Etude des propriétés électroniques des boîtes quantiques InAs/InP par spectroscopie de défauts profonds (DLTS) pour des applications optoélectroniques

Ce travail porte sur une étude des propriétés électroniques des boîtes quantiques InAs/InP, qui est un système très prometteur pour les télécommunications. Ces nanoparticules sont étudiées pour différentes tailles, densité et dopage. Dans le premier chapitre, nous décrivons l intérêt du système InAs/InP pour les applications optoélectroniques. Nous présentons la technique de croissance et quelques exemples d applications de ces boîtes quantiques. Nous donnons une description générale complète des processus d émission susceptible d exister dans ces structures. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les méthodologies de caractérisation électrique mises en jeu, en insistant sur la complémentarité de deux techniques d analyse : la spectroscopie transitoire des défauts profonds et la mesure C(V). Dans le troisième chapitre, nous étudions ces boîtes quantiques avec la technique C(V) pour aboutir à une analyse qualitative et quantitative des profils N(W) des échantillons. Une étude de ce profil en fonction de la température nous permet de déterminer les types d émission qui dominent dans nos structures. L effet du fort dopage de la couche matrice, ainsi que la densité de boîtes est discuté. Dans le quatrième chapitre, une étude DLTS menée sur l ensemble des échantillons disponibles montre plusieurs défauts reliés au contrôle de la croissance et de la qualité des interfaces. En outre, une étude plus approfondie nous permet d extraire la réponse électrique des boîtes quantiques ainsi que leurs états électroniques s et p existants.This work deals with a study of the electronic properties of InAs / InP quantum dots, which is a very promising material system for telecommunications. These nanoparticles are studied for different sizes, density and doping. In the first chapter, we describe the interest of the InAs / InP system for optoelectronic applications. As a result we present the growth technique and some examples of applications of these quantum dots. In addition, we present a description of the emission process may exist in these structures. In the second chapter, we present the electrical characterization methodologies: the Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and the C (V) measurement. In the third chapter, we study the quantum dots to achieve a qualitative and quantitative analysis of profiles N (W) samples. A study of the profile as a function of temperature gives an overview of the types of emission that dominate in our structures. The effect of heavy doping of the matrix layer and of density of dots is discussed. In the fourth chapter, a DLTS study of all samples shows several defects related to growth and interface quality. In addition, further study allows us to extract the s and p electronical state response of quantum dot.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Optimisation de la mesure de travail de sortie par microscopie à sonde locale sous vide (application aux dispositifs avancés)

