Cette thèse évalue le potentiel des alliages AlGaNAs en tant que couche active pour la quatrième jonction à ~1 eV de cellules photovoltaïques multi-jonctions III-V. L’introduction d’une faible quantité d’aluminium (Al, <15%) augmente de façon significative l’efficacité d’incorporation de l’azote (N), tout en distribuant de façon plus homogène les atomes de N dans la couche, réduisant aussi la densité d’agrégats. Une optimisation de la température de croissance démontre que la région optimale se situe entre 400°C et 440°C. Dans cette gamme, la concentration de N est maximisée tandis que la qualité cristalline de la couche épitaxiée est optimisée tout en préservant un mode de croissance 2D et une faible rugosité de ~1 nm. La bande interdite des alliages d’AlGaNAs est mesurée par transmission optique. Ces mesures révèlent que l’AlGaNAs suit le modèle théorique du modèle de croisement de bandes, ou band anticrossing et que son bandgap diminue quand la concentration de N augmente. La bande interdite est réduite jusqu’à ~1.22 eV pour des concentrations respectives d’Al et de N de ~15% et ~3.4%. Les défauts présents dans le GaNAs avec ~0.4% de N sont étudiés, révélant trois défauts peu profonds à 116, 18 et 16 meV, attribués à des contaminations en H et en C, et deux pièges profonds à 0.21 eV et 0.35 eV, attribués à des complexes N-H et à des antisites AsGa respectivement. Les mesures électriques de l’AlGaNAs démontrent que le recuit améliore la mobilité des trous et des valeurs de ~60 cm2/Vs avec ~5% d’Al et ~0.5% de N et ~6 cm2/Vs avec ~10% d’Al et ~2% de N sont obtenues. Les mesures optiques de photoluminescence obtenues sur des couches d’AlGaNAs crues sur un substrat de GaAs semi-isolent de 65 µm d’épaisseur révèlent un pic à ~920 nm attribué a un défaut radiatif qui ne semble pas être affecté par un changement dans la concentration d’Al ou de N, ni même par un recuit. Des mesures SIMS révèlent la présence de contaminants C, H et O dans les couches, qui dégradent les performances optoélectroniques des alliages AlGaNAs. Cette thèse démontre le bon potentiel de l’AlGaNAs pour les cellules photovoltaïques. Il est toutefois important de réduire la concentration de contaminants dans la couche pour obtenir un matériau adéquat.

Les semi-conducteurs III-V présentent des propriétés remarquables de mobilité électronique et d’émission optique. La croissance de ces matériaux par MOCVD sur substrat silicium (001) en 300 mm offre l’opportunité de réaliser les composants bas coût, et d’apporter de nouvelles fonctionnalités à la microélectronique silicium par l’intégration de composants électroniques et optiques. De ce fait, la croissance de semi-conducteurs III-V sur silicium a connu un engouement important au cours de ces dernières années. De telles intégrations monolithiques impliquent de développer des couches III-V de très bonne qualité épitaxiées sur silicium. Actuellement, le principal enjeu réside dans la réduction des densités de défauts cristallins tels que les fautes d’empilement, parois d’antiphase et dislocations. L’impact de ces défauts structuraux sur ces propriétés reste encore aujourd’hui principalement étudié à l’échelle micrométrique (effet Hall, photoluminescence,…) ne présentant pas de résolution spatiale suffisante permettant pas de dissocier les différents paramètres physico-chimiques. Ces développements nécessitent en conséquence des moyens adaptés de caractérisation pour contrôler et connaitre les propriétés physico-chimique de ces couches III-V épitaxiée sur Si.Le travail de cette thèse porte sur le développement d’une méthode destinée à corréler spatialement à l’échelle nanométrique les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques de couches III-As crues par MOCVD sur Si (001) en 300mm. Elle a permis d’étudier des puits quantiques d’InGaAs épitaxiés sur buffer GaAs et sur substrat Si avec pour méthode de réduction des défauts émergeants l’utilisation de couches tampons à base de GaAs et la croissance localisée entre murs d’oxydes (aspect ratio trapping (ART)). L’étude s’est appuyée sur deux techniques de caractérisation: La cathodoluminescence (CL) permettant d’observer spatialement sur l’échantillon bulk l’énergie d’émission et l’intensité correspondantes d’un puits quantique d’InGaAs, et la microscopie électronique en transmission (STEM/TEM) en lame mince donnant des informations quantitatives sur la morphologie de la structure (épaisseurs des couches, position des défauts, stoechiométrie…). Nous avons développé une méthode qui permet de