Dissertations / Theses: 'III-V nanostructure'

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Gallo, Pascal. "Nanostructure III-V pour l'électronique de spin." Phd thesis, INSA de Toulouse, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00134772.

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Abstract:

Parmi toutes les méthodes de confinement des porteurs dans les trois directions de l'espace, la croissance auto organisée de boîtes quantiques semble être la meilleure. La méthode de fabrication de ces nanostructures est l'épitaxie par jets moléculaires ; elle permet l'obtention de cristaux d'une grande qualité, de manière cohérente avec leur environnement. Cette technique d'auto organisation dite de Stranski Krastanov génère cependant des nanostructures de tailles diverses ; le spectre de leur luminescence s'en retrouve élargi, altérant les performances des composants à base de boîtes quantiques. Une solution consiste à localiser leur croissance en structurant à l'échelle nanométrique le substrat : lorsqu'elles sont régulièrement espacées, leur taille et leur géométrie sont plus homogènes. La technique employée, la nanoimpression, présente l'avantage majeur de ne pas altérer la cristallinité du substrat. Ces travaux mettent en exergue le fait que la luminescence des boîtes quantiques après reprise d'épitaxie sur ces surfaces nanostructurées par nanoimpression est intense. Les boîtes quantiques sont ici appliquées à un domaine en plein essor : l'électronique de spin. Le principe est d'utiliser le spin de l'électron pour coder l'information. Trois problèmes majeurs doivent être surmontés pour ce faire : l'injection de porteurs polarisés en spin dans le semiconducteur, le transport de ces porteurs polarisés, et enfin la recombinaison radiative, le cas échéant, pour émettre des photons polarisés avec un bon rendement. Dans cette thèse, nous présentons un composant qui permet de qualifier l'ensemble de ces paramètres, la spinLED. Les temps caractéristiques de relaxation de spin dans le semiconducteur sont courts, de l'ordre de 100ps ; il a été nécessaire d'adapter la structure de la spinLED pour la rendre compatible aux caractérisations en hyperfréquence, jusqu'à 20GHz.

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Molière, Timothée. "Intégration de matériaux III-V sur silicium nanostructuré pour application photovoltaïque." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066638.

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Abstract:

Depuis plus de 30ans, les chercheurs essaient de combiner le silicium et le GaAs. Le potentiel de l'intégration du GaAs sur Si est en effet considérable pour le remplacement des substrats coûteux de GaAs ou de Ge dans la fabrication de cellules PV, de photodétecteurs, de LED, de lasers…. Il en est de même pour le développement de nouveaux dispositifs opto- et électroniques par l'intégration monolithique de GaAs sur circuit silicium. Des défis majeurs persistant jusqu'à aujourd'hui doivent toutefois être surmontés.Dans le but de surmonter ces difficultés, nous proposons un concept intéressant qui permet l'hétéroépitaxie de III-V sur Si. Ce concept est basé sur la technique d’épitaxie latérale (ELO) par CBE depuis des ouvertures nanométriques réalisées dans un masque de silice ultra-mince. Cette technique nous a permis d’obtenir des microcristaux de GaAs sans défaut et parfaitement intégrés sur Si grâce à une nucléation depuis des ouvertures de très petits diamètres qui évitent la génération de dislocations dues au désaccord de maille. Le concept étant validé, nous avons poursuivi l’étude en utilisant une 2ème approche de nanostructuration technologique du masque et permettant la localisation des cristaux. L’obtention in fine d’une pseudo-couche de GaAs sur Si sans défaut ni contrainte serait particulièrement utile pour les diverses applications mentionnées. Seront donc présentés le concept d’intégration, puis les résultats de croissance par ces techniques, et des analyses matériaux complémentaire. Pour finir, sera détaillée la structure d’une cellule PV de GaAs/Si devant permettre d’atteindre un rendement de conversion de 29,2%, ainsi que les premiers résultats obtenus
For over thirty years researchers have attempted to combine Si and GaAs. Alternative GaAs-on-Si substrates have a considerable market potential for replacing the costly GaAs or Ge substrate in producing traditional GaAs devices such as solar cells, photodetectors, LEDS, lasers, and microwave devices, and as a new technology for monolithic integration of GaAs elements and silicon integrated circuits. However, major challenges remaining until now must be overcome.In that way, we propose an interesting concept that allows III-V heteroepitaxy on silicon. This concept is based on the Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) by CBE from nanoscale holes through an ultra-thin silica layer. This technique allows us to obtain GaAs microcrystals without any defect and perfectly integrated on Si thanks to nanoscaled nucleation seeds which prevent dislocation generation due to lattice mismatch. The concept being validated, the study has continued using a 2nd approach of nanostructuration to allow crystal localization. The achievement of getting a GaAs pseudo-layer on silicon substrate without any defect or stain would be of great interest for the formerly mentioned applications.So the integration concept of III-V materials on silicon will be introduced, then growth resultants by these techniques, and material characterizations in order to qualify the integrated GaAs on silicon regarding to the opto- and electronic applications. Finally, the structure of a GaAs/Si tandem solar cell will be discussed. After proving this solar cell could reach a 29.2% conversion efficiency, first achievements will be revealed

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Zhang, Tiantian. "Injection de spin dans des systèmes à base de semiconducteurs III-V en vue de nouveaux composants spintroniques." Thesis, Toulouse, INSA, 2014. http://www.theses.fr/2014ISAT0005/document.

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Abstract:

La spintronique dans les semiconducteurs vise à utiliser le spin de l’électron comme degré de liberté supplémentaire (en plus de la charge électrique) afin de véhiculer l’information, ce qui permettrait la mise au point de composants intégrant de nouvelles fonctionnalités. Ce travail de thèse porte sur deux étapes importantes qui doivent être maîtrisées : l’injection électrique de porteurs polarisés en spin dans les semiconducteurs III-V, et la manipulation du spin de l’électron (par champ magnétique) dans ces matériaux optimisés. Dans un premier temps, la grande efficacité des injecteurs de spin à base de CoFeB/MgO/GaAs est démontrée dans des dispositifs de type Diodes Electroluminescentes polarisées en spin (SpinLEDs). La comparaison entre des injecteurs comprenant une barrière tunnel fabriquée soit par pulvérisation cathodique, soit par épitaxie par jets moléculaires (MBE), permet de montrer que ces deux techniques donnent des résultats comparables. Dans les deux cas, l’efficacité de l’injection est améliorée par un recuit de l’échantillon autour de 300−350◦C. Le recuit induit une amélioration de la qualité de l’interface CoFeB/MgO. De plus, l’efficacité de l’injection de spin n’est stable en fonction du courant injecté que lorsque la barrière tunnel est fabriquée par pulvérisation cathodique. Ceci est dˆu aux caractéristiques de l’interface MgO/GaAs qui diffèrent selon la technique de croissance de la barrière. Dans un deuxième temps, l’injection de spin en l’absence de champ magnétique externe appliqué est réaliséegrâce à un nouveau type d’injecteur constitué d’une électrode de CoFeB ultrafine présentant une aimantation rémanente de la couche le long de l’axe de croissance de l’échantillon. Pour la première fois des taux de polarisation circulaire de l’électroluminescence de l’ordre de 20% sont mesurés à 25 K à champ magnétique nul. Ensuite, la problématique de la relaxation de spin des porteurs injectés dans les vallées L de haute énergie dans GaAs (phénomène non négligeable sous injection électrique) est également traitée. Nous observons qu’une fraction de la mémoire du spin photogénéré en L est conservée lorsque les électrons sont diffusés vers la vallée Γ, malgré une relaxation d’énergie de plusieurs centaines de meV. Le temps de relaxation de spin dans les vallées L est estimé autour de 200 fs. Enfin, nous avons exploré le matériau GaAsBi dilué (x ∼ 2.2%) dont la perturbation de la matrice par l’élément Bi permet d’attendre des propriétés électroniques et de spin fortement modifiées. Des mesures de photoluminescence ont mis en évidence une diminution de l’énergie de bande interdite de l’ordre de 85meV/%Bi. De plus, par la mesure directe des battements quantiques de la polarisation de photoluminescence nous avons déterminé un facteur de Landé des électrons de conduction de l’ordre de deux fois supérieur à celui de GaAs. Ces résultats témoignent de la forte perturbation des états de valences et de l’augmentation de l’interaction spin-orbite
Spintronics of semiconductors aims at using carrier spins as supplementary means of information transport. Thiswould lead to components showing extended functionalities. This thesis work is dedicated to the study of injectionand manipulation of electron spin in semiconductors, which are the basis of any spintronic application. In a first stepwe demonstrate the high efficiency of CoFeB/MgO/GaAs - based spin injectors. Circular polarization degrees of electroluminescence over 20% are measured on spin polarized LEDs (SpinLEDs) at 0.8 T and 25 K. Comparison betweensputtering- and MBE- grown spin injectors has shown similar results. In both case, spin injection efficiency is increasedby thermal annealing of the sample, in the range 300 − 350◦C. Indeed, annealing improves the quality of CoFeB/MgOinterface, and induces the crystallization of CoFeB above 300◦C. A higher stability of spin injection with current injectionis found when the tunnel barrier is grown by sputtering. This is due to the MgO/GaAs interface characteristicswhich is related to the growth technique. In a second step, we demonstrate spin injection without external appliedmagnetic field, through an ultra-thin (a few atomic layers) CoFeB electrode, taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy of the layer which leads to a remanant magnetization along the growth axis. For the first time in this configuration, circular polarization degrees of electroluminescence of about 20% are measured at 25 K at zero magnetic field. In a third step, due to the crucial role it may play in electrical injection, electron spin dynamics in high energy L-valleys is investigated. Using polarization resolved excitation photoluminescence in the range 2.8-3.4 eV, we observe that a fraction of photogenerated spin polarization is preserved when electrons are scattered hundreds of meV down to Γ valley. Spin relaxation time in L valleys is estimated to 200 fs. Finally we investigate electron and spin properties of GaAsBi dilute bismide alloy. We observe that the bandgap energy is reduced by 85meV/%Bi when Bi element is introduced into GaAs matrix. Moreover, the electron Land´e factor is about twice the one in GaAs for a 2.2% Bi composition. These features are evidence of the strong perturbation of host states and spin-orbit interaction enhancement

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Verzelen, Olivier. "Interaction électron-phonon LO dans les boîtes quantiques d'InAs/GaAs." Paris 6, 2002. http://www.theses.fr/2002PA066365.

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SCACCABAROZZI, ANDREA. "GaAs/AlGaAs quantum dot intermediate band solar cells." Doctoral thesis, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2013. http://hdl.handle.net/10281/40117.

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Abstract:

This thesis presents my Ph.D. work about quantum dot GaAs/AlGaAs solar cells grown by droplet epitaxy, exploring the potential of this materials system for the realization of intermediate band photovoltaic devices. In the first chapter a general introduction to the field of solar energy is given, outlining the reasons why this research has been performed. The physics of the photovoltaic cell is briefly explained in its most important points, to give the reader clear understanding of what is presented in the following chapters. Intermediate band devices are presented in the second chapter. The theoretical foundations presented do not aim at constituting an exhaustive explanation of the theory underlying intermediate band solar cells, but the scope is again to give clear understanding of the characterization of the quantum dot devices reported in the following chapters. A survey of the state of the art in the field is given, pointing out the differences with our technology. The initial part of my Ph.D. work was spent in developing the technology to design and grow (Al)GaAs photovoltaic devices, as well as the characterization techniques required to understand the behavior of such devices. In chapter 3 the method developed to design the solar cell structure is illustrated, and in chapter 5 the experimental setup used for characterization is presented, along with the measurements on the single junction devices realized during this work. Chapter 4 is dedicated to the description of the growth and fabrication methods used to grow the samples reported here. The development of the fabrication technology proceeded in close contact with the characterizations of the devices, in order to optimize the process. Finally in chapter 6 the results on quantum dot photovoltaic cells are reported: the key working principles of intermediate band devices have been demonstrated with our materials system, and this, to the knowledge of the author, is the first time that strain free quantum dot solar cells are reported of intermediate band behavior. The role of defects in the AlGaAs matrix is explained in connection with both the optical and electrical characterizations presented.

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Grange, Thomas. "Relaxation et décohérence des polarons dans les boîtes quantiques de semi-conducteurs." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00333256.

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Abstract:

Cette thèse présente une étude théorique des interactions électron-phonon dans les boîtes quantiques InAs/GaAs, où le régime de couplage fort entre les porteurs confinés dans les boîtes et les phonons optiques a pour conséquence la formation d'états intriqués appelés polarons.
Nous prenons tout d'abord en compte le couplage fort entre excitons et phonons optiques afin de calculer l'absorption interbande sous champ magnétique.
Nous calculons ensuite le temps de vie des états polarons, dont l'instabilité est due à leur composante phonon. Nous démontrons la nécessité de prendre en compte de manière détaillée les différents processus anharmoniques, dont l'efficacité dépend fortement de l'énergie du polaron. Ces calculs permettent d'expliquer les variations non monotones du temps de vie mesuré des polarons avec leur énergie.
Nous étudions ensuite la dynamique de relaxation dans les boîtes doublement chargées, où l'interaction spin-orbite, associée aux couplages électron-phonon, entraîne des processus de retournement du spin entre états singulets et triplets.
Finalement, nous étudions la cohérence optique de la transition intrabande fondamentale, dont l'élargissement avec la température est dû aux transitions réelles et virtuelles vers le deuxième état excité.

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Jaffal, Ali. "Single photon sources emitting in the telecom band based on III-V nanowires monolithically grown on silicon." Thesis, Lyon, 2020. http://www.theses.fr/2020LYSEI019.

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Abstract:

Une source de photons uniques (SPU) dans la bande télécom, épitaxiées sur un substrat de silicium (Si), est le Saint Graal pour réaliser des dispositifs CMOS compatibles pour les technologies de l'information optiques. Pour atteindre cet objectif, nous proposons la croissance monolithique de Boîte Quantiques-Nanofils (BQ-NFs) InAs/InP sur des substrats de silicium par épitaxie par jet moléculaire (EJM) en utilisant la méthode vapeur-liquide-solide (VLS). Au début, nous avons concentré nos efforts sur l'optimisation des conditions de croissance afin d'obtenir une densité de NF ultra-faible sans effort avant ou après la croissance, ce qui nous permet d'exciter optiquement un seul BQ-NF sur l'échantillon tel qu'il a été épitaxiées et de préserver la croissance monolithique sur le silicium. Par la suite, nous avons porté notre attention sur l'amélioration de l'extraction de la lumière de la BQ InAs du guide d'onde InP NF vers l'espace libre pour obtenir une source lumineuse avec un profil d'émission en Champ Lointain (CL) gaussien afin de coupler efficacement les photons individuels à une fibre optique monomode. Cela a été réalisé en contrôlant la géométrie de NF pour obtenir des NFs en forme d'aiguille avec un très petit angle de conicité et un diamètre de NF adapté pour supporter un guide d'onde monomode. Une telle géométrie a été produite avec succès en utilisant un équilibre induit par la température sur les croissances axiale et radiale pendant la croissance des NFs catalysée par l'or. Des mesures optiques ont confirmé la nature mono-photonique des photons émis avec g2(0) = 0,05 et un profil d'émission gaussien en CL avec un angle d'émission θ = 30°. Pour obtenir des performances optimales, nous avons ensuite abordé une question cruciale dans cette géométrie de NF représentée par l'état de polarisation inconnu des photons émis. Pour résoudre ce problème, une solution consiste à intégrer un seul BQ dans un NF avec une section asymétrique optimisée pour inhiber un état de polarisation et améliorer l'efficacité d'émission de l'autre. Une stratégie de croissance originale a été proposée, permettant d'obtenir des photons à haut degré de polarisation linéaire parallèle à l'axe allongé des NFs asymétriques. Enfin, l'encapsulation des BQ-NFs dans des guides d'ondes en silicium amorphe (a-Si) a ouvert la voie à la production des dispositifs des SPU entièrement intégrés sur Si dans un avenir proche
A telecom band single photon source (SPS) monolithically grown on silicon (Si) substrate is the Holy Grail to realize CMOS compatible devices for optical-based information technologies. To reach this goal, we propose the monolithic growth of InAs/InP quantum dot-nanowires (QD-NWs) on silicon substrates by molecular beam epitaxy (MBE) using the vapour-liquid-solid (VLS) method. In the beginning, we have focused our efforts on optimizing the growth conditions aiming at achieving ultra-low NWs density without any pre-growth or post-growth efforts allowing us to optically excite a single QD-NW on the as-grown sample and to preserve the monolithic growth on silicon. Subsequently, we have turned our attention on enhancing the InAs QD light extraction from the InP NW waveguide towards the free space to achieve a bright source with a Gaussian far-field (FF) emission profile to efficiently couple the single photons to a single-mode optical fiber. This was done by controlling the NW geometry to obtain needlelike-tapered NWs with a very small taper angle and a NW diameter tailored to support a single mode waveguide. Such a geometry was successfully produced using a temperature-induced balance over axial and radial growths during the gold-catalyzed growth of the NWs. Optical measurements have confirmed the single photon nature of the emitted photons with g2(0) = 0.05 and a Gaussian FF emission profile with an emission angle θ = 30°. For optimal device performances, we have then tackled a crucial issue in such NW geometry represented by the unknown polarization state of the emitted photons. To solve this issue, one solution is to embed a single QD in a NW with an asymmetrical cross-section optimized to inhibit one polarization state and to improve the emission efficiency of the other one. An original growth strategy was proposed permitting us to obtain highly linearly polarized photons along the elongated axis of the asymmetrical NWs. Finally, the encapsulation of the QD-NWs within amorphous silicon (a-Si) waveguides have opened the path to produce fully integrated SPSs devices on Si in the near future

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Gallo, Pascal. "Nanostructures III-V pour l'électronique de spin." Toulouse, INSA, 2006. http://eprint.insa-toulouse.fr/archive/00000156/.

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Abstract:

Parmi toutes les méthodes de confinement des porteurs dans les trois directions de l’espace, la croissance auto organisée de boîtes quantiques semble être la meilleure. La méthode de fabrication de ces nanostructures est l’épitaxie par jets moléculaires ; elle permet l’obtention de cristaux d’une grande qualité, de manière cohérente avec leur environnement. Cette technique d’auto organisation dite de Stranski Krastanov génère cependant des nanostructures de tailles diverses ; le spectre de leur luminescence s’en retrouve élargi, altérant les performances des composants à base de boîtes quantiques. Une solution consiste à localiser leur croissance en structurant à l’échelle nanométrique le substrat : lorsqu’elles sont régulièrement espacées, leur taille et leur géométrie sont plus homogènes. La technique employée, la nanoimpression, présente l’avantage majeur de ne pas altérer la cristallinité du substrat. Ces travaux mettent en exergue le fait que la luminescence des boîtes quantiques après reprise d’épitaxie sur ces surfaces nanostructurées par nanoimpression est intense. Les boîtes quantiques sont ici appliquées à un domaine en plein essor : l’électronique de spin. Le principe est d’utiliser le spin de l’électron pour coder l’information. Trois problèmes majeurs doivent être surmontés pour ce faire : l’injection de porteurs polarisés en spin dans le semiconducteur, le transport de ces porteurs polarisés, et enfin la recombinaison radiative, le cas échéant, pour émettre des photons polarisés avec un bon rendement. Dans cette thèse, nous présentons un composant qui permet de qualifier l’ensemble de ces paramètres, la spinLED. Les temps caractéristiques de relaxation de spin dans le semiconducteur sont courts, de l’ordre de 100ps ; il a été nécessaire d’adapter la structure de la spinLED pour la rendre compatible aux caractérisations en hyperfréquence, jusqu’à 20GHz
Self-organised growth of quantum dots seems to be one of the best methods to obtain nanostructures able to confine carriers in the three directions of space. Growth is performed by molecular beam epitaxy; this technique provides high quality crystals, coherently with their environment. However, its major drawback is that it generates randomly sized structures, which is detrimental for device applications. A solution to this odd is to pattern the substrate in order to create regularly spaced nucleation sites for the quantum dots. The technique employed to do so is nanoimprint, which prevents from creating non radiative recombination centers in the substrate. This work shows state of the art results of luminescence from nanoimprinted regrown structures. Quantum dots are here applied to spintronics, which principle is to use the spin of the carriers as a support of quantum information. Three major obstacles have to be overcome in this field; first, polarized carriers have to be injected in the semiconductor; second, the polarized carriers have to be transported through the material; finally, the carriers may recombine, providing polarized photons. In this thesis, we design a device that allows characterizing all these parameters: the spinLED. Quantum dots allow a particularly good efficiency in the conversion of polarized carriers into polarized photons. As the spin relaxation times of the carriers are short, about 100ps, it was necessary to adapt the spinLED structure to make it compatible with hyperfrequency measurements

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Benallali, Hammouda. "Étude de nanostructures de semiconducteurs II-VI par sonde atomique tomographique." Thesis, Aix-Marseille, 2015. http://www.theses.fr/2015AIXM4324.

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Abstract:

Les nanostructures de semiconducteurs II-VI ont de nombreuses applications en microélectronique, optoélectronique et photonique. Notamment, les boites quantiques II-V peuvent servir de source de photons uniques. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à la caractérisation chimique et structurale des nanostructures de semiconducteurs II-VI (boites quantiques (BQs) auto-organisées, nanofils II-VI et III-V …) par sonde atomique tomographique (SAT). Dans un premier temps, nous avons optimisé les conditions d’analyse des semiconducteurs III-V et II-VI par SAT. Ensuite, nous avons étudié les compositions chimiques des interfaces II-VI/III-V en montrant la formation d’un composé Ga2.7Se3 à l’interface ZnSe/GaAs et un mélange de cations (Ga, Zn) à l’interface ZnTe/InAs. Les mesures de compositions chimiques et des tailles des boites quantiques en trois dimensions par SAT ont permis de faire une corrélation avec les mesures optiques. Nous nous sommes aussi intéressés à l’étude des mécanismes de croissance des nanofils GaAs et ZnTe ainsi que des BQs (CdTe) insérés dans des nanofils ZnTe en analysant la composition chimique des catalyseurs, les BQs dans les nanofils aussi que la base des nanofils. Ces mesures montrent que les boites quantiques sont formées d’un fort mélange CdxZn1-xTe. Un scénario basé sur la diffusion de surface a été proposé pour expliquer la croissance ainsi que le mélange entre Zn/Cd pour les BQs insérées dans les nanofils
Nanostructures of II-VI nanostructure have many applications in microelectronics, optoelectronics and photonics. For example, II -V quantum dots have shown the ability to be a source of single photons. In this work, we performed in the chemical and structural characterization of nanostructures of II-VI semiconductors (self- organized quantum dots (QDs), nanowires II-VI and III- V ...) by atom probe tomography (APT). Firstly, the analysis conditions of III-V and II- VI semiconductors by APT were optimized. Then, we studied the chemical composition of II-VI/III-V interfaces and showed the formation of a Ga2.7Se3 compound at the ZnSe/GaAs interface and the (Ga, Zn) cations mixing at the ZnTe/InAs interface. The measurements of the chemical composition and the sizes of quantum dots in three dimensions by APT allowed making a correlation with optical measurements. We studied also growth mechanisms of GaAs, ZnTe nanowire and the CdTe QDs inserted in ZnTe nanowires by analyzing the chemical composition of the catalysts QDs and nanowires basis. These measurements show that the quantum dots are formed of a strong mixing of CdxZn1-xTe. A scenario based on surface diffusion has been proposed to explain the growth and the mixing between Zn/Cd for the QDs

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Grant, Victoria Anne. "Growth and characterisation of III-V semiconductor nanostructures." Thesis, University of Nottingham, 2008. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.490983.

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Abstract:

This thesis describes the growth and characterisation of III-V semiconductor materials and nanostructures. The material was grown by molecular beam epitaxy (MBE) and characterised using a range of techniques including atomic force microscopy (AFM), cross-sectional scanning tunnelling microscopy (XSTM) and x-ray diffraction (XRD).

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Naureen, Shagufta. "Top-down Fabrication Technologies for High Quality III-V Nanostructures." Doctoral thesis, KTH, Halvledarmaterial, HMA, 2013. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-117766.

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Abstract:

III-V nanostructures have attracted substantial research effort due to their interesting physical properties and their applications in new generation of ultrafast and high efficiency nanoscale electronic and photonic components. The advances in nanofabrication methods including growth/synthesis have opened up new possibilities of realizing one dimensional (1D) nanostructures as building blocks of future nanoscale devices. For processing of semiconductor nanostructure devices, simplicity, cost effectiveness, and device efficiency are key factors. A number of methods are being pursued to fabricate high quality III-V nanopillar/nanowires, quantum dots and nano disks. Further, high optical quality nanostructures in these materials together with precise control of shapes, sizes and array geometries make them attractive for a wide range of optoelectronic/photonic devices. This thesis work is focused on top-down approaches for fabrication of high optical quality nanostructures in III-V materials. Dense and uniform arrays of nanopillars are fabricated by dry etching using self-assembly of colloidal SiO2 particles for masking. The physico-chemistry of etching and the effect of etch-mask parameters are investigated to control the shape, aspect ratios and spatial coverage of the nanopillar arrays. The optimization of etch parameters and the utilization of erosion of etch masks is evaluated to obtain desired pillar shapes from cylindrical to conical. Using this fabrication method, high quality nanopillar arrays were realized in several InP-based and GaAs-based structures, including quantum wells and multilayer heterostructures. Optical properties of these pillars are investigated using different optical spectroscopic techniques. These nanopillars, single and in arrays, show excellent photoluminescence (PL) at room temperature and the measured PL line-widths are comparable to the as-grown wafer, indicating the high quality of the fabricated nanostructures. The substrate-free InP nanopillars have carrier life times similar to reference epitaxial layers, yet an another indicator of high material quality. InGaAs layer, beneath the pillars is shown to provide several useful functions. It effectively blocks the PL from the InP substrate, serves as a sacrificial layer for generation of free pillars, and as a “detector” in cathodoluminescence (CL) measurements. Diffusion lengths independently determined by time resolved photoluminescence (TRPL) and CL measurements are consistent, and carrier feeding to low bandgap InGaAs layer is evidenced by CL data. Total reflectivity measurements show that nanopillar arrays provide broadband antireflection making them good candidates for photovoltaic applications. A novel post etch, sulfur-oleylamine (S-OA) based chemical process is developed to etch III-V materials with monolayer precision, in an inverse epitaxial manner along with simultaneous surface passivation. The process is applied to push the limits of top-down fabrication and InP-based high optical quality nanowires with aspect ratios more than 50, and nanostructures with new topologies (nanowire meshes and in-plane wires) are demonstrated. The optimized process technique is used to fabricate nanopillars in InP-based multilayers (InP/InGaAsP/InP and InP/InGaAs/InP). Such multilayer nanopillars are not only attractive for broad-band absorption in solar cells, but are also ideal to generate high optical quality nanodisks of these materials. Finally, the utility of a soft stamping technique to transfer free nanopillars/wires and nanodisks onto Si substrate is demonstrated. These nanostructures transferred onto Si with controlled densities, from low to high, could provide a new route for material integration on Si.

QC 20130205

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Lee, Kwan Hee. "Fabrication, spectroscopy and modelling of III-V nanostructures for photonics." Thesis, University of Oxford, 2006. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.442820.

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Tey, Chun Maw. "Advanced transmission electron microscopy studies of III-V semiconductor nanostructures." Thesis, University of Sheffield, 2006. http://etheses.whiterose.ac.uk/14901/.

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Abstract:

III -V semiconducting materials allow many novel optoelectronic devices, such as light emitting diodes and lasers, to be developed. Furthermore, recent development in crystal growth techniques allows the growth of low-dimensional semiconductor heterostructures. To achieve the best performance, the crystallinity and the growth mechanism of the devices have to be analysed. In this work, a JEOL JEM-2010F field emission gun transmission electron microscope (TEM) is employed to analyse the nanoscale semiconductor structures. Various techniques, such as conventional TEM, scanning TEM, high resolution TEM and energy-filtered TEM were employed to characterize the structural properties of III-V semiconducting materials. In this thesis, advanced TEM analysis on InAs/GaAs quantum dots with InAIAs capping layer, GaInNAs/GaAs quantum wells and annealed low temperature-grown GaAs are presented. The former investigates the impact of varying the thicknesses of InAIAs in the combined two-level InAIAs-InGaAs capping layer on InAs/GaAs quantum dots. Based on the energy-filtered TEM images, the concentration of Al near the apex of the dots is significantly reduced. An increase in the height of the quantum dots has been observed when the thickness of InAIAs capping layer is increased. This is attributed to the suppression of indium atom detachment rate from the InAs dots during the capping process. Effects of growth temperature on the structural properties of 1.6 um GaInNAs/GaAs mUltiple quantum wells were also investigated. TEM studies show that compositional modulations and dislocations occurred in the sample grown at 400°C and possible point defect formation in the sample grown at 350 °C. The photoluminescence intensities for samples grown at 350 and 400°C are degraded dramatically, compared with the sample grown at 375 °C. The effects of low temperature-growth GaAs annealed at different temperatures were systematically investigated by TEM. Along with other collaborative measurements, the arsenic precipitate parameters obtained from TEM images were employed to develop a semi-quantitative model based on Ostwald ripening to explain the precipitate formation. Furthermore, the "two-trap" model successfully explains the anomalous features in the carrier lifetime and resistivity trends in annealed low temperature-grown GaAs.

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Gryczynski, Karol Grzegorz. "Electrostatic Effects in III-V Semiconductor Based Metal-optical Nanostructures." Thesis, University of North Texas, 2012. https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc115090/.

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Abstract:

The modification of the band edge or emission energy of semiconductor quantum well light emitters due to image charge induced phenomenon is an emerging field of study. This effect observed in quantum well light emitters is critical for all metal-optics based light emitters including plasmonics, or nanometallic electrode based light emitters. This dissertation presents, for the first time, a systematic study of the image charge effect on semiconductor–metal systems. the necessity of introducing the image charge interactions is demonstrated by experiments and mathematical methods for semiconductor-metal image charge interactions are introduced and developed.

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BIETTI, SERGIO. "Nanostructured III-V epilayers on silicon substrate for optoelectronic applications." Doctoral thesis, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2011. http://hdl.handle.net/10281/18979.

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Abstract:

The integration of III-V devices on Si substrates would allow the fabrication of specialized devices for optoelectronics and photonics directly on the highly refined silicon infrastructure, based on CMOS technology. In this work of thesis, Droplet Epitaxy technique is used for the low thermal budget fabrication of GaAs quantum nanostructures on silicon substrates through a Ge layer and for the fabrication of GaAs local artificial substrates directly on Si substrate. Quantum nanostructures grown on Si substrate through a Ge layer showed an intense photoluminescence emission, detectable up to room temperature and with a ratio between number of photon emitted and photogenerated carriers similar to the one obtained for GaAs quantum nanostructures grown by droplet epitaxy on GaAs substrate. GaAs local artificial substrates fabricated on Si showed high tunability in size and density, a size dispersion below 10%, a good crystalline quality and well defined shapes with a high aspect ratio.

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Jia, Roger (Roger Qingfeng). "Properties of thin film III-V/IV semiconductor alloys and nanostructures." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2017. http://hdl.handle.net/1721.1/113928.

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Abstract:

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering, 2017.
This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.
Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 116-121).
A large amount of research and development has been devoted to engineering materials for the next generation of semiconductor devices with high performance, energy efficiency, and economic viability. To this end, significant efforts have been made to grow semiconductor thin films with the desired properties onto lattice constants with viable, cost effective substrates. Comparatively less effort has been made to explore III-V/IV heterovalent nanostructures and alloys, which may exhibit properties not available in existing materials. The investigation of these structures, grown using MOCVD, is the goal of this thesis and is motivated by two factors: one, that III-V/IV nanostructures should be good thermoelectrics based on the "phonon glass electron crystal" concept, and two, that (GaAs)₁-x(Ge₂)x alloys were observed to exhibit near-infrared room temperature luminescence, a result that can have significant implications for low bandgap optical devices. A survey of various growth conditions was conducted for the growth of the model GaAs/Ge system using MOCVD to gain insight in the epitaxy involving heterovalent materials and to identify structures suitable for investigation for their thermoelectric and optical properties. A significant decrease in the thermal conductivities of GaAs/Ge nanostructures and alloys relative to bulk GaAs and bulk Ge was observed. This reduction can be attributed to the presence of the heterovalent interfaces. The electron mobilities of the structures were determined to be comparable to bulk Ge, indicating minimal disruption to electron transport by the interfaces. A further reduction in thermal conductivity was observed in an (In₀.₁Ga₀.₉As)₀.₈₄(Si0₀.₁Ge₀.₉)₀.₁₆ alloy; the alloy had a thermal conductivity of 4.3 W/m-K, comparable to some state-of-the-art thermoelectric materials. Room temperature photoluminescence measurements of various compositions of (GaAs)₁-x(Ge₂)x alloys revealed a maximum energy transition of 0.8 eV. This bandgap narrowing is the result of composition fluctuations; the fluctuations create regions of lower bandgap, resulting in a weak dependence on luminescence as a function of Ge composition as well as lower bandgap than the homogeneous alloy with the same composition. As silicon was added to the (GaAs)₁-x(Ge₂)x alloy, the bandgap increased despite the composition fluctuations. Based on the results from this work III-V/IV nanostructures show promise for thermoelectric and optical applications.
by Roger Jia.
Ph. D.

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Jones, Eric James Ph D. Massachusetts Institute of Technology. "Nanoscale quantification of stress and strain in III-V semiconducting nanostructures." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2015. http://hdl.handle.net/1721.1/98578.

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Abstract:

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering, 2015.
This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.
Cataloged from student-submitted PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (pages 142-149).
III-V semiconducting nanostructures present a promising platform for the realization of advanced optoelectronic devices due to their superior intrinsic materials properties including direct band gap energies that span the visible light spectrum and high carrier mobilities. Additionally, the inherently high surface-to-volume ratio of nanostructures allows for the efficient relaxation of stress enabling the realization of defect free heterostructures between highly mismatched materials. As a result, nanostructures are being investigated as a route towards the direct integration of III-V materials on silicon substrates and as platforms for the fabrication of novel heterostructures not achievable in a thin film geometry. Due to their small size, however, many of the methods used to calculate stress and strain in 2D bulk systems are no longer valid as free surface effects allow for relaxation creating more complicated stress and strain fields. These inhomogeneous strain fields could have significant impacts on both device fabrication and operation. Therefore, it will be vital to develop techniques that can accurately predict and measure the stress and strain in individual nanostructures. In this thesis, we demonstrate how the combination of advanced transmission electron microscopy (TEM) and continuum modeling techniques can provide a quantitative understanding of the complex strain fields in nanostructures with high spatial resolutions. Using techniques such as convergent beam electron diffraction, nanobeam electron diffraction, and geometric phase analysis we quantify and map the strain fields in top-down fabricated InAlN/GaN high electron mobility transistor structures and GaAs/GaAsP core-shell nanowires grown by a particle-mediated vapor-liquid-solid mechanism. By comparing our experimental results to strain fields calculated by finite element analysis, we show that these techniques can provide quantitative strain information with spatial resolutions on the order of 1 nm. Our results highlight the importance of nanoscale characterization of strain in nanostructures and point to future opportunities for strain engineering to precisely tune the behavior and operation of these highly relevant structures.
by Eric James Jones.
Ph. D.

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Cress, Cory D. "Effects of ionizing radiation on nanomaterials and III-V semiconductor devices /." Online version of thesis, 2008. http://hdl.handle.net/1850/6278.

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Nguyen, Thanh Tra. "Sillicon photonics based on monolithic integration of III-V nanostructures on silicon." Phd thesis, INSA de Rennes, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01065999.

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Abstract:

This thesis focuses on the heterogeneous growth optimization of III-V nanostructures on Si (001) substrate displaying a miscut toward [110]. The main purpose concerns the integration of efficient light sources on Si substrate for high-speed optical interconnects inter-and intra-chip, as a cornerstone for the development of optoelectronic integrated circuits (OEIC).First, this study focuses on the optimisation of nitrogen incorporation in GaPN on GaP(001) substrate, while reachingthe lattice-matching condition with Si. This study is also interesting for the growth of any GaPN-based dilute nitridecompounds, such as GaAsPN, which are very attractive for long wavelength laser applications and high-efficiency photovoltaic applications on Si substrates. In a second step, we studied the growth of an active layer based on (In,Ga)As quantum dots (QD) on GaP (001) substrate. These QD display a high density and good uniformity in size. Room temperature photoluminescence is also obtained on these QD, which is very promising for the fabrication of integrated optoelectronic sources on a silicon substrate. In the third part, this study focuses on the homoepitaxial growth of Si by UHV/CVD necessary to bury residual contaminants initially present on the Si surface, and to obtain a Si surface suitable for the subsequent heteroepitaxial growth of optimal structural quality GaP layer. This includes the formation of double atomic steps, by step bunching and favors by the substrate miscut, in order to limit the structural defects. Finally, the GaP/Si interface is optimized, while obtaining a flat GaP surface and a minimum defects density. A methodology to quantify the structural defects (anti-phase domains, micro-twins) by X-ray diffraction using Synchrotron and laboratory sources is presented. This study reveals an anisotropic behavior of the micro-twins, linked to the miscut direction of the Si substrate, and a dramatic reduction of the micro-twins density at high growth temperature. The growth of thin GaP layers on Si substrates, with thickness less than the critical one and obtained with a purposely dedicated growth cluster composed of a Si UHV/CVD chamber connected under UHV with a III-V MBE chamber, shows a significant reduction of the structural defects and provides a GaP/Si pseudo-substrate with a flat surface suitable for subsequent growth of efficient light sources.

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Thota, Venkata Ramana Kumar. "Tunable Optical Phenomena and Carrier Recombination Dynamics in III-V Semiconductor Nanostructures." Ohio University / OhioLINK, 2016. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=ohiou1451807323.

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Robert, Cédric. "Study of III-V nanostructures on GaP for lasing emission on Si." Thesis, Rennes, INSA, 2013. http://www.theses.fr/2013ISAR1913/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse porte sur l’étude de nanostructures semi- conductrices III-V pour le développement d’émetteurs laser sur silicium dans une approche pseudomorphique. Une croissance en accord de maille d’alliages à base de GaP ou plus précisément de nitrures dilués GaPN doit garantir une faible densité de défauts cristallins. Le modèle des liaisons fortes à base étendue est tout d’abord présenté afin de simuler les propriétés électroniques et optiques de structures semi-conductrices sur substrats de GaP ou Si. Les propriétés des alliages massifs GaPN et GaAsPN sont étudiées par des expériences de photoluminescence continue en fonction de la température et de photoluminescence résolue en temps. Les potentialités des puits quantiques GaAsPN/GaP en tant que zone active sont étudiées théoriquement par le modèle des liaisons fortes et expérimentalement en spectroscopie de photoluminescence en température et résolue en temps. Les effets de désordre engendrés par l’incorporation d’azote sont notamment mis en évidence. L’alliage AlGaP est ensuite proposé pour les couches de confinement optique des structures laser. Un contraste d’indice optique entre AlGaP et GaP est mesuré par ellipsométrie spectroscopique. Ce contraste doit permettre un confinement efficace du mode optique. Le problème de l’alignement des bandes en présence d’aluminium est ensuite évoqué. L’utilisation de l’alliage quaternaire GaAsPN est proposée pour résoudre ce problème. Enfin, les boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en tant qu’alternative aux puits quantiques GaAsPN/GaP dans la zone active. Une forte densité de boites quantiques et une émission de photoluminescence à température ambiante sont ainsi obtenues pour ce système. Les états électroniques des boîtes quantiques sont simulés par la technique des liaisons fortes et la méthode k.p. La photoluminescence résolue en temps couplée à des expériences de photoluminescence continue sous pression hydrostatique, permet de montrer que la transition fondamentale de ces boîtes implique majoritairement des états de conduction de type X
This PhD work focuses on the study of III-V semiconductor nanostructures for the development of laser on Si substrate in a pseudomorphic approach. GaP-based alloys and more specifically dilute nitride GaPN-based alloys are expected to guarantee a low density of crystalline defects through a perfect lattice-matched growth. An extended tight-binding model is first presented to deal with the theoretical challenges for the simulation of electronic and optical properties of semiconductor structures grown on GaP or Si substrate. The optical properties of bulk GaPN and GaAsPN alloys are then studied through temperature dependent continuous wave photoluminescence and time-resolved photoluminescence experiments. The potential of GaAsPN/GaP quantum wells as a laser active zone is discussed in the framework of both theoretical simulations (with the tight-binding model) and experimental studies (with temperature dependent and time-resolved photoluminescence). In particular, the N-induced disorder effects are highlighted. The AlGaP alloy is then proposed as a candidate for the cladding layers. A significant refractive index contrast between AlGaP and GaP is measured by spectroscopic ellipsometry which may lead to a good confinement of the optical mode in a laser structure. The issue of band alignment is highlighted. Solutions based on the quaternary GaAsPN alloy are proposed. Finally, the InGaAs/GaP quantum dots are studied as an alternative to GaAsPN/GaP quantum wells for the active zone. The growth of a high quantum dot density and room temperature photoluminescence are achieved. The electronic band structure is studied by time-resolved photoluminescence and pressure dependent photoluminescence as well as tight-binding and k.p simulations. It demonstrates that the ground optical transition involves mainly X-conduction states

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Aguinaldo, Ryan. "Modeling solutions and simulations for advanced III-V photovoltaics based on nanostructures /." Online version of thesis, 2008. http://hdl.handle.net/1850/7912.

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Zandbergen, Sander R., Ricky Gibson, Babak Amirsolaimani, Soroush Mehravar, Patrick Keiffer, Ali Azarm, and Khanh Kieu. "Polarization dependent femtosecond laser modification of MBE-grown III-V nanostructures on silicon." OPTICAL SOC AMER, 2017. http://hdl.handle.net/10150/624969.

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Abstract:

We report a novel, polarization dependent, femtosecond laser- induced modification of surface nanostructures of indium, gallium, and arsenic grown on silicon via molecular beam epitaxy, yielding shape control from linear and circular polarization of laser excitation. Linear polarization causes an elongation effect, beyond the dimensions of the unexposed nanostructures, ranging from 88 nm to over 1 mu m, and circular polarization causes the nanostructures to flatten out or form loops of material, to diameters of approximately 195 nm. During excitation, it is also observed that the generated second and third harmonic signals from the substrate and surface nanostructures increase with exposure time. (C) 2017 Optical Society of America

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Fahed, Maria. "Selective area growth of in-plane III-V nanostructures using molecular beam epitaxy." Thesis, Lille 1, 2016. http://www.theses.fr/2016LIL10114/document.

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Abstract:

Pour répondre aux défis matériaux relatifs à l’intégration des semiconducteurs III-V sur silicium, l’utilisation de nanostructures telles les boîtes quantiques et les nanofils s’avère une voie très prometteuse. Associée à la miniaturisation continue des dispositifs, elle devrait permettre l’émergence de nouveaux circuits opto et microélectroniques performants. Cela nécessite auparavant une maîtrise complète de la croissance et de la technologie des architectures tridimensionnelles à l’échelle nanométrique. Dans ce contexte, ce travail présente l’étude de la croissance localisée de semiconducteurs III-V par épitaxie par jets moléculaires (EJM) dans des motifs nanométriques. Nous discutons d’abord l’homoépitaxie localisée d’InAs et InP et établissons que les conditions de croissance ainsi que la largeur et l’orientation des ouvertures permettent de contrôler la forme des nano-cristaux obtenus. Nous démontrons ensuite la croissance sélective à basse température de GaSb sur substrat GaAs (001) fortement désaccordé en maille par EJM assistée d’un flux d’hydrogène atomique. Nous mettons en évidence l'impact de l’orientation des ouvertures, ainsi que le rôle du rapport de flux Sb/Ga sur la relaxation des nanostructures GaSb. Enfin, à partir de cette étude, nous démontrons comment ces nanofils GaSb peuvent être utilisés pour la croissance ultérieure de nanofils InAs horizontaux
The use of nanostructures such as quantum dots and nanowires is a very promising way of integration of III-V semiconductors on silicon, since it allows answering most of the associated material challenges. Together with the continuous trend in device scaling, it should lead to the development of new highly efficient opto- and microelectronic circuits. This appeals for a full mastering of the growth and processing of 3D architectures at the nanometer scale. Consequently, the present work aims at investigating the selective area growth (SAG) of III-V semiconductors by molecular beam epitaxy (MBE) in nanoscale patterns. Homoepitaxial SAG of InAs and InP are first reported in order to show that the growth conditions, the opening width and the stripe directions allow tailoring the nanocrystal shape. We then achieve the SAG of in-plane GaSb nanotemplates on a highly mismatched GaAs (001) substrate at low temperature by atomic hydrogen assisted MBE. We highlight the impact of the nano-stripe orientation as well as the role of the Sb/Ga flux ratio on the strain relaxation of GaSb. Finally, from this study, we demonstrate how these GaSb nanotemplates can be used for subsequent growth of in-plane InAs nanowires

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Bucamp, Alexandre. "Croissance sélective et caractérisation de nanostructures de matériaux III-V élaborées par épitaxie par jets moléculaires." Thesis, Lille 1, 2019. http://www.theses.fr/2019LIL1I067/document.

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Abstract:

Que ce soit pour la fabrication de transistors ultimes fonctionnant à haute fréquence et faible consommation d’énergie ou pour celle de composants quantiques exploitant le transport balistique d’électrons, l’élaboration de nanostructures de semiconducteurs III-V à faible masse effective électronique est aujourd’hui un enjeu majeur. Différentes approches existent pour atteindre des dimensions caractéristiques largement sub-100nm. Les nanostructures peuvent être définies par une approche descendante en combinant gravure sèche anisotrope et amincissement chimique digital d’une couche semiconductrice ou par une approche ascendante en élaborant directement les nanostructures désirées. Dans le deuxième cas, la croissance de nanofils catalysée par une bille métallique nanométrique a connu un engouement important ces quinze dernières années. La fabrication de composants utilisant ce procédé reste cependant très compliquée et nécessite souvent le report des nanofils sur un substrat hôte rendant extrêmement difficile la réalisation de circuits complexes. L’approche par croissance sélective dans les ouvertures d’un masque diélectrique offre au contraire des perspectives plus intéressantes. Si l’épitaxie à base d’organométalliques en phase vapeur a démontré son efficacité pour ce type de croissance, l’épitaxie par jets moléculaires peut permettre d’améliorer encore la pureté des nanostructures. C’est dans ce contexte que nous avons étudié les propriétés électriques de nanostructures III-V épitaxiées sélectivement sur substrat InP. L’utilisation d’un flux d’hydrogène atomique pendant la croissance permet d’obtenir une bonne sélectivité de croissance. Son impact sur les propriétés optiques et électriques du semiconducteur a d’abord été étudié puis l’utilisation de procédés de nanofabrication a permis l’élaboration et la caractérisation électrique de nanostructures. Des composants en InGaAs de type TLM, multi-branches ou MOSFET ont démontré la qualité des matériaux épitaxiés puisque des mobilités effectives à l’état de l’art pour ce type de matériau ont été obtenues. Grâce à l’utilisation de croissances sélectives multiples, nous avons pu élaborer des hétérostructures originales telles que des nanofils planaires à cœur InGaAs et coquille InP ou des hétérojonctions InGaAs/GaSb radiales ou axiales. Pour ces dernières, l’obtention de caractéristiques courant-tension présentant une résistance différentielle négative montre une bonne qualité d’interface, offrant des perspectives intéressantes pour la fabrication de nano-hétérojonctions tunnel
The fabrication of nanoscale devices such as high frequency and low energy consumption transistors or quantum devices exploiting ballistic electrons transport requires the development of nanostructures with low effective mass III-V materials. Several technologies exist to reach typical dimensions well below the 100-nm range. The nanostructures can be defined by a top-down approach through a combination of anisotropic dry etching and digital chemical thinning of a semiconductor layer, or by a bottom-up approach with a direct elaboration of the nanostructures. In the second case, metal-catalyst-assisted nanowire growth has been widespread since the last fifteen years. However, the fabrication of devices based on this process is still tricky and often requires the transfer of the nanowires to a host substrate for device processing, preventing any complex circuit production. The approach by selective area growth inside dielectric mask openings exhibits a better scalability. If the organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE) has proved its efficiency for this type of growth, molecular beam epitaxy (MBE) may further improve the nanostructure purity. Within this context, we study the electrical properties of selectively grown III-V materials on InP substrate by MBE. We demonstrate that the use of an atomic hydrogen flux during the growth ensures a good selectivity with respect to the dielectric mask and has a positive impact on the optical and electrical properties of the grown semiconductor. The electrical characterization of InGaAs nanostructures is performed thanks to the development of dedicated process such as TLM, branched nanowires or MOSFET devices. It reveals good transport properties with the state-of-the-art effective mobility for this kind of alloy. We then show that selective area epitaxy is also a valuable tool to develop original heterostructures such as in-plane InGaAs/InP core-shell nanowires with raised contacts and radial or axial InGaAs/GaSb heterojunctions. For these latter, the negative differential resistances observed on the current-voltage characteristics demonstrate a good interface quality, offering interesting possibilities for tunnel nano-heterojunction development

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Junior, Jeverson Teodoro Arantes. "Materiais nanoestruturados do tipo IV e III-V dopados com Mn." Universidade de São Paulo, 2007. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-24032008-102906/.

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Abstract:

No presente trabalho, investigamos propriedades eletr^onicas, estruturais e de transporte de nanoestruturas do tipo IV e tipo III-V usando c´alculos de primeiros princ´?pios. (I) Como ponto de partida, verificamos sistematicamente a estabilidade do Mn substitucional nas camadas de Ge em uma heteroestrutura de Si/Ge. Estudamos a intera¸c~ao magn´etica Mn-Mn relativa a varia¸c~ao do par^ametro de rede do substrato, indicando uma mudan¸ca na diferen¸ca de energia entre as configura¸c~oes de alto e baixo spin. Para um substrato com par^ametro de rede igual ao do Si, esta diferen¸ca de energia favorece a configura¸c~ao de baixo spin, entretanto com o aumento do par^ametro de rede a configura¸c~ao com alto spin passa a ser a mais est´avel. (II) No estudo de nanofios de Ge, crescidos nas dire¸c~oes [110] e [111], verificamos a depend^encia do gap de energia em rela¸c~ao ao di^ametro do mesmo. Estudamos a reconstru ¸c~ao da superf´?cie (001) para alguns di^ametros de nanofios crescidos na dire¸c~ao [110]. Fizemos um estudo sistem´atico da dopagem de Mn em nanofios de Ge para verificar quais os s´?tios mais est´aveis para a impureza. Investigamos, tamb´em, o acoplamento magn´etico Mn-Mn ao longo da dire¸c~ao de crescimento do fio e radialmente ao mesmo, para diferentes dist^ancias entre os dopantes. (III) A observa¸c~ao de part´?culas de ouro na superf´?cie dos nanofios, vindas da gota de Au utilizada como catalizador no processo de crescimento dos fios, serviu como motiva¸c~ao para o estudo da energia de forma¸c~ao do mesmo em diferentes posi¸c~oes e concentra¸c~oes nos nanofios. Esses resultados possibilitaram-nos o entendimento de como o Au se difunde nos nanofios, se atrav´es da superf´?cie ou pelo interior do fio em situa¸c~oes com maiores e menores concentra¸c~oes do metal. (IV) Verificamos o comportamento da dopagem tipo-n e tipo-p nas propriedades de transporte eletr^onico para as impurezas na regi~ao central e na superf´?cie (001) de nanofios de Ge. Devido a import^ancia da superf´?cie em nanoestruturas, calculamos a varia¸c~ao da transmit^ancia eletr^onica na presen¸ca de liga¸c~oes incompletas conjuntamente com a adsor¸c~ao de uma mol´ecula de OH. (V) Investigamos como o confinamento qu^antico altera o comportamento de defeitos nativos tipo vac^ancias em nanofios de Si. Atrav´es da energia de forma¸c~ao para diferentes s´?tios n~ao equivalentes, verificamos um poss´?vel caminho de migra¸c~ao da vac^ancia para a superf´?cie (001). Calculamos o valor da barreira de migra¸c~ao das regi~oes centrais para a super´?cie (001) do nanofio assim como o valor do U-efetivo que no bulk ´e negativo. (VI) Finalmente, realizamos um estudo sistem´atico de nanofios de materiais III-V (InP e GaAs) e nanopart´?culas de InAs dopadas com Mn. Verificamos as posi¸c~oes de equil´?brio e a possibilidade de uma ordem magn´etica para as impurezas na nanoestrutura. Para as nanopart´?culas, `a medida que o sistema ´e confinado, ocorre uma maior localiza¸c~ao dos estados de buraco e consequentemente uma diminui¸c~ao na diferen¸ca de energia entre as configura¸c~oes com alto e baixo spin, favor´avel ao alto spin. Atrav´es da inser¸c~ao de \"buracos\"podemos aumentar essa diferen¸ca de energia.
In the present work, we investigate electronic, structural and transport properties of semiconductor nanostructures of type IV and III-V using first principles calculations. (I) As a starting point, we verify systematically the stability of substitutional Mn in Ge layers in Si/Ge heterostructures. We study the Mn-Mn magnetic interaction as a function of the lattice parameter of the substrate, and we find that the energy difference between the high and low spin configurations changes as the lattice parameter is modified. Using Si as a substrate, that energy difference favors the low spin configuration, whereas increasing the substrate lattice parameter the high spin configuration becomes more stable. (II) In the study of Ge nanowires, grown along the [110] and [111] directions, we investigate the variation of the energy gap as a function of the nanowire diameter. We study the (001) surface reconstruction for some nanowire diameters grown along the [110] direction. We did a systematic study of Mn doping in the Ge nanowires in order to verify which are the most stable substitutional sites. We also study the Mn-Mn magnetic coupling for their separation parallel to the growth direction as well as perpendicular to it. This study was performed for different distances between the impurities. (III) The gold particles observed in the top surface of the nanowires, a result of the Au droplet used as catalyst in the growth process, was the motivation of the study of the formation energy of Au isolated impurities in different positions and concentrations in the nanowires. These results make it possible to know if the Au atoms will move either along the surface or towards the bulk of the wire. (IV) We verify the behavior of the type-n and type-p doping in the electronic transmission properties for impurities positioned either in the central or in the (001) surface of Ge nanowires. Because of the importance of the surface in nanostructures, we calculate the changes in the electronic transmittance in the presence of a dangling bond and an OH molecule adsorbed in the surface. (V) We investigate how the quantum confinement modifies the behavior of the vacancy native defect in Si nanowires. From the formation energy difference for nonequivalent sites, we verify one possible pathway for the vacancy migration towards the (001) surface, and we calculate the migration barrier from the central region to the nanowire surface. We also calculate the effective-U, and find it to be negative in the bulk region. (VI) Finally, we also made a systematic study of nanowires of type III-V (InP and GaAs) as well as InAs nanoparticles doped with Mn. We study the equilibrium positions and the possibility of a magnetic order for the impurity in these nanostructures. For the nanoparticles, when the system is more confined the hole becomes more localized and, consequently, the energy difference between the high and low spin configuration still favors the high spin but becomes smaller. When we insert holes we can increase this energy difference.

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Gauthier, Jean-Philippe. "Réalisation et optimisation de nanostructures à base de semiconducteurs III-V pour les applications de VCSEL accordables." Rennes, INSA, 2011. http://www.theses.fr/2011ISAR0019.

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Le travail de thèse porte sur l’étude et l’optimisation de lasers verticaux émettant par la surface (VCSEL) accordables pour les applications télécom à 1,55µm. Les VCSEL étudiés intègrent notamment des puits quantiques contraints, ou des nanostructures filaires (ou Fils Quantiques – FQ) possédant des propriétés optiques remarquables. Une attention particulière est accordée aux propriétés thermiques et optiques des cavités développées et des solutions sont proposées pour l’amélioration des performances laser. Notamment, le développement de pseudo-substrat métallique par dépôt électrolytique de cuivre en remplacement du report par brasure or-indium classiquement utilisé, a permis une diminution de la résistance thermique globale du composant, ainsi qu’une augmentation significative de la surface des échantillons. En outre, la technologie de miroirs enterrés, favorisant l’évacuation thermique latérale est introduite et des résultats préliminaires mettent en avant l’avantage du procédé. D’autre part, l’utilisation de FQ comme milieu actif a permis la réalisation d’un VCSEL contrôlé en polarisation. Les paramètres de croissance des FQ par épitaxie par jet moléculaire sont étudiés et les propriétés de polarisation en régime statique et dynamique sont étudiées. Enfin, l’insertion de cristaux liquides nématiques (CLN) comme couche d’accordabilité a permis d’obtenir une accordabilité du spectre laser sur 30nm. L’association des CLN aux VCSEL contrôlés en polarisation permet d’envisager la réalisation de VCSEL massivement accordables
This thesis deals with the study and optimization of tunable vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) for optical telecommunications at 1. 55µm. In particular, described components may integrate strained quantum wells, or wire-shaped nanostructures (Quantum Dashes - QDH), which have outstanding optical properties. A peculiar attention has been paid to thermal and optical properties of the micro-cavities. Solutions are proposed to enhance the performance of the device. We particularly developed the electrodeposition of a copper pseudo-substrate, as a substitute to the classically used metallic bonding. The use of this technology allowed a significant increase of the size of the samples, as well as decrease in the total thermal resistance of the device. More over, buried Distributive Bragg Reflectors (b-DBR) have been investigated. Preliminary results show a clear benefit of the process in the lateral heat spreading out of the active region. Secondly, the use of QDHs as an active region allowed the achievement of a polarization-controlled VCSEL. Growth by molecular beam epitaxy is investigated, and static and dynamic properties of polarization of the VCSELs are studied. Finally, we present the insertion of nematic liquid cristals (NLC) inside the cavity, as a tuning layer. This technology showed laser emission over a 30 nm tuning range. Association of NLC with the QDH allows to envisage massively tunable polarization-controlled VCSELs

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Al, Zoubi Tariq [Verfasser]. "Molecular Beam Epitaxial Growth of III-V Semiconductor Nanostructures on Silicon Substrates / Tariq Al Zoubi." Kassel : Universitätsbibliothek Kassel, 2013. http://d-nb.info/1043814876/34.

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Franchina, Vergel Nathali Alexandra. "Dirac antidot superlattices for electrons in III-V semiconductors." Thesis, Lille 1, 2020. http://www.theses.fr/2020LIL1I002.

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Abstract:

Le graphène est l'un des matériaux les plus fascinants jamais découverts. L’observation de cette monocouche d’atomes de carbone en 2004, a suscité beaucoup d'enthousiasme dans la communauté de la physique. Il représente en fait la première réalisation d'un matériau bidimensionnel naturel. De plus, l'organisation unique des atomes de carbone lui confère des propriétés électroniques exotiques au graphène. Ainsi, la découverte du graphène a ouvert la porte à des effets quantiques difficiles à observer dans d'autres systèmes conventionnels. Néanmoins, étant un matériau naturel, la feuille de carbone ne vient que dans un arrangement atomique : les atomes sont organisés en réseau hexagonal et leurs positions sont fixes. De nos jours, les propriétés électroniques du graphène peuvent être obtenues dans d'autres systèmes, en particulier ceux ayant une symétrie triangulaire. Ces matériaux, connus sous le nom de « matériaux de Dirac », représentent une plate-forme parfaite pour tester des nouveaux phénomènes quantiques non observables dans le graphène.Dans ce travail de thèse, basé sur des travaux antérieurs et des calculs atomistiques en liaisons fortes, un potentiel périodique avec une géométrie en nid d'abeille sera appliqué sur un gaz d'électrons bidimensionnel. Le gaz d'électrons sera créé dans un puit quantique d’InGaAs/InP épitaxié par jet moléculaire. Le puit d’InGaAs et en particulier, sa nature bidimensionnelle, seront caractérisées par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et par des techniques expérimentales supplémentaires. En poussant à leur limite les lithographies de faisceau d'électrons à haute résolution ou de copolymères à blocs, les barrières de potentiel en nid d'abeilles seront nanostructurées dans la couche d'InGaAs pour confiner directement le mouvement des électrons. Ainsi, la réalisation de réseaux hexagonaux ayant une périodicité comprise entre 45 et 20 nm permettra la formation de cônes Dirac et de bandes plates non triviales couvrant des gammes d'énergie allant jusqu'à des dizaines de meV. Le matériau de Dirac obtenu et sa physique intéressante seront étudiés en utilisant la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel à basse température. De cette façon, nous ouvririons la porte à un nouveau domaine attractif qui fournirait un contrôle plus fort sur l'ingénierie des bandes en physique de la matière condensée
Graphene is one of the most fascinating materials ever discovered. The achievement of this single-layer carbon atoms in 2004, generated a lot of enthusiasm in the physics community. It represents in fact the first realization of a naturally occurring two-dimensional material. In addition, the unique organization of the carbon atoms confers graphene exotic electronic properties. Thus, the discovery of graphene opened the door to quantum mechanical effects that are difficult to observe in other conventional systems. Nevertheless, being a natural material, the carbon sheet comes in only one atomic arrangement: the atoms are organized in a hexagonal lattice and their positions are fixed. Nowadays the electronic properties of graphene can be obtained in other systems, in particular those having a triangular symmetry. These materials, known as “Dirac materials”, represent a perfect platform for testing new quantum mechanical phenomena that cannot be observed in graphene.In this thesis, based on previous works and predictive atomistic tight-binding calculations, a periodic potential with honeycomb geometry will be applied on a two-dimensional electron gas. The electron gas will be hosted in an InGaAs/InP QW heterostructure grown by molecular beam epitaxy. Low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy and additional experimental techniques will be employed to characterize the InGaAs QW and, in particular, its two-dimensional nature. By pushing to their limit high resolution electron-beam or block copolymer lithographies, the honeycomb potential barriers will be nanopatterned in the InGaAs layer to directly confine the motion of the electrons. Thus, the realization of hexagonal arrays having between 45 and 20 nm periodicity will allow the formation of Dirac cones and non-trivial flat bands covering energy ranges up to tens of meV. The final Dirac material and its exciting physics will be investigated using low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy. In this way we would open the door to a new attractive field that would provide a stronger control over the band engineering in condensed matter physics

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Halioua, Yacine. "Etude de structures hybrides : lasers à cristaux photoniques en semi-conducteurs III-V sur silicium." Paris 7, 2011. http://www.theses.fr/2011PA077169.

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Abstract:

La demande grandissante relative au transfert de données à très haut débit rencontre aujourd'hui les limites des systèmes ou circuits micro-électroniques. Il est actuellement admis qu'un transfert de données par flux lumineux permettra de significativement lever ces limites en terme de vitesse du point de vue de la communication inter- et intra-composants électroniques. Plus particulièrement, du fait de leurs propriétés intrinsèques, la combinaison de structures actives en semi-conducteur III-V et de structures passives en Silicium, dans un schéma compatible avec les procédés CMOS, ouvre d'intéressantes perspectives dans ce sens. Dans ce contexte, la présente thèse traite de la conception, la réalisation et l'étude de structures hybrides à deux niveaux composées de cristaux photoniques (CPs) en semi-conducteurs III-V couplés à un guide en Silicium. Les deux niveaux sont liés au moyen d'une couche intermédiaire de BCB. En premier lieu, l'opération laser, à faible seuil, couplée au guide de silicium sous-jacent est démontrée, aussi bien dans le cas de guides que de cavités CPs. Les caractéristiques optiques ainsi que les paramètres pertinents du système sont étudiés expérimentalement et confrontés au travail de modélisation mené en amont. Une extraction, via le guide de silicium, de la lumière émise dans le niveau actif atteignant 90% est ainsi démontrée. Cette valeur à été rendue, notamment, par le développement d'une technologie d'alignement spécifique, permettant une précision de ~25 nm, entre les deux niveaux. Enfin, l'observation de la bistabilité en régime de gain est présentée avant que soient discutées un certain nombre de perspectives
The ever-growing demand for high data transmission and processing rates is hitting the limits of microelectronic circuits and Systems. It is currently admitted that photons can significantly relieve the speed constraints of inter as well as intra-chip communications. More specifically, due to their inherent advantages, the hybridisation of III-V active and Si passive photonic structures, which are CMOS compatible, opens a new avenue for an exciting field of endeavour. In this context, the present thesis deals with fabrication and study in depth of a two level structure based on III-V photonic crystals (PhCs) evanescently coupled to silicon wires. The two levels are bonded together using an adhesive BCB-based bonding technique. Taking advantage of PhCs properties reasonably low threshold laser operation coupled to the silicon wire underneath is demonstrated, using both PhCs waveguides and wire cavities. The optical characteristics and coupling efficiencies of the System against various parameters were experimentally studied and the results successfully confronted to modelling, showing amongst other results that 90% of the light emitted in the top level is extracted via the silicon wire. Such a high value has been rendered possible by by an important work on modelling and the development of a specific alignment processing procedure providing an accuracy of ~ 25 nm. In conclusion, the observation of low-threshold bistability under gain regime is presented and numerous perspectives are discussed

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Himwas, Chalermchai. "Nanostructures à base de semi-conducteurs nitrures pour l'émission ultraviolette." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015GREAY011.

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Abstract:

Ce travail porte sur la conception, l’épitaxie, et la caractérisation structural et optique de deux types de nanostructures, à savoir des boîtes quantiques AlGaN/AIN et des nanodisques AlGaN/AIN sur nanofils GaN. Ces nanostructures ont été synthetisées par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PA-MBE) et ont été conçues pour être le matériau actif d’une lampe ultraviolette à pompage électronique (EPUV) pour la purification de l'eau. En modifiant la composition Al et la géométrie des boîtes quantiques AlGaN/AlN, leur longueur d'onde d'émission peut être réglée dans la gamme 320-235 nm tout en gardant une grande efficacité quantique interne (> 35%). Le confinement quantique a été confirmé par la stabilité de l'intensité et du temps de déclin de la photoluminescence avec la température. La quantité optimale d’AlGaN dans les boîtes pour obtenir une luminescence maximale à la température ambiante est un compromis entre densité de boîtes quantiques et rendement quantique interne. L'effet de la variation du rapport hauteur/diamètre de base sur les transitions interbande et intrabande dans les boîtes a été explorée par ajustement des données expérimentales à des calculs tridimensionnels du diagramme de bande et des niveaux quantiques. En ce qui concerne les nanodisques d’AlGaN sur nanofils GaN, l'interdiffusion Al-Ga aux interfaces et l'hétérogénéité de l'alliage ternaire sont attribuées aux processus de relaxation des contraintes. Cette interprétation a été prouvée par la corrélation des données expérimentales avec des calculs de distribution déformation en trois dimensions effectuées sur des structures qui imitent la séquence de croissance réelle. Malgré le défi du manque d'homogénéité, la longueur d'onde d'émission des nanodisques AlGaN/AIN peut être réglée dans la gamme ultraviolette en préservant une haute efficacité quantique interne. Un prototype de lampe EPUV a été fabriqué en utilisant une région active à base de boîtes quantiques AlGaN/AIN avec les valeurs optimals d'épaisseur de la région active, d'épaisseur de la barrière AlN, et de quantité d’AlGaN dans chaque couche de boîtes. Pour ce premier dispositif, le SiC a été utilisé comme substrat pour éviter les problèmes associés à l’évacuation de charge ou de chaleur. Un essai de purification de l'eau par une telle lampe a été réalisé. Tous les échantillons ont été purifiés avec succès à la dose prévue
This work reports on the design, epitaxial growth, and the structural, and optical characterization of two types of nanostructures, namely AlGaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots (SK-QD) and AlGaN/AlN nanodisks (NDs) on GaN nanowires (NWs). These nanostructures were grown using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) and were conceived to be the active media of electron-pumped ultraviolet (EPUV) emitters for water purification, operating in mid-ultraviolet range. The peak emission wavelength of three-dimensional SK-QD can be tuned in mid-ultraviolet range while keeping high internal quantum efficiency (IQE > 35%) by modifying the Al composition and the QD geometry. The efficient carrier confinement was confirmed by the stability of the photoluminescence intensity and decay time with temperature. The optimal deposited amount of AlGaN in AlGaN/AlN QDs which grants maximum luminescence at room temperature was determined by finding a compromise between the designs providing maximum IQE and maximum QD density. The effect of the variation of the QD height/base-diameter ratio on the interband and intraband optical properties was explored by fitting the experimental data with three-dimensional calculations of the band diagram and quantum levels. Regarding AlGaN/AlN NDs on GaN NWs, the Al-Ga intermixing at Al(Ga)N/GaN interfaces and the alloy inhomogeneity in AlGaN/AlN NDs are attributed to the strain relaxation process. This interpretation was proved by correlation of experimental data with three-dimensional strain distribution calculations performed on structures that imitate the real growth sequence. Despite the challenge of inhomogeneity, the emission wavelength of AlGaN/AlN NDs can be tuned in mid-ultraviolet range while preserving high IQE by adjusting the ND thickness and Al content. A prototype of EPUV emitter was fabricated using the AlGaN/AlN SK-QDs active region with proposed optimal design of active region thickness, AlN barrier thickness, and amount of AlGaN in each QD layer. For this first device, SiC was used as a substrate to prevent problems associated to charge or heat evacuation. A water purification test by such prototype EPUV emitter was carried out by irradiating E-coli bacteria, showing that all the specimens were successfully purified at the predicted ultraviolet dose

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Dumeige, Yannick. "Génération de second harmonique dans les milieux périodiques uni ou bidimensionnels à semiconducteurs III-V." Paris 11, 2002. http://www.theses.fr/2002PA112214.

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Abstract:

L'accord de phase est une condition nécessaire à l'obtention d'interactions non-linéaires du second ordre efficaces. Les matériaux semiconducteurs III-V présentent des propriétés optiques qui ne permettent pas la réalisation de cette condition par les moyens usuels. Il faut dans ce cas avoir recours à des moyens artificiels comme l'utilisation de milieux périodiques pour réaliser une ingénierie de la dispersion chromatique ou de vitesse de groupe. Nous avons réalisé et étudié expérimentalement des structures laminaires périodiques et plus particulièrement des structures multicouches AIGaAs/AlOx. Ces dernières présentent l'intérêt de permettre simultanément l'accord de phase ainsi qu'une augmentation de la densité de modes optiques favorable à l'efficacité de conversion dans le processus de génération de second harmonique. Nous avons pu en comparant différents échantillons établir expérimentalement une loi de croissance de l'efficacité de conversion proche de la puissance cinquième du nombre de périodes. Nous avons également étudié de manière numérique des structures périodiques dans lesquelles les ondes fondamentale et second harmonique sont guidées. Pour ce faire nous avons développé un code de FDTD (Finite Difference Time Domain) non-linéaire. Nous l'avons alors utilisé pour la simulation des interactions non-linéaires dans un cristal photonique unidimensionnel constitué par un guide d'onde planaire gravé périodiquement. Nous avons alors pu proposer une structure réalisant un compromis entre le confinement et les pertes par diffraction. Finalement l'utilisation de notre code FDTD nous a permis de montrer numériquement qu'un guide à défaut réalisé dans un cristal photonique bidimensionnel pouvait permettre le guidage des ondes fondamentale et second harmonique tout en réalisant la condition d'accord de phase
Phase matching is indispensable to obtain efficient second order non-linear interactions. III-V semiconductors materials have optical properties which don't allow us to obtain phase matching by usual ways. Hence we must use artificial media like periodic structures to achieve chromatic or group velocity dispersion engineering. We fabricated and studied experimentally laminar periodic structures and more particularly AlGaAs/AlOx multilayers. This kind of periodic structures permit phase matching and a simultaneous increase in the density of optical modes which is favourable for the conversion efficiency in the second harmonic generation process. By comparing different structures, we established that the conversion efficiency grows faster than the fifth power of the number of unit cells. We also studied numerically periodic structures in the waveguided regime. In order to simulate their behaviour we developed a non-linear FDTD (Finite Difference Time Domain) code. Subsequently we used it to simulate the non-linear interactions in a 1D photonic crystal constituted by a planar waveguide periodically etched. We proposed a structure achieving a compromise between confinement and diffraction lasses. Finally we demonstrated numerically with our non-linear FDTD code that a 2D photonic crystal defect waveguide allows simultaneously the waveguiding of the two waves in non-linear interaction and the phase-matching condition

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Bazin, Alexandre. "III-V semiconductor nanocavities on silicon-on insulator waveguide : laser emission, switching and optical memory." Paris 7, 2013. http://www.theses.fr/2013PA077050.

