L’étude de l’InP et du GaP suite à l’implantation ionique de Mn et à un recuit thermique

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications.

Modeling the optical constants of GaP, InP, and InAs

An extension of the Adachi model with the adjustable broadening function, instead of the Lorentzian one, is employed to model the optical constants of GaP, InP, and InAs. Adjustable broadening is modeled by replacing the damping constant with the frequency-dependent expression. The improved flexibility of the model enables achieving an excellent agreement with the experimental data. The relative rms errors obtained for the refractive index equal 1.2% for GaP, 1.0% for InP, and 1.6% for InAs. (C) 1999 American Institute of Physics. [S0021-8979(99)05807-7].

Determination of the direct band-gap energy of InAlAs matched to InP by photoluminescence excitation spectroscopy

A series of InxAl1-xAs samples (0.51≪x≪0.55)coherently grown on InP was studied in order to measure the band-gap energy of the lattice matched composition. As the substrate is opaque to the relevant photon energies, a method is developed to calculate the optical absorption coefficient from the photoluminescence excitation spectra. The effect of strain on the band-gap energy has been taken into account. For x=0.532, at 14 K we have obtained Eg0=1549±6 meV

Determination of the direct band-gap energy of InAlAs matched to InP by photoluminescence excitation spectroscopy

A series of InxAl12xAs samples (0.51,x,0.55) coherently grown on InP was studied in order to measure the band-gap energy of the lattice matched composition. As the substrate is opaque to the relevant photon energies, a method is developed to calculate the optical absorption coefficient from the photoluminescence excitation spectra. The effect of strain on the band-gap energy has been taken into account. For x50.532, at 14 K we have obtained Eg05154966 meV. © 1997 American Institute of Physics.

Determination of the direct band-gap energy of InAlAs matched to InP by photoluminescence excitation spectroscopy

A series of InxAl1-xAs samples (0.51≪x≪0.55)coherently grown on InP was studied in order to measure the band-gap energy of the lattice matched composition. As the substrate is opaque to the relevant photon energies, a method is developed to calculate the optical absorption coefficient from the photoluminescence excitation spectra. The effect of strain on the band-gap energy has been taken into account. For x=0.532, at 14 K we have obtained Eg0=1549±6 meV

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

On the nucleation of GaP/GaAs and the effect of buried stress fields

We have recently shown that spatial ordering for epitaxially grown InP dots can be obtained using the periodic stress field of compositional modulation on the InGaP buffer layer. The aim of this present work is to study the growth of films of GaP by Chemical Beam Epitaxy (CBE), with in-situ monitoring by Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED), on layers of unstressed and stressed GaAs. Complementary, we have studied the role of a buried InP dot array on GaP nucleation in order to obtain three-dimensional structures. In both cases, the topographical characteristics of the samples were investigated by Atomic Force Microscopy (AFM) in non-contact mode. Thus vertically-coupled quantum dots of different materials have been obtained keeping the in-place spatial ordering originated from the composition modulation. © 2006 Materials Research Society.

Effects of alternating current voltage amplitude and oxide capacitance on mid-gap interface state defect density extractions in In0.53Ga 0.47As capacitors

This work looks at the effect on mid-gap interface state defect density estimates for In0.53Ga0.47As semiconductor capacitors when different AC voltage amplitudes are selected for a fixed voltage bias step size (100 mV) during room temperature only electrical characterization. Results are presented for Au/Ni/Al2O3/In0.53Ga0.47As/InP metal–oxide–semiconductor capacitors with (1) n-type and p-type semiconductors, (2) different Al2O3 thicknesses, (3) different In0.53Ga0.47As surface passivation concentrations of ammonium sulphide, and (4) different transfer times to the atomic layer deposition chamber after passivation treatment on the semiconductor surface—thereby demonstrating a cross-section of device characteristics. The authors set out to determine the importance of the AC voltage amplitude selection on the interface state defect density extractions and whether this selection has a combined effect with the oxide capacitance. These capacitors are prototypical of the type of gate oxide material stacks that could form equivalent metal–oxide–semiconductor field-effect transistors beyond the 32 nm technology node. The authors do not attempt to achieve the best scaled equivalent oxide thickness in this work, as our focus is on accurately extracting device properties that will allow the investigation and reduction of interface state defect densities at the high-k/III–V semiconductor interface. The operating voltage for future devices will be reduced, potentially leading to an associated reduction in the AC voltage amplitude, which will force a decrease in the signal-to-noise ratio of electrical responses and could therefore result in less accurate impedance measurements. A concern thus arises regarding the accuracy of the electrical property extractions using such impedance measurements for future devices, particularly in relation to the mid-gap interface state defect density estimated from the conductance method and from the combined high–low frequency capacitance–voltage method. The authors apply a fixed voltage step of 100 mV for all voltage sweep measurements at each AC frequency. Each of these measurements is repeated 15 times for the equidistant AC voltage amplitudes between 10 mV and 150 mV. This provides the desired AC voltage amplitude to step size ratios from 1:10 to 3:2. Our results indicate that, although the selection of the oxide capacitance is important both to the success and accuracy of the extraction method, the mid-gap interface state defect density extractions are not overly sensitive to the AC voltage amplitude employed regardless of what oxide capacitance is used in the extractions, particularly in the range from 50% below the voltage sweep step size to 50% above it. Therefore, the use of larger AC voltage amplitudes in this range to achieve a better signal-to-noise ratio during impedance measurements for future low operating voltage devices will not distort the extracted interface state defect density.

Comparison of some theoretical models for fittings of the temperature dependence of the fundamental energy gap in GaAs

In this work we report on a comparison of some theoretical models usually used to fit the dependence on temperature of the fundamental energy gap of semiconductor materials. We used in our investigations the theoretical models of Viña, Pässler-p and Pässler-ρ to fit several sets of experimental data, available in the literature for the energy gap of GaAs in the temperature range from 12 to 974 K. Performing several fittings for different values of the upper limit of the analyzed temperature range (Tmax), we were able to follow in a systematic way the evolution of the fitting parameters up to the limit of high temperatures and make a comparison between the zero-point values obtained from the different models by extrapolating the linear dependence of the gaps at high T to T = 0 K and that determined by the dependence of the gap on isotope mass. Using experimental data measured by absorption spectroscopy, we observed the non-linear behavior of Eg(T) of GaAs for T > ΘD.

Design and characterization of bridged loop-gap resonators for use in electron paramagnetic resonance measurements

This paper revisits the design of L and S band bridged loop-gap resonators (BLGRs) for electron paramagnetic resonance applications. A novel configuration is described and extensively characterized for resonance frequency and quality factor as a function of the geometrical parameters of the device. The obtained experimental results indicate higher values of the quality factor (Q) than previously reported in the literature, and the experimental analysis data should provide useful guidelines for BLGR design.

Exogenous Cx43 expression decrease cell proliferation rate in rat hepatocarcinoma cells independently of functional gap junction

Background: Gap junction intercellular communication (GJIC) is considered to play a role in the regulation of homeostasis because it regulates important processes, such as cell proliferation and cell differentiation. A reduced or lost GJIC capacity has been observed in solid tumors and studies have demonstrated that GJIC restoration in tumor cells contribute to reversion of the transformed phenotype. This observation supports the idea that restoration of the functional channel is essential in this process. However, in the last years, reports have proposed that just the increase in the expression of specific connexins can contribute to reversion of the malign phenotype in some tumor cells. In the present work, we studied the effects of exogenous Connexin 43 (Cx43) expression on the proliferative behavior and phenotype of rat hepatocarcinoma cells. Results: The exogenous Cx43 did not increase GJIC capacity of transfected cells, but it was critical to decrease the cell proliferation rate as well as reorganization of the actin filaments and cell flattening. We also observed more adhesion capacity to substrate after Cx43 transfection. Conclusion: Cx43 expression leads to a decrease of the growth of the rat hepatocellular carcinoma cells and it contributes to the reversion of the transformed phenotype. These effects were independent of the GJIC and were probably associated with the phosphorylation pattern changes and redistribution of the Cx43 protein.

Theory of near-gap second harmonic generation in centrosymmetric magnetic semiconductors: Europium chalcogenides

Second harmonic generation is strictly forbidden in centrosymmetric materials, within the electric dipole approximation. Recently, it was found that the centrosymmetric magnetic semiconductors EuTe and EuSe can generate near-gap second harmonics, if the system is submitted to an external magnetic field. Here, a theoretical model is presented, which well describes the observed phenomena. The model shows that second harmonic generation becomes efficient when the magnetic dipole oscillations between the band-edge excited states of the system, induced by the excitation light, enter the in-phase regime, which can be achieved by applying a magnetic field to the material.

Structural and optical analysis of GaAsP/GaP core-shell nanowires

The structural and optical properties of GaAsP/GaP core-shell nanowires grown by gas source molecular beam epitaxy were investigated by transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, photoluminescence (PL), and magneto-PL. The effects of surface depletion and compositional variations in the ternary alloy manifested as a redshift in GaAsP PL upon surface passivation, and a decrease in redshift in PL in the presence of a magnetic field due to spatial confinement of carriers.

Interface roughness in short-period InGaAs/InP superlattices

Electron mobility was studied in lattice-matched short-period InGaAs/InP superlattices as a function of the width of the wells. The decreasing mobility with decreasing well width was shown to occur due to the interface roughness. The roughnesses of InGaAs/InP and GaAs/AlGaAs interfaces were compared. Much smoother InGaAs/InP interfaces resulted in higher electron mobility limited by interface roughness.

Surface Plasmon-Induced Band Gap in the Photocurrent Response of Organic Solar Cells

A 260 nm layer of organic bulk heterojunction blend of the polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and the fullerene [6,6]-phenyl C(61)-butyric (PCBM) was spin-coated in between aluminum and gold electrodes, respectively, on top of a laser inscribed azo polymer surface-relief diffraction grating. Angle-dependent surface plasmons (SPs) with a large band gap were observed in the normalized photocurrent by the P3HT-PCBM layer as a function of wavelength. The SP-induced photocurrents were also investigated as a function of the grating depth and spacing.