La compréhension des propriétés électriques de nano-objets est essentielle pour le développement s des nanotechnologies. La microscopie à force Kelvin (KFM) est une des techniques les plus utiles pour cartographier simultanément la topographie et la différence de potentiel de contact (CPD) à l'échelle nanométrique. Après 20 ans de développement, la KFM est principalement utilisé dans des conditions normales de pression et de température, permettant d'effectuer, de manière simple, de multiples analyses comparatives. Toutefois, sous ultra-vide (UHV), comme la surface est contrôlée et que la sensibilité est meilleure, des mesures plus précises et plus fiables sont réalisables. Dans la première partie, la mesure KFM sous atmosphère ambiante est améliorée en développant la technique simple-passage à la fois en modulation de fréquence (FM) et en modulation d'amplitude (AM). Une électronique externe Nanonis a été adaptée sur les AFMs commerciaux (Dimension 3100 et MultiMode, Bruker). Une étude comparative avec le mode Lift a été réalisée sur des couches de graphène épitaxié sur échantillon de SiC. L'effet de la distance pointe-échantillon sur le contraste et la résolution est décrit ainsi que l'influence des paramètres expérimentaux. Une amélioration significative du contraste et de la résolution est clairement observée sur les résultats obtenus par la technique simple passage en modulation de fréquence, indépendamment de la distance pointe-échantillon. Dans une deuxième partie, la technique KFM est développée sous vide secondaire. Le travail instrumental est réalisé sur un AFM EnviroScope de chez Bruker, qui a été équipé d'une électronique externe Nanonis, permettant de mesurer simultanément la topographie en mode non-contact et la CPD en modulation d'amplitude ou de fréquence. Les résultats montrent que la CPD mesurée est comparable à celle obtenue avec une mesure sous ultravide. Enfin, après avoir posé les bases à la fois expérimentale et théorique de la KFM, cette technique est utilisée pour caractériser les hétérostructures CdTe/CdS en films minces utilisés pour les applications de cellules solaires. Un protocole de préparation d'échantillon sur la tranche a été spécialement développé. L'hétérojonction CdTe/CdS est étudiée sous polarisation à la fois dans l'obscurité et sous éclairement. L'influence de l'épaisseur de la couche de CdS est également étudiée pour comprendre son effet dramatique sur le rendement des cellules solaires.The development of nanoscience makes the understanding of the electrical properties of nano-objects essential. The Kelvin Force Microscopy (KFM) is one of the most useful techniques to map at the nanoscale and simultaneously both the topography and contact potential difference (CPD). After 20 years of development, KFM is mainly operated under air at normal pressure, allowing to perform, in an easy way, multiple comparative analyses. However, under UHV, as the surface is controlled and the sensitivity improved, more accurate and reliable measurements can be achieved. In the first part, KFM under ambient atmosphere is improved by developing the single-scan method using either a frequency modulation (FM) or an amplitude modulation (AM) mode. An external Nanonis electronic has been implemented on commercial AFMs (Dimension 3100 and MultiMode, Bruker). A comparative study with the common Lift-mode is done by imaging epitaxial graphene layers on SiC sample. The tip-sample separation effect on the CPD contrast and resolution is described as well as experimental settings. It is shown that higher contrasts are obtained using single-scan frequency modulation KFM regardless the tip-sample operating distance. In a second part, the KFM technique under secondary vacuum is developed. The instrumental work is carried out with an EnviroScope AFM from Bruker. We outfitted our Veeco's AFMs with an external Nanonis electronic to perform simultaneously the acquisition of topography and CPD using either the amplitude or the frequency modulation mode. The upgrade of the electronic has raised compatibility issues. Our results show that the comparable results are obtained with KFM under UHV. Finally, having laid down both the experimental and theoretical groundwork of the KFM, this technique is used to characterize CdTe/CdS heterostructures used in thin films solar cell application. A protocol for the cross section sample preparation has been specifically developed. The CdTe/CdS heterojunction is studied under polarization both in dark and under illumination. The influence of the CdS layer thickness is also studied to understand its dramatic effect on the solar cell efficiency.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Optical properties of self-assembled InAs quantum islands grown on InP(001) vicinal substrates

International audienceWe have investigated the effect of misorientated InP001 substrates on the optical properties of InAs quantum islands QIs grown by molecular-beam epitaxy in the Stranski-Krastanow regime. Detailed temperature-dependent photoluminescence PL, excitation density PL, and polarization of photoluminescence PPL are studied. PPL shows a high degree of linear polarization near 40% for the nominally oriented substrate n and for the substrate with 2° off miscut angle toward the 110 direction (2° F), while it is near 15% for the substrate with 2° off miscut angle towards 010 direction (2° B), indicating the growth of InAs quantum wires on nominal and 2° F substrates and of InAs quantum dots on 2° B substrate. These island shapes are confirmed by morphological investigations performed by atomic force microscopy. The integrated PL intensity remains very strong at room temperature, as much as 36% of that at 8 K, indicating a strong spatial localization of the carriers in the InAs QIs grown on InP001

Carrier trapping study on a Ge nanocrystal by two-pass lift mode electrostatic force microscopy

