L'ESSOR DES TÉLÉCOMMUNICATIONS À L'ÉCHELLE MONDIALE QU'A CONNU LA FIN DU XXÈME SIÈCLE A ÉTÉ RENDU POSSIBLE PAR L'EXISTENCE DE RÉSEAUX À BASE DE FIBRES OPTIQUES, CAPABLES DE TRANSMETTRE DES FLUX DE DONNÉES IMPORTANTS SUR DE LONGUES DISTANCES. LA GESTION DE CES IMPORTANTS FLUX D'INFORMATION EN AMONT ET EN AVAL DE LA FIBRE REQUIERT DES CIRCUITS ÉLECTRONIQUES NUMÉRIQUES ET ANALOGIQUES TRAITANT DES DÉBITS DE DONNÉES SUPÉRIEURS À 40GB/S, CE QUI IMPLIQUE L'UTILISATION DE COMPOSANTS TRÈS RAPIDES, AVEC DES FRÉQUENCES DE TRANSITION AU-DELÀ DE 150GHZ. GRÂCE AUX REMARQUABLES PROPRIÉTÉS DE LA FAMILLE DE MATÉRIAUX III-V EN TERMES DE TRANSPORT ÉLECTRIQUE, LE TRANSISTOR BIPOLAIRE À HÉTÉROJONCTION GAINAS/INP SE CLASSE COMME L'UN DES TRANSISTORS LES PLUS RAPIDES ACTUELLEMENT, ET PERMET LA RÉALISATION DE TELS CIRCUITS OPÉRATIONNELS À TRÈS HAUTE FRÉQUENCE. LA MISE EN PLACE D'UNE FILIÈRE COMPLÈTE DE FABRICATION DE CIRCUITS À BASE DE TBH NÉCESSITE QUE SOIT MAÎTRISÉ UN GRAND NOMBRE D'ÉTAPES. UN CERTAIN NOMBRE D'ENTRE ELLES TOUCHE DIRECTEMENT AU COMPOSANT: CONCEPTION, ÉPITAXIE, FABRICATION TECHNOLOGIQUE, CARACTÉRISATION... A CES ÉTAPES DOIT ÊTRE AJOUTÉE UNE CERTAINE COMPRÉHENSION DES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES INTERVENANT DANS LE DISPOSITIF. DANS CE TRAVAIL DE THÈSE, LES PROBLÉMATIQUES LIÉES À L'OPTIMISATION DU TBH GAINAS/INP, AINSI QUE CERTAINES QUESTIONS RELATIVES AUX MÉCANISMES PHYSIQUES MIS EN JEU SONT PRÉSENTÉES.

Photonic crystals (PhCs) are periodic dielectric structures that exhibit a photonic band gap; a range of wavelengths for which light propagation is forbidden. 2D PhCs exhibit most of the properties as their three dimension counterparts with a compatibility with standard semiconductor processing techniques such as epitaxial growth, electron beam lithography, Plasma deposition/etching and electromechanical lapping/polishing. Indium Phosphide (InP) is the material of choice for photonic devices especially when it comes to realization of coherent light source at 1.55 μm wavelength. Precise engineering of the nanostructures in the PhC lattice offers novel ways to confine, guide and control light in phonic integrated circuits (PICs). Strong confinement of light in PhCs offer novel opportunities in many areas of physics and engineering. Dry etching, a necessary process step in PhC device manufacturing, is known to introduce damage in the etched material. Process induced damage and its impact on the electrical and optical properties of PhCs depends on the etched material, the etching technique and process parameters. We have demonstrated a novel post-etch process based on so-called mass-transport (MT) technology for the first time on InP-based PhCs that has significantly improved side-wall verticality of etched PhC holes. A statistical analysis performed on several devices fabricated by MT process technology shows a great deal of improvement in the reliability of optical transmission characteristics which is very promising for achieving high optical quality in PhC components. Several PhC devices were manufactured using MT technology. Broad enough PhC waveguides that operate in the mono/multi-mode regime are interesting for coarse wavelength de-multiplexing. The fundamental mode and higher order mode interaction creates mini-stop band (MSB) in the dispersion diagram where the higher order mode has a lower group velocity which can be considered as slow light regime. In this thesis work, the phenomena of MSBs and its impact on transmission properties have been evaluated. We have proposed and demonstrated a method that enables spectral tuning with sub-nanometer accuracy which is based on the transmission MSB. Along the same lines most of the thesis work relates to broad enough PhC guides that operated in the multimode regime. Temperature tuning experiments on these waveguides reveals a clear red-shift with a gradient of dλ/dT=0.1 nm/˚C. MSBs in these waveguides have been studied by varying the width in incremental amounts. Analogous to semiconductors heterostructures, photonic heterostructures are composed of two photonic crystals with different band-gaps obtained either by changing the air-fill factor or by the lattice constant. Juxtaposing two PhC and the use of heterostructures in waveguide geometry has been experimentally investigated in this thesis work. In particular, in multimode line defect waveguides the “internal” MSB effect brings a new dimension in single junction-type photonic crystal waveguide (JPCW) and heterostructure W3 (HW3) for fundamental physics and applications. We have also fabricated an ultra-compact polarization beam splitter (PBS) realized by combining a multimode waveguide with internal PhC. MSBs in heterostructure waveguides have shown interesting applications such as designable band-pass flat-top filters, and resonance-like filters with high transmission. In the course of this work, InGaAsP suspended membrane technology was developed. An H2 cavity with a linewidth of ~0.4 nm, corresponding to a Q value of ~3675 has been shown. InGaAsP PhC membrane is an ideal platform to study coupled quantum well/dot-nanocavity system. / <p>QC 20120831</p>

