Les travaux reportés dans cette thèse concernent la conception et la réalisation<br />technologique d'une diode laser à puits quantiques InGaAsN émettant à 1,3μm, épitaxiée sur<br />substrat de GaAs, et comportant une structure à ruban à base d'un diaphragme d'oxyde<br />d'aluminium (Alox). Nous présentons, tout d'abord, l'étude de modélisation et de conception de ces<br />diodes laser. En nous appuyant sur un outil incluant la modélisation de la structure de bande des<br />puits quantiques InGaAsN/GaAs, une étude complète d'optimisation des propriétés d'émission des<br />puits quantiques est menée. Nous en dégageons les critères de conception de la structure<br />bidimensionnelle pour obtenir une émission laser à 1,3μm présentant de bonnes performances en<br />terme de stabilité thermique et de réponse dynamique, compatible avec les réseaux optiques<br />d'accès.<br />La seconde partie porte sur la réalisation technologique des composants. Nous présentons la<br />mise au point de l'étape d'oxydation latérale humide et au développement d'un procédé<br />technologique complet et reproductible de réalisation de diodes laser avec injection latérale des<br />porteurs et diaphragme d'oxyde en tenant compte des contraintes technologiques des différentes<br />étapes du procédé. La réalisation et la caractérisation de diodes laser à diaphragme d'oxyde ont<br />constitué la dernière phase de ce travail. Après avoir validé le procédé technologique dans la filière<br />AlGaAs/GaAs, nous avons procédé à une caractérisation approfondie des composants à multi puits<br />quantiques InGaAsN/GaAs afin d'évaluer les potentialités de cette nouvelle filière et de confirmer<br />l'intérêt du confinement procuré par le diaphragme Alox pour l'obtention de composants<br />monomodes stables.

In dieser Arbeit wurden tiefe Zentren in p-leitendem Zinkselenid mittels Kapazitaetstransientenspektroskopie untersucht. Es wurden Au/p-ZnSe/p-GaAs-Schichtstrukturen verwendet Mit Strom-Spannungs- und Kapazitaets-Spannungs-Messungen erfolgte eine Vorcharakterisierung der Proben. Dies lieferte Aussagen zu den bei kleinen Spannungen wirkenden Barrieren des Schottky-Kontaktes und des Hetero¨uberganges und die Bandkantenoffsets. Die effektiven Akzeptorkonzentrationen im p-ZnSe wurden bestimmt. Mit der DLTS wurden vier Loecher-Haftstellen in den p-ZnSe-Schichten gefunden. Ihre thermischen Aktivierungsenergien waren 0,40eV, 0,62eV, 0,83eV und 0,65eV. Die Konzentration des tiefen Zentrums HT nimmt bei Temperung ¨uber 450~K zu; moeglicherweise aufgrund einer Eindiffusion des als Schottky-Kontakt dienenden Goldes. Einfangmessungen fuer das Zentrum HT ergaben einen thermisch aktivierten Einfang mit Multiphononenemission bei einer Einfangbarriere von 0,46eV. Die Entropieaenderung bei der Emission aus dem Zentrum HT wurde bestimmt. Die Emission aus dem Zentrum HT laeuft schneller als der Einfang ab. Moegliche Gruende dafuer werden diskutiert. Mit Isothermalen Kapazitaetstransienten-Messungen und Spannungsvariationen wurde das Emissionsverhalten des tiefen Zentrums HT weitergehend untersucht. Transparente Gold-Kontakte gestatteten eine Beeinflussung der Emissionstransienten mittels Lichteinstrahlung durch den Schottky-Kontakt.

In dieser Arbeit wurden die Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien von Ag/n-GaAs(100) Schottky-Dioden untersucht, wobei die Kennlinien durch organische Zwischenschichten verschiedener Dicke modifiziert werden. Dazu wird der organische Halbleiter 3,4,9,10- Perylentetracarboxyldianhydrid (PTCDA) verwendet. Die PTCDA-Schichten werden mittels Organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) hergestellt. Die Charakterisierung der Ag/PTCDA/GaAs-Dioden erfolgte sowohl in situ als auch ex situ.

Bibliografische Beschreibung, Referat und Schlagwörter M.S. Chem. Ing. Sung Gook Park Thema: Organic Modified GaAs Schottky Contacts Einreichungsdatum: 28. September 2001 Im Rahmen dieser Arbeit wurden organische Halbleitermaterialien verwendet, um damit die Transporteigenschaften von Metal/GaAs(100) Schottky-Kontakten zu kontrollieren. Ziel ist es, Strom-Spannungs- (J-V) und Kapazitäts-Spannungs-Kennenlien (C-V) zu verstehen. Zur chemischen und elektronischen Charakterisierung der GaAs(100)-Oberflächen, organische Molekül/GaAs(100)-Grenzflächen und der Metall/organische Molekül-Grenzflächen wurden die Photoelektronenspektroskopie (PES) und Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) eingesetzt. Verschiedene GaAs(100)-Oberflächen, wie die reine GaAs(100)-c(4x4)-, die Wasserstoff-Plasma behandelte GaAs(100)- und die chalkogenpassivierte GaAs-Oberflächen, wurden als Substrate für die organische Molekularstrahldeposition (OMBD) verwendet. In der Arbeit wird der Einfluss der chemischen und elektronischen Eigenschaften dieser Substratoberflächen auf das Wachstum von organischen Molekülen auf deren Oberflächen untersucht. 3,4,9,10-Perylentetracarboxylic Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarboxyl Diimid wurden zur organischen Modifizierung von Metall/GaAs(100)-Schottky-Kontakten verwendet. Die organischen Moleküle werden anfänglich an Defekten der GaAs(100)-Oberflächen adsorbiert. Die Adsorption an Defekten führt zu einer Reduktion der inhomogenen Bandverbiegung der GaAs(100)-Oberfläche. Aus den PES-Spektren wurden Energiebanddiagramme für organische Schicht/GaAs(100)-Grenzflächen und Metall/organische Grenzflächen abgeleitet. Entsprechend der relativen energetischen Lagen des Leitungsbandminimums von GaAs(100)-Oberflächen und des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals der organischen Schichten werden Interfacedipole ausgebildet. Die Verwendung von anorganischen Substraten mit systematisch variierender Elektronenaffinität (EA) stellt eine neue Methode zur Bestimmung des Transportniveaus von Elektronen in der organischen Schicht dar. Bei Einfügung von dünnen PTCDA-Schichten zwischen Ag-Elektrode und GaAs(100)-Oberfläche, wurde beobachtet, dass die J-V-Kennlinien in Abhängigkeit von der Dicke der organischen Schicht und der Behandlung der GaAs-Oberflächen systematisch variierte. Dieses Verhalten kann unter Verwendung des Energieniveaudiagramms, das mittels PES bestimmt wurde, und durch eine Barrierenerniedrigung infolge von Bildkräften gut erklärt werden. Durch die Kombination von Oberflächenbehandlung und Einfügen einer dünnen definierten organischen Schicht kann die effektive Barrierenhöhe in einem breiten Bereich verändert, d. h. letztendlich definiert eingestellt und kontrolliert werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Leistungsaufnahme von GaAs-Schottky-Kontakten zu reduzieren. <Schlagwörter> Organische Moleküle, Organische Molekularstrahldeposition (OMBD), GaAs(100), Metall/Hableiter- Schottky-Kontakt, Photoemissionspektroskopie (PES), Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS), Elektrische Messungen

Im Rahmen dieser Arbeit werden drei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Metall/organische Schicht/S-GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die elektronischen und chemischen Eigenschaften der Grenzflächen, sowie auf die molekulare Orientierung in den organischen Schichten nachzuweisen. Die Moleküle 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA), 3,4,9,10-PerylenTetraCarbonsäure DiImid (PTCDI) und Dimethyl-3,4,9,10-PerylenTetraCarbonsäure DiImid (DiMe-PTCDI) wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf Schwefel-passivierte GaAs(100):2x1-Substrate aufgedampft. Oberflächensensitive Charakterisierungsverfahren wie Photoemissionsspekroskopie (PES), Inverse Photoemissionsspektroskopie (IPES) und Nahkantenröntgenfeinstrukturmessungen (NEXAFS) wurden zur Charakterisierung eingesetzt. Theoretische Berechnungen mit Hilfe von Dichte-Funktional-Methoden wurden durchgeführt, um eine Zuordnung von verschiedenen Komponenten in Rumpfniveauspektren zu ermöglichen. Die NEXAFS-Messungen ermöglichen eine genaue Bestimmung der Molekülorientierung in Bezug zum Substrat. So lässt sich nachweisen, dass eine kleine Änderung von chemischen Endgruppen z.B. bei DiMe-PTCDI verglichen mit PTCDI, eine dramatische Änderung der Molekülorientierung hervorruft. Die Valenzbandspektren von DiMe-PTCDI zeigen eine energetische Dispersion von 0.2 eV, die auf eine -Orbital-Überlappung zurückzuführen ist und die Ausbildung von Valenzbändern belegt. Die Energieniveauanpassung an der organische Schicht/S-GaAs-Grenzfläche, sowie die Transport-Bandlücke von PTCDI, DiMe-PTCDI und PTCDA wurden mit Hilfe von PES und IPES bestimmt. Die elektronischen, chemischen und strukturellen Eigenschaften von Metall/Organische Schicht- Grenzflächen wurden mit Hilfe von Rumpfniveauspektroskopie und NEXAFS untersucht. Mg reagiert stark mit den Endgruppen von PTCDA und PTCDI, währenddessen die In-Atome an einem Ladungstransferprozess mit den Perylen-Kernen aller dreien Molekülen beteiligt sind, wobei der Betrag der transferierten Ladung maximal für den Fall von PTCDI wird. Während Mg sehr wenig in die organischen Schichten diffundiert, zeigt In sehr starke Eindiffusion in PTCDA-Schichten und schwache in PTCDI-Schichten.

no abstract

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.

This work describes multiband photon detection techniques based on novel semiconductor device concepts and detector designs with simultaneous detection of dierent wavelength radiation such as UV and IR. One aim of this investigation is to examine UV and IR detection concepts with a view to resolve some of the issues of existing IR detectors such as high dark current, non uniformity, and low operating temperature and to avoid having additional optical components such as filters in multiband detection. Structures were fabricated to demonstrate the UV and IR detection concepts and determine detector parameters: (i) UV/IR detection based on GaN/AlGaN heterostructures, (ii) Optical characterization of p-type InP thin films were carried out with the idea of developing InP based detectors, (iii) Intervalence band transitions in InGaAsP/InP heterojunction interfacial workfunction internal photoemission (HEIWIP) detectors. Device concepts, detector structures, and experimental results are discussed. In order to reduce reflection, TiO2 and SiO2 nanostructured thin film characterization and application of these as anti-reflection coatings on above mentioned detectors is also discussed.

L'amélioration des performances des détecteurs (au niveau de la résolution en énergie et de la résolution spatiale) pour la radiographie X médicale par l'utilisation d'un semi-conducteur montre l'intérêt de remplacer les détecteurs à base de cristaux scintillateurs (majorité des systèmes commerciaux) par un détecteur à base de semi-conducteur. Avec une perspective de respect environnemental, ces travaux portent sur le développement d'une nouvelle génération de détecteurs à base de semi-conducteur, différent du CdTe, pour l'imagerie médicale de rayons X fonctionnant en mode comptage, ce qui permet la réduction de la dose de rayonnement envoyée sur le patient. Deux axes de recherches en découlent, avec le choix d'un nouveau matériau semi-conducteur, le GaAs semi-isolant et d'une nouvelle géométrie de détection, la géométrie 3D.Ces travaux ont consisté à évaluer expérimentalement le semi-conducteur, afin de choisir un matériau (fournisseur, croissance) et une électrode métallique qui ont la capacité de compter des photons. Puis, la structure de détection, au travers de caractérisations des procédés technologiques nécessaires pour la réalisation de la géométrie 3D (usinage des électrodes, dépôt des électrodes, connexion à un circuit électronique) et de la validation du concept avec un dispositif de test, a été également étudiée. Enfin, les premiers résultats d'un détecteur 3D à base de GaAs semi-isolant, montrant la concrétisation de ces objectifs, sont proposés.

