Design and development of distributed feedback transistor lasers

The transistor laser is a unique three-port device that operates simultaneously as a transistor and a laser. With quantum wells incorporated in the base regions of heterojunction bipolar transistors, the transistor laser possesses advantageous characteristics of fast base spontaneous carrier lifetime, high differential optical gain, and electrical-optical characteristics for direct “read-out” of its optical properties. These devices have demonstrated many useful features such as high-speed optical transmission without the limitations of resonance, non-linear mixing, frequency multiplication, negative resistance, and photon-assisted switching. To date, all of these devices operate as multi-mode lasers without any type of wavelength selection or stabilizing mechanisms. Stable single-mode distributed feedback diode laser sources are important in many applications including spectroscopy, as pump sources for amplifiers and solid-state lasers, for use in coherent communication systems, and now as TLs potentially for integrated optoelectronics. The subject of this work is to expand the future applications of the transistor laser by demonstrating the theoretical background, process development and device design necessary to achieve singlelongitudinal- mode operation in a three-port transistor laser. A third-order distributed feedback surface grating is fabricated in the top emitter AlGaAs confining layers using soft photocurable nanoimprint lithography. The device produces continuous wave laser operation with a peak wavelength of 959.75 nm and threshold current of 13 mA operating at -70 °C. For devices with cleaved ends a side-mode suppression ratio greater than 25 dB has been achieved.

Material characterization and process development for indium-arsenide / indium-gallium-antimonide channel, high electron mobility transistors for low power, high speed applications

Efforts to push the performance of transistors for millimeter-wave and microwave applications have borne fruit through device size scaling and the use of novel material systems. III-V semiconductors and their alloys hold a distinct advantage over silicon because they have much higher electron mobility which is a prerequisite for high frequency operation. InGaAs/InP pseudomorphic heterojunction bipolar transistors (HBTs) have demonstrated fT of 765 GHz at room temperature and InP based high electron mobility transistors (HEMTs) have demonstrated fMax of 1.2 THz. The 6.1 A lattice family of InAs, GaSb, AlSb covers a wide variety of band gaps and is an attractive future material system for high speed device development. Extremely high electron mobilities ~ 30,000 cm^2 V^-1s^-1 have been achieved in modulation doped InAs-AlSb structures. The work described in this thesis involves material characterization and process development for HEMT fabrication on this material system.

Core-level photoemission investigations of the CDTE(100) and INSB(100) surface and interfacial structures

Photoemission techniques, utilizing a synchrotron light source, were used to analyze the clean (100) surfaces of the zinc-blende semiconductor materials CdTe and InSb. Several interfacial systems involving the surfaces of these materials were also studied, including the CdTe(lOO)-Ag interface, the CdTe(lOO)-Sb system, and the InSb(lOO)-Sn interface. High-energy electron diffraction was also employed to acquire information about of surface structure. A one-domain (2xl) structure was observed for the CdTe(lOO) surface. Analysis of photoemission spectra of the Cd 4d core level for this surface structure revealed two components resulting from Cd surface atoms. The total intensity of these components accounts for a full monolayer of Cd atoms on the surface. A structural model is discussed commensurate with these results. Photoemission spectra of the Cd and Te 4d core levels indicate that Ag or Sb deposited on the CdTe(l00)-(2xl) surface at room temperature do not bound strongly to the surface Cd atoms. The room temperature growth characteristics for these two elements on the CdTe(lOO)-(2xl) are discussed. The growth at elevated substrate temperatures was also studied for Sb deposition. The InSb(lOO) surface differed from the CdTe(lOO) surface. Using molecular beam epitaxy, several structures could be generated for the InSb(lOO) surface, including a c(8x2), a c(4x4), an asymmetric (lx3), a symmetric (lx3), and a (lxl). Analysis of photoemission intensities and line shapes indicates that the c(4x4) surface is terminated with 1-3/4 monolayers of Sb atoms. The c(8x2) surface is found to be terminated with 3/4 monolayer of In atoms. Structural models for both of these surfaces are proposed based upon the photoemission results and upon models of the similar GaAs(lOO) structures. The room temperature growth characteristics of grey Sn on the lnSb(lOO)-c(4x4) and InSb(l00)-c(8x2) surfaces were studied with photoemission. The discontinuity in the valence band maximum for this semiconductor heterojunction system is measured to be 0.40 eV, independent of the starting surface structure and stoichiometry. This result is reconciled with theoretical predictions for heterostructure behavior.

Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

Reduced graphene oxide wrapped Cu2O supported on C3N4: An efficient visible light responsive semiconductor photocatalyst

Herein, Cu 2O spheres were prepared and encapsulated with reduced graphene oxide (rGO). The Cu 2O–rGO–C3N4 composite covered the whole solar spectrum with significant absorption intensity. rGO wrapped Cu 2O loading caused a red shift in the absorption with respect to considering the absorption of bare C3N4. The photoluminescence study confirms that rGO exploited as an electron transport layer at the interface of Cu 2O and C3N4 heterojunction. Utmost, ∼2 fold synergistic effect was achieved with Cu 2O–rGO–C3N4 for the photocatalytic reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol in comparison with Cu 2O–rGO and C3N4. The Cu 2O–rGO–C3N4 photocatalyst was reused for four times without loss in its activity.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Deposition of Intrinsic a-Si:H by ECR-CVD to Passivate the Crystalline Silicon Heterointerface in HIT Solar Cells

We have deposited intrinsic amorphous silicon (a-Si:H) using the electron cyclotron resonance (ECR) chemical vapor deposition technique in order to analyze the a-Si:H/c-Si heterointerface and assess the possible application in heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) solar cells. Physical characterization of the deposited films shows that the hydrogen content is in the 15-30% range, depending on deposition temperature. The optical bandgap value is always comprised within the range 1.9- 2.2 eV. Minority carrier lifetime measurements performed on the heterostructures reach high values up to 1.3 ms, indicating a well-passivated a-Si:H/c-Si heterointerface for deposition temperatures as low as 100°C. In addition, we prove that the metal-oxide- semiconductor conductance method to obtain interface trap distribution can be applied to the a-Si:H/c-Si heterointerface, since the intrinsic a-Si:H layer behaves as an insulator at low or negative bias. Values for the minimum of D_it as low as 8 × 10^10 cm^2 · eV^-1 were obtained for our samples, pointing to good surface passivation properties of ECR-deposited a-Si:H for HIT solar cell applications.

Electrical characterization of CVD diamond-n(+) silicon junctions

The electrical characteristics of CVD-diamond/n(+)-Si heterojunction devices are reported. Below 250 K the diodes show an unusual inversion of their rectification properties. This behavior is attributed to an enhanced tunneling component due to interface states, which change their occupation with the applied bias. The temperature dependence of the loss tangent shows two relaxation processes with different activation energies. These processes are likely related with two parallel charge transport mechanisms, one through the diamond grain, and the other through the grain boundary. (C) 2001 Elsevier Science B.V. Ah rights reserved.