Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à grande bande d’énergie interdite possédant des propriétés exceptionnelles en termes de tenue en température, de résistance aux radiations, de stabilité chimique. En particulier il pourrait permettre la réalisation de détecteurs ultra-violet fonctionnant en environnement extrême (fortes températures et niveaux de radiations élevés) tels les environnements spatiaux. Le polytype 3C, avec un gap intermédiaire pourrait également être utilisé dans le domaine photovoltaïque. Le présent travail propose d’étudier le carbure de silicium à la fois sous l’aspect composant et sous l’aspect matériau. Une étude de la réponse spectrale de photodiodes UV (de type pn et Schottky) en fonction de la température et de l’irradiation est présentée. Un nouveau type de cellules solaires à hétérojonctions 3C-SiC/Si est étudié. Enfin, un système de mesure de la durée de vie des porteurs minoritaires dans le SiC-4H est réalisé et les résultats commentés. / Silicon carbide is a large bandgap semiconductor presenting outstanding properties in terms of temperature, radiations and chemical hardness. In particular it could allow the fabrication of ultra-violet detectors, able to work in harsh environments such as for space aplications. The 3C polytype , with it’s intermediate bandgap, could also be used in the photovoltaic field. The present work aims to study both the material and the application aspects of silicon carbide. A study of the spectral response of both pn and Schottky photodiodes with respect to the temperature and irradiation is presented. A new type of 3C-SiC/Si heterojunction solar cell is studied. Finally, a minority carrier lifetime measurement system is realised ant the results presented.

Le sujet de la thèse a porté sur la mise au point, la caractérisation et l'utilisation de matériaux semi-conducteurs, au sein desquels les porteurs libres ont un temps de vie extrêmement brefs (picoseconde ou sub-picoseconde), pour réaliser des antennes photoconductrices émettrices ou détectrices de rayonnement électromagnétique térahertz (THz). Contrairement au semi-conducteur LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) à la technologie bien dominée et aux performances exceptionnelles lorsque photo-excité par des impulsions lasers de longueurs d'onde typiquement inférieures à 0,8 µm, le travail portait ici sur des matériaux permettant l'emploi de lasers dont les longueurs d'onde sont celles des télécommunications optiques, à savoir aux alentours de 1,5 µm. L'intérêt est de bénéficier de la technologie mature de ces lasers, et du coût relativement modique des composants pour les télécommunications optiques. Pour réaliser des antennes THz performantes et efficaces, le matériau semi-conducteur doit présenter plusieurs qualités : vie des porteurs libres très courte, grande mobilité des porteurs, haute résistivité hors éclairement, et bonne structure cristallographique pour éviter les claquages électriques. Pour obtenir une courte durée de vie, on introduit un grand nombre de pièges dans le semi-conducteur, qui capturent efficacement les électrons libres. Pour les matériaux de type InGaAs employés à 1,5 µm, le problème est que le niveau en énergie de ces pièges, par exemple pour les matériaux épitaxiés à basse température, est très proche de la bande de conduction du semi-conducteur. Cela est équivalent à un dopage n du matériau, ce qui en diminue fortement sa résistivité hors éclairement. Plusieurs solutions ont été apportées par différents laboratoires : compensation par dopage p pour les matériaux épitaxiés à basse température, bombardement ionique, implantation ionique, ou même structures à couches alternées où la photo-génération et la recombinaison des porteurs libres se produisent à des endroits différents. Le but du travail de thèse était de fabriquer des matériaux préparés suivant ces différentes techniques, de les caractériser et de comparer leurs performances pour l'optoélectronique THz. Les semi-conducteurs à étudier étaient de type InGaAs comme déjà publiés par la concurrence, l'originalité de thèse portant sur la comparaison de ces différents matériaux et si possible leur optimisation,. Au cours de ce travail de thèse, de nombreuses couches d'InGaAs ont été épitaxiées, en faisant varier les paramètres de dépôt, et des antennes THz ont été fabriquées. Les couches ont été caractérisées du