<p>In this project Fourier Transform Infrared Spectroscopy is used to investigate a new kind of photodiode that is based on nanowires. The photo current and I-V curves for different temperatures, different applied biases, in darkness and illumination condition have been studied. The experiment was conducted in the temperature range from 78 K (-195ºC) to 300 K (27ºC). These photo diodes are designed to work on NIR wavelengths. The results show some excellent properties, such as high break down voltage, and that is an important advantage for photo detectors, low and constant reverse saturation current (Is). The results show some defects, most of them come from fabrication. The design of the sample is also discussed.</p>

In this project Fourier Transform Infrared Spectroscopy is used to investigate a new kind of photodiode that is based on nanowires. The photo current and I-V curves for different temperatures, different applied biases, in darkness and illumination condition have been studied. The experiment was conducted in the temperature range from 78 K (-195ºC) to 300 K (27ºC). These photo diodes are designed to work on NIR wavelengths. The results show some excellent properties, such as high break down voltage, and that is an important advantage for photo detectors, low and constant reverse saturation current (Is). The results show some defects, most of them come from fabrication. The design of the sample is also discussed.

Photodetectors are a kind of semiconductor devices that convert incoming light to an electrical signal. Photodetectors are classified based on their different structure, fabrication technology, applications and different sensitivity. Infrared photodetectors are widely used in many applications such as night vision, thermal cameras, remote temperature sensing, and medical diagnosis etc.   All detectors have material inside that is sensitive to incoming light. It will absorb the photons and, if the incoming photons have enough energy, electrons will be excited to higher energy levels and if these electrons are free to move, under the effect of an external electric field, a photocurrent is generated.   In this project Fourier Transform Infrared (FT-IR) Spectroscopy is used to investigate a new kind of photodiodes that are based on self-assembled semiconductor nanowires (NWs) which are grown directly on the substrate without any epi-layer. The spectrally resolved photocurrent (at different applied biases) and IV curves (in darkness and illumination) for different temperatures have been studied respectively. Polarization effects (at low and high Temperatures) have been investigated.  The experiments are conducted for different samples with high concentration of NWs as well as with lower concentration of NWs in the temperature range from 78 K (-195ºC) to 300 (27ºC). These photodiodes are designed to work in near infrared (NIR) spectral range.   The results show that the NW photodetectors indeed are promising devices with fairly high break down voltage, change of photocurrent spectra with polarized light, low and constant reverse saturation current (Is). The impact of different polarized light on photocurrent spectra has been investigated and an attempt has been made to clarify the observed double peak of InP photocurrent spectrum. Our investigations also include a comparison to a conventional planar InP p-i-n photodetector.

L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés possédant des fréquences de coupure de plus en plus élevées. Le test et la caractérisation de ces composants atteignent les limites des outils de mesure classiques<br />(analyseur de réseau et oscilloscope à échantillonnage). Depuis quelques années, la technique d'échantillonnage électro-optique basée sur l'utilisation d'un laser femtoseconde s'avère une bonne solution pour répondre à ce problème. Le déclenchement du banc d'échantillonnage électro-optique est dans notre cas assuré par un photoconducteur réalisé en InGaAs épitaxié sur InP. L'utilisation de cette couche semiconductrice permet l'utilisation de sources laser femtosecondes à 1,55 µm mais aussi rend le photoconducteur compatible avec la filière InP, matériau de base pour les composants télécoms. L'irradiation ionique de la couche semiconductrice introduit des défauts qui jouent le rôle de pièges pour les porteurs libres rendant ainsi le composant ultra-rapide. L'effet de l'irradiation ionique sur les propriétés ”matériau” de l'InGaAs est tout d'abord étudié. Un modèle de répartition en paires de Frenkel permet d'expliquer l'évolution de la mobilité et du temps de vie des électrons pour des matériaux irradiés par des protons. Les photoconducteurs ultra-rapides utilisant les couches actives d'InGaAs irradiées génèrent des impulsions électriques de largeur à mi-hauteur 2,2 ps avec une amplitude de 0,65 V pour une polarisation de 3V. Le déclenchement du banc d'échantillonnage électrooptique est donc assuré par un photoconducteur irradié et la mesure est réalisée grâce à une sonde électro-optique de tantalate de lithium (LiTaO3) miniature. Les performances du banc d'échantillonnage permettent la caractérisation de nombreux composants : des photodiodes de bande passante supérieure à 65 GHz, des lignes coplanaires et un amplificateur distribué de bande passante 60 GHz, réalisé par Alcatel-Opto+. Cette mesure permet d'évaluer la réponse temporel en petits et grands signaux de l'amplificateur.

