This thesis comprises detailed experimental and theoretical investigations of the transport properties of one-dimensional nanostructures. Most of the work is dedicated to the exploration of the fascinating effects occurring in single wall carbon nanotubes (SWCNT). These particular nanostructures gained an overwhelming interest in the past two decades due to its outstanding electronic and mechanical features. We have investigated the properties of a novel family of carbon nanostructures, named here as Y-shaped rings. The studies show that they present very interesting quantum interference effects. A high structural stability under tensile strain and elevated temperatures is observed. Within the semi-classical potential adopted, the critical strain values of structure rupture lie in the same range of their pristine SWCNT counterparts. This is directly verified by the first observations of these ring-like structures in a transmission electron microscopy. A merging process of asymmetric into symmetric rings is investigated in-situ under electron beam irradiation at high temperatures. The electronic properties of these systems are theoretically studied using Monte Carlo simulations and environment dependent tight-binding calculations. From our results, we address the possibility of double-slit like interference processes of counter-propagating electron waves in the ring-like structures. The nature of well defined, sharp peaks in the density of states are determined as the discrete eigenenergies of the central loop part. Furthermore, the formation and dispersion of standing waves inside the ring is shown to originate from the quantum-dot like confinement of each branch between the leads. The obtained dispersion relation is shown to be the same occurring in purely one-dimensional quantum dots of similar geometries. Furthermore, Fabry-Perot-like interferences are observed. We established at the IFW a bottom-up processing route to fabricate nanotube based electronic devices. The SWCNTs are grown by chemical vapor deposition and we present a detailed study of the different approaches to obtain individual nanotubes suitable for a successful integration into electronic devices. Wet-chemistry and ultra-thin films as well as ferritin were employed as catalyst particles in the growth of SWCNT samples. By adjusting the optimized process parameters, we can control the obtained yield from thick nanotube forests down to just a couple of free-standing individual SWCNTs. The nanotubes are localized, contacted by standard e-beam lithography and characterized at ambient- as well as liquid helium temperatures. We usually obtain quite transparent contacts and the devices exhibit metallic or a mixed metallic/semiconducting behavior. The well-known memory effect upon gate voltage sweeping as well as single electron tunneling in the Coulomb blockade regime are addressed.

<p>This thesis deals with the main aspects in chemical vapordeposition (CVD) of silicon (Si) and silicon-germanium (Si_1-xGe_x) films for high-speed bipolar transistors.<i>In situ</i>doping of polycrystalline silicon (poly-Si)using phosphine (PH₃) and disilane (Si₂H₆) in a low-pressure CVD reactor was investigated toestablish a poly-Si emitter fabrication process. The growthkinetics and P incorporation was studied for amorphous Si filmgrowth. Hydrogen (H) incorporated in the as-deposited films wasrelated to growth kinetics and the energy for H₂desorption was extracted. Film properties such asresistivity, mobility, carrier concentration and grain growthwere studied after crystallization using either furnaceannealing or rapid thermal annealing (RTA). In order tointegrate an epitaxial base, non-selective epitaxial growth(NSEG) of Si and SiGe in a lamp-heated single-waferreduced-pressure CVD reactor was examined. The growth kineticsfor Si epitaxy and poly-Si deposition showed a differentdependence on the deposition conditions i.e. temperature andpressure. The growth rate difference was mainly due to growthkinetics rather than wafer surface emissivity effects. However,it was observed that the growth rate for Si epitaxy and poly-Sideposition was varying during growth and the time-dependencewas attributed to wafer surface emissivity variations. A modelto describe the emissivity effects was established, taking intoconsideration kinetics and the reactor heating mechanisms suchas heat absorption, emission andconduction. Growth ratevariations in opening of different sizes (local loading) andfor different oxide surface coverage (global loading) wereinvestigated. No local loading effects were observed, whileglobal loading effects were attributed to chemical as well astemperature effects. Finally, misfit dislocations formed in theSiGe epitaxy during NSEG were found to originate from theinterface between the epitaxial and polycrystalline regions.The dislocations tended to propagate across the activearea.</p><p><b>Keywords:</b>chemical vapor deposition (CVD), bipolarjunction transistor (BJT), heterojunction bipolar transistor(HBT), silicon-germanium (SiGe), epitaxy, poly-Si emitter,<i>in situ</i>doping, non-selective epitaxy (NSEG), loadingeffect, emissivity effect</p>

<p>Heterojunction bipolar transistors (HBT) based on SiGeC havebeen investigated. Two high-frequency architectures have beendesigned, fabricated and characterized. Different collectordesigns were applied either by using selective epitaxial growthdoped with phosphorous or by non-selective epitaxial growthdoped with arsenic. Both designs have a non-selectivelydeposited SiGeC base doped with boron and a poly-crystallineemitter doped with phosphorous.</p><p>Selective epitaxial growth of the collector layer has beendeveloped by using a reduced pressure chemical vapor deposition(RPCVD) technique. The incorporation of phosphorous and defectformation during selective deposition of these layers has beenstudied. A major problem of phosphorous-doping during selectiveepitaxy is segregation. Different methods, e.g. chemical orthermal oxidation, are shown to efficiently remove thesegregated dopants. Chemical-mechanical polishing (CMP) hasalso been used as an alternative to solve this problem. The CMPstep was successfully integrated in the HBT process flow.</p><p>Epitaxial growth of Si1-x-yGexCy layers for base layerapplications in bipolar transistors has been investigated indetail. The optimization of the growth parameters has beenperformed in order to incorporate carbon substitutionally inthe SiGe matrix without increasing the defect density in theepitaxial layers.</p><p>The thermal stability of npn SiGe-based heterojunctionstructures has been investigated. The influence of thediffusion of dopants in SiGe or in adjacent layers on thethermal stability of the structure has also been discussed.</p><p>SiGeC-based transistors with both non-selectively depositedcollector and selectively grown collector have been fabricatedand electrically characterized. The fabricated transistorsexhibit electrostatic current gain values in the range of 1000-2000. The cut-off frequency and maximum oscillation frequencyvary from 40-80 GHz and 15-30 GHz, respectively, depending onthe lateral design. The leakage current was investigated usinga selectively deposited collector design and possible causesfor leakage has been discussed. Solutions for decreasing thejunction leakage are proposed.</p><p><b>Key words:</b>Silicon-Germanium-Carbon (SiGeC),Heterojunction bipolar transistor (HBT), chemical vapordeposition (CVD), selective epitaxy, non-selective epitaxy,collector design, high-frequency measurement, dopantsegregation, thermal stability.</p>

Parmi les objets nanométriques les plus importants figurent les nanofils, qui peuvent<br />être utilisés soit comme coeur d'un dispositif, soit comme élément d'adressage d'un autre<br />nano-objet. Cette thèse explore deux voies de fabrication de nanofils.<br />La première concerne un procédé d'écriture directe de motifs d'or de dimension<br />nanométrique, par transfert d'atomes depuis une pointe STM vers la surface. Des lignes d'or<br />de largeur 15 nm, d'épaisseur 3 nm et de longueur 300 nm ont pu être tracées sur une surface<br />de silicium.<br />La seconde voie concerne un procédé de fabrication de nanofils de silicium (SiNWs)<br />par décomposition thermique du silane (SiH4) sur une surface recouverte d'agrégats d'or, par<br />la technique VLS (Vapor Liquid Solid). Deux moyens de chauffage ont été utilisés pour<br />forcer la croissance horizontale des fils à partir d'une électrode prédéposée sur une surface<br />isolante. Dans un premier temps, la surface a été chauffée sous l'impact d'un faisceau laser<br />continu focalisé, pour induire localement un fort gradient thermique latéral sur une zone de<br />diamètre 3 μm. Dans un second temps, la croissance des nanofils de Si a été forcée à partir de<br />lignes de tungstène sub-microniques chauffées par effet Joule, par passage d'un courant de<br />forte densité.<br />Les mécanismes de croissance sont discutés.

Cette thèse en cotutelle résulte de la collaboration entre le laboratoire français GREMI (Orléans) et le groupe australien SP3 (Université National Australienne) sur l'optimisation des piles à combustible par procédé plasma. Mon projet d'étude concerne le développement d'une électrode de pile à combustible constituée d'une nanostructure carbonée imprégnée d'agrégats de catalyseur platine, l'enjeu étant de réduire la quantité de platine tout en conservant de bonnes performances électrochimiques. Durant la première partie passée en France, des électrodes traditionnelles non catalysées ont été imprégnées d'agrégats de platine sur quelques centaines de nanomètres par pulvérisation plasma. Cette méthode a permis de réduire considérablement la charge de platine par rapport à une électrode traditionnelle catalysée chimiquement tout en réduisant légèrement ses performances. La seconde moitié de ma thèse en Australie concerna la croissance d'un support catalytique carboné de grande surface spécifique optimisé pour l'application pile à combustible. Des nanofibres de carbone (CNF) ont donc été déposées sur du papier de carbone recouvert d'une fine couche de nickel en utilisant un procédé CVD (Chemical Vapor Deposition) dans un réacteur plasma Helicon que j'ai conçu et développé. La morphologie des CNF a été caractérisée et optimisée en fonction des paramètres plasmas. Ce tapis de CNF a été imprégné d'agrégats de platine par pulvérisation plasma Helicon. Dans cette nouvelle électrode entièrement réalisée par plasma, le catalyseur dispersé est cette fois réparti sur quelques micromètres ce qui permettra d'augmenter les performances électriques de la pile.

En utilisant une démarche de type "Chimie du Solide", le rôle des principaux facteurs caractérisant la surface du substrat (composition chimique, structure et liaisons chimiques) sur la germination de cristallites de diamant, ainsi que leur morphologie, a ete mis en évidence. La densité de nucléation et le rapport Csp2/Csp3 ont pu notamment etre corrélés a la diffusion du carbone dans le substrat. Afin de contrôler celle-ci, des couches superficielles de composes covalents tels que les nitrures et les borures ont été utilisées. Elles ont permis d'atteindre des densités très importantes de nucléi de diamant pour des temps de dépôt relativement courts. L'ensemble des résultats concernant le dépôt par hétéroépitaxie du diamant a permis de proposer une méthodologie au niveau du choix du substrat et des espèces réactives pour l'obtention de couches minces de nitrure de bore cubique.

Silver(I) complexes of type LnAgX (X = organic ligand, such as carboxylates, dicarboxylates, Schiff-base; L = Lewis-bases, e. g. PnBu3, P(OMe)3, P(OEt)3; n = 1, 2, 3) have been synthesized and characterized with respect to their suitability for the Chemical Vapour Deposition (CVD) of silver thin films. For some of these compounds single crystal could be obtained. Their solid-state structure was determined by single crystal X-ray diffraction. The volatility, thermal stability, and gas phase decomposition mechanism of selected compounds were studied using temperature-programmed and in-situ mass spectrometry. CVD experiments were performed according to the results of the gas phase analysis. Silver films could be grown by using a cold-wall CVD reactor. The morphology of the latter films was determined. / Silber(I) Komplexe LnAgX (X = organische Ligand, Z. B. Carboxylate, Dicarboxylate, Schiff Base; L = Lewis-Base, Z. B. PnBu3, P(OMe)3, P(OEt)3; n = 1, 2, 3) wurden Bezug auf ihre Eignung für die chemische Gasphasenabscheidung von Silberfilmen synthetisiert und charakterisiert. Von einigen dieser Verbindung konnten Einkristalle erhalten werden. Der Bau dieser Verbindungen wurde mittels Röntgeneinkristallographie ermittelt. Ausgewählten Verbindungen wurden mit Temperatur-programmierter und in-situ Massenspektrometrie analysiert. Gasphasenabscheidungs- mechanismen für einige Prekursoren sind vorgestellt. CVD-Abscheidungsexperimente wurden entsprechend den Ergebnissen der Gasphaseanalyse durchgeführt. Silber Schichten konnten mit einen Kaltwand CVD-Reaktor erzeugt werden, deren Oberflächenmorphologie wurde untersucht.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(A)(2) 課題番号:09355002 研究代表者:後藤 俊夫 研究期間:1997-1999年度

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(A)(2) 課題番号:11305004 研究代表者:後藤 俊夫 研究期間:1999-2001年度

L'objectif de la thèse était de synthétiser des tubes de SiC monolithiques pour améliorer l'étanchéité de la structure composite SiC/SiC d'une gaine de combustible nucléaire. Des revêtements tubulaires de 8 mm de diamètre et quelques centaines de micromètres d'épaisseur ont été produits par dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique à partir d'un mélange CH3SiHCl2/H2. Le procédé a été développé de manière à réaliser en continu des tubes de SiC de plusieurs dizaines de centimètres de long. La composition chimique et la microstructure des tubes ont été déterminées par microsonde de Castaing, spectroscopie Raman, DRX et microscopie électronique (MEB, MET). Les propriétés mécaniques des tubes ont été caractérisées par nanoindentation et à travers des essais de compression C-ring. Le comportement thermomécanique a également été étudié. L'étude du procédé comprend une étude thermocinétique, un suivi de la phase gazeuse par IRTF et la modélisation 2D du réacteur.