Trapped charges inside an isolated germanium nanocrystal (Ge NC) have been studied by two-pass lift mode electrostatic force microscopy (EFM) measurements at room temperature. From visualized EFM images, electrons and holes were proven to be successfully injected and trapped in the Ge NC and distributed homogenously at the edge of its truncated spherical morphology. The Ge NC is found to have iso-potential surface and behave as a conductive material after being charged. It is also shown that the dominant charge decay mechanism during discharging of Ge NCs is related to the leakage of these trapped charges. A truncated capacitor model is used to approximate the real capacitance between the tip and Ge NC surface and to quantitatively study these trapped charges. These investigations demonstrate the potential for Ge nanocrystal memory applications

Memory properties and charge effect study in Si nanocrystals by scanning capacitance microscopy and spectroscopy

In this letter, isolated Si nanocrystal has been formed by dewetting process with a thin silicon dioxide layer on top. Scanning capacitance microscopy and spectroscopy were used to study the memory properties and charge effect in the Si nanocrystal in ambient temperature. The retention time of trapped charges injected by different direct current (DC) bias were evaluated and compared. By ramp process, strong hysteresis window was observed. The DC spectra curve shift direction and distance was observed differently for quantitative measurements. Holes or electrons can be separately injected into these Si-ncs and the capacitance changes caused by these trapped charges can be easily detected by scanning capacitance microscopy/spectroscopy at the nanometer scale. This study is very useful for nanocrystal charge trap memory application

Etude de la nucléation et de la croissance de nanocristaux de silicium élaborés par dépôt chimique en phase vapeur pour dispositifs nanoélectroniques

Nous avons étudié les paramètres expérimentaux qui gouvernent les caractéristiques des nanocristaux de silicium (nc-Si) élaborés par dépôt chimique en phase vapeur. La densité des nc-Si dépend essentiellement de la pression partielle du précurseur et surtout des propriétés chimiques du substrat. Des densités de nc-Si très élevées (>10 exposant 12 nc-Si/cm2) sont déposées sur SiO2, Si3N4 et Al2O3. Le contrôle précis, entre 2 et 30 nm, de la taille des nc-Si est obtenu grâce à un procédé original de dépôt en deux étapes. Pour maîtriser la disposition des nc-Si, nous avons exploré deux voies : la nano-manipulation par une pointe AFM et la création de sites de nucléation pour les nc-Si par modification locale du substrat avec un faisceau d'électrons. La maîtrise de l'élaboration des nc-SI a permis leur intégration dans des dispositifs mémoires tests qui ont présenté des caractéristiques prometteuses de mémoires non volatiles.We have studied the experimental parameters which control the characteristics of silicon nano-crystals (nc-Si) deposited by chemical vapor deposition. The density of ne-Si depends primarily on the partial pressure of the precursor and especially of the chemical properties of the substrate. Very high nc-Si densities (> 1012 nc-Si/cm2) are deposited on Si02, Si3N4 and Al203. Accurate check, between 2 and 30 Nm, of the size from nc-Si is obtained thanks to an original process of deposit in two stages. To control the positioning of the nc-Si, we explored two ways: the nano-manipulation of nc-Si with an AFM probe and the creation of nucleation sites for nc-Si by local modification of the substrate with an electron beam. Control of the development of nc-Si allowed their integration in devices tests which showed promising characteristics of nonvolatile memories.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Nanolithographie par anodisation locale en microscopie à force atomique sur le phosphore d'indium pour des applications optoélectroniques

Dans le cadre de cette thèse, nous examinons les possibilités offertes par la microscopie à force atomique (AFM) pour la nanolithographie de matériaux semi-conducteurs. Deux méthodes sont présentées sur phosphore d'indium (InP): le mode contact/tension continue et le mode contact intermittent/une tension alternative. La première méthode est caractérisée par une cinétique logarithmique et une dépendance linéaire en tension. Nous interprétons ces résultats par l'existence d'une charge d'espace limitant l'oxydation (homogénéité et résolution). Les améliorations de la méthode sont en résolution et homogénéité. Nous avons réalisé une caractérisation électrique par différents modes AFM. La qualité électronique de l'oxyde a été estimée par des mesures en Tunneling-AFM et phase (AFM). Les déchargements électriques de l'oxyde ont été étudiés par EFM et par SCM. Nous interprétons ainsi les mécanismes d''oxydation. Pour finir, nous montrons l'intérêt de ces méthodes pour l'organisation de boîtes quantiques.We study local anodisation using Atomic Force Microscopy on Indium Phosphite. We develop two methods: a standard AFM oxidation (contact mode and constant bias) and a non usual method (intermittent contact mode and a modulated voltage). The first method results are logarithmic growth kinetic and a linear variation with applied bias voltage. These results had been related to charging effect that limits the oxidation (homogeneity and resolution). To reduce these limits we develop the second method. We obtain an improvement for: resolution, homogeneity, control on oxide shape, and lithography velocity. Electrical characterisations by using different AFM mode measurements had been realised: Tunnelling-AFM and Phase measurement to probe the oxide quality and Scanning Capacitance Microscopy and Electrostatic Force Microscopy measurement to probe charge dissipation. These measurements had been used to understand the oxidation process. We study these methods for Quantum Dots localisation.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Etude des épitaxies sélectives des alliages SiGe(C) pour électrode de base des transistors bipolaires performants

Depuis quelques années, l intérêt pour les technologies BiCMOS comportant des transistors bipolaires à très hautes performances statiques et dynamiques va grandissant. La réalisation de tels dispositifs nécessite une architecture totalement auto-alignée pour le transistor bipolaire, rendu possible par une épitaxie sélective de l électrode de base. L objectif de cette thèse est de remédier aux principales difficultés introduites par l utilisation d un procédé de dépôt sélectif Si/SiGeC pour l élaboration de l électrode de base des Transistors Bipolaires à Hétérojonction (TBH) des technologies BiCMOS avancées. Nous traitons tout d abord d un aspect essentiel de l épitaxie sélective de base des TBH : la sélectivité du dépôt silicium, ou en d autres termes, la nucléation du silicium sur le diélectrique. Nous montrons que, dans le cas des dépôts silicium sélectif, la baisse de la température de croissance, rendue facilement possible par l utilisation du silane comme précurseur, n est pas favorable à la sélectivité du dépôt. Nous évaluons également un moyen de diagnostic in-situ de la sélectivité du dépôt via un pyromètre présent initialement dans le réacteur RT-CVD utilisé dans notre étude. Cet outil permet, d une part des développements de procédé plus rapide mais constitue également un bon moyen de contrôle en ligne du procédé de dépôt sélectif. Nous abordons ensuite le thème de la croissance sélective des couches Si, SiGe et SiGeC à l aide du précurseur silane. Nous montrons que l utilisation de ce précurseur autorise une diminution de la température de croissance pour les films Si et SiGe, permettant notamment un meilleur contrôle en épaisseur des films SiGe riches en germanium (>25%) ainsi qu une diminution des effets de charges locaux. En revanche, cette diminution de la température de dépôt ne semble pas avoir d impact sur la quantité de carbone incorporable de manière totalement substitutionnelle dans les couches SiGeC sélectives. Nos analyses par photoluminescence des films SiGeC permettent de mettre en évidence le fort impact des atomes de carbone sur le désordre cristallin et les mécanismes de recombinaison des porteurs dans le SiGeC, comparé à celui des atomes de germanium. L utilisation de ces techniques de photoluminescence permet la caractérisation rapide de la structure électronique des films SiGeC et accélère ainsi le développement du procédé de croissance sélective des couches SiGeC. Enfin, des problématiques à caractère plus industrielles sont traitées. Nous présentons les solutions apportées en termes d uniformité en épaisseur des dépôts, ou bien concernant la qualité du lien unissant les parties intrinsèques et extrinsèques de l électrode de base des TBH.For some years, the interest for BiCMOS technology including very high performances bipolar transistor has been growing. Fabrication of such devices needs fully self aligned architecture easily allowed bya a selective epitaxy of base electrode. The objective of this thesis is to solve main difficulties introduced by using a selective deposition process Si/SiGeC for base electrode development of Heterojunction Bipolar Transistor (HBT) used in advance BiCMOS technologies. First of all, we deal with an essential characteristic of selective epitaxy of HBT base: the selectivity of silicon deposition, or, in other words, silicon nucleation on dielectric. In the case of silicon selective deposition, we show that the decrease of growth temperature, possible by the use of silane, is not favorable to selectivity. Indeed, the silicon thickness possibly grown selectively decreases as we reduce deposition temperature. We also evaluate a technique for in-situ diagnostic of the selectivity through a pyrometer initially used in our RTCVD reactor. This technique is useful for faster process development but also as in-line control for selective epitaxy process. Then we deal with selective growth of Si, SiGe and SiGeC using silane precursor. Through the use of silane, the growth temperature can be decreased for both Si and SiGe films, which allow a better thickness control for germanium rich SiGe films (>25%) and a reduction of local loading effect. However, this temperature decrease seems to not have impact on fully substitutional embedded carbon amount in selectively grown SiGeC layers. Photoluminescence analysis reveals the strong impact of carbon atoms on crystalline order and carriers recombination mechanisms in SiGeC, compared to germanium atoms. Using these techniques allows a rapid characterization of SiGeC electronic structure and accelerates the development of SiGeC selective growth process.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Spectroscopie optique des îlots quantiques d'InAs/InP (001) pour la réalisation de composants optoélectroniques émettant à 1.55 m