corréler spatialement les résultats de ces deux techniques de caractérisation. La méthode consiste en plusieurs marquages spécifiques réalisés par faisceau d’électron pour repérer et extraire précisément les zones d’intérêt observés en cathodoluminescence. Des mesures de déformation (N-PED) sur lame mince ont également été réalisées.Cette méthode de caractérisation corrélée a permis de mettre en évidence des modifications des propriétés physico-chimique de puits quantiques d’InGaAs à l’échelle nanométrique directement liées aux conditions de croissance, et à la présence de défauts émergents. / III-V semiconductors have remarkable properties of electronic mobility and optical emission. Their growth by MOCVD on 300 mm (001) silicon substrate offers the opportunity of manufacturing at low cost and to get new functionalities in microelectronic devices for electronic components and optical emitters. Thereby III-V growth on silicon has been a huge success in recent years. Monolithic integrations imply to develop very good quality of III-V layers epitaxied on silicon. That is why currently, the major issue is to reduce crystalline defect density such as stacking faults, antiphase boundaries and dislocations. Structural defects which impact these properties are still mainly studied at micrometric scale (Hall effect, photoluminescence,…) but they not have sufficient spatial resolution to dissociate the different physicochemical parameters. Consequently, these developments require adapted characterizations to control and to obtain physicochemical properties of III-V epitaxied layers on Si.The aim of this thesis is to develop a method to spatially correlate at nanoscale optical properties and morphological characteristics of III-As layers grown by MOCVD on 300 mm (001) Si. In the frame of this thesis, this method allowed to study InGaAs quantum wells (QW) epitaxied on GaAs buffer and on Si substrate with defect density reduction method the use of GaAs buffer layers and patterned growth (aspect ratio trapping (ART)). The study is based on two characterization techniques : cathodoluminescence (CL) which allows to spatially observe on bulk sample InGaAs QW energy emission and intensity, and transmission electronic microscopy (STEM/TEM) of thin lamella which give quantitative information on the morphology (layer thicknesses, defect positions, stoichiometry,…). The method developed allows to spatially correlate results of these two techniques. It is to realize several specific marks made by electron beam to localize and precisely extract interesting areas observed by CL. Strain measurements (N-PED) on TEM lamella is realized too.This correlated characterization method has highlighted physicochemical property modifications of InGaAs QW at nanoscale directly related to growth conditions and to threading dislocations presence.

Dans la course à la miniaturisation des dispositifs de la microélectronique, les alliages SiGe sont des matériaux remarquables pour poursuivre l'amélioration des performances des composants de type CMOS, le Silicium atteignant aujourd'hui ses limites physiques. En effet, une méthode originale pour appliquer une contrainte de compression uniaxiale au canal de conduction Silicium, afin d'augmenter la mobilité des trous des transistors pMOS, consiste à remplacer le Silicium dans les régions Source et Drain par des couches SiGe pseudomorphiques. L'utilisation de sources solides sacrificielles de Germanium peut être une solution pour la fabrication de telles structures. Dans ce travail, nous avons ainsi étudié l'interdiffusion Ge-Si, induite par recuit thermique à haute température, à partir d'hétérostructures Ge/Si dont la couche de Germanium est déposée par CVD. Le développement de la méthodologie SIMS MCs2+, que nous réalisons dans cette thèse, assure la caractérisation chimique de couches graduelles Si1-xGex dans la gamme complète de concentrations (0 d x d 1). Nous montrons que l'interdiffusion Ge-Si est fortement dépendante de la composition en Germanium mais également des défauts structuraux formés aux interfaces Ge-Si. Nous avons alors développé un modèle qui permet de reproduire fidèlement les profils expérimentaux. L'effet du dopage Bore tend à réduire légèrement l'interdiffusivité. Finalement, nous montrons que l'utilisation de couches de Germanium polycristallin est prometteuse pour la fabrication de couches graduelles Si1-xGex. En effet, elle permet de réduire la densité de défauts structuraux initialement présents dans les films monocristallins.

