Depuis les premiers travaux publiés en 2004, le graphène est obtenu par trois principales techniques, l’exfoliation, le dépôt chimique en phase vapeur et la graphitisation du carbure de silicium. Seules les deux dernières sont adaptées aux technologies standards de la microélectronique. Une autre méthode est étudiée dans ce travail, consistant à faire croitre le graphène par épitaxie par jets moléculaires. Le SiC a été utilisé comme substrat du fait du faible désaccord de maille avec le graphène et de sa compatibilité avec les processus technologiques. La croissance de graphène a été obtenue avec succès sur les deux faces du SiC, à partir d’une source de carbone solide. La gamme de température utilisable est restreinte du fait de l’amorphisation ou de la graphitisation. La structure du graphène dépend fortement de la face du SiC considérée, de façon analogue à ce qui est obtenu par graphitisation (plan d’interface riche en C et empilement graphite sur la face Si, absence de couche d’interface et plans tournés et découplés électroniquement sur la face C). Les bandes de valence ont été mesurées en spectroscopie de photoélectrons résolue angulairement, et présentent la dépendance linéaire caractéristique du graphène aux points de Dirac. Cependant, la présence de défauts dans le matériau induit une forte réduction de la mobilité électronique. Cette dernière a été améliorée en réalisant la croissance épitaxiale sous un flux de Si externe, à plus haute température. / Since the first publications in 2004, three techniques are mainly used to grow graphene, exfoliation, chemical vapor deposition and graphitization on silicon carbide. Only the two latter ones are suitable with microelectronics technological processes. In this thesis, another method of growth is studied, molecular beam epitaxy. SiC has been chosen as substrate, because of the weak lattice mismatch with graphene and for technology compatibility. Thin films of graphene have been successfully grown from a solid carbon source on both faces of SiC. Amorphization and graphitization restrain the growth temperature range. The MBE graphene structure depends on the considered SiC face, as graphene grown by graphitization does (C-rich interface layer and graphite stacking on the Si face, rotated and electronically uncoupled graphene layers on the C face). The valence bands have been measured by angle resolved photoelectron spectroscopy and show the characteristic Dirac cone along the ΓК direction. However, defects are present in the MBE film, resulting in low electron mobility. This last point has been improved by growth under an external silicon flux, allowing higher temperature to be used.

L’alliage ternaire InGaN reçoit beaucoup d’attention grâce à son énergie de bande interdite ajustable qui varie entre l’infrarouge et l’ultraviolet. Les matériaux GaN et InGaN sont largement utilisés dans de nombreuses applications telles que des cellules photovoltaïques à haute efficacité, des diodes électroluminescentes ou des diodes laser à forte luminosité allant du bleu au vert ou encore la génération de lumière blanche directe. L’ensemble des propriétés de ce matériau en fait aussi un candidat sérieux pour un certain nombre d’autres applications. Pour concevoir des composants à base d’InGaN, il est cependant vital de déterminer au préalable les propriétés optiques du matériau aux fréquences d’intérêt et il n’existe que très peu voire aucune communication sur les indices du GaN ou de l’InxGa1-xN pour x>0.07. Nous étudions dans cette thèse la croissance par metalorganic chemical vapor deposition et la caractérisation des indices optiques de GaN, d’InN et d’InxGa1-xN avec une concentration en indium variant jusqu’à x=0.14 dans les domaines de fréquence visible et térahertz et discutons la conception et le procédé de fabrication d’une photodiode térahertz ultrarapide. / The InGaN compound is a promising ternary alloy system that receives a lot of attentions thanks to its tunable bandgap that varies from the near infrared region to the near ultraviolet region. InGaN/GaN materials have been widely used in various applications like high efficiency solar cells, high-brightness blue to green light emitting diodes or laser diodes as well as non-phosphor based direct white light generation. The unique set of properties of this material also makes it a suitable candidate for a number of other new applications. However, to design efficient InGaN-based devices, it is a prerequisite to know the optical properties of InGaN films at the frequencies of interest and there is currently very little information on the index of GaN and InxGa1-xN with x>0.07. In this thesis, we study and characterize the optical indices of GaN, InN and InxGa1-xN thin films grown by metalorganic chemical vapor deposition with indium concentration varying up to x=0.14. We discuss the design and fabrication process of an InGaN-based ultrafast terahertz photodiode.

En raison de leurs propriétés physiques et leur stabilité chimique, les semi-conducteurs à large bande interdite comme les nitrures d’éléments III doivent permettre de réaliser des dispositifs ayant une meilleure performance dans des environnements sévères. De plus, leur piézoélectricité et la possibilité de les utiliser en technologie monolithique sur silicium rendent cette filière particulièrement intéressante pour intégrer des microsystèmes électro-mécaniques MEMS avec des composants actifs HEMT dans la perspective de réalisation d’une nouvelle génération de capteurs. Le développement des MEMS en matériau nitrures nécessite une bonne connaissance et une bonne maîtrise des propriétés mécaniques des matériaux. La première partie de la thèse consiste donc en la caractérisation des modules d’Young et des contraintes résiduelles dans les couches minces de nitrures épitaxiées par épitaxie par jets moléculaires sur substrat silicium. Pour extraire ces paramètres mécaniques, nous avons mesuré et modélisé des micro-dispositifs de test constitués par des poutres bi-encastrées ou encastrées-libres de longueurs variées et des indicateurs mécaniques. La deuxième partie consiste en l’étude de la transduction électro-mécanique d’actionnement des résonateurs formés par une poutre intégrant une hétérostructure AlGaN/GaN. Les résonateurs sont actionnés par une diode Schottky intégrée sur la poutre. Les actionneurs ont été caractérisés en amplitude et en fréquence de vibration sous différentes conditions de polarisation par vibrométrie laser par effet Doppler. Une modélisation à été effectuée de façon analytique et de façon numérique par éléments finis en utilisant COMSOL multiphysique afin de comprendre le mécanisme d’actionnement et de mettre en évidence le rôle de l’hétérostructure AlGaN/GaN sur le fonctionnement de l’actionneur. / Due to their physical properties and chemical stability, wide band gap semiconductors such as group III nitrides should enable devices with a better performance in harsh environments. In addition, their piezoelectricity and the possibility of monolithic integration on silicon, make this technology particularly attractive for integrating microelectromechanical systems (MEMS) with active devices such as HEMTs for the purpose of developing a new generation of sensors. The development of MEMS using nitride materials requires a good knowledge and understanding of the mechanical properties of materials. The first part of this thesis concerns the determination of the Young modulus and the residual stress in the thin films of nitrides grown by molecular beam epitaxy on silicon substrate. In order to extract these mechanical parameters, we measured and modelled test devices such as clamped-clamped beams, free-clamped beams with different lengths and mechanical indicators. The second part of the thesis consists in studying the piezoelectric actuation of MEMS resonators based on an AlGaN/GaN heterostructure. The resonators are actuated by a Schottky diode integrated onto the beam. The amplitude of the actuated resonator and the resonant frequency were measured under various bias conditions using Doppler laser vibrometry. We performed analytical modelling and finite element modelling using COMSOL Multiphysics® in order to unerstand the actuation mechanism and to evidence the role of the AlGaN/GaN heterostructure on the actuator operation.

Pour répondre aux défis matériaux relatifs à l’intégration des semiconducteurs III-V sur silicium, l’utilisation de nanostructures telles les boîtes quantiques et les nanofils s’avère une voie très prometteuse. Associée à la miniaturisation continue des dispositifs, elle devrait permettre l’émergence de nouveaux circuits opto et microélectroniques performants. Cela nécessite auparavant une maîtrise complète de la croissance et de la technologie des architectures tridimensionnelles à l’échelle nanométrique. Dans ce contexte, ce travail présente l’étude de la croissance localisée de semiconducteurs III-V par épitaxie par jets moléculaires (EJM) dans des motifs nanométriques. Nous discutons d’abord l’homoépitaxie localisée d’InAs et InP et établissons que les conditions de croissance ainsi que la largeur et l’orientation des ouvertures permettent de contrôler la forme des nano-cristaux obtenus. Nous démontrons ensuite la croissance sélective à basse température de GaSb sur substrat GaAs (001) fortement désaccordé en maille par EJM assistée d’un flux d’hydrogène atomique. Nous mettons en évidence l'impact de l’orientation des ouvertures, ainsi que le rôle du rapport de flux Sb/Ga sur la relaxation des nanostructures GaSb. Enfin, à partir de cette étude, nous démontrons comment ces nanofils GaSb peuvent être utilisés pour la croissance ultérieure de nanofils InAs horizontaux. / The use of nanostructures such as quantum dots and nanowires is a very promising way of integration of III-V semiconductors on silicon, since it allows answering most of the associated material challenges. Together with the continuous trend in device scaling, it should lead to the development of new highly efficient opto- and microelectronic circuits. This appeals for a full mastering of the growth and processing of 3D architectures at the nanometer scale. Consequently, the present work aims at investigating the selective area growth (SAG) of III-V semiconductors by molecular beam epitaxy (MBE) in nanoscale patterns. Homoepitaxial SAG of InAs and InP are first reported in order to show that the growth conditions, the opening width and the stripe directions allow tailoring the nanocrystal shape. We then achieve the SAG of in-plane GaSb nanotemplates on a highly mismatched GaAs (001) substrate at low temperature by atomic hydrogen assisted MBE. We highlight the impact of the nano-stripe orientation as well as the role of the Sb/Ga flux ratio on the strain relaxation of GaSb. Finally, from this study, we demonstrate how these GaSb nanotemplates can be used for subsequent growth of in-plane InAs nanowires.

Les matériaux semi-conducteurs à grand gap tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) sont utilisés pour fabriquer des composants semi-conducteurs de puissance, qui vont jouer un rôle très important dans le développement des futurs systèmes de conversion d'énergie. L'objectif est de réaliser des convertisseurs avec de meilleurs rendements énergétiques et fonctionnant à haute température. Pour atteindre cet objectif, il est donc nécessaire de bien connaître les caractéristiques de ces nouveaux composants afin de développer des modèles qui seront utilisés lors de la conception des convertisseurs. Cette thèse est donc dédiée à la caractérisation et la modélisation des composants à grand gap, mais également l'étude des dispositifs de mesure des courants des commutations des composants rapides. Afin de déterminer les caractéristiques statiques des composants semi-conducteurs, une méthode de mesure en mode pulsé est présentée. Dans le cadre de cette étude, une diode SiC et un JFET SiC "normally-off" sont caractérisés à l'aide de cette méthode. Afin de mesurer les capacités inter-électrodes de ces composants, une nouvelle méthode basée sur l'utilisation des pinces de courant est proposée. Des modèles comportementaux d'une diode Si et d'un JFET SiC sont proposés en utilisant les résultats de caractérisation. Le modèle de la diode obtenu est validé par des mesures des courants au blocage (recouvrement inverse) dans différentes conditions de commutation. Pour valider le modèle du JFET SiC, une méthode de mesure utilisant une pince de courant de surface est proposée. / Compared to traditional silicon (Si) semiconductor material, wide bandgap (WBG) materials like silicon carbide (SiC) and gallium nitride are gradually applied to fabricate power semiconductor devices, which are used in power converters to achieve high power efficiency, high operation temperature and high switching frequency. As those power devices are relatively new, their characterization and modeling are important to better understand their characteristics for better use. This dissertation is mainly focused on those WBG power semiconductor devices characterization, modeling and fast switching currents measurement. In order to measure their static characteristics, a single-pulse method is presented. A SiC diode and a "normally-off" SiC JFET is characterized by this method from ambient temperature to their maximal junction temperature with the maximal power dissipation around kilowatt. Afterwards, in order to determine power device inter-electrode capacitances, a measurement method based on the use of multiple current probes is proposed and validated by measuring inter-electrode capacitances of power devices of different technologies. Behavioral models of a Si diode and the SiC JFET are built by using the results of the above characterization methods, by which the evolution of the inter-electrode capacitances for different operating conditions are included in the models. Power diode models are validated with the measurements, in which the current is measured by a proposed current surface probe.

Les nanocristaux semi-conducteurs possèdent des tailles qui se situent entre celles des molécules et des matériaux cristallins. Leurs propriétés physiques sont donc dominées par des effets de confinement quantique et par des états électroniques discrets. Une étude approfondie de leur structure électronique et en particulier de la localisation des porteurs de charge s’avère nécessaire pour pouvoir à plus long terme faire de l’ingénierie de structure de bande des hétérostructures semi-conductrices. La microscopie à effet tunnel est l’outil idéal pour imager et sonder les propriétés électroniques de nanocristaux. Le système peut être comparé à une jonction tunnel à doublé barrière tunnel (chapitre 1). Pour caractériser les effets de Coulomb dans des objets quantiques par spectroscopie tunnel (technique détaillée au chapitre 2), mes travaux de recherche ont tout d’abord porté sur un système modèle : une liaison pendante silicium, dont l’état de charge a pu être modifié de manière contrôlée (chapitre 3). Des nanocristaux cœur-coquille (PbSe/CdSe) à symétrie sphérique ont ensuite été étudiés (chapitre 4). Contrairement aux nanocristaux sans coquille, les expériences révèlent que le transport est dominé par le même type de porteurs de charge à polarisation positive et négative de la jonction. Ces mesures donnent également accès à l’énergie de charge des nanocristaux. Un régime de transport similaire est obtenu pour des nanobâtonnets constitués d’un cœur sphérique CdSe enfermé dans un bâtonnet de CdS (chapitre 5), démontrant la reproductibilité des phénomènes observés par l’hétérostructures cœur-coquille. / Semiconductor colloidal nanocrystals are quite attractive, because of their physical properties, such as discrete energy levels. However, devices prepared from semiconductor nanocrystals are still facing limitations due to a high environmental sensitivity of their organic shell. In order to increase their optical properties, core-shell nanocrystals have thus been synthesized. Scanning tunneling microscopy is the appropriate tool to image and probe the electronic properties of individual nanostructures and. This system can be compared to a double barrier tunnel junction, where the transport properties are governed by the transmission probability across both potential barriers (chapter 1). In order to investigate the Coulomb effect in those quantum objects by tunneling spectroscopy (this technique being described in chapter 2), the thesis has first focussed on a prototypical model: an isolated silicon dangling bond, where its charge state has been changed in a controlled manner (chapter 3). Then, PbSe/CdSe core-shell nanocrystals have been studied and a general method is described to correctly identify the electrical nature of the charge carriers in the tunneling spectra (chapter 4). In contrast to the core nanocrystals the transport through core-shell structures reveals, for a majority of nanocrystals, that the same type of charge carrier tunnel on both sides of the apparent gap. Charging peaks are also observed and allow the measurements of the charging energy in these systems. A similar transport regime is obtained for CdSe/CdS dot in rod nanocrystals (chapter 5), demonstrating the reproducibility of the characterized transport phenomena of nanoheterostructure.

Le développement des nanotechnologies passe par la mise au point de nouveaux instruments adaptés à la caractérisation de la matière à l'échelle nanométrique. Le Nanoprobe acquis par l'IEMN au début de ma thèse répond à cet enjeu. Cet instrument constitué d'une plateforme de Microscopie à Effet Tunnel à Quatre-Pointes (4T-STM) et surmontée d'un Microscope Électronique à Balayage (MEB) a pour vocation d'effectuer des analyses, contrôles et tests de nanomatériaux et composants électroniques.Après une description détaillée du fonctionnement de cet appareil (chapitre 2), une première étude a été réalisée pour déterminer l'influence de l'irradiation électronique sur des nanostructures semi-conductrices, à savoir ici des nanofils d'InAs (chapitre 3). Sous irradiation, les fils deviennent quasi-métalliques. Grâce à des mesures originales du transport dans des nanofils semi-suspendus, ce changement des propriétés électriques est attribué à la formation de défauts chargés à la surface des fils. L'ionisation par impact est un phénomène responsable de la multiplication des porteurs dans les cellules photovoltaïques. Le quatrième chapitre démontre l'intérêt du Nanoprobe à caractériser ce phénomène sur un système modèle, une jonction p-n de silicium. Alors que deux pointes en contact polarisent la diode, une troisième injecte localement par effet tunnel des électrons possédant une énergie bien définie. La mesure de porteurs supplémentaires démontre le phénomène d'ionisation par impact avec une résolution inégalée jusqu'à présent. / The advent of nanotechnology involves the development of an instrumentation capable of investigating the matter at this scale. The Nanoprobe acquired by IEMN at the beginning of my thesis brings technical solutions to this issue. This instrument consisting of a Four-Tip Scanning Tunneling Microscopy platform (4T-STM) and topped with a Scanning Electron Microscope (SEM) is dedicated to perform analysis, inspections and tests on nanomaterials and electronic devices. After a detailed description of this instrument (Chapter 2), a first study was conducted to determine the influence of electron irradiation on semiconductor nanostructures, InAs nanowires are treated here. Under irradiation, the nanowires become quasi-metallic. Thanks to original transport measurements on freestanding nanowires, this change of the electrical properties is attributed to the formation of charged defects on the surface of nanowires. The impact ionization is a phenomenon responsible for carrier multiplication in solar cells. The fourth chapter shows the ability of the Nanoprobe to characterize this phenomenon in a typical model, a silicon p-n junction. While 2 tips in contact polarize the diode, a third one locally injects tunneling electrons that have a well defined energy. The measurement of supplementary carriers proves that impact ionization occurs and can be measured with a resolution never reached before.

Cette thèse aborde une approche originale de réalisation de composants organiques (transistors, mémoires volatiles et non volatiles) à base d’un semiconducteur de type N “PolyeraTM N2200”. Tout d’abord, des transistors à effet de champ ont été fabriqués et optimisés en améliorant notamment certains paramètres technologiques. Par la suite, ces transistors ont été simulés à l’aide du logiciel ISE TCAD®, un logiciel basé sur un modèle 2D à effet de champ et de dérive-diffusion. Les propriétés électriques de ces dispositifs organiques ont été étudiées en fonction de l’influence de la mobilité des porteurs, des densités des pièges, et de leur énergie… . Les effets des pièges d'interface ont également été pris en considération. Par ailleurs, on y incorporant une couche de nanoparticules d’or (NP’s Au), on a réussi à développer des composants appelés « NOMFET » qui miment le comportement d’une synapse biologique tout en reproduisant les effets dépressifs et facilitateurs avec une amplitude relative de 50% et une réponse dynamique de l’ordre de 4s. En étudiant la dynamique de chargement et de déchargement des NP’s d’or, on a mis en évidence une fonction d’apprentissage anti-Hebbienne, un des mécanismes fondamentaux de l’apprentissage non-supervisé d’une synapse inhibitrice dans un réseau de neurones biologiques. Finalement, des mémoires FLASH, ont été réalisées en combinant des NP’s d’or avec des monofeuillets d’oxyde de graphène réduit (rGO). Ces mémoires « FLASH » appelées aussi mémoires à double grille flottante montrent une large fenêtre de mémorisation (~68V), un temps de rétention élevé (>108s) et d’excellentes propriétés d’endurance (1000 cycles d’écriture/effacement). / The subject of this thesis adopt an original approach to realize new components (transistor, volatile and non-volatiles memory) based on N type organic semiconductor “PolyeraTM N2200”. First, we have fabricated and optimized organic field effect transistors by modifying some technological parameters related to fabrication. Then, we have analyzed their electrical properties with the help of two-dimensional drift-diffusion simulator using ISE-TCAD®. We studied the fixed surface charges and the effect of the organic semiconductor/oxide interface traps. The dependence of the threshold voltage on the density and energy level of the trap states has been also considered. , by incorporating gold nanoparticles in these devices, we have developed a new device called “NOMFETs” (nanoparticles organic memory field effect transistors), which mimic the behavior of biological synapse by reproducing a facilitating and a depressing drain current with a relative amplitude of about 50% and a dynamic response of about 4s. Studying the charging/discharging dynamics, we demonstrated a typical anti-Hebbien learning function, one of the fundamental mechanisms of the unsupervised learning in biological neural networks. Finally, we developed nonvolatile “FLASH” memory devices, by combining metallic gold nanoparticles and reduced graphene oxide (rGO) monolayer flakes. This double floating gate architecture provided us a good charge trapping ability which include a wide memory window (~68V), a long extrapolated retention time (> 108 s) and strong endurance properties (1000 write/erase cycles).

Avec la miniaturisation des composants optoélectroniques, contrôler la surface de leur constituants actifs devient prépondérant. C’est en particulier vrai pour les nanofils semi-conducteurs dont la géométrie favorise un rapport surface sur volume élevé. L’objectif de cette thèse consiste donc à mener une étude précise de la structure cristallographique et électronique de leur surface et à déterminer à quel point cette surface affecte leurs propriétés physiques globales. Ce travail commence par une description détaillée de la croissance des nanofils III-V en insistant sur l’intérêt de fabriquer des ensembles de nanofils uniformes, condition nécessaire pour assurer une grande reproductibilité des résultats. Il se poursuit par un éclairage sur une technique de choix pour analyser la surface des nanofils, la microscopie à effet tunnel, et une technique d’encapsulation des nanofils pour préserver leur surface de toute contamination. L’intérêt de ces deux techniques est démontré au travers de l’étude de la surface de nanofils GaAs et InAs pour expliquer comment la désorption d’une couche protectrice d’arsenic conduit à des morphologies de surface différentes. L’expertise ainsi acquise est alors mise à profit pour caractériser des nanofils GaAs cœur-coquille, dont la coquille est fabriquée à basse température. Au travers de l’identification des défauts rencontrés dans la coquille, cette dernière se révèle posséder des propriétés similaires à celles de films GaAs fabriqués à basse-température. La durée de vie limitée des porteurs de charge photoexcités est alors exploitée pour étudier les effets induits par les défauts sur les propriétés d’émission THz de nanofils à base de GaAs. / With the size reduction of optoelectronic devices, controlling the surface of semiconductor materials is becoming crucial to optimize their performances. This is particularly true for one-dimensional systems such as semiconductor nanowires that are subject to high surface-to-volume ratio. The aim of this thesis is therefore to perform a comprehensive study of the surface properties of III-V semiconductor nanowires and to determine to what extent they affect their overall properties. Starting with a description of the basic principles that govern their growth in order to obtain nanowire ensembles with a good uniformity, we then highlight a surface science tool, scanning tunneling microscopy, and a surface preparation technique, based on the use of a protective arsenic layer, that are key to further understand the structural and electronic properties of the surface of self-catalysed GaAs and InAs semiconductor nanowires. In the fourth part of this work, we apply these techniques to analyse the structural and electronic properties of GaAs core-shell nanowires consisting of a thin shell grown at low temperature. We show the similarity of the shell properties with low-temperature grown GaAs thin film through the identification of their point defects and finally compare the THz properties of these nanowires with GaAs nanowires. The importance of the shell in the dynamics of the free charge carriers is demonstrated from the analysis of the THz waveforms.

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur dont la filière est en plein essor. Ses propriétés ont permis d’en faire le deuxième matériau semi-conducteur le plus utilisé pour les composants optiques et électroniques, après le silicium. Cependant, comparativement à ces domaines, peu d’études ont été menées quant à la réalisation de microsystèmes électromécaniques (MEMS) malgré des propriétés mécaniques favorables. Dans ce contexte, ces travaux présentent le développement de premiers accéléromètres MEMS résonants en filière GaN. Ces derniers reposent sur l’utilisation de poutres vibrantes possédant une forte contrainte mécanique en tension, avec un actionnement et une détection électriques intégrés. La présence de contrainte modifie significativement les performances de l’accéléromètre. Une étude théorique analytique de l’impact de la contrainte démontre ses bénéfices, notamment en termes de facteur de qualité et d’étendue de mesure. Les étapes du procédé de fabrication des composants ont été développées. Enfin, la caractérisation des accéléromètres démontre de très bonnes performances par rapport à l’état de l’art des autres filières technologiques et en accord avec les modèles préalablement établis. / The gallium nitride (GaN) is a semiconductor material for which the sector is rapidly expanding. Thanks to its properties, it have become the second most used semiconductor material for optic and electronic components, after the silicon. However, relatively to those sectors, few studies have been performed about the production of microelectromechanical systems (MEMS) despite the favorable mechanical properties. In this frame, this work presents the development of first resonant MEMS accelerometer in GaN. They are based on the use of vibrating beams which have a high tensile stress, with an integrated electrical actuation and detection. The existence of stress results in a significant modification of the performances of the accelerometer. An analytical theoretical study of the impact of the stress demonstrates its benefits, particularly for the quality factor and the measuring range. The process flow for the fabrication of the component has been developed. Finally, the characterization of the accelerometers shows very good performances compared to the state of the art of the other technologies and in agreement with the models previously established.