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.

Cette thèse porte sur l'étude de la croissance auto-organisée de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur substrat de silicium visant à l'intégration monolithique d'un émetteur de lumière sur silicium à base d'un matériau semiconducteur III-V. Le développement d'un tel système se heurte à deux verrous majeurs : le premier provient d'un très fort désaccord de maille qui rend difficile l'élaboration de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur Si présentant de bonnes qualités structurales et optiques, et le second provient de la nature électronique de l'interface entre In(Ga)As et le Si dont il est prédit qu'elle est de type II et donc peu efficace pour l'émission de lumière. L'approche que nous avons proposée consiste à insérer des BQs d'In(Ga)As dans un puits quantique de silicium dans SiO2, fabriqué sur un substrat SOI. Les effets attendus de confinement quantique dans le puits de Si favoriseraient une interface In(Ga)As/Si de type I. D'un point de vue expérimental, nous avons donc étudié l'influence de différents paramètres de croissance (température de croissance, rapport V/III, quantité d'In(Ga)As déposé, teneur en indium des boîtes quantiques ...) sur le mode de croissance et sur les propriétés structurales et optiques des BQs d'In(Ga)As épitaxiées sur substrat de Si(001). Nous avons proposé une interprétation des phénomènes microscopiques qui régissent la formation des boîtes quantiques d'In(Ga)As sur Si en fonction de la teneur en indium. Nous avons aussi montré qu'il est possible de fabriquer des boîtes quantiques d'In0,4Ga0,6As sur Si ne présentant pas de défauts structuraux liés à la relaxation plastique. La luminescence attendue des boîtes quantiques n'a pas pu être obtenue, probablement en raison de deux conditions requises mais antagonistes: la fabrication de boîtes quantiques de très haute qualité structurale (possible uniquement pour de l'In(Ga)As avec une teneur en In inférieure à 50%) et un alignement de bandes à l'interface BQs In(Ga)As/Si de type I (possible théoriquement pour une teneur en In supérieure ou égale à 70%). Ce travail a permis d'enrichir la connaissance et le savoir-faire concernant l'élaboration de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur substrat de Si(001) et l'encapsulation de ces boîtes quantiques par du silicium dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires III-V.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d'onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d'InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d'émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d'intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd'émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d'observerune accélération de l'émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l'émission d'un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l'effet laser.

