Universiẗat, Diss., 2004--Bremen.

Univ., Diss., 2002--Kassel

Th. doct.-ing.--Électronique--Grenoble--I.N.P., 1981. N°: DI 234.

Résumé en français / Résumé en anglais

Ces dernières années, la consommation énergétique n’a cessé de s’accroitre. Pour contrer cela, les systèmes de conversion électrique se doivent d’être plus performants, d’améliorer les rendements tout en limitant l’encombrement des systèmes, réduisant ainsi les matières premières utilisées. Parmi les systèmes de conversion efficaces, le correcteur du facteur de puissance et sa diode "boost" assurent un rendement de conversion d’environ 95 %. Ces travaux de thèse s’intéressent à la réalisation de ce type de diode en utilisant un matériau différent du traditionnel silicium, le nitrure de gallium (GaN), ce qui pourrait permettre d’atteindre des rendements de conversion supérieurs à 98 %. Le GaN est épitaxié sur Si et des diodes Schottky sont réalisées à sa surface. Des protocoles expérimentaux ont été mis en place en vue d’optimiser leurs performances, notamment la réduction des densités de courant de fuite. / These past few years, energy consumption has continued to increase. To counter this, the power conversion systems need to be more efficient, to improve yields while limiting systems volume, which reduce raw materials. Among efficient conversion systems, the power factor corrector and its "boost diode" provide a conversion efficiency of about 95%. This work concerned with the realization of this type of diode using a different material from the traditional silicon, the gallium nitride (GaN), which could allow higher conversion efficiencies of 98% to be achieved. GaN is grown up on Si and Schottky diodes are made on its surface. Experimental protocols were implemented in order to optimize their performance, especially the reduction of leakage current densities. Two research areas were defined: surface treatments and the realization of the guard ring. Our results showed that the different surface preparations either by wet or plasma can reduce leakage current.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude par spectroscopie Raman de nanofils de silicium isolés fabriqués par CVD. L'analyse des spectres Raman indique la présence à la fois des phases du silicium cristallin (cSi) -520 cm-l et amorphe (aSi) - 470 cm-l qui forment une structure cœur-coquille (cSi-aSi). La température de Tcsi < Tasi est déterminée en fonction du rapport des intensités Stokes/anti-Stokes, de la position et de la largeur à mi-hauteur des pics Raman, On montre que le cœur des nanofils est en bon contact thermique avec le substrat, favorisant l'évacuation de chaleur. L'asymétrie de type Fano du pic à 520 cm-l permet en outre d'estimer le dopage au bore des nanofils silicium, de l'ordre de 10*19 cm-3. Dans la deuxième partie, une nouvelle approche d'assemblage de nanofils à partir de suspensions liquides est présentée. Elle est basée sur un dispositif de micro-pompe par diélectrophorèse à champ propagatif qui génère la polarisation à quadrature de phase par dispersion structurelle entre l'isolant capacitif de la matrice d'électrodes et le liquide faiblement conducteur. La spectroscopie d'impédance est utilisée, afin de détenniner la fréquence de croisement et de maximiser l'effet de pompage. La propagation et rotation des nanofils sont observées et interprétées en termes d'une compétition entre forces de pompage, de piégage et d'entraînement visqueux. Dans la troisième partie, une procédure de préparation des structures à nanofils suspendus basée sur la diélectrophorèse statique est présentée. Ces structures permettent (1) la réalisation de systèmes nanoélectromécaniques suspendus (e.g. pour biocapteurs) (2) pour tester le comportement de nanofils suspendus en tant que transistors, en couplage directement avec la spectrométrie Raman (variations de l'asymétrie de type Fano du pic 520cm-l en fonction de la tension de grille). / This work is divided into three sections. The fist part deals with the results of Raman scattering of well-separated silicon nanowires (SiNW) grown by CVD method and deposited on an Au surface. The Raman spectra analysis indicates the presence of two silicon phases: crystalline (cSi) - 520 cm-l and amorphous (aSi) - 470 cm-l, forming core (cSi) - shell (aSi) structure. The Raman spectra have been acquired from three points along cone shaped nanowires: base, centre and tip. Based on the Stokes/anti-Stokes intensity ratios, the position and full width at half maximum of the Raman peaks, temperatures of the Tasi > Tcsi was determined. It suggests that the nanowire cSi core is in a good thermal contact with the metallic substrate, thus improving the heat evacuation of the SiNW core, for which the thermal conductivity is known to be low. Additionally a boron doping of SiNW from Fano-like asymmetry of the peak at 520 cm-l was estimated at 10*19 cm-3. ln the second part a new approach to SiNWs manipulation is presented. At the beginning the travelling wave dielectrophoresis (twDEP) micro liquid pump design and work principle is presented. Our device is used to simultaneously pump a weakly ionic NW suspension and to trap and to rotate NWs. The rotation is out-of-plane with respect to the electrodes. To maximize liquid pumping the cross-over frequency of the RC replacement circuit representing the liquid conductivity and the insulating layer covering the electrodes was determined by impedance spectroscopy. The observed propagation and rotation of nanowires is explained by means of a frequency dependent competition between trapping and drag forces. ln the third part a procedure, based on static DEP, to prepare a suspended nanowire structures is presented. They are used for: (1) nanoelectromechanical systems (e.g.for a biosensor); (2) nanowire field effect transistor coupled to Raman spectrometer (to observe a change in asymmetry of Fanolike 520cm-1 peak in function of the gate voltage).

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'avènement de la photonique intégrée a attiré beaucoup de recherche et d'attention industrielle au cours des deux dernières décennies, plusieurs croyant qu'il s'agit d'une révolution équivalente à la microélectronique. Tout en tirant parti des procédés de fabrication de masse hérités de la microélectronique, la photonique sur silicium est compacte, éconergitique et permet l'intégration complète de dispositifs et de circuits photoniques à l'échelle nanométrique pour des applications cruciales dans les télécommunications, la détection et le calcul optique. À l'instar des débuts de la microélectronique, les efforts de recherche actuels en photonique sur silicium sont principalement consacrés à la proposition, à la conception et la caractérisation de composants standardisés en vue d'une éventuelle intégration de masse dans des circuits photoniques. Les principaux défis associés à ce développement comprennent la complexité de la théorie électromagnétique dans le fonctionnement des dispositifs, les variations et les non-uniformités du procédé de fabrication limitant les performances, et les ressources informatiques considérables nécessaires pour modéliser avec précision des circuits photoniques complexes. Dans ce mémoire, ces trois limitations sont abordées sous forme de contributions de recherche originales. Basées sur des dispositifs photoniques sur silicium et l'apprentissage machine, les contributions de ce mémoire concernent toutes les réseaux de Bragg intégrés, dont le principe de fonctionnement de base est la réflexion optique sélective en fréquence. Premièrement, un nouveau filtre optique double-bande basé sur les réseaux de Bragg multimodes est introduit pour des applications dans les télécommunications. Deuxièmement, une nouvelle architecture de filtre accordable basée sur un coupleur contra-directionnel à étage unique avec un dispositif de micro-chauffage segmenté permettant des profils de température arbitraires démontre une accordabilité de la bande passante record et des capacités de compensation des erreurs de fabrication lorsqu'opérée par un algorithme de contrôle. Troisièmement, un modèle d'apprentissage machine basé sur un réseau de neurones artificiels est introduit et démontré pour la conception de coupleurs contra-directionnels et le diagnostic de fabrication, ouvrant la voie à la production de masse de systèmes photoniques intégrés basée sur les données. / The advent of integrated photonics has attracted a lot of research and industrial attention in the last two decades, as it is believed to be a hardware revolution similar to microelectronics. While leveraging microelectronics-inherited mass-production-grade fabrication processes for full scalability, the silicon photonic paradigm is compact, energy efficient and allows the full integration of nano-scale optical devices and circuits for crutial applications in telecommunications, sensing, and optical computing. Similar to early-day microelectronics, current research efforts in silicon photonics are put toward the proposal, design and characterization of standardized components in sights of eventual black-box building block circuit design. The main challenges associated with this development include the complexity of electromagnetic theory in device operation, the performance-limiting fabrication process variations and non-uniformities, and the considerable computing resources required to accurately model complex photonic circuitry. In this work, these three bottlenecks are addressed in the form of original research contributions. Based on silicon photonic devices and machine learning, the contributions of this thesis pertain to integrated Bragg gratings, whose basic operating principle is frequency-selective optical transmission. First, a novel dual-band optical filter based on multimode Bragg gratings is introduced for applications in telecommunications. Second, a novel tunable filter architecture based on a single-stage contra-directional coupler with a segmented micro-heating device allowing arbitrary temperature profiles demonstrates record-breaking bandwidth tunability and on-chip fabrication error compensation capabilities when operated by a control algorithm. Third, an artificial neural network-based machine learning model is introduced and demonstrated for large-parameter-space contra-directional coupler inverse design and fabrication diagnostics, paving the way for the data-driven mass production of integrated photonic systems.

Puisqu’ils offrent la possibilité d’intégrer monolithiquement un grand nombre de composants à un faible coût, les circuits intégrés photoniques (CIPs) sont devenus une plateforme de choix pour la réalisation de capteurs optiques sur puce. Cette thèse propose, puis démontre l’utilisation de CIPs sur silicium pour la réalisation de polarimètres et de spectro-polarimètres sur puce. Dans le premier chapitre, nous présentons un séparateur de polarisation utilisant un réseau de nano-antennes en forme d’arêtes de poisson sur silicium. Nous montrons également qu’une structure de la sorte est en mesure de séparer deux états de polarisation arbitraires qui sontorthogonaux entre-eux. De plus, nous avons amélioré le précédent modèle théorique existant pour y inclure ce phénomène. Dans le second chapitre, nous présentons et démontrons de façon expérimentale un polarimètre intégré sur silicium qui requiert 6 photodétecteurs (6-PDs). Ici, la structure optimale veut dire que, pour un niveau de bruit donné, cette structure permet d’obtenir l’état de polarisation avec la précision la plus élevée. Nous démontrons également de façon théorique que cette configuration proposée peut maintenir un état optimal sur une plage de longueur d’onde de100 nm. Dans le troisième chapitre, nous proposons une jonction en « Y » paramétrisée dont le ratio de séparation de puissance peut être choisi avant la fabrication, lors de la conception. Sur une plage de longueur d’onde de 100 nm, les pertes de puissance de la jonction sont inférieuresà 0.36 dB, et ce, pour tout ratio arbitraire de séparation de puissance. De plus, sa taille de1.4 µm × 2.3 µm le rend très compact.Au chapitre 4, nous proposons un polarimètre optimal composé de quatre photodétecteurs(4-PDs) possédant ces propriétés à partir de la jonction en « Y » proposée au chapitre 3. Un polarimètre non-optimal est fabriqué de manière à montrer la différence entre celui-ci et le cas optimal. Les résultats expérimentaux montrent que l’erreur de reconstruction du composant optimal est inférieure de 44 % à celle du composant non-optimal.Dans le cinquième chapitre, nous proposons et faisons la démonstration d’un spectro- polarimètre réalisé intégralement sur puce. Afin de permettre une analyse spectro-polarimétrique iiicomplete, quatre micro-résonateurs à effet Vernier compacts sont intégrés monolithiquement avec un polarimètre large-bande. Le composant optique proposé offre une solution de spectropolarimétrie sur semi-conducteur tout en gardant une taille très compacte de 1 × 0.6 mm2et une faible consommation de puissance de 360 mW. La détection spectrale pour tous les composants de Stokes est démontrée sur une large plage de longueur d’onde de 50 nm, et ce avec une résolution de 1 nm par la caractérisation d’un matériau possédant une chiralité structurelle. / The ability to monolithically integrate numerous components in low-cost, photonic integratedcircuits (PICs) has become a hot topic in the research for realizing on-chip optical measurement. In this thesis, we propose and demonstrate two on-chip polarimeters and an on-chipspectropolarimeter using silicon PICs.In the first chapter, we investigate the optical properties of the silicon fishbone nanoantennaarray. We found that this type of structure can be used to identify any two arbitrary orthogonalpolarization states. The previous theoretical model was also improved upon in order to explainthis phenomenon.In the second chapter, we propose and experimentally demonstrate a silicon polarimeter whichrequires six photodetectors. We also theoretically demonstrate that the proposed configurationcan maintain an optimal state over a wavelength range of 100 nm. Here, the optimal structuremeans that for a given noise, the structure would allow for the highest and polarizationindependent accuracy of the polarization state measurement to be obtained.In the third chapter, we propose a parameterized Y-junction whose arbitrary power splittingratio can be selected in layout design. For an arbitrary power splitting ratio, its excess losscan keep below 0.36 dB over a wavelength range of 100 nm. Moreover, this device has anultra-compact footprint of 1.4 µm × 2.3 µm.Based on the Y-junction proposed in chapter 3, the fourth chapter proposes an optimal siliconphotonic polarimeter that only requires four photodetectors and its configuration is optimal.A non-optimal device is fabricated to show the difference between optimal and non-optimaldevices. The experimental results indicate that the reconstructed error of the optimal deviceis 44% lower than that of the nonoptimal device.In the fifth chapter, a completely chip-level spectropolarimeter is proposed. Four compactVernier microresonator spectrometers are monolithically integrated with a broadband polarimeter to achieve full-Stokes spectropolarimetric analysis. The proposed device offers asolid-state spectropolarimetry solution with a small footprint of 1 × 0.6 mm2 and low powerconsumption of 360 mW. Full-Stokes spectral detection across a broad spectral range of 50 nmwith a resolution of 1 nm is demonstrated in characterizing a material that possesses structuralvchirality.

La photonique sur silicium s'est établie comme plate-forme de choix pour le développement de systèmes photoniques abordables et ultra-compacts pouvant être fabriqués en masse et co-intégrés avec la microélectronique. Ces avantages contrastent avec les propriétés optiques imparfaites du silicium, créant une incertitude quant à la pertinence de la plate-forme face aux matériaux émergents qui promettent de meilleures performances pour des tâches spécifiques. Toutefois, ces matériaux émergents accusent un retard de développement face aux avancées rapides du silicium en matière de techniques de fabrication, de méthodes de conception et de maturité des composants. L'intégration hétérogène de matériaux émergents avec le silicium combine le meilleur des deux mondes : une solution aux limitations du silicium et un parcours de développement accéléré pour les nouveaux matériaux. L'étude des méthodes, des matériaux et des composants se rapportant à l'intégration hétérogène est un sujet riche trouvant application dans plusieurs domaines technologiques importants. La recherche réalisée dans cette thèse contribue au domaine de l'intégration hétérogène pour la plate-forme silicium-sur-isolant (SOI) avec une emphase sur les matériaux amorphes. Nos six contributions abordent divers sujets passant de la photonique athermique à la science des couches minces et culminent en une œuvre qui établit de nouvelles techniques, de nouveaux composants, de nouveaux matériaux et de nouveaux concepts. Dans notre première contribution, nous introduisons le verre de chalcogénure As₂₀S₈₀ comme matériau pour la compensation thermique des guides d'ondes en silicium. Contrairement aux démonstrations antérieures, l'indice élevé, les faibles pertes du film et sa capacité à être recoulé aboutissent en un guide d'ondes hybride à faible perte. Ces résultats s'ajoutent à la courte liste de matériaux pour la photonique athermique et démontre la possibilité d'obtenir à la fois un haut facteur de qualité et une bonne stabilité thermique dans un microrésonateur de silicium. Dans notre deuxième contribution, nous itérons sur nos travaux précédents pour démontrer l'usage des guides à réseaux sous-longueur d'onde afin d'améliorer l'interaction matière-lumière des guides hybrides As₂₀S₈₀-Si. L'ajout de degrés de liberté permet d'atteindre une compensation thermique presque parfaite avec un coefficient thermique du guide d'ondes réduit à −2.93 × 10⁻⁶ RIU/K. De plus, nous démontrons la possibilité de recouler le verre afin d'éliminer les vides d'air formés lors de la déposition de la gaine. Dans notre troisième contribution, nous présentons une nouvelle technique pour fabriquer des guides d'ondes de chalcogénure sans gravure directement couplés à des guides d'ondes de silicium. La technique est basée sur le remplissage de microsillons, où des ouvertures sont gravées dans la gaine d'oxyde jusqu'à la couche de silicium. Un recuit au-delà de la température de transition vitreuse permet d'induire le démouillage de la couche mince et mène à la formation d'un guide d'ondes rectangulaire lisse avec de faibles pertes de propagation de 0.7 dB · cm⁻¹. Dans notre quatrième contribution, nous utilisons la méthode de remplissage de microsillons afin d'intégrer pour la première fois l'oxyde de tantale avec le silicium. L'avantage de l'oxyde de tantale est souligné par la démonstration de microrésonateurs ayant une excellente stabilité thermique sur une bande passante record de 120 nm. Les propriétés linéaires et non linéaires exceptionnelles de l'oxyde de tantale suggèrent que ces microrésonateurs hybrides pourront trouver plusieurs applications futures. Dans notre cinquième contribution, nous proposons et démontrons de façon numérique et expérimentale que le remplissage de microsillons est une méthode d'intégration hétérogène universelle pouvant accommoder une très grande variété de matériaux amorphes. Par ailleurs, nous démontrons des microrésonateurs de chalcogénures ultra-compacts à haut facteur de qualité afin de supporter le fait que cette méthode ne compromet pas la densité d'intégration de la plate-forme SOI. Nous concluons ce chapitre avec une preuve de concept pour un nouveau guide d'ondes multi-couches rendu possible par la méthode de remplissage de microsillons. Finalement, dans notre sixième contribution, le phénomène du démouillage dans les couches minces est étudié plus en détails et appliqué au développement de composants photoniques auto-assemblés à très faible pertes. Nous présentons les résultats d'un étude expérimentale approfondie de l'effet d'un recuit à haute température sur les properties des films de As₂₀S₈₀, démontrant, entre autres, qu'il est possible d'atteindre des rugosités de surface d'échelle atomique avec cette méthode. Ce résultat suggère que le démouillage pourrait jouer un rôle important en photonique à pertes ultra-faibles puisque que le phénomène permet de diminuer la source de perte principale, la diffusion causée par la rugosité de surface. Ce potentiel est mis de l'avant par la démonstration d'un facteur de qualité record (4.7 × 10⁶) dans un microrésonateur planaire de chalcogénure. / Silicon photonics is the platform of choice for the development of low-cost and ultra-compact photonic systems that can be manufactured in high volume and co-integrated with micro-electronics. These advantages contrast with silicon imperfect optical properties, leading the platform to be challenged by emerging materials that promise improved performances for specific tasks. However, emerging platforms struggle to catch up with the rapid advances in silicon photonics fabrication techniques, design methods and components maturity. The heterogeneous integration of emerging materials with silicon provides the best of both worlds: a solution to silicon's limitations and an accelerated development path for novel materials. The study of heterogeneous integration methods, materials and devices is a rich topic with applications in many technologically important fields. The research conducted in this thesis contributes to the field of heterogeneous integration for the silicon-on-insulator (SOI) platform, with a focus on amorphous materials. Our six contributions touch on various topics from athermal photonics to thin-film science and culminates in a body of work that establishes novel techniques, components, materials and concepts. In our first contribution, we introduce the chalcogenide glass As₂₀S₈₀ as a material for thermal compensation in silicon photonics. In contrast with previous demonstrations, the high-index, low film loss and ability to reflow results in low-loss hybrid waveguides. These results add to the problematically short list of materials for athermal silicon photonics and show the possibility of achieving both high quality factor and thermal stability in a silicon microresonator. In our second contribution, we iterate on the first contribution and demonstrate the use of subwavelength grating waveguides to improve the light-matter interaction in hybrid As₂₀S₈₀-Si waveguides. The added degrees of freedom result in a nearly perfect thermal compensation with a waveguide thermo-optic coefficient reduced to −2.93 × 10⁻⁶ RIU/K. Moreover, we show that the soft chalcogenide glass can be reflowed at CMOS compatible temperature to fill the air voids that are systematically formed in the cladding. In our third contribution, we present a novel fabrication technique for etchless chalcogenide waveguides directly coupled to silicon waveguides. The technique is based on micro-trench filling, where oxide opening windows are etched in the silica cladding down to the silicon waveguide layer. An annealing step beyond the glass transition temperature induce dewetting of the thin-film and leads to the formation of smooth rectangular strip waveguides with low propagation loss of 0.7 dB · cm⁻¹. In our fourth contribution, we use the micro-trench filling method to integrate tantalum pentoxide with silicon for the first time. The advantage of using tantala is highlighted through the demonstration of microresonators with excellent thermal stability over a record bandwidth of more than 120 nm. The exceptional linear and nonlinear properties of tantala suggest many more applications for these hybrid microresonators. In our fifth contribution, we propose and demonstrate, through numerical and experimental validation, that the micro-trench filling technique is a universal heterogeneous technique compatible with a very large variety of amorphous materials. Furthermore, we demonstrate high quality factor, ultra-compact chalcogenide microresonators to support the fact that this method does not compromise SOI integration density. This chapter is concluded by a proof-of-concept for a novel multilayer waveguide geometry enabled by the micro-trench filling technique. Finally, in our sixth and last contribution, the dewetting phenomenon is further investigated for the development of self-assembled ultra-low-loss integrated photonics components. We present the results of an in-depth experimental study of the effect of high-temperature annealing on the properties of As₂₀S₈₀ thin-films, showing, among other things, that it is possible to reach atomic-scale surface roughness using this method. This result suggests that dewetting could play a role for future ultra-low-loss photonics since it alleviates the dominant source of loss. This potential is highlighted by demonstrating the highest quality factor (4.7 × 10⁶) in a compact chalcogenide microresonator.