Membres du jury:

Philippe LECOEUR, PR1,Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Nita DRAGOE, Professeur, Université Paris-Sud, Examinateur

Stefan DILHAIRE, Professeur, Université Bordeaux 1, Rapporteur

Brice GAUTIER, Professeur, Insa Lyon, Rapporteur

Maria Luisa DELLA ROCCA, Maître de Conférences, Université Paris Diderot, Examinateur

Jean-François GUILLEMOLES, Directeur de Recherche, IRDEP, Chimie ParisTech, Examinateur

François PESTY, Maître de Conférences, Université Paris Sud, Examinateur

Christophe GOUPIL, Professeur, Université Paris Diderot, Examinateur

Guillaume GUEGAN, STMicroelectronics, Invité

Résumé :

Ce travail de thèse décrit l’étude de la réponse harmonique d’un système thermoélectrique afin d’en extraire les grandeurs physiques associées au couplage thermoélectrique. L’étude des phénomènes thermoélectriques est d’un grand intérêt à la fois pour l’étude du transport dans les matériaux ainsi que pour des applications dans le domaine de la récupération d’énergie et le contrôle de la température. L’amplitude de la réponse du système en régime harmonique permet d’extraire les différentes composantes de la réponse par séparation selon les constantes de temps associées. Cette technique appliquée aux systèmes thermoélectriques permet d’en extraire plusieurs propriétés simultanément à l’aide d’un modèle analytique de la réponse.

Afin de dépasser les limitations de la réponse électrique linéaire, obtenue par la spectroscopie d’impédance, nous nous sommes intéressés à la réponse électrique non linéaire en régime harmonique. Les modèles développés prennent en compte les différentes sources de non-linéarités : l’effet Joule, la non-linéarité de l’effet Peltier et la dépendance des propriétés du système en fonction de la température. L’étude de la réponse en fonction de la fréquence sur les systèmes modèles que sont les thermocouples et les modules Peltier nous ont permis d’extraire toutes les propriétés thermoélectriques du système étudié.

Pour étendre la mesure sur les films minces, nous avons développé un microdispositif sur la base de ce qui est utilisé pour des mesures 3ω de la conductivité thermique. Le microdispositif développé permet une mesure 2ω du coefficient Seebeck du film mince. Nous avons ensuite utilisé ce dispositif pour réaliser des mesures 2 et 3ω sur divers échantillons.

Finalement nous avons cherché à étendre l’analyse harmonique pour l’étude de système à flux couplés autre que le système thermoélectrique. En particulier le couplage entre le flux de magnons et le flux de chaleur dans un isolant magnétique fait apparaître des effets similaires aux effets thermoélectriques classiques. Nous avons donc étudié la réponse d’un système YIG/Pt dont l’analyse à permis d’extraire un signal provenant du couplage entre le flux de chaleur et le flux de magnons, ouvrant la voie à une nouvelle technique pour l’étude de ces systèmes.

Membres du jury:
Roland TESSIER Professeur Institut d'Electronique et des Systemes (IES) UMR 5214 Examinateur
Gottfried STRASSER Professeur Technishe Universität Wien, Institut für Festkörperelektronik Rapporteur
Raffaele COLOMBELLI Directeur de Recherche Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) UMR 9001 Directeur de
thèse
Jean-Michel MANCEAU Chargé de Recherche Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) UMR 9001 Examinateur
Stefano BARBIERI Directeur de Recherche Institut d'Electronique, de Microelectronique et de Nanotechnologie
UMR 8520 Rapporteur
Sukhdeep DHILLON Directeur d'études Laboratoire Pierre Aigrin UMR 8551 Examinateur
Virginie TRINITÉ Ingénieur de Recherche III-V Lab Thales Examinateur

Résumé :
After fifteen years of intersubband polaritons development some of the peculiar properties of these quasi-particles are still cryptic. A
deeper comprehension of the polariton’s is needed to access their fundamental properties and reassess their applicative potential as
efficient emitters or detectors in the mid-infrared and THz.
In this manuscript we used Metal-Insulator-Metal (M-I-M) cavities with a top metal periodic grating as a platform to deepen the
understanding of ISB polaritons. The advantages of M-I-M are twofolded: first they confine the $TM_{00}$ mode, second the dispersion
of the cavity -over a large set of in-plane wave-vectors- offers various experimental configurations to observe the polaritons
in both reflection and photo-current. Under this scope we reexamined the properties of ISB polaritons in the mid-infrared and in the
THz.
In the first part we explore the implementation of dispersive M-I-M cavity onto THz intersubband transition. In the THz domain the
scattering mechanisms of the THz ISB polaritons need to be qualified. The dispersive cavity is a major asset to study these mechanisms
because it provides more degrees of freedom to the system. For this purpose, we fabricated a new experimental set-up to
measure the polariton dispersion at liquid Helium temperature. After the characterization of the polaritons in reflectivity, a pumpprobe
experiment was performed on the polariton devices.
The second part of this manuscript presents the implementation of M-I-M dispersive cavities onto a bound-to-quasi-bound quantum
well infrared photo-detector designed to detect in strong coupling. Beyond electrical probing of the polaritons, the strong coupling
can disentangle the frequency of detection (Edetection= hfdetection) from the thermal energy activation (Eactivation) and reduce the
dark current at a given frequency.
In parallel to the exploration of THz polaritons we developed two techniques in order to shorten the pulses of THz quantum cascade
lasers in a double metal waveguide: first by increasing the spectral gain of the active region (broad band), second by reducing the
free spectral range (anti-reflection coating).
Mots clés en français : Hétérostructure photonique,Polariton,Inter-sous bande,Laser,Couplages Faible/Fort,Fréquence de Rabi
Mots clés en anglais : Graded photonic heterostrucutre,Polariton,Inter-sub band,Laser,Weak/Strong coupling,Rabi frequency

Membres du jury:

Charles CORNET, Maître de Conférences, Institut Foton (UMR 6082 / CNRS - Univ Rennes - INSA),Rapporteur

Eric TOURNIE,Professeur, Institut d’Electronique et des Systèmes (IES) (UMR CNRS 5214 – Université de Montpellier),Rapporteur

Moustafa EL KURDI, Maître de Conférences, Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) (CNRS/Université Paris Saclay), Directeur de thèse

Philippe BOUCAUD, Directeur de Recherche,Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA)(CNRS), CoDirecteur de thèse

Raffaele  COLOMBELLI, Directeur de Recherche, Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) (CNRS/Université Paris Saclay), Examinateur

Vincent REBOUD,Ingénieur de Recherche, CEA-LETI, Examinateur

Frédéric BOEUF, Ingénieur, STMicroelectronics,Invité

Résumé :

La photonique silicium connait un essor très important, porté notamment par la réalisation de câbles optiques actifs permettant de transférer optiquement des données à haut débit dans des environnements de type “High performance computing” ou “data center”. L'intégration de cette source laser est un enjeu très important pour la photonique silicium. Actuellement, ces sources sont obtenues avec des semi-conducteurs de type III-V sur substrats GaAs ou InP. Leur intégration dans une filière silicium est délicate et surtout ne permet pas de tirer pleinement parti de l'environnement de fabrication CMOS de la microélectronique.
L'intégration d'une source optique monolithique représente donc un enjeu considérable. Les éléments de la colonne IV (Si, Ge) sont des semi-conducteurs à bande interdite indirecte, avec une faible efficacité de recombinaison radiative, et ne sont donc pas a priori de bons candidats. Un changement de paradigme est cependant en cours avec la récente démonstration qu'il était possible de manipuler la structure de bande des semi-conducteurs à base de germanium pour les rendre à bande interdite directe, i.e. les transformer en émetteurs efficaces. Cette ingénierie peut être réalisée soit en utilisant des tenseurs externes comme le nitrure de silicium soit en réalisant des alliages avec de l'étain (GeSn), ou en combinant les deux. Cette thèse porte donc sur l'étude de ces semi-conducteurs à bande interdite directe, avec pour objectif de faire la démonstration d'un laser avec ce nouveau type de matériaux.

                                                                                  ****** IMPORTANT ******

En raison de la mise en place du plan Vigipirate merci de vous inscrire préalablement à l’adresse mail suivante : anas.elbaz@u-psud.fr

Jury members :

Cristell MANEUX, Professeur, Bordeaux University - Rapporteur

Lionel TORRES, Professeur, University of Montpellier - Rapporteur

Weisheng ZHAO, Professeur, Beihang University - Examinateur

Jacques-Olivier KLEIN, Professeur, Université Paris Saclay - Directeur de thèse

Dafiné RAVELOSONA, Directeur de Recherche, Université Paris Saclay - Examinateur

Sébastien LE BEUX, Associate Professor, École Centrale de Lyon - Examinateur

Abstract :

The development of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology drives the revolution of the integrate circuits (IC) production. Each new CMOS technology generation is aimed at the fast and low-power operation which mostly benefits from the scaling with its dimensions. However, the scaling will be influenced by some fundamental physical limits of device switching since the CMOS technology steps into sub-10 nm generation. Researchers want to find other ways for addressing the physical limitation problem. Spintronics is one of the most promising fields for the concept of non-charge-based new IC applications. The spin-transfer torque magnetic random access memory (STT-MRAM) is one of the successful spintronics-based memory devices which is coming into the volume production stage. The related spin-based logic devices still need to be investigated. Our research is on the field of the spin field effect transistors (spin-FET), one of the fundamental spin-based logic devices. The main mechanism for realizing a spin-FET is controlling the spin of the electrons which can achieve the objective of power reduction. Moreover, as spin-based devices, the spin-FET can easily combine with spin-based storage elements such as magnetic tunnel junction (MTJ) to construct the “non-volatile logic” architecture with high-speed and low-power performance. Our focus in this thesis is to develop the compact model for spin-FET and to explore its application on logic design and non-volatile logic simulation.
Firstly, we proposed the non-local geometry model for spin-FET to describe the behaviors of the electrons such as spin injection and detection, the spin angle phase shift induced by spin-orbit interaction. We programmed the non-local spin-FET model using Verilog-A language and validated it by comparing the simulation with the experimental result. In order to develop an electrical model for circuit design and simulation, we proposed the local geometry model for spin-FET based on the non-local spin-FET model. The investigated local spin-FET model can be used for logic design and transient simulation on the circuit design tool.
Secondly, we proposed the multi-gate spin-FET model by improving the aforementioned model. In order to enhance the performance of the spin-FET, we cascaded the channel using a shared spin injection/detection structure. By designing different channel length, the multi-gate spin-FET can act as different logic gates. The performance of these logic gates is analyzed comparing with the conventional CMOS logic. Using the multi-gate spin-FET-based logic gates, we designed and simulated a number of the Boolean logic block. The logic block is demonstrated by the transient simulation result using the multi-gate spin-FET model.
Finally, combing the spin-FET model and multi-gate spin-FET model with the storage element MTJ model, the “non-volatile logic” gates are proposed. Since the only pure spin signal can reach to the detection side of the spin-FET, the MTJ receives pure spin current for the spin transfer. In this case, the switching of the MTJ can be more effective compared with the conventional MTJ/CMOS structure. The performance comparison between hybrid MTJ/spin-FET structure and hybrid MTJ/CMOS structure are demonstrated by delay and critical current calculation which are derived from Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation. The transient simulation verifies the function of the MTJ/spin-FET based non-volatile logic.

Jury members :

François JULIEN, DRCE, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Carlo SIRTORI, Professeur, Ecole normale supérieure, Rapporteur

Yvon CORDIER, Directeur de Recherche, Université Côte d’Azur, Rapporteur

Virginie TRINIT, Ingénieur de Recherche,Alcatel-Thales 3-5 Lab, Examinateur

Eric TOURNIE, Professeur, Université de Montpellier,Examinateur

Raffaele COLOMBELLI, Directeur de Recherche, Université Paris-Sud

Examinateur

Abstract : Ce mémoire de thèse est consacré à l’étude et au développement des hétérostructures semi-conductrices à base de GaN et ZnO. Ces matériaux sont particulièrement prometteurs pour le développement de composants optoélectroniques inter-sous-bandes infrarouges et notamment pour les dispositifs à cascade quantique. Ces semiconducteurs possèdent en effet plusieurs avantages pour la conception de dispositifs à cascade, tels qu’une grande discontinuité de potentiel en bande de conduction et une énergie du phonon LO très élevée. Ces propriétés se traduisent par la possibilité de développer des dispositifs couvrant une gamme spectrale allant du proche-infrarouge au térahertz et offrent la possibilité de réaliser des lasers à cascade quantique térahertz fonctionnant à température ambiante.
Le mémoire commence par une introduction générale dressant le contexte dans lequel s’inscrit mon travail ainsi que ses objectifs. Je présente une revue des technologies semi-conductrices pour l’optoélectronique infrarouge et plus précisément dans la gamme du moyen-infrarouge et du térahertz. Dans une deuxième partie, je dresse l’état de l’art des dispositifs à cascade quantique et mets en exergue les défis technologiques de cette filière dont certains pourraient être résolus grâce aux matériaux III-nitrures et II-VI.
Je présente ensuite dans le deuxième chapitre, un récapitulatif des propriétés des semiconducteurs massifs III-N et II-VI. Enfin je décris brièvement la théorie des bandes, les modèles ainsi que leurs approximations permettant le calcul de la structure de bande électronique des semiconducteurs.
Le troisième chapitre présente mes travaux de caractérisations optiques relatifs à la maîtrise des transitions inter-sous-bandes dans des hétérostructures de type GaN/AlGaN et ZnO/ZnMgO épitaxiées selon différents axes de croissance et utilisant plusieurs stratégies afin d’atteindre la gamme térahertz.
Après avoir démontré la possibilité d’utiliser des puits quantiques GaN/AlGaN dans la gamme térahertz, le quatrième chapitre présente, dans sa première partie, mon travail théorique relatif à la conception des dispositifs à cascade quantique GaN/AlGaN pour un fonctionnement dans la gamme spectrale du térahertz. Ce chapitre commence par un état de l’art des détecteurs à cascade quantique.
Puis je récapitule brièvement les propriétés de détection et de transport électronique nécessaires pour comprendre la conception des structures de détecteur à cascade quantique puis je propose plusieurs structures de détecteur à cascade quantique GaN/AlGaN utilisant différents axes de croissance mais aussi différentes stratégies.
Puis je propose une structure simplifiée de laser à cascade quantique pour un fonctionnement à 3 térahertz. Ces travaux se concrétiseront dans un futur proche puisque des épitaxies de structures sont déjà en cours de réalisation.
Dans les deux chapitres suivants je détaille mon travail spécifique sur les oxydes d’éléments VI.
Le cinquième chapitre présente mes travaux sur les transitions inter-sous-bandes, dans la gamme du moyen-infrarouge des hétérostructures non et n dopées de type ZnO/ZnMgO épitaxiées sur substrat ZnO orienté selon le plan m non-polaire.
Le sixième chapitre rapporte la réalisation du premier détecteur à cascade quantique ZnO/ZnMgO. Ces travaux sont l’aboutissement de la collaboration de plusieurs équipes scientifiques dans le cadre du projet européen ZOTERAC. Ce dernier chapitre présente aussi les différentes étapes nécessaires à l’obtention de ce dispositif depuis la conception des structures, l’épitaxie, la fabrication de dispositifs en salle blanche jusqu’à la caractérisation électrique, ainsi que les caractérisations électro-optiques des dispositifs.
Le mémoire se conclut par les perspectives que ces travaux laissent entrevoir et par une annexe sur les expériences que j’ai menées sur l’électro-modulation inter-sous-bande dans les puits quantiques ZnO/ZnMgO.

Jury members :

Niko HILDEBRANDT, PR1, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Thomas PONS, Chargé de Recherche, École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (ESPCI),Rapporteur

Anne VARENNE, Professeur des Universités, Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP) – Chimie ParisTech, Rapporteur

Claire SMADJA,Professeur des Universités, Institut Galien Paris-Sud (IGPS),Examinateur

Rodolphe JAFFIOL, Maître de Conférences, Université de Technologie de Troyes (UTT),Examinateur

Mehdi AMMAR, Maître de Conférences, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), Invité

Abstract :

La qualité de la prise en charge d’un patient repose sur la disponibilité d’outils diagnostiques performants. Le développement de biocapteurs s’appuyant sur le phénomène de transfert d’énergie par résonance de type Förster permet la détection de biomarqueurs spécifiques avec une grande précision et une bonne sensibilité. Le FRET (Förster Resonance Energy Transfer) est un processus de transfert d’énergie dépendant de la distance fréquemment utilisé dans les applications de biodétection, dans lesquelles les reconnaissances, fonctions et structures biologiques sont de l’ordre de 1 à 20 nm. Cette thèse de doctorat présente la mise en œuvre de procédés de fabrication et de fonctionnalisation pour la détection optique de molécules d’intérêt biologique par FRET, en particulier pour des applications en diagnostic clinique et en séquençage d’ADN.
Ce travail présente une étude du phénomène de FRET sur des surfaces d’aluminium fonctionnalisées, première étape du développement d’une plateforme de séquençage par FRET exalté par effet plasmonique. La détection quantitative du phénomène de FRET sur des surfaces d’aluminium fonctionnalisées par silanisation est développée, et les résultats de caractérisation de la fonctionnalisation par différentes méthodes (angle de contact, spectroscopie FTIR, imagerie de fluorescence) sont discutés en détails.
Ce manuscrit expose également le développement d’un dispositif microfluidique fonctionnalisé pour la réalisation d’un immunodosage par FRET multiplexé. Dans l’optique de concevoir un dispositif intégré fonctionnalisé pour la détection par FRET en conditions microfluidiques, j’ai développé une stratégie pour la réalisation d’un biocapteur optique microfluidique par FRET multiplexé. Les résultats préliminaires de FRET entre deux anticorps fluorescents dans un canal microfluidique démontrent la faisabilité d’une telle plateforme de biodétection.

Mots clés en français :

FRET,Microscopie,Spectroscopie,Nanostructures,Microfabrication,Microfluidique

Jury members :

Guillaume Huyet – Examinateur, DR CNRS, Institut de Physique de Nice (UMR7010)

Arianna FILORAMO – Examinatrice, CEA, DRF/IRAMIS//NIMBE/LICSEN     

Olivier GAUTHIER-LAFAYE – Rapporteur, DR CNRS, Université de Toulouse, LAAS (UPR8001)

Yann G. BOUCHER – Rapporteur, MCF HDR, ENIB, Laboratoire FOTON (UMR 6082)

Abderrahim Ramdane – Co-directeur de thèse, DR CNRS, Université Paris Sud, C2N

Anatole Lupu – Directeur de thèse, DR CNRS, Université Paris Sud, C2N

 Henri Benisty – membre invité, Prof. Institut d'Optique Graduate School

Abstract :

Le développement des systèmes photoniques au cours des dernières décennies, rendu possible par l’évolution des technologies de nanofabrication, a vu l’apparition de nouveaux matériaux synthétiques tels que les cristaux photoniques, les métamatériaux, les plasmons de surface, et plus récemment les structures dites « à symétrie Parité-Temps ». La caractéristique de ces derniers matériaux synthétiques est que bien qu’ils soient décrits par un Hamiltonien non-Hermitien, leurs valeurs propres peuvent toutefois être réelles. En optique plusieurs phénomènes physiques sont connus pour la ressemblance des équations les décrivant, avec l’expression de ce type d’Hamiltonien en mécanique quantique. C’est le cas des équations de modes couplés dans les lasers DFB.

Ce travail de thèse a porté sur la conception, fabrication et étude de lasers DFB à couplage complexe, dans l’optique d’appliquer le principe de symétrie Parité Temps (PT) à un composant fonctionnel. Ces lasers sont combinent un réseau par l’indice et par les pertes, avec un déphasage spécifique. La simulation des modes dans la cavité, effectuée par méthode matricielle de Ables, a dévoilé l’avantageux filtrage apporté par les lasers DFB à couplage complexe, en gardant un seuil faible. Le cas spécifique d’un déphasage d’un quart de période entre les deux réseaux, correspondant à une condition de symétrie PT, induit des effets unidirectionnels d’amplification en réflexion.

Des lasers DFB à couplage par l’indice, par les pertes et à couplage complexe avec différentes phases entre les réseaux ont été fabriqués selon les techniques courantes de réalisation de circuits photonique intégrés : lithographie électronique et gravure ICP notamment.

Les mesures de caractéristiques courant /puissance montrent une diminution du courant de seuil des lasers à couplage complexe en comparaison de leur équivalent à couplage par les pertes, et un comportement monomode plus robuste et plus systématique en comparaison de leur équivalent à couplage par l’indice.

Les variations d’indice réelle et imaginaire dans les cavités ont été mesurés à l’aide d’un laser externe. La résistance au retour optique de nos lasers a également été étudiée. Les résultats montrent une corrélation entre la tolérance au retour optique et le déphasage des réseaux d’indice et de pertes, sans montrer d’amélioration significative de cette résistance par rapport aux lasers DFB à couplage par l’indice.

Ce premier « véhicule test » sur l’application de la symétrie PT aux lasers à contre réaction répartie a permis d’obtenir des perspectives encourageantes quant à l’amélioration des performances des technologies existantes. Ce travail conforte l’intérêt de ce concept pour la conception de lasers DFB tolérant au feedback et leur intégration dans un système laser-modulateur fonctionnant sur la même base.

Mots clés : Nanophotonique, photonique, nanotechnologies, optique intégrée, symétrie Parité-Temps, lasers DFB

Composition du Jury:
Anna MINGUZZI, Directrice de Recherche, Univ. Grenoble-Alpes, Rapporteur

Daniele SANVITTO, Senior Researcher, CNR Nanotec, Lecce (Italie), Rapporteur

Antoine BROWAEYS, Directeur de Recherche, Institut d'Optique, Examinateur

Quentin GLORIEUX, Maître de conférences, Univ. Paris-Diderot, Examinateur

Päivi TÖRMÄ, ProfesseurAalto University (Finlande), Examinatrice

Jacqueline BLOCH, Directrice de Recherche, C2N, Directrice de thèse

Alberto AMO, Chargé de Recherche, Univ. Lille, Invité
 

Semiconductor microcavities have emerged as a powerful platform for the study of interacting quantum fluids. In these cavities, light and electronic excitations are confined in small volumes, and their coupling is so strongly enhanced that optical properties are governed by hybrid light-matter quasiparticles, known as cavity polaritons. These quasiparticles propagate like photons and interact with their environment via their matter part. They can macroscopically occupy a single quantum state and then behave as an extended coherent nonlinear wave, i.e. as a quantum fluid of light.

In this thesis, we study the nonlinear dynamics of polariton quantum fluids in various one-dimensional microstructures. The possibility to etch microstructures out of planar cavities, a technology developed at C2N, allows full engineering of the potential landscape for the polariton fluid, and implementing complex geometries. In a first part, we have studied the localization properties of the eigenstates in synthetic quasiperiodic lattices. Theoretical exploration of the localization phase diagram revealed a novel delocalization-localization transition in an original deformation of a quasicrystal and we have experimentally evidenced this transition. A second part of the thesis is dedicated to the study of the nonlinear dynamics of two counterpropagating polariton fluids in a one-dimensional channel. The interplay between kinetic and interaction energy is responsible for the formation of dark solitons, whose number and position can be controlled by optical means. We have evidenced a bistable behaviour controlled by the phase twist imprinted on the two fluids. The last part of this work addresses the study of nonlinearities for a fluid injected in a flat band. Therein, the kinetic energy of the fluid is quenched, so that propagation is frozen. We then observe the formation of nonlinear domains with quantized size.

Jury members :

Ludovic DESPLANQUE, Maître de conférences, IEMN, Rapporteur

Fabrice SEMOND,Directeur de recherche,CRHEA,Rapporteur

Paola ATKINSON,Chargée de recherche,INSP,Examinatrice

Chantal FONTAINE, Directrice de recherche, LAAS, Examinatrice

Evelyne GIL, Professeur des universités, Institut Pascal, Examinatrice

Frank GLAS, Directeur de Recherche, C2N,Directeur de thèse

Fabrice OEHLER, Chargé de Recherche, C2N, Co-directeur de thèse

Phanara AING, Responsable R&D, RIBER, Co-directeur de thèse

Abstract :

The increasing demand for clean energy has driven research toward higher efficiency and lower cost solar cells. Gallium Arsenide solar cells detain the record efficiency for single junction but the high cost of the substrate limits their applications. In this thesis, we investigate an alternative GaAs substrate based on a low-cost silica support coated by a thin (20nm) Germanium layer. The latter is near lattice-matched to GaAs and the layer can be crystallized with a high (111) texture using Metal Induced Crystallization (MIC). However this requires a carefully optimization of the deposition and annealing parameters. Here, we use a specially designed in situ optical microscope to optimize the annealing sequence. In particular, we identified two crystallization pathways, of which one should be minimized to obtain a good (111) crystalline texture. We then perform the heteroepitaxy of GaAs on this Ge seed layer using Molecular Beam Epitaxy, keeping the initial (111) crystal texture. We identify specific growth conditions for the twin- and defect-free growth of GaAs on Ge(111) surfaces. We also observe the growth of GaAs (111)A polarity on Ge (111) rather than the expected (111)B orientation. Finally, we fabricate (111) oriented GaAs solar cells with 15,9% efficiency on monocrystalline GaAs(111)B substrate. The transfer to standard Ge(111) monocrystalline wafers and to our Ge-coated silica pseudo-substrates reveals doping issues related to the (111)A orientation of the GaAs, as well surface roughening due to grain boundaries in the initial Ge seed layer.

Jury members :

Xavier CHECOURY, PR2, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Nicolas LE THOMAS, Professeur, Ghent University - IMEC Department of Information Technology (INTEC),Rapporteur

Gaëlle LISSORGUE, Professeur, École supérieure d’ingénieurs en électrotechnique et électronique, Rapporteur

Jocelyn ACHARD, Professeur, Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, Examinateur

Hugues GIRARD, Ingénieur de Recherche, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, CoDirecteur de thèse

Abstract :

Au cours des dernières années, la recherche dans le domaine des bio-capteurs optiques sans marquage a connu une croissance rapide du fait de la nécessité de développer des méthodes toujours plus performantes pour la détection et la mesure de faibles concentrations de molécules spécifiques dans divers domaines. Parmi les différentes méthodes optiques existantes, les cristaux photoniques (CP) offrent une alternative prometteuse du fait de leur sensibilité. D’autre part, le diamant, utilisé comme matériau pour la réalisation de ces dispositifs offre de bonnes propriétés optiques et la possibilité de réaliser une fonctionnalisation de surface efficace facilement. Dans ce contexte, cette thèse propose un nouveau design de bio-capteur optique à cristaux photonique bi-dimensionnel en diamant, fonctionnant à des longueurs d'onde proche de 800 nm.

Une géométrie originale de trous d'air circulaires organisés selon une maille carrée a été choisie pour maximiser la sensibilité du bio-capteur à des changements d'indice de réfraction en leur surface. Il a été démontré analytiquement que les modes à faible vitesse de groupe avaient une plus grande sensibilité à ces changements. Des méthodes numériques ont permis de préciser les paramètres géométriques optimaux du CP. Le design proposé est basé sur la mesure de décalage angulaire dans le spectre en réflexion d'un mode lent résonant du CP quand celui-ci est éclairé par une lumière monochromatique.
Des films de diamant polycristallin de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur ont été déposés sur différents substrats. L’ensemble des procédés technologiques nécessaires à la réalisation des CP et spécifiques aux films de diamant polycristallin ont été développés ou optimisés, comme, entre autre, un procédé de lissage obtenu par gravure plasma, un procédé de transfert de films de diamant sur un autre substrat par collage, un procédé d’amincissement des films de diamant et la fabrication des CP par lithographie électronique et gravure plasma.

Les échantillons réalisés dans la salle blanche du C2N ont été mesurés optiquement et les hypothèses théoriques concernant les performances du capteur ont étés validées. Un mode avec une vitesse de groupe c/100 à une longueur d'onde de 800 nm a été mesuré et la sensibilité correspondant a cette structure a été estimée à 500 degrés par unité d'indice de réfraction (°/RIU), une valeur supérieure d’un ordre de grandeur à celles rencontrées couramment dans les capteurs à CP bidimensionnels. Ces résultats représentent un premier pas vers un biocapteur hautement sensible, comprenant une fonctionnalisation de surface du diamant pour une reconnaissance de cible spécifique.