La production d'énergie photovoltaïque est une option d'avenir pour répondre au développement économique de notre société tout en réduisant notre impact sur l'environnement. Mais pour devenir compétitive, cette filière doit améliorer le rendement des cellules solaires. Une technologie d'avenir consiste à combiner différents matériaux via une croissance par épitaxie et l'usage du collage direct. Cette thèse, financée par SOITEC, vise au développement du collage d'arseniure de gallium (GaAs) sur le phosphure d'indium (InP) pour la cellule SmartCell. L'objectif est d'optimiser son comportement électrique via un modèle numérique prenant en compte son état physico-chimique. Nous présentons d'abord un ensemble d'outils de caractérisations électriques pour réaliser une mesure I(V) précises de l'interface de collage. En fonction des cas, nous détaillons des contacts métalliques adaptés pour améliorer cette caractérisation. Une étude détaillée de l'hétérostructure GaAs/InP et des homostructures GaAs/GaAs et InP/InP amène ensuite à une compréhension de leur mécanisme de collage. Après recuit thermique, le procédé de collage hydrophile engendre des oxydes d'interfaces qui se résorbent dans le cas de l'InP et se fragmentent pour le GaAs. A paramètres constants, les empilements obtenus sont meilleurs que ceux de l'état de l'art au niveau électrique et mécanique. Nous poursuivons avec des propositions de procédés innovants pour maitriser l'oxyde d'interface et optimiser l'hétérostructure. Parmi ces options nous validons l'approche avec exposition ozone qui vise à générer sélectivement un oxyde avant mise en contact. L'empilement obtenu affiche une résistance proche de nos mesures de référence et a un fort potentiel. Enfin l'étude se conclue sur la présentation d'un modèle numérique inédit reliant procédé de collage, état d'interface et comportement électrique. A recuit donné, l'interface est hétérogène avec une zone reconstruite (conduction thermo-électronique) et une zone avec oxyde (conduction tunnel). Ces régions s'activent préférentiellement en fonction de la température de fonctionnement. Elles sont pondérés par un critère qui détermine le niveau de reconstruction du collage et qui sera utile pour de futurs développements de l'application. / The solar photovoltaic is a promising way to support our economical growth while it can reduce the environmental impact of our society. But, to be truly competitive, the sector has to develop more efficient solar cells. An interesting option aims at combining different materials either by epitaxy growth and direct bonding. The Ph.D. was funded by the SOITEC company with the goal to develop the bonding of the gallium arsenide (GaAs) on the indium phosphide (InP) for the SmartCell architecture. We had to optimize its electrical behavior with a numerical model taking into account the bonding interface state. We introduce the study with a wide range of I(V) tools to precisely characterize the bonding interface. Depending on the case, we detail suitable metal contacts to improve the test. A study in deep of the GaAs/InP heterostructure and the GaAs/GaAs and the InP/InP homostructures leads to a better understanding of the bonding mechanisms. After a thermal annealing, the hydrophilic bonding process generates oxyde compounds at the interface which are absorbed in the InP case and are fragmented in the GaAs case. For given parameters, our stacks are electrically and mechanically better than the state of the art. Then we propose innovative processes to control the interface oxyde and thus optimize the heterostructure. Among them, we validate a new approach with ozone exposure that selectively generates an oxyde prior to bonding. The interface resistance of the stack is therefore closed to our best results and has great potentials. To conclude, the study focuses on a novel numerical model connecting the bonding process, the interface state and the electrical behavior. For a given annealing, the interface is heterogenous with reconstructed areas (thermionic conduction) and oxyde areas (tunnel conduction). These regions are preferentially activated as a function of the operating temperature. They are weighted by a criteria determining the level of the bonding reconstruction which will be useful for the future developments of the application.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de nanofils InP et d’hétérostructures nanofils InAs/InP épitaxiés sur substrat silicium. Ce travail de thèse a été réalisé principalement dans le cadre du projet ANR «INSCOOP». / This thesis is focused upon the experimental investigation of optical properties of InAs/InP NW heterostructures by means of photoluminescence (PL) spectroscopy. First, it was demonstrated that the host-substrate may have significant impacts on the optical properties of pure InP NWs, as due to the strain, created by the difference in the LTECs of the NWs and the host-substrate, as due to some other surface effects. Next, the optical properties of such nanowire heterostructures as quantum rod (QRod) and radial quantum well (QWell) NWs were investigated. The features of obtained spectra were explained using theoretical simulation of similar NW heterostructures. The polarization properties of single InP NWs, InAs/InP QWell-NWs, InAs/InP QRod-NWs and ensemble of the InAs well ordered NWs were studied at different temperatures. Further, we report on the evidences of the strain-induced piezoelectric field in WZ InAs/InP QRod-NWs. Finally, PL QE of NW heterostructures and their planar analogues are measured by means of a PL setup coupled to an integrating sphere. In general, the obtained knowledge of the optical and mechanical properties of pure InP NWs and InAs/InP NW heterostructures will improve understanding of the electrical and mechanical processes taking place in semiconductor NW heterostructures and will serve for the fabrication of future nanodevice applications.

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.

Cette thèse porte sur l’étude de la croissance auto-organisée de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de silicium visant à l’intégration monolithique d’un émetteur de lumière sur silicium à base d’un matériau semiconducteur III-V. Le développement d’un tel système se heurte à deux verrous majeurs : le premier provient d’un très fort désaccord de maille qui rend difficile l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si présentant de bonnes qualités structurales et optiques, et le second provient de la nature électronique de l’interface entre In(Ga)As et le Si dont il est prédit qu’elle est de type II et donc peu efficace pour l’émission de lumière. L’approche que nous avons proposée consiste à insérer des BQs d’In(Ga)As dans un puits quantique de silicium dans SiO2, fabriqué sur un substrat SOI. Les effets attendus de confinement quantique dans le puits de Si favoriseraient une interface In(Ga)As/Si de type I. D’un point de vue expérimental, nous avons donc étudié l’influence de différents paramètres de croissance (température de croissance, rapport V/III, quantité d’In(Ga)As déposé, teneur en indium des boîtes quantiques …) sur le mode de croissance et sur les propriétés structurales et optiques des BQs d’In(Ga)As épitaxiées sur substrat de Si(001). Nous avons proposé une interprétation des phénomènes microscopiques qui régissent la formation des boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si en fonction de la teneur en indium. Nous avons aussi montré qu’il est possible de fabriquer des boîtes quantiques d’In0,4Ga0,6As sur Si ne présentant pas de défauts structuraux liés à la relaxation plastique. La luminescence attendue des boîtes quantiques n’a pas pu être obtenue, probablement en raison de deux conditions requises mais antagonistes: la fabrication de boîtes quantiques de très haute qualité structurale (possible uniquement pour de l’In(Ga)As avec une teneur en In inférieure à 50%) et un alignement de bandes à l’interface BQs In(Ga)As/Si de type I (possible théoriquement pour une teneur en In supérieure ou égale à 70%). Ce travail a permis d’enrichir la connaissance et le savoir-faire concernant l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de Si(001) et l’encapsulation de ces boîtes quantiques par du silicium dans un réacteur d’épitaxie par jets moléculaires III-V. / This thesis focuses on the study of the self-organized growth of In(Ga)As quantum dots (QDs) on a silicon substrate. The purpose of this work is to pave the way for a monolithic integration of III-V semiconductor-based light emitter on silicon. One of the big challenges of this project is to overcome the high lattice mismatch between InGaAs and Si which can induce structural defects in the QDs. Another key challenge comes from the expected type II In(Ga)As/Si interface that is detrimental for efficient light emission. In order to solve the “interface type” issue, we suggested to insert the In(Ga)As QD plane inside a thin silicon layer grown on a SOI substrate. Confinement effects of the Si/SiO2 quantum well are expected to raise the X-valley of the Si conduction band above the Γ-valley, leading to a type I interface in both direct and reciprocal space. The influence of different parameters (such as the amount of deposited In(Ga)As, the growth temperature, the V/III ratio and the gallium content...) on the growth mode and on the structural and optical properties of the In(Ga)As QDs grown on Si(001) are experimentally studied. We propose an interpretation of the microscopic phenomena governing the formation of the QDs as a function of gallium content. We finally show the possibility of making In0,4Ga0,6As QDs on Si(001) substrates, these QDs being free of ‘plastic relaxation’-related structural defects. The expected luminescence from the QDs was not obtained probably due to two incompatible conditions: the first, required for growing high structural quality QDs (possible only for In(Ga)As containing less than 50% of In) and the second, essential for maintaining a type I interface band alignment (theoretically possible for an In content greater than 50%). This work is contributing to the understanding of In(Ga)As QDs growth on Si(001) substrates and to the know-how of capping such QDs with silicon inside a III-V molecular beam epitaxy reactor.

Ce manuscrit présente l'étude de l'effet photorefractif dans le proche infrarouge et, plus particulièrement, l'étude des matériaux sensibles dans cette gamme de longueurs d'onde. la première partie du travail a consiste a étudier les matériaux existants, provenant de la microélectronique, le GaAs et l'InP. Les études réalisées, tant expérimentales que théoriques, ont permis de comprendre leurs propriétés et de mettre en évidence leurs limitations, notamment pour les applications dans la gamme de longueurs d'onde autour de 1,3 m. au vu de ces résultats, nous avons propose une technique d'optimisation des performances de gaas utilisant l'irradiation électronique. L'irradiation induit une légère variation du niveau de fermi, qui doit favoriser l'effet photorefractif a 1,3 m. Les résultats obtenus ont montre que l'effet attendu était fortement contrebalance par la création au milieu de la bande interdite, d'un défaut d'irradiation. L'influence directe de ce défaut a été établie grâce au développement d'un modèle théorique de l'effet photorefractif prenant en compte deux niveaux de pièges profonds. En parallèle a cette étude de l'effet d'irradiation, nous avons travaille sur les composes ii-vi, comme le CdTe. Les premiers cristaux étudiés présentent des gains photorefractifs intéressants avec des faisceaux de faible puissance. Ces résultats confirment les promesses de ces cristaux pour une extension de l'effet photorefractif vers 1,5 m. Pour finir, nous présentons une technique d'amplification du gain photorefractif qui utilise l'application d'un champ alternatif carre. une augmentation du gain d'un ordre de grandeur est obtenue.