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Abstract:

La photonique sur silicium constitue une plateforme idéale pour transmettre et distribuer des signaux optiques au sein d'une puce et sur de longues distances sans pertes excessives. L'intégration de semiconducteurs NIA sur des circuits photonique en silicium est un projet excitant mais ambitieux, que nous avons mené en combinant le meilleur de l'optoélectronique des semiconducteurs III-V et des technologies photonique en siliicium-sur-isolant (SOI en anglais). Afin de pouvoir remplacer les interconnexions métalliques existantes par des interconnexion optiques, nous nous sommes efforcés d'utiliser les objets ayant les dimensions les plus petites et consommant les plus petites énergies comme peuvent l'être les nanocavités en Cristaux Photoniques incorporant des matériaux actif en III-V. Cette thèse visait à conceptualiser, fabriquer et étudier expérimentalement des structures hybrides I V/circuit photonique SOI, où une couche de III-V, collé adhésivement à quelques centaines de μm du silicium, est gravé en une cavité optique de type «nanobeam » et résonante autour de 1,5 μm. Les principaux résultats de ce travail sont les démonstration 1) d'une efficacité de couplage entre la cavité et le guide d'onde SOI facilement ajustable, pouvant excéder 90% lorsque les conditions d'accord de phase sont remplies, 2) de l'émission laser en régime continue avec des puits quantiques via la passivation des surfaces, et 3) d'une mémoire optique de durée supérieure à 2s avec des énergies de commutations ultra-faibles (~0. 4 fJ). Nous présentons aussi un modèle pour fabriquer des cavités « nanobeam » de facteurs Q très élevés, encapsulées dans un matériau bas indice
Silicon photonics constitutes an ideal platform for conveying and routing optical signals, within a chip, and this, over mm long distances with very low losses. The integration of III-V semiconductors onto silicon-on-insulator (SOI) photonic circuits is an exciting but challenging task, which we took-up by combining the best of both III-V optoelectronic and Silicon photonic technologies. In order to be able to use optical interconnects as a replacement technology of current metallic interconnects, we strove for the smallest footprint and lowest energy consuming objects which can be Photonic Crystal nanocavities embedding III-V active material. This thesis aimed at designing, fabricating and studying experimentally hybrid III-V/SOI Photonic Circuit structures, where a III-V layer, bonded adhesively at a few 100's of nm from silicon, is patterned into a nanobeam cavity of optical resonance around 1. 5 μm. The main achievements of this work are the demonstration of 1) an easily adjustable coupling efficiency between the cavity and the SOI waveguide, which can exceed 90% when the phase-matching condition are fulfilled, 2) the continuous wave laser emission with quantum well materials through surface passivation, and 3) an optical memory lasting more than 2 s with ultra- low switching energy (~0. 4 fJ). We also present in detail the fully analytical model to fabricate high-Q factor nanobeam cavities encapsulated in a low-index material

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Tremblay, Ronan. "Propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium." Thesis, Rennes, INSA, 2018. http://www.theses.fr/2018ISAR0026/document.

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Abstract:

Ce travail de thèse porte sur les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée
This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed

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Grenier, Stéphane. "Spectroscopie de diffraction résonante : études de nanostructures de semiconducteurs III-V et de l'ordre de charge dans [alpha]'-NaV2O5." Université Joseph Fourier (Grenoble), 2001. http://www.theses.fr/2001GRE10199.

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Abstract:

Nous avons développé la méthodologie expérimentale de la spectroscopie de diffraction résonnante et appliqué la méthode à la caractérisation structurale de nanostructures INAS et d'un superréseau FE0. 7MN0. 3/IR(001) ainsi qu'à la détermination de l'ordre de charge du composé NAV2O5. Dans la continuité du développement de la spectroscopie de diffraction résonnante ou DAFS (Diffraction Anomalous Fine Structure) sur la ligne D2AM de l'ESRF, nous présentons le DAFS-rapide, une méthode de mesure qui réduit considérablement le temps de mesure des spectres et qui a été utilisée conjointement à une procédure d'asservissement de la position de l'échantillon sur le pic de Bragg avec une bonne stabilité. Nous avons réalisé des analyses de l'anomalie et de la structure fine de spectres GIDAFS (Grazing Incidence DAFS) de nanostructures INAS mesurés en incidence et émergence rasantes. Les structures fines de diffraction mesurées au seuil k-as ont permis de déterminer la structure à l'échelle locale de fils INAS/INP. Nous montrons que le GIDAFS est difficilement applicable dans le cas où des atomes du substrat participent à l'effet anomal. La méthodologie expérimentale et l'analyse des spectres GIDAFS ainsi que des analyses de spectres d'absorption sur des boîtes et des fils quantiques sont présentées. Nous présentons la structure de l'ordre de charge du composé NAV2O5 résolue grâce à l'étude d'un ensemble de spectres DANES (Diffraction Anomalous Near Edge Structure) au seuil k-v ; un ordre de charge total est trouvé sur toutes les échelles de Vanadium. Nous avons également testé la faisabilité d'un affinement cristallographique des distorsions à partir d'un spectre anomal et réalisé des calculs ab initio des spectres DANES afin d'estimer le transfert de charge entre les Vanadium. Nous avons abordé l'étude d'un superréseau FE0. 7MN0. 3/IR(001) afin de dessiner le profil de population des atomes MN dans l'alliage FEMN et détecter éventuellement un effet surfactant des atomes de manganèse dans l'alliage. Cependant une analyse des spectres d'absorption et des anomalies ne nous ont pas conduit à l'observation évidente d'un effet surfactant.

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Widmann, Frédéric. "Epitaxie par jets moléculaires de GaN, AlN, InN et leurs alliages : physique de la croissance et réalisation de nanostructures." Université Joseph Fourier (Grenoble), 1998. http://www.theses.fr/1998GRE10234.

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Abstract:

Ce travail a porte sur la croissance epitaxiale des nitrures d'elements iii gan, aln, et inn, en utilisant l'epitaxie par jets moleculaires assistee par plasma d'azote. Nous avons optimise les premiers stades de la croissance de gan ou aln sur substrat al#2o#3 (0001). Le processus utilise consiste a nitrurer la surface du substrat a l'aide du plasma d'azote, afin de la transformer en aln, puis a faire croitre une couche tampon d'aln ou de gan a basse temperature, avant de reprendre la croissance de gan ou aln a haute temperature (680 a 750c). Nous avons en particulier etudie les proprietes d'une couche de gan en fonction de la temperature a laquelle est realisee l'etape de nitruration. Lorsque les conditions de demarrage de la croissance sont optimisees, nous avons pu observer des oscillations de rheed pendant la croissance de la couche de gan. Nous avons etudie l'effet du rapport v/iii sur la morphologie de surface et les proprietes optiques et structurales de cette couche. Nous avons propose l'utilisation de l'indium en tant que surfactant pour ameliorer ces proprietes. Nous avons ensuite aborde la realisation de superreseaux gan/aln dont nous avons optimise les interfaces. Les mecanismes de relaxation des contraintes de aln sur gan et gan sur aln ont ete etudies. Nous avons egalement elabore les alliages algan et ingan, comme barrieres quantiques dans les heterostructures. Nous avons montre que la relaxation elastique des contraintes de gan en epitaxie sur aln donne lieu a la formation d'ilots de tailles nanometriques, qui se comportent comme des boites quantiques. Leur densite et leur taille dependent de la temperature de croissance, et des conditions de murissement apres croissance. Les proprietes optiques de ces ilots sont gouvernees a la fois par les effets de confinement quantique et par le fort champ piezo-electrique induit par la contrainte dans les ilots.

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Briere, Gauthier. "Réalisation de méta-optiques à base de matériaux semi-conducteurs III-V pour des applications dans le visible." Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019AZUR4075.

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Abstract:

Depuis de récentes années de nouveaux composants optiques ont fait leur apparition. Ces composants connus sous les noms de « Méta-optiques » ou encore « Métasurfaces », rendent possible le contrôle et la mise en forme du front d’onde de la lumière permettant alors de mettre en forme n’importe quel faisceau incident et ainsi créer des fonctionnalités optiques classiques telles que focaliser ou dévier la lumière, ou alors des fonctionnalités aux propriétés surprenantes telle que la réalisation de métahologramme dépendant en polarisation. En effet, grâce à l’arrangement périodique de résonateurs de dimensions géométriques sous-longueur d’onde, il est alors possible d’obtenir un contrôle local arbitraire du faisceau incident. Néanmoins, même si de nombreuses applications ont pu être démontré dans la communauté, seuls quelques matériaux se retrouvent être compatibles pour le développement industriel de ces composants. De plus, afin de passer de composant passif à actif, pour la réalisation de composant dynamique, il est nécessaire de passer de matériau diélectrique à matériau semi-conducteur. C’est pourquoi dans ces travaux, nous nous sommes intéressés à l’utilisation d’un matériau semi-conducteur qui est le Nitrure de Gallium pour la réalisation de composants métasurfaciques. Nous présentons alors dans un premier temps une étude numérique des nanostructures utilisées lors de ces travaux. Puis nous montrons comment est réalisée la conception de nos méta-optiques en présentant la méthode de design et les procédés de nanofabrications employés, notamment une nouvelle technique de gravure, compatible uniquement avec les matériaux cristallins et préservant leurs propriétés optiques. Nous exposons ensuite différentes applications où nos composants sont utilisés telles que : la réalisation de métalentilles de large ouverture numérique et de large surface, l’optimisation de réseaux métasurfaciques permettant d’atteindre des efficacités de diffraction supérieur à 80% ou encore la réalisation expérimentale de méta-hologramme permettant de conserver l’information du moment angulaire orbitale du faisceau incident
In the past years, new optical components have appeared. These components, known as "meta-optics" or "metasurfaces", made it possible to control and to shape the wavefront of the light. This allows the control of any incident beam and the creation of conventional optical functionalities, such as focusing or deflecting the light, or functionalities with additional features such as the possibility of creating polarization-dependent meta-holograms. Indeed, thanks to the periodic arrangement of resonators with sub-wavelength geometric dimensions, it is possible to obtain an arbitrary local control of the incident beam. Nevertheless, even though many applications have been demonstrated in the community, only a few materials are found to be compatible for the industrial development of these components. In addition, in order to pass from passive to active components for the fabrication of dynamic devices, it is necessary to switch from dielectric materials to semiconductor materials. For these reasons, we are interested in the use of a semiconductor material, Gallium Nitride, for the development of metasurface components. We first present a numerical study of the nanostructures used during this work. Then, we show how the design of our meta-optics is done by presenting the numerical conception method and nanofabrication processes used, which includes a new etching technique compatible only with crystalline materials while preserving their optical properties. Finally, we suggest different applications where our components can be used, such as: the development of metalenses with high numerical aperture and large surface; the optimization of metasurface high contrast gratings allowing to reach diffraction efficiencies higher than 80%; or the fabrication of meta-holograms preserving the information of the orbital angular momentum of the incident beam

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Nguyen, Quang Tuong. "Effets de spin dans les nanostructures semi-conductrices : modélisation et expériences de magnéto-transport." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00113255.

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Le couplage spin-orbite combiné avec des effets de brisure de la symétrie d'inversion conduit au dédoublement de niveaux d'énergie de la structure de bande réelle et complexe des matériaux massifs et des hétérostructures bidimensionnelles tels que puits quantiques et hétéro-jonctions. La première partie de ce travail calcule numériquement les trois contributions au splitting de spin : BIA, SIA et IIA en se basant sur le modèle k.p de Kane étendu à 14 bandes et sur les nouveaux paramètres obtenus par la méthode des liaisons fortes. Plusieurs résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux anciens. Nous avons obtenu, pour la première fois, une description quantitative satisfaisante des relations de dispersion des sousbandes de valence d'un puits quantique GaAs/(AlGa)As (mesurées par le groupe de L. Eaves par effet tunnel résonnant en présence d'un champ magnétique dans le plan.) et de leur splitting de spin (mesuré il y a déjà longtemps par H. Stormer et al.). Ces résultats semblent indiquer que le terme IIA est effectivement petit dans ce cas. Nous avons également calculé les spectres d'absorption optique de puits quantiques et obtenu, avec la nouvelle paramétrisation, un accord remarquablement bon avec des résultats expérimentaux d'O. Krebs sur l'effet Pockels confiné quantiquement.

Nous examinons ensuite la structure de bande complexe du GaAs et montrons par une représentation complexe et non purement imaginaire du vecteur d'onde que les états évanescents existent pour toutes les directions de la zone de Brillouin. Cette existence se manifeste par des boucles reliant les bandes de conduction et les bandes de valence. Ce résultat est une contribution originale sur le concept de filtre de spin.

La deuxième partie de ce travail porte sur l'étude expérimentale du rôle de couplage spin-orbite dans des fils quantiques semi-balistiques obtenus par gravure à partir d'une structure à gaz bidimensionnel d'électrons. Nous espérons observer une transition entre le régime de localisation faible et celui, opposé, d'antilocalisation faible. Les pics observés expérimentalement lors des mesures de la magnétorésistance ont des propriétés qui sont bien expliquées en termes de la localisation faible. Ces mesures nous ont permis d'extraire des différents temps caractéristiques des échantillons et d'observer les changements de régime fort champ magnétique/bas champ magnétique liés à la nature quasi-balistique des échantillons.

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Coelho, José. "Organisation à longue distance par un réseau de dislocations faiblement enterré de nanostructures de semiconducteurs III-V auto-assemblées sur substrat de GaAs." Paris 11, 2004. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00007633.

