Camera(TCSPC-SC) test structure that englobes 8 units in order ta demonstrate the system's operation principle with the final aim of implementing a complete and bigger TCSPC-SC model in the near future

Le développement d'un produit portable et performant, tout en limitant les coûts, répond à la croissance du marché de la détection biologique par la méthode de la biochimiluminescence. Cet outil de diagnostic d'hygiène et de qualité en temps réel in situ permet une meilleure sécurité, gestion des risques, traçabilité et surveillance des risques. Cet outil trouvera son application dans les domaines agroalimentaires, médicaux, pharmaceutiques, cosmétologiques, environnementaux (eau, air, surfaces), le tertiaire ou les collectivités. Les intérêts sont industriels, écologiques et économiques, et reflètent le désir de proposer un produit novateur et compétitif sur un marché en plein essor. En effet, la détection de certains contaminants est devenue une priorité dans la gestion des risques microbiologiques. La plupart des méthodes de diagnostic actuelles sont lentes, coûteuses, complexes, et limitées dans leur mise en uvre et leurs résultats. Le diagnostic étant essentiel dans tous les secteurs d'activité, il est impératif d'apporter des solutions alternati ves de détection et de quantification des germes pathogènes ou autre toxiques, par la conception de nouveaux outils d'analyse sur le terrain, en temps réel, avec une rapidité et une sensibilité élevées. Ceci passe par une étude fine des phénomènes de biochimiluminescence (BCL) et par la recherche des différents composants optoélectronique capables de détecter les faibles puissances lumineuses émises. Le projet de conception d'un luminomètre de terrain à base de photodiodes PIN ou avalanche, ou de photomultiplicateurs répond aux besoins de la détection et de la mesure de la puissance lumineuse rayonnée par des réactions spécifique ou non de biochimiluminescence. L'élaboration d'un appareil de mesure portable destiné à la quantification in situ de biomasse ou molécules à l'état de traces est nécessaire à l'exploitation des réactifs. En effet, les appareils existants fournissent une information en RLU (Relative Light Unit, unité arbitraire qui né cessite une comparaison à un étalon connu) et ne donnent pas une information quantifiée directe sur la concentration de l'élément recherché dans l'échantillon testé. Ils ne permettent donc pas d'optimiser la biochimiluminescence sur le terrain. L'objectif de ce travail est de mettre au point une alternative plus performante que les systèmes de détection actuels et qui soit moins onéreuse. / The development of a portable and efficient device, while reducing costs, meets the growing market for biological detection by the method of biochimiluminescence. This diagnostic tool of hygiene and quality in real time in situ allows for better security, risk management, traceability and risk monitoring.This tool will find application in the areas food, medical, pharmaceutical, cosmetic, environmental (water, air and surfaces), the tertiary or communities. Interests are industrial, environmental and economic, and reflect the desire to offer an innovative and competitive device in a booming market.Indeed, the detection of contaminants has become a priority in the management of microbiological hazards. Most current diagnostic methods are slow, costly, complex and limited in their implementation and their results.The diagnosis is essential in all industries, it is imperative to provide alternative solutions for the detection and quantification of pathogens or other toxic by the conception of new analytical tools in situ in real time with speed and high sensitivity. This requires a detailed study of biochimiluminescence (BCL) phenomena and the search for various optoelectronic components capable of detecting low power emitted light.The projet for the conception of a field-luminometer based on avalanche photodiodes, or PIN, or photomultiplier responds to the needs of detecting and measuring the light power radiated by reactions biochimiluminescence specific or not. The development of a portable measuring device for in situ quantification of biomass or molecules trace is necessary for the operation of the reactants.Indeed, existing devices provide information in RLU (Relative Light Units, arbitrary units implying a comparison to a known standard) and do not give a direct quantified information on the concentration of the desired item in the test sample. So, they do not optimize biochimiluminescence field. The objective of this work is to develop an alternative more efficient than current detection systems and is less expensive.

Master's thesis treat of optical connection. The aim of this work was also the practical implementation and successful testing. Communications signal is low frequency in the range of 20 to 15 kHz and intended length of the coupling is approximately 200 m. The first is the work carried out theoretical analysis issues. Then is described the design and implementation of its own facility. In conclusion, the measurement is done and evaluate the parameters. I have dealt the optical connection with using a laser beam that is modulated frequency modulation. This optical signal is converted in the receiver using a PIN photodiode (type PIN) back to the electrical signal. Then there is the demodulation and amplification. The frequency modulator and demodulator is phase lock loop. It realizes the type of circuit CMOS 4046. The work is designed properly functioning equipment. It serves for the transmission of speech and audio signal line. It has good properties that match the criteria. The connection can be used outdoors due to the use of cover. The scope of communication may be even greater than 200 meters

This dissertation thesis deals with a long range free space optical links for communication over the distance of few tens of kilometers in the atmosphere. The problematic of the beam propagation and atmospheric effects influencing the beam and the quality of the communication protocol are discussed. The measuring link is also designed to study the parameters of the communication link work conditions. The measuring link consists of two heads. The transmitter head is designed to use two optical beams with laser diodes at the wavelength of the atmospheric windows 850 or 1550 nm and the overall power of hundredths of mW. The receiver head includes the Fressnel lens. For the detection of very weak signal, the avalanche photodiode is used. In the end of this work, due to the high power of the transmitting optical beam, the laser safety conditions are also discussed, including the deduced optical transmitters construction recommendations.

This work is focused on free space optical communication in visible electromagnetic spectrum known as visible light communication (VLC). Basic parameters of standard IEEE 802.15.7, advantages and disadvantages are discussed in the theoretical part of this work. Furthermore, optical link and it´s parts are described. The largest part of the work is focused on design and simulation of optical receiver for visible spectrum. Selection of component, noise and SNR calculation is discussed as well. This work also includes calculation of power energy in different parts of optical connection, PCB design of optical receiver, transmitters and power supply and output board. Behavior and parameters of electronic circuits, components and optical connection are explored, measured and compared with theoretical values.