point de vue cristallographique, ainsi que pour la conductivité électrique DC (mesures 4 pointes, mobilité Hall…), les propriétés d'absorption optique (spectroscopie visible et IR), la durée de vie des porteurs par mesure optique pompe-sonde. Pour les couches épitaxiées à basse température, l'influence d'un recuit thermique ainsi que du dopage en béryllium ont été étudiés. Dans le cas de couches bombardées ou implantées, plusieurs ions ont été utilisés, le brome, le fer et l'hydrogène. Les relations entre la cartographie des défauts structuraux et/ou des ions implantés et les propriétés électriques et de dynamique des porteurs ont été examinées en détail. Ces études permettent de comprendre le type de défauts qui piègent les porteurs dans ces matériaux, ainsi que leur formation lors du processus de fabrication et de traitement des couches. Finalement les meilleures couches fabriquées présentent des performances comparables à celles publiées par ailleurs. Les derniers travaux de thèse ont permis d'obtenir les premiers signaux de rayonnement THz générés par une antenne fabriquée avec l'InGaAs optimisé. / The subject of the thesis focused on the development, characterization and use of semiconductor materials, in which the free carriers have a very short lifetime (picosecond or sub-picosecond) to produce photoconductive antennas emitting and detecting electromagnetic terahertz (THz) radiation. Unlike semiconductor LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) which is a well-dominated technology and present exceptional performances when photoexcited by typically less than 0.8 micron wavelength laser pulses, the work focused on here materials for the use of lasers whose wavelengths are those of the optical communication, namely around 1.5 microns. The interest is to benefit from the mature technology of these lasers, and relatively low cost components for optical telecommunications. To achieve effective and efficient THz antennas, the semiconductor material must have several qualities : lifetime of free carriers very short, high carrier mobility, high resistivity outside lighting, and good crystallographic structure to prevent electrical breakdown. For a short lifetime, a large number of traps are introduced into the semiconductor, which effectively capture the free electrons. For InGaAs materials used at 1.5 microns, the problem is that the energy level of the traps, for example, the epitaxial material at low temperature is very close to the conduction band of the semiconductor. This is equivalent to an n-doped material, what greatly reduces its resistivity outside illumination. Several solutions have been made by different laboratories : compensation for the p-doped epitaxial materials at low temperature, ion bombardment, ion implantation, or even alternating layer structures where photo-generation and recombination of free carriers occur in different places. The aim of the thesis was to produce materials prepared using these techniques to characterize and compare their performance to THz optoelectronics. The studied InGaAs-based semiconductors were as previously published by the competition, the originality of the thesis was on the comparison of these different materials and if possible their optimization. During this work, many of InGaAs layers were grown epitaxially by varying the deposition parameters, and THz antennas were fabricated. The layers were characterized from the crystallographic point of view, as well as the DC electrical conductivity (measures 4 points, Hall mobility ... ), the optical absorption properties (visible and IR spectroscopy ), the lifetime of carriers by optical pump-probe measurement. For low temperature epitaxial layers, the influences of thermal and doping beryllium annealing were studied. In the case of shelled or implanted layers, several ions were used, bromine, iron and hydrogen. The relationship between the mapping of structural defects of the implanted ions and electrical and carrier dynamics properties were discussed in detail. These studies allow us to understand the type of defects that trap carriers in these materials, as well as training in the process of manufacturing and processing layers. Finally the best layers are made comparable to those published elsewhere performance. The last study allowed to achieve the first signals of THz radiation generated by InGaAs-based optimized antenna.

L’introduction des composants grand gap dans le domaine de l’électronique de puissance requiert une optimisation de son environnement (packaging). En effet, les températures auxquelles peuvent être utilisés ce type de composants sont bien souvent plus grandes que celles supportables par le reste du module. De nouvelles techniques d’assemblage sont à l’étude et notamment certaines à base de frittage d’argent. Ces procédés présentent l’avantage de réaliser l’assemblage à une température modérée (similaire à celle d’une brasure), mais toutefois inférieure à celle de fusion de l’argent. La température de fusion du joint d’attache reste celle du matériau massif (plus de 900°C pour l’argent). Cette technique permet donc de réaliser des attaches pouvant fonctionner à très haute température. Ce travail de thèse a porté sur la mise en oeuvre d’une attache de puce par frittage d’argent. Après une étude des paramètres du procédé permettant d’obtenir la meilleure tenue mécanique (cisaillement), nous avons mis en évidence l’effet prépondérant de la finition des pièces à joindre. Lorsque la finition du substrat est de l’argent, aucun problème d’interface n’est observé et les assemblages sont fiables à t0 et en vieillissement. Généralement, la finition standard pour l’électronique de puissance est constituée d’une couche de nickel et d’or. Pour cette finition, le mécanisme semble différent selon l’épaisseur d’or présente sur le substrat ainsi que l’atmosphère utilisée pour le traitement thermique ou encore la charge appliquée. Globalement, plus l’épaisseur d’or est importante, moindre est l’accroche. Ce comportement semble fortement lié à la diffusion extrêmement rapide de l’argent en surface de l’or (et dans l’or). Cette diffusion a pour conséquence la formation d’une couche de solution solide or-argent. Cette couche a pour source de matière les grains d’argent qui permettent l’adhérence du joint d’argent fritté sur le substrat. Lorsque le volume d’or disponible pour la formation de cette couche est grand, la croissance de celle-ci est favorisée (en termes de surface et d’épaisseur). Cette croissance engendre une consommation des « piliers » d’argent et donc un affaiblissement de l’attache. L’application de pression semble augmenter fortement la concentration de piliers et améliore les résultats, tandis que sous azote, la diffusion de l’argent en surface de l’or semble inhibée, permettant l’obtention de bons résultats (à t0 et après cyclage). Ces résultats ont été mis en pratique pour la réalisation de plusieurs prototypes, dont l’un a été testé électriquement et ce de façon fonctionnelle à plus de 300°C. / Use of wide band gap chip in the power electronic industry requires an optimization of the close environment (packaging). Indeed, the can often sustain lower temperature than the die, especially the solder that are used to bond the parts of the module. Consequently, new bonding methods are investigated to enhance the performance of the packages. Silver sintering bonding technique is one the most promising. This method allow to bond parts at moderate temperature and the formed joint to operate at very high temperature (until the melting point of silver). This work is focused on the development of this bonding technique in the case of bonding a dies on a substrate. A study of the influence of the different parameters on the strength of the formed bond has been done. It revealed a major influence of the finishes of the bonded parts. Bonding on silver finished substrate results in good mechanical strength of the bond even after ageing. Furthermore, no interface issues are observed. However, the most used finish for power electronic is not silver but nickel-gold. Regarding this type of finish, the bond quality depends on the gold thickness, sintering profile and also sintering atmosphere. A solid solution of silver and gold seems to develop on the surface of the substrate, decreasing the section of the silver grains in contact with the substrate. Thus the mechanical strength of the assembly is decreased. This effect should be limited by the gold available for the Au-Ag solid solution growth. When sintering under nitrogen, the diffusion of silver on the gold surface is much lower than under air. Good results have been obtained with these configurations and even after ageing. Adding pressure during the thermal treatment seems also to minimize the phenomenon, probably by increasing the number of silver grains in contact with the substrate surface and so reducing the free surface for Au-Ag layer formation. Those results have been used to build prototypes, one of whom has been electrically tested with success at temperatures up to 300°C.

Une architecture de capteurs à pixels CMOS permettant la désertion du volume sensible par polarisation via la face avant du circuit est étudiée à travers la caractérisation en laboratoire d’un capteur prototype. Les performances de collection de charge confirment la désertion d‘une grande partie de l’épaisseur sensible. De plus, le bruit de lecture restant modeste, le capteur présente une excellente résolution en énergie pour les photons en dessous de 20 keV à des températures positives. Ces résultats soulignent l’intérêt de cette architecture pour la spectroscopie des rayons X mous et pour la trajectométrie des particules chargées en milieu très radiatif. La profondeur sur laquelle le capteur est déserté est prédite par un modèle analytique simplifié et par des calculs par éléments finis. Une méthode d’évaluation de cette profondeur par mesure indirecte est proposée. Les mesures corroborent les prédictions concernant un substrat fin, très résistif, qui est intégralement déserté et un substrat moins résistif et mesurant 40 micromètres, qui est partiellement déserté sur 18 micromètres mais détecte correctement sur la totalité de l’épaisseur. Deux développements de capteurs destinés à l’imagerie X et à la neuro-imagerie intracérébrale sur des rats éveillés et libres de leurs mouvements sont présentés. / An architecture of CMOS pixel sensor allowing the depletion of the sensitive volume through frontside biasing is studied through the characterization in laboratory of a prototype. The charge collection performances confirm the depletion of a large part of the sensitive thickness. In addition, with a modest noise level, the sensor features an excellent energy resolution for photons below 20 keV at positive temperatures. These results demonstrate that such sensors are suited for soft X-ray spectroscopy and for charged particle tracking in highly radiative environment. A simplified analytical model and finite elements calculus are used to predict the depletion depth reached. An indirect measurement method to evaluate this depth is proposed. Measurements confirm predictions for a thin highly resistive epitaxial layer, which is fully depleted, and a 40micrometers thick bulk less resistive substrate, for which depletion reached 18 micrometers but which still offers correct detection over its full depth. Two sensor designs dedicated to X-ray imaging and in-brain neuroimaging on awake and freely moving rats are presented.

Dans cette thèse nous explorons, par microscopie par effet tunnel (STM), les effets de surface et du nombre de coordination sur les propriétés électroniques d’un atome de métal de transition occupant un site cationique dans la surface de GaAs(110). Par une méthode de dépôt in situ, nous avons déposé des adatomes de Cr sur des faces clivées de GaAs(110) avec des taux de couvertures très inférieurs à une monocouche. Et en appliquant des rampes de tensions proches de quelques adatomes magnétiques cibles à l’aide de la pointe du STM, nous les avons manipulés et substitués par des atomes de Ga dans les deux premières couches de la surface de GaAs(110). Obtenant ainsi des atomes magnétiques ayants des environnements atomiques différents, c’est-à-dire des adatomes de Cr, des atomes de Cr formant trois liaisons avec trois atomes d’As voisins (Cr en première couche) et des atomes de Cr formant quatre liaisons avec quatre atomes d’As voisins (Cr en deuxième couche). Pour étudier les propriétés électroniques de ces atomes de transition en fonction de leur position dans la surface de GaAs(110), nous avons réalisé sur eux des imageries STM à différents signes de tension ainsi que des mesures de spectroscopie par effet tunnel (STS). Ils ont montré des formes topographiques ayant des symétries miroirs différentes et ont révélé des nombres de pics de STS différents dans le gap de la surface de GaAs(110) selon leur site atomique. Des calculs de densité d’états électroniques et des simulations d’images STM ont été effectués, en collaboration, sur des atomes de Cr occupant des sites cationiques dans le GaAs massif et dans les cinq premières couches de la surface de GaAs(110) en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Des accords entre les calculs théoriques et nos résultats expérimentaux nous ont permis de montrer (i) que les pics de STS mesurés sur les atomes de Cr correspondent à des pics de densité d’états électroniques provenant d’une hybridation entre les états à caractères d’orbitales d du Cr et les états à caractères d’orbitales p de leurs voisins d’atomes d’As et de Ga ; (ii) que nos mesures de STS sur les atomes de Cr dans les deux premières couches de surface sont affectés par la brisure de symétrie à la surface de GaAs(110); (iii) qu’il se produit une levée de dégénérescence de certains états induits dans le gap de GaAs(110) lorsqu’un atome de Cr passe de la première vers la deuxième couche de surface ; (iv) et que les images STM topographiques réalisées à différents signes de tension sur des atomes de Cr insérés dans les deux premières couches de la surface correspondent à des fonctions d’ondes d’états d’hybridations pd spécifiques / In this thesis, we investigate by scanning tunneling microscopy (STM) the effects of surface and coordination on the electronic properties of a transition metal atom occupying a cationic site in the GaAs(110) surface.By an in situ deposition method, we deposited Cr adatoms on cleaved GaAs(110) surfaces with coverage rates lower than a monolayer. And by applying voltage pulses close to a few target magnetic adatoms using the STM tip, we have manipulated them and substituted them with Ga atoms in the two first layers of the GaAs(110) surface. Thus obtaining magnetic atoms having different atomic environments, i.e. Cr adatoms, Cr atoms forming three bonds with three neighboring As atoms (Cr in the first layer) and Cr atoms forming four bonds with four neighboring As atoms (Cr in the second layer).To study the electronic properties of these transition atoms as a function of their position in the GaAs surface (110), we have realized on them STM imagery with different voltage bias as well as scanning tunneling spectroscopy (STS). They showed topographic forms with different mirror symmetries and revealed different numbers of STS peaks in the gap of the GaAs surface (110) according to their atomic site.By collaboration, density of states (DOS) calculations and simulations of STM images were carried out on Cr atoms occupying cationic sites in the GaAs bulk and in the five first layers of the GaAs surface (110) using the density functional theory (DFT). Agreements between the theoretical calculations and our experimental results have allowed us to show (i) that the measured STS peaks on the Cr atoms correspond to peaks of DOS resulting from an hybridization between the d states of Cr and the p states of their neighbors atoms of As and Ga ; (ii) that our STS measurements on the Cr atoms in the two first layers are affected by the symmetry breaking at the GaAs(110) surface; (iii) that a splitting of some induced states in the GaAs gap (110) occurs when a Cr atom passes from the first to the second surface layer; (iv) and that the measured topographic STM images on Cr atoms inserted in the first two layers of the surface correspond to wave functions of specific pd hybridization states

Les dispositifs à récupération d'énergie nécessitent des convertisseurs réversibles en courant dont le circuit de commande est complexe et encombrant. Les interrupteurs auto-commutés sont une solution pour simplifier les topologies de ces convertisseurs car leurs commutations ne nécessitent ni alimentation auxiliaire, ni circuit de commande et capteur externes. Le travail mené consiste à développer, par le biais de l'intégration fonctionnelle, un interrupteur monolithique réversible en courant à auto-commutation : un thyristor dual auto-blocable. Pour réaliser cette fonction, deux architectures sont proposées : une basée sur un thyristor-MOS et une basée sur un IGBT. Les deux solutions sont étudiées à l'aide de la simulation 2D puis réalisées technologiquement. Les tests électriques des composants montrent que la première solution, intéressante d'un point de vue intégration monolithique, présente un comportement électrique très sensible aux paramètres technologiques. La deuxième solution est plus difficilement intégrable, mais son fonctionnement s'avère beaucoup moins délicat.

Cette thèse étudie l'ingénierie, à partir de boites quantiques uniques (BQ), de sources déterministes de paires de photons intriqués selon deux procédés: l'intrication en polarisation lors de la cascade radiative du bi-exciton, et l'intrication temporelle de deux photons indiscernables. Le degré d'intrication est calculé afin d'évaluer quantitativement l'impact de: la levée de dégénérescence de l'exciton (splitting), le renversement de spin, l'interaction de l'exciton avec son environnement. Dans les deux cas l'intrication peut être restaurée en accélérant la durée de vie radiative de l'exciton par effet Purcell. Pour cela, un moyen approprié est une cavité à cristal photonique gravée dans une membrane suspendue (CP2D) contenant la BQ, qui permet aussi une augmentation de l'efficacité de collection. Les requis technologiques d'alignement de la BQ avec la cavité sont aussi étudiés. Cependant les effets de cavité sont insuffisants pour corriger le splitting, qui peut être réduit avec un champ électrique variable vertical. Ceci a été vérifié expérimentalement en développant une technologie pour produire des diodes PIN compatibles avec les CP2D.