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Abstract:

Les nanostructures auto-assemblées sont particulièrement intéressantes pour des applications en opto-électronique et en photonique, notamment sur substrat de GaAs. Néanmoins, leur répartition spatiale à longue distance est aléatoire, leur densité est difficile à conrôler, leur distribution en taille peut être large et leurs formes peuvent êtres différentes. En palliant ces limitations, on devrait pouvoir améliorer les performances de dispositifs existants ou d'en fabriquer de nouveaux. Ce travail étudie la possibilité d'organiser à longue distance des nanostructures auto-assemblées sur substrat de GaAs, grâce aux champs élastiques produits en surface par des réseaux de dislocations (RDs) périodiques faiblement enterrés. Ces RDs se forment à l'interface cristalline entre une fine couche de GaAs et un substrat de GaAs (joints par <>) pour accommoder des désorientations entre leurs plans cristallins. Nous avons montré par 'intermédiaire d'une étude de microscopie électronique en transmission que les désorientations peuvent être choisies de sorte que les dislocations forment un réseau hexagonal périodique présentant des caractéristiques favorables à l'organisation bidimensionnelle à longue distance de nanostructures. Nous avons démontré expérimentalement une telle organisation pour des nanostructures auto-assemblées de GaAs et d'InGaAs
Self-assembled nanostructures are particularly interesting for optoelectronic and photonic applications, especially on GaAs substrate. Nevertheless, their long-range spatial distribution is random, their density is difficult to control, their size distribution can be large and their shapes can be different. By overcoming these drawbacks, it should be possible to improve the performances of existing devices or to fabricate new ones. This work studies the possibility to order on a long-range self-assembled nanostructures on GaAs substrate, by means of the elastic fields induced at the surface by shallowly buried periodic dislocation networks (DNs). These DNs form at the crystalline interface between a thin GaAs layer and a GaAs substrate (joined together by <>) in order to accommodate crystalline misorientations between their crystallographic planes. We showed by means of a transmission electron microscopy study that the misorientations can be chosen so that the dislocations form a periodic hexagonal network, which possesses characteristics favorable to the two-dimensional long-range ordering of nanostructures. We demonstrated experimentally such an ordering for GaAs and InGaAs self-assembled nanostructures

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Coelho, José. "Organisation à longue distance par un réseau de dislocations faiblement enterré de nanostructures de semiconducteurs III-V auto-assemblées sur substrat d'arséniure de gallium." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00007633.

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Abstract:

Les nanostructures auto-assemblées sont particulièrement intéressantes pour des applications en opto-électronique et en photonique, notamment sur substrat de GaAs. Néanmoins, leur répartition spatiale à longue distance est aléatoire, leur densité est difficile à contrôler, leur distribution en taille peut être large et leurs formes peuvent êtres différentes. En palliant ces limitations, on devrait pouvoir améliorer les performances de dispositifs existants ou d'en fabriquer de nouveaux. Ce travail étudie la possibilité d'organiser à longue distance des nanostructures auto-assemblées sur substrat de GaAs, grâce aux champs élastiques produits en surface par des réseaux de dislocations (RDs) périodiques faiblement enterrés. Ces RDs se forment à l'interface cristalline entre une fine couche de GaAs et un substrat de GaAs (joints par <>) pour accommoder des désorientations entre leurs plans cristallins. Nous avons montré par l'intermédiaire d'une étude de microscopie électronique en transmission que les désorientations peuvent être choisies de sorte que les dislocations forment un réseau hexagonal périodique présentant des caractéristiques favorables à l'organisation bidimensionnelle à longue distance de nanostructures. Nous avons démontré expérimentalement une telle organisation pour des nanostructures auto-assemblées de GaAs et d'InGaAs.

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Desplats, Olivier. "Préparation de surfaces structurées et reprise d'épitaxie par jets moléculaires. Réalisation de micro et nanostructures sur GaAs." Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00309826.

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Abstract:

La structuration de surface et la reprise d'épitaxie sont des technologies clé pour le développement des (nano)dispositifs optoélectroniques avancés. Nos travaux de thèse ont visé la préparation de surfaces GaAs micro et nanostructurées pour l'épitaxie et l'étude de la croissance dirigée de boîtes quantiques InAs sur ces surfaces. La lithographie électronique a été retenue pour structurer la résine en surface et une attaque chimique pour le transfert du motif dans le semiconducteur. La décontamination de la surface par plasma micro-onde O2 : SF6 a été démontrée. Sa rugosité a été supprimée par désoxydation in-situ à basse température avec un plasma d'hydrogène. L'influence de l'orientation et de l'échelle des motifs sur l'épitaxie de GaAs a été précisée. Des boîtes quantiques d'InAs ont été réalisées sur ces surfaces recouvertes d'un puits de GaInAs et leur organisation obtenue. Cette méthode de préparation convient aussi pour l'épitaxie sélective de GaAs sur des surfaces structurées par des motifs de Si3N4.

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Silvestre, Sarah Constant Eugène. "Stabilité des interactions silicium-hydrogène sous irradiation optique ou électronique dans les semiconducteurs à base de GaAs application à la fiabilité et à la nanofabrication de composants III-V /." [S.l.] : [s.n.], 2002. http://www.univ-lille1.fr/bustl-grisemine/pdf/extheses/50376-2002-15-16.pdf.

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Silvestre, Sarah. "Stabilité des interactions silicium-hydrogène sous irradiation optique ou électronique dans les semiconducteurs à base de GaAs : application à la fiabilité et à la nanofabrication de composants III-V." Lille 1, 2002. https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/Th_Num/2002/50376-2002-15-16.pdf.

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Hertl, Vít. "Studium fotovoltaických nanostruktur mikroskopickými metodami." Master's thesis, Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2018. http://www.nusl.cz/ntk/nusl-444405.

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Abstract:

V této diplomové práci je nejprve ve zkratce uvedena teorie fyziky solárních článků, kde jsou zmíněny klíčové procesy ovlivňující účinnost konverze slunečního záření na elektrickou energii. Dále je předložena rešerše o fotovoltaických nanostrukturách (nanodráty, nanokrystaly), jejichž implementací je možné účinnost solárních článků zvýšit. V přehledu experimentálních technik ke zkoumání fotovoltaických nanostruktur je důraz kladen zejména na korelativní měření pomocí SEM a AFM, vodivostního AFM, měření EBIC a mikroskopické měření elektroluminiscence. V experimentální části jsou předloženy výsledky měření struktur mikrokrystalického křemíku, vzorku hetero-přechodového Si solárního článku s kontakty na zadní straně (IBC-SHJ z projektu NextBase) a V-pitů vzorku InGaN/GaN kvantových jam. Měření elektroluminiscence bylo provedeno na vzorcích III-V polovodičů (InGaP, GaAs). Byly vypočítány jinak těžko dostupné charakteristiky III-V tandemových solárních článků pomocí elektroluminiscence a srovnání vlastností IBC-SHJ zjištěných pomocí mikroskopického měření elektroluminiscence a EBIC. Provedením experimentů bylo zjištěno, jakým způsobem se dělí proud vybuzený svazkem elektronů mezi hrot AFM a vzorek mikrokrystalického křemíku.

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Cariou, Romain. "Epitaxial growth of Si(Ge) materials on Si and GaAs by low temperature PECVD: towards tandem devices." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2014. https://theses.hal.science/tel-01113794/document.

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Abstract:

Cette thèse s'intéresse à la croissance épitaxiale de Si et SiGe à basse température (200°C) par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma (PECVD), et à l'utilisation de ces matériaux cristallins dans les cellules solaires en couches minces. L'objectif était de mieux comprendre cette croissance inattendue et d'étudier le potentiel de ces matériaux pour les cellules simples et multijonctions. Nous avons d'abord démontré qu'il est possible d'effectuer, avec un réacteur PECVD standard, un nettoyage efficace de la surface du c-Si et de poursuivre par une croissance épitaxiale de couches de Si jusqu'à 8µm d'épaisseur. L'impact des paramètres du procédé tels que la dilution du SiH4 dans l'H2, l'énergie des ions ou encore la pression totale, sur la qualité des couches a été mis en évidence. Les propriétés électriques et structurelles des couches ont été analysées, et nous avons démontré une amélioration de la qualité cristalline avec l'épaisseur de la couche. La croissance épitaxiale de Ge et SiGe sur c-Si dans des conditions similaires a également été établie. Ensuite, par une séquence d'étapes à moins de 200°C, des hétérojonctions PIN sur substrats très dopés, avec une couche absorbante épitaxiée de 1-4µm ont été réalisées, atteignant 8. 8% de rendement (sans piégeage optique) et 80% de FF. Le remplacement du Si par du Si0:73Ge0:27 a permis un gain de 11% sur le Jsc. Le contrôle de l'interface wafer/épi et des contraintes permet de favoriser le décollement : des couches epi-Si de 1. 5µm/10cm^2 ont été reportées sur verre avec succés. Nous avons également analysé l'influence de nanostructures photoniques sur les propriétés des dispositifs. L'étude conjointe de la croissance, du transfert et du piégeage optique ouvre la voie aux cellules c-Si ultra-minces (<10µm) bas côut. Enffin, contrairement au scénario classique de dépôt des matériaux III-V sur Si, nous avons étudié l'hétéroépitaxie de Si sur III-V. Avec cette approche, une bonne qualité cristalline de Si déposé directement sur GaAs est obtenue grâce aux faibles contraintes thermiques et à l'absence de problèmes de polarité à l'interface. Nous avons fabriqué des cellules GaAs avec 20% d'efficacité et des jonctions tunnel atteignant 55A/cm^2 par dépôt MOVPE. Une augmentation du courant tunnel par exposition au plasma d'hydrogène a aussi été démontrée. Ces résultats de croissance, cellule et jonction tunnel, couplés aux techniques de report, valident les briques élémentaires pour atteindre une cellule tandem AlGaAs(MOVPE)/SiGe(PECVD) à haut rendement
This thesis focuses on epitaxial growth of Si and SiGe at low temperature (200°C) by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), and its application in thin film crystalline solar cells. Our goal is to gain insight into this unusual growth process, as well as to investigate the potential of such low temperaturedeposited material for single and multi-junction solar cells. First, we have proposed a one pump-down plasma process to clean out-of-the-box c-Si wafer surface and grow epitaxial layers of up to 8µm thick, without ultra-high vacuum, in a standard RF-PECVD reactor. By exploring the experimental parameters space, the link between layer quality and important physical variables, such as silane dilution, ion energy, or deposition pressure, has been confirmed. Both material and electrical properties were analyzed, and we found that epitaxial quality improves with film thickness. Furthermore, we could bring evidence of SiGe and Ge epitaxial growth under similar conditions. Then, with the whole process steps <200°C, we have achieved PIN heterojunction solar cells on highly doped substrates with 1-4µm epitaxial absorber, reaching 8. 8% efficiency (without light trapping) and 80. 5% FF. Replacing Si absorber by epitaxial Si0:73Ge0:27 resulted in 11% boost in Jsc. The use of an engineered wafer/epitaxial layer interface and stress enables easy lift-off: e. G. We successfully bonded 1. 5µm thick 10cm^2 epi-Si to glass. Additionally, we have considered the impact of photonic nanostructures on device properties. Together, the control of growth, transfer and advanced light trapping are paving the way toward highly efficient, ultrathin (<10µm) and low cost c-Si cells. Finally, in contrast with general trend of growing III-V semiconductors on Si, we have studied the hetero-epitaxial growth of Si on III-V. Good crystal quality was achieved by direct Si deposition on GaAs, thanks to reduced thermal load and suppressed polarity issues in this approach. Using MOCVD, we could build GaAs cells with 20% efficiency and III-V tunnel junctions reaching 55A/cm^2. Tunneling improvement upon H-plasma exposure was shown. Those results, combined with III-V layer lift-off, validate milestones toward high efficiency tandem AlGaAs(MOVD)/SiGe(PECVD) metamorphic solar cells

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Solere, Alexis. "Instabilité de croissance dans les couches épitaxiées contraintes." Ecully, Ecole centrale de Lyon, 1999. http://www.theses.fr/1999ECDL0053.

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Abstract:

Instabilité de croissance dans les couches épitaxiées contraintes. Etude par microscopie à effet tunnel du système In1-xGaxAs / InP (001). La croissance hétéroépitaxiale de films semiconducteurs contraints manifeste une instabilité morphologique: la croissance évolue d'un mode couche par couche vers un mode par îlots tridimensionnels. La compréhension physique de ce phénomène est impotante tant pour la réalisation d'interfaces planes qui est recherchée pour les applications microélectroniques que pour l'élaboration de nanostructures dont le caractère quantique pourrait conduire à de nouvelles applications. L'étude par microscopie à effet tunnel (STM) menée dans ce travail concerne le système III-V In1-xGaxAs contraint sur InP (0011̅) qui, selon la composition x choisie, permet d'obenir une contrainte compressive (x<0,47;ε<0) ou tensile (x>0,47;ε>0). Les rôles du signe et de l'amplitude de la contrainte sont ainsi étudiés en suivant le comportement en croissance de quatre systèmes contranits: GaAs (ε=+3,8%), In0,25Ga0,75As (ε=-2%), In0,82Ga0,18As (ε=-2%) et InAs (ε=-3,1%). Par ailleurs, l'importance des conditions de sursaturation sur la croissance des couches a été mise en évidence en utilisant deux protocoles de croissance: sursaturation arsenic pour l'un, sursaturation cation pour l'autre. Dans des conditions de croissance standard, sous pression d'arsenic majoritaire, une transition 2D-3D du mode de croissance brutale est observée en compression; elle conduit à la formation d'îlots tridimensionnels fiaires, étirés dans la direction[11 ̅0] et répartis sur toute la surface. Le déclenchement de l'instabilité est d'autant plus précoce et l'anisotropie de forme d'autant plus marquée que la contrainte est forte. En tension, l'instabilité se manifeste par un processus continu de rugosification qui mène, à terme, à une morphologie 3D anisotrope également allongée suivant [11 ̅0]. Losque les espèces d'élément III sont excédentaires (stabilisation cationique), le mode de croissance couche par couche est maintenu, et ce jusqu'à l'observation des premiers effets plastiques. De telles morphologies 2D sont par ailleurs stables vis-à-vis d'un recuit en température. L'ensemble des résultats peut se comprendre en considérant la compétition entre énergie de marche-qu'il faut créer pour avoir des structures 3D- et énergie de relaxation- qui est rendue possible par la création des marches. La formation de structures filaires s'explique par la grande différence d'énergie entre marches A[1 1 0] et marches B [11 ̅0]. L'absence de transition 2D-3D s'interprète bien par une grande énergie de marches pour la surface à terminaison cationique; la transition 2D-3D ne peut alors se produire avant que n'apparaissent les premiers effets plastiques. De même, le comportement non symétriqueentre compression et tension indiquerait une énergie de marche plus faible en tension qu'en compression; la création de marches dans les couches en tension serait toujours favorisée. Le modèle met également en évidence les effets de surcontrainte locale, au bas des marches, qu'il est nécessaire de considérer pour expliquer la formation des structures filaires lors de la transition 2D-3D
Unstability in the growth of epitaxially strained layers. Study by scanning tunneling microscopy of the system In1-xGaxAs / InP (001). The heteroepitaxial growth of semiconducting strained films shows a morphological unstability: the growth evolves from a layer-by-layer growth mode towards a three-dimensional mode with islands. Understanding the physics of this phenomenon is of a great importance as for the realization of flat interfaces that is sough-after for microelectronic applications as for the elaboration of nanostructures whose quantum character could drive to novel applications. The scanning tunneling microscopy (STM) study developed in this work concerns the III-V system In1-xGaxAs strained on InP (001) which, according to the chosen composition x, allows to obtain a compressive (x<0,47;ε<0) or a tensile (x>0,47;ε>0) strain. The roles of the sign and of the intensity of the strain are thus studied by following the growth behavior of four strained systems: GaAs (ε=+3,8%), In0,25Ga0,75As (ε=-2%), In0,82Ga0,18As (ε=-2%) and As(ε=-3,1%). Moreover, the importance of the supersaturation conditions on the layers growth has been proved by using two different protocols: supersaturation of arsenic as a first and cationic supersaturation as the other. In standard growth conditions, with an excess of arsenic prssure, an abrupt 2D-3D transition in the growth mode is observed in the compression case; it leads to the formation of wire-shaped three-dimensional islands that are extended in the [1 1 0] direction and spread out the whole surface. The starting of the unstability is all the earlier and the anisotropic shape is all the more pronouced since the strain is strong. In the tension case, the unstability appears through a continuous roughening process which results, at the end, in a 3D anisotropic [11 ̅0]-oriented morphology. When the elements III are in majority (cation-rich stabilization), the layer-by-layer growth mode is preserved, and this until the first plastic defaults occur. Such 2D morphologies are stable against thermal annealing. The whole results can be described through a model, considering the competition between step energy-steps are necessary to create 3D structures- and relaxed strain energy-relaxation becomes possible through steps creation. The formation of wire-shaped structures can be explained by the large difference in the energy of A-steps ([11 ̅0]-oriented) and B-steps([11 ̅0]-oriented). The absence of 2D-3D transition can be sucessfully interpreted by a high step energy on cation-stabilized surfaces; the 2d-3D transition cannot then occur before the first plastic defaults appear. Also, the non-symmetrical behavior between compression and tension would indicate a weaker step energy in the tensile case than in compression; the steps creation in layers under tension would always be favored. Moreover, the model points out local overstrain effects, at the bottom of the steps, which must be considered to justify the formation of wire-shaped structures during the 2D-3D transition

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Desplats, Olivier. "Préparation de surfaces structurées et reprise d'épitaxie par jets moléculaires : réalisation de micro et nano structures sur GaAs." Toulouse 3, 2008. http://thesesups.ups-tlse.fr/299/.

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Abstract:

La structuration de surface et la reprise d'épitaxie sont des technologies clé pour le développement des (nano)dispositifs optoélectroniques avancés. Nos travaux de thèse ont visé la préparation de surfaces GaAs micro et nanostructurées pour l'épitaxie et l'étude de la croissance dirigée de boîtes quantiques InAs sur ces surfaces. La lithographie électronique a été retenue pour structurer la résine en surface et une attaque chimique pour le transfert du motif dans le semiconducteur. La décontamination de la surface par plasma micro-onde O2 : SF6 a été démontrée. Sa rugosité a été supprimée par désoxydation in-situ à basse température avec un plasma d'hydrogène. L'influence de l'orientation et de l'échelle des motifs sur l'épitaxie de GaAs a été précisée. Des boîtes quantiques d'InAs ont été réalisées sur ces surfaces recouvertes d'un puits de GaInAs et leur organisation obtenue. Cette méthode de préparation convient aussi pour l'épitaxie sélective de GaAs sur des surfaces structurées par des motifs de Si3N4
Surface patterning and epitaxial regrowth are key technologies for novel optoelectronic (nano) devices. The aim of this thesis has been to develop a preparation of GaAs micro- and nanopatterned surfaces suited for regrowth and to study the organization of InAs quantum dots on these surfaces. The patterns have been achieved by electronic lithography in a cap resist and transferred into GaAs by chemical etching. Surface decontamination by a O2: SF6 micro-wave plasma has been demonstrated. Roughening upon in situ deoxidization has been prevented thanks to a low temperature H plasma treatment. Molecular beam epitaxy on these patterned surfaces has been studied. InAs quantum dots have been grown and lateral ordering has been attained. This preparation method has been shown to be efficient for GaAs selective regrowth on Si3N4/GaAs patterned surfaces

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Huang, Cheng-Ying, and 黃政穎. "Heteroepitaxy and Optical Characterization of GaAs III-V Materials Grown on Si Nanostructure." Thesis, 2009. http://ndltd.ncl.edu.tw/handle/35879581949113786990.

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Abstract:

碩士
國立臺灣大學
電子工程學研究所
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In this thesis, the heteroepitaxy and optical properties of GaAs grown on planar Si wafer and Si nanostructure by gas-source molecular beam epitaxy (GSMBE) have been investigated. First, the GaAs on planar Si wafer contains high density of structural defects such as misfit dislocations, threading dislocations, stacking faults, microtwins, and antiphase boundaries, which are mostly around the GaAs/Si interface. However, the density of structural defects is significantly reduced with the increment of epilayer thickness. Additionally, the residual tensile strain in GaAs epilayer, resulting from the mismatch of thermal expansion coefficient between GaAs and Si, is also observed. On the growth of GaAs in Si nano-trenches, the low temperature deposition is incapable of filling GaAs into Si nano-trenches due to the nucleation of GaAs on the trench sidewall and shallow-trench-isolation oxide, which could further develop to thick polycrystalline GaAs layer and seal the trench opening. With orient-beam epitaxy and high temperature one-step growth, high-quality GaAs is selectively grown in 40-nm-wide Si trenches successfully. To our knowledge, it is the first accomplishment of GaAs grown in 40-nm Si trenches by GSMBE. Furthermore, a metamorphic GaAs in 80-nm Si trench was investigated in detail by cross-sectional transmission electron microscopy. The results indicate that no threading dislocations and antiphase boundaries exist in epitaxial GaAs; only microtwins and 60° misfit dislocations are generated, which can efficiently relieve the lattice misfit strain. The disappearance of threading dislocations could be attributed to the large lattice misfit stress and the sidewall image force, which could drive the threading dislocations to glide to the sidewall. The disappearance of antiphase boundaries is probably due to single nucleus growth in the trench. Finally, the optical properties of GaAs in Si nano-trenches were studied by Raman spectroscopy and cathodoluminescence spectroscopy at room temperature. Irrespective to trench orientation along [110] or [100], strong TO phonon mode is observed in Raman spectra, indicating that the breakdown of Raman selection rule due to the presence of microtwins and surface faceting. Surface optical (SO) phonon mode is also observed in this study. With the decrement of trench width, SO phonon peak slightly shifts to TO phonon and its intensity increases as well. The cathodoluminescence result reveals a strong band-to-band emission of GaAs in Si nano-trenches, indicative of a significant reduction of non-radiative centers and the good crystalline quality.

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Hoenk, Michael Eugene. "Orientation selective effects in III-V heterostructure systems with application to nanostructure fabrication." Thesis, 1990. https://thesis.library.caltech.edu/2560/1/Hoenk_me_1990.pdf.

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Abstract:

Orientation selective effects in the molecular beam epitaxial (MBE) growth of Al1-xGaxAs on a patterned (100) GaAs substrate are investigated. Under particular growth conditions, the spontaneous, selective formation of a superlattice or quantum wire array on the sides of grooves is observed. Experiments and modelling indicate that this growth technique, orientation selective epitaxy (OSE), has application to the in situ growth of manometer scale structures. An optical fiber cathodoluminescence system is described. By using an optical fiber to collect light directly from the surface of the sample, spectrally resolved cathodoluminescence measurements can be done without precluding simultaneous measurement of other signals. The system attains comparable performance to alternative systems which utilize concave mirrors for light collection. A cryogenic cold stage, using a continuous flow of liquid helium or nitrogen, is described. Experimental results on the MBE growth of AlxGa1-xAs on [011] grooves in a (100) GaAs substrate exhibit orientation selective effects. Spontaneous growth of a superlattice is observed on the sides of grooves. The superlattice, with a period of approximately 70A, exhibits strong luminescence, red-shifted by 127 meV from the emission of uniform Al0.25Ga0.75As grown on adjacent facets. This is the first observation of compositional modulation in the growth of AlGaAs on a {111} surface. The abrupt termination of the superlattice at the interface with adjacent facets constitutes a heterojunction oriented lateral to the growth direction, the first such structure to be formed spontaneously during growth. Orientation selective epitaxy is modelled, using calculations and Monte Carlo simulations of growth on surfaces inclined with respect to the substrate rotation axis. The proposed mechanism predicts an in-plane variation of the composition, resulting from growth by step flow in the presence of time dependent fluxes. The time dependence is caused by the inclination of the surface with respect to the substrate rotation axis. The dependence of OSE growth on surface orientation is investigated by varying groove orientation in a patterned (100) GaAs substrate. A strong dependence of cathodoluminescence emission on groove orientation is observed. In some ranges of groove angles, monotonic dependence of the peak emission on groove orientation is observed, suggesting the possibility of bandgap tuning by variation of surface orientation. In growth on [010] grooves, quantum wire arrays were observed, with a wire dimension of approximately 60A. The growth of AlxGa1-xAs in oval defects is investigated. A strong dependence of the composition on the orientation of growth in oval defects is observed. Comparison with growth in grooves indicates that orientation selective epitaxy plays a role in determining AlxGa1-xAs composition in oval defects.

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Nyembe, Sanele G. "Group III-V nanostructures application in gas sensing." Thesis, 2018. https://hdl.handle.net/10539/26697.

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Abstract:

A thesis submitted to the Faculty of Science, School of Chemistry at the University of the Witwatersrand, Johannesburg, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, 2018
The advent of nanoscience and nanotechnology has made it possible to control several properties such as material shape, size and stability. However, different production approaches are often required. Engineered surfaces with tailor-made properties such as large surface area or specific reactivity are used routinely in a range of applications such as in fuel cells, catalysis, etc. Nanomaterials with unique morphologies have been developed and used in fields such as electronic device manufacture, chemistry and engineering. Synthesis of gold icosahedral (Ih) and decahedral (Dh) nanostructures was successfully achieved through a two-step heterogeneous nucleation process. Citrate stabilised seeds were used to grow these nanostructures. Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) was used to promote fast growth of Au nanostructure along the [111] crystal lattice plane. Dh and Ih nanostructures are known to be thermodynamically unfavourable above size of 5 nm. Successful growth of such nanostructures above this critical size limit was explained in terms growth kinetics. Gold nanostructures were found to have an average particle size of 50 nm and a narrow size distribution range of 45 nm to 55 nm. The seeds were fast-handled during growth to enhance the formation of these nanostructures. In-depth characterisation of these nanostructures confirmed that they formed via crystal twinning mechanism. Synthesis of gold nanostructures with different sizes was achieved through a three-step heterogeneous nucleation process. Different types of seeds were prepared using different stabilizers (Citrate and CTAB). Citrate and CTAB stabilized seeds were used to grow Au nanostructures separately. The CTAB stabilized seeds showed polydispersity, suggesting the presence of various shapes. These seeds produced agglomerated particles of various shapes with a wide particle diameter distribution ranging from 50 nm to 200 nm. The triangular Au nanostructures present in the mixture had a 3 dimensional morphology (i.e. pyramid shape) as confirmed by atomic force microscopy (AFM). The citrate stabilized seeds were monodisperse and they yielded well dispersed Au nanostructures with uniform morphologies. These Au nanostructures had an average particle size of 50 nm and a narrow size distribution range of 45 nm to 55 nm. iii Laser assisted synthesis of silicon nanowires (SiNWs) was achieved through the use of gold and nickel nanoparticles as catalysts. The diameter of the resulting SiNWs was found to be dependent on that of the catalyst. The gold catalysed silicon nanowires were unevenly curved and branched owing to the high kinetic energy possessed by gold nanoparticles (AuNPs) at relatively high processing temperature. The use of nickel as catalyst resulted in the formation of several SiNWs on a single nickel catalyst due to interconnection of the nickel metal particles at processing temperature. The morphology of SiNWs catalysed by both nickel and gold was controlled by optimising the laser energy during ablation. Indium phosphide nanowires (InPNWs) with an average diameter of 87 nm were successfully synthesized through thermal chemical vapour deposition (CVD) method. The smooth surface nanowires showed a relatively narrow size distribution of 70 nm to 105 nm. Temperature programmed deposition (TPD) was used to study the thermodynamic behaviour of gas desorption. The study revealed that gaseous CO and CH4 molecules bind to InPNW surface through chemical and physical adsorption. Redhead method was used to estimate the enthalpy energy of desorption for CO and CH4 to be 142 kJ/mol and 38 kJ/mol. The sorption temperature ranges were found to be 220 ̊C to 260 ̊C for CO and -50 ̊C to -20 ̊C for CH4. InPNWs were used to fabricate a gas sensor electronic device and were tested for performance. The device showed a quick response time of 29.19 s for CO at 250 ̊C. Indium arsenide nanowires (InAsNWs) with an average diameter of 45 nm were successfully synthesized using homogeneous catalysis approach and chemical vapour deposition method. Succesful synthesis of InAsNWs was achieved at a temperature of 700°C suggesting that solution-liquid-solid growth mechanism was involved. Synthesis conditions were optimised to minimise InAsNWs polytypism and stacking faults. The results showed that InAsNWs have significant adsorption sites and affinity for CO and H2S gases due to the formation of electron accumulating surface. The calculation of enthalpy energy of desorption revealed that interaction of InAsNWs and CO was through physisorption. InAsNWs showed a response time of 72s for CO at 250 ̊C. Characterization of the nanostructures was carried out using high resolution transmission electron microscope (HRTEM), Raman spectroscope, high resolution scanning electron microscope (HRSEM), UV-Vis spectrometer, X-ray diffractometer (XRD), temperature programmed desorption (TPD) and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscope (DRIFTS).
XL2019

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Dissertations / Theses on the topic 'III-V nanostructure'

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