The resonant tunneling diode (RTD) is the fastest electron device to-date in terms of its ability to generate continuous-wave terahertz frequency at room temperature, owing to its unique characteristic of negative differential resistance (NDR). In this work, a lattice-matched In0.53Ga0.47As (on InP) is used as the cladding layer, while a highly-compressive strained In0.8Ga0.2As is sandwiched between two tensile-strained pseudomorphic AlAs barriers to form the active double barrier quantum well RTD structure grown by Molecular Beam Epitaxy. The ultimate aim of this work was to integrate an optimised RTD into an oscillator circuit to enable a 100 GHz (W-band) MMIC RTD oscillator. One of the key challenges in this work was to improve the DC performance of the RTD, through extensive material and structural characterisations. Growing nano-scale epitaxial layers require a high degree of controllability with mono-layer precision. The dependencies of the NDR components, such as the peak current density, peak voltage and peak-to-valley current ratio (PVCR) towards variations in structural thickness were studied systematically. Through this work, it is found that the peak current density is strongly affected by monolayer variation in barrier thickness. The effect of quantum well thickness variation towards peak current density is relatively weaker. Interestingly, variation in spacer layer thickness has very little influence towards the magnitude of the peak current density. The fabrication of the RTD using a conventional i-line optical lithography created its own challenge. The process capability to reduce mesa active area down to sub-micrometer level to reduce device’s geometrical capacitance for high frequency, THz applications has been made feasible in this work. The conventional i-line optical lithography was combined with a newly developed tri-layer soft reflow technique using solvent vapour resulted in sub-micrometer RTDs. The DC characterisation of the fabricated RTDs showed excellent device scalability, indicating a robust processing. This novel sub-micron processing technique with high throughput and repeatability is a very promising low cost technique. A collaborative effort between the University of Manchester and Glasgow paved the way towards the realisation of an integrated W-band RTD MMIC oscillator. The circuit-combining topology was designed by the High Frequency Electronics Group in Glasgow while the mask-layout and oscillator fabrication took place in Manchester. An active RTD from sample XMBE#301 with peak current density of 1.4 x 105 A/cm2 and PVCR of 4.5 was integrated into a 100 GHz MMIC oscillator to successfully produce a measured frequency of 109 GHz with an un-optimised 5.5 μW output power at room temperature (mesa area = 4x4 μm2).

Gas source molecular beam epitaxy (GSMBE) has been used to grow InGaAs/lnP epitaxial layers in selected areas defined by SiO2-masked InP substrates, with the goal of obtaining controlled in-plane variations in the bandgap of the InGaAs wells. The ability to alter the bandgap of the semiconductor spatially over the surface in one growth procedure is desirable for integrating laser, waveguide and detector devices. To form the masked substrates, stripes (ranging in width from 2 pm to 50 pm) were opened up in SiO2 by standard photolithography. The crystal growths were carried out at various substrate temperatures (ranging from 460 °C to 510 °C) and arsenic fluxes (V/lll ratios ranging from 1.2 to 3.4). The properties of the epitaxial layers were investigated by using such analytical techniques as photoluminescence, electroluminescence and transmission electron microscopy (TEM). Photoluminescence measurements performed on waveguide stripes of decreasing width reveal an increasing red-shift of the e1-hh1 transition in InGaAs wells. The maximum red-shift occurred when growing at a high substrate temperature and a low arsenic flux. For example, a decrease in slit width from 50 pm to 10 pm resulted in a 25 meV shift of the photoluminescence peak. From cross-sectional TEM measurements, the wavelength shift observed can be attributed primarily to an increase in thickness of the InGaAs well, due to incorporation of additional indium and gallium migrating from the material on the masked regions. The interfaces in the centre of the stripe region are defect free; however, stacking faults and thickness variations are evident 1-2 pm from the edges. These results are confirmed by scanning photoluminescence, in which the maximum intensity occurs at the centre of the stripe and decreases to zero at the edges. Mapping of the peak wavelength across the stripe reveals a diffusion profile, with the edges being additionally red shifted by 10 nm. Reactive ion etching of the edge and the polycrystalline material results in a much improved spectral photoluminescence scan, in both increased intensity of the bandgap peak and elimination of lower energy peaks assumed to be correlated with edge effects. Finally, a stripe contact light emitting device, with a single 50 A quantum well InGaAs/lnP structure, was fabricated and electrically pumped. The device exhibited spectral peak wavelength shifts between narrow stripes (10 pm) and wide stripes (50 pm) of 22 nm, similar to the value observed by photoluminescence studies. / Thesis / Master of Engineering (ME)

The observation of voltage-tunable plasmon resonances in the terahertz range in two dimensional electron gas (2-deg) of a high electron mobility transistor (HEMT) fabricated from the InGaAs/InP and AlGaN/GaN materials systems is reported. The devices were fabricated from a commercial HEMT wafer by depositing source and drain contacts using standard photolithography process and a semi-transparent gate contact that consisted of a 0.5 [micro]m period transmission grating formed by electron-beam lithography. Narrow-band resonant absorption of THz radiation was observed in transmission in the frequency range 10-100 cm-1. The resonance frequency depends on the gate voltage-tuned sheet-charge density of the 2deg. The fundamental and higher resonant harmonics were observed to shift towards lower frequencies with the implementation of negative gate bias. The theory of interaction of sub millimeter waves with 2deg through corrugated structure on top has been applied to calculate and understand the phenomena of resonant plasmon excitations. The observed separation of resonance fundamental from its harmonics and their shift with gate bias follows theory, although the absolute frequencies are lower by about a factor of 2-3 in InGaAs/InP system. However, calculated values match much better with AlGaN/GaN system.

Pages 10, 46, 126, 142 and 146 have been omitted because they were completely blank. / <p> This thesis describes the development of a tunable, ultrashort-pulse semiconductor-based laser system operating in the 1 μm wavelength region. The design of the oscillator is based on a two-contact long-wavelength InGaAs-GaAs quantum-well semiconductor device containing integrated gain and saturable absorber sections. A key design component of the oscillator is the fabrication of a curved ridge-waveguide in the gain section of the device, which allows the laser to be operated in a compact, linear external cavity. Under conditions of passive or hybrid mode-locking, the semiconductor oscillator can generate pulses of 1 to 10 ps in duration, which are tunable from 1030 to 1090 nm. The oscillator is also capable of being passively mode-locked at harmonics of the cavity round-trip frequency, allowing tuning of the pulse repetition rate from 0.5 to over 5 GHz. Noise measurements on two independently hybridly mode-locked semiconductor lasers reveal that the absolute noise of each laser is dominated by phase noise at frequencies below 10^5 Hz, while amplitude noise dominates at higher frequencies.</p> <p>Semiconductor and fibre optical amplifiers are used to scale the average power level of the mode-locked pulses. Semiconductor optical amplifiers consisting of narrow-stripe and flared-waveguide designs have been fabricated using the same material structure as that of the mode-locked semiconductor oscillator. Narrow-stripe devices with a length of 800 μm have produced amplified average signal powers of 13 mW, while 1700-μm-long, 2° flared-waveguide devices have produced amplified average signal powers of 50 mW. A fibre-based system consisting of a single-mode double-clad Yb-doped fibre has been constructed to investigate the suitability of a mode-locked diode laser as a seed-source for a Yb:fibre amplifier. Amplified average signal powers of up to 1.4 W have been obtained at the output of the fibre for a launched pump power of 2.1 W. Compression of the amplified pulses using a modified dual-grating compressor yields pulse durations as low as 500 fs and a peak power of up to 1.5 kW.</p> <p> Preliminary work is reported on the development of a novel dual-wavelength optical source consisting of two synchronized mode-locked diode lasers and a polarization-maintaining Yb:fibre amplifier. Numerical simulations based on a rate-equation model for the amplifier gain are conducted to investigate the performance characteristics of a Yb:fibre amplifier when operated under dual-wavelength signal amplification. The simulations are used to predict and optimize the performance of the fibre amplifier for two mode-locked semiconductor-seed-oscillators operating at wavelengths of 1040 and 1079 nm. Good agreement is obtained between the simulations and experimental results. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

<p> InGaAs/InP heterostructure nanowires (NWs) grown by gas source molecular beam epitaxy (GS-MBE) have been analyzed by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS). The morphology and interfacial properties of these structures have been compared to pure InP NWs and lattice-matched InGaAs!InP superlattice (SL) structures, respectively. Based on high-resolution x-ray diffraction (HRXRD) and photoluminescence (PL) measurements of the SLs a detailed structural model is proposed, consisting of strained InAsP and InGaAsP mono layers due to group-V gas switching and atomic exchange at the SL interfaces. The interfaces of the heterostructure NW s were an order of magnitude larger than those of the SLs and showed a distinct bulging morphology. Both of these characteristics are explained based on the slow purging of group-III material from the Au catalyst. Growth of lnGaAs on the sidewalls of the InP base of these wires was also observed, and occurs due to the shorter diffusion length of Ga adatoms as compared to In. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

The growth optimization and fabrication of 980nm quantum well (QW) lasers is presented. Photoluminescence (PL) spectroscopy is used to determine the optimized growth conditions for the QWs. The results are presented for optimization of both growth temperature and group V overpressure. Broad area lasers, with active regions grown at and around optimized QW growth conditions, are fabricated and characterized under pulsed conditions. These results are used to determine the optimum growth conditions for a ridge waveguide (RWG) laser structure. Once grown, RWG lasers are fabricated and characterized under continuous wave (CW) conditions. External quantum efficiencies as high as 71 % and cavity losses as low as 5.2 cm-1 are achieved. / Thesis / Master of Engineering (ME)

Résumé : Les circuits photoniques intégrés qui combinent des dispositifs photoniques pour la génération, la détection, la modulation, l'amplification, la commutation et le transport de la lumière dans une puce, ont été rapportés comme étant une innovation technologique importante qui simplifie la conception du système optique et qui réduit l'espace et la consommation de l'énergie en améliorant ainsi la fiabilité. La capacité de modifier la bande interdite des zones sélectives des différents dispositifs photoniques à travers la puce est la clé majeure pour le développement de circuits photoniques intégrés. Comparé à d'autres méthodes d’épitaxie, l’interdiffusion de puits quantiques a attiré beaucoup d'intérêt en raison de sa simplicité et son efficacité en accordant la bande interdite durant le processus de post-épitaxie. Cependant, l’interdiffusion de puits quantiques a subi des problèmes reliés au manque de précision pour modifier convenablement la bande interdite ciblée et à l’incontrôlabilité de l’absorption des impuretés au cours du processus qui peut dégrader la qualité du matériel interdiffusé. Dans cette thèse, nous avons utilisé les lasers excimer pour créer des défauts à proximité de la surface (~ 10 nm) des microstructures à base de puits quantiques III-V (par exemple InP et GaAs) et pour induire l’interdiffusion après le recuit thermique. L'irradiation par les lasers excimer (ArF et KrF) des microstructures à puits quantiques a été réalisée dans différents environnements, y compris l'air, l'eau déionisée, les couches diélectriques (SiO2 et Si3N4) et les couches d’InOx. Pour proposer un bon contrôle de la technique d’interdiffusion de puits quantiques par laser excimer, nous avons étudié la génération et la diffusion de défauts de surface en utilisant différentes méthodes de caractérisation de surface/interface, comme l'AFM, SEM, XPS et SIMS qui ont été utilisées pour analyser la modification de la morphologie de surface/interface et la modification chimique de la microstructure de ces puits quantiques. La qualité des microstructures à puits quantiques étudiées a été représentée par des mesures de photoluminescence et de luminescence des diodes lasers ainsi fabriqués. Les résultats montrent que le laser excimer induit des quantités d'oxydes de surface dans les surfaces des microstructure à puits quantiques InP/InGaAs/InGaAsP dans l'air et des impuretés d'oxygène des couches d'oxydes diffusées dans la région active de la microstructure lors du recuit, ce qui améliore l’interdiffusion, mais réduit l'intensité de la photoluminescence. Par contre, l’irradiation dans un environnement d'eau déionisée n’a pas démontré de diffusion des impuretés évidentes d'un excès d'oxygène vers les régions actives, mais la stœchiométrie de surface a été restaurée après l’interdiffusion. L’InOx a été trouvé avec un grand coefficient de dilatation thermique dans la microstructure interdiffusée qui était supposée d’augmenter la contrainte de compression dans la région active et ainsi d’augmenter l'intensité de photoluminescence de 10 fois dans l’échantillon irradié dans l'eau déionisée. Concernant les microstructures avec une couche diélectrique, la modification de la bande interdite a été toujours réalisée sur des échantillons dont les couches diélectriques ont été irradiées et la surface de InP a été modifiée par le laser excimer. Pour l'échantillon avec une couche de 243 nm de SiO2, les variations de la photoluminescence ont été mesurées sans l’ablation de cette couche de SiO2 lors de l'irradiation par le laser KrF. Cependant, la morphologie de l'interface d’InP a été modifiée, les oxydes d'interface ont été générés et les impuretés d'oxygène se sont diffusées à l'intérieur des surfaces irradiées. Les améliorations de l’interdiffusion dans les deux surfaces non irradiées et irradiés de l'échantillon couvert de couche d’InOx ont démontré l'importance des oxydes dans l’interdiffusion des puits quantiques. Les diodes laser fabriquées à partir d’un matériau interdiffusé par un laser KrF ont montré un seuil de courant comparable à celui des matériaux non interdiffusés avec un décalage de photoluminescence de 100 nm. En combinant un masque d'aluminium, nous avons créé un déplacement uniforme de photoluminescence de 70 nm sur une matrice rectangulaire de 40 μm x 200 μm ce qui présente un potentiel d’application de l’interdiffusion des puits quantiques par les lasers excimer dans les circuits photoniques intégrés. En outre, les lasers excimer ont été utilisés pour créer des structures de nano-cônes auto-organisées sur des surfaces de microstructure de InP/InGaAs/InGaAsP en augmentant l'intensité de PL par ~ 1.4 fois. Les lasers excimer ont été aussi utilisés pour modifier la mouillabilité sélective des zones d’une surface de silicium par une modification chimique de surface induite par laser dans différents milieux liquides. Ainsi, la fluorescence des nanosphères a été réussie pour des fonctions de configuration spécifique avec une surface de silicium. // Abstract : Photonic integrated circuits (PICs) which combine photonic devices for generation, detection, modulation, amplification, switching and transport of light on a chip have been reported as a significant technology innovation that simplifies optical system design, reduces space and power consumption, improves reliability. The ability of selective area modifying the bandgap for different photonic devices across the chip is the important key for PICs development. Compared with other growth methods, quantum well intermixing (QWI) has attracted amounts of interest due to its simplicity and effectiveness in tuning the bandgap in post-growth process. However, QWI has suffered problems of lack of precision in achieving targeted bandgap modification and uncontrollable up-taking of impurities during process which possibly degrade the quality of intermixed material. In this thesis, we have employed excimer laser to create surface defects in the near surface region (~ 10 nm) of III-V e.g. InP and GaAs, based QW microstructure and then annealing to induce intermixing. The irradiation by ArF and KrF excimer lasers on the QW microstructure was carried out surrounded by different environments, including air, DI water, dielectric layers (SiO2 and Si3N4) and InOx coatings. To propose a more controllable UV laser QWI technique, we have studied surface defects generation and diffusion with various surface/interface characterization methods, like AFM, SEM, XPS and SIMS, which were used to analyse the QW surface/interface morphology and chemical modification during QWI. The quality of processed QW microstructure was represented by photoluminescence measurements and luminescence measurements of fabricated laser diodes. The results shows that excimer laser induced amounts of surface oxides on the InP/InGaAs/InGaAsP microstructure surface in air and the oxygen impurities from oxides layer diffused to the active region of the QW microstructure during annealing, which enhance intermixing but also reduce the PL intensity. When irradiated in DI water environment, no obvious excessive oxygen impurities were found to diffuse to the active regions and the surface stoichiometry has been restored after intermixing. InOx with large coefficient of thermal expansion was found inside the intermixed QW microstructure, which was supposed to increase the compressive strain in active region and enhance the PL intensity to maximum 10 times on sample irradiated in DI water. On microstructure coated with dielectric layers, bandgap modifications were always found on samples whose dielectric layers were ablated and InP surface was modified by excimer laser. On sample coated with 243 nm SiO2 layer, the PL shifts were found on sample without ablation of the SiO2 layer when irradiated by KrF laser. However, the InP interface morphology was modified, interface oxides were generated and oxygen impurities have diffused inside on the irradiated sites. The enhancements of interdiffusion on both non irradiated and irradiated sites of sample coated with InOx layer have verified the importance of oxides in QWI. The laser diodes fabricated from KrF laser intermixed material have shown comparable threshold current density with as grown material with PL shifted by 133 nm. Combined aluminum mask, we have created uniform 70 nm PL shifts on 40 μm x 200 μm rectangle arrays which presents UV laser QWI potential application in PICs. In addition, excimer lasers have been used to create self organized nano-cone structures on the surface of InP/InGaAs/InGaAsP microstructure and enhance the PL intensity by ~1.4x. Excimer lasers have selective area modified wettability of silicon surface based on laser induced surface chemical modification in different liquid environments. Then the fluorescence nanospheres succeeded to specific pattern functions with silicon surface.

Résumé : Les circuits photoniques intégrés qui combinent des dispositifs photoniques pour la génération, la détection, la modulation, l'amplification, la commutation et le transport de la lumière dans une puce, ont été rapportés comme étant une innovation technologique importante qui simplifie la conception du système optique et qui réduit l'espace et la consommation de l'énergie en améliorant ainsi la fiabilité. La capacité de modifier la bande interdite des zones sélectives des différents dispositifs photoniques à travers la puce est la clé majeure pour le développement de circuits photoniques intégrés. Comparé à d'autres méthodes d’épitaxie, l’interdiffusion de puits quantiques a attiré beaucoup d'intérêt en raison de sa simplicité et son efficacité en accordant la bande interdite durant le processus de post-épitaxie. Cependant, l’interdiffusion de puits quantiques a subi des problèmes reliés au manque de précision pour modifier convenablement la bande interdite ciblée et à l’incontrôlabilité de l’absorption des impuretés au cours du processus qui peut dégrader la qualité du matériel interdiffusé. Dans cette thèse, nous avons utilisé les lasers excimer pour créer des défauts à proximité de la surface (~ 10 nm) des microstructures à base de puits quantiques III-V (par exemple InP et GaAs) et pour induire l’interdiffusion après le recuit thermique. L'irradiation par les lasers excimer (ArF et KrF) des microstructures à puits quantiques a été réalisée dans différents environnements, y compris l'air, l'eau déionisée, les couches diélectriques (SiO2 et Si3N4) et les couches d’InOx. Pour proposer un bon contrôle de la technique d’interdiffusion de puits quantiques par laser excimer, nous avons étudié la génération et la diffusion de défauts de surface en utilisant différentes méthodes de caractérisation de surface/interface, comme l'AFM, SEM, XPS et SIMS qui ont été utilisées pour analyser la modification de la morphologie de surface/interface et la modification chimique de la microstructure de ces puits quantiques. La qualité des microstructures à puits quantiques étudiées a été représentée par des mesures de photoluminescence et de luminescence des diodes lasers ainsi fabriqués. Les résultats montrent que le laser excimer induit des quantités d'oxydes de surface dans les surfaces des microstructure à puits quantiques InP/InGaAs/InGaAsP dans l'air et des impuretés d'oxygène des couches d'oxydes diffusées dans la région active de la microstructure lors du recuit, ce qui améliore l’interdiffusion, mais réduit l'intensité de la photoluminescence. Par contre, l’irradiation dans un environnement d'eau déionisée n’a pas démontré de diffusion des impuretés évidentes d'un excès d'oxygène vers les régions actives, mais la stœchiométrie de surface a été restaurée après l’interdiffusion. L’InOx a été trouvé avec un grand coefficient de dilatation thermique dans la microstructure interdiffusée qui était supposée d’augmenter la contrainte de compression dans la région active et ainsi d’augmenter l'intensité de photoluminescence de 10 fois dans l’échantillon irradié dans l'eau déionisée. Concernant les microstructures avec une couche diélectrique, la modification de la bande interdite a été toujours réalisée sur des échantillons dont les couches diélectriques ont été irradiées et la surface de InP a été modifiée par le laser excimer. Pour l'échantillon avec une couche de 243 nm de SiO2, les variations de la photoluminescence ont été mesurées sans l’ablation de cette couche de SiO2 lors de l'irradiation par le laser KrF. Cependant, la morphologie de l'interface d’InP a été modifiée, les oxydes d'interface ont été générés et les impuretés d'oxygène se sont diffusées à l'intérieur des surfaces irradiées. Les améliorations de l’interdiffusion dans les deux surfaces non irradiées et irradiés de l'échantillon couvert de couche d’InOx ont démontré l'importance des oxydes dans l’interdiffusion des puits quantiques. Les diodes laser fabriquées à partir d’un matériau interdiffusé par un laser KrF ont montré un seuil de courant comparable à celui des matériaux non interdiffusés avec un décalage de photoluminescence de 100 nm. En combinant un masque d'aluminium, nous avons créé un déplacement uniforme de photoluminescence de 70 nm sur une matrice rectangulaire de 40 μm x 200 μm ce qui présente un potentiel d’application de l’interdiffusion des puits quantiques par les lasers excimer dans les circuits photoniques intégrés. En outre, les lasers excimer ont été utilisés pour créer des structures de nano-cônes auto-organisées sur des surfaces de microstructure de InP/InGaAs/InGaAsP en augmentant l'intensité de PL par ~ 1.4 fois. Les lasers excimer ont été aussi utilisés pour modifier la mouillabilité sélective des zones d’une surface de silicium par une modification chimique de surface induite par laser dans différents milieux liquides. Ainsi, la fluorescence des nanosphères a été réussie pour des fonctions de configuration spécifique avec une surface de silicium. // Abstract : Photonic integrated circuits (PICs) which combine photonic devices for generation, detection, modulation, amplification, switching and transport of light on a chip have been reported as a significant technology innovation that simplifies optical system design, reduces space and power consumption, improves reliability. The ability of selective area modifying