Les techniques de pompage optique sont habituellement bien adaptées à l'étude de la dynamique de spin des semi-conducteurs. Le silicium est un cas particulier, à cause d'un gap indirect et d'un faible couplage spin-orbite.<br />La stratégie mise en place dans nos travaux consiste à «réduire le temps de vie» des électrons de conduction, afin que leur polarisation initiale soit conservée.<br />Dans un premier temps, nous avons mené une étude de photoluminescence polarisée. La réduction du temps de vie s'opère essentiellement en faisant varier le taux de dopage en accepteurs. Nous avons mis en évidence une luminescence chaude fortement polarisée sur un échantillon très dopé. Cependant, aucun effet de dépolarisation en champ transverse n'a pu être observé.<br />Dans un deuxième temps, nous avons conduit une expérience de photo-émission résolue en spin et en énergie, pour une gamme d'énergie d'excitation variant de l'infrarouge à l'ultraviolet. L'échelle de temps pertinente est le temps d'échappement, beaucoup plus court que le temps de vie. Cela a nécessité la mise au point une procédure d'activation de photocathodes en silicium en affinité électronique négative. Une étude spectroscopique à 20 meV de résolution des distributions d'électrons photo-émis a été réalisée. L'analyse en spin de ces distributions montre une augmentation spectaculaire de la polarisation électronique lorsque l'énergie d'excitation se rapproche du gap direct. Des polarisations de l'ordre de 15% sont mesurées, proches des valeurs théoriques que nous calculons. Nous avons également observé un changement de signe de la polarisation très sensible à la température dans la partie thermalisée des distributions électroniques.

Les antireflets permettent d'accroître l'efficacité des cellules photovoltaïques, d'augmenter la sensibilité des détecteurs optroniques, et même d'améliorer l'extraction lumineuse des diodes électroluminescentes. Traditionnellement, des empilements de matériaux en couches minces sont utilisés pour les fabriquer. Nous avons étudié une technique alternative qui s'appuie sur la microstructuration de l'interface air-substrat. Il s'agit, plus précisément, de modéliser et de fabriquer des surfaces microstructurées bi-périodiques sur silicium et sur germanium présentant un effet antireflet très efficace dans l'infrarouge en bandes II et III respectivement. Ces structures nécessitent une description rigoureuse des phénomènes de propagation de la lumière. L'influence des paramètres opto-géométriques est examinée sous le point de vue des cristaux photoniques en utilisant les diagrammes de bandes. Pour réaliser ces structures, des techniques à bas coût, basées sur une gravure humide anisotrope du semi-conducteur cristallin à travers un masque obtenu par photolithographie, ont été utilisées. Nous obtenons expérimentalement sur silicium un facteur de réflexion inférieur à 4% sur l'ensemble du spectre IR II. Un très bon accord calcul/mesure permet de valider les résultats numériques obtenus précédemment.

La dynamique des lasers à semi-conducteur avec rétroaction optique est le sujet de cette thèse. En particulier, nous analysons l'instabilité à l'origine des fluctuations à basse fréquence de l'intensité du laser (Low Frequency Fluctuations, LFFs) qui apparaissent pour une rétroaction modérée à forte. <br /><br />Nous étudions la nature dynamique des fluctuations à basse fréquence au moyen de techniques des mesures particulières. Nous prouvons que les LFFs trouvent leur origine dans une bifurcation noeud - col d'Andronov anticipée par le bruit présent dans le système. Nous démontrons expérimentalement que, en accord avec ce type de bifurcation, le laser à semi-conducteur avec rétroaction optique répond aux perturbations comme un système excitable. Ceci constitue la première preuve d'excitabilité dans un système optique. Corollairement, le contrôle du niveau de bruit dans le système nous permet de réaliser la première observation du phénomène de Coherence Resonance.<br />Nous avons aussi obtenu de fortes indications sur le mécanisme physique à l'origine de l'instabilité des fluctuations à basse fréquence. L'analyse de l'évolution temporelle du spectre optique à des échelles inférieures à la nanoseconde nous permet de montrer que cette instabilité est générée par l'interaction entre différents modes du laser. <br />Enfin, nous nous sommes placés dans le cas expérimental où la rétroaction optique est sélective en fréquence, analysant ainsi les caractéristiques du système par la variation de cette fréquence.<br /><br />L'influence de la rétroaction sur un laser a aussi été étudiée pour des lasers à cavité verticale (VCSELs) dont le fonctionnement monomode longitudinal est imposé par la séparation en fréquence entre les modes. Pourtant, nous observons une fluctuation à basse fréquence dans l'intensité émise par le système. Nous montrons que, dans ce cas, l'instabilité est liée à l'interaction entre les deux composants de polarisation du VCSEL.