Mes travaux de thèse portent sur la fabrication et la caractérisation électrique et magnétique de jonctions tunnel à base de graphène. C’est autour de l’idée d’apporter une meilleur compréhension des mécanismes d’injection et de détection d’un courant de charge et de spin aux interfaces graphène/ferromagnétique que s’articule ce manuscrit. Après avoir démontré qu’il est possible de faire croître de manière épitaxiée une barrière tunnel de MgO sur graphène, nous avons étudié les mécanismes de transport dépendant en spin dans des jonctions verticales de Co/MgO/Gr/Ni. Nous avons mis en évidence l’interaction du graphène avec l’électrode de nickel à travers les inversions de signe de la magnétorésistance. Celles-ci peuvent être expliquées à l’aide d’un modèle de canaux de conduction assistés par phonons. Enfin du blocage de Coulomb reproductible a été mesuré dans des amas d’aluminium potentiellement mono disperses et auto assemblés sur graphène. / My PhD thesis deals with the fabrication and the electric and magnetic characterizations of magnetic tunnel junctions based on graphene. The interaction of graphene with its close environment opens new possibilities for spintronics applications. The manuscript is focused on the improvement of the understanding of mechanisms involved in the injection and detection of a polarized spin current at the graphene/ferromagnetic interfaces. We show that it is possible to grow epitaxially MgO tunnel barrier on graphene. We study the spin transport mechanisms in vertical junctions of Co/MgO/Gr/Ni. The interaction of graphene with nickel electrode is probed through tunnel magnetoresistance inversions which can be explained by the activation of phonon assisted conduction channel. We also measure in vertical and lateral devices based on alumina barrier on graphene, reproducible Coulomb blockade processes linked to the presence of monodisperse aluminum clusters at the graphene edge.

Depuis plus de 30ans, les chercheurs essaient de combiner le silicium et le GaAs. Le potentiel de l'intégration du GaAs sur Si est en effet considérable pour le remplacement des substrats coûteux de GaAs ou de Ge dans la fabrication de cellules PV, de photodétecteurs, de LED, de lasers…. Il en est de même pour le développement de nouveaux dispositifs opto- et électroniques par l'intégration monolithique de GaAs sur circuit silicium. Des défis majeurs persistant jusqu'à aujourd'hui doivent toutefois être surmontés.Dans le but de surmonter ces difficultés, nous proposons un concept intéressant qui permet l'hétéroépitaxie de III-V sur Si. Ce concept est basé sur la technique d’épitaxie latérale (ELO) par CBE depuis des ouvertures nanométriques réalisées dans un masque de silice ultra-mince. Cette technique nous a permis d’obtenir des microcristaux de GaAs sans défaut et parfaitement intégrés sur Si grâce à une nucléation depuis des ouvertures de très petits diamètres qui évitent la génération de dislocations dues au désaccord de maille. Le concept étant validé, nous avons poursuivi l’étude en utilisant une 2ème approche de nanostructuration technologique du masque et permettant la localisation des cristaux. L’obtention in fine d’une pseudo-couche de GaAs sur Si sans défaut ni contrainte serait particulièrement utile pour les diverses applications mentionnées. Seront donc présentés le concept d’intégration, puis les résultats de croissance par ces techniques, et des analyses matériaux complémentaire. Pour finir, sera détaillée la structure d’une cellule PV de GaAs/Si devant permettre d’atteindre un rendement de conversion de 29,2%, ainsi que les premiers résultats obtenus. / For over thirty years researchers have attempted to combine Si and GaAs. Alternative GaAs-on-Si substrates have a considerable market potential for replacing the costly GaAs or Ge substrate in producing traditional GaAs devices such as solar cells, photodetectors, LEDS, lasers, and microwave devices, and as a new technology for monolithic integration of GaAs elements and silicon integrated circuits. However, major challenges remaining until now must be overcome.In that way, we propose an interesting concept that allows III-V heteroepitaxy on silicon. This concept is based on the Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO) by CBE from nanoscale holes through an ultra-thin silica layer. This technique allows us to obtain GaAs microcrystals without any defect and perfectly integrated on Si thanks to nanoscaled nucleation seeds which prevent dislocation generation due to lattice mismatch. The concept being validated, the study has continued using a 2nd approach of nanostructuration to allow crystal localization. The achievement of getting a GaAs pseudo-layer on silicon substrate without any defect or stain would be of great interest for the formerly mentioned applications.So the integration concept of III-V materials on silicon will be introduced, then growth resultants by these techniques, and material characterizations in order to qualify the integrated GaAs on silicon regarding to the opto- and electronic applications. Finally, the structure of a GaAs/Si tandem solar cell will be discussed. After proving this solar cell could reach a 29.2% conversion efficiency, first achievements will be revealed.

La croissance localisée de SiC dopé p par un mécanisme Vapeur-Liquide-Solide (VLS) a été effectuée sur substrats SiC-4H (0001) 8°off et diamant (100). Pour ce faire, des motifs constitués d'un empilement silicium-aluminium sont fondus puis alimentés en propane. Dans le cas de l'homoépitaxie de SiC-4H, il a été démontré que la quantité limitée de phase liquide initiale entraine une évolution constante des paramètres de croissance en raison de l'appauvrissement graduel en silicium. Il est toutefois possible de trouver des conditions de croissance satisfaisantes (alliage contenant 40 at% Si, 1100 °C) résultant en un dépôt conforme sur l'ensemble des motifs avec une morphologie step-bunchée. A partir de tels dépôts, des contacts ohmiques de très faible résistivité (jusqu'à 1,3.10-6 Ω.cm2) ont été mesurés et des diodes PiN ont été fabriquées et caractérisées. Dans le cas de la croissance de SiC sur diamant, la forte réactivité entre l'alliage Si-Al liquide et le substrat diamant conduit à la formation d'un dépôt dense et polycristallin de SiC-3C par un mécanisme de dissolution-précipitation. Nous avons montré que la formation préalable d'une couche tampon nanométrique de SiC par siliciuration du substrat de diamant (réaction solide-solide entre une couche de Si et le diamant) permet d'obtenir une croissance épitaxiale de SiC-3C en ilots, avec les relations [110] SiC // [110] diamant et (100) SiC // (100) diamant. Il n'a cependant pas été possible de former une couche complète et épitaxiale de SiC sur diamant par VLS localisée. Nous avons toutefois montré que cela est réalisable par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en utilisant la même étape de siliciuration / The localized growth of p-doped SiC by Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism was made on (0001) 8°off 4H-SiC and (100) diamond substrates. A silicon-aluminium stacking, localized on top of the substrate, is used after melting as the liquid phase for the growth, carbon being brought by the propane of the gas phase. Regarding the homoepitaxial growth of 4H-SiC, the limited amount of liquid phase leads to a significant consumption of silicon during the growth which is responsible for a continuous variation of the growth parameters. Satisfying growth conditions can therefore be found (40 at% Si alloy, 1100 °C) leading to the formation of a step-bunched layer on the initial Si-Al patterns. Very Low resistivity ohmic contacts (as low as 1.3x10-6 Ω.cm2) and PiN diodes were successfully fabricated from these deposits. Regarding the SiC growth on diamond, the high reactivity between the Si-Al liquid alloy and the diamond substrate leads to the polycrystalline growth of 3C-SiC by a dissolution-precipitation mechanism. It is thus necessary to use a SiC buffer layer in order to achieve an epitaxial growth. This buffer layer, grown by a solid-solid reaction between silicon (deposited by CVD) and the diamond called silicidation, favors the epitaxial growth of 3C-SiC ([110] SiC // [110] diamond and (100) SiC // (100) diamond) during the later VLS growth. Considering the 3D growth mechanism that takes place the formation of a single-crystalline layer from these epitaxial islands seems difficult. Such single-crystalline layer can be achieved using chemical vapor deposition (CVD) after the silicidation step of the diamond substrates

Cette thèse se concentre sur la fabrication de cellule solaire IIIN- V sur substrat de GaP (001) et sur la croissance de couche de GaP sur Si (001). Le but est de réaliser des cellules solaires hautes efficacité sur un substrat à faible coût afin de les intégrer dans des centrales solaire photovoltaïque sous concentration. Les principaux résultats obtenus montrent : - L’importance de l’utilisation d’AlGaP en tant que couche de prénucléation pour annihiler les parois d’antiphase à l’interface GaP/ Si (néfaste pour les propriétés optoélectroniques des dispositifs) - De nombreuses similitude entre la croissance de GaAsN et de GaPN ce qui permet d’élaborer une stratégie afin d’optimiser les propriétés optoélectroniques du GaAsPN - De fortes corrélations entre les propriétés optique et éléctriques dans les nitrures dilués - La réalisation préliminaire d’une cellule solaire monojonction sur GaP ayant un rendement encourageant de 2.25% considérant la faible épaisseur de l’absorbeur dans cette cellule (300 nm) / This thesis focuses on optimizing the heterogeneous growth of IIIN- V solar cells on GaP (001) and GaP nanolayers on Si (001). The goal is to build high efficiency solar cells on low-cost substrate for the realization of concentrated photovoltaic powerplant. The main results shows: - AlGaP as prenucleation layer increase the annihilations of anti-phase boundaries at the GaP/Si interface (harmful for the electronic properties of the devices). - Similarities between the growth of GaAsN and GaPN giving strategies to improve the GaAsPN electrical properties - Clear correlations between the optical and electrical properties of dilute nitride solar cells, giving interesting tools to optimize the growth of those materials using optical measurements. - The realization of a GaAsPN solar cell on GaP with a yield of 2.25%. This results is encouraging given the thin GaAsPN absorber used in this cell

Les études concernent le développement de dispositifs supraconducteurs de détection de photon unique. Le nitrure niobium (NbN) est un matériau adapté à l’élaboration de fils supraconducteurs de la cible du détecteur. Ces travaux ouvrent des perspectives sur l’élaboration de films de nitrure de niobium épitaxié sur saphir par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). L’élaboration des films minces (5-100 nm) est effectuée à haute température (1000°C à 1300°C) à partir de chlorure de niobium et d'ammoniaque dilués dans l'hydrogène (H2-NH3-NbCl5). Les substrats sont du saphir monocristallin (Al2O3) orienté (0002), du nitrure d'aluminium (AlN) orienté (0002) et de 'oxyde de magnésium (MgO) orienté (100).L'étude des relations d’épitaxie au cours de la croissance du nitrure de niobium sur le substrat de saphir a tout d'abord été effectuée. L’observation des microstructures et des orientations cristallines des différents films élaborés a permis de mettre en évidence les relations existant entre l'état de surface du substrat et le mode de croissance du NbN. Les perspectives d'utilisation de substrats monocristallins de type MgO et AlN sont présentées en conclusion.L’étude du procédé de croissance et les relations existant entre les conditions d'élaboration et la "qualité" des films minces a permis de dégager les fenêtres expérimentales conduisant à une croissance épitaxiale. L’énergie d’activation des réactions de croissance et les conditions de sursaturation propices à la croissance épitaxiale ont été calculées.L'étude des relations entre les propriétés structurales et les caractéristiques supraconductrices des films a permis de relier la température de transition supraconductrice à la densité de défauts atomiques, aux défauts microstructuraux, à l’épaisseur des films élaborés et à leur état de contrainte. Il existe une relation linéaire entre l’espace interréticulaire des plans parallèles au substrat et la température de transition supraconductrice.Enfin, l'étude de la durabilité des films ultraminces (5 – 8 nm) de nitrure de niobium a été menée. Dans cette étude les propriétés électriques et supraconductrices de films élaborés à 1000°C et 1200°C sur des substrats de saphir et de couches épitaxiales d'AlN ont été analysées sur une durée de six mois. Les propriétés des films évoluent surtout au cours du premier mois. Le dépôt effectué à haute température permet de limiter la dégradation rapide des films et de conserver leurs propriétés supraconductrices. / The studies concern the development of superconducting devices for single photon detection. Niobium nitride (NbN) is a material suitable for the production of superconducting wires for the detector target. This work is opening up perspectives on the development of epitaxial niobium nitride films on sapphire by the chemical vapor deposition (CVD) method. The production of thin films (5-100 nm) is carried out at high temperature (1000°C to 1300°C) from niobium chloride and ammonia diluted in hydrogen (H2-NH3-NbCl5). The substrate is oriented single crystalline sapphire (Al2O3) (0002), aluminum nitride (AlN) (0002) or magnesium oxide (MgO) (100).The study of epitaxial relationships during the growth of niobium nitride on the sapphire substrate was first performed. Observation of the microstructures and crystalline orientations of the various films processed made it possible to highlight the relationships between the surface state of the substrate and the growth mode of NbN. The potential for using single crystal substrates such as MgO and AlN is discussed in the conclusion.The study of the growth process and the relationships between the working conditions and the "quality" of thin films made it possible to identify the experimental windows leading to epitaxial growth. The activation energy of the growth reactions and the supersaturation conditions favorable to epitaxial growth were calculated.The study of the interactions between the structural properties and superconducting properties of films has allowed the superconducting transition temperature to be linked to the density of atomic defects, microstructural defects, the thickness of the films and their stress state. There is a linear relationship between the interplanar space of planes parallel to the substrate and the superconducting transition temperature.Finally, the durability of ultra-thin films (5 - 8 nm) of niobium nitride was studied. The electrical and superconducting properties of films processed at 1000°C and 1200°C on sapphire substrates and epitaxial layers of AlN were analyzed over a period of six months. The properties of films change most notably during the first month. High temperature deposition limits the rapid degradation of the films and preserves their superconducting properties.

Cette thèse porte sur la modélisation de la dynamique des nanoparticules de silicium dans les plasmas de silane à couplage capacitif pour applications photovoltaïques.Une dérivation complète des équations fluides pour un plasma bi-température réactif polyatomique a été effectuée dans le cadre de la théorie cinétique des gaz. A partir d'une analyse asymptotique de l'équation de Boltzmann, la méthode de Chapman-Enskog a permis d'obtenir les équations d'ordre zéro en le nombre de Knudsen, qui correspondent au régime "Euler", et les équations d'ordre un qui correspondent au régime "Navier-Stokes-Fourier". La méthode fournit également une expression des flux de transport en termes des gradients des variables macroscopiques, ainsi que les coefficients de transports associés.Le modèle de plasma fluide multi-espèces ainsi dérivé a été simplifié et implémenté numériquement en vue de modéliser un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma utilisé pour le dépôt de couches minces de silicium. Un logiciel a été écrit en FORTRAN et validé numériquement à l'aide d'un "benchmark" issu de la littérature. Il a ensuite été mis en oeuvre dans les conditions typiques de l'épitaxie par plasma basse température. Les densités des principales espèces sont en accord avec les données expérimentales de la littérature. L'influence de la chimie du silane sur la tension d'auto-polarisation a également été étudiée, grâce à l'utilisation de formes d'ondes asymétriques sur mesure.Le modèle a ensuite été enrichi à l'aide d'un modèle sectionnel en taille et en charges pour les nanoparticules. La comparaison avec les résultats expérimentaux existants a permis d'estimer le coefficient d’accommodation du silane sur les nanoparticules. Les résultats obtenus confirment le rôle prépondérant des ions positifs dans le processus de dépôt.Le modèle développé dans cette thèse ouvre ainsi la voie à une étude systématique de l’évolution du plasma en fonction des conditions de dépôt et de l'influence des nanoparticules sur les propriétés physico-chimiques du plasma. / This thesis addresses the modeling of silicon nanoparticle dynamics in radio-frequency capacitively-coupled silane plasma discharges for photovoltaic applications.A complete derivation of fluid equations for a two-temperature reactive polyatomic plasma has been achieved in the framework of the kinetic theory of gases. From an asymptotic analysis of the Boltzmann equation, the Chapman-Enskog method was applied to derive the zeroth-order “Euler-type” equations and the first-order “Navier-Stokes-type” equations. Expressions for transport fluxes have been obtained in terms of the macroscopic variables gradients, and associated transport coefficients have been derived.The multicomponent fluid plasma model thus derived has been simplified and implemented numerically in order to model a plasma enhanced chemical vapor deposition reactor as used for silicon thin films deposition. A software has been written in FORTRAN and validated against a benchmark model from the literature. The plasma model has then been applied to typical conditions for low temperature plasma enhanced silicon epitaxy. The main plasma species densities are in good agreement with existing experimental data. The influence of silane plasma chemistry on the DC bias voltage has also been investigated using “tailored voltage” asymmetric waveforms.The model has then been enriched with a sectional model accounting for size and charge of nanoparticles. An estimation of the accommodation coefficient of silane on nanoparticles was obtained from a comparison with existing experimental results. Results of the simulations confirm the critical role of positive ions in the deposition process.The model implemented in this work opens the path for a systematic study of the evolution of the plasma properties as a function of the process conditions and of the influence of nanoparticles on the plasma physicochemical properties.

L’épitaxie par jet chimique (ÉJC) est une méthode de fabrication de semi-conducteur qui permet d’amener à un volume de production des matériaux de pointes qui sont normalement limités aux réacteurs d’épitaxie par jet moléculaire (ÉJM). L’un des aspects à améliorer des réacteurs ÉJC est le faible pourcentage de gaz injecté, autour de 5 %, qui atteint le substrat afin de participer à la croissance du semi-conducteur. Mais comment améliorer l’efficacité d’injection des gaz de ces réacteurs? Tout d’abord, il a été possible d’adapter un outil de modélisation de performances d’injecteur afin de développer un nouveau concept. Cet outil a été validé par un prototype simplifié à l’intérieur d’une chambre d’essai équipée d’instruments de caractérisation. Par la suite, il y a eu la conception d’un injecteur optimisé, la conception d’un système d’assemblage, la conception d’un système de gestion de température et finalement, la validation expérimentale de tous les systèmes. Avec des efficacités d’injection d’environ 29 % pour les réactifs du groupe III et de 37 % pour le groupe V, ce projet permet de réaliser un réacteur améliorant l’efficacité d’injection, le taux de croissance, les coûts de production et diminuant les rejets chimiques. La non-uniformité d’injection est pour sa part en dessous des objectifs fixés avec 13 % pour le groupe III et de 24 % pour le groupe V. L’efficacité d’injection est définie comme étant le pourcentage de molécule injectée atteignant directement le substrat. La non-uniformité est définie comme étant le ratio entre l’écart-type du flux de gaz sur le substrat et l’intensité la plus faible atteignant celui-ci. Ce projet a permis de valider ou d’écarter plusieurs hypothèses initiales permettant ainsi d’améliorer les outils de simulations et de conceptions d’injection du laboratoire. La croissance sans rotation s’est avérée possible en atteignant des performances similaires à celles obtenues avec rotation. Pour ce qui est de la gestion de la température, les résultats étaient similaires aux simulations. Cependant, les températures des parois n’ont pu respecter les objectifs, car la température de croissance a été sous-évaluée. Finalement, ce projet, par le succès du nouveau réacteur LÉA, pourra influencer l’avenir de l’industrie de fabrication dans le domaine du vide, des semi-conducteurs et des matériaux réfractaires au Québec.

Le couplage d'un métal ferromagnétique (MF) et d'un semiconducteur (SC) permettrait d'intégrer un nouveau degré de liberté - le spin - aux propriétés logiques et optiques des semiconducteurs. Cependant, l'élaboration de jonctions tunnel magnétiques (JTM) couplant ces deux types de matériaux (barrières MF/SC/MF) présente des difficultés majeures. En effet, à la température de croissance optimale de la barrière semiconductrice (∼580 ◦C), le métal de l'électrode inférieure diffuse à travers l'interface pour s'incorporer à la barrière et ainsi réduire les effets de magnétorésistance. Pour éviter l'interdiffusion, la barrière doit être élaborée à basse température. Ce procédé implique l'incorporation d'antisites d'As dans la barrière SC qui réduit, encore une fois, les effets magnétorésistifs. Le couple MnAs/GaAs est considéré comme un bon candidat pour la réalisation de jonction hybride MF/SC /MF à cause de la faible réactivité et de la forte polarisation à l'interface. Afin de faire croître des JTM de bonne qualité chimique et cristalline, nous avons étudié des jonctions tunnel originales où l'électrode inférieure est une couche de clusters de MnAs dans une matrice de GaAs (GaAs:MnAs). Cet électrode est couvert par une barrière de SC III-V et par une électrode supérieure composée par une couche continue de MnAs. Le protocole de croissance de l'électrode inférieure (recuit in situ d'une couche de GaMnAs à T>500řC) permet simultanément de recuire la barrière semiconductrice et d'augmenter considérablement la qualité structurale et chimique de la barrière. Ce travail a été réalisé en trois parties. Dans un premier temps, les conditions d'élaboration de couches de GaAs:MnAs/GaAs(001) et de MnAs/GaAs(001) ont été optimisées. Ensuite, nous avons mené des études originales de microscopie à gradient de force magnétique et de spectroscopie de photoémission (in situ et au synchrotron). Ces mesures ont permis de faire ressortir des informations pertinentes pour l'intégration de ces couches en tant qu'électrode magnétique pour l'électronique de spin. Enfin, une étude du transport tunnel polarisé en spin a été conduite sur des jonctions tunnel MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs.

Ce travail concerne l‟étude de la croissance épitaxiale de couches fines de nitrure d‟aluminium (AlN) sur substrats silicium. Les propriétés structurales et optiques de l‟AlN épitaxié par jets moléculaires sont étudiées en fonction de l‟orientation et de la préparation de surface du substrat. La vitesse de propagation des ondes acoustiques et les coefficients piézoélectriques e31 et d33 sont mesurés. Des mesures préliminaires sur des résonateurs à ondes acoustiques de volume confirment que l‟utilisation de couches épitaxiées permet la réalisation de composants capables de fonctionner à hautes fréquences. Dans la dernière partie, nous présentons des résultats collatéraux à cette étude et plus particulièrement nous montrons l‟effet de l‟amélioration de la qualité de la couche tampon d‟AlN sur la croissance d‟hétérostructures à base de GaN sur substrat silicium et nous dégageons quelques perspectives concernant la fabrication de micro-nanostructures et la possibilité d‟intégrer cette famille de matériaux à la filière silicium.

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau en plein essor depuis le début des années 1990 pour des applications dans le domaine de l'optoélectronique telles que les diodes électroluminescentes (DELs) bleues ou blanches, les diodes lasers (DLs) bleues ou les détecteurs ultra-violets. L'activité épitaxie de GaN par la technique de croissance HVPE (Epitaxie en phase vapeur par la méthode aux hydrures), a vu le jour au LASMEA en 1998. Les premières études expérimentales et de modélisation réalisées sur des échantillons de faibles dimensions (surface d'environ 1 à 3 cm2) ont conduit à la mise en évidence des mécanismes de croissance et à la maîtrise du procédé. Le développement de ce matériau à l'échelle industrielle a nécessité de travailler sur des surfaces de dimension plus grandes de l'ordre de deux pouces. Un nouveau dispositif expérimantal HVPE a été conçu dans ce sens, mis en place au sein du laboratoire et le procédé a été validé. De nouvelles investigations ont été menées sur l'étude de l'épitaxie sélective de GaN pour la réalisation de structures périodiques de faible dimensionnalité à morphologies contrôlées. Des structures de morphologies poutres et pyramidales de GaN de 1 à 2 µm de large ont ainsi pu être épitaxiées par la technique HVPE. Une analyse systématique de la variation des conditions de croissance est effectuée, visant à maîtriser l'ensemble des paramètres qui influent sur les morphologies et les dimensions des structures. Cette étude est couplée à la compréhension des mécanismes de croissance mis en jeu au cours de l'épitaxie sélective de GaN.