the bandgap for different photonic devices across the chip is the important key for PICs development. Compared with other growth methods, quantum well intermixing (QWI) has attracted amounts of interest due to its simplicity and effectiveness in tuning the bandgap in post-growth process. However, QWI has suffered problems of lack of precision in achieving targeted bandgap modification and uncontrollable up-taking of impurities during process which possibly degrade the quality of intermixed material. In this thesis, we have employed excimer laser to create surface defects in the near surface region (~ 10 nm) of III-V e.g. InP and GaAs, based QW microstructure and then annealing to induce intermixing. The irradiation by ArF and KrF excimer lasers on the QW microstructure was carried out surrounded by different environments, including air, DI water, dielectric layers (SiO2 and Si3N4) and InOx coatings. To propose a more controllable UV laser QWI technique, we have studied surface defects generation and diffusion with various surface/interface characterization methods, like AFM, SEM, XPS and SIMS, which were used to analyse the QW surface/interface morphology and chemical modification during QWI. The quality of processed QW microstructure was represented by photoluminescence measurements and luminescence measurements of fabricated laser diodes. The results shows that excimer laser induced amounts of surface oxides on the InP/InGaAs/InGaAsP microstructure surface in air and the oxygen impurities from oxides layer diffused to the active region of the QW microstructure during annealing, which enhance intermixing but also reduce the PL intensity. When irradiated in DI water environment, no obvious excessive oxygen impurities were found to diffuse to the active regions and the surface stoichiometry has been restored after intermixing. InOx with large coefficient of thermal expansion was found inside the intermixed QW microstructure, which was supposed to increase the compressive strain in active region and enhance the PL intensity to maximum 10 times on sample irradiated in DI water. On microstructure coated with dielectric layers, bandgap modifications were always found on samples whose dielectric layers were ablated and InP surface was modified by excimer laser. On sample coated with 243 nm SiO2 layer, the PL shifts were found on sample without ablation of the SiO2 layer when irradiated by KrF laser. However, the InP interface morphology was modified, interface oxides were generated and oxygen impurities have diffused inside on the irradiated sites. The enhancements of interdiffusion on both non irradiated and irradiated sites of sample coated with InOx layer have verified the importance of oxides in QWI. The laser diodes fabricated from KrF laser intermixed material have shown comparable threshold current density with as grown material with PL shifted by 133 nm. Combined aluminum mask, we have created uniform 70 nm PL shifts on 40 μm x 200 μm rectangle arrays which presents UV laser QWI potential application in PICs. In addition, excimer lasers have been used to create self organized nano-cone structures on the surface of InP/InGaAs/InGaAsP microstructure and enhance the PL intensity by ~1.4x. Excimer lasers have selective area modified wettability of silicon surface based on laser induced surface chemical modification in different liquid environments. Then the fluorescence nanospheres succeeded to specific pattern functions with silicon surface.

Les semiconducteurs composés III-V, et en particulier l’InGaAs, sont considéréscomme une alternative attractive pour remplacer le Silicium (Si) habituellement utilisépour former le canal dans les dispositifs Métal-Oxide-Semiconducteur (MOS). Sa hautemobilité électronique et sa bande interdite modulable, des paramètres clés pourl’ingénierie de dispositifs à haute performance, ont fait de l’InGaAs un candidatprometteur. Cependant, la stabilité thermique et la chimie des interfaces desdiélectriques high-k sur InGaAs est beaucoup plus complexe que sur Si. Tandis que laplupart des études se concentrent sur diverses méthodes de passivation, telles que lacroissance de couches passivantes d’interface (Si, Ge, et Si/Ge) et/ou le traitementchimique afin d’améliorer la qualité de l’interface high-k/InGaAs, les phénomènes telsque la diffusion d’espèces atomiques provenant du substrat dus aux traitementsthermiques n’ont pas été étudiés attentivement. Les traitements thermiques liés auxprocédés d’intégration de la source (S) et du drain (D) induisent des changementsstructurels qui dégradent les performances électriques du dispositif MOS. Unecaractérisation adaptée des altérations structurelles associées à la diffusion d’élémentsdepuis la surface du substrat est importante afin de comprendre les mécanismes defaille. Dans ce travail, une analyse de la structure ainsi que de la stabilité thermiquedes couches TiN/ZrO2/InGaAs par spectroscopie de photoélectrons résolue en angle(ARXPS) est présentée. Grâce à cette méthode d’analyse non destructive, il a étépossible d’observer des effets subtils tels que la diffusion d’espèces atomiques àtravers la couche diélectrique due au recuit thermique. A partir de la connaissance dela structure des couches, les profils d’implantation d’In et de Ga ont pu être estiméspar la méthode des scenarios. L’analyse de l’échantillon avant recuit thermique