Ce travail de thèse ce focalise sur la croissance et la caractérisation de Nanofils (NFs) et de Microfils (µFs) de GaN. L'élaboration de telles structures est obtenue par épitaxie en phase vapeur d'organométalliques à partir de deux stratégies de croissances: l'une dite auto-organisée, réalisée sur substrat saphir, l'autre appelée sélective ou localisée, obtenue sur template GaN de polarité Ga. Quelque soit la stratégie employée, nous montrons que la croissance de structures verticales suivant l'axe c requièrent l'utilisation d'un flux de NH3 et d'un rapport V/III faible, lorsque nous les comparons avec les valeurs utilisées pour la réalisation de couches planaires de GaN. Les paramètres et les étapes de croissances ayant une influence sur le rapport d'aspect (hauteur/diamètre) sont étudiées et mises en évidence pour chacune des stratégies employées. Par ailleurs, les mécanismes de croissance ainsi que les propriétés structurales et optiques de ces objets sont caractérisés par MEB, MET, CL et µPL. En particulier, les expériences réalisées sur les µFs auto-organisés permettent d'observer et d'expliquer l'origine de la double polarité, de mettre en lueur la différence d'incorporation de dopants/d'impuretés entre les domaines Ga et N, d'identifier la présence de deux sections de propriétés électriques et optiques différentes, et de révéler la présence de deux types de résonances optiques: des Modes de galerie et des Modes de Fabry-Perot. D'autres part, nous étudions la courbure des dislocations vers les surfaces libres des NFs localisés et µFs auto-organisés, et pointons la présence de fautes d'empilement basales dans des régions de faibles dimensions.

La compréhension et le contrôle de la conductivité thermique des couches minces polycristallines est fondamentale pour améliorer la performance et la fiabilité des dispositifs micro- et optoélectroniques. Toutefois, une description et un contrôle précis de la performance thermique de ces matériaux bidimensionnels restent une tâche difficile en raison de leur anisotropie et structure hétérogène. En effet, les couches minces obtenues par diverses techniques et avec une large gamme de paramètres de dépôt, sont composées de petites cristallites à l'interface avec le substrat, qui coalescent et évoluent vers une structure colonnaire à proximité de la surface extérieure du film. Ces grains,ainsi que d'autres défauts cristallographiques, tels que les impuretés d'oxygène,augmentent les processus de dispersion diffuse des porteurs d'énergie dans les matériaux, ce qui en conséquence, réduit considérablement leur conductivité thermique. La caractérisation thermique expérimentale, la description théorique et la modulation contrôlée des propriétés thermiques de ces matériauxs ont, par conséquent, indispensables.Cette thèse est consacrée à l'étude de la conductivité thermique des couches polycristallines présentant une non-homogénéité structurelle et elle a pour but d'explorer la possibilité de moduler le transfert de chaleur à travers ces structures bidimensionnelles. Le nitrure d'aluminium a été sélectionné pour cette étude du fait de ses propriétés thermiques et piézoélectriques, particulièrement intéressantes pour des nouvelles applications technologiques. Réalisées par pulvérisation cathodique magnétron, des monocouches et multicouches d'AlN hautement texturées sur des substrats de silicium monocristallin ont été obtenues.Leur microstructure et distribution d'orientations cristallographiques le long de la normale à la surface, ont été caractérisées expérimentalement pour déterminer,avec précision, l'évolution de la structure et de la taille des grains.L'impact de l'oxydation locale et l'évolution de la morphologie de grains sur la conductivité thermique transversale a été étudiée par la méthode 3W différentielle.La dispersion diffuse des phonons due aux défauts liés à la présence d'atomes d'oxygène, localisés à l'interface entre deux couches d'AlN, a été étudiée par des mesures thermiques sur la configuration multicouche.Les caractéristiques structurelles des couches polycristallines ont été corrélées avec les propriétés thermiques à partir d'un modèle théorique, qui tient compte de la répartition et de la géométrie des grains, et considère les films comme un ensemble en série de trois zones, composées de grains parallélépipédiques. Les résultats de conductivité thermique obtenus par la mesure des monocouches et multicouches polycristallines d'AlN sont bien prédits par le modèle développé,avec une différence inférieure à 10%. Une description physique détaillée des phénomènes de dispersion diffuse à l'interface avec le substrat, aux joints de grains, et aux défauts liés à l'oxygène, en fonction de l'hétérogénéité structurelle caractéristique, a été réalisée en comparant les résultats expérimentaux aux prédictions théoriques. Enfin, pour explorer la modulation dynamique du transfert de chaleur, l'influence de la déformation du réseau cristallin, causée par des contraintes mécaniques, sur la conductivité thermique des monocouches et multicouches d'AlN, a été étudiée en utilisant une nouvelle approche expérimentale qui couple un système de flexion 4-points avec la méthode 3W. / The understanding and control of the thermal conductivity of nano and microscale polycrystalline thin films is of fundamental importance for enhancing the performance and reliability of micro- and optoelectronic devices. However, the accurate description and control of the thermal performance of these bidimensional materials remain a difficult task due to their anisotropic and heterogeneous structure. Indeed, thin films obtained with a large number of deposition techniques and parameters, are composed of small crystallites at the interface with the substrate, which coalesce and evolve towards a columnar structure near the outer surface. These grains along with various crystallographic defects, such as oxygen impurities, increase the scattering processes of the energy carriers inside the materials, which in turn, reduce significantly their thermal conductivity. Experimental thermal characterization, accurate theoretical description and controlled modulation of the thermal properties of these materials are therefore desirable.This work is devoted to the investigation of the thermal conductivity of nanoscale polycrystalline films and explores the possibility to modulate heat transfer across these low dimensional structures. Because of its great interest in new technological applications, and its outstanding thermal and piezoelectric properties,aluminum nitride (AlN) served as a test material in this study. Highlytextured AlN mono- and multilayers were obtained by reactive radio-frequency magnetron sputtering on single-crystal silicon substrates. The microstructure and distribution of crystallographic orientations along the cross plane were characterized by transmission electron microscopy to accurately determine the grain structure and size evolution. The impact of local oxidation and structural inhomogeneity along the cross plane on the thermal conductivity was investigatedby thickness-dependent measurements performed by the differential 3Wtechnique. The diffusive scattering caused by oxygen-related defects, localized at the interface between two AlN layers, was studied by thermal measurements on the multilayered configuration. Structural features of the polycrystalline films were correlated with their thermal properties using a theoretical model,which takes into account the distribution of the grain geometry and considers the films as a serial assembly of three layers, composed of parallele piped grains.The experimental values of the thermal conductivity of the mono- and multilayerAlN polycrystalline films are well predicted by the developed model, witha deviation of less than 10%. Physical description of scattering phenomena at the interface, grain boundaries, and oxygen related defects, as a function of the characteristic structural heterogeneity, was achieved by comparing the experimental results to the theoretical predictions. It was found that grain mean sizes that evolve along the cross-plane direction, and structural features at the interface and transition domains, are key elements to understand and tailor thermal properties of nanocrystalline films with inhomogeneous structures. The results demonstrate that the structural inhomogeneity and oxygen-related defects in polycrystalline AlN films can be efficiently used to statically tune their cross-plane thermal conductivity. Finally, dynamic modulation of heat transfer bymeans of externally induced elastic strain on mono- and multilayer AlN films was investigated using a novel experimental approach consisting of a 4-pointsbending system coupled to the 3W method.

Ce travail de thèse ce focalise sur la croissance et la caractérisation de Nanofils (NFs) et de Microfils (µFs) de GaN. L'élaboration de telles structures est obtenue par épitaxie en phase vapeur d'organométalliques à partir de deux stratégies de croissances: l'une dite auto-organisée, réalisée sur substrat saphir, l'autre appelée sélective ou localisée, obtenue sur template GaN de polarité Ga. Quelque soit la stratégie employée, nous montrons que la croissance de structures verticales suivant l'axe c requièrent l'utilisation d'un flux de NH3 et d'un rapport V/III faible, lorsque nous les comparons avec les valeurs utilisées pour la réalisation de couches planaires de GaN. Les paramètres et les étapes de croissances ayant une influence sur le rapport d'aspect (hauteur/diamètre) sont étudiées et mises en évidence pour chacune des stratégies employées. Par ailleurs, les mécanismes de croissance ainsi que les propriétés structurales et optiques de ces objets sont caractérisés par MEB, MET, CL et µPL. En particulier, les expériences réalisées sur les µFs auto-organisés permettent d'observer et d'expliquer l'origine de la double polarité, de mettre en lueur la différence d'incorporation de dopants/d'impuretés entre les domaines Ga et N, d'identifier la présence de deux sections de propriétés électriques et optiques différentes, et de révéler la présence de deux types de résonances optiques: des Modes de galerie et des Modes de Fabry-Perot. D'autres part, nous étudions la courbure des dislocations vers les surfaces libres des NFs localisés et µFs auto-organisés, et pointons la présence de fautes d'empilement basales dans des régions de faibles dimensions. / This work focus on growth and characterization of GaN Nanowires (NWs) and Microwires (µWs). Such structures are obtained by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy with two growth strategies: one called self-organized which is realized on sapphire, and the other named selective area growth which is obtained on a GaN Ga-polar template. Whatever the growth strategies employed, vertical growth of structures along the c axis requires the use of a low NH3 flux and V/III ratio, when they are compared with values used for planar growth of GaN. The influence of growth parameters and growth steps on aspect ratio (height/diameter) are studied and highlight for each growth strategies employed. Beside, growth mechanisms and structural and optical properties of such objects are characterized by SEM, TEM, CL and µPL. In particular, experiments realized on self-organized µWs enable us to observe and explain the origin of the double polarity, to highlight the dopants/impurities incorporation difference between Ga and N-domain, to identify two sections with differences in electrical and optical properties, and to reveal the presence of two types of optical resonances, identify as Whispering Gallery Modes and Fabry-Perot Modes. On the other hand, we study the bending of dislocations on free walls of localized NWs and self-organized µWs, and pointed out the presence of basal stacking faults in regions of small dimensions.

Afin d'optimiser les performances des circuits intégrés, l’industrie de la micro et nanotechnologie mène d'intenses recherches sur la miniaturisation à l'échelle sub-22nm de leurs principaux constituants que sont les transistors MOS. La réduction de la taille de grille atteint néanmoins des limites qui rendent problématique le contrôle du canal. L'une des approches les plus prometteuses pour contourner ce dilemme et ainsi poursuivre la miniaturisation des futurs nœuds technologiques, consiste au développement des transistors d’architectures 3D (Trigate ou FinFET). La mise au point de telles structures requiert une caractérisation de plus en plus fine, surtout à une étape clé de leur élaboration, qui est celle du dopage par implantation ionique. Du fait des faibles profondeurs implantées, l'analyse par diffusion d'ions de moyenne énergie (MEIS) est tout à fait adaptée pour quantifier les implants et évaluer la conformité du dopage grâce à sa bonne résolution en profondeur (0.25 nm). Néanmoins, les dimensions de la sonde (0.5 × 1 mm2) étant très supérieures à celles des motifs, il nous a fallu développer un protocole d’analyse propre à de telles architectures. Les échantillons étudiés dans le cadre de cette thèse sont des systèmes modèles. Ils sont constitués de réseaux de lignes de silicium (Si) 3D, formées par gravure lithographique par faisceaux d’électrons (e-beam) sur des plaques 300 mm de types silicium sur isolant (SOI). Le dopage a été réalisé à une énergie de 3 keV par implantions conventionnelle (ou beam line) et immersion plasma (PIII).L’analyse des spectres MEIS des implants insérés dans chaque facette des motifs a été possible grâce aux simulations 3D types Monte-Carlo effectuées avec le logiciel PowerMEIS. Nous avons ainsi développé une nouvelle méthode adaptée à la caractérisation du dopage 3D. Les mesures ont montré que, contrairement à la méthode PIII, la dose implantée par la méthode conventionnelle correspond à celle visée. Cependant la distribution des dopants introduits au sein des nanostructures par les deux méthodes de dopage n’est pas uniforme. Dans les échantillons implantés par PIII, on a observé une importante concentration des dopants aux sommets des motifs et un faible dopage des flancs. Ceci étant moins marqué dans celui implanté par la méthode conventionnelle. En corrélant les techniques de Microscopie Electronique en Transmission (MET), d’analyses par rayons x synchrotron et MEIS, nous avons également pu déterminer les dimensions des zones implantées ainsi que celles des zones cristallines dans les réseaux de lignes gravées.L'exploitation de la technique MEIS en mode canalisation a permis une évaluation complète des couches non gravées. L’investigation des endommagements post – dopage dans les régions cristallines non implantées ont été menées toujours avec la même technique MEIS. Les résultats ont révélé une importante influence de la méthode d’implantation et la température sur les défauts et les déformations dans le cristal. L’origine des anomalies au sein des échantillons a ainsi été identifiée en corrélant les mesures MEIS et celles par spectrométrie de masse des ions secondaