Computing as a service is rapidly becoming the new normal for many sectors of the economy. The widespread availability of broadband internet has allowed an extensive range of services to be delivered on-demand from centralized computing systems known as ‘data centers’. These systems have evolved to be enormously complex. Optical-based communication is desired to increase data center capability and efficiency, however traditional optical technologies are not feasible due to cost and size. Silicon photonics aims to deliver optical communications on an integrated and affordable platform for use in data centers by leveraging the existing capabilities of complementary metal-oxide semiconductor manufacturing. This thesis contains a description of the development of monolithic silicon photodiodes for use in photonic integrated circuits in, and beyond, the current telecommunications wavelength windows. The focus is on methods which are compatible with standard silicon processing techniques. This is in contrast to the current approaches which rely on hybrid material systems that increase fabrication complexity. Chapter 1 and 2 provide background information to place this work into context. Chapter 3 presents an experimental study of resonant devices with lattice defects which determines the refractive index change in silicon-on-insulator waveguides. High-speed operation of resonant photodiodes is demonstrated and is found to be limited by resonance instability. Chapter 4 demonstrates high responsivity avalanche photodetectors using lattice defects. The detectors are shown to operate error-free at 10 Gbit/s, thus confirming their capability for optical interconnects. Chapter 5 presents photodiodes operating with absorption through surface-state defects. These detectors show fast operation (10 Gbit/s) and have an extremely simple fabrication process. Chapter 6 demonstrates photodiodes operating beyond the traditional telecommunications window. Operation at 20 Gbit/s, at a wavelength of 1.96 µm is demonstrated, offering potential for their use in the next generation of optical communication systems which will exploit the thulium doped fiber amplifier. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / This thesis describes photodiodes constructed on silicon optical waveguides. The photodiodes are notable for their high-speed performance and simple fabrication methods. Such devices may find use within chip-integrated optical transceivers, which are desired for optical interconnects within large-scale computing systems such as data centers.

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This research introduces tellurium oxide (TeO2) glass doped with optically active erbium ions (Er3+) as an active oxide cladding material for silicon-on-insulator (SOI) waveguides for realization of a silicon-based erbium-doped waveguide amplifier (EDWA) for integrated optics. Optical amplification of this nature is enabled by energy transitions, such as stimulated absorption and emission, within the shielded 4f shell of the rare-earth atomic structure caused by excitation from photons incident on the system. Er3+ ions are doped into the TeO2 film during deposition onto the SOI waveguides using a reactive magnetron co-sputtering system operated by McMaster’s Centre for Emerging Device Technologies (CEDT). Prior to fabrication, the waveguides are designed using photonic CAD software packages, for optimization of the modal behaviour in the device, and Matlab, for characterization of the optical gain performance through numerical analysis of the rate and propagation equations of the Er3+-based energy system. Post fabrication, the waveguide loss and gain of the coated devices are experimentally measured. The fabricated waveguide amplifier produces a peak signal enhancement of 3.84 dB at 1533 nm wavelength for a 1.7 cm-long waveguide device. High measured waveguide losses (> 10 dB/cm) produce a negative internal net gain per unit length. However, the demonstration and implementation of an active rare-earth doped cladding material on a silicon waveguide is successful, which is a major step in developing integrated optical amplifiers for conventional silicon photonics platforms. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

L'introduction d'une contrainte mécanique dans le canal de MOSFETs sur SOI est indispensable pour les noeuds technologiques sub-22 nm. Son efficacité dépend de la géométrie et des règles de dessin du dispositif. L'impact des étapes du procédé de fabrication des transistors (gravure des zones actives, formation de la grille métallique, implantation des Source/Drain (S/D)) sur la contrainte du silicium contraint sur isolant (sSOI) a été mesuré par diffraction des rayons X en incidence rasante (GIXRD). Parallèlement, le gain en performances de MOSFETs sur sSOI a été quantifié par rapport au SOI (100% de gain en mobilité pour des nMOS longs et larges (L=W=10 μm), 35% de gain en courant de drain à saturation (IDsat) pour des nMOS courts et étroits (L=25 nm, W=77 nm)). Des structures contraintes innovantes ont aussi été étudiées. Un gain en IDsat de 37% (18%) pour des pMOS sur SOI (sSOI) avec des S/D en SiGe est démontré par rapport au sSOI avec des S/D en Si, pour une longueur de grille de 60 nm et des films de 15 nm d'épaisseur. Des mesures GIXRD, couplées à des simulations mécaniques, ont permis d'étudier et d'optimiser des structures originales avec transfert de contrainte d'une couche enterrée précontrainte (en SiGe ou en nitrure) vers le canal.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

Silicon-on-insulator is a key technology which ensures continuation of Moore’s law. This document investigates the impact of orientation, confinement, and strain on the electronic structure of thin silicon slabs using density functional theory. Moreover a systematic comparison of FDSOI device characteristics using parameters of both the default bulk material and that of the studied slab material is also performed. The comparative study of low index orientations show that confinement not only widens the band gap but also transforms the band gap type. Moreover, it is found that for thin silicon layers, strain can alter band gap and band gap type. By summarizing the findings for different crystal orientations, we demonstrate that the consideration of the electronic structure of strained and confined silicon is of high relevance for modelling actual devices with ultra thin body.

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

Extreme environments pose major obstacles for electronics in the form of extremely wide temperature ranges and hazardous radiation. The most common mitigation procedures involve extensive shielding and temperature control or complete displacement from the environment with high costs in weight, power, volume, and performance. There has been a shift away from these solutions and towards distributed, in-environment electronic systems. However, for this methodology to be viable, the requirements of heavy radiation shielding and temperature control have to be lessened or eliminated. This work gained new understanding of the best practices in analog circuit design for extreme environments. Major accomplishments included the over-temperature -180 C to +120 C and radiation validation of the SiGe Remote Electronics Unit, a first of its kind, 16 channel, sensor interface for unshielded operation in the Lunar environment, the design of two wide-temperature (-180 C to +120 C), total-ionizing-dose hardened, wireline transceivers for the Lunar environment, the low-frequency-noise characterization of a second-generation BiCMOS process from 300 K down to 90 K, the explanation of the physical mechanisms behind the single-event transient response of cascode structures in a 45 nm, SOI, radio-frequency, CMOS technology, the analysis of the single-event transient response of differential structures in a 32 nm, SOI, RF, CMOS technology, and the prediction of scaling trends of single-event effects in SOI CMOS technologies.

Cette thèse porte sur la conception d’un amplificateur de puissance à haut rendement entrant dans une architecture d’émission pour des terminaux mobiles multi-radio fonctionnant dans la bande de fréquences 800MHz – 6 GHz. Une architecture polaire avec codeur d’enveloppe ΣΔ a été validée, pour un fonctionnement multiradio, avec un signal test respectant la norme actuellement la plus contraignante, WiMAX mobile – IEEE 802.16e. Cette validation montre la pertinence, du fait de la nature invariante en amplitude du signal issu de l’architecture, d’avoir recours à un amplificateur à haut rendement en classe commutée. Une topologie novatrice d’amplificateur de puissance (PA) a été développée pour la conception et la fabrication de ce circuit. Le procédé de réalisation du PA en technologie ST CMOS SOI 130 nm est détaillé et les simulations sont validées par une caractérisation complète du PA à l’aide de mesures fréquentielles et temporelles. Mesuré avec un signal sinusoïdal à la fréquence de 3,3 GHz, le PA permet d’obtenir une puissance de sortie de +23 dBm avec un rendement en puissance ajoutée de 61% et un gain en puissance de 14 dB. Conçu et réalisé en technologie compatible CMOS, ce PA permet d’envisager une solution type SoC pour l’ensemble de l’architecture / Evolution on demand for circuits for mobile radio transceivers pushes semiconductors industry to increasing integration levels. These constraints, added to those generated by the growing number of current and future generation wireless transmission systems that must coexist into a handheld device have turned multi-standard systems solution obsolete ; parallelizing functional blocs is no more an efficient solution. Reconfigurable multi-radio concept is a major evolution of last systems, offering high power consumption and circuit surface efficiency. This manuscript resumes our research work on multi-radio mobile emitter architectures for the frequency band going from 800 to 6000 MHz and the power amplifier associated with it. A polar architecture which includes a ΣΔ envelope modulator had been validated for multiradio design using à test signal synthesized under the most stringent of current wireless standards; IEEE 802.16e – mobile WiMAX. Validation shows pertinence, up to the non variable amplitude nature of the signal issued of the architecture, of employing a non linear and high efficient power amplifier. An innovative power amplifier topology has been adopted for its design and realization. PA design and realization procedure using 130 nm ST CMOS SOI process has been detailed and validated under PLS simulations and a complete characterization of the PA by frequency and temporal measurements. Characterized under à sine continuous waveform of frequency 3.7 GHz, the PA output power level reaches +23 dBm with a power added efficiency of 61% and a power gain of 14 dB. Designed and realized on fully CMOS compatible technology, this PA facilitates future SoC solutions for architecture plus PA circuits

La technologie Smart Cut™ est un procédé générique de transfert de couches minces utilisé pour la fabrication des substrats silicium sur isolant (SOI) à l’échelle industrielle. L’implantation d’ions légers dans un substrat de silicium oxydé mène à la formation d’une zone fragilisée enterrée au sein du cristal. Ce substrat implanté est ensuite solidarisé à un support mécanique grâce à la technique de collage par adhésion moléculaire. Sous l’effet de la température, les espèces implantées évoluent sous la forme de microfissures qui se développent de manière parallèle à la surface. Après recuit, une fracture se déclenche au niveau de la zone implantée et permet le report de la fine couche monocristalline. L’objet de cette thèse est d’étudier l’aspect dynamique de cette étape de fracture.Pour ce faire, la vitesse de rupture et la déformation des plaques à l’arrière du front de fracture ont tout d’abord été mesurées à l’aide d’un montage optique original qui a ensuite été étendu aux études sur plaque entière 300mm. Ces données ont ensuite été modélisées. Dans un deuxième temps, l’interaction entre le front de fracture et des ondes acoustiques émises dynamiquement au cours de sa propagation a été étudiée. Celle-ci conduit à l’apparition récurrente d’un motif périodique sur le faciès de rupture qui consiste en une très faible variation de rugosité sur de très grandes périodes (mm). Des mesures expérimentales permettent tout d’abord de mettre en évidence cette émission acoustique et d’étudier ses caractéristiques. La modélisation physique du phénomène puis sa simulation numérique permettent ensuite de retrouver la forme typique de ce motif. Enfin, des solutions technologiques sont proposées pour empêcher son apparition sur le faciès de rupture des plaques SOI. / The Smart Cut™ technology is a generic way of transferring very thin layers of crystalline material onto a mechanical substrate. It is currently the industrial standard for Silicon On Insulator (SOI) manufacturing. The implantation of relatively high doses of gas ions in a thermally oxidized silicon substrate leads to the formation of a buried weakened layer in the crystal. The implanted wafer is then bonded onto a host substrate using direct wafer bonding. Under annealing, the implanted species evolve into microcracks lying parallel to the surface, and a controlled fracture process finally occurs along the implanted layer. The aim of this thesis is to study the dynamics of this fracture step.First of all, the fracture velocity and the deformation profile behind the crack tip have been measured using an original optical setup, which has been extended to full wafer studies. A model has been established to explain these data. Then, the interaction of the fracture front with self-generated acoustic waves has been studied. This interaction leads to the appearance of a macroscopic periodic pattern on post-split SOI wafers which is made of small variations of the SOI roughness on very large periods (mm). Experimental studies are first carried out to look at the fracture acoustic emission for different experimental conditions. Numerical simulations based on acoustic phase calculations are then performed to recover the typical pattern shape, with results consistent with experimental data. Finally, technologic solutions are proposed to prevent the pattern formation on the post-split SOI wafers.