Afin d'améliorer les performances électriques des circuits intégrés (densité d'intégration, vitesse et fiabilité), des matériaux à permittivité élevée sont introduits dans les composants passifs, notamment les capacités " Métal-Isolant-Métal " (MIM). De nombreux diélectriques, allant d'une permittivité moyenne (SixNy, Ta2O5, HfO2, ZrO2) à très élevée (les pérovskites SrTiO3 et BaTiO3) en passant par les alliages de plusieurs éléments (HfTiO, TiTaO ou Pb(ZrxTi1-x)O3) sont largement étudiés comme candidats prometteurs. Ces composants et ces matériaux ont pour vocation de fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées, jusqu'à plusieurs gigahertz. La permittivité complexe Er (permittivité réelle E'r et pertes E''r) des diélectriques peut varier avec la fréquence : des phénomènes de relaxation et de résonance peuvent apparaître. La caractérisation de ces matériaux et l'évaluation des performances des composants intégrant ces diélectriques deviennent nécessaires sur une très large bande de fréquence. Ce travail de thèse a pour objectifs d'obtenir les caractéristiques électriques des diélectriques sur une très large bande de fréquences, du continu à plusieurs dizaines de gigahertz, en configuration in-situ, c'est-à-dire en films minces et avec les mêmes procédés d'intégration que dans le composant MIM final. Pour cela, un outil générique, allant du développement de la technologie nécessaire à la réalisation des structures de test et aux procédures d'extraction des propriétés à hautes fréquences, a été développé, validé grâce au SixNy puis appliqué à différents diélectriques : AlN [1], TiTaO [2], HfO2 et ZrO2 [3,4]. [1] T. Bertaud et al., Microelectron. Eng. 88, 564 (2011). [2] T. Bertaud et al., J. Appl. Phys. 110, 044110 (2011). [3] T. Bertaud et al., IEEE Electr. Device L. 31 (2), 114 (2010). [4] T. Bertaud et al., IEEE T. Compon. Pack. 2 (3), 502 (2012).

Powder injection molding (PIM) is widely used to manufacture complex-shaped ceramic and metal components in high production volumes. In order to design and fabricate PIM components, it is important to know a number of material properties at different powder- polymer compositions. In this thesis, several predictive models for estimating rheological, thermal and mechanical properties as a function of powder-polymer mixtures were evaluated using experimental data obtained from the literature. Based on this survey, models were selected for predicting rheological, thermal and mechanical properties for aluminum nitride-polymer mixtures at various volume fractions of powder using experimental measurements of unfilled and filled polymers. The material properties were estimated for two aluminum nitride powder-polymer mixtures and used in mold-filling simulations. These results will provide new perspectives and design tools for identifying useful material compositions, component geometry attributes, and process parameters while eliminating expensive and time-consuming trial-and-error practices prevalent in PIM. / Graduation date: 2013

Le résonateur étudié s'insère dans un projet industriel porté par NXP Semiconductors. L'objectif est la réalisation d'un résonateur MEMS RF intégrable en vue de remplacer le quartz dans certaines applications. La compatibilité du procédé de fabrication avec les technologies utilisées par la société et le faible coût de production représentent les principaux enjeux du projet. Le résonateur TFEAR (Thin Film Elongation Acoustic Resonator) est un barreau, constitué d'une superposition de couches minces de type Métal/AlN/Métal. Les propriétés piézoélectriques du nitrure d'aluminium (AlN) sont ainsi exploitées : l'application d'un champ électrique alternatif, parallèle à l'épaisseur du barreau, entraîne une propagation d'ondes acoustiques suivant sa longueur. Les dimensions des résonateurs fabriqués correspondent à des fréquences de résonance comprises entre 10MHz et 50MHz. Cette thèse s'intéresse la modélisation et à la caractérisation électrique du résonateur TFEAR. Les modèles théoriques sont développés par simulations numériques 3D et par calculs analytiques 1D. Le comportement électrique du TFEAR est décrit par un schéma équivalent, dont les éléments sont exprimés en fonction des paramètres physiques et des pertes des matériaux le constituant. Un facteur de qualité de 2250 sur un TFEAR résonant à 25,79MHz et dont la résistance motionnelle est de 2,1 kOhms a été relevé. Ces mesures ont été complétées par la caractérisation des paramètres physiques de la couche piézoélectrique. Par exemple, des valeurs de coefficient piézoélectrique d33f atteignant 2,6 pm/V ont été relevées (pour un maximum théorique de 3,93 pm/V)

