The performance of III-V heterojunction bipolar transistors (HBTs) has improved significantly over the past two decades. Today’s state of the art Indium Phosphide (InP) HBTs have a maximum frequency of oscillation greater than 800 GHz and have been used to realize an amplifier operating above 600 GHz . In comparison to silicon (Si) based devices, III-V HBTs have superior transport properties that enables a higher gain, higher speed, and noise performance, and much higher Johnson figure- of-merit . From this perspective, the InP HBT is one of the most promising candidates for high performance mixed signal electronic systems.

L’optique non linéaire traite les modifications des propriétés optiques d'un matériau induites par la propagation de la lumière. Depuis ses débuts, il y a cinquante ans, des nombreuses applications ont été démontrées dans presque tous les domaines de la science. Dans le domaine de la micro et nano-photonique, les phénomènes non linéaires sont à la fois au cœur d’une physique fondamentale fascinante et des applications intéressantes: ils permettent d'adapter et de contrôler le flux de lumière à une échelle spatiale inferieure à la longueur d'onde. En effet, les effets non linéaires peuvent être amplifiés dans des systèmes qui confinent la lumière dans des espaces restreints et avec de faibles pertes optiques. Des bons candidats pour ce confinement sont les nanocavités à cristaux photoniques (CPs), qui ont été largement étudiées ces dernières années. Parmi la grande diversité des processus non linéaires en optique, les phénomènes dynamiques tels que la bistabilité et l'excitabilité font l’objet de nombreuses études. La bistabilité est bien connue pour ces applications potentielles pour les mémoires et les commutateurs optiques et pour les portes logiques. Une réponse excitable typique est celle subjacente dans le déclanchement du potentiel d'action dans les neurones. En optique, l'excitabilité a été observée il y a une quinzaine d’années. Dans ce travail, nous avons étudié les régimes bistables, auto-oscillants et excitables dans des nanocavités semiconductrices III-V à CP. Afin de coupler efficacement la lumière dans les nanocavités, nous avons développé une technique de couplage par onde évanescente en utilisant une microfibre optique étirée. Grâce à cette technique, nous avons démontré pour la première fois l’excitabilité dans une nanocavité à CP. En parallèle, nous avons accompli la première étape vers la dynamique non linéaire dans un réseau de cavités couplées en démontrant le couplage optique linéaire entre nanocavitités adjacentes. Ceci a été réalisé en utilisant de mesures de photoluminescence en champ lointain. Un ensemble de résonateurs non linéaires couplés ouvre la voie à une famille de phénomènes dynamiques non linéaires très riches, basés sur la rupture spontanée de symétrie. Nous avons démontré théoriquement ce phénomène dans deux cavités couplées par onde évanescente. Les premières études expérimentales de ce régime ont été menées, établissant ainsi les bases pour une future démonstration de la rupture spontanée de symétrie dans un réseau de nanocavités non linéaires couplées. / Nonlinear optics concerns the modifications of the optical properties of a material induced by the propagation of light. Since its beginnings, fifty years ago, it has already found applications in almost any field of science. In micro and nano-photonics, nonlinear phenomena are at the heart of both fascinating fundamental physics and interesting potential applications: they give a handle to tailor and control the flow of light within a sub-wavelength spatial scale. Indeed, the nonlinear effects can be enhanced in systems allowing tight light confinement and low optical loses. Good candidates for this are the Photonic Crystal (PhC) nanocavities, which have been extensively studied in recent years. Among the great diversity of nonlinear processes in optics, nonlinear dynamical phenomena such as bistability and excitability have recently received considerable attention. While bistability is well known as a building block for all-optical memories, switching and logic gates, excitability has been demonstrated in optics about fifteen years ago: coming from neuroscience, it is the mechanism underlying action potential firing in neurons. In this work, we have studied bistable, self-pulsing and excitable regimes in InP-based PhC nanocavities. In order to achieve efficient light coupling into the nanocavities, we have developed an evanescent coupling technique using tapered optical microfibers. As a result, we have demonstrated for the first time excitability in a PhC nanocavity. In addition, we have accomplished the first step towards nonlinear dynamics in arrays of coupled cavities by demonstrating optical linear coupling between adjacent nanocavitites. This was achieved using far field measurements of photoluminescence. A set of coupled nonlinear resonators opens the door to a rich family of nonlinear dynamical phenomena based on spontaneous symmetry breaking. We have theoretically demonstrated this phenomenon in two evanescently coupled cavities. The first experimental studies on this regime were carried out, which establish a basis for a future demonstration of spontaneous symmetry breaking in arrays of nonlinear coupled PhC nanocavities.

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. / The last century saw the advent of quantum mechanics, information processing and integrated optics.These fields lead to the integrated optics for quantum communication. One of the challenges is thedevelopment of single photon sources operating at fiber’s telecommunication wavelength. In this workwe use quantum dots growth by MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy). We demonstratethese emitters can generate some quantum state of light thanks to the antibunching experiment.Moreover the spectroscopy of these objects will be deducted by the time resolved spectroscopy. Thepossibility to integrate these sources in ultimate’s size cavity permits to modify the spontaneous rateemission, so the result obtain with metallic cavity permit to observe an acceleration of the spontaneousemission on a wide spectral band. Finally a strong emission modification of the quantum dot’sensemble between 4K and 300K will be presented by using an original way based on the laser effect.

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.