Dry etching is an important technique for pattern transferin fabrication of most opto-electronic devices, since it canprovide good control of both structure size and shape even on asub-micron scale. Unfortunately, this process step may causedamage to the material which is detrimental to deviceperformance. It is therefore an objective of this thesis todevelop and investigate low damage etching processes for InPbased devices. An ion beam system in combination with hydrocarbon (CH4) based chemistries is used for etching. At variousion energies and gas flows the etching is performed in twomodes, reactive ion beam etching (RIBE) and chemical assistedion beam etching (CAIBE). How these conditions affect both etchcharacteristics (e.g. etch rates and profiles, surfacemorphology and polymer formation) and etch induced damage (onoptical and electrical properties) is evaluated and discussed.Attention is also paid to the effects of typical post etchingtreatments such as annealing on the optical and electricalproperties. An important finding is the correlation betweenas-etched surface morphology and recovery/degradation inphotoluminescence upon annealing in PH3. Since this type of atmosphere is typical forcrystal regrowth (an important process step in III/Vprocessing) a positive result is imperative. A low ion energy N2/CH4/H2CAIBE process is developed which not onlysatisfies this criteria but also exhibits good etchcharacteristics. This process is used successfully in thefabrication of laser gratings. In addition to this, the abilityof the ion beam system to modify the surface morphology in acontrollable manner is exploited. By exposing such modifiedsurfaces to AsH3/PH3, a new way to vary size and density of InAs(P)islands formed on the InP surfaces by the As/P exchangereaction is presented. This thesis also proposes a new etch chemistry, namelytrimethylamine ((CH3)3N or TMA), which is a more efficient methyl sourcecompared to CH4because of the low energy required to break the H3C-N bond. Since methyl radicals are needed for theetching it is presumably a better etching chemistry. A similarinvestigation as for the CH4chemistry is performed, and it is found that bothin terms of etch characteristics and etch induced damage thisnew chemistry is superior. Extremely smooth morphologies, lowetch induced damage and an almost complete recovery uponannealing can be obtained with this process. Significantly,this is also so at relatively high ion energies which allowshigher etch rates. <b>Keywords:</b>InP, dry etching, ion beam etching, RIBE,CAIBE, hydrocarbon chemistry, trimethylamine, As/P exchangereaction, morpholoy, low damage, AFM, SCM, annealing

<p>Dry etching is an important technique for pattern transferin fabrication of most opto-electronic devices, since it canprovide good control of both structure size and shape even on asub-micron scale. Unfortunately, this process step may causedamage to the material which is detrimental to deviceperformance. It is therefore an objective of this thesis todevelop and investigate low damage etching processes for InPbased devices.</p><p>An ion beam system in combination with hydrocarbon (CH₄) based chemistries is used for etching. At variousion energies and gas flows the etching is performed in twomodes, reactive ion beam etching (RIBE) and chemical assistedion beam etching (CAIBE). How these conditions affect both etchcharacteristics (e.g. etch rates and profiles, surfacemorphology and polymer formation) and etch induced damage (onoptical and electrical properties) is evaluated and discussed.Attention is also paid to the effects of typical post etchingtreatments such as annealing on the optical and electricalproperties. An important finding is the correlation betweenas-etched surface morphology and recovery/degradation inphotoluminescence upon annealing in PH₃. Since this type of atmosphere is typical forcrystal regrowth (an important process step in III/Vprocessing) a positive result is imperative. A low ion energy N₂/CH₄/H₂CAIBE process is developed which not onlysatisfies this criteria but also exhibits good etchcharacteristics. This process is used successfully in thefabrication of laser gratings. In addition to this, the abilityof the ion beam system to modify the surface morphology in acontrollable manner is exploited. By exposing such modifiedsurfaces to AsH₃/PH₃, a new way to vary size and density of InAs(P)islands formed on the InP surfaces by the As/P exchangereaction is presented.</p><p>This thesis also proposes a new etch chemistry, namelytrimethylamine ((CH₃)₃N or TMA), which is a more efficient methyl sourcecompared to CH₄because of the low energy required to break the H₃C-N bond. Since methyl radicals are needed for theetching it is presumably a better etching chemistry. A similarinvestigation as for the CH₄chemistry is performed, and it is found that bothin terms of etch characteristics and etch induced damage thisnew chemistry is superior. Extremely smooth morphologies, lowetch induced damage and an almost complete recovery uponannealing can be obtained with this process. Significantly,this is also so at relatively high ion energies which allowshigher etch rates.</p><p><b>Keywords:</b>InP, dry etching, ion beam etching, RIBE,CAIBE, hydrocarbon chemistry, trimethylamine, As/P exchangereaction, morpholoy, low damage, AFM, SCM, annealing</p>

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.

Les formats de modulation avancés, codant l'information sur la phase, la polarisation ou plusieurs niveaux d'amplitude de la lumière reçoivent aujourd'hui un intérêt croissant. En effet, ceux-ci permettent d'atteindre une meilleure efficacité spectrale et par conséquent des débits plus élevés. Ces caractéristiques sont actuellement très recherchées dans les télécommunications pour répondre à la demande constante d'augmentation de capacité des transmissions optiques fibrées. L'essentiel du travail effectué porte sur la génération de tels signaux dans des sources photoniques monolithiques sur InP faisant appel à un concept nouveau de commutation de phases optiques préfixées avec des modulateurs électro-absorbants. Une comparaison de notre technologie intégrée avec la technologie actuelle de génération de formats de modulation avancés démontre des possibilités nouvelles de réduction de taille, de diminution de consommation énergétique et d'évolution en vitesse de modulation jusqu'à 56 GBauds. Suite à la validation, par simulations, d'architectures de transmetteurs spécifiques pour la génération de formats de modulation avancés, nous réalisons en salle blanche les circuits photoniques intégrés d'étude. Les caractérisations statiques confirment le fonctionnement de toutes les fonctions intégrées des circuits et soulignent l'efficacité de la filière technologique. Pour une première démonstration de fonctionnalité nous choisissons un transmetteur BPSK capable de générer une modulation de phase à 12,4 GB. Ce résultat démontre la plus petite source intégrée BPSK à l'heure actuelle. Un autre circuit capable de générer des formats de modulation plus complexes est aussi caractérisé

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.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d'onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d'InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d'émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d'intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd'émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d'observerune accélération de l'émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l'émission d'un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l'effet laser.

Les imageurs à base d’alliage InGaAs sur substrat InP se sont fortement popularisés pour l’imagerie dans le proche infrarouge. La méthode de fabrication de référence est constituée d’une matrice de photodiodes planaires réticulées par diffusion localisée de zinc. Cette approche reste chère du fait d’une méthode d’hybridation individuelle entre circuit de lecture CMOS et circuit de détection. Afin de réaliser des imageurs proche infrarouge bas coût ou de grand format, cette méthode d’hybridation doit donc être revisitée. La solution présentée durant cette thèse est de transférer les structures III-V absorbantes directement sur le circuit de lecture par un collage moléculaire direct suivi d’une fabrication collective des matrices de photodiodes. Cette méthode demande le développement d’une nouvelle architecture pour la connexion électrique au circuit de lecture et la formation de diodes. Elle consiste en la réalisation de via de connexion à partir desquels un dopage localisé est réalisé. On forme alors des diodes circulaires autour de chaque via appelées LoopHoles. Ce dopage dont la température ne doit pas dépasser 400°C est réalisé par diffusion MOVPD. Malgré des phénomènes physiques parasites il a été possible de réaliser dans l’InP et l’InGaAs des jonctions p-n adaptées. Les caractéristiques optoélectroniques de groupes de diodes LoopHoles sur substrat InP et sur matériaux reportés ont ainsi pu être mesurées. / Nowadays short wavelength infrared (SWIR) imaging based on InP/InGaAs photo-diodes is quite popular for uncooled camera. The state of the art technology is a double layer planar heterointerface focal plane array. But, it remains expensive. Its cost comes essentially from the individually hybridization of photo-diodes array with read-out circuit, by the mean of an indium-bumps flip-chip process. We suggest an alternative method for hybridization, in order to lowering the cost and providing a sustainable process to decrease the pixel pitch. It consists in a direct integration by bonding silica of InP/InGaAs/InP structure above a finished read-out circuit (with CMOS technology) and circular diode architecture named “LoopHoles”. This diode consists in via-hole through the III-V materials and bonding silica layer down to top metal layer in the readout circuit for each active pixel. Via-hole is also used to diffuse laterally zinc in III-V layer in order to create p-type doping area. Because of the read-out circuit, temperature of diffusion has to be below 400°C which induces parasitic phenomena’s. We have found that a Hf02 coating on InP surface prevent this degradation while allowing zinc diffusion. We were able to control depth of p-n junction inside InP and InGaAs. We also investigated few steps of the processes like the molecular bonding, via etching and metallization. Finally, we succeeded to produce LoopHole photodiodes on bulk InP and on bonded materials with a high spectral efficiency, low pitch and a lower dark currant of 150 fA at room temperature.

Photonic switches are becoming key components in advanced optical networks because of the large variety of applications that they can perform. One of the key advantages of photonic switches is that they redirect or convert light without having to make any optical to electronic conversions and vice versa, thus allowing networking functions to be lowered into the optical layer. InP-based switches are particularly attractive because of their small size, low electrical power consumption, and compatibility with integration of laser sources, photo-detectors, and electronic components. In this dissertation the development of integrated InP photonic switches using an area-selective zinc diffusion process has been investigated. The zinc diffusion process is implemented using a semi-sealed open-tube diffusion technique. The process has proven to be highly controllable and reproducible by carefully monitoring of the diffusion parameters. Using this technique, isolated p-n junctions exhibiting good I-V characteristics and breakdown voltages greater than 10 V can be selectively defined across a semiconductor wafer. A series of Mach-Zehnder interferometric (MZI) switches/modulators have been designed and fabricated. Monolithic integration of 1x2 and 2x2 MZI switches has been demonstrated. The diffusion process circumvents the need for isolation trenches, and hence optical losses can be significantly reduced. An efficient optical beam steering device based on InGaAsP multiple quantum wells is also demonstrated. The degree of lateral current spreading is easily regulated by controlling the zinc depth, allowing optimization of the injected currents. Beam steering over a 21 microns lateral distance with electrical current values as low as 12.5 mA are demonstrated. Using this principle, a reconfigurable 1x3 switch has been implemented with crosstalk levels better than -17 dB over a 50 nm wavelength range. At these low electrical current levels, uncooled and d.c. bias operation is made feasible. The use of multimode interference (MMI) structures as active devices have also been investigated. These devices operate by selective refractive index perturbation on very specific areas within the MMI structure, and this is again realized using zinc diffusion. Several variants such as a compact MMI modulator that is as short as 350 µm, a robust 2x2 photonic switch and a tunable MMI coupler have been demonstrated.