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Semiconductor-based freestanding membranes (FSMs) have recently become central to the rapidly expanding frontiers of nanoscience and technology, and a highly promising area of advanced materials research. FSMs offer an extra degree of freedom for implementations that cannot be obtained by conventional methods such as heteroepitaxy, which often involves significant lattice mismatch in crystalline structures. Fabrication of FSMs from various materials allows for layer-by-layer stacking, enabling an easy coupling of the physical properties of dissimilar materials. Additionally, FSM structures offer unprecedented lightweight, and flexibility compared to conventional substrates. This demonstrates their high potential for the fabrication of novel applications, such as stretchable on-skin electronics or vertically stacked devices, flexible optoelectronics, etc., as well as a straightforward path for heterointegration. Furthermore, the use of FSMs provides significant cost savings in device production, especially for materials with orders of magnitude higher prices than that of silicon, as only a fraction of the material is being used when compared to conventional wafers. In this context, group IV materials FSM attract a lot of attention for their applications in high-performance optoelectronics and high-speed telecommunication, as well as for their biocompatibility and nontoxicity compared to III-V counterparts. However, the fabrication of high-quality group IV FSMs is still a challenging task. In this thesis, we demonstrate two promising paths for production of group IV FSMs using substrate engineering and advanced epitaxial growth. The first part of this work focuses on 2D-assisted epitaxy. We introduce the Anchor Point Nucleation approach enabling the growth of high-quality FSMs over a graphene-covered surface. Through plasma treatment defects, such as dangling bonds and nanoholes, are introduced in the graphene layer, acting as preferential nucleation sites., Les membranes autoportantes à base de semi-conducteurs (FSMs) sont récemment devenues cruciales pour l’expansion rapide de la nanoscience et de la technologie, représentant un domaine très prometteur de recherche avancée sur les matériaux. Les FSMs offrent un degré de liberté supplémentaire pour des mises en œuvre impossibles à obtenir par des méthodes conventionnelles telles que l’hétéroépitaxie de matériaux avec un désaccord de mailles cristallines très important. La fabrication de FSMs à partir de divers matériaux permet un empilement couche par couche, facilitant un couplage des propriétés physiques de matériaux différents. De plus, les structures FSMs offrent une légèreté et une flexibilité sans précédent par rapport aux substrats conventionnels. Cela démontre leur fort potentiel pour la fabrication de nouveaux dispositifs, notamment l’électronique sur la peau, les dispositifs empilés verticalement, l’optoélectronique flexible, etc., ainsi qu’une voie direct pour l’hétéro-intégration. De plus, l’utilisation de FSMs permet des économies significatives de coûts dans la production de dispositifs, en particulier pour des matériaux dont les prix sont plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux du silicium, car seule une fraction du matériau est utilisée par rapport aux substrats conventionnels. Dans ce contexte, les FSMs de matériaux du groupe IV attirent beaucoup d’attention pour leurs applications dans l’optoélectronique haute performance et les dispositifs de télécommunication à haute vitesse tels que les guides d’ondes, les transmissions THz, les photodétecteurs et les lasers, ainsi que pour leur biocompatibilité et leur non-toxicité par rapport aux contreparties en matériaux III-V. Cependant, la fabrication de FSMs de haute qualité à partir des matériaux de groupe IV reste une tâche difficile. Dans cette thèse, nous démontrons deux voies prometteuses pour produire des FSMs du groupe IV en développant les méthodes de l’ingénierie des substrats et de la croiss

Le processus PEELER (Porous germanium Efficient Epitaxial LayEr Release) est l’une des approches les plus prometteuses permettant de réduire la masse et les coûts de production des dispositifs optoélectroniques à base de germanium (Ge). Dans ce contexte, les propriétés morphologiques et mécaniques des couches de séparation entre le substrat de Ge et la couche épitaxiale de Ge doivent être étudiées en détails. Dans ce travail de maîtrise, des mesures d’adhésion ont été réalisées avec une nouvelle configuration du test de traction classique, montrant que la force d’adhésion dépend fortement du budget thermique. Le Ge poreux reconstruit après épitaxie sous forme de piliers a été soumis à une large gamme de températures de recuit, allant de 650°C à 850 °C pour permettre sa transformation morphologique. La force d’adhésion diminue initialement avec l’augmentation de la température de recuit, atteignant un minimum à 700°C, puis augmente de manière monotone pour des températures de recuit plus élevées. Des simulations par éléments finis (FEM) ont été réalisées en tenant compte d’une description réaliste de la nature d’auto-organisation des piliers et de leur distribution aléatoire conséquente. La force d’adhésion calculée est en bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. La force d’adhésion expérimentale moyenne se situe entre les extrêmes simulés. La simulation la mieux adaptée suggère 88 MPa comme limite d’élasticité du Ge Bulk.

L’énergie photovoltaïque (PV) occupe une place croissante dans le mix énergétique. Cependant ses défis, tels que l’inconstance de la production, restreignent son utilisation à grande échelle. Le solaire spatial (Space Based Solar Power, SBSP) se présente comme une potentielle alternative complémentaire au PV terrestre, exploitant l’énergie solaire via des satellites équipés de cellules solaires. Parmi les technologies solaires, les cellules multi-jonctions (MJSCs) à base de substrats de germanium (Ge) et de matériaux III-V se distinguent de part leur efficacité. Ce- pendant, l’utilisation de Ge limite leur exploitation en raison de sa rareté et de son coût élevé. La présente thèse se concentre sur la technologie Porous germanium Efficient Epitaxial LayEr Release (PEELER) pour créer des nanomembranes (NMs) de Ge par porosification du substrat de Ge et croissance épitaxiale permettant la réduction de la quantité de Ge utilisée ainsi que les coûts de production de ces cellules. Deux problématiques principales sont abordées dans ces travaux de thèse : la préparation de surface en vue de la passivation de la membrane de Ge et la réutilisation du substrat parent après le premier cycle de fabrication. Ces travaux de thèse explorent l’influence des nettoyages acides à base de HF et HCl sur la composition chimique de la surface du Ge ainsi que sur sa structure de bandes. Les résultats montrent que ces nettoyages induisent des modifications significatives de la courbure de bande de la surface du Ge, induisant des courbures de bandes positives après traitement ainsi qu’une élimination des oxydes en surface. De plus, ces travaux ont contribué à une meilleure compré- hension des phénomènes d’oxydation de surface liés à l’exposition à l’air ambiant des surfaces de Ge et leur impact sur la qualité de passivation. Ces résultats sont d’une haute importance pour la compréhension des phénomènes de passivation de surface et l’amélioration de la durée de vie de porteurs minoritaires dan, Photovoltaic (PV) energy is playing an increasingly significant role in the energy mix. However, challenges such as production intermittency restrict its widespread use. Space-Based Solar Power (SBSP) emerges as a potential complementary alternative to terrestrial PV, harnessing solar energy through satellites equipped with solar cells. Among solar technologies, multijunction cells (MJSCs) based on germanium (Ge) substrates and III-V materials stand out for their efficiency. However, the use of Ge limits their exploitation due to its scarcity and high cost. This thesis focuses on the "Porous germanium Efficient Epitaxial LayEr Release" (PEELER) technology to create germanium nanomembranes (NMs) by porosifying the Ge substrate and epitaxial growth, enabling the reduction of Ge usage and production costs for these cells. Two main issues are addressed in this thesis: surface preparation for Ge membrane passivation and the reuse of the parent substrate after the initial manufacturing cycle. The thesis explores the influence of HF and HCl-based acid cleans on the chemical composition and band structure of the Ge surface. Results show that these cleans induce significant modifications in the band curvature of the Ge surface, resulting in positive band curvatures post-treatment and the removal of surface oxides. Additionally, this work contributes to a better understanding of surface oxidation phenomena related to Ge surface exposure to ambient air and their impact on passivation quality. These findings are crucial for understanding surface passivation phenomena and improving the lifetime of minority carriers in Ge. Furthermore, the thesis aims to develop a chemical reconditioning approach for substrates after membrane detachment within the PEELER framework. An etching solution based on HF, H2O2, and water proves effective in removing broken pillar residues left by mechanical membrane detachment and reducing the surface roughness of the substrate, enabling its re