The experimental determination of impact ionization coefficients in gallium arsenide and indium phosphide

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Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Direct Observation of Tetragonal Distortion in Epitaxial Structures through Secondary Peak Split in a Synchrotron Radiation Renninger Scan

This paper reports a direct observation of an interesting split of the (022)(022) four-beam secondary peak into two (022) and (022) three-beam peaks, in a synchrotron radiation Renninger scan (phi-scan), as an evidence of the layer tetragonal distortion in two InGaP/GaAs (001) epitaxial structures with different thicknesses. The thickness, composition, (a perpendicular to) perpendicular lattice parameter, and (01) in-plane lattice parameter of the two epitaxial ternary layers were obtained from rocking curves (omega-scan) as well as from the simulation of the (022)(022) split, and then, it allowed for the determination of the perpendicular and parallel (in-plane) strains. Furthermore, (022)(022) omega:phi mappings were measured in order to exhibit the multiple diffraction condition of this four-beam case with their split measurement.

Mesoscale Optoelectronic Design of Wire-Based Photovoltaic and Photoelectrochemical Devices

The overarching theme of this thesis is mesoscale optical and optoelectronic design of photovoltaic and photoelectrochemical devices. In a photovoltaic device, light absorption and charge carrier transport are coupled together on the mesoscale, and in a photoelectrochemical device, light absorption, charge carrier transport, catalysis, and solution species transport are all coupled together on the mesoscale. The work discussed herein demonstrates that simulation-based mesoscale optical and optoelectronic modeling can lead to detailed understanding of the operation and performance of these complex mesostructured devices, serve as a powerful tool for device optimization, and efficiently guide device design and experimental fabrication efforts. In-depth studies of two mesoscale wire-based device designs illustrate these principles—(i) an optoelectronic study of a tandem Si|WO3 microwire photoelectrochemical device, and (ii) an optical study of III-V nanowire arrays.

The study of the monolithic, tandem, Si|WO3 microwire photoelectrochemical device begins with development and validation of an optoelectronic model with experiment. This study capitalizes on synergy between experiment and simulation to demonstrate the model’s predictive power for extractable device voltage and light-limited current density. The developed model is then used to understand the limiting factors of the device and optimize its optoelectronic performance. The results of this work reveal that high fidelity modeling can facilitate unequivocal identification of limiting phenomena, such as parasitic absorption via excitation of a surface plasmon-polariton mode, and quick design optimization, achieving over a 300% enhancement in optoelectronic performance over a nominal design for this device architecture, which would be time-consuming and challenging to do via experiment.

The work on III-V nanowire arrays also starts as a collaboration of experiment and simulation aimed at gaining understanding of unprecedented, experimentally observed absorption enhancements in sparse arrays of vertically-oriented GaAs nanowires. To explain this resonant absorption in periodic arrays of high index semiconductor nanowires, a unified framework that combines a leaky waveguide theory perspective and that of photonic crystals supporting Bloch modes is developed in the context of silicon, using both analytic theory and electromagnetic simulations. This detailed theoretical understanding is then applied to a simulation-based optimization of light absorption in sparse arrays of GaAs nanowires. Near-unity absorption in sparse, 5% fill fraction arrays is demonstrated via tapering of nanowires and multiple wire radii in a single array. Finally, experimental efforts are presented towards fabrication of the optimized array geometries. A hybrid self-catalyzed and selective area MOCVD growth method is used to establish morphology control of GaP nanowire arrays. Similarly, morphology and pattern control of nanowires is demonstrated with ICP-RIE of InP. Optical characterization of the InP nanowire arrays gives proof of principle that tapering and multiple wire radii can lead to near-unity absorption in sparse arrays of InP nanowires.

Design of Nanophotonic Antireflection Coatings for III-V Thin-Film Photovoltaics

Thin-film photovoltaics have provided a critical design avenue to help decrease the overall cost of solar power. However, a major drawback of thin-film solar cell technology is decreased optical absorption, making compact, high-quality antireflection coatings of critical importance to ensure that all available light enters the cell. In this thesis, we describe high efficiency thin-film InP and GaAs solar cells that utilize a periodic array of nanocylinders as antireflection coatings. We use coupled optical and electrical simulations to find that these nanophotonic structures reduce the solar-weighted average reflectivity of InP and GaAs solar cells to around 1.3 %, outperforming the best double-layer antireflection coatings. The coupling between Mie scattering resonances and thin-film interference effects accurately describes the optical enhancement provided by the nanocylinders. The spectrally resolved reflectivity and J-V characteristics of the devices under AM1.5G solar illumination are determined via the coupled optical and electrical simulations, resulting in predicted power conversion efficiencies > 23 %. We conclude that the nanostructured coatings reduce reflection without negatively affecting the electronic properties of the InP and GaAs solar cells by separating the nanostructured optical components from the active layer of the device.

Fabrication and characterization of a nanostructured TiO2/In2S3-Sb2S3/CuSCN extremely thin absorber (eta) solar cell

CuSCN extremely thin absorber solar cell. Nanostructured TiO2 deposited by screen printing on an ITO substrate was used as an n-type electrode. An ∼80 nm extremely thin layer of the system In2S3-Sb2S3 deposited by successive ionic layer adsorption and a reaction (silar) method was used as an absorber. The voids were filled with p-type CuSCN and the entire assembly was completed with a gold contact. The solar cell fabricated with this heterostructure showed an energy conversion efficiency of 4.9%, which is a promising result in the development of low cost and simple fabrication of solar cells.

Caractéristiques d’antennes térahertz photoconductrices de type micro-ruban coplanaire

Ce projet de recherche a permis d'étudier l'émission d'un rayonnement térahertz (THz) par des antennes photoconductrices (PC) émettrices de type micro-ruban coplanaire. Ces antennes sont fabriquées sur substrats d'arséniure de gallium semi-isolant (GaAs-SI) ou sur ce même substrat ayant subit un traitement d'implantation ionique aux protons suivi d'un recuit thermique (GaAs:H). L'influence de ce procédé de fabrication sur les propriétés du matériau photoconducteur et sur les caractéristiques de l'antenne émettrice a été étudiée. Des mesures de photoconductivité résolue en temps effectuées sur les deux types de substrat montrent que le procédé d'implantation/recuit a eu pour effet de diminuer le temps de vie des photoporteurs de 630 ps à environ 4 ps, tandis que la mobilité n'est réduite que d'un facteur maximum de 1,6. Cette valeur de la mobilité des photoporteurs a par ailleurs été estimée à environ 100 cm$^2$/(V.s) pour le substrat GaAs:H. Les mesures électriques effectuées sur les antennes fabriquées sur les deux types de substrat montrent que le procédé d'implantation/recuit permet d'augmenter la résistivité de la couche active du dispositif d'un facteur 10 (elle passerait de 10$^{8}$ $\Omega$.cm pour le GaAs-SI à 10$^9$ $\Omega$.cm pour le GaAs:H). Les courbes courant-tension, en obscurité et sous illumination, de ces antennes suggèrent également que la densité de pièges profonds est fortement augmentée suite au traitement d'implantation/recuit. L'étude des caractéristiques des diverses antennes a permis de montrer l'intérêt de ce procédé de fabrication. Pour les antennes fabriquées sur GaAs:H, la largeur de bande est améliorée (elle atteint environ 3 THz) et l'amplitude du champ THz émis est augmentée par un facteur 1,4 (dans les mêmes conditions expérimentales). Le rapport signal/bruit des traces THz mesurées sur les antennes les plus performantes est $>$ 200. Une plus grande résistivité et une densité de pièges profonds plus élevée, permet d'appliquer de plus fortes tensions de polarisation sur ces antennes GaAs:H. Finalement, nos résultats ont montré que les améliorations des caractéristiques d'émission de ces antennes THz sont corrélées à la présence d'un champ électrique local plus élevé du coté de l'anode du dispositif.