Croissance métamorphique par épitaxie par jets moléculaires et caractérisations physiques pour transistor bipolaire à hétérojonction InP/InGaAs sur GaAs

Les Transistors Bipolaires à Hétérojonction fonctionnent à hautes fréquences sous des tensions d'environ 5V, en particulier dans le système de matériaux InP/InGaAs. Il est souhaitable d'obtenir ces performances non pas sur InP mais sur GaAs, substrat plus robuste, disponible en taille supérieure et préféré en industrie. Un buffer métamorphique GaAs -> InP est alors requis pour relaxer la contrainte due au désaccord de paramètre de maille. Cette thèse porte sur la croissance par Epitaxle par Jets Moléculaires pour de tels buffers et pour des TBH InP/lnGaAs à base fortement dopée au béryllium. Les buffers sont évalués via un protocole expérimental dédié au TBH, associant des caractérisations "matériaux" (photoluminescence, Double Diffraction des rayons X, microscopies optique et à force atomique AFM) et électriques (diodes métamorphiques). Nous comparons ainsi les deux processus de relaxation possibles: avec introduction progressive de la contrainte sur buffer graduel In(Ga)AIAs, abrupte sur buffer uniforme InP. Le rôle de la cinétique des adatomes III en front de croissance sur le processus graduel est démontré. Les performances des TBH métamorphiques InP/InGaAs épitaxiés sur GaAs via un buffer graduel InGaAIAs sont au final proches de celles des TBH de référence sur InP.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Caractérisation électro-optique de composants térahertz par échantillonnage Franz-Keldysh subpicoseconde

L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés utilisant des transistors dont les fréquences de coupure sont de plus en plus élevées. L'évaluation des perfonnances intrinsèques de ces composants fonctionnant aujourd'hui jusqu'à plusieurs centaines de GHz pose un gros problème d'instrumentation. Les capacités des analyseurs de réseaux généralement utilisés pour ces caractérisations sont en effet dépassées. Les méthodes d'échantillonnage électro-optique basées sur l'utilisation d'un laser impulsionnel femtoseconde constituent une méthode alternative de caractérisation hyperfréquences. Ces mesures dont la résolution temporelle peut être inférieure à la picoseconde permettent d'étudier la répcmse en fréquence de composants intégrés jusqu'à plus de 1 THz. La méthode d'échantillonnage ultra-rapide que nous proposons est basée sur un effet d'électroabsorption présent dans de nombreux semiconducteurs massifs: l'effet Franz-Keldysh. Cet effet nous permet de sonder optiquement des impulsions électriques ultra-brèves se propageant sur une ligne de transmission déposée sur Arséniure de Gallium (GaAs). Ces impulsions sont également générées par voie optique grâce à un matériau photoconducteur ultra-rapide: le GaAs épitaxié à basse température. La démonstration expérimentale de cette méthode de caractérisation est tout d'abord effectuée en utilisant les propriétés intrinsèques du substrat semiconducteur. Dans un deuxième temps, des améliorations technologiques sont apportées au dispositif expérimental pour pennettre une généralisation de la technique de mesure à tout type de substrat semi-isolant. Pour cela, nous avons en particulier mis au point une technique de "lift-off" épitaxial permettant le report des matériaux nécessaires à la mesure sur un circuit ayant déjà subi les étapes technologiques. Enfin, ces différentes méthodes de mesure sont appliquées à la caractérisation de lignes de transmission ou de composants passifs THz. EJJes ont permis entre autre la mise en évidence du phénomène de couplage par onde de choc électromagnétique entre deux lignes de transmission coplanaires, ou l'évaluation des paramètres S d'un filtre réjecteur de Bragg intégré sur substrat de quartz jusqu'à 1,2 THz. Enfin, la possibi1ité d'étudier un transistor bipolaireà hétérojonction à doigt d'émetteur submicronique par cette technique de mesure est envisagée.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Réalisation et caractérisation de photodiodes à transport unipolaire pour la génération d'ondes térahertz

Situé entre la lumière visible et les micro-ondes, le domaine de fréquence tèrahertz (THz) est une zone du spectre électromagnétique encore peu exploitée. Il existe pourtant de nombreuses applications: détection de polluants, contrôle de qualité, imagerie médicale, télécommunications à très haut débit ... Cependant, à ce jour, il n'existe pas de sources accordables, compactes, efficaces, fonctionnant à tempèrature ambiante et de faible coût. L'opto-électronique répond en partie à ces besoins grâce aux photodétecteurs sensibles à une longueur d'onde de 800 nm. L'utilisation d'une longueur d'onde de 1550 nm permettrait de bénéficier de la disponibilité de sources optiques relativement peu onéreuses et compactes et d'un système fibré. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à un photodétecteur prometteur avec une fréquence de coupure potentiellement élevée et de bonnes caractéristiques en régime de saturation: la photodiode à transport unipolaire (UTC-PD). La prenùère partie de ce travail de thèse a consisté à développer un procédé de réalisation technologique d'UTC-PDs intégrées de façon monolithique à des guides d'ondes coplanaires pour la génération d'impulsions picosecondes. Ces dispositifs ont été caractérisés par échantillonnage électro-optique et ont généré des impulsions électriques de quelques picosecondes de largeur à mi-hauteur. Dans un second temps, l'intégration monolithique d'UTC-PD avec une nouvelle antenne THz large bande a permis la génération d'ondes THz monochromatiques (1,1 W à 940 GHz) par mélange hétérodyne de deux sources lasers continues de longueur d'onde autour de 1550 nm. Des mesures de spectroscopie de gaz à 1,4 THz ont aussi été réalisées.Lying between visible ligbt and microwaves range, the terahertz frequency domain is still remaining unexploited. Many potential applications exist yet such as: pollutants sensing, quality control, medical imaging, high speed telecommunications, ... However, to date there have been no easy frequency tuning, compact, efficient, low-cost and room temperature working sources. Optoelectronics could satisfy these requirements thanks to LTG-GaAs photodetectors sensitive to a wavelength of 800 nm. But a 1550 nm based photodetector would permit the use of the abundants and cheaper optical components that exist at this wavelength. ln this situation, we focus our attention on a promising 1550 nm-photodetector with both a potentially high cutoff frequency and good saturation behaviour : the uni-travelling-carrier photodiode (UTC-PD) The first part of this work consists in developing a technological process for UTC-PD's monolithically integrated with coplanar waveguides in order to generate picosecond pulses. These devices have been characterized by electro-optic sampling and pulses with full width at half maximum of few picoseconds have been achieved Then, we describe the technological process of the monolithic integration of a UTC- PD with a new broadband THz antenna This device allows the generation of continuous THz-waves by optical beating of two lasers. A power of 1.1 W at 940 GHz was demonstrated and spectroscopic measurements of gas absorption lines at 1.4 THz was also done.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Mise en oeuvre de l'épitaxie par jets moléculaires pour la synthèse de diamant monocristallin

Le diamant est un matériau qui possède des propriétés exceptionnelles et peut jouer un rôle de première importance dans les dispositifs électroniques de puissance ou fonctionnant en milieux hostiles. Depuis une vingtaine d'années, la synthèse de films minces de diamant par dépôt chimique en phase gazeuse (CVD) a permis son emploi dans des dispositifs passifs. Cependant, les difficultés associées au contrôle de ses propriétés électriques (maîtrise du dopage de type n) empêchent son utilisation en électronique active. L'Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) est une technique de croissance à très basse pression qui pourrait limiter l'incorporation de défauts et faciliter le dopage des films de diamant, mais elle a été, à l'heure actuelle, très peu utilisée dans cette optique. Contrairement au procédés CVD, elle permet de contrôler indépendamment la nature et les flux des différentes espèces chimiques. Au cours de cette thèse, un bâti a été développé pour étudier la croissance de diamant en ultra-vide. Différentes sources d'hydrogène atomique et de radicaux méthyles, espèces nécessaires à la croissance de diamant en CVD, ont été étudiées et caractérisées en spectrométrie de masse à ionisation de seuil. L'hydrogène atomique était généré par décomposition thermique sur filament chaud ou dans une cellule plasma post-décharge. Le taux de dissociation et la distribution angulaire des flux gazeux ont été mesurés et optimisés. Les radicaux méthyles étaient produits à partir de la décomposition thermique de différents hydrocarbures (CH4,C2H6,CH3COCH3,i-C4H8) en régime moléculaire ou collisionnel.La nature des différentes espèces neutres et radicalaires formées a été analysée en spectrométrie de masse et les flux de radicaux méthyles mesurés. On a enfin étudié la réactivité de ces radicaux vis-à-vis des surfaces silicium (l00) et diamant (100), in-situ par diffraction d'électrons rasants de haute énergie et ex-situ par spectroscopie de photoélectrons excités par rayons X. La réactivité des radicaux carbonés a été analysée en observant la formation de carbures ou de dépôts de carbone amorphe. L'hydrogène atomique attaque préférentiellement le carbone Sp2 et stabilise la croissance de diamant. Sa réactivité en fonction de la température a été mesurée par érosion de films de carbone amorphe déshydrogénés et de surfaces diamant. On a enfin étudié la synergie entre l'hydrogène atomique et les radicaux carbonés, ainsi que l'activation de la réactivité des surfaces par l'hydrogène atomique. Ce dernier permet d'activer la condensation de C3H5 et de former des films de carbone amorphe (DLC). Par contre, dans nos conditions de pression et de température, le système H / CH3 ne permet pas la croissance de diamant, ni celle d'autres formes condensées de carbone. Ces résultats sont discutés en considérant que les flux de H sont trop faibles pour activer l'incorporation de carbone avant la désorption des groupements chimisorbés.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Sub-picosecond time-domain measurement of heterojunction bipolar transistors and photodiodes

International audienceWe demonstrate the time-domain measurement of the dynamic response of heterojunction bipolar transistors (HBT) and uni-travelling carrier photodiodes (UTC-PD) with sub-picosecond resolution. For the HBT, the stimulus is a step applied to the base. For the UTC-PD, we use optical excitation with 150 fs pulses at 1.55 mum. The detection of the electrical response is done using an electroabsorption sampling technique

Picosecond pulse generation and photomixing with uni-travelling-carrier photodiode

International audienceWe have fabricated and characterized with electroabsorption sampling uni-travelling-carrier photodiodes. This 7.5 mum-diameter photodiode generates electrical pulses with full width at half maximum of 3.1 ps

Optoelectronic THz signal generation and use in component characterization

International audienc