L’objectif de cette thèse est de moduler le transport électrique dans des nanofils de GaAs par effet piézoélectrique ou ferroélectrique. Pour cela, une étude préliminaire des propriétés électriques et mécaniques des nanofils est nécessaire. C’est donc le premier pas vers la fabrication de nouveaux dispositifs, tels que le transistor ferroélectrique à nanofil unique ou le nanogénérateur piézotronique. Le premier chapitre de ce travail est consacré à l’élaboration par épitaxie par jets moléculaires de nanofils autocatalysés de GaAs sur Si (111). L’optimisation des paramètres de croissance a permis la première fabrication de nanofils ultra-longs de GaAs de 80 μm, jamais mis en évidence par cette méthode de croissance à notre connaissance par le passé. Une étude de leur cinétique de croissance ainsi que de leurs propriétés structurales et optiques est présentée. Les deux chapitres suivants s’intéressent aux caractérisations électriques et mécaniques de ces nanofils de GaAs. Il a été montré que ces derniers présentent des propriétés de conduction tout à fait intéressantes et les caractéristiques mécaniques attendues pour de tels nanofils. Le dernier chapitre présente une étude préliminaire des couplages avec la piézoélectricité et la ferroélectricité. La piézoélectricité des nanofils de GaAs est tout d’abord examinée. On présente ensuite le couplage avec une matrice piézoélectrique de P(VDF-TrFE). Il a enfin été mis en évidence une modulation du transport dans un nanofil grâce à l’orientation de la polarisation de la couche ferroélectrique de PZT. / The aim of this thesis is to modulate the electrical transport in GaAs nanowires by piezoelectric or ferroelectric effect. To perform this, a preliminary study of electrical and mechanical properties of these nanowires is required. It is the first step towards the elaboration of new devices as nanowire ferroelectric transistor or piezotronic nanogenerator. First chapter is dedicated to elaboration by molecular beam epitaxy of self-catalyzed GaAs nanowires on Si (111). By optimization of growth parameter, we managed the first growth ultra-long nanowires, with length up to 80 μm by this elaboration technic. Growth kinetic and crystallographic and optical properties of these nanowires has been highligth. The two following chapters are focused on electrical and mechanical characterizations of theses nanowires. It has been shown that theses nanowires have interesting conduction properties and expected mechanical behaviour. The last chapter presents a preliminary study of coupling with piezoelectricity and ferroelectricity. First of all, piezoelectricity in GaAs nanowires is observed. Then, we present coupling with a piezoelectric matrix of P(VDF-TrFE). Finally, we proved a modulation of the transport by polarization orientation of a ferroelectric PZT thin film.

L’objectif de cette thèse est de développer un réseau de nanofils GaAs (coeur) / oxyde (coquille) pour la photoélectrolyse de l'eau. Pour cela, la géométrie des nanofils GaAs a été d’abord optimisée en ajustant différents paramètres expérimentaux de la croissance auto-catalysée de ces nanofils par Épitaxie par Jets Moléculaires. Nous avons ensuite étudié systématiquement l'oxydation de surface des nanofils GaAs et son effet négatif sur la croissance de la coquille. Nous avons donc développé une méthode dite d'encapsulation / désencapsulation d'une couche d'arsenic (As) amorphe qui protège les facettes des NFs de l'oxydation. Une étude physico-chimique a montré l'effet bénéfique d'une telle méthode sur la croissance de la coquille. La croissance d'une coquille de SrTiO3 sur des nanofils de GaAs a ensuite été réalisée. Des caractérisations approfondies de la croissance de la coquille de SrTiO3 sur les NFs de GaAs ont été réalisées. La plus grande partie de la structure pérovskite SrTiO3 était en relation d'épitaxie avec le réseau cristallin de GaAs. La dernière partie de cette thèse concerne l’utilisation de tels réseaux de nanofil GaAs / oxyde pour les dispositifs PEC où l'oxyde sert de couche de passivation. L'influence du dopage et de la morphologie des nanofils GaAs a d'abord été étudiée. Les propriétés des réseaux de nanofils de GaAs / SrTiO3 et de GaAs / TiO2 servant de photoélectrodes dans des dispositifs PEC sont étudiées. / The objective of this PhD is to develop the network of GaAs (core) / oxide (shell) nanowires for solar water splitting. The geometry of the GaAs nanowires was firstly optimized by adjusting different experimental parameters of the self-catalyzed growth of these nanowires by molecular beam epitaxy. We then systematically studied the surface oxidation of the GaAs nanowires and its negative effect on the growth of the shell. We have therefore developed a method called the arsenic (As) capping / decapping method that protects the facets of nanowires from the oxidation. A physico-chemical study has shown the beneficial effect of such a method on the growth of the shell. The growth of a SrTiO3 shell on GaAs nanowires was then performed. In-depth characterizations of SrTiO3 shell growth on GaAs nanowires were carried out. Most of the SrTiO3 perovskite structure was in epitaxial relationship with the GaAs crystalline lattice. The last part of this thesis concerns the application of such GaAs / oxide nanowire networks to PEC devices where the oxide serves as a passivation layer. The influence of the doping and the morphology of GaAs nanowires was first studied. The properties of GaAs / SrTiO3 and GaAs / TiO2 nanowire networks used as photoelectrodes in PEC devices are finally studied.

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The porous layers were formed on n and p-type GaAs (100) oriented wafers, which were doped with Cr and Zn. The resulting holes concentration in bulk was equal n - 1014 cm-3 and p - 1018 cm-3. The porous layers were formed by anodization process in different solutions such as HF:HNO3:H2O (40:1:59), HF:C2H5OH:H2O (1:1:1), (6:1:1), (15:1:1) (concentration of HF was 45%). Duration of anodization process varied from 0.5 to 60 minutes at a current density of (10 – 100) mA/cm2. After the etching, the samples were rinsed with distilled water and dried. The analysis of surface morphology and photoluminescence of porous GaAs were given at this work. The performed observations have shown that the surface morphology strongly depends on the composition of etching solution, specific resistance of GaAs wafers, etching time and current density during the etching procedure. A mat film is observed on the surface of electrochemically-etched GaAs. The colour of the film varied from black to light brown and to greenish. Colour variation is determined by anodization conditions determined by the composition of etching solution, current density during anodization, etching time and specific resistance of wafers. The observed films were solid. Some films were fragmented in a chaotic way or composed by oriented units. In order to assess the luminescence properties of the porous material and their dependence on etching conditions the photoluminescence spectra of porous GaAs were measured at room... [to full text]

Ce projet de recherche vise à caractériser l'influence de divers traitements de passivation de surface de l'arséniure de gallium (GaAs) sur les propriétés électriques et optiques de ce matériau. Les procédés de passivation étudiés sont les traitements au soufre (NH[indice inférieur 4])[indice inférieur 2]S et les dépôts de nitrure de silicium SiN[indice inférieur x] et trois types de substrat ont été utilisés à titre comparatif, un type N (10[indice supérieur 16]), un type N+ (10[indice supérieur 18]) et un non dopé. Dans ce dernier cas, un système de déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma (PECVD) a été utilisé et l'influence de la fréquence de la source d'alimentation AC du plasma a été étudiée. Des techniques de caractérisation électrique, optique et électro-optique ont été utilisées pour l'étude. Des structures métal-isolant-semiconducteur (MIS) ont été réalisées pour les mesures AC et DC de capacité à plusieurs fréquences. L'analyse des mesures électriques a permis de démontrer un plus grand détachement du niveau de Fermi pour les échantillons passivés avec un dépôt de nitrure de silicium SiN[indice inférieur x] à basse fréquence plutôt qu'à haute fréquence. Des mesures optiques en continu et résolue en temps ont été effectuées sur une série d'échantillons de GaAs présentant différents niveaux de dopage et différents traitements de surface. Les mesures de photoluminescence en continu et les mesures résolues en temps montrent que les propriétés optiques des dispositifs dépendent grandement du type de substrat utilisé. Plus d'information sur le champ surfacique des dispositifs est nécessaire pour conclure sur l'efficacité de la passivation. Pour obtenir cette information, des mesures de photoluminescence, continues et résolues en temps, ont aussi été effectuées sur les structures MIS en présence d'un champ électrique. Ces mesures n'ont pas permis de mettre en évidence l'influence de la modification du champ de surface sur l'intensité du signal de luminescence, et ce peu importe le procédé de traitement de surface utilisé. Finalement, des antennes THz ont été fabriquées sur un substrat de SI-GaAs passivé par le traitement PECVD à basse fréquence. Ces antennes émettent un champ THz plus intense et avec un plus grand contenu fréquentiel que celle fabriquée sans traitement de passivation.

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This dissertation presents research on the propagation and manipulation of excitons in GaAs. There are three main aspects to be addressed. In the first part, we provide a comprehensive understanding of the slow- and fast-light propagation based on excitonic resonances. Propagation (or transit) times of optical pulses through a medium near an absorptive resonance with and without spatial dispersion are studied and contrasted. We show that, when the broadening of the resonance (i.e., dephasing rate) is below a critical value, a frequency range exists near resonance where the transit times are determined by interference between co-propagating exciton-polaritons and deviate strongly from expectations based on the group velocities of the individual exciton-polariton branches. Our theory puts the well-known slow- and fast-light effects in systems without spatial dispersion into a broader context by interpreting them as a limiting case of systems with spatial dispersion. An important ingredient of the exciton theory is the light-matter coupling that can be expressed either in terms of the dipole or the momentum matrix elements. We re-examine the validity of a frequently used relation between the interband momentum and dipole matrix elements ('p-r relation') in semiconductors. An additional correction term was obtained when we applied the 'p-r relation' to finite-volume crystals treated with periodic boundary conditions. The correction term does not vanish in the limit of infinite volume. We illustrate this with numerical examples for bulk GaAs and GaAs superlattices. For bulk GaAs, the correction term is found to be always important; while for a GaAs superlattice, the importance of the correction term for the transition depends strongly on the origin of the unit cell.As an example for manipulation of excitons, we consider mechanical deformations of GaAs nanomembranes. The nanomembranes with lateral sizes much larger than their thicknesses exhibit great flexibility in non-planar deformations and thus promise applications in flexible electronic and photonic devices. These non-planar deformations do not fit in the well-established theory for planar deformations induced by lattice mismatch. Our theory relates the general mechanical deformations (planar or non-planar) of nanomembranes to their excitonic spectra, and is numerically evaluated within the average-strain approximation.

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