To offer better solutions for the recycling of salt cake from secondary aluminum melting, several innovative investigations were carried out based on hydrometallurgical and pyrometallurgical views. Thermal diffusivity measurements as a function of temperature on salts-Al composites having various compositions (0, 2, 4, 6, 8, 10, 12wt pct metallic Al) were carried out. Its attempt to derive theoretical relationships between aluminium contents in the salt-Al composites and the thermal conductivities so that these would serve as calibration curves for industrial samples taken out from secondary aluminium re-melting at a later stage. The AlN hydrolysis behavior in NaCl solution was investigated by immersing pure AlN powder in deionized water, 0.3mol/l NaCl aq, 0.6mol/l NaCl aq and NaCl solution respectively with CO2 bubbling at 291K. The results showed that AlN powder underwent enhanced hydrolysis in NaCl aq than that in deionized water, while, the introduction of CO2 was found to hinder the hydrolysis even in the presence of NaCl. The characterization of the products after hydrolysis was carried out using XRD, SEM and TEM analyses. It was shown that the hydrolysis process included a slow-reaction period involving the dissolution of aluminum hydroxide layer around raw AlN particle, followed by the precipitation of aluminum hydroxide gel and the crystallization of boehmite, bayerite and gibbsite. The effects of sodium chloride concentration on the hydrolysis behavior are presented. The leaching process in CO2-saturated water showed that, at a solid to liquid ratio of 1:20 and 3h at 291K, the extraction of Na and K from the dross could be kept as high as 95.6% and 95.9%, respectively. At the same time, with continuous CO2 bubbling, the mass of generated NH3 during the leaching process decreased significantly, also the escaping NH3 gas decreased from 0.25mg in pure water down to &lt;0.006mg. The above results showed that the introduction of CO2 causes hindrance to the hydrolysis of AlN, meanwhile, effective absorption of ammonia. The plausible mechanisms for the observed phenomena are discussed. The concept of the leaching of the salt cake by carbonated water and the consequent retention of AlN in the leach residue opens up a promising route towards an environment-friendly recycling process for the salt cake viz. recovery of the salts, utilization of CO2 and further processing of the dross residue, towards the synthesis of SiAlON from the leach residues.   In alternative route to the processing of salt cake, the ammonia gas evolved by hydrolysis of AlN was collected by CO2-saturated water during water leaching at 373K. The products, i.e. ammonium carbonates which are free of chlorides, has application as a fertilizer, besides that, this method also has the advantage of fixing carbon from CO2, which is the subject of many investigations around the world. The oxidation behavior of composites SiMgAlON phases (β-SiAlON, MgAlON and 15R) synthesized from the residue during the leaching treatment of salt cake and corresponding synthetic samples was investigated in air by thermogravimetric measurements. The oxidation studies reveal the effects of impurities, namely, Fe2O3 and CaO present in the salt cake residue. From the view of kinetics, the addition of Fe2O3 brings a lower activation energy and more aggressive oxidation. The additive of CaO caused the shrinkage during the synthesis and liquid formation during the oxidation above 1673K, thus retard the oxidation rate. The impurities of CaO and Fe2O3 in the leaching residue can result in an aggressive oxidation at low temperature and a protective oxidation at temperatures above the eutectic point. From the view of phase evolution, with the progress of oxidation, the composition of the material being oxidized moved towards the Al2O3-rich corner of MgO-Al2O3-SiO2 or CaO-MgO-Al2O3-SiO2 phase diagrams relevant to SiMgAlON composite. At lower temperatures, the addition of Fe2O3 and CaO facilitated the formation of cordierite and anorthite, respectively. With the increasing of temperature, islands of silicate melt were formed dissolving these oxides, with the liquidus temperature getting lowered as a consequence. The liquid phase formed engulfed the adjacent solid phases providing strong mobility for the cations and enabling the crystal growth. As a result, intermediate products, i.e. cordierite, anorthite, spinel, which formed earlier during oxidation are found to get dissolved in the liquid phase. / <p>QC 20120912</p>

Nous étudions les propriétés optiques de boîtes quantiques GaN/AlN élaborées par épitaxie par jets moléculaires sur substrats Si(111). La spectroscopie résolue en temps de l'émission collective de plans de boîtes quantiques nous conduit à une détermination appropriée de l'état fondamental des boîtes quantiques et du champ électrique interne le long de l'axe de croissance. Nous observons et modélisons une dynamique de recombinaison non conventionnelle des porteurs. Ces résultats préliminaires nous permettent de sélectionner les boîtes quantiques idéales pour l'étude individuelle en micro-photoluminescence. Nos mesures sur boîte unique révèlent des effets de diffusion spectrale que nous étudions en détails. En analysant la polarisation linéaire, nous observons des propriétés liées à la structure fine excitonique, très différentes de celles de boîtes quantiques étudiées auparavant, ce que nous expliquons à l'aide d'un modèle tenant compte des effets d'échange et d'anisotropie.

Les nitrures d'éléments III sont des semi-conducteurs dont l'émission optique suscite un grand intérêt en vue des applications optoélectroniques. Nous avons analysé leurs propriétés optiques, vibrationnelles, électroniques et cristallographiques, notamment par le biais de la spectroscopie Raman. Les systèmes typiques que nous avons examinés correspondent à l'état de l'art de la croissance des différents composés de la famille des nitrures d'éléments III : nous avons considéré des îlots et films micrométriques d'InN, ainsi que des hétérostructures (super-réseaux et boîtes quantiques) à base de GaN et d'AlN.<br />L'étude présentée porte en particulier sur les processus de relaxation des contraintes dans les îlots et les boîtes quantiques, ainsi que sur les mécanismes de diffusion inélastique de la lumière dans InN et la dynamique de réseau dans les nanostructures. Ce travail est fortement marqué par les aspects expérimentaux, et une part importante de ce manuscrit est consacrée aux résultats obtenus sous haute pression.

During the last decade, AlGaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have been intensively studied because their fundamental electrical properties make them attractive for highpower microwave device applications. Despite much progress, AlGaN HEMTs are far from fully understood and judged by the number of published papers the understanding of advanced structures is even poorer. This work is an exploration of the electrical and structural properties of advanced HEMT structure containing AlN exclusionlayer and double heterojunctions. These small modifications had great impact on the electrical properties. In this work, AlGaN HEMT structures grown on SiC substrates by a hot-wall MOCVD have been characterized for their properties using optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, capacitance/voltage, eddy-current resistivity, and by homebuilt epi-thickness mapping equipment. A high electron mobility of 1700 [cm2/Vs] was achieved in an AlN exclusion-layer HEMT. A similar electron mobility of 1650 [cm2/Vs] was achieved in a combination of a double heterojunction and exclusion-layer structure. The samples had approximately the same electron mobility but with a great difference: the exclusion-layer version gave a sheet carrier density of 1.58*1013 [electrons/cm2] while the combination of double heterojunction and exclusion-layer gave 1.07*1013 [electrons/cm2]. A second 2DEG was observed in most structures, but not all, but was not stable with time. The structures we grew during this work were also simulated using a one-dimensional Poisson-Schrödinger solver and the simulated electron densities were in fairly good agreement with the experimentally obtained. III-nitride materials, the CVD concept, and the onedimensional solver are shortly explained.

L'utilisation de systèmes moléculaires individuels pouvant jouer le rôle de composants avec des fonctions électroniques ou logiques requiert des interfaces parfaitement contrôlées. Plus précisément, le support sur lequel ces systèmes sont déposés et les électrodes métalliques qui permettent de contacter une molécule individuelle, sont des interfaces qui nécessitent un soin d'élaboration particulier. La croissance d'îlots bidimensionnels (2d) de métaux sur un isolant monocristallin permet de générer des nano-plots 2d pouvant servir de réservoirs d'électrons en minimisant les courants de fuite en surface. Ainsi, il apparaît capital de bien comprendre les modes de croissance des systèmes métal/isolant qui sont à l'heure actuelle mal connus. Ce travail de thèse s'attache à décrire et à expliquer la croissance de différents métaux sur la surface de l'AlN(0001) polaire, qui est un composé nitrure à grand gap, par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).Dans un premier temps, une description approfondie des différentes surfaces du nitrure d'aluminium est présentée. Des calculs DFT ont permis de rationaliser les reconstructions en fonction des conditions expérimentales. La reconstruction (2 x 2)-Nad est discutée, puisqu'elle a été observée en microscopie à force atomique. Dans un deuxième temps, le cas du dépôt d'atomes d'or est abordé en connexion avec des résultats expérimentaux. Les calculs DFT donnent un aperçu des mécanismes qui conduisent à la stabilisation d'îlots 2d sur l'AlN. L'adsorption d'or s'accompagne, d'une part, d'un transfert de charge vertical provenant du substrat d'AlN, ce qui satisfait au critère de stabilité électrostatique pour un matériau polaire et, deuxièmement, par des transferts de charges horizontaux reliés aux propriétés acido-basiques locales de la reconstruction (2 x 2)-Nad. Enfin, des calculs effectués sur deux autres métaux, le magnésium et l'argent, sont exposés. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles stratégies utilisant des substrats polaires pour développer des monocouches métalliques sur des substrats isolants. / The use of individual molecular systems that can act as components with electronic or logical functions requires perfectly controlled interfaces. More precisely, the support on which these systems are deposited and the metal electrodes that allow to contact an individual molecule, are interfaces that require special care in preparation. The growth of two-dimensional (2d) islands of metals on a monocrystalline insulator allows to generate 2d nano-pads that can be used as electron reservoirs by minimizing surface leakage currents. Thus, it is essential to understand the growth modes of metal/insulating systems which are at present poorly known. This work aims at describing and explaining the growth of different metals on the surface of the polar AlN (0001), which is a large gap nitride compound, by calculations based on density functional theory (DFT). In a first step, a detailed description of the various surfaces of the aluminum nitride is presented. DFT calculations permit to rationalize the reconstructions according to the experimental conditions. The (2 x 2)-Nad reconstruction is discussed, since it was observed by atomic force microscopy. In a second step, the case of the deposit of gold atoms is tackled in connection with experimental results. DFT calculations give an overview of the mechanisms that lead to the stabilization of 2d islands on AlN. The adsorption of gold is accompanied, on the one hand, by a vertical charge transfer from the AlN substrate, which satisfies the electrostatic stability criterion for a polar material and, on the other hand, by horizontal charge transfers related to the local acid-base properties of the (2 x 2)-Nad reconstruction. Finally, calculations made on two other metals, magnesium and silver, are exposed. These results open the way to new strategies using polar substrates to develop metallic monolayers on insulating substrates.

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