This thesis reports on an extensive investigation into the intrinsic frequency response of various MQW lasers as determined from parasitic-free relative intensity noise (RIN) measurements. Eleven structures were designed, grown and fabricated at Nortel Technology's Advanced Technology Laboratory in Ottawa. Five of the laser structures had active regions containing 10 QWs. The barrier layer composition for these structures was varied such that the emission wavelength corresponding to the barrier band-gap increased from 1.0 pm to 1.2 pm in 0.05 pm steps. The remaining six structures had a constant barrier layer emission wavelength of 1.1 pm but the number of quantum wells was varied from 5, 7, 8 to 14 in 2 well steps. In all structures the QWs were embedded in a graded- index-separate-confinement-heterostructure waveguiding region and were strained to 1.0 percent in compression. The devices processed from these structures were Fabry-Perot type lasers having cavity lengths ranging from 254 pm to 1016 pm. Resonance frequency and damping values as a function of injection current and single facet optical power, as well as optical spectra just below threshold, were obtained for over one hundred devices. From this data the response coefficient D, K factor, group velocity (vg), photon energy (hv), mirror loss (am), and internal absorption (aint) were characterized. Using these characterized parameters dg/dN, dg/ds, and the maximum theoretical intrinsic 3 dB bandwidth (fmax) were calculated. The effects of varying QW number, barrier height, and cavity length on all these parameters was investigated. Limitations with using the single mode rate equation model for these characterizations is discussed. As well, potential limitations with the basic design of the structures studied in this thesis as revealed by the results are explored. / Thesis / Candidate in Philosophy

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt. / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.

Das gitterfehlangepaßte Kristallwachstum führt unter bestimmten Bedingungen zu einem 3-D Wachstumsmodus, der oft Stranski-Krastanow-Wachstum genannt wird. Resultierende Strukturgrößen liegen in der Größenordnung 10 nm und die Halbleiterstrukturen besitzen daher Quanteneigenschaften. Sie stehen im Fokus grundlagenwissenschaftlichen Interesses, da künstliche Atome und Dimensionalitätseffekte an ihnen untersucht werden können. Auch von der Anwendungsseite wächst das Interesse, da niederdimensionale Strukturen hoher Kristallqualität und mit hoher gestalterischer Freiheit geschaffen werden können. In dieser Arbeit wurden Mischhalbleiter-Heterostrukturen der Dimensionalität d= 0,1 und 2 mittels Gasphasen-MBE hergestellt. Ziel war eine Korrelation der strukturellen mit den elektronischen und optischen Eigenschaften. Selbstformierende Quantendrähte und Quantenpunkte in leitfähigen Kanälen wurden in ihrem Einfluß auf den lateralen Transport untersucht. Weiterhin wird dargestellt, wie zusätzliche, durch Quantenpunkte induzierte Oberflächenzustände eine deutliche Verschiebung der Energie des Oberflächen-Ferminiveau-Pinning einer (100)-GaAs-Oberfläche verursachen. Der senkrechte Elektronentransport durch Quantenpunkte dient der Untersuchung von Dot-induzierten, tiefen elektronischen Zuständen und der Erklärung eines eindimensionalen Modells elektronischer Kopplung zwischen denselben. Zusätzlich führen uns die Ergebnisse optischer Messungen zu einem besseren Verständnis des Vorgangs der Dotformierung und der elektronischen Kopplung zwischen zufällig verteilten Quantenpunkten. / The lattice-mismatched epitaxial growth is known to induce a three-dimensional growth mode often referred to as Stranski-Krastanov growth. The resulting structures have typical sizes of 10 nm and possess quantum properties, which are of fundamental physical interest, since artificial atoms and dimensionality effects can be studied. There is a growing interest from an applicational point of view also, since low dimensional structures of a high crystal quality and of a high degree of designerabillity can be created. In this work such structures of a dimensionality d=0,1 and 2 based on compound semiconductors have been designed and prepared by molecular beam epitaxy to perform comparative studies with respect to their electronic, structural and optical properties. Self assembled quantum wires and dots in conductive channels have been examined according to their influence on lateral electrical transport. It is demonstrated how additional surface states from quantum dots cause a distinct shift in the Surface Fermi-level of a GaAs (100) surface. Vertical transport through dots is used to support a model of one-dimensional coupling between deep states induced by the dots. Additionally, optical investigations let us attain a better understanding of the process of dot formation and the electronic coupling between the randomly distributed dots.

Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction fonctionnent à hautes fréquences sous des tensions d'environ 5V, en particulier dans le système de matériaux InP/InGaAs. Il est souhaitable d'obtenir ces performances non pas sur InP mais sur GaAs, substrat plus robuste, disponible en taille supérieure et préféré en industrie. Un buffer métamorphique GaAs → InP est alors requis pour relaxer la contrainte due au désaccord de paramètre de maille. Cette thèse porte sur la croissance par Epitaxie par Jets Moléculaires de tels buffers et de TBH InP/InGaAs à base fortement dopée au béryllium. Les buffers sont évalués via un protocole expérimental dédié au TBH, associant des caractérisations «matériaux» (photoluminescence, Double Diffraction des rayons X, microscopies optique et à force atomique AFM) et électriques (diodes métamorphiques). Nous comparons ainsi les deux processus de relaxation possibles : avec introduction progressive de la contrainte sur buffer graduel In(Ga)AlAs, abrupte sur buffer uniforme InP. Le rôle de la cinétique des adatomes III en front de croissance sur le processus graduel est démontré. Les performances des TBH métamorphiques InP/InGaAs épitaxiés sur GaAs via un buffer graduel InGaAlAs sont au final proches de celles des TBH de référence sur InP.

Ce travail de thèse concerne les circuits ultra-rapides pour la conversion analogique numérique performante en technologie bipolaire à hétérojonctions sur substrat Indium Phosphore (TBDH/InP). L'étude s'intéresse à la fonction principale qui est l'échantillonnage blocage. Elle a été menée par simulation de l'ensemble des blocs composant cette fonction. En particulier une étude extensive des cœurs des circuits Echantillonneurs/Bloqueurs a été effectuée pour différents paramètres électriques pour aboutir à des valeurs optimales réalisant un compromis entre la bande passante la résolution et la linéarité.Des architectures de circuits Echantillonneurs/Bloqueurs (E/B) avec ou sans l'étage d'amplification à gain variable ont été conçues, optimisées, réalisées et caractérisées et des performances à l'état de l'art ont été obtenues : des circuits E/B de bande passante supérieure à 50 GHz et cadencées à 70 Gs/s ont été réalisés pour les applications de communications optiques et des circuits de bande passante supérieure à 16 GHz cadencés à (2-8) Gs/s ont été réalisés pour la transposition de fréquence. / This thesis concerns the design of high speed circuits in Indium phosphide heterojunction Bipolar technology for High performance analog to digital conversion (ADC).The study focuses on the Track and Hold block (THA) which is the main function of the ADC. The study was conducted by simulating all blocks of the THA circuit. In particular, an extensive study of the THA main block was performed for various electrical parameters to achieve optimal conditions in order to obtain a good tradeoff between resolution bandwidth and linearity. THA architectures circuits with or without Voltage Gain Amplifier stage were designed, optimized and characterized. High THA performances were achieved: THA circuit with a bandwidth greater than 50 GHz at 70 Gs/s were achieved for optical communications and circuits of bandwidth more than16 GHz at (2-8 GS /s) have been realized for down conversion operation.

Ces travaux de thèses présentent un protocole expérimental d’évaluation de la fiabilité des transistors bipolaire à double hétéro-jonction submicroniques sur substrat InP. Les mécanismes de défaillances observés ont été mis en évidence grâce à ce protocole qui présente trois étapes : activation, détection et localisation des mécanismes de défaillance. Les tests de vieillissement accéléré ont été réalisés sur les TBH de structure hexagonale avec une base en InGaAs ou en GaAsSb ainsi que les structures TLM. Grâce à l’analyse électrique via la modélisation compacte, nous établissons les premières hypothèses sur l’origine physique des mécanismes de dégradation. Pour les transistors avec une base InGaAs, par exemple, les mécanismes de défaillance mis en évidence sont localisés:- A la périphérie d’émetteur entrainant ainsi une augmentation du courant de base pour VBE<0,6 V pour les tests sous contrainte thermique ainsi que sous contraintes thermique et électrique.- A la jonction base-émetteur, provoquant l’augmentation du courant de base et de collecteur respectivement pour VBE>0,6 V et 0.2<VBE<0,8 V.- Au niveau du contact ohmique d’émetteur, entrainant une dégradation des courants pour VBE>0,8 V. Cette diminution du courant est plus visible sur le courant de collecteur.Ces hypothèses ont été validées avec l’analyse physique 2D avec le logiciel TCAD Sentaurus. Des signatures électriques similaires ont été observées dans la bibliographie par de plusieurs auteurs. / This work presents the implementation of an experimental procedure to evaluate the failure mechanisms of submicron Heterojunction Bipolar Transistor on InP substrate. This procedure presents 3 steps: activation, detection and localization of the failure mechanisms. The accelerated aging tests have been used to active the failure mechanisms on hexagonal shape HBTs with InGaAs or GaAsSb base together with TLM. Due to the electrical analysis through the compact modelling, we established the first hypothesis about the origin of the failure mechanisms. For example, on InGaAs HBT, the failure mechanisms observed are located:- At the emitter sidewall. This mechanism leads to the increase of the base current for VBE<0.6 V- At the base-emitter junction leading to the increase of base and collector current for VBE>0,6 V and 0.2<VBE<0,8 V respectively.- And the ohmic contact layer leading to the collector current decrease for VBE>0.8 V.These hypotheses were validated by 2D physical simulation using TCAD Sentaurus. The same electrical signatures of the failure mechanisms are observed in literature.

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. / Due to their electrical and optical properties, the integration of III-V semiconductors on Si would open the path to the combination of a various functionalities on the same chip, a potential solution to the challenges faced by CMOS components. The pionner studies by McKee and al have shown that SrTiO3 (STO) could be directly epitaxied on Si by MBE (Molecular Beam Epitaxy). Few years later, a Motorola team has shown that it is possible to epitaxy thin GaAs layers on STO/Si templates, hence opening a new path for III-V monolithic integration on Si. Based on this, the INL has undertaken the study of III-V semiconductors growth on STO. In particular, it has been shown that the weak adhesion specific to these systems favors a preferential accommodation mode of the lattice mismatch by breaking interfacial bonds rather than by plastic relaxation of an initially compressed layer. Hence, it is possible in spite of a strong lattice mismatch to grow III-V semiconductors without threading defects related to a plastic relaxation mechanism, which opens interesting perspectives for IIIV monolithic integration on Si. In this context, during this thesis, we have focalised in the beginning on optimising the growth of the STO/Si templates. In particular, we have shown that a relaxed and oxygen-rich STO layer favors undertaking InP growth. Next, we have studied systematically the InP growth on STO. The weak adhesion specific to this system leads to islands formation at the early stages of growth, as well as the observation of a competition between different crystalline orientations of the InP islands. We have worked out STO growth conditions and surface preparation strategies that allow obtaining purely (001) oriented InP islands. We have next optimised the islands coalescence step in order to form 2D InP layers on STO/Si. Based on a complete structural and optical study of these heterostructures, we have been able to analyse our approach’s potential and to point out cetain limitations of the STO/Si templates. On this basis, we have finally initiated the study of alternative templates for InP growth, by undergoing some preliminary studies of InP epitaxy on LaAlO3 substrates.

La théorie, la conception, l'optimisation et la caractérisation d'amplificateurs distribués en technologie TBDH InP 0,7 µm, pour les systèmes de communications optiques à 100 Gbit/s, sont présentés. Nous montrons comment l'exploitation adaptée du concept d'amplificateur distribué avec une technologie de transistors bipolaires à produit vitesse-amplitude élevé a permis la réalisation d'un driver de modulateur électro-optique fournissant une amplitude différentielle d'attaque de 6,2 et 5,9 Vpp, à 100 et 112 Gbit/s, respectivement, avec une qualité de signal élevée. Ce circuit établit ainsi le record de produit vitesse-amplitude à 660 Gbit/s.V sur tranche et 575 Gbit/s.V en module hyperfréquence. Dans le cadre du projet Européen POLYSYS, il a été associé à un laser accordable et un modulateur pour la réalisation d'un module transmetteur optoélectronique compact, démontrant des performances avançant l'état de l'art des communications optiques courtes distances à 100 Gbit/s. / The theory, design, optimisation and characterisation of distributed amplifiers in 0.7-µm InP DHBT technology, for 100-Gbit/s optical communication systems, are presented. We show how the appropriate implementation of the distributed amplifier concept in a bipolar transistors technology with high swing-speed product has enabled the realisation of an electro-optic modulator driver with 6.2- and 5.9-Vpp differential driving amplitude at 100 and 112 Gb/s, respectively, with a high signal quality. This circuit thus establishes the swing-speed product record at 660 Gb/s.V on wafer and at 575 Gb/s.V in a microwave module. In the frame of the European project POLYSYS, it has been co-packaged with a tunable laser and a modulator to realise a compact optoelectronic transmitter module, which has demonstrated performances advancing the state of the art of short reach 100-Gb/s optical communications.

Cette thèse de doctorat traite de la mise en œuvre du procédé de soulèvement épitaxial (ou ELO pour epitaxial lift-off) à partir d'un substrat d'InP permettant le détachement des couches actives et le recyclage du substrat afin de rendre économiquement compétitive la fabrication de cellules solaires multi-jonctions pour le photovoltaïque concentré. Ce procédé, qui consiste à sous-graver sélectivement une couche sacrificielle comprise entre le substrat et les couches actives, est bien connu et maîtrisé sur un substrat de GaAs avec l'utilisation d'une couche sacrificielle d'AlAs d'épaisseur voisine de 5 nm, ce qui n'est pas possible sur un substrat d'InP en raison du fort désaccord de maille cristalline existant entre l'AlAs et l'InP. Pour l'adapter à un substrat d'InP, le développement d'une couche sacrificielle spécifique basée sur un super-réseau AlAs/InAlAs a été réalisé, ce qui permet de contourner les problématiques liées au désaccord de maille et à la croissance de matériaux contraints. Après optimisation des conditions de croissance de ce super-réseau, les épaisseurs atteintes et donc les vitesses de sous-gravure obtenues en utilisant ce type de couche sacrificielle ont satisfait aux exigences du procédé ELO. Ensuite, le report et le soulèvement de structures actives de cellules solaires InGaAs en couches minces cristallines ont été développés. Les cellules solaires ainsi fabriquées ont montré des performances semblables à celles réalisées par épitaxie standard sur un substrat d'InP, voire meilleures sous concentration en raison d'effets de confinement optique. Finalement, le recyclage du substrat d'InP réalisé avec un procédé utilisant seulement deux étapes de nettoyage par voies chimiques humides, a permis de produire des surfaces d'InP de qualité suffisante pour réaliser une reprise d'épitaxie satisfaisante. / This PhD thesis deals with the implementation of the epitaxial lift-off (ELO) process from an InP substrate allowing the detachment of active layers and the substrate recycling. The final target is to realize multi-junction solar cells in an economically competitive way for concentrated photovoltaic. The ELO process consists in the under-etching of a sacrificial layer inserted between the substrate and the active layers. It is well known and mastered on a GaAs substrate with the use of a sacrificial layer of AlAs with a thickness of about 5 nm. Such a layer is not usable on an InP substrate due to the high lattice mismatch between AlAs and InP. In order to adapt the ELO process to an InP substrate, this work aimed to develop a specific sacrificial layer based on an AlAs/InAlAs superlattice. Thus, it is possible to circumvent problems related to the lattice mismatch and to the strained layer growth. After optimization of growth conditions of this superlattice, using this type of sacrificial layer, we achieve a sufficient thickness and therefore a sufficient under-etching rate in order to meet the requirements of the ELO process. Then, the transfer and lift-off of thin crystalline film based InGaAs solar cells have been developed. This kind of solar cells showed performances similar to those obtained with a standard epitaxial growth on an InP substrate, or even better under concentration due to optical confinement effects. Finally, the recycling of the InP substrate carried out by a process using only two wet chemical cleaning steps made it possible to produce InP surfaces of sufficient quality to achieve a promising second epitaxial growth.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References