apermis de localiser les espèces In-O et Ga-O à l’interface oxide-semiconducteur. Aprèsrecuit, les résultats démontrent de façon quantitative que le recuit thermique cause ladiffusion de In et Ga vers les couches supérieures. En considérant différents scénarios,il a pu être démontré que la diffusion d’In et de Ga induite par le recuit atteint lacouche de TiO2. Dans le cas où l’échantillon est recuit à 500 °C, seule la diffusion d’Inest clairement observée, tandis que dans le cas où l’échantillon est recuit à 700 °C, onobserve la diffusion d’In et de Ga jusqu’à la couche de TiO2. L’analyse quantitative~ viii ~montre une diffusion plus faible de Gallium (~ 0.12 ML) que d’Indium (~ 0.26 ML) à 700°C /10 s. L’analyse quantitative en fonction de la température de recuit a permisd’estimer la valeur de l’énergie d’activation pour la diffusion d’Indium à travers leZircone. La valeur obtenue est très proche des valeurs de diffusion de l’Indium àtravers l’alumine et l’hafnia précédemment rapportées. Des techniquescomplémentaires telles que la microscopie électronique en transmission à hauterésolution (HR-TEM), la spectroscopie X à dispersion d’énergie (EDX) et laspectrométrie de masse à temps de vol (TOF-SIMS) ont été utilisés pour corréler lesrésultats obtenus par ARXPS. En particulier, la TOF-SIMS a révélé le phénomène dediffusion des espèces atomiques vers la surface. / III-V compound semiconductors, in particular InGaAs, are considered attractivealternative channel materials to replace Si in complementary metal-oxidesemiconductor(MOS) devices. Its high mobility and tunable band gap, requirementsfor high performance device design, have placed InGaAs as a promising candidate.However, the interfacial thermal stability and chemistry of high-k dielectrics on InGaAsis far more complex than those on Si. While most studies are focused on variouspassivation methods, such as the growth of interfacial passivation layers (Si, Ge, andSi/Ge) and/or chemical treatments to improve the quality of high-k/InGaAs interface,phenomena such as the out-diffusion of atomic species from the substrate as aconsequence of the thermal treatments have not been carefully studied. The thermaltreatments, which are related with integration processes of source and drain (S/D),lead to structural changes that degrade the electrical performance of the MOS device.A proper characterization of the structural alterations associated with the out-diffusionof elements from the substrate is important for understanding failure mechanisms. Inthis work it is presented an analysis of the structure and thermal stability ofTiN/ZrO2/InGaAs stacks by angle-resolved x-ray photoelectron spectroscopy (ARXPS).Through a non-destructive analysis method, it was possible to observe subtle effectssuch as the diffusion of substrate atomic species through the dielectric layer as aconsequence of thermal annealing. The knowledge of the film structure allowed forassessing the In and Ga depth profiles by means of the scenarios-method. For the asdeposited sample, In-O and Ga-O are located at the oxide-semiconductor interface. Byassuming different scenarios for their distribution, it was quantitatively shown thatannealing causes the diffusion of In and Ga up to the TiO2 layer. For the sampleannealed at 500 °C, only the diffusion of indium was clearly observed, while for thesample annealed at 700 °C the diffusion of both In and Ga to the TiO2 layer wasevident. The quantitative analysis showed smaller diffusion of gallium (~ 0.12 ML) thanof indium (~ 0.26 ML) at 700 °C/10 s. Since the quantification was done at differenttemperatures, it was possible to obtain an approximate value of the activation energyfor the diffusion of indium through zirconia. The value resulted to be very similar topreviously reported values for indium diffusion through alumina and through hafnia.~ vi ~Complementary techniques as high resolution transmission electron microscopy (HRTEM),energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) and time of flight secondary ion massspectrometry (TOF-SIMS) were used to complement the results obtained with ARXPS.Specially, TOF-SIMS highlighted the phenomenon of diffusion of the substrate atomicspecies to the surface. / Compuestos semiconductores III-V, en particular InxGa1-xAs, son consideradosmateriales atractivos para reemplazar el silicio en estructuras metal-oxidosemiconductor(MOS). Su alta movilidad y flexible ancho de banda, requisitos para eldiseño de dispositivos de alto rendimiento, han colocado al InxGa1-xAs como uncandidato prometedor. Sin embargo, la estabilidad térmica en la interfazdieléctrico/InxGa1-xAs es mucho más compleja que aquella formada en la estructuraSiO2/Si. Mientras que la mayoría de los estudios se centran en diversos métodos depasivación tales como el crecimiento de las capas intermedias (Si, Ge y Si/Ge) y/otratamientos químicos para mejorar la calidad de la interfaz, fenómenos como ladifusión de las especies atómicas del sustrato como consecuencia del recocido no hansido cuidadosamente estudiados. Los tratamientos térmicos, los cuales estánrelacionados con los procesos de integración de la fuente y el drenador (S/D) en undispositivo MOSFET, conducen a cambios estructurales que degradan el rendimientoeléctrico de un dispositivo MOS. Una caracterización apropiada de las alteracionesestructurales asociadas con la difusión de los elementos del substrato hacia las capassuperiores es importante para entender cuáles son los mecanismos de falla en undispositivo MOS. En este trabajo se presenta un análisis de la estructura y laestabilidad térmica de la estructura TiN/ZrO2/InGaAs por la espectroscopía defotoelectrones por rayos X con resolución angular (ARXPS). A través de un método deanálisis no destructivo, fue posible observar efectos sutiles tales como la difusión delas especies atómicas del sustrato a través del dieléctrico como consecuencia delrecocido. El conocimiento detallado de la estructura permitió evaluar los perfiles deprofundidad para las componentes de In-O y Ga-O por medio del método deescenarios. Para la muestra en estado como se depositó, las componentes de In-O yGa-O fueron localizadas en la interfaz óxido-semiconductor. Después del recocido, semuestra cuantitativamente que éste causa la difusión de átomos de In y Ga hacia a lascapas superiores. Asumiendo diferentes escenarios para su distribución, se muestraque el recocido provoca la difusión de In y Ga hasta la capa de TiO2. Para la muestrarecocida a 500 °C, se observó claramente la difusión de indio, mientras que para lamuestra recocida a 700 °C tanto In y Ga difunden a la capa de TiO2. El análisis~ iv ~cuantitativo mostró que existe menor difusión de átomos de galio (0.12 ML) que deindio (0.26 ML) a 700 °C/10 s. Puesto que el análisis sobre la cantidad de materialdifundido se realizó a diferentes temperaturas, fue posible obtener un valoraproximado para la energía de activación del indio a través del ZrO2. El valor resultóser muy similar a los valores reportados previamente para la difusión de indio a travésde Al2O3 y a través de HfO2. Con el fin de correlacionar los resultados obtenidos porARXPS, se emplearon técnicas complementarias como la microscopía electrónica detransmisión (TEM), la espectroscopía de energía dispersiva (EDX) y la espectrometríade masas de iones secundarios por tiempo de vuelo (SIMS-TOF). Particularmente, TOFSIMSdestacó el fenómeno de difusión de las especies atómicas sustrato hacia lasuperficie.

L'objectif de ce travail de thèse est l'exploitation des oscillations de plasma tridimensionnelles dans des diodes à base d'InGaAs et de GaN, matériaux de grand intérêt pour les applications térahertz à cause de la haute mobilité électronique du premier et des fortes interactions électrons-phonons optiques dans le second. Ce travail s'insère dans le contexte d'études récentes dans lesquelles l'utilisation de dispositifs basés sur l'excitation d'ondes de plasma tridimensionnelles a été proposée pour des applications térahertz, à l'heure où les ondes de plasma bidimensionnelles demeurent très limitées en puissance. Cette étude est menée à travers le développement d'un outil numérique de simulation basé sur le modèle hydrodynamique couplé à un solveur de Poisson unidimensionnel. La réponse des diodes à différentes perturbations optiques et électriques est alors évaluée à travers la description du régime petit-signal, et l'influence sur les résonances de plasma des différents paramètres des diodes est mise en évidence pour l'InGaAs et pour le GaN. Une résolution matricielle de l'équation de Poisson à deux dimensions est également présentée en vue d'un couplage ultérieur avec le modèle hydrodynamique à deux dimensions, ce qui permettrait éventuellement une étude plus approfondie des ondes de plasma dans les transistors. En outre, vu que les paramètres d'entrée du modèle hydrodynamique sont tirés d'un simulateur Monte Carlo dont les paramètres d'entrée sont directement calculés à partir de la structure de bandes du matériau, une partie préliminaire à la simulation des dispositifs, et qui implique le calcul de la structure de bande des matériaux par la méthode semi-empirique du pseudopotentiel, est aussi traitée. / The objective of this thesis is the analysis of three-dimensional plasma oscillations in diodes based on InGaAs and GaN, materials of great interest for terahertz applications because of the high electron mobility of the first and the strong electron-optical phonons interactions in the second. This work falls within the context of recent studies in which the use of devices based on the excitation of three-dimensional plasma waves has been proposed for terahertz applications, at a time when two-dimensional plasma waves remain very limited in emission power. This study is conducted through the development of a numerical simulation based on the hydrodynamic model coupled to a one-dimensional Poisson solver. The response of diodes at different optical and electrical excitations is then evaluated through the description of small-signal regime, and the influence on plasma resonances of the various parameters of the diodes is demonstrated for InGaAs and GaN. A matrix resolution of the two-dimensional Poisson equation is also presented for a subsequent coupling with the two-dimensional hydrodynamic model, which would eventually allow a more thorough study of plasma waves in transistors. In addition, since the input parameters of the hydrodynamic model are derived from a Monte Carlo simulator whose input parameters are directly calculated from the band structure of the material, a preliminary study to devices simulation, which involves the calculation of the materials band structure by the semi-empirical pseudopotential method, is also considered.