La généralisation des communications numériques (téléphonie mobile, courrier électronique, commerce électronique...) rend nécessaire la mise au point de systèmes dont la confidentialité des informations est garantie de manière absolue. L'utilisation des lois de la mécanique quantique comme moyen de cryptage répond à ce critère. Bien que les physiciens théoriciens aient commencé à réfléchir sur ce type de cryptage depuis les années 1970, les dispositifs effectivement utilisables et industrialisables à grande échelle ne sont pas encore disponibles. Parmi les dispositifs qu'il convient de développer et maîtriser, les sources de lumières capables de générer des photons à l'unité tiennent une place centrale. Une des principales difficultés rencontrées dans leur mise au point réside dans la nécessité d'atteindre une efficacité de collection de la lumière émise proche de l'unité. La solution généralement proposée consiste à maitriser leur environnement électromagnétique à l'aide de résonateurs optiques miniaturisés à l'échelle de la longueur d'onde. On peut ainsi bénéficier d'effets d'électrodynamique quantique, tel que l'effet Purcell, pour améliorer, par exemple, la dynamique et/ou la directivité d'émission des photons. La réalisation pratique de sources de photons n'a été rendue possible que par les progrès des nanotechnologies. L'utilisation de la technologie des semi-conducteurs est la voie prometteuse choisie dans ce travail, dans l'objectif de développer des composants miniaturisés et facilement intégrables, à la base d'une nouvelle génération de résonateurs optiques de taille ultime. Dans ce travail de thèse, nous proposons de développer une source de photons uniques utilisant des boites quantiques InAs -comme émetteurs uniques- incluses dans une membrane GaAs dans laquelle on réalise un résonateur optique consistant en une cavité à cristal photonique membranaire. On exploite la technologie des cristaux photoniques afin d'utiliser un unique mode optique résonant, dit mode de Bloch lent non dégénéré, opérant au-dessus de la ligne de lumière. On exploite diverses méthodes numériques pour la conception et la simulation du comportement électromagnétique des dispositifs. Nous effectuons ainsi une ingénierie fine de modes optiques permettant : (1) d'optimiser le facteur de Purcell dans une hétérostructure photonique(puits photonique analogue des puits quantiques électroniques). Nous montrons que le report de cette cavité sur un miroir de Bragg entraîne le doublement du taux de collection des photons, ainsi que de la dynamique d'émission; (2) de contrôler la directivité d'émission du mode pour améliorer l'efficacité d'extraction /collection des photons. Une étude détaillée de l'ingénierie du diagramme de rayonnement est présentée permettant d'appréhender la physique et de prévoir les caractéristiques10de l'émission du mode. Nous montrons, notamment, que la présence du miroir de Bragg peut fortement modifier la directivité d'émission. Les développements technologiques effectués en vue d'obtenir des résonateurs photoniques de hautes qualités sont également exposés. A la longueur d'onde d'émission de 900nm, choisie pour une adaptation optimale aux caractéristiques des détecteurs, la période du cristal photonique nécessaire est de l'ordre de quelques centaines de nm. Les outils et les paramètres de technologie de fabrication (par exemple, calibration de l'épaisseur du masque dur et des paramètres d'exposition de la résine par lithographie électronique) sont exposés en détail.