Abstract : Photonic Integrated Circuits (PIC) are of tremendous interest for photonics system in order to reduce their power consumption, size, fabrication cost and improve their reliability of fiber optics linked discrete component architecture. However, unlike for microelectronics, in photonics different heterostructures are required depending on the type of device (laser sources, detectors, modulators, passive waveguides…). Therefore photonics integration needs a technology able to produce multiple bandgap energy wafers with a suitable final material quality in a reproducible manner and at a competitive cost: a technological challenge that has not been completely solved yet. Quantum Well Intermixing (QWI) is a post growth bandgap tuning process based on the localized and controlled modification of quantum well composition profile that aims to address these matters. UV laser induced QWI (UV-Laser-QWI) relies on high power excimer laser to introduce point defects near the heterostructure surface. By adjusting the laser beam shape, position, fluence and the number of pulse delivered, the different regions to be intermixed can be defined prior to a rapid thermal annealing step that will activate the point defects diffusion across the heterostructure and generate quantum well intermixing. UV-LaserQWI presents the consequent advantage of allowing the patterning of multiple bandgap regions without relying on photolithographic means, thus offering potentially larger versatility and time efficiency than other QWI processes. UV-Laser-QWI reproducibility was studied by processing samples from an InGaAs/InGaAsP/InP 5 quantum well heterostructure emitting at 1.55 µm. 217 different sites on 12 samples were processed with various laser doses. The quantum well intermixing generated was then characterized by room temperature photoluminescence (PL) mapping. Under those experimental conditions, UV-Laser-QWI was able to deliver heterostructures with a PL peak wavelength blue shift controlled within a +/- 15 % range up to 101.5nm. The annealing temperature proved to be the most critical parameter as the PL peak wavelength in the laser irradiated areas varied at the rate of 1.8 nm per degree Celsius. When processing a single wafer, thus limiting the annealing temperature variations, the bandgap tuned regions proved to be deliverable within ± 7.9%, hence establishing the potential of UV-Laser-QWI as a reproducible bandgap tuning solution. The UV-Laser-QWI was used to produce multiple bandgap wafers for the fabrication of broad spectrum superluminescent diodes (SLD). Multiple bandgap energy profiles were tested and their influence on the SLDs’ performances was measured. The most favorable bandgap modifications for the delivery of a very broadband emitting SLD were analyzed, as well as the ones to be considered for producing devices with a flat top shaped spectrum. The intermixed SLDs spectra reached full width at half maximum values of 100 nm for a relatively flattop spectrum which compare favorably with the ≈ 40nm of reference devices at equal power. The light-intensity characteristics of intermixed material made devices were very close to the ones of reference SLD made from as-grown material which let us think that the alteration of material quality by the intermixing process was extremely limited. These results demonstrated that the suitability of UV-Laser-QWI for concrete application to photonic devices fabrication. Finally, an alternative laser QWI technique was evaluated for SLD fabrication and compared to the UV laser based one. IR-RTA relies on the simultaneous use of two IR laser to anneal local region of a wafer: a 980 nm laser diode coupled to a pigtailed fiber for the wafer background heating and a 500 µm large beam TEM 00 Nd:YAG laser emitting at 1064 nm to anneal up to intermixing temperature a localized region of the wafer. The processed samples exhibited a 33 % spectral width increase of the spectrum compare to reference device at equal power of 1.5 mW. However, the PL intensity was decreased by up to 60 % in the intermixed regions and the experiments proved the difficulty to avoid these material degradations of material quality with IR-RTA. / Résumé : L’intégration de circuit photonique vise à réduire la consommation énergétique, la taille, le coût et les risques de panne des systèmes photoniques traditionnels faits de composants distincts connectés par fibre optique. Cependant, contrairement à la microélectronique, des hétérostructures spécifiques sont requises pour chaque composant : lasers, détecteurs, modulateurs, guides d’ondes… De cette constatation découle le besoin d’une technologie capable de produire des gaufres d’hétérostructures III/V de qualité à plusieurs énergies de gap, et ce de façon reproductible pour un coût compétitif. Aucune des techniques actuelles ne répond pour l’instant pleinement à tous ces impératifs. L’interdiffusion de puits quantique (IPQ) est un procédé post épitaxie basé sur la modification locale de la composition des puits quantiques. L’IPQ induite par laser UV (IPQ-UV) est basée sur l’utilisation de laser excimer (Argon-Fluor émettant à 193 nm ou Krypton-Fluor à 248 nm) pour introduire des défauts ponctuels à la surface de l’hétérostructure. En ajustant la taille du faisceau, sa position, son énergie ainsi que le nombre d’impulsions laser délivrées à la surface du matériau, on peut définir les régions à interdiffuser ainsi que leur futur degré d’interdiffusion. Un recuit de la gaufre active ensuite la diffusion des défauts et par conséquent l’interdiffusion du puits. L’IPQ-UV présente l’avantage considérable de se passer de photolithographie pour définir les zones de différentes énergies de gap, diminuant ainsi la durée et potentiellement le coût du procédé. La reproductibilité de l’IPQ-UV a été étudiée pour l’interdiffusion d’une structure à 5 puits quantiques d’InGaAs/InGaAsP/InP émettant à 1.55 µm. 217 régions sur 12 échantillons ont été irradiés par un laser KrF avec des nombres d’impulsion variables selon les sites et avec une densité d’énergie constante de 155 mJ/cm². Les modifications de la structure générée par ce traitement furent ensuite mesurées par cartographie en photoluminescence (PL) à température ambiante. L’analyse des données montra que l’IPQ-UV permet un contrôle du décalage vers le bleu du pic de PL à +/- 15 % jusqu’à 101.5nm. La température du recuit est apparue comme le paramètre crucial du procédé, puisque la longueur d’onde du pic de PL des zones interdiffusées varie de 1.8 nm par degré Celsius. En considérant les sites irradiés sur une seule gaufre, c’est à dire en s’affranchissant des variations de température entre deux recuits de notre système, la variation du pic de PL est contrôlable dans une plage de ± 7.9%. Ces résultats démontrent le potentiel de l’IPQ-UV en tant que procédé reproductible de production de gaufre à plusieurs énergies de gap. L’IPQ-UV a été utilisé pour la fabrication de diodes superluminescentes (DSLs). Différents type de structure à énergie de gap multiple ont été testés et leurs influences sur les performances spectrales des diodes évalués. Les spectres des DSLs faites de matériau interdiffusé ont atteint des largeurs à mi-hauteur dépassant les 100 nm (jusqu’à 132 nm), ce qui est une amélioration conséquente des ≈ 40nm des DSLs de référence à puissance égale. Les caractéristiques intensité–courant des DSLs interdiffusés furent mesurées comme étant très proches de celle des dispositifs de référence faits de matériau brut, ce qui suggère que l’IPQ-UV n’a pas ou très peu altéré la qualité du matériau initial. Ces résultats prouvent la capacité de l’IPQ-UV à être utilisé pour la fabrication de dispositifs photoniques. Une technique alternative d’IPQ par laser a été évaluée et comparée à l’IPQ-UV pour la fabrication de DSL. Le recuit rapide par laser IR est basé sur l’utilisation simultanée de deux lasers IR pour chauffer localement l’hétérostructure jusqu’à une température suffisante pour provoquer l’interdiffusion: une diode laser haute puissante émettant à 980 nanomètre couplée dans une fibre chauffe la face arrière de la gaufre sur une large surface à une température restant inférieure à celle requise pour provoquer l’interdiffusion et un laser Nd:YAG TEM 00 émettant à 1064 nm un faisceau de 500 µm de large provoque une élévation de température additionnelle localisée à la surface de l’échantillon, permettant ainsi l’interdiffusion de l’hétérostructure. Les dispositifs fabriqués ont montré une augmentation de 33 % de la largeur à mi-hauteur du spectre émis à puissance égale de 1.5 mW. Cependant, l’intensité du pic de PL dans les zones interdiffusées est diminuée de 60 %, suggérant une dégradation du matériau et la difficulté à produire un matériau de qualité satisfaisante.

High-mobility two-dimensional electron gas (2DEG) which resides at the interface between GaAs and AlGaAs layered semiconductors has been used experimentally and theoretically to study ballistic electron transport. The present project is motivated by recent experiments in magnetic electron focusing. The proposed device consists of two quantum point contacts (QPCs) serving as electron injector and detector which are placed in the same semiconductor GaAs/AlGaAs heterostructure. This thesis is focused on the theoretical study of electron flow coming from the injector QPC (a short quantum wire) and going into an open two-dimensional (2D) reservoir. The transport is considered for non-interacting electrons at different transmission regimes using the mode-matching technique. The proposed mode-matching technique has been implemented numerically using Matlab software. Electron flow through the quantum wire with rectangular, conical and rounded openings has been studied with and without an applied electric bias. We have found that the geometry of the opening does not play a crucial role for the electron flow propagation while the conical opening allows the electrons to travel longer distances into the 2D reservoir. When electric bias is applied, the electron flow also penetrates farther into the 2D region. The results of this study can be applied in designing magnetic focusing devices.

Orientador: Luis Vicente de Andrade Scalvi / Resumo: Este trabalho visa apresentar o desenvolvimento e as principais conclusões referentes à combinação de heterojunções a base de GaAs com óxidos semicondutores, para aplicações em dispositivos optoeletrônicos. O texto foi dividido em duas partes principais, sendo a primeira parte voltada para a síntese e produção do SnO2, relacionada com a formação da heteroestrutura GaAs/SnO2; e a segunda parte é focada na produção dos ressonadores de onda acústicas de bulk,na ordem de GHz, a base de GaAs/ZnO. Na primeira parte, priorizou-se filmes de SnO2, que foram depositados por duas técnicas: sol-gel dip-coating e evaporação resistiva. Os filmes foram depositados sobre substratos de vidro soda-lime, e sobre substratos de GaAs, de quartzo e de a-SiO2. SnO2 foi também depositado sobre filme de GaAs depositado por sputtering. No caso da evaporação resistiva, a rota sol-gel é utilizada também para a preparação do pó que é utilizado como precursor para a evaporação resistiva de filmes de SnO2, combinando essas duas técnicas. Foram investigadas as propriedades ópticas e elétricas de filmes finos de SnO2 dopado com 1% de Er3+ e estruturas hibridas de GaAs/SnO2: Er3+. Entre os principais resultados, verificou-se: 1) espectros de luminescência diferentes do íon Er3+ ao se depositar SnO2 sobre substrato de vidro ou GaAs; 2) Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios-x (EDX) para filmes de SnO2, depositados por evaporação resistiva, atestaram uma relação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work aims to present the development and the main conclusions obtained so far regarding the combination of GaAs-based heterojunctions with semiconductor oxides, for applications in optoelectronic devices. The text has been divided in two main parts, where the first one is related to the synthesis and production of SnO2, associated with the formation of the heterostructure GaAs/SnO2; and the second one if focused on the production of bulk acoustic wave resonators, with frequencies in GHz range, based on GaAs/ZnO. In the first part, attention was given to SnO2 films, deposited by two techniques: sol-gel dipcoating and resistive evaporation, on soda-lime glass substrates, and on GaAs, quartz and a-SiO2 substrates. SnO2 was also deposited on GaAs film deposited by sputtering. In the case of resistive evaporation, the sol-gel route is also used to prepare the powder which is used as a precursor for resistive evaporation of SnO2 films, then, by combining these two techniques. Optical and electrical properties of Er3+ -doped SnO2 thin films were investigated as well as the hybrid structure GaAs/SnO2 .Among the main results were: 1) different luminescence spectra of Er3+ ion when depositing SnO2 on glass or GaAs substrate; 2) scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) for SnO2 films deposited by resistive evaporation show a relationship of the thermal annealing temperature with the concentration of Er ions in the surface layers; 3) this con... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

L'isolement du graphène, une monocouche de graphite composée d'un plan d’atomes de carbone, a démontré qu'il est possible de séparer un seul plan d'épaisseur atomique, que l'on appelle matériau bidimensionnel (2D), à partir des solides de Van de Waals (vdW). Grâce à leur stabilité, différents matériaux 2D peuvent être empilés pour former les hétérostructures de vdW. L'interaction vdW à l'interface étant suffisamment faible, les propriétés spécifiques de chaque matériau demeurent globalement inchangées dans l’empilement. En utilisant une démarche théorique et computationnelle basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et le formalisme de Keldysh-Green, nous avons étudié l'hétérostructure graphène/MoS₂ . Le principal intérêt des propriétés spécifiques du graphène et du MoS₂ pour la conception d'un transistor à effet de champ réside dans la mobilité du graphène, à la base d'un transistor haute performance et dans le gap électronique du MoS₂, à la base de la commutation du dispositif. Tout d'abord, nous avons étudié les effets de la rotation entre les deux couches sur les propriétés électroniques à l'interface, en démontrant que les propriétés électroniques globales ne sont pas affectées par l'orientation. En revanche, les images STM (microscope à effet tunnel) sont différentes pour chaque orientation, en raison d'un changement de densité de charge locale. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé l’interface graphène/MoS₂ en tant que modèle très simple de Transistor à Effet de Champ. Nous avons analysé le rôle des hétérostructures de vdW sur la performance du transistor, en ajoutant des couches alternées de graphène et MoS₂ sur l'interface graphène/MoS₂. Il a ainsi été démontré que la forme de la DOS au bord du gap est le paramètre le plus important pour la vitesse de commutation du transistor, alors que si l’on ajoute des couches, il n’y aura pas d’amélioration du comportement du transistor, en raison de l'indépendance des interfaces dans les hétérostructures de vdW. Cependant, cela démontre que, dans le cadre de la DFT, on peut étudier les propriétés de transport des hétérostructures de vdW plus complexes en séparant chaque interface et en réduisant le temps de calcul. Les matériaux 2D sont également étudiés ici en tant que pointe pour STM et AFM (microscope à force atomique) : une pointe de graphène testée sur MoS₂ avec défauts a été comparée aux résultats correspondants pour une pointe en cuivre. La résolution atomique a été obtenue et grâce à l'interaction de vdW entre la pointe et l’échantillon, il est possible d’éviter les effets de contact responsables du transfert d'atomes entre la pointe et l'échantillon. En outre, l'analyse des défauts est très utile du fait de la présence de nouveaux pics dans le gap du MoS₂ : ils peuvent ainsi être utilisés pour récupérer un pic de courant et donner des perspectives pour améliorer la performance des transistors. / The isolation of graphene, a single stable layer of graphite, composed by a plane of carbon atoms, demonstrated the possibility to separate a single layer of atomic thickness, called bidimensional (2D) material, from the van der Waals (vdW) solids. Thanks to their stability, 2D materials can be used to form vdW heterostructures, a vertical stack of different 2D crystals maintained together by the vdW forces. In principle, due to the weakness of the vdW interaction, each layer keeps its own global electronic properties. Using a theoretical and computational approach based on the Density Functional Theory (DFT) and Keldish-Green formalism, we have studied graphene/MoS₂ heterostructure. In this work, we are interested in the specific electronic properties of graphene and MoS₂ for the conception of field effect transistor: the high mobility of graphene as a basis for high performance transistor and the gap of MoS₂ able to switch the device. First, the graphene/MoS₂ interface is electronically characterized by analyzing the effects of different orientations between the layers on the electronic properties. We demonstrated that the global electronic properties as bandstructure and Density of State (DOS) are not affected by the orientation, whereas, by mean of Scanning Tunneling Microscope (STM) images, we found that different orientations leads to different local DOS. In the second part, graphene/MoS₂ is used as a very simple and efficient model for Field Effect Transistor. The role of the vdW heterostructure in the transistor operation is analyzed by stacking additional and alternate graphene and MoS₂ layers on the simple graphene/MoS₂ interface. We demonstrated that the shape of the DOS at the gap band edge is the fundamental parameter in the switch velocity of the transistor, whereas the additional layers do not improve the transistor behavior, because of the independence of the interfaces in the vdW heterostructures. However, this demonstrates the possibility to study, in the framework of DFT, the transport properties of more complex vdW heterostructures, separating the single interfaces and reducing drastically the calculation time. The 2D materials are also studied in the role of a tip for STM and Atomic Force Microscopy (AFM). A graphene-like tip, tested on defected MoS₂, is compared with a standard copper tip, and it is found to provide atomic resolution in STM images. In addition, due to vdW interaction with the sample, this tip avoids the contact effect responsible for the transfer of atoms between the tip and the sample. Furthermore, the analysis of defects can be very useful since they induce new peaks in the gap of MoS₂: hence, they can be used to get a peak of current representing an interesting perspective to improve the transistor operation.

Heterostructures of the materials system GaN/AlGaN/GaN were grown by molecular beam epitaxy on 6H-SiC substrates and high electron mobility transistors (HEMTs) were fabricated. For devices with large gate periphery an air bridge technology was developed for the drain contacts of the finger structure. The devices showed DC drain currents of more than 1 A/mm and values of the transconductance between 120 and 140 mS/mm. A power added efficiency of 41 % was measured on devices with a gate length of 1 µm at 2 GHz and 45 V drain bias. Power values of 8 W/mm were obtained. Devices with submicron gates exhibited power values of 6.1 W/mm (7 GHz) and 3.16 W/mm (25 GHz) respectively. The rf dispersion of the drain current is very low, although the devices were not passivated. / Heterostrukturen im Materialsystem GaN/AlGaN/GaN wurden mittels Molekularstrahlepitaxie auf 6H-SiC-Substraten gewachsen und High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) daraus hergestellt. Für Bauelemente mit großer Gateperipherie wurde eine Air-Bridge-Technik entwickelt, um die Drainkontakte der Fingerstruktur zu verbinden. Die Bauelemente zeigten Drainströme von mehr als 1 A/mm und Steilheiten zwischen 120 und 140 mS/mm. An Transistoren mit Gatelängen von 1 µm konnten Leistungswirkungsgrade (Power Added Efficiency) von 41 % (bei 2 GHz und 45 V Drain-Source-Spannung) sowie eine Leistung von 8 W/mm erzielt werden. Bauelemente mit Gatelängen im Submikrometerbereich zeigten Leistungswerte von 6,1 W/mm (7 GHz) bzw. 3,16 W/mm (25 GHz). Die Drainstromdispersion ist sehr gering, obwohl die Bauelemente nicht passiviert wurden.

Here we propose a completely new covalent heterostructure based on graphene and self-decorated MoS₂ monolayers. Detailed investigation of the decoration process of the MoS₂ surface by Mo adatoms was performed using first principles DFT methods. Comparison between valence-only and semicore pseudopotentials was performed to correctly describe the interaction between Mo adatoms and the MoS₂ surface. It was found that self-decoration by Mo atoms is favorable from an energetic point of view. We studied in detail various decoration paths of Mo atoms on the MoS₂ surface. The strong variation of electronic properties after the decoration of MoS₂ was found. The impact of the presence of Mo adatoms on the electronic properties of the graphene/MoS₂ heterostructure was shown.

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Die vorliegende Arbeit untersucht den Anregungsenergie-Transfer in Nano-hybrid-Systemen, welche zweidimensionale Übergangsmetall-Dichalkonid-Schichten (TMDCs) enthalten. Heterostrukturen, welche TMDC-Schichten mit sogenannten nulldimensionalen Systemen kombinieren, werden als wesentlich für die nächste Generation von elektronischen und photonischen Bauelementen angesehen. Trotz dieser großen Bedeutung existieren wenige theoretische Untersuchungen. Insbesondere ist der Anregungsenergie-Transfer in diesen Hybridsystemen nicht umfassend erklärt, und die Behandlung von TMDC-Schichten bezieht sich auf sehr kleine oder periodische Systeme. Daher wird in der Arbeit der Versuch unternommen, existierende Theorien zu verbessern, und es werden Transferprozesse in zwei Typen von Heterostrukturen simuliert. Die berechneten Systeme enthalten tausende von Atomen und kommen damit in den Bereich experimentell untersuchter Strukturen. In dem einen Nanohybrid-System ist eine MoS2-Monoschicht mit einem einzelnen Para-Sexiphenyl-Molekül kombiniert, wogegen im zweiten System ein CdSe-Nanokristall an der MoS2-Mono-schicht plaziert ist. Dabei ermöglicht die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Monoschicht und Molekül bzw. Nanokristall den Anregungsenergie-Transfer. In allen untersuchten Heterostrukturen ist die Stärke der Anregungsenergie-Transfer-Kopplung auf den sub-meV-Bereich beschränkt. In diesem Bereich ist der Anregungsenergie-Transfer inkohärent und bestimmt durch Raten, die aus Fermi's Goldener Regel folgen. Auch wird eine Abhängigkeit der Transferrate von der relativen Position des para-Sexiphenyl-Moleküls gefunden. Durch die Analyse der Übergangsladungsdichte des CdSe-Nanokristalls kann aufgezeigt werden, dass die energetisch tiefliegenden Exziton-Niveaus mit ausgeprägtem Dipolcharakter zu einer stärkeren Transferkopplung führen. Die resultierenden Transferzeiten erstrecken sich vom Piko- zum Nanosekunden-Bereich und decken sich mit entsprechend gemessenen Werten. / This thesis explores the excitation energy transfer in two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs) based nanohybrid systems. Such heterostructures combining TMDC layers with zero-dimensional materials are considered in next-generation electronics and photonics. However, there exists a shortage of current theoretical work, because the general process of excitation energy transfer in these hybrid systems has rarely been explored and the treatment of TMDCs is limited to a small size. We therefore improve the existing theories and investigate the transfer phenomena in two types of heterostructures. The considered systems contain thousands of atoms close to the experimental system size. In the first nanohybrid system, a MoS2 monolayer is combined with a single para-sexiphenyl molecule. In the second hybrid, a CdSe semiconductor spherical nanocrystal is placed close to the MoS2 monolayer. The MoS2 monolayer is coupled to the para-sexiphenyl molecule or the CdSe spherical nanocrystal via Coulomb interaction, which makes the excitation energy transfer mechanism possible. In our heterostructures, all excitation energy transfer coupling strengths lie in the meV-range or below. Within this limitation, the non-coherent excitation transfer is determined by rate expressions derived from Fermi’s Golden Rule. An effective transfer rate dependency on the relative positions of the para-sexiphenyl molecule is found. For the case of the CdSe spherical nanocrystal , by visualizing the shape of transition charge densities of CdSe excitons, we find that the low-lying exciton levels with more obvious dipole character lead to a stronger transfer coupling. The resultant transfer times range from picoseconds to nanoseconds and coincide with experimental data.

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