L'objet de cette étude est le dépôt de films minces SiNx à basse température assisté par plasma de haute densité de type DECR (Distributed Electron Cyclotron Resonance) et leur application à la passivation des dispositifs optoélectroniques à base d'InP, tel que le transistor bipolaire à hétérojonction. Dans un premier temps, nous comparons les différentes sources de plasma de haute densité qui sont utilisées pour le dépôt de nitrure de silicium et nous présentons un bilan des diverses méthodes de désoxydation des matériaux semiconducteurs utilisés dans les dispositifs optoélectroniques à base d'InP. Nous avons ensuite choisi de détailler la mise en oeuvre de l'analyse par sondes électrostatiques simple et double, qui constitue l'apport essentiel de ce travail dans l'étude du plasma DECR. Cette méthode nous a permis de mesurer des paramètres cruciaux pour le dépôt, tels que l'énergie des ions lorsqu'ils arrivent sur le substrat ou encore la densité de courant ionique. Ainsi, nous avons pu corréler ces paramètres avec les propriétés des films minces déposés (contrainte, densité, ...). Nous avons également étudié les mécanismes de conduction dans le nitrure de silicium pour différentes épaisseurs de film. La conduction par effet tunnel (mécanisme de Fowler-Nordheim) devient négligeable pour les films d'épaisseur supérieure à 20 nm. Pour ces derniers, la conduction est assistée par les pièges à électrons présents dans le nitrure (mécanisme de Frenkel-Poole). A travers l'étude électrique des structures Al/SiNx/InP, nous avons constaté que le traitement in-situ du substrat d'InP par plasma DECR N2 et/ou NH3 ne permet pas d'optimiser l'interface SiNx/InP. Par contre, nous avons montré que l'utilisation d'un plasma de dépôt riche en hydrogène permettait de réduire l'oxyde présent à la surface de l'InP. L'ensemble de cette étude a permis de définir un procédé de passivation du transistor bipolaire à hétérojonction InP/InGaAs qui a été testé avec succès.

Semiconductor quantum dots (QDs) are well established as sub-Poissonian sources of entangled photon pairs. To improve the utility of a QD light source, it would be advantageous to extend their emission further into the near infrared, into the low absorption wavelength windows utilised in long-haul optical telecommunication. Initial experiments succeeded in interfering O-band (1260—1360 nm) photons from an InAs/GaAs QD with dissimilar photons from a laser, an important mechanism for quantum teleportation. Interference visibilities as high as 60 ± 6 % were recorded, surpassing the 50 % threshold imposed by classical electrodynamics. Later, polarisation-entanglement of a similar QD was observed, with pairs of telecom-wavelength photons from the radiative cascade of the biexciton state exhibiting fidelities of 92.0 ± 0.2 % to the Bell state. Subsequently, an O-band telecom-wavelength quantum relay was realised. Again using an InAs/GaAs QD device, this represents the first implementation of a sub-Poissonian telecom-wavelength quantum relay, to the best knowledge of the author. The relay proved capable of implementing the famous four-state BB84 protocol, with a mean teleportation fidelity as high as 94.5 ± 2.2 %, which would contribute 0.385 secure bits per teleported qubit. After characterisation by way of quantum process tomography, the performance of the relay was also evaluated to be capable of implementing a six-state QKD protocol. In an effort to further extend the emitted light from a QD into the telecom C-band (1530—1565 nm), alternative material systems were investigated. InAs QDs on a substrate of InP were shown to emit much more readily in the fibre-telecom O- and C-bands than their InAs/GaAs counterparts, largely due to the reduced lattice mismatch between the QD and substrate for InAs/InP (~3 %) compared to InAs/GaAs (~7 %). Additionally, to minimize the fine structure splitting (FSS) of the exciton level, which deteriorates the observed polarisation-entanglement, a new mode of dot growth was investigated. Known as droplet epitaxy (D-E), QDs grown in this mode showed a fourfold reduction in the FSS compared to dots grown in the Stranski-Krastanow mode. This improvement would allow observation of polarisation-entanglement in the telecom C-band. In subsequent work performed by colleagues at the Toshiba Cambridge Research Labs, these D-E QDs were embedded in a p-i-n doped optical cavity, processed with electrical contacts, and found to emit entangled pairs of photons under electrical excitation. The work of this thesis provides considerable technological advances to the field of entangled-light sources, that in the near future may allow for deterministic quantum repeaters operating at megahertz rates, and in the further future could facilitate the distribution of coherent multipartite states across a distributed quantum network.

La température et la pression sont deux paramètres particulièrement importants pour l’optimisation des performances du régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). A ce jour, différentes méthodes expérimentales ont été développées, avec plus ou moins du succès, pour la mesure de ces deux paramètres. Ce travail présente, en continuité de ces approches, des investigations visant à développer une nouvelle technique in situ permettant de mesurer localement ces deux grandeurs dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD). Cette technique exploite la sensibilité en photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (ou en anglais « quantum dots (QDs)) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de température et de pression. A cet égard, des calibrations ont été réalisées afin d’évaluer la sensibilité de ces QDs aux deux paramètres. De plus, la versatilité de ces QDs comme nanosondes a été examinée en testant deux lubrifiants différents : le squalane et un mélange de squalane et de cyclopentane. Des mesures ont été également effectuées sous conditions dynamiques afin d’étudier (i) l’influence de la présence des QDs sur la rhéologie du lubrifiant et (ii) l’influence du taux de cisaillement sur la PL des QDs. Bien que ces différents tests aient prouvé le potentiel des QDs de CdSe/CdS/ZnS, ils ont révélé l’existence d’autres paramètres qui peuvent, tout comme la température et la pression, en modifier la réponse. L’étude a été menée afin d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de tels effets. Plus important encore, une méthodologie a été définie pour minimiser ces effets indésirables, et pour in fine, permettre l’usage de ces QDs en tant que nanosondes fiables. / Temperature and pressure are two relevant parameters for the optimization of lubrication performance in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. To date, various experimental methods have been developed to measure these two parameters with more or less success. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in the current work in view of developing a new in situ technique allowing for local measurements of these two parameters throughout elastohydrodynamic (EHD) contacts. This technique exploits the photoluminescence (PL) sensitivity of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to changes in temperature and pressure. In this respect, calibrations have been carried out in order to establish the sensitivity of these QDs to the two parameters. Moreover, the versatility of these QDs for sensing applications have been examined by testing two different lubricants, namely squalane and a mixture of squalane and cyclopentane. Some measurements were also conducted under dynamic conditions, in order to study (i) the influence of the QDs presence on the lubricant rheology and (ii) the influence of shear rate on the PL of QDs. Although these different tests demonstrated the potential of CdSe/CdS/ZnS QDs, they revealed the existence of other parameters that affect, in addition to temperature and pressure, their response. A comprehensive study was thus conducted in order to elucidate the mechanisms behind these findings. More importantly, a methodology was defined in order to minimize these undesired influences and, in fine, enable these QDs to be used as reliable nanosensors.

The Square Kilometre Array (SKA) is a multibillion and a multinational science project to build the world’s largest and most sensitive radio telescope. For a very large field of view, the combined collecting area would be one square kilometre (or 1, 000, 000 square metre) and spread over more than 3,000 km wide which will require a massive count of antennas (thousands). Each of the antennas contains hundreds of low noise amplifier (LNA) circuits. The antenna arrays are divided into low, medium and high operational frequencies and located at different positions to boost up the telescope’s scanning sensitivity.The objective of this work was to develop and fabricate fully on-chip LNA circuits to meet the stringent requirements for the mid-frequency array from 0.4 GHz to 1.4 GHz of the SKA radio astronomy telescope using Monolithic Microwave Integrated Circuit technology (MMIC). Due to the number of LNA reaching figures of millions, the fabricated circuits were designed with the consideration for low cost fabrication and high reliability in the receiver chain. Therefore, a relaxed optical lithography with Lg = 1 µm was adopted for a high yield fabrication process.Towards the fulfilment of the device’s low noise characteristics, a large number of device designs, fabrication and characterisation of InGaAs/InAlAs/InP pHEMTs were undertaken. These include optimisations at each critical fabrication steps. The device’s high breakdown and very low gate leakage characteristics were further improved by a combination of judicious epitaxial growth and manipulation of materials’ energy gaps. An attempt to increase the device breakdown voltage was also employed by incorporating Field Plate structure at the gate terminal. This yielded the devices with improvements in the breakdown voltage up to 15 V and very low gate leakage of 1 µA/mm, in addition to high transconductance (gm) characteristic. Fully integrated double stage LNA had measured NF varying from 1.2 dB to 1.6 dB from 0.4 GHz to 1.4 GHz, compared with a slightly lower NF obtained from simulation (0.8 dB to 1.1 dB) across the same frequency band.These are amongst the attractive device properties for the implementation of a fully on-chip MMIC LNA circuits demonstrated in this work. The lower circuit’s low noise characteristic has been demonstrated using large gate width geometry pHEMTs, where the system’s noise resistance (Rn) has successfully reduced to a few ohms. The work reported here should facilitate the successful implementation of rugged low noise amplifiers as required by SKA receivers.

The absorptance in vertical nanowire (nw) arrays is typically dominated by three optical phenomena: radial mode resonances, near-field evanescent wave coupling, and Fabry–Perot (F-P) mode resonances. The contribution of these optical phenomena to GaAs, InP and InAs nw absorptance was simulated using the finite element method. The study compared the absorptance between finite and semi-infinite nws with varying geometrical parameters, including the nw diameter (D), array period (P), and nw length (L). Simulation results showed that the resonance peak wavelength of the HE1n radial modes linearly red-shifted with increasing D. The absorptance and spectral width of the resonance peaks increased as L increased, with an absorptance plateau for very long nws that depended on D and P. Near-field coupling between neighbouring nanowires (nws) was observed to increase with increasing diameter to period ratio (D/P). The effect of F-P modes was more pronounced for shorter nws and weakly coupled light. Based on the collective observation of the correlation between nw geometry and optical phenomena in GaAs, InP, and InAs nw arrays, a periodic array of vertical InSb nws was designed for photodetectors in the low-atmospheric absorption window (λ = 3-5 μm) within the mid-wavelength infrared (MWIR) spectrum (λ = 3-8 μm). Simulations, using the finite element method, were implemented to optimize the nw array geometrical parameters (D, P, and L) for high optical absorptance (~0.8), which exceeded that of a thin film of equal thickness. The results further showed that the HE1n resonance wavelengths in InSb nw arrays can be tuned by adjusting D and P, thus enabling multispectral absorption throughout the near infrared (NIR) to MWIR region. Optical absorptance was investigated for a practical photodetector consisting of a vertical InSb nw array embedded in bisbenzocyclobutene (BCB) as a support layer for an ultrathin Ni contact layer. Polarization sensitivity of the photodetector was examined. Lastly, how light flux enters the nw top and sidewalls on HE11 resonance was investigated. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

Cette thèse est consacrée à l'étude de la physico-chimie des structures électroniques et microélectroniques à base de phosphure d'indium (InP). Le contexte scientifique de cette étude est d'abord abordé dans une description de la pollution atmosphérique ainsi que de sa métrologie. Les propriétés physico-chimiques et électroniques de InP sont particulièrement détaillées. Les structures des capteurs de gaz en cours de développement pour cette application sont ensuite répertoriées. Les méthodes de caractérisation chimique (spectroscopie de surface XPS et Auger, microscopie à force atomique AFM) et électronique (Van der Pauw) ainsi que l'analyse théorique des propriétés électroniques des couches minces sont également présentées. Enfin, des mesures en laboratoire à température et concentration variables de NO2 proches de celles rencontrées dans une atmosphère urbaine sont présentées. Les résultats obtenus suite à l'analyse théorique et aux différentes expériences ont montré le rôle prédominant des oxydes natifs présents à la surface de InP sur les réponses des capteurs. Ces derniers interviennent également sur la stabilité de la réponse aux gaz, tout comme leurs propriétés physico-chimiques. Les résultats des caractérisations électroniques et chimiques corroborent les résultats des essais des capteurs et permettent une modélisation de l'action du gaz sur InP