Nous avons étudié de manière exhaustive les propriétés de luminescence d'îlots quantiques auto-organisés d'InAs/InP(001), fabriqués par épitaxie par jets moléculaires selon le mode de croissance Stranski-Krastanov. Notre Objectif était de mieux comprendre les propriétés optiques de ces nanostructures, en particulier les propriétés spécifiques liées au degré de confinement des porteurs. Ces îlots ont été caractérisés dans des tructures à un plan et à multi-plans par : photoluminescence (PL) en fonction de la température et de la puissance d'excitation de PL (PLE), PL résolue en temps et enfin par PL polarisée (PPL). Nous montrons d'abord le rôle joué par la nature de la barrière, InP ou AlInAs, sur les propriétés des îlots d'InAs. Nous verrons comment ces différentes matrices, ainsi que les conditions de croissance des îlots, peuvent influer par leur forme (fils ou boîtes quantiques) les propriétés optiques. Nous montrons alors comment le degré de confinement de ces nanostructures peut en modifier leur structure électronique (discrétisation ou non des niveaux énergétiques) et donc leurs propriétés optiques. Pour finir, nous avons mesuré le rendement quantique et l'absorption modale de ces îlots pour évaluer leur potentialités pour la réalisation de micro-sources lasers.We have studied the optical properties of InAs quantum islands (QIs) grown by Molecular Beam Epitaxy on InP(001) substrate. The aim of our research was to better understand these structures and especially their specified optical and electronical properties resulting from a strong confinement effect. The QIs were studied in single and multi-stacked structures by photoluminescence (PL) as a function of temperature and power excitation, by PL excitation (PLE), by Polarization of PL (PPL) and by time resolved PL (TRPL). We have closely observed the different role of InP and AlInAs matrix used for the elaboration of the InAs Qis. We have studied how the growth conditions and the shape of InAs nanostructures (Qis or quantum wires) influences the electronical confinement. A fundamental PL transition at 1.55 Micrometer associated with a three excited states has been clearly identified on InAs/InP Qis for the first time. Finally, the quantul efficiency and modal absorption of quantum dots have been measured in order to evaluate in order to evaluate their potentiality for optoelectronics devices.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF