Dissertationen zum Thema „Emetteurs de lumière en silicium“

L'objectif de cette thèse est d'explorer le potentiel des impuretés complexes de carbone dans le silicium (G-centers) pour des applications dans les technologies quantiques. Ce défaut ponctuel a été initialement mis en évidence dans des échantillons de Si riches en carbone soumis à une irradiation électronique à haute énergie suivie d'un recuit à haute température. Une caractéristique clé des centers-G est leur émission infrarouge, correspondant à l'importante longueur d'onde de la bande O des télécommunications optiques qui s'étend entre 1260-1360 nm. Nous avons démontré que nous sommes capables de créer des centres G individuels par implantation ionique dans du SOI, du 28Si isotopiquement purifié sur isolant, et des nanostructures photoniques telles que des résonateurs diélectriques de Mie vers des sources intégrées de photons uniques dans le silicium émettant dans la gamme de longueur d'onde des télécommunications. Par lithographie optique et de gravure au plasma, associée à un démouillage à l'état solide de silicium cristallin ultra-mince sur isolant, afin de former des résonateurs de Mie monocristallins. En intégrant des centres G émetteurs de lumière dans les antennes en Si, j'ai conçu l'émission de lumière en réglant la dose de carbone, l'énergie du faisceau et la taille des îlots afin d'optimiser le couplage entre les émetteurs et les résonances de Mie. L'émission de lumière directionnelle à 120 K a été démontrée expérimentalement et confirmée par des simulations FDT. Nous estimons qu'avec un couplage optimal de l'émission des centres G avec les antennes résonantes, une efficacité de collecte d'environ 90 % peut être atteinte en utilisant un objectif conventionnel
The aim of this thesis it to explore the potential of complex carbon impurities in silicon (G-centers) for applications in quantum technologies. This point defect was originally highlighted in carbon-rich Si samples undergoing high-energy electron irradiation followed by high temperature annealing. A key feature of G-centers is their infrared emission, matching the important optical telecommunications wavelength O-band spreading between 1260-1360 nm. Through my PhD work we have demonstrated that we are able to create individual G-centers by ion implantation in conventional silicon on insulator, isotopically purified 28Si on insulator, and embed these emitters in photonic nanostructures such as dielectric Mie resonators. We developed a low-resolution optical lithography and plasma etching method joined with solid state dewetting of monocrystalline, ultra-thin, silicon on insulator to form monocrystalline, atomically-smooth, Mie resonators in well-controlled and large, periodic arrays.By integrating light emitting G-centers within the Si-based antennas we engineered the light emission by tuning carbon dose, beam energy and islands size in order to optimize the coupling between the emitters and the Mie resonances in space and frequency. directional (Huygens-like) light emission at 120 K was demonstrated experimentally and confirmed by finite difference time domain simulations. We estimate that, with an optimal coupling of the G-centers emission with the resonant antennas, a collection efficiency of about 90% can be reached using a conventional objective lens

Ce travail de thèse porte sur l’étude et le développement de lasers à cavité verticale accordable ultra rapide pour des applications à la distribution de haut débit optique. Dans ce contexte l’accent a été mis sur différentes parties du laser : les miroirs de Bragg, la zone active et l’injection électrique. L’utilisation d’un miroir hybride en fond de cavité, composé d’un Bragg diélectrique et d’une couche d’or a permis d’augmenter la puissance de sortie. L’insertion de fils quantiques dans la zone active à permis de démontrer une émission laser sous pompage optique continu à température ambiante, avec une émission polarisée (1000:1) dans le sens des fils. Un second composant pompé électriquement a été étudié et mis en œuvre. L’injection électrique utilise une jonction tunnel enterrée. Le montage du laser se fait selon la technique originale de flip-chip développée par la société Intexys. Un travail de modélisation et d’optimisation de la jonction tunnel a conduit à de faibles résistances d’accès
This thesis deals with the study and the development of fast and tunable vertical cavity lasers for applications to high-speed optical data transmission. In this context, the highlighting has been placed on different parts of laser: Bragg mirrors, active zone and electrical injection. Using a hybrid mirror in the bottom of the cavity, composed of a dielectric Bragg and a layer of gold, we have demonstrated an increase of the output power. The insertion of quantum wires in the active zone made possible to demonstrate a laser emission under continuous optical pumping at room temperature with a polarized emission (1000:1) in the direction of the wires. A second component electrically pumped has been studied and implemented. The electrical injection uses a buried tunnel junction. The assembling of laser is based on the original technique developed by the company Intexys. A work of modeling and optimization of the tunnel junction has led to a low access resistance

Ce travail porte sur la conception et la réalisation de modulateurs de lumière rapides, intégrés dans des microguides d'ondes sur substrat silicium sur isolant (SOI). Dans le silicium, la modulation du nombre de porteurs libres est l'effet physique qui conduit à la plus grande variation de l'indice de réfraction du matériau. La structure originale des modulateurs étudiés est basée sur la désertion de porteurs dans un empilement de multipuits silicium-germanium/silicium à modulation de dopage, inséré dans une diode pin. Sous polarisation inverse, la désertion des trous initialement confinés dans les puits induit une variation de l'indice effectif du mode guidé. Cet effet a été mesuré sur des composants de test réalisés à l'IEF. Les performances du modulateur intégré dans un guide d'onde SOI en arête ont été prévues théoriquement et l'empilement a été optimisé par des simulations électriques et électromagnétiques couplées. La réponse temporelle intrinsèque a été calculée. L'influence des pertes optiques dans les zones de contact a été étudiée. Pour obtenir une modulation d'intensité, différentes structures interférométriques intégrées ont été comparées. L'ensemble de ces études a conduit au dimensionnement de modulateurs intégrés performants en tenant compte des contraintes technologiques imposées par la géométrie des guides
This work deals with the design and the realization of fast optical modulators, integrated in Silicon On Insulator (SOI) waveguides. In silicon, free-carrier density variation is the physical effect that leads to the largest refractive index variation. The studied modulator is based on free carrier depletion in a silicon-germanium/silicon multilayer structure, included in a PIN diode. A reverse bias applied to the diode depletes holes from SiGe wells, and creates a variation of the guided mode effective index. This effective index variation has been experimentally measured. Electrical and electromagnetic simulations have been used to calculate the structure performances, and to optimize the structure for the integration in a rib waveguide. The intrinsic response time has been calculated. The influence of optical losses in contact areas has been evaluated. To obtain intensity light modulation, interferometric structures have been compared. All the studies presented have lead to the design of efficient integrated modulator, taking into account technological constraint due to the waveguide geometry

Ce travail porte sur la caractérisation optique du silicium poreux et son application à la réalication de structures à modulation d'indice (superréseaux). Une première étude de la diffusion optique a montré l'homogénéité de ce matériau à l'échelle de la lumière, justifiant une description par un indice de réfraction moyen. Si la formation électrochimique du silicium poreux permet l'obtention de couches minces d'épaisseurs parfaitement définies, en revanche des fluctuations du front de dissolution entrainent une diffusion à l'interface silicium poreux/silicium cristallin. Cet effet a nécéssité de développer une analyse des mesures optiques dans le cas d'interfaces rugueuses. La détermination des constantes optiques a été réalisée par une mesure à basse température de la transmission par photoconduction dans le silicium cristallin et par ajustement des spectres de réflectivité des couches minces. D'une manière générale, alors que la dispersion de l'indice est assez faible, l'absorption du siliicum poreux se caractérise par une dépendance exponentielle sur une grande plage en énergie. Cette étude a permis la réliasation de structures à modulation d'indice telles que des réflecteurs de Bragg, des filtres Fabry-Perot ou des microcavités luminescentes. La mise en évidence de différences entre la formation des couches simples et enterrées a compliqué la caractérisation de ces structures. La très bonne qualité optique et le fort rendement quantique intrinsèque au silicium poreux de type P ont permis d'obtenir des microcavités luminescentes très efficaces. Enfin, en combinant l'holographie et la photochimie, un nouveau type de gravure en profondeur a été développé permettant d'obtenir des structures à modulation d'indice latérale de périodicité submicronique. La photodissolution localisée du matériau a été mise en évidence après et pendant la formation de la couche poreuse et ce pour tout type de silicium poreux y compris le macroporeux

L'étude des précipités d'oxygène et des dislocations dans le silicium représente un enjeu important pour l'amélioration de la qualité des substrats SOI ou silicium. La technique LST (« Laser Scattering Tomography »), particulièrement adaptée à la densité ou la taille relativement faibles des défauts recherchés, est basée sur la diffusion de la lumière infrarouge. Ces travaux présentent les développements nécessaires de cette technique pour la mesure puis l'étude du comportement et de l'évolution des défauts. La taille des précipités d'oxygène individuels, à présent accessible, permet d'étudier leur croissance au cours du temps pour différentes températures et morphologies. L'étude des défauts étendus en fonction de la polarisation de la lumière incidente est ensuite détaillée. Le développement de la théorie de la diffusion de la lumière par les dislocations combinée aux différents développements de la technique LST permet la détermination complète du système de glissement d'une boucle de dislocation non décorée. Enfin, les mesures LST permettent de discriminer les dislocations décorées des non décorées
The on-going quality improvement of Silicon-On-Insulator wafers motivates further development of Laser Scattering Tomography (LST). This technique enables the investigation of oxygen precipitates and dislocations in silicon by means of infra-red light scattering. After evaluating the LST capability for the investigation of statistical populations of oxygen precipitates, the characterisation of individual precipitates was addressed. The size of specific oxygen precipitates was accurately monitored during their growth for different temperatures and defect morphologies. In the second part of this work, the theory of light scattering by a dislocation was adapted to the silicon case. This development combined with the tomography and polarization LST options makes it possible the complete characterisation of non-decorated dislocation slip systems. The discrimination of decorated vs. Non-decorated dislocations is also achievable by LST

Ce travail de thèse concerne la réalisation et l'analyse des propriétés optiques de nanocristaux de silicium. Ces objets de taille nanométrique possèdent des propriétés optiques remarquables, en particulier de photoluminescence. Les propriétés de confinement quantique qui les caractérisent permettent d'obtenir un signal de luminescence intense dans le domaine du visible. Des composants optoélectroniques et photoniques ont été envisagés à base de nanocristaux de silicium. Les raisons physiques du fort signal de luminescence en revanche sont encore mal comprises. Les nanocristaux de silicium sont élaborés par évaporation. L'élaboration et le recuit thermique de multicouches SiO/SiO2 permet d'obtenir des nanocristaux de silicium de diamètre moyen bien contrôlé. Ceux-ci sont issus de la démixtion de la couche de SiO selon la réaction SiOx --> Si + SiO2. Le contrôle du diamètre des nanocristaux de silicium permet de maîtriser la région spectrale de luminescence dans la région du visible.La première partie de ce travail de thèse vise à isoler un ou quelques nanocristaux de silicium. L'objectif est de remonter à la largeur homogène de ces nano-objets. Dans un premier temps, une étude centrée sur le matériau SiOx est réalisée afin de réduire la densité surfacique de nanocristaux de silicium. Dans un deuxième temps, des moyens de lithographie ultime sont mis en oeuvre afin de réaliser des masques percés de trous de diamètres de l'ordre de la centaine de nanomètre. Des expériences de spectroscopie optique sont réalisées sur ces systèmes.La deuxième partie de ce travail vise à contrôler l'émission spontanée de lumière issue des nanocristaux de silicium. Ceci se fait en couplant les modes électroniques aux modes optiques confinés d'une microcavité optique. Le manuscrit détaille les moyens développés afin d'obtenir une microcavité optique dont les modes optiques puissent se coupler efficacement aux nanocristaux de silicium. Les propriétés optiques de ces systèmes sont finalement analysées
This work concerns the implementation and analysis of optical properties of silicon nanocrystals. These nanoscaled objects have remarkable optical properties, especially in photoluminescence. The properties of quantum confinement that characterize them allow obtaining an intense luminescence signal in the visible range. Optoelectronic and photonic devices have been proposed based on silicon nanocrystals. The physical reasons of the strong luminescence signal, however, are still poorly understood. The silicon nanocrystals are prepared by evaporation. The preparation and thermal annealing of multilayers SiO/SiO2 leads to silicon nanocrystals with a well controlled average diameter. They are created during the demixing of the SiO layer by the reaction SiO ? Si + SiO2. The control the diameter of the silicon nanocrystals influences directly the spectral region of luminescence in the visible region.The aim of first part of this work is to isolate one or a few silicon nanocrystals. The intent is to trace the homogeneous width of these nano-objects. Initially, a study focusing on the SiOx material is conducted to reduce the surface density of silicon nanocrystals. In a second step, lithography is implemented to make masks with holes with diameters of about one hundred nanometers. Optical spectroscopy experiments were performed on these systems.The second part of this work aims controlling the spontaneous emission of light from silicon nanocrystals. This is done by coupling the electronic transmission to optical modes confined in an optical microcavity. The manuscript describes the methods developed to obtain an optical microcavity whose optical modes can be coupled effectively to the silicon nanocrystals. The optical properties of these systems are finally analyzed

Ce travail introduit des moyens pratiques pour améliorer les propriétés optiques des circuits à base de silicium pour les applications optoélectroniques. Nous avons présenté un processus d’implantation d’une zone de défauts dans la base, proche de la jonction émetteur-base, d’un transistor bipolaire. Les résultats montrent que l’intensité de la lumière émise par le silicium est amplifiée par la présence d’une sous structure constituée de nano-défauts ; nous confirmons la modification locale des niveaux d’énergie dans le silicium cristallin. Ce travail apparaît comme un travail de base permettant de réaliser une amplification de la lumière émise par du silicium. Ces résultats conduisent à proposer une avancée technologique en monitorant la création d’une sous-structure par injonction de porteurs énergétiques dans une jonction d’un composant pour la microélectronique. Une cavité optique, bien structurée pour envisager un laser « tout silicium » doit résulter d’un suivi de densités de défauts, du taux de génération lié à leur localisation et conduisant à maîtriser les effets de la dégradation et de passivation des défauts. Ces résultats présentent un processus avancé pour l’implantation de fonctionnalités optiques dans les dispositifs électroniques de silicium
This groundwork introduces practical ways for improving the optical properties of silicon devices for optoelectronic applications. Hot carriers injection has been performed with an applied reverse bias to the emitter-base junction of bipolar transistors in order to create a nanosize defect layer in the p-type silicon base, located at the emitter-base junction. The process has been controlled by the analysis of the jonction I(V) characteristic at each steps of the stress. The observed increase of the light emission intensity is related to a carrier confinement, and the defect layer appears as an optical cavity. Improvements for integration of optoelectronic operations in silicon microelectronic devices need engineering works concerned for the realisation of a better optical cavity by control of the defect generation rate, localisation and passivation effects, then stabilization of the layer properties. The energy levels can be calculated using quantum theory for spectral analysis. Thses results present an advanced process for implantation of optical functionalities in silicon electronic devices

L'étude proposée consiste à préciser les processus de dégradation de transistors bipolaires soumis à une contrainte électrique par polarisation inverse, en régime d'avalanche, de la jonction émetteur-base. La finalité est de déterminer les conditions de stabilité de l'émission lumineuse de la jonction afin d'envisager des applications optoélectroniques du composant au silicium. La méthode de caractérisation utilisée consiste à déterminer, au cours du temps et en fonction de la contrainte, l'évolution des paramètres de la jonction (courant inverse de recombinaison, facteur d'idéalité et résistance série) obtenus à partir de la description des caractéristiques courant-tension avec des modèles à deux exponentielles. Les processus de dégradation ainsi que leurs effets aussi bien sur la structure du composant que sur les phénomènes de transport des porteurs ont été précisés. L'analyse des résultats a montré qu'il y a existence de deux périodes de dégradation de paramètres durant le stress électrique, caractérisées par deux taux différents. L'origine de ces périodes a été liée aux phénomènes de libération et de mobilité d'ions hydrogène à l'interface de la jonction émetteur-base et à la modification locale de la structure cristalline. Il est souligné que ces périodes correspondent aux deux phases d'émission lumineuse, d'abord tout le long de la jonction et ensuite en des points très localisés
This work proposed in specifying the processes of bipolar transistors degradation subjected to an electrical stress via avalanche breakdown of the reverse biased emitter-base junction. The finality is to determined the stability conditions of the light emission of the silicon junction in order to consider optoelectronics applications of silicon components. The method of characterization consists to determining, as function of stress time, the evolution of the parameters of the junction (recombination current, ideality factor and series resistances), obtained starting from the description of the current-tension characteristics with a two exponential models. The processes of degradation as their effects as well on the structure of the component as on the phenomena of transport of the carriers were specified. The analysis of the results showed that there is two periods existence of parameters degradation during the electrical stress, characterized by two different rates. The origin of these periods was related to the phenomena of release and of mobility of hydrogen ions to the interface of the emitter-base junction. These two intervals introduced by the differentiation of the evolution of junction parameters during stress correspond to the changes of the light emission observed all along the entire junction before it concentrated into localised junction sites

Ce mémoire est consacré à l'étude du couplage lumière-matière dans des hétérostuctures à base de GaN (semiconducteur à bande interdite directe). L'objectif de ce travail est la mise en évidence expérimental du couplage fort exciton-photon dans des microcavités nitrurées. Des difficultés liées à l'élaboration des nitrures nous ont contraint à effectuer deux études préliminaires : tout d'abord, la détermination des indices de réfraction d'AlN, GaN et AlGaN par ellipsométrie spectroscopique et par réflectivité, puis la caractérisation de miroirs de Bragg AlN/ GaN et AlN/ AlGaN. A partir des résultats obtenus, nous avons conçu plusieurs structures de microcavités pour lesquelles le couplage fort lumière-matiè́re était théoriquement atteint. Les microcavités ont ensuite été élaborées par épitaxie sous jets moléculaires sur substrats de silicium et nous les avons caractérisées par spectroscopie optique : réflectivité et photoluminescence à basse température, en fonction de l'angle d'incidence et de la position. Les expériences de réflectivité résolues en angle nous ont permis de mettre en évidence pour la première fois le régime de couplage fort dans une microcavité à base de GaN. La structure étudiée est une microcavité massive à base de GaN insérée entre 4 alternances de couches diélectriques SiO2/Si3N4 formant le miroir haut et le substrat de silicium jouant le rôle du miroir bas. Le régime de couplage fort atteint dans cette structure est caractérisé par un dédoublement de Rabi de 31 meV persistant à une température de 77K, mais ne subsistant pas à température ambiante, à cause de l'élargissement induit par l'augmentation de la température. Finalement, nous avons proposé des microcavités massives ou à puits quantiques permettant, en principe, l'observation du régime de couplage fort à température ambiante

Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Une efficacité d'extraction de plus de 45 % à été mesurée sur une face et dans un angle solide réduit pour un extracteur de lumière sur substrat SOI.

Le silicium est reconnu comme étant un mauvais émetteur de lumière à cause de son gap indirect. Diverses stratégies ont été développées pour améliorer son rendement d'émission, le Si constituant le matériau de choix pour la photonique. Ce manuscrit présente l'élaboration et la caractérisation de matériaux originaux à base de silicium afin de proposer des solutions alternatives pour améliorer les propriétés d'émission de lumière du Si. Ce travail est divisé en 4 parties avec tout d'abord une revue de l'état de l'art de l'émission de lumière dans le Si et les bases sur les mécanismes de recombinaison dans le Si. Une seconde partie se concentre sur l'élaboration et l'étude de dispositifs électroluminescents à base de Si comportant un réseau de dislocations enterrées un niveau d'une jonction PN obtenu par collage moléculaire. L'émission de lumière située vers 1,1 et 1,5 µm (1,1 et 0,8 eV) est attribuée à la recombinaison des porteurs sur les états piège induits par des précipités de bore et d'oxyde dans le voisinage de dislocations (E^phonon_Bore vers 1.1eV et Dp~0.8eV) et des états de défauts localisés à l'intersection du réseau carré de dislocations vis (D1~0.8eV). Une troisième partie traite de l'élaboration et des propriétés optique d'ions Er3 + couplés avec des nanostructures de Si dans des films minces de SRO (Silicon-Rich Oxide) obtenus par co-évaporation de SiO et d'Er. Dans cette matrice, l'efficacité d'excitation indirecte de l'Er à 1,5 µm via les nanostructures est démontrée par la mesure de sections efficaces effectives d'excitation de l'Er entre 2x10-16 cm2 et 5x10-15 cm2 en fonction du flux d'excitation et des paramètres d'élaboration. Le principal résultat est la forte diminution avec la température de recuit de la fraction d'ions Er3+ émetteurs susceptible d'être inversée. Des expériences EXAFS révèlent que ce comportement est en corrélation avec l'évolution de l'ordre chimique local autour des atomes d'Er. Dans une dernière partie est présentée l'élaboration de nanostructures de Si de type nanofils cœur-coquille Si/SiO2. Ces structures cœur-coquille sont obtenues par trois méthodes différentes. Les structures obtenues par dépôt d'oxyde sur la surface de nanofils de silicium CVD catalysées avec de l'Au présentent une émission autour de 500 nm efficace à température ambiante due à la recombinaison des porteurs photo-générés au niveau des états de défauts dans la couche d'oxyde et à l'interface Si/SiO2. L'intensité de PL collectée est de plus d'un ordre de grandeur supérieure à celle mesurée sur des films minces de SiO2 similaires déposés sur des substrats de Si. En outre, la passivation des nanofils de Si CVD par un procédé d'oxydation thermique permet de neutraliser les états de surface qui dominent dans de telles structures. La mesure des vitesses de recombinaison de surface semble indiquer que ces nanofils ainsi passivés présentent des propriétés électroniques de volume similaires à celles du Si standard de microélectronique. Enfin, une nouvelle méthode pour l'élaboration in situ de nanofils cœur-coquille Si/SiO2 basée sur l'évaporation d'une source solide SiO avec l'Au et le Cu comme catalyseurs est détaillée. La croissance des fils catalysés par l'Au se produit dans le mode de croissance VLS (Vapor-Liquid-Solid comme en CVD) donnnat des nanofils présentant un cœur de Si cristallin et une coquille amorphe d'oxyde. En revanche, la croissance des nanofils catalysée par le Cu semble se produire préférentiellement à plus basse température en mode VSS (Vapeur-Solide-Solide) expliquant pourquoi ces NFs présentent une forte densité de défauts cristallins dans la cœur de Si contrairement aux fils catalysés Au
Silicon is known as a poor light emitter due to its indirect band gap. Various strategies have been developed to overcome its poor emission efficiency since it is the material of choice for photonics. In this manuscript are detailed the elaboration and characterization of original silicon-based materials in order to propose alternatives solutions to improve Si light emission properties. This work is divided in 4 parts with a first one describing the state of the art of light emission in Si and the basics of recombination mechanisms in Si. A second part focuses on the elaboration and study of electroluminescent devices based on bulk Si with a buried dislocation network at a PN junction obtained by wafer bonding. The light emission near 1.1 and 1.5 µm (1.1 and 0.8 eV) is attributed to the recombination of carriers on trap states induced by boron and oxide precipitates in the vicinity of dislocations (E^phonon_Bore near 1.1eV and Dp~0.8eV) and defects traps at the intersection of the square network of screw dislocations (D1~0.8eV). In a third part is showed the elaboration and the optical properties of Er3+ ions coupled with Si nanostructures in Si-Rich Silicon Oxide (SRO) thin films obtained by co-evaporation of SiO and Er. We demonstrate the efficient indirect excitation of Er at 1.5 µm with high effective cross sections between 2x10-16 cm2 and 5x10-15 cm2 as a function of the excitation flux and the elaboration parameters. The main result is the drastic decrease of the number of Er3+ emitting ions coupled to Si with the annealing temperature. EXAFS experiments revealed that this behavior is correlated with the evolution of the local chemical order around Er atoms. In a last part is presented the elaboration of Si nanostructures based on core-shell Si/SiO2 nanowires. These core-shell structures are obtained by three different methods. Core-shell nanowires obtained by oxide deposition on the surface of CVD Au-catalyzed Si nanowires exhibit an efficient room temperature emission around 500 nm due to the recombination of photo generated carriers in defects states in the oxide layer and at the Si/SiO2 interface. The collected PL intensity is more than one order of magnitude higher than similar SiO2 thin films deposited on Si substrates. Moreover, the passivation of CVD-growth Si nanowires by a thermal oxidation procedure allows neutralizing the surface states which are predominant in such structures. As a result, the measurement of surface recombination velocities seems to indicate that such passivated nanowires present similar volume electronic properties than standard microelectronic bulk Si. Finally, a new method for the elaboration of in situ core-shell Si/SiO2 nanowires based on the evaporation of a solid SiO source with Au and Cu as catalysts is presented. The Au-catalyzed growth occurs in the VLS mode (Vapor-Liquid-Solid like in CVD-growth) leading to the growth of nanowires with a crystalline Si core surrounded by an amorphous oxide shell. But Cu-catalyzed nanowires growth seems to appear preferentially at lower temperatures in the VSS (Vapour-Solid-Solid) mode explaining why these nanowiress exhibit a high density of crystalline defects in the Si core compared to Au-catalyzed wires

Le but de cette etude est d'estimer et d'optimiser les performances de couplage entre une fibre et microguide optique en filiere technologique ois1. Pour atteindre cet objectif, trois actions ont ete entreprises: 1) une etude numerique du comportement theorique des microguides associes a des transitions adiabatiques; 2) une etude experimentale sur ces memes microguides utilisant la structure ois3; 3) une approche experimentale complementaire mettant en jeu une lentille en bout de fibre. L'etude numerique a permis de modeliser le microguide transition adiabatique. Elle resout les equations aux valeurs propres matricielles et le couplage entre chaque section du taper dans le sens de la propagation en regime de transition adiabatique. Les resultats de l'etude numerique sont satisfaisants. L'etude experimentale a conduit a la mesure d'un coefficient de couplage moyen de 42% compare avec la valeur de 30% sans transition adiabatique

Afin de parvenir à des rendements élevés, les cellules solaires à couches minces de silicium doivent présenter une forte absorption de la lumière. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser des nanoparticules et nanostructures métalliques comme nouvelle approche pour piéger la lumière au sein de cellules solaires à couches minces de silicium. Les propriétés optiques spécifiques des nanoparticules métalliques sont une conséquence de l'apparition d'un phénomène de résonance dans leur spectre d'absorption et de diffusion, connu sous le nom de résonance de «plasmon localisé de surface» (LSP : localized surface plasmons). Pour des particules suffisamment petites (<50nm), l'absorption LSP est accompagnée par une forte augmentation du champ électromagnétique à l'intérieur et au voisinage des nanoparticules, La première partie de ce travail est motivée par l'exploitation de ce renforcement du champ électromagnétique, Dans cette approche, l'objectif est de confiner la lumière dans la couche active des cellules solaires. La seconde approche est basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques de diamètre supérieur à 50 nm ou par des nanostructures métalliques. La section efficace de diffusion d'une nanoparticule métallique augmente rapidement avec son diamètre et atteint un maximum à l'excitation LSP. Dans ce travail, des nanoparticules de diamètres supérieur à 50 nm et des nanostructures métalliques ont été incorporées dans la partie inférieure de cellules solaires en silicium amorphe ou microcristallin
In order to achieve high efficiencies, thin-film silicon solar cells need an efficient light absorption. In this thesis, we discuss new approaches based on metal nanoparticules and metal nanostructures for light trapping in thin-film silicon solar cells, The specific optical properties of metallic nanoparticles are a consequence of the appearence of a resonance in their absorption and scattering spectra, know as the localized surface plasmon( LSP) resonance. For sufficiently small particles (<50 nm), the LSP absorption is accompanied by a strong enhancement of the electromagnetic field inside and in the surrounding of the nanoparticles. The first part of this work is motivated by the utilization of this enhanced electromagnetic field. In this approach, we target to confine the light in the active layer of thin-film silicon solar cells, The second approach is based on the light scattering of large metal nanoparticles or nanostructures. The scateering cross section of metallic nanoparticules increases rapidly with their diameter and experiences a resonance at the LSP excitation. Therefore, large metal nanoparticules and metal nanostructures were integrated at the back side of thin-film silicon solar cells

Environ 90% de l’électricité photovoltaïque est produite à partir de cellules en silicium mono et multicristallin. La connaissance de la longueur de diffusion (ou la durée de vie) des porteurs minoritaires dans le silicium utilisé dans la fabrication des cellules solaire est nécessaire afin d’adapter et d’optimiser les procédés de fabrication. L’objectif de ce travail concernait la mesure de la longueur de diffusion et de la durée de vie des porteurs minoritaires dans les matériaux Si épitaxiés et/ou minces et de qualité solaire. En combinant des modèles analytiques et des simulations numériques, la longueur de diffusion est déterminée dans un premier temps dans des échantillons massifs et minces de différentes qualités électriques par la méthode de balayage d’un spot en utilisant la technique LBIC. L’analyse du rendement quantique interne dans les cellules solaires fabriquées est aussi utilisée à titre comparatif. Nous avons ensuite vérifié expérimentalement et par simulation la possibilité de déterminer la longueur de diffusion (et la durée de vie) à partir des mesures de l’intensité intégrée de photoluminescence, mesurée à la température ambiante, en fonction de l’intensité d’excitation
About 90% of the photovoltaic electricity is produced from mono and multicrystalline silicon based solar cells. The knowledge of minority carriers diffusion length (or lifetime) in silicon used in fabrication of solar cells is necessary to adapt and to optimize fabrication process. The aim of this work concerns the measurement of minority carrier diffusion length and lifetime in epitaxial and/or thin and solar grade materials. By combining analytical models and numerical simulation, diffusion length was, first, extracted in thin and thick samples of different electronic qualities by scanning light spot using LBIC technique. Analysis of internal quantum efficiency in fabricated solar cells was also used for comparison. Finally, we have also checked experimentally and by numerical simulation the possibility of diffusion length (and lifetime) determination from integrated photoluminescence intensity measurements at room temperature, as a function of excitation intensity.

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.
In recent years, silicon photonics has developed quickly. Modulators coming from this technology show potentially interesting characteristics for short reach communication systems. In fact, these modulators are expected to reach high transmission speeds, while limiting the fabrication cost and the systems power consumption. At the same time, pulse amplitude modulation (PAM) is promising for this type of systems. Thus, this work focuses on the development of silicon modulators for the transmission of PAM signals. In the first chapter, the necessary theoretical concepts to silicon modulators designing are presented. Mach-Zehnder modulators and Bragg grating modulators are the main focus of this section. Moreover, the theory surrounding electro-optical effects in silicon, PAM modulation, integrated electrodes and digital signal processing is detailed. In the second chapter, a segmented Mach-Zehnder modulator is presented. The electrodes segmentation enables optical PAM signals generation using binary signaling. This approach eliminates the need for an external digital-to-analog converter by integrating this function in the optical domain, in order to try to lower the communication system cost. This chapter contains a detailed modulator description, optical and electrical characterization results and system tests. Furthermore, the system tests include the application of pre-compensation and post-compensation to the signal by equalizing its frequency response for PAM-4 and PAM-8 modulation formats at different binary rates. A transmission speed of 30 Gb/s is demonstrated in both cases, despite the limited frequency response obtained after the RF circuit packaging was added (8 GHz 3 dB bandwidth). This is the first PAM-8 modulation demonstration using a segmented Mach-Zehnder modulator. Finally, the conclusions from this work have led to a second segmented Mach-Zehnder modulator design currently under test, whose performances are showing great potential. In the third chapter, a dual phase-shift Bragg grating modulator is presented. The use of Bragg gratings for modulation is an approach still largely unexplored. Indeed, the spectral response of these structures can be precisely controlled; an interesting characteristic for modulators. In this work, we propose to add two phase-shifts to a uniform Bragg grating to create a sensitive transmission peak in its reflection band. Thus, the transmission peak amplitude can be changed with the help of a pn junction. Similarly to the second chapter, this chapter includes a detailed modulator description, optical and electrical characterization results and system tests. Additionally, the pn junction characterization using the Bragg grating modulator is explained. Transmission speed up to 60 Gb/s PAM-4 and 55 Gb/s OOK are demonstrated after the compensation of the signal distortions. To our knowledge, this is the fastest Bragg grating modulator demonstrated to the day. urthermore, for the first time, the performances of a Bragg grating modulator are approaching those of the typically faster micro-ring or Mach-Zehnder silicon modulators.

Ce mémoire vise à étudier la gestion de la polarisation et est axé sur la conception, la simulation et la fabrication d'un rotateur séparateur de polarisation (PSR) sur des plates-formes en silicium en utilisant une structure combinant un cône adiabatique à deux niveaux et un coupleur adiabatique. Après une introduction sur les systèmes de communication optique, spécifiquement sur les systèmes photoniques intégrés, nous introduisons le silicium sur isolateur (SOI) comme plateforme la plus attrayante pour notre circuit photonique intégré. Bien que la propriété intrinsèque de contraste élevé de SOI entraîne la petite taille de la puce, cette propriété entraîne également une forte dépendance de polarisation pour les dispositifs silicium photoniques (SiP). Pour résoudre le problème et supprimer cette dépendance, des circuits de diversité de polarisation ont été proposés et il est important de traiter la gestion de la polarisation sur la puce. Dans ce mémoire, le principe général de fonctionnement de la gestion de la polarisation est étudié en profondeur. Comme la rotation de polarisation est la fonction la plus importante de la gestion de la polarisation, nous nous concentrons sur les principes de base de la rotation de polarisation dans un dispositif à section unique. Nous discutons également de différents types de rotateurs de polarisation et donnons une introduction à l'évolution historique des rotateurs de polarisation. Enfin, les séparateurs de polarisation sont présentés comme le deuxième élément important dans la gestion de la polarisation, et différents types de séparateurs de polarisation sont présentés. Pour gérer efficacement la polarisation, il est essentiel de développer un PSR haute performance. Par conséquent, nous introduisons une structure efficace qui est basée sur la conversion de mode TM0-TE1 dans une conicité (taper) à deux niveaux sur SOI. Nous expliquons et motivons ce choix. Ensuite, nous décrivons la modélisation avec le logiciel Lumerical Finite Difference Time Domain (FDTD) ; les résultats de la simulation fournissent l'évolution des profils d'intensité des modes le long du dispositif. Par la suite, nous présentons les détails de la disposition sur la carte (layout) pour la fabrication et la caractérisation éventuelle des conceptions utilisant des coupleurs de bordure (edge couplers), ainsi que des conceptions utilisant des coupleurs à réseau (grating couplers). Pour évaluer la performance du PSR conçu pour deux applications différentes, nous proposons un modèle mathématique et iv les matrices de transfert. Enfin, la performance du PSR proposé est analysée dans un système de communication optique.
This thesis aims to study polarization management, and focuses on design, simulation and fabrication layout of a polarization splitter rotator (PSR) on silicon platforms by utilizing a structure combining an adiabatic bi-level taper and an adiabatic coupler. Following an introduction about optical communication systems and specifically integrated photonic systems, we introduce silicon-on-isolator (SOI) as the most attractive platform for our integrated photonic circuit. Although the intrinsic high-index contrast property of SOI leads to a very small footprint, this property also results in high polarization dependence for silicon photonic (SiP) devices. To solve the problem and remove this dependency, polarization diversity circuits have been proposed and it is important to deal with on-chip polarization management. In this thesis, the general operating principle of polarization management is thoroughly studied. As polarization rotation is the most important function of polarization management, we concentrate on the basic principles of polarization rotation in a single section device. We also discuss different types of polarization rotators and give an introduction to the historic evolution of polarization rotators. Finally, polarization beam splitters are introduced as the second important element in polarization management, and different types of polarization splitters are presented. To efficiently manage polarization, it is critical to develop a high performance PSR. Therefore, we introduce an efficient structure that is based on TM0-TE1 mode conversion in a bi-level taper on SOI. We explain and motivate that choice. Afterwards, we describe the modeling in Finite Difference Time Domain (FDTD) Lumerical software; simulation results provide the evolution of mode intensity profiles along the device. Subsequently, we present the layout details for fabrication and eventual characterization for designs using edge couplers, as well as designs using grating couplers. To evaluate the performance of the designed PSR for two different applications, we propose a mathematical model and the transfer matrices. Finally, the performance of the proposed PSR is analyzed in an optical communication system.

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 contexte énergétique actuel est un enjeu sociétal. L'utilisation de l'énergie solaire au travers de cellules solaires photovoltaïques à bas-coût et à haut rendement, est une des voies envisagées pour répondre aux besoins énergétiques. Ce travail de thèse a permis de démontrer la faisabilité de cellules solaires hybrides, basées sur une jonction de type " cœur/coquille " entre des nanofils de silicium obtenus par gravure chimique et du PEDOT polymérisé par voie électrochimique. Les principaux avantages d'une telle structure sont à la fois la simplicité et le faible coût des méthodes utilisées pour la réalisation de la cellule. Les nanofils de silicium, grâce à leur capacité à piéger la lumière, conduisent à des propriétés d'anti-reflet très intéressantes avec notamment des valeurs de réflexion inférieures à 3% sur toute la gamme spectrale du visible. La réalisation de telles jonctions a fait l'objet d'une étude poussée sur les différentes caractéristiques de dépôt du polymère, tels que l'intensité lumineuse, le potentiel appliqué et la durée du procédé. L'influence de ces paramètres sur la mesure I(V) de la cellule solaire hybride complète a également été étudiée. On peut noter en particulier que l'on obtient ainsi une densité de courant de fuite très faible et une résistance de fuite très élevée, permettant d'émettre l'hypothèse d'une bonne passivation des états de surface. Ceci constitue une voie prometteuse pour obtenir un bon transport de charges en polarisation inverse.

Le phototransistor est un nouveau type de photo-détecteur avec une structure MOSFET spéciale qui peut non seulement convertir la lumière absorbée en variation de courant, mais également auto-amplifier ce photo-courant. En particulier, avec des progrès continus dans la synthèse des points Quantum Dots (QDs), les caractères optiques et électriques uniques renforcent le coefficient d'absorption et la génération des trous d'électrons par des processus intégrés faciles. Dans cette thèse, on a synthétisé les PdS infrarouges PbS avec une large absorption infrarouge (IR) (600-1400 nm) et un rendement élevé pour être mélangés avec l'isolateur de porte SU8 des TFT à faible température de poly-silicium (LTPS). Grâce à l'utilisation de cet isolateur de porte photo-sensoriel hybride, ces LTPS TFT peuvent encore obtenir d'excellentes performances électriques telles qu'une mobilité suffisante (3.1 cm2 / Vs), des caractères TFT stables, un rapport marche / arrêt raisonnable (104 ~ 105) et une tension sous-seuil /Déc). De plus, en cas d'exposition à la lumière infrarouge incidente, la sensibilité élevée (1800 A/W) et la sensibilité non négligeable (13 A/W) se trouvent respectivement à 760 nm et 1300 nm. De plus, la photosensibilité atteint également jusqu'à 80 et le temps de réponse est d'environ 30 ms pendant un balayage du signal IR pulsé. Elle prend des mesures concrètes pour l'application générale du phototransistor IR
Phototransistor is a novel type of photodetector with special MOSFET structure which can not only convert absorbed light into variation of current but also self-amplify this photocurrent. Especially, with continual advances in quantum dots' (QDs) synthesis, the unique optical-electrical characters reinforce absorption coefficient and electron-hole's generation by easy integrated processes. In this thesis, the infrared PbS QDs with wide infrared (IR) absorption (600-1400 nm) and high efficiency were synthesized to be blended with SU8 gate insulator of Low-Temperature-Poly-Silicon (LTPS) TFTs. Through using this hybrid photo-sensing gate insulator, this LTPS TFTs can still obtain excellent electrical performance such as enough mobility (3.1 cm2/Vs), stable TFT's characters, reasonable on/off ratio (104~105) and subthreshold voltage (3.2 V/Dec). Moreover, under incident IR light's exposure, the high responsivity (1800 A/W) and not negligible responsivity (13 A/W) can be found at 760 nm and 1300 nm respectively. In addition, the photosensitivity also reaches up to 80 and the response time is approximately 30 ms during a pulsed IR signal's scanning. It takes concrete steps forward for the broad application of IR phototransistor

La technologie photovoltaïque se caractérise par sa capacité à réduire constamment le coût de l'électricité délivrée, notamment grâce aux innovations technologiques. Un pas important a été franchi dans ce sens grâce à la mise en place d'une filière utilisant des couches minces, réduisant significativement la quantité de matériau actif nécessaire. Aujourd'hui, ces efforts se poursuivent et des couches semi-conductrices ultraminces voient le jour. Du fait de leur faible épaisseur, ces couches souffrent d'une faible absorption de la lumière, ce qui limite le rendement de conversion des cellules. Pour répondre à ce problème, les concepts issus de la nano-photonique peuvent être employés afin de contrôler la lumière à l'échelle des longueurs d'onde mises en jeu. Dans ce contexte, nous proposons de structurer la couche active des cellules solaires en cristal photonique (CP) absorbant. Cette nano-structure périodique assure simultanément une collection efficace de la lumière aux faibles longueurs d'onde et un piégeage des photons dans la couche active (ici en silicium amorphe hydrogéné) pour les longueurs d'onde situées près de la bande interdite du matériau absorbant. Dans le cadre de cette étude, des simulations optiques ont été utilisées de manière à optimiser les paramètres du CP, engendrant ainsi une augmentation de l'absorption de plus de 27% dans la couche active sur l'ensemble du spectre utile, et à établir des règles de design en vue de la fabrication des cellules structurées. Les principes physiques régissant leurs propriétés optiques ont été identifiés à partir d'une description analytique du système. Des mesures optiques, réalisées sur les échantillons structurés, ont conforté les résultats de simulation et mis en évidence la robustesse de l'absorption de la cellule à l'égard de l'angle d'incidence de la lumière et des imperfections technologiques. Des simulations opto-électriques complémentaires ont démontré qu'une augmentation du rendement de conversion est réalisable, à condition d'introduire une étape de passivation de surface appropriée dans le procédé de fabrication de ces cellules.

Récemment, beaucoup d’efforts ont été investis afin de développer des modulateurs sur silicium pour les télécommunications optiques et leurs domaines d’applications. Ces modulateurs sont utiles pour les centres de données à courte portée et à haut débit. Ainsi, ce travail porte sur la caractérisation de deux types de modulateurs à réseau de Bragg intégré sur silicium comportant une jonction PN entrelacée dont le but est de réaliser une modulation de la longueur d’onde de Bragg par le biais de l’application d’un tension de polarisation inverse réalisant une déplétion des porteurs au sein du guide d’onde. Pour le premier modulateur à réseau de Bragg, la période de la jonction PN est différente de celle du réseau de Bragg tandis que le deuxième modulateur à réseau de Bragg a la période de sa jonction PN en accord avec celle du réseau de Bragg. Ces différences apporteront un comportement différent du modulateur impliquant donc une transmission de données de qualité différente et c’est ce que nous cherchons à caractériser. L’avantage de ce modulateur à réseau de Bragg est qu’il est relativement simple à designer et possède un réseau de Bragg uniforme dont on connaît déjà très bien les caractéristiques. La première étape dans la caractérisation de ces modulateurs fut de réaliser des mesures optiques, uniquement, afin de constater la réponse spectrale en réflexion et en transmission. Par la suite, nous sommes passé par l’approche usuelle, c’est à dire en réalisant des mesures DC sur les modulateurs. Ce mémoire montre également les résultats pratiques sur le comportement des électrodes et de la jonction PN. Mais il rend compte également des résultats de la transmission de données de ces modulateurs par l’utilisation d’une modulation OOK et PAM-4 et permet de mettre en évidence les différences en terme d’efficacité de modulation de ces deux modulateurs. Nous discutons alors de la pertinence de ce choix de design par rapport à ce que l’on peut trouver actuellement dans la littérature.
Recently, much effort has been invested to develop silicon modulators for optical telecommunications and their application areas. These modulators are useful for data centers and short-range high capacity links. Thus, this work focuses on the characterization of two types of integrated Bragg grating modulators on silicon waveguide and having an interleaved PN junction whose goal is to achieve a modulation of the Bragg wavelength through the application of an reverse bias voltage creating a carrier depleted region in the waveguide. For the first integrated Bragg grating modulator, the period of the PN junction is not matched to the Bragg grating period while the second integrated Bragg grating modulator has the PN junction matched to the Bragg grating period. This difference brings a different behaviour of the modulator thus resulting in a different quality of data that we seek to characterize. The advantage of this Bragg grating modulator is that it is relatively simple to design and has a uniform Bragg grating which has well known characteristics. The first step in the characterization of these modulators was making optical measurements, only to see the spectral response in reflection and transmission. Afterwards, we went through the usual approach, i.e by making DC measurements on the modulators. This thesis shows the practical results on the behaviour of the electrodes and the PN junction. And it also reports the results of the data transmission of these modulators by using an OOK modulation and PAM-4 modulation highlighting the differences in terms of modulation efficiency of these two modulators. We then discuss the relevance of this design choice compared to what we can currently find in the literature.

Conception et réalisation de cristaux photoniques et de réseaux de diffraction pour les cellules photovoltaïques silicium en couches ultra-minces Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques (CP) et des réseaux de diffraction. L'objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d'augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2D dans la couche active de silicium, l'absorption intégrée sur l'ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l'influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l'IMEC, en Belgique. Les mesures d'absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l'absorption intégrée est peu sensible à l'angle d'incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d'environ 15mA/cm², soit 20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L'absorption aux grandes longueurs d'onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu'à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction.

Le carbure de silicium est aujourd'hui commercialement disponible sous forme de larges substrats (lOcm de diamètre), ou de composants électroniques de plus en plus puissants. Néanmoins, les performances des dispositifs électroniques sont limitées par la présence de défauts. Ce travail de thèse consiste ainsi d'une part à étudier les défauts présents dans les substrats et épitaxies dans le but de mettre en évidence les facteurs et paramètres à l'origine de la modification des propriétés structurales et électroniques de ces échantillons. D'autre part, les connaissances acquises sont réinvesties dans la caractérisation de composants électroniques polarisés (diodes PiN à base de SiC et jonctions PN en diamant). Les apports et les limites des techniques de caractérisation utilisées, spectroscopie et imagerie Raman, photoluminescence, ainsi que photoémission et microscopie optique en lumière polarisée, auxquelles est couplée la spectroscopie Raman, sont par ailleurs mis en évidence
To date, lOO-mm silicon carbide substrates as weil as high power electronic devices are commercially available. Deviees performance is however limited by defects. This PhD thesis focuses on the study of defects in substrates and epitaxiallayers, as weil as their characterization in electronic devices. Defects located in substrates and epitaxiallayers are investigated by Raman spectroscopy and Raman imaging, photoluminescence and optical microscopy in order ta evidence critical parameters responsible for the modification of structural and electronic properties. The acquired knowledge is re-used for the study of defects in biased SiC PiN diodes, as weil as in diamond PN junctions. Coupling between Raman spectroscopy and photoemission reveals an efficient combination. The contributions and limitations of the characterization techniques used in this work, including Raman spectroscopy and imaging, photoluminescence as weil as photoemission and polarized optical microscopy, are specified

La technologie silice-sur-silicium est fréquemment employée pour la réalisation de composants passifs dans le domaine de l'optique intégrée. Lors de leur fabrication, des rugosités peuvent apparaître sur les surfaces des guides d'onde qu'ils contiennent, dégradant par la suite leurs performances. La première partie de ce travail doctoral s'attache par conséquent à définir les paramètres caractérisant les rugosités, à recenser les différents moyens expérimentaux existants pour évaluer ces rugosités, et à préciser la problématique particulière induite par les guides d'onde de silice-sur-silicium. La deuxième partie du manuscrit présente deux méthodes d'évaluation des rugosités des côtés des guides d'onde développées au cours de ce travail doctoral, toutes deux basées sur l'utilisation d'un microscope électronique à balayage. La première technique s'appuie sur l'enregistrement d'une paire d'images dans des conditions stéréoscopiques pour extraire la topographie de la surface inspectée par comparaison des deux images. La deuxième technique utilise un algorithme dit de " shape-from-shading " pour calculer la topographie à partir d'une seule image. La dernière partie de ce travail doctoral traite de l'influence des rugosités surfaciques sur la diffusion angulaire de la lumière laser pour des échantillons silice-sur-silicium. Il y est étudié expérimentalement comment l'épaisseur, la rugosité, et les variations d'épaisseurs de la couche de silice modifient le diagramme de diffusion résolu angulairement. En retour, on s'intéresse à l'information qui peut être extraite de ces mesures pour caractériser les échantillons évalués. En prolongement à ce travail, une étude de la corrélation des figures de speckle obtenues pour différents angles d'incidence et d'observation est finalement présentée
Silica-on-silicon technology is widely used for the realization of passiv components in integrated optics. Surface roughness may appear on their waveguides during their fabrication, thereafter negatively impacting their performances. The first part of this doctoral work is consequently aimed at defining the parameters characterizing roughness, reviewing the different existing experimental means for roughness evaluation, and detailling the particular case involved by silica-on-silicon waveguides. Two methods developped in this doctoral work for the evaluation of waveguide sidewall surface roughness are presented in the second part of this manuscript, both based on using a Scanning Electron Microscope. The first technique relies on the recording of a stereoscopic image pair to extract the topography of the inspected surface by comparing the two images. The second technique makes use of a “shape-from-shading” algorithm to compute topography from a single image. The last part of this doctoral work deals with the influence of surface roughness on angular laser light scattering for silica-on-silicon samples. It is experimentally investigated how sample's thickness, roughness, and silica layer's thickness variations can impact angle-resolved light scattering distributions. A reverse analysis indicates the information one may retrieve from these measurements to characterize the assessed samples. Finally, a further investigation is dedicated to speckle pattern correlation for various illumination and scattering angles

L'intégration monolithique de GaAs sur Si permettrait la réalisation de sources de lumière sur Si pour des applications notamment dans les interconnexions optiques ou les cellules solaires à haut rendement et faible coût. Toutefois, les différences intrinsèques entre les deux matériaux conduisent à l'apparition de défauts dans la couche de GaAs (dislocations, fissures, parois d'inversion). Nous démontrons que l'utilisation de pseudo-substrats, constitués d'une couche tampon de Ge sur un substrat de Si, combinée à l'insertion d'un super-réseau par épitaxie par couche atomique (ALE) en début de croissance permet d'obtenir du GaAs avec de bonnes propriétés optiques. Des dispositifs émetteurs de lumière (DEL, laser, diode à émission par la surface) à base de puits et de boîtes quantiques ont été réalisés. Leurs caractéristiques ont été étudiées et comparées à des structures de référence sur substrat de GaAs pur.

Le but de ce travail est de développer un processus d’élaboration de boîtes quantiques (QD) de silicium-germanium (SiGe) avec des compositions allant du Si au Ge pur, et permettant d’obtenir des QD semi-conductrices et de tailles suffisamment petites pour l’obtention de confinement quantique. Pour cela, nous avons utilisé une combinaison de différentes techniques : l’épitaxie par jets moléculaires, la lithographie ionique par faisceau d’ions focalisés (FIBL) et le démouillage solide hétérogène. Dans ce contexte, la finalité de cette recherche est d’une part de développer un FIB qui puisse être couplé à un bâti d’épitaxie par jets moléculaires sous ultra-vide et d’autre part de valider le FIB avec deux applications : des nanogravures pour l’auto-organisation des QD et des nano-implantations de Si et de Ge pour la création de défauts locaux émetteurs de lumière. Nous avons utilisé la FIBL avec des sources d’ions d’alliage métallique liquide (LMAIS) filtrées en énergie utilisant des ions non polluants (Si et Ge) dans des substrats issus de la microélectronique tels que des substrats de SiGe sur silicium-sur-isolant (SGOI). Les nano-gravures doivent être totalement dénuées de pollution et aux caractéristiques variables et parfaitement contrôlées (taille, densité, profondeur). La morphologie des nano-gravures obtenues est ensuite caractérisée in-situ par microscopie électronique à balayage (SEM), et la profondeur est déterminée par des caractérisations ex-situ par microscopie de force atomique (AFM). Les nano-gravures réalisées par FIBL ont été comparées d’une part aux gravures plasmas avec He et Ne et d’autre part aux gravures obtenues par lithographie électronique (EBL)
The goal of this work is to develop a process for the elaboration of silicon-germanium (SiGe) quantum dots (QDs) with compositions ranging from Si to pure Ge, and allowing to obtain semiconducting QDs with sufficiently small sizes to obtain quantum confinement. For this purpose, we have used a combination of different techniques: molecular beam epitaxy, focused ion beam lithography (FIBL) and heterogeneous solid state dewetting. In this context, the aim of this research is on the one hand to develop a new FIB that can be coupled to the ultra-high vacuum molecular beam epitaxy growth chamber, and on the other hand to realize two applications: (i) nanopatterns for the self-organisation of Si and Ge QDs and (ii) nano-implantations of Si and Ge. We used FIBL with energy-filtered liquid metal alloy ion sources (LMAIS) using non-polluting ions (Si and Ge) for the milling of conventional microelectronic substrates such as SiGe on silicon-on-insulator (SGOI). The nanopatterns must be totally free of pollution and with variable and perfectly controlled characteristics (size, density, depth). The morphology of the nanopatterns is then characterized in-situ by scanning electron microscopy (SEM), and the depth is determined ex-situ by atomic force microscopy (AFM). The nanopatterns made by FIBL were compared on the one hand to plasma etchings with He and Ne and on the other hand to the etchings obtained by electronic lithography (EBL). Nanoimplantations of Si and Ge ions were realised in diamond and in ultra-thin SGOI for the fabrication of local defects

Les communications optiques basées sur la photonique sur silicium (SiP) sont au centre des récents efforts de recherche pour le développement des futures technologies de réseaux optiques à haut débit. Dans cette thèse, nous étudions le traitement numérique du signal (DSP) pour pallier aux limites physiques des modulateurs Mach-Zehnder sur silicium (MZM) opérés à haut débit et exploitant des formats de modulation avancés utilisant la détection cohérente. Dans le premier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode de précompensation adaptative appelée contrôle d’apprentissage itératif par gain (G-ILC, aussi utilisé en linéarisation d’amplificateurs RF) permettant de compenser les distorsions non-linéaires. L’adaptation de la méthode G-ILC et la précompensation numérique linéaire sont accomplies par une procédure « hardware-in-the-loop » en quasi-temps réel. Nous examinons différents ordres de modulation d’amplitude en quadrature (QAM) de 16QAM à 256QAM avec des taux de symboles de 20 à 60 Gbaud. De plus, nous combinons les précompensations numériques et optiques pour contrevenir surmonter les limitations de bande-passante du système en régime de transmission haut débit. Dans le second chapitre, inspiré par les faibles taux de symbole du G-ILC, nous augmentons la vitesse de transmission au-delà de la limite de bande-passante du système SiP. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement un record de 100 Gbaud par 16QAM et 32QAM en transmission consécutive avec polarisation mixte. L’optimisation est réalisée sur le point d’opération du MZM et sur la DSP. Les performances du G-ILC sont améliorées par égalisation linéaire à entrées/sorties multiples (MIMO). Nous combinons aussi notre précompensation non-linéaire innovante avec une post-compensation. Par émulation de la polarisation mixte, nous réalisons un taux net de 833 Gb/s avec 32QAM au seuil de correction d’erreur (FEC) pour une expansion en largeur de bande de 20% et 747 Gb/s avec 16QAM (une expansion en largeur de bande de 7% du FEC). Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement un algorithme de précompensation numérique basé sur une table de consultation (LUT) unidimensionnelle pour compenser les non-linéarités introduites à l’émetteur, e.g. réponse en fréquence non-linéaire du MZM en silicium, conversion numérique-analogique et amplificateur RF. L’évaluation est réalisée sur un QAM d’ordre élevé, i.e. 128QAM et 256QAM. Nous examinons la diminution en complexité de la LUT et son impact sur la performance. Finalement, nous examinons la généralisation de la méthode de précompensation proposée pour des jeux de données différents des données d’apprentissage de la table de consultation.
Les communications optiques basées sur la photonique sur silicium (SiP) sont au centre des récents efforts de recherche pour le développement des futures technologies de réseaux optiques à haut débit. Dans cette thèse, nous étudions le traitement numérique du signal (DSP) pour pallier aux limites physiques des modulateurs Mach-Zehnder sur silicium (MZM) opérés à haut débit et exploitant des formats de modulation avancés utilisant la détection cohérente. Dans le premier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode de précompensation adaptative appelée contrôle d’apprentissage itératif par gain (G-ILC, aussi utilisé en linéarisation d’amplificateurs RF) permettant de compenser les distorsions non-linéaires. L’adaptation de la méthode G-ILC et la précompensation numérique linéaire sont accomplies par une procédure « hardware-in-the-loop » en quasi-temps réel. Nous examinons différents ordres de modulation d’amplitude en quadrature (QAM) de 16QAM à 256QAM avec des taux de symboles de 20 à 60 Gbaud. De plus, nous combinons les précompensations numériques et optiques pour contrevenir surmonter les limitations de bande-passante du système en régime de transmission haut débit. Dans le second chapitre, inspiré par les faibles taux de symbole du G-ILC, nous augmentons la vitesse de transmission au-delà de la limite de bande-passante du système SiP. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement un record de 100 Gbaud par 16QAM et 32QAM en transmission consécutive avec polarisation mixte. L’optimisation est réalisée sur le point d’opération du MZM et sur la DSP. Les performances du G-ILC sont améliorées par égalisation linéaire à entrées/sorties multiples (MIMO). Nous combinons aussi notre précompensation non-linéaire innovante avec une post-compensation. Par émulation de la polarisation mixte, nous réalisons un taux net de 833 Gb/s avec 32QAM au seuil de correction d’erreur (FEC) pour une expansion en largeur de bande de 20% et 747 Gb/s avec 16QAM (une expansion en largeur de bande de 7% du FEC). Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement un algorithme de précompensation numérique basé sur une table de consultation (LUT) unidimensionnelle pour compenser les non-linéarités introduites à l’émetteur, e.g. réponse en fréquence non-linéaire du MZM en silicium, conversion numérique-analogique et amplificateur RF. L’évaluation est réalisée sur un QAM d’ordre élevé, i.e. 128QAM et 256QAM. Nous examinons la diminution en complexité de la LUT et son impact sur la performance. Finalement, nous examinons la généralisation de la méthode de précompensation proposée pour des jeux de données différents des données d’apprentissage de la table de consultation.
Optical communications based on silicon photonics (SiP) have become a focus of the recent research for future high speed optical network technologies. In this thesis, we investigate digital signal processing (DSP) approaches to combat the physical limits of SiP Mach-Zehnder modulators (MZM) driven at high baud rates and exploiting advanced modulation formats with coherent detection. In the first section, we present a novel adaptive pre-compensation method known as gain based iterative learning control (G-ILC, previously used in RF amplifier linearization) to overcome nonlinear distortions. We experimentally evaluate the G-ILC technique. Adaptation of the G-ILC, in combination with linear digital pre-compensation, is accomplished with a quasireal- time hardware-in-the-loop procedure. We examine various orders of quadrature amplitude modulation (QAM), i.e., 16QAM to 256QAM, and symbol rates, i.e., 20 to 60 Gbaud. Furthermore, we exploit joint digital and optical linear pre-compensation to overcome the bandwidth limitation of the system in the higher baud rate regime. In the second section, inspired by lower symbol rate G-ILC results, we push the baud rate beyond the bandwidth limit of the SiP system. For the first time, we experimentally report record-breaking 16QAM and 32QAM at 100 Gbaud in dual polarization back-to-back transmission. The optimization is performed on both MZM operating point and DSP. The G-ILC performance is improved by employing linear multiple input multiple output (MIMO) equalization during the adaptation. We combine our innovative nonlinear pre-compensation with post-compensation as well. Via dual polarization emulation, we achieve a net rate of 833 Gb/s with 32QAM at the forward error correction (FEC) threshold for 20% overhead and 747 Gb/s with 16QAM (7% FEC overhead). In the third section, we experimentally present a digital pre-compensation algorithm based on a one-dimensional lookup table (LUT) to compensate the nonlinearity introduced at the transmitter, e.g., nonlinear frequency response of the SiP MZM, digital to analog converter and RF amplifier. The evaluation is performed on higher order QAM, i.e., 128QAM and 256QAM. We examine reduction of LUT complexity and its impact on performance. Finally, we examine the generalization of the proposed pre-compensation method to data sets other than the original training set for the LUT.
Optical communications based on silicon photonics (SiP) have become a focus of the recent research for future high speed optical network technologies. In this thesis, we investigate digital signal processing (DSP) approaches to combat the physical limits of SiP Mach-Zehnder modulators (MZM) driven at high baud rates and exploiting advanced modulation formats with coherent detection. In the first section, we present a novel adaptive pre-compensation method known as gain based iterative learning control (G-ILC, previously used in RF amplifier linearization) to overcome nonlinear distortions. We experimentally evaluate the G-ILC technique. Adaptation of the G-ILC, in combination with linear digital pre-compensation, is accomplished with a quasireal- time hardware-in-the-loop procedure. We examine various orders of quadrature amplitude modulation (QAM), i.e., 16QAM to 256QAM, and symbol rates, i.e., 20 to 60 Gbaud. Furthermore, we exploit joint digital and optical linear pre-compensation to overcome the bandwidth limitation of the system in the higher baud rate regime. In the second section, inspired by lower symbol rate G-ILC results, we push the baud rate beyond the bandwidth limit of the SiP system. For the first time, we experimentally report record-breaking 16QAM and 32QAM at 100 Gbaud in dual polarization back-to-back transmission. The optimization is performed on both MZM operating point and DSP. The G-ILC performance is improved by employing linear multiple input multiple output (MIMO) equalization during the adaptation. We combine our innovative nonlinear pre-compensation with post-compensation as well. Via dual polarization emulation, we achieve a net rate of 833 Gb/s with 32QAM at the forward error correction (FEC) threshold for 20% overhead and 747 Gb/s with 16QAM (7% FEC overhead). In the third section, we experimentally present a digital pre-compensation algorithm based on a one-dimensional lookup table (LUT) to compensate the nonlinearity introduced at the transmitter, e.g., nonlinear frequency response of the SiP MZM, digital to analog converter and RF amplifier. The evaluation is performed on higher order QAM, i.e., 128QAM and 256QAM. We examine reduction of LUT complexity and its impact on performance. Finally, we examine the generalization of the proposed pre-compensation method to data sets other than the original training set for the LUT.

Les potentialités des structures phototransistors bipolaires à hétérojonction SiGe contraint sur Silicium pour les applications opto-microondes sont explorées par la simulation physique. Un modèle hydrodynamique dérive-diffusion couplé à un modèle d'absorption optique est exploité. Le jeu complet de modèles de paramètres du SiGe/Si est mis en place. Les variations de la largeur de bande interdite sont notamment synthétisées, des expressions de densités effectives d'états rigoureuses sont développées et le coefficient d'absorption optique est extrait de données de mesures à 90K. Un modèle à un phonon dit de MacFarlane est exploité. Une méthode d'extraction originale est proposée qui fournit des lois de variations en fonction de la longueur d'onde optique incidente, de la température et de la fraction de Ge. La définition d'outils fondamentaux pour l'étude rigoureuse opto-microonde des phototransistors est ensuite apportée : Le signal microonde porté par le signal optique est modélisé au travers d'une représentation en courant de la puissance optique. L'intérêt de cette représentation est décrit et argumenté. Les paramètres de sensibilités et de gain optique sont généralisés afin de tenir compte du comportement triporte du dispositif. Un gain de puissance opto-microonde est enfin défini de manière fondamentale, ainsi que des paramètres S opto-microondes. La définition de fréquences maximales de fonctionnement est proposée et l'optimisation des impédances terminales de différents phototransistors est présentée à partir d'une expérience antérieure sur des HPT InP/InGaAs. Le dernier chapitre analyse par simulation, à l'aide des précédents outils, les prototypes de HPT SiGe/Si réalisés. Par ce biais, les mécanismes internes de détection et d'amplification sont détaillés, et les performances opto-microondes potentielles développées. Un banc de mesure à lγm est enfin proposé
Potentialities of SiGe/Si heterojunction bipolar phototransistors are explored through physical simulations. A drift-diffusion hydrodynamic model coupled to an optical absorption model is used. The full set of the models of the SiGe/Si parameters is set up. The band gap energy variations models are reviewed. Simple and accurate effective densities of states equations are developed and the optical absorption coefficient model is extracted from 90K measurement's data. A MacFarlane average phonon model is used and an original extraction procedure is described that gives optical wavelength, temperature and Ge composition dependent variation's laws. Novel fundamental and general tools are then defined to properly describe the opto-microwave behaviour of phototransistors : The optical carried microwave signal is treated through the optical power which is modelled through an equivalent current source. Worth of this representation is described and argued. Responsivities and optical gain are generalised in order to take into account the three-port behaviour of the device. An opto-microwave power gain is defined, as well as opto-microwave S parameters. A maximum working frequency definition is proposed. Optimisation of terminal loads of different InP/InGaAs HPTs is presented. Some SiGe/Si HPT prototypes are produced and then analysed through the use of so-built study tools. Along this way, the understanding of the internal mechanisms is improved and potential opto-microwave performance are described. A lγm optical measurement bench is then proposed

La photonique silicium est un domaine de recherche en pleine expansion depuis quelques années. Elle est envisagée comme une solution prometteuse pour le remplacement des interconnexions électriques par des liens optiques. A terme, l’intégration de l’optique et de l’électronique sur les mêmes puces doit permettre une augmentation des performances des circuits intégrés, et ainsi proposer des composants à hautes performances et à bas coût. Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur l’étude de la modulation optique autour de la bande interdite directe et à température ambiante des structures à puits quantiques Ge/SiGe, par effet Stark confiné quantiquement (ESCQ). Des simulations électriques et optiques ont été menées pour concevoir un modulateur fonctionnant à la longueur d’onde de 1.3μm. La fabrication et la caractérisation de ce dispositif a permis de démontrer une modulation efficace autour de 1.3μm avec des taux de modulation atteignant 6 dB avec un dispositif de 50 µm de long. Le second objectif de mon travail a été de concevoir un modulateur intégré sur une plateforme SOI, bénéficiant de structures passives performantes et compactes. La démonstration de l’ESCQ sur une structure à puits quantique Ge/SiGe épitaxiée sur un substrat homogène de 360 nm a ouvert la voie à cette intégration. Des simulations ont été menées pour démontrer la possibilité de réaliser un couplage vertical évanescent entre un guide optique SOI et la structure Ge/SiGe, et pour évaluer les performances de ce dispositif. Un procédé technologique de fabrication a ensuite été défini et toutes les étapes ont été optimisées pour la réalisation du modulateur intégré avec les guides d’onde. Principalement six étapes de lithographies électroniques, et quatre étapes de gravure sont nécessaires. Les résultats préliminaires obtenus avec ces dispositifs sont présentés. Les perspectives de ce travail de thèse concernent la réalisation de circuits intégrés photoniques complexes, intégrant modulateurs, photodétecteurs et structures passives sur le même circuit
Silicon photonics has generated a great interest for several years, for applications from long-haul optical telecommunication to intra-chip interconnects. The ultimate integration of optics and electronics on the same chip would allow an increase of the integrated circuit performances at low cost. In this context, the work done during my Ph.D is focused on the study of optical modulation around the direct bandgap of Ge/SiGe quantum well structures, at room temperature, by Quantum Confined Stark effect (QCSE). Electrical and optical simulations have been used to design a modulator operating at 1.3μm. Such device has been fabricated and characterized, demonstrating an extinction ratio up to 6 dB using a 50 µm-long structure. The second objective of my work was to design and demonstrate a modulator integrated on SOI waveguide. The demonstration of an efficient QCSE in Ge/SiGe quantum wells grown on the top of a 360nm homogeneous virtual substrate has paved the way for such integration. Simulations were conducted to demonstrate the feasibility of an evanescent vertical coupling between an SOI optical waveguide and a Ge/SiGe active region and to evaluate the performance of this device. A technological process has then been proposed to fabricate the devices. All steps have been optimized for the fabrication of the modulator integrated with the waveguides. Mainly six electronic beam lithography and four etching steps were used. Preliminary experimental results obtained with such component are presented. This work paves the way to the demonstration of complex photonic integrated circuits, including modulators, photodetectors and passive structures on the same chip

Suite au développement remarquable d'Internet, il est attendu que le trafic numérique augmente de manière exponentielle, ainsi que la nécessité d'utiliser des liens de communication très hauts débits. Pour adresser ces problématiques, il est donc essentiel de proposer des systèmes performants avec une consommation énergétique réduite. La photonique sur silicium est une solution prometteuse qui répond à ce besoin en intégrant des fonctionnalités optiques dans un circuit intégré utilisant les procédés de fabrication de pointe de la microélectronique. Dans ce contexte le sujet de thèse porte sur le modulateur optique. Celui-ci doit supporter des hauts débits de transmission, avoir de faibles pertes optiques, et être peu énergivore. Pour respecter ces objectifs, plusieurs paramètres doivent être optimisés en tenant compte des contraintes de fabrications, afin de trouver le meilleur compromis entre ces différents facteurs de mérite. Durant cette thèse, la recherche de l'obtention de meilleures performances du composant a été faite de trois manières. La première approche a été d'améliorer les simulations de la technologie existante de modulateurs à jonction PN. En intégrant les étapes de fabrication dans le processus d'optimisation des performances du composant, les résultats numériques sont plus réalistes. Le point clé de cette étude est la comparaison entre les caractérisations et les simulations de deux architectures différentes de modulateur obtenues dans les mêmes conditions de fabrication. Une partie importante de la thèse a aussi été consacrée au développement de nouveaux modulateurs basés sur l'utilisation d'une capacité verticale intégrée au milieu d'un guide d'onde. Des outils numériques dédiés ont permis de dimensionner deux nouvelles architectures de modulateurs possédant une grande efficacité. Un nouveau procédé de fabrication a été mis en place, et les premiers lots d'étude nous ont permis d'extraire des informations utiles pour la fabrication de ces composants. Enfin, une étude comparative générale entre trois des modulateurs étudiés au cours de cette thèse a été faite. Les résultats permettent de déterminer la configuration optimale pour chaque type de modulateur en fonction de l'application visée. De plus, l'ensemble des données nous a permis de générer un modèle compact pour optimiser rapidement le composant en un temps de simulation réduit
With the outstanding development of the internet, it is expected that global network traffic will grow exponentially, as well as the concern about the need for high-speed links and interconnections. To address these issues, it is then essential to propose performant systems that will support high speed transmission with low power consumption. Silicon photonics is a promising solution and integrate complex optical functions in a silicon chip, by using standard fabrication process used in microelectronic. In this context, the subject of my PhD is focused on the optical modulator which should support high speed transmission, have low optical losses, and have low power consumption. To obtain these constraints, several parameters need to be optimized while taking account fabrication constraints in order to find the best compromise between the different figures of merit. During this PhD, the improvement of the performances of the component was made by three different ways. The first optimization is related to the simulations for the current technology of modulators based on PN junctions. By integrating the fabrication process in the optimization process, more reliable numerical results are obtain. The key point of this study is the comparison of experimental characterizations and numerical simulations of two architectures of modulator. A substantial part of the PhD was also focused on the development of new modulators based on vertical capacitive junctions. The use of dedicated numerical tools reveals several key aspects of these components, and allow us to optimize two different architectures in order to obtain high efficient modulator. A new fabrication process has been established, and several information were extracted from the first run of fabrication. Then, a comparative study between most of modulators reviewed during this PhD was performed. The results allow us to determine which configuration has the best performances depending of the targeted application. In addition, a compact model was generated to optimize the component in a reduced simulation time

Dans les cellules solaires en couches minces de silicium, il est important de maximiser l'efficacité d'absorption, notamment afin d'atteindre une densité de courant de court-circuit (Jsc) suffisante. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé des stratégies de piégeage de la lumière à base de cristaux photoniques (CP) simplement périodiques et des structures plus complexes, pseudo-désordonnées. Ce travail vise à intégrer de telles structures dans des cellules solaires en couches minces de silicium cristallin (c-Si). Tout d'abord, un CP à maille carrée de trous cylindriques ou de nano-pyramides inversées ont été intégrés dans cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si en couches minces. L'absorption dans la seule couche absorbante (c-Si) est optimisée grâce à des simulations numériques utilisant la méthode de différences finies dans le domaine temporel. Le Jsc est augmenté de 56,4% (trous cylindriques) et 104,8% (nanopyramides inversées) par rapport au cas sans motif. Nous avons également examiné des structures plus élaborées, où plus un CP de trous cylindriques est introduit en face arrière. Deuxièmement, nous avons considéré des nanostructures complexes mais réalistes pseudo-désordonné, sur la base de supercellules périodiquement reproduites où les trous sont placés au hasard. Dans de telles structures l'absorption peut être augmentée par rapport à un réseau carré de trous optimisé, par augmentation de la densité spectrale de modes optiques. La simulation basée sur l'analyse rigoureuse couplée et la fabrication par lithographie par faisceau électronique et les technologies de gravure ionique réactive ont été effectués, conduisant à une augmentation de l'absorption nette d'environ 2,1% en théorie, et de 2,7% expérimentalement. Enfin, nous avons mis en place des structures pseudo-désordonnées avec supercellules de tailles différentes, dans les couches c-Si de plusieurs épaisseurs dans la gamme 1-8μm. Les mécanismes d'absorption dans ces structures ont été analysés, à la fois dans les espaces réel et réciproque, en vue de déterminer des critères de conception. En outre, la réponse angulaire de la structure pseudo-désordonnée optimisée est plus stable que celle du réseau carré optimisé, en particulier dans les grandes longueurs d'onde
In thin film silicon solar cells, it is important to take control of the absorption efficiency, in order to reach a high enough short-circuit current density (Jsc). To reach this goal, we have developed light trapping strategies based on simply periodic photonic crystals (PC) and more complex pattern structures. This work aims at integrating such structures into thin film crystalline silicon (c-Si) solar cells. Firstly, a simply periodic square lattice PC structure of cylindrical holes or inverted nano-pyramids have been considered in a-Si:H/c-Si heterojunction thin film solar cells. The absorption in the sole absorbing layer (c-Si) is considered and optimized in numerical simulations based on the Finite Difference Time Domain method. The Jsc are increased by 56.4% (cylindrical holes) and 104.8% (inverted nano-pyramids) compared to the unpatterned case. We also considered more advanced structures where an additional cylindrical holes structure is introduced in the bottom. Secondly, we have considered complex but realistic “pseudo-disordered” nanostructures, based on periodically reproduced supercells where the holes are randomly shifted. In such structures the absorption could be increased compared with fully optimized square lattice of holes, by increasing the spectral density of optical modes. Simulation based on Rigorous Coupled Wave Analysis and fabrication by electronic beam lithography and reactive ion etching technologies have been performed, leading to a net absorption increase of about 2.1% theoretically, and 2.7% experimentally. Lastly, we have introduced pseudo-disordered structures with supercells of different size, in c-Si layers of several thicknesses in the 1-8μm range. The absorption mechanisms in such structures were analyzed, both in the real and reciprocal spaces, with a view to determine design guidelines. Moreover, the angular response of the optimized pseudo-disordered structure appears to be more stable than in the optimized square lattice of holes periodic case, especially in the long wavelength range

Un nouveau type de capteur de lumière appelé FDPix, composé d'un transistor (1T) par pixel, est étudié. Il consiste à co-intégrer un transistor FDSOI (silicium sur isolant entièrement déserté) avec une photodiode pour permettre la détection de la lumière par polarisation arrière optique. Les charges photogénérées dans la diode induisent un décalage de tension de seuil (VT) sous illumination, appelé LIVS. Le LIVS est dû au couplage capacitif entre les grilles avant et arrière du transistor FDSOI et représente la métrique de performance clé à extraire et à optimiser. Dans ce travail, le comportement du dispositif en régimes continu et transitoire a été étudié et modélisé de manière approfondie. Bien qu’ils ne se limitent pas à ce nœud, tous les dispositifs testés ont été fabriqués en technologie FDSOI 28nm. Au moyen de simulations TCAD et de caractérisations électro-optiques, les paramètres du dispositif, tels que le facteur de couplage (BF) et le profil de la jonction, ont été optimisés pour améliorer ses performances. Il a été constaté que le FDPix est en fait un capteur à double réponse. Il présente une réponse linéaire aux intensités lumineuses faible qui se traduit par une sensibilité élevée, ainsi qu'une réponse logarithmique aux intensités élevées assurant une grande plage dynamique (DR) supérieure à 120 dB. Un modèle dédié a été développé et implémenté en environnement SPICE pour la conception de circuits. Ainsi, des nouveaux pixels, analogiques et numériques, ont été conçus, fabriqués et testés. Les résultats obtenus et présentés dans ce travail montrent le réel potentiel d’implémentation du FDPix dans des capteurs de lumière intelligents, ultra compacts, et de faible consommation, destinés aux applications More-than-Moore
A new type of light sensor called FDPix, composed of one transistor (1T) per pixel is investigated. It consists in co-integrating an FDSOI (Fully-Depleted Silicon-On-Insulator) transistor with a photodiode to enable light sensing through optical back biasing. The absorption of photons and resulting photogenerated charges in the diode will result in a Light Induced VT Shift (LIVS). The LIVS is due to a capacitive coupling between the front and back gate of the FDSOI transistor and represents the key performance metric to be extracted and optimized. In this work, the device behavior in dc and transient domains was thoroughly investigated and modeled. Although not limited to this node, all the devices tested were fabricated using 28nm node FDSOI technology. By means of TCAD simulations and opto-electrical characterization, the device parameters such as Body Factor (BF) and junction profile were optimized to improve its performance. It was found that the FDPix is in fact a dual response sensor. It exhibits a linear response at low light intensity which results in high sensitivity, and a logarithmic response at higher intensities that ensures a high dynamic range (DR) of more than 120dB. The dedicated developed model is implemented in SPICE environment for circuit design. New pixel circuit in analog and digital domain, based on the FDPix were designed, fabricated, and tested. The results obtained and presented in this work, shows the potential of using the FDPix sensor for smart, highly embedded, low power image sensors for More-than-Moore applications

La viabilité de la filière silicium pour la conversion photovoltaïque n’est plus à démontrée, notamment au regard du nombre croissant d’industries de cellules solaires qui s’implantent dans les pays développés. Le développement de nouvelles structures ou dispositifs optiques afin d’améliorer le piégeage de la lumière au sein des cellules solaires est un véritable défi. Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle génération de capteurs solaires performants en s’appuyant sur l’association d’une nanostructuration de la surface, d’un réseau de nano-objets métalliques et de terres rares au sein d’une matrice vitreuse. Dans un premier temps, nous avons optimisé deux formes de textures à la surface du silicium qui ont augmenté l’absorption de 15 % pour les formes à nanopiliers et de 28 % pour les nanocônes. La gravure du silicium engendre l’apparition de défauts sur la surface. Nous avons travaillé sur trois approches de passivation pour limiter les phénomènes de recombinaison avec les matériaux Al2O3 et SiNx. La deuxième étape de ces travaux a porté sur l’étude des plasmoniques d’un réseau de nano-objets d’argent fabriqués à travers des microsphères de silice auto-assemblées déposées par la technique Langmuir-Blodgett. Leur intégration dans la matrice vitreuse a augmenté significativement le rendement de nos cellules solaires. Dans la dernière partie, nous avons étudié l’association de ces nano-objets métalliques avec une couche down-conversion constituée d’une matrice SiNx avec les terres rares Tb3+ et Yb3+.Cette association a montré une augmentation de l’intensité de photoluminescence d’un facteur 2,3. L’application de la couche DC seule sur nos cellules a augmenté l’efficacité d’un facteur 1,68
The viability of the silicon sector for the photovoltaic conversion is not any more in demonstrated, in particular with regard to the increasing number of industries of solar cells which become established in the developed countries. To obtain a large absorption of the light, the development of new structures or optical devices to improve the light trapping within solar cells is a real challenge. The works of this thesis concern a new generation of solar cells on the association of a network of metallic nano-objects and rare earth within a SiNx matrix. At first, we optimized two forms of textures on the surface of the silicon which increased the absorption in 15 % for the forms with nanopillars and 28 % for nanocones. The etching process of the silicon engenders the appearance of defects on the surface. We worked on three approaches of the surface passivation using thin layers of Al2O3 and SiNx materials to limit the phenomena of recombination. The second step of these works concerned the study of the plasmonics of a silver nanoparticles arrays fabricated through auto-assembled silica microspheres deposited by the Langmuir-Blodgett technique. The incorporation of silver nanoparticles in the matrix increased significantly our solar cells efficiency. In the last part, we studied the association of these metallic nano-objects with a layer down-conversion established of a matrix SiNx with rare earth Tb3+ and Yb3+. This association showed an increase of the intensity of photoluminescence of a factor 2,3. The application of the DC layer alone on our cells increased the efficiency of a factor 1,68

Le microscope à effet tunnel (STM) permet une analyse spatiale et spectroscopique de surfaces à l'échelle atomique. Mise en évidence peu après l'invention du STM, la lumière émise par la jonction tunnel contient des informations pertinentes sur les propriétés électroniques et optiques de surfaces ou de nano-objets.

La thématique dans laquelle s'inscrit cette thèse est la luminescence induite par STM sur substrat semiconducteur à large bande interdite. Les travaux ont porté sur la reconstruction de surface SiC(0001)3x3 du carbure de silicium (SiC) et s'articulent autour de trois parties.

La première partie est consacrée à l'étude de la luminescence de la jonction tunnel métal/vide/SiC(0001)3x3. Cette étude, en parallèle à des mesures de spectroscopie tunnel, a mis en évidence les mécanismes et propriétés de transport électronique le long des états de surface du SiC.

Une deuxième partie est dédiée à l'adsorption de molécules organiques sur la surface SiC(0001)3x3. La fonctionnalisation organique du SiC est une étape indispensable pour l'étude de molécules individuelles mais aussi pour la conception de matériaux hybrides organique/inorganique. La résolution submoléculaire du STM associée à des calculs ab initio en collaboration ont dégagé un modèle de chimisorption détaillé de la phthalocyanine hydrogénée.

La dernière partie décrit des simulations numériques, basées sur le formalisme des tenseurs de Green, de la lumière émise par la jonction tunnel. Ces travaux ont permis de modéliser d'une part l'influence de la forme de la pointe du STM sur le spectre de la lumière émise, d'autre part l'inhibition de la fluorescence de molécules individuelles excitées par STM.

Cette thèse s'inscrit dans un contexte de recherche d'amélioration des propriétés d'extraction d'ions sur phase solide. Au travers de ces travaux est développée une méthodologie innovante visant à adapter la structuration, la morphologie ainsi que les fonctions d'extraction aux ions et aux milieux cibles. Pour cela, nous avons opté pour une méthode « tout-en-un » passant par l'utilisation d'organosilanes amphiphiles. Composées d'une tête condensable et d'une tête « extractante » aux extrémités d'une chaîne hydrophobe, ces molécules polyvalentes font office à la fois d'agent matriciel silicique, d'agent structurant et d'agent extractant. Par analogie avec un tensioactif, nous avons montré que l'auto-assemblage de telles molécules est gouverné par des paramètres liés notamment à la taille de la partie hydrophile de la molécule. En utilisant différents agents de courbure, il est possible de jouer sur la taille du couple agent de courbure/fonction extractante. La courbure à l'interface entre le milieu et l'agrégat est donc ajustable, ce qui conduit à différents types d'agrégation. Par cette méthode, des bicouches, des vésicules et des micelles directes cylindriques ont été obtenues. A l'inverse, l'ajout de précurseur de silice (TEOS) dans la préparation peut conduire au gonflement des structures et à l'inversion de l'agrégation vers des micelles inverses cylindriques. L'effet du solvant a également été étudié et a permis d'aboutir à des morphologies très diverses. Enfin, l'accessibilité des fonctions et les propriétés d'extraction des matériaux élaborés ont été évaluées au travers de modifications chimiques de la tête extractante et de tests d'extraction d'ions métalliques (Terres rares, platinoïdes …)
The aim of this study is to develop a suitable “all-in-one” approach involving amphiphilic organosilane precursors in order to prepare hybrid materials for solid phase extraction processes. Such molecules combine both condensable and functional parts around a long hydrophobic alkyl chain.Similarly to a surfactant, the amphiphilic behavior of the organosilane molecules is governed by the size of the hydrophilic extractant function. By playing with the curvature agent size, it is possible to adjust the size of the couple extractant part/curvature agent at the interface between the aggregates and the surrounding media. Therefore, the aggregation shape is tunable. This approach constitutes an efficient and original method in order to tune the nanostructure of highly functionalized silica at the early stage of the elaboration. Hybrid organic-inorganic planar objects and vesicles are obtained for smaller curvature agents. Increasing the size of the curvature agent results in a transition of the aggregation geometry from vesicles to cylindrical direct micelles, leading to highly functionalized nanofibers.Comparatively, the addition of a silica precursor as TEOS in the preparation results in the swelling of the condensable part of the amphiphilic organosilane molecules. Thereby, as a curvature agent, the addition of TEOS allows tuning the aggregation towards reverse cylindrical micelles. Solvent effects have also been evaluated, appearing as a critical morphological parameter. Macroporous materials, blackberry-like particles and elongated or spherical nanoparticles can be obtained depending on the solvent.Finally, the accessibility of the functions and the extraction properties of the materials have been studied through chemical modifications and metallic ion extraction experiments (Rare earth elements, platinoids …)

Ce travail porte sur la caractérisation optique du silicium poreux et son application à la réalisation de structures à modulation d'indice (superréseaux). Une première étude de la diffusion optique a montré l'homogénéité de ce matériau à l'échelle de la lumière, justifiant une description par un indice de réfraction moyen. Si la formation électrochimique du silicium poreux permet l'obtention de couches minces d'épaisseurs parfaitement définies, en revanche des fluctuations du front de dissolution entraînent une diffusion à l'interface silicium poreux/ silicium cristallin. Cet effet a nécessité de développer une analyse des mesures optiques dans le cas d'interfaces rugueuses. La détermination des constantes optiques a été réalisée par une mesure à basse température de la transmission par photoconduction dans le silicium cristallin et par ajustement des spectres de réflectivité des couches minces. D'une manière générale, alors que la dispersion de l'indice est assez faible, l'absorption du silicium poreux se caractérise par une dépendance exponentielle sur une grande plage en énergie. Cette étude a permis la réalisation de structures à modulation d'indice telles que des réflecteurs de Bragg, des filtres Fabry-Perot ou des microcavités luminescentes. La mise en évidence de différences entre la formation des couches simples et enterrées a compliqué la caractérisation de ces structures. La très bonne qualité optique et le fort rendement quantique intrinsèque au silicium poreux de type p ont permis d'obtenir des microcavités luminescentes très efficaces. Enfin, en combinant l'holographie et la photochimie, un nouveau type de gravure en profondeur a été développé permettant d'obtenir des structures à modulation d'indice latérale de périodicité submicronique. La photodissolution localisée du matériau a été mise en évidence après et pendant la formation de la couche poreuse et ce pour tout type de silicium poreux y compris le macroporeux.

Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Dans une première partie, nos efforts se sont portés sur les structures passives. Un banc d'optique original à été monté pour caractériser celles-ci en optique guidé sur un large plage de longueur d'onde (de 1,1 à 1,7 µm). Le guidage dans des guides à cristaux photoniques mono-rangée a été caractérisé spectralement et la transmittance de miroirs et de cavités unidimensionnelles à cristaux photoniques a été étudiée. Des modes résonnants avec des facteurs de qualité jusqu'à 150 ont été mesurés. Ces résultats sont en très bon accord avec les simulations menées par la technique FDTD (Finite Difference Time Domain) et avec les calculs de diagrammes de bandes obtenus par la méthode des ondes planes. Dans un second temps, nous avons regardé les propriétés de photoluminescence hors du plan de certaines structures à cristaux photoniques. Deux voies différentes sont explorées : le confinement des photons dans le plan à l'aide de cavités hexagonales et l'utilisation de propriétés particulières de dispersion de certains modes du cristal photonique pour extraire la lumière. Ces deux approches sont abordées parallèlement sur des substrats SOI et sur de nouveaux substrats, appelés « substrats optiques », développés spécialement pour nos applications et constitués d'un guide planaire en silicium monocristallin déposé sur un miroir diélectrique multicouche. Ainsi, l'influence du confinement dans la direction verticale est abordée. Pour les extracteurs de lumière sur substrat SOI, une efficacité d'extraction de plus de 45 % est mesurée sur une face et dans un angle solide réduit.