Cristaux photoniques bidimensionnels en SOI et leur couplage avec un miroir de Bragg

Similar to eletronic crystals, photonic crystals are rnaterials whose dielectric is modulated. Just like in electronic,where the periodical variation of the potential structures the electrons' energies dispersion, this modulation of the optical index structures the photons' energies dispersion. It is then possible to control light by forbidding certain energies, band or space directions. ln addition, because of their high integration and their compatibility with conventional C-MOS type technologies, Silicon On Insulator (SOI) photonics crystals possesses a strong potential for the development of future electro-photonic chips. ln this context, the object of this thesis woks was the study of SOI photonic crystals light sources and especially the coupling between two dimensional photonic crystal light sources and a Bragg mirror. ln a first part, this work focuses on the theoretical and technological aspects of photonic crystals. We describe the physical principles, especially the band structure, of photonic crystals in order to exhibit the way they operate and their properties. Then we present the technological fabrication as well as optical characterization tools. ln a second part, we report on the coupling between radiatives desexcitations and photonic crystals' optical modes. We demonstrate that by coupling to slow group velocity modes or cavity modes, an optical source at 1.1[Mu]m can be achieved. The results obtained are in agreements with calculated band diagrams. Finally we investigate the coupling between a Bragg mirror and a two dimensional photonic crystal. More precisely, we study the impact of the coupling distance on light extraction and the quality factor (Q). We show that these two quantities are periodical functions of [Lambda]/2 of it. We also exhibit that, according to the coupling distance, it is possible to enhance light extraction and the Q, compared to the characteristics of the single crystal. At last we present the first realization of a device coupling a two dimensional photonic crystal and two Bragg mirrors.Analogues aux cristaux électroniques, les cristaux photoniques sont des matériaux diélectriques dont l'indice optique est modulé. Comme en électronique, où la variation périodique du potentiel structure la dispersion énergétique des électrons, cette modulation de 'l'indice structure la dispersion en énergie des photons. Il est alors possible de contrôler ces demiers en leurs interdisant des bandes de fréquences et certaines directions. De plus, de part leur forte intégration ainsi que leur compatibilité de fabrication avec la filière silicium, les Cristaux photonique en Silicium sur Isolant (SOI), disposent d'un fort potentiel pour la mise au point d'une future électro-photonique intégré sur silicium. Dans ce contexte, ce travail s'attache à l'étude de sources optiques à cristaux photoniques en SOI et plus particulièrement au couplage entre une source à cristal photonique bidimensionnel et un miroir de Bragg.Dans un premier temps nous nous intéressons aux aspects théoriques et technologiques des cristaux photoniques. Nous abordons les principes physiques de la structure de bande photonique afin de cerner les modes de fonctionnement ainsi que les propriétés des cristaux photoniques pour ensuite décrire ,les moyens de fabrication et de caractérisation optique. Dans un deuxième temps nous nous attaquons à l'étude de cristaux photoniques bidimensionnels pour l'extraction de lumière. Au cours de cette étape nous mettons en évidence que le couplage de désexcitations radiatives avec de modes optiques de cristaux photoniques permet de nettement améliorer l'extraction lumineuse. En exploitant des modes de cavités, des modes lents et une combinaison astucieuse des deux, nous présentons la mise au point de sources optiques à 1.1 [Mu]m. Ces résultats concordent avec les calculs par la, méthode des ondes planes des diagrammes de bande correspondant. Enfin nous étudions le couplage entre cristaux photoniques bidimensionnels et miroir de Bragg. Nous nous intéressons spécialement au rôle de la distance de couplage entre le miroir et le cristal sur les propriétés d'extraction et du facteur de qualité (Q). Après avoir développé un montage original permettant de moduler cette distance sur quelques micromètres, nous montrons que les deux quantités précédentes en sont des fonctions périodiques de période [Lambda]/2.Les résultats obtenus montrent aussi une augmentation de l'extraction lumineuse et du Q par rapport à ceux de cristal seul.Ces mesures expérimentales sont en adéquation avec de calculs FDTD bidimensionnel. Nous terminons cette étude par la présentation de premières structures associant un cristal photonique avec deux miroirs de Bragg.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Condensation d'excitons dans les nanostructures de silicium

Ce travail concerne l'étude par des méthodes de photoluminescence résolues en longueur d'onde et en temps des diverses formes d'excitons, liquide et plasma électron trou-prises par les porteurs de charge dans les nanostructures de silicium à basse température. Les deux premiers chapitres ont pour but d'expliquer les phénomènes gouvernant la physique des excitons et de leur phase liquide condensée dans les semiconducteurs massifs. La partie expérimentale développée dans les chapitres suivants aborde la question du confinement spatial du liquide dans des hétérostructures SI/SIO2 obtenus sur silicium sur isolant soi (chapitre trois). La nucléation et la coalescence des gouttelettes de liquide ainsi qu'une modification du seuil de condensation sont observés dans ces milieux. L'analyse des raies de photoluminescence permet de trouver les grandeurs d'équilibre du liquide (densité et température). Le chapitre quatre montre que le confinement dans les trois directions de l'espace obtenu dans des plots de taille sunmicronique réalisés à partir de soi ets à l'origine de l'augmentation de la temptéature de transition liquide-plasma (effet cocotte-minute). Le chapitre cinq traite de l'influence du champ électrique sur le liquide dans les puits de soi. Il est notamment vu un décalage vers le rouge des raies de recombinaison issu de la courbure des bandes du semiconducteur dans la jonction schottky. Enfin, le chapitre six étudie l'effet sur le liquide du confinement quantique qui est observé dans les puits de faible épaisseur. La transition entre les puits ultra fins de soi et les nanocristaux est mise en évidence.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Mesure et modélisation de la fluorescence sur support solide (application à l'étude des biopuces à ADN)

Le travail présenté dans ce mémoire s'articule autour d'un besoin concernant les biopuces à ADN:la compréhension et la quantification de la fluorescence sur support solide. A travers une étude théorique, nous proposons une méthode originale qui permet, à partir de l'analyse d'indicatrices angulaires de fluorescence polarisée, de déterminer les paramètres de localisation et d'orientation des fluorophores sur la surface. L'élaboration d'un dispositif expérimenta de mesure de ces indicatrices et l'étude d'échantillons tests, nous ont permis de validiter le modèle théorique proposé. Cet outil théorique et expérimental a ensuite été utilisé pour l'étude des biopuces à ADN. Celle-ci s'est d'abord focalisée sur l'évolution des indicatrices de fluorescence en fonction du type de fluorophores utilisés ainsi que de leur concentration en surface. Une orientation priviligiée des fluorophores en surface a ainsi pu être déterminée. L'étude s'est ensuite portée sur l'évolution des indicatrices en fonction du type de iopuce observé. Des différences significatives ont été mises en évidence. Nous nous sommes finalement intéressés au développement de substrats novateurs réalisés par empilement de couches minces. Ces substrats visent à renforcer la fluorescence des biopuces, dans la direction d'observation. L'étude de biopuces réalisées sur ces substrats a permis de valider notre modèle pour un empilement multi-couches. Le renforcement de fluorescence a, par ailleurs, été démontré dans une expérience d'expression de gènes.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Milieux émetteurs de lumière et microcavité optique en silicium monocristalline sur isolant

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Propriétés électriques et optiques des nanofils uniques de silicium

Ce travail présente la caractérisation des propriétés d'absorption de lumière par des nanofils uniques (NF) de silicium en utilisant la spectroscopie de photocourant, ainsi qu'une étude préliminaire des processus d'incorporation des dopants et de réalisation de jonction dans les NFs. Tout d'abord, nous commençons par décrire les méthodes de croissance utilisées pour synthétiser des NFs actifs pour la génération de photocourant, avec l'utilisation du chlorure d'hydrogène dans les procédés classiques de croissance CVD catalysée or de fils dopés. Cette méthode offre des structures très faiblement coniques, élargit les températures de procédé, permettant en particulier d'incorporer très efficacement le bore, avec des densités d'accepteurs ionisés allant jusqu'à 1.8E19 cm-3, tout en inhibant la diffusion d'or depuis le catalyseur. L'attention est ensuite portée à la fabrication de jonctions, l'étude de ses caractéristiques électriques, ainsi que sur l'influence de paramètres morphologiques (rayon, position axiale) du fil sur sa résistivité apparente. Dans une seconde partie, nous étudions la réponse en photocourant d'un jeu de NFs actifs de différents diamètres et corrélons nos résultats à un traitement analytique de l'absorption des photons à l'échelle du nanoobjet dans le cadre de la théorie de Mie adaptée au cas cylindrique. L'accord expérience-théorie est très bon pour les deux polarisations (TE-TM). Des résonances dans le spectre d'absorption sont mises en évidence, correspondant à l'excitation de modes propres du fil, et associées à des sections efficaces d'absorption pouvant être supérieures à l'unité. Dans une dernière partie, nous adaptons la stratégie de dépôt antireflet utilisée dans les cellules solaires pour améliorer le couplage de la lumière incidente aux NFs. Pour cela, des dépôts de SiO2 et Si3N4 sont réalisés sur des NFs via la technique de PECVD, nous fournissant par là-même un jeu de structures pourvues d'un dépôt de diélectrique à haute conformité. Se basant sur les spectres d'absorption ainsi acquis, nous obtenons les gains relatifs d'absorption induits par le dépôt de diélectrique et les comparons aux calculs analytiques développés spécifiquement pour obtenir l'absorption dans le cœur seulement du cylindre coaxial, ceci nous permettant également d'estimer la partie du rayonnement incident absorbé dans la coquille diélectrique.In this work we present the characterization of the light absorption properties of single silicon NWs (NW) using photocurrent spectroscopy along with the preliminary work done at the wire scale to characterize the dopant incorporation and the fabrication of junctions. First, we start with a description of the growth methods used to synthesize active NW's for photocurrent generation, with results obtained on the use of hydrogen chloride in the CVD VLS growth of doped NWs. This method offers highly straight structures, widened process temperatures allowing in particular very efficient boron incorporation ionized acceptors densities up to 1.8E19 cm-3 and inhibited gold diffusion, thereby greatly reducing elemental contamination from the catalyst. Focus is made on the junction formation, the study of its electrical characteristics and the influence of morphological parameters radius, axial position to obtain the desired doping properties. In a second part, we present the photocurrent response of a set of different diameter active Si NWs and correlate our results with an analytical treatment of the photon absorption at the nanoscale using the Lorentz Mie theory adapted to the cylindrical geometry under study. Very good agreement is found between experiment and theory for both polarization spectra (TE-TM). Absorption resonances are resolved, corresponding to leak resonant modes, and can display absorption efficiencies higher than one, making downscaling an efficient tool to increase energy harvesting capabilities. In a last part, we adapt the antireflective coating strategy used in solar cells to improve the coupling of the incoming light to Si NWs. For this, SiO2 and Si3N4 films are deposited on NWs using PECVD, providing a set of structures coated with a high level of conformity. Based on the new set of spectra we obtain the relative gain curves and compare them with analytical calculations specifically derived for getting the absorption in the core of coaxial nanocylinders only, which allows estimating the magnitude of the absorbed energy in the dielectric shell.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Cristaux photoniques en silicium sur isolant pour le guidage, le filtrage, l'émission et l'extraction de lumière

Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Une efficacité d'extraction de plus de 45 % à été mesurée sur une face et dans un angle solide réduit pour un extracteur de lumière sur substrat SOI.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Intégration de transistor mono-électronique et transistor à atome unique sur CMOS

La réduction ( scaling ) continue des dimensions des transistors MOSFET nous a conduits à l'ère de la nanoélectronique. Le transistor à effet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture nanofil canal est considéré comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu'à la fin de la roadmap. Parallèlement au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propositions de nouveaux dispositifs, exploitant des phénomènes nanométriques, ont été faites. Ainsi, le transistor monoélectronique (SET), utilisant le phénomène de blocage de Coulomb , et le transistor à atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers dispositifs nanoélectroniques visant de nouvelles applications comme la logique à valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a été initialement proposé comme un substitut au CMOS ( Au-delà du dispositif CMOS ), il est maintenant largement considéré comme un complément à la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible température de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le procédé CMOS ont été des contraintes majeures pour l'intégration SET avec la technologie FET industrielle. Cette thèse répond à ce problème en combinant les technologies CMOS de dimensions réduites, SET et SAT par le biais d'un schéma d'intégration unique afin de fabriquer des transistors Trigate nanofil. Dans ce travail, pour la première fois, un SET fonctionnant à température ambiante et fabriqués à partir de technologies CMOS SOI à l'état de l'art (incluant high-k/grille métallique) est démontré. Le fonctionnement à température ambiante du SET nécessite une île (ou canal) de dimensions inférieures à 5 nm. Ce résultat est obtenu grâce à la réduction du canal nanofil trigate'' à environ 5 nm de largeur. Une étude plus approfondie des mécanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est réalisée au moyen de mesures cryogéniques de conductance. Des simulations NEGF tridimensionnelles sont également utilisées pour optimiser la conception du SET. De plus, la cointégration sur la même puce de MOSFET FDSOI et SET est réalisée. Des circuits hybrides SET-FET fonctionnant à température ambiante et permettant l'amplification du courant SET jusque dans la gamme des milliampères (appelé dispositif SETMOS dans la littérature) sont démontrés de même que de la résistance différentielle négative (NDR) et de la logique à valeurs multiples. Parallèlement, sur la même technologie, un transistor à atome unique fonctionnant à température cryogénique est également démontré. Ceci est obtenu par la réduction de la longueur de canal MOSFET à environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (diffusée à partir de la source ou de drain). A basse température, le transport d'électrons à travers l'état d'énergie de ce dopant unique est étudié. Ces dispositifs fonctionnent également comme MOSFET à température ambiante. Par conséquent, une nouvelle méthode d'analyse est développée en corrélation avec des caractéristiques à 300K et des mesures cryogéniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur l'échelle MOSFET à température ambiante.Continuous scaling of MOSFET dimensions has led us to the era of nanoelectronics. Multigate FET (MuGFET) architecture with nanowire channel' is being considered as one feasible enabler of MOSFET scaling to end-of-roadmap. Alongside classical CMOS or Moore's law scaling, many novel device proposals exploiting nanoscale phenomena have been made either. Single Electron Transistor (SET), with its unique Coulomb Blockade' phenomena, and Single Atom Transistor (SAT), as an ultimately scaled transistor, are prime nanoelectronic devices for novel applications like multivalued logic, quantum computing etc. Though SET was initially proposed as a substitute for CMOS ( Beyond CMOS device'), it is now widely considered as a compliment to CMOS technology to enable novel functional circuits. However, the low operation temperature and non-CMOS fabrication process have been major limitations for SET integration with FET. This thesis makes an effort at combining scaled CMOS, SET and SAT through a single integration scheme enabling trigate nanowire-FET, SET or SAT. In this work, for the first time, fabrication of room temperature operating SET on state-of-the-art SOI CMOS technology (featuring high-k/metal gate) is demonstrated. Room temperature operation of SET requires an island (or channel) with dimensions of 5 nm or less. This is achieved through reduction of trigated nanowire channel to around 5 nm in width. Further study of carrier transport mechanisms in the device is carried out through cryogenic conductance measurements. Three dimensional NEGF simulations are also employed to optimize SET design. As a step further, cointegration of FDSOI MOSFET and SET on the same die is carried out. Room temperature hybrid SET-FET circuits enabling amplification of SET current to micro-ampere range (proposed as SETMOS device' in literature), negative differential resistance (NDR) and multivalued logic are shown. Alongside this, on the same technology, a Single Atom Transistor working at cryogenic temperature is also demonstrated. This is achieved through scaling of MOSFET channel length to around 10 nm that enables having a single dopant atom in channel (diffused from source or drain). At low temperature, electron transport through the energy state of this single dopant is studied. These devices also work as scaled MOSFETs at room temperature. Therefore, a novel analysis method is developed correlating 300 K characteristics with cryogenic measurements to understand the impact of single dopant on scaled MOSFET at room temperature.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF