Situé entre la lumière visible et les micro-ondes, le domaine de fréquence térahertz (THz) est une zone du spectre électromagnétique encore peu exploitée. Il existe pourtant de nombreuses applications : détection de polluants, contrôle de qualité, imagerie médicale, télécommunications à très haut débit... Cependant, à ce jour, il n'existe pas de sources accordables, compactes, efficaces, fonctionnant à température ambiante et de faible coût. L'opto-électronique répond en partie à ces besoins grâce aux photodétecteurs sensibles à une longueur d'onde de 800 nm. L'utilisation d'une longueur d'onde de 1550 nm permettrait de bénéficier de la disponibilité de sources optiques relativement peu onéreuses et compactes et d'un système fibré.<br />Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à un photodétecteur prometteur avec une fréquence de coupure potentiellement élevée et de bonnes caractéristiques en régime de saturation : la photodiode à transport unipolaire (UTC-PD).<br />La première partie de ce travail a consisté à développer un procédé de réalisation technologique d'UTC-PDs intégrées de façon monolithique à des guides d'ondes coplanaires pour la génération d'impulsions picosecondes. Ces dispositifs ont été caractérisés par échantillonnage électro-optique et ont généré des impulsions électriques de quelques picosecondes de largeur à mi-hauteur.<br />Dans un second temps, l'intégration monolithique d'UTC-PD avec une nouvelle antenne THz large bande a permis la génération d'ondes THz monochromatiques (1,1 µW à 940 GHz) par mélange hétérodyne de deux sources lasers continues de longueur d'onde autour de 1550 nm. Des mesures de spectroscopie de gaz à 1,4 THz ont aussi été réalisées.

Le test en production des imageurs CMOS est réalisé avec des testeurs qui utilisent des sources de lumière précises, aussi bien au niveau du test de plaquettes qu'au niveau du test de boîtiers. Ce besoin rends le test de ces produits plus compliqué et coûteux . En outre, ces types de tests ne peuvent pas être réalisés directement sur l'imageur afin d'incorporer des fonctions d'auto test. Celles-ci sont intéressantes pour la réduction des coûts du test de production et pour le diagnostic de l'imageur. Le diagnostic est très important lors de la production des imageurs et aussi lors de leur utilisation dans certaines applications, en particulier quand ils sont soumis à des sources de stress importantes. En général, les utilisateurs des imageurs possèdent rarement l'équipement nécessaire pour vérifier leur fonctionnalité. Dans cette thèse, nous étudions et évaluons une technique d'auto test (BIST) pour les capteurs de vision CMOS. Cette technique réalise un test structurel de l'imageur. Le test structurel est basé sur des stimuli électriques appliqués dans l'anode de la photodiode et dans les transistors du pixel. La qualité de l'auto test est évaluée en fonction de métriques de test qui tiennent en compte des déviations du process et la présence de fautes catastrophiques et paramétriques. La technique d'auto test est validée pour deux imageurs, l'un utilisant des pixels à intégration et l'autre des pixels logarithmiques. Une validation expérimentale est réalisé pour le cas de l'imageur logarithmique.

La genèse des travaux présentés dans ce mémoire se situe dans le domaine de l'astrophysique des très hautes énergies. Il y a un siècle les scientifiques de la planète ont identifié un nouveau type de messagers venant de l'espace : les rayons cosmiques. Ce rayonnement est constitué de particules (photons et autres) de très haute énergie qui bombardent la terre en permanence. Le passage de rayonnements cosmiques dans l'atmosphère terrestre se traduit par la génération de brefs éclairs lumineux (5ns) d'une intensité très faible (1pW) : le flash Tcherenkov, devenant alors visible du sol.<br /><br />Dans l'état de l'art le meilleur détecteur de lumière est aujourd'hui le Photomultiplicateur (PMT), grâce à ses caractéristiques de sensibilité et de vitesse. Mais il présente quelques inconvénients : faible efficacité quantique, coût, poids etc. Nous présentons dans cette thèse une nouvelle technologie alternative : les compteurs de photons sur semi-conducteur, constitués de photodiodes polarisées en mode Geiger.<br />Ce mode de fonctionnement permet d'obtenir un effet de multiplication au moins identique à celui des PMT. Un modèle physique et électrique a été développé pour reproduire le comportement de ce détecteur.<br />Nous présentons ensuite dans ce travail de thèse un procédé technologique original permettant la réalisation de ces dispositifs dans la centrale de technologie du LAAS-CNRS, avec la simulation de chaque opération du processus.<br />Nous avons mis au point une fiche pour la caractérisation électrique des dispositifs, du mode statique au mode dynamique, et vérifié la conformité aux simulations SILVACO, et au modèle initial. Les résultats obtenus sont déjà excellents, compte tenu qu'il s'agit d'une première étape de prototypage, et comparables avec les résultats publiés dans la littérature.<br />Ces composants sur silicium peuvent intervenir dans toutes les applications où il y a un photomultiplicateur, et le remplacer. Les applications sont donc très vastes et la croissance du marché très rapide. Nous présentons une première expérience d'astrophysique installée au Pic du Midi qui a détecté des flashs Tcherenkov de rayons cosmiques avec cette nouvelle technologie à semi-conducteur.

Le domaine de fréquences térahertz fait la liaison entre le monde des transistors et des lasers. Malgré les nombreuses applications possibles, il n'existe pas, à l'heure actuelle, de source térahertz compacte fonctionnant à température ambiante. De même, pour la détection d'impulsions térahertz, il n'existe pas vraiment de systèmes satisfaisants pour des applications en télécommunication. Nous avons étudié et caractérisé la croissance du GaAsSb épitaxié à basse température (GaAsSb- BT) afin d'obtenir un matériau résistif à temps de vie court pour l'élaboration de photocommutateurs. À partir de ce matériau, des antennes photocondutrices pour la génération d'impulsions térahertz ont été réalisées. Les premiers résultats obtenus sont encourageants bien que légèrement moins performants que le GaAs-BT et pourraient être améliorés en optimisant la croissance du GaAsSb-BT. En complément, nous avons réalisé des photodiodes à transport unipolaire (UTC-PD) en GaAsSb dont la réponse est similaire à celle des UTC-PD en InGaAs. L'intégration monolithique d'une UTC-PD en GaAsSb avec une antenne térahertz large bande a permis la génération d'une onde térahertz d'environ 300GHz, démontrant ainsi la faisabilité d'un tel dispositif pour la génération d'ondes térahertz. Pour la détection d'impulsions térahertz, nous avons conçu et simulé un monostable à base de diode à effet tunnel résonnant. Ce circuit est composé d'éléments passifs comme l'inductance pour fixer la durée de l'impulsion en sortie du monostable. La fréquence de résonance de cette inductance semble être la principale limitation pour la détection d'impulsions térahertz.

<p>This report has been written at SAAB Bofors Dynamics (SBD) AB in Gothenburg at the department of optronic systems.</p><p>In military observation operations, a target to hit is chosen by illumination of a laser designator. From the targetpoint laser radiation is reflected on a detector that helps identify the target. The detector is a semiconductor PIN-type that has been investigated in a laboratory environment together with a specially designed laser source. The detector is a photodiode and using purchased components, circuits for both the photodiode and the laserdiode has been designed and fabricated. The bandwidth of the op-amp should be about 30 MHz, in the experiments a bandwidth of 42 MHz was used. Initially the feedback network, which consists of a 5.6 pF capacitor in parallel with a 1-kohm resistor determined the bandwidth. To avoid the op-amp saturate under strong illuminated laser radiation the feedback network will use a 56-pF capacitor and a 100-ohm resistor respectively.</p><p>The laser should be pulsed with 10-20 ns width, 10 Hz repetition frequency, about 800 nm wavelength and a maximum output power of 80 mW. To avoid electrical reflection signals at measurement equipment connections, the laser circuit includes a resistor of about 50 ohm, that together with the resistance in the laserdiode forms the right termination that eliminate the reflection signals. The wire-wound type of resistor shall be avoided in this application and instead a surface mounted type was beneficial with much lower inductance. The detector showed a linear behaviour up to 40-mW optical power. Further investigation was hindered by the breakdown of the laserdiodes. The function generator limits the tests to achieve 80 mW in light power. In different experiments the responsivity of the photodiode is different from the nominal value, however it would have required more time to investigate the causes.</p>

This report has been written at SAAB Bofors Dynamics (SBD) AB in Gothenburg at the department of optronic systems. In military observation operations, a target to hit is chosen by illumination of a laser designator. From the targetpoint laser radiation is reflected on a detector that helps identify the target. The detector is a semiconductor PIN-type that has been investigated in a laboratory environment together with a specially designed laser source. The detector is a photodiode and using purchased components, circuits for both the photodiode and the laserdiode has been designed and fabricated. The bandwidth of the op-amp should be about 30 MHz, in the experiments a bandwidth of 42 MHz was used. Initially the feedback network, which consists of a 5.6 pF capacitor in parallel with a 1-kohm resistor determined the bandwidth. To avoid the op-amp saturate under strong illuminated laser radiation the feedback network will use a 56-pF capacitor and a 100-ohm resistor respectively. The laser should be pulsed with 10-20 ns width, 10 Hz repetition frequency, about 800 nm wavelength and a maximum output power of 80 mW. To avoid electrical reflection signals at measurement equipment connections, the laser circuit includes a resistor of about 50 ohm, that together with the resistance in the laserdiode forms the right termination that eliminate the reflection signals. The wire-wound type of resistor shall be avoided in this application and instead a surface mounted type was beneficial with much lower inductance. The detector showed a linear behaviour up to 40-mW optical power. Further investigation was hindered by the breakdown of the laserdiodes. The function generator limits the tests to achieve 80 mW in light power. In different experiments the responsivity of the photodiode is different from the nominal value, however it would have required more time to investigate the causes.

One-dimensional and hierarchical nanostructures have acquired tremendous attention in the past decades due to their possible application. In spite of the rapid emergence of new morphologies, the underlying growth mechanism is still not well understood. The lack of effective p-type or n-type doping is another obstacle for many semiconducting nanomaterials. A deeper investigation into these structures and new methods to fabricate devices are of significant impact for nanoscience and nanotechnology. Motivated by a desire to understand the growth mechanism of nanostructures and investigate novel device fabrication method, the research described in this thesis carried out on the synthesis, characterization, and device fabrication of semiconducting nanostructures. The main focus of the research was on ZnO, SnO2, and Zn3P2 for their great capability for fundamental phenomena studying, promising applications in sensors and optoelectronics, and the potential generalization of results to other materials. Within this study the following goals have been achieved: 1) Improved understanding of polar-surface-induced growth mechanism in wurtzite-structured ZnO and generalization of this growth mechanism with the discovery and analysis of rutile ¨Cstructured SnO2, 2) observation of the significance of the transversal growth, which is usually ignored, in interpenetrative ZnO nanowires, 3) rational design and growth control over versatile nanostructures of ZnO and Zn3P2, and 4) conjunction of p-type Zn3P2 and n-type ZnO semiconducting nanostructures for device fabrications. The framework for the research is reviewed first in chapter 1. Chapter 2 gives the detailed experimental setup, synthesis procedure, and common growth mechanism for nanostructure growth. A detailed discussion on the growth of ZnO nanostructures in chapter 3 provides more insight into the polar-surface-induced growth, transversal growth, vapor-solid growth, and vapor-liquid-solid growth during the formation of nanostructures. Polar-surface-induced growth is also confirmed in the growth of SnO2 nanostructures, which is also included in chapter 2. Chapter 3 presents Zn3P2 nanostructures from the newly designed experiment setup and the device fabrication from ZnO and Zn3P2 crossed nanowires.

A wide variety of group III-Nitride-based photonic and electronic devices have opened a new era in the field of semiconductor research in the past ten years. The direct and large bandgap nature, intrinsic high carrier mobility, and the capability of forming heterostructures allow them to dominate photonic and electronic device market such as light emitters, photodiodes, or high-speed/high-power electronic devices. Avalanche photodiodes (APDs) based on group III-Nitrides materials are of interest due to potential capabilities for low dark current densities, high sensitivities and high optical gains in the ultraviolet (UV) spectral region. Wide-bandgap GaN-based APDs are excellent candidates for short-wavelength photodetectors because they have the capability for cut-off wavelengths in the UV spectral region (λ < 290 nm). These intrinsically solar-blind UV APDs will not require filters to operate in the solar-blind spectral regime of λ < 290 nm. For the growth of GaN-based heteroepitaxial layers on lattice-mismatched substrates, a high density of defects is usually introduced during the growth; thereby, causing a device failure by premature microplasma, which has been a major issue for GaN-based APDs. The extensive research on epitaxial growth and optimization of Al_x Ga _1-x N (0 ≤ x ≤ 1) grown on low dislocation density native bulk III-N substrates have brought UV APDs into realization. GaN and AlGaN UV <i> p-i-n </i> APDs demonstrated first and record-high true avalanche gain of > 10,000 and 50, respectively. The large stable optical gains are attributed to the improved crystalline quality of epitaxial layers grown on low dislocation density bulk substrates. GaN <i>p-i-n </i> rectifiers have brought much research interest due to its superior physical properties. The AIN-free full-vertical GaN<i> p-i-n </i> rectifiers on<i> n </i>- type 6H-SiC substrates by employing a conducting AIGaN:Si buffer layer provides the advantages of the reduction of sidewall damage from plasma etching and lower forward resistance due to the reduction of current crowding at the bottom<i> n </i> -type layer. The AlGaN:Si nucleation layer was proven to provide excellent electrical properties while also acting as a good buffer role for subsequent GaN growth. The reverse breakdown voltage for a relatively thin 2.5 μm-thick<i> i </i>-region was found to be over -400V.

We have demonstrated a flexible optical waveguide film with integrated VCSEL and PIN photodiode arrays for the fully embedded board level optical interconnection system. One of the most critical issues in the fully embedded board level optical interconnection system is the signal beam coupling between the guided-wave structure and the aperture of VCSEL (or PIN photodiode). The coupling efficiencies of spherical mirrors are calculated as a function of mirror radius. The optimum mirror radius ranges which are compatible with the fully embedded board level optical interconnection system are theoretically verified. The thermal characteristics of a thin film VCSEL are studied both theoretically and experimentally. The thermal resistances of VCSEL with variable thickness, ranging from 10 [mu]m to 200 [mu]m, have been determined by measuring the output wavelength shift as a function of the dissipated power. The thermal simulation results agree reasonably well with experimentally measured data. From the thermal management point of view, a thinned VCSEL has an exclusive advantage due to the reduction of the thermal resistance. The thermal resistance of 10 [mu]m thick VCSEL is 40 % lower than that of 200 [mu]m thick VCSEL. The theoretical analysis of thermal via effects is performed to determine optimized thickness ranges of thin film VCSEL for the fully embedded structure. Thermal resistance of the fully embedded thin film VCSEL with closed and open thermal via structures are also evaluated with the suitable VCSEL thickness reported. The high-performance computing system is demonstrated using a 16-channel optical backplane using thin film volume holographic gratings. The optical backplane contains TO-46-Can-packaged VCSELs and photodiodes as an optical transmitter and receiver, respectively. Optical packaging plates are fabricated for 4 X 8 array packaging for 16-VCSELs and 16-Photodiodes. Packaging issues including crosstalk and alignment tolerance are studied to design a low cost optical packaging scheme. Thin film volume hologram grating is fabricated on glass substrate to redirect light beams. An individual single channel performs at a 100 MHz data transfer rate. The high-performance computing system using 16-channel optical backplane is demonstrated at a 1.6 Gbps data transmission. / text

This thesis explores ways to use ion implantation and nanosecond pulsed laser melting, both energetic beam techniques, to engineer defects in silicon. These defects are chosen to facilitate the use of silicon in optoelectronic applications for which its indirect bandgap is not ideal. Chapter 2 develops a kinetic model for the use of point defects as luminescence centers for light-emitting diodes and demonstrates an experimental procedure capable of high-throughput screening of the electroluminescent properties of such defects. Chapter 3 discusses the dramatic change in optical absorption observed in silicon highly supersaturated (i.e., hyperdoped) with the chalcogens sulfur, selenium, and tellurium and reports the first measurements of the optical absorption of such materials for photon energies greater than the bandgap of silicon. Chapter 3 examines the use of silicon hyperdoped with chalcogens in light detectors and concludes that while these devices display strong internal gain that is coupled to a particular type of surface defect, hyperdoping with chalcogens does not lead directly to measurable sub-bandgap photoconductivity. Chapter 4 considers the potential for Silicon to serve as the active material in an intermediate-band solar cell and reports experimental progress on two proposed approaches for hyperdoping silicon for this application. The main results of this chapter are the use of native-oxide etching to control the surface evaporation rate of sulfur from silicon and the first synthesis of monocrystalline silicon hyperdoped with gold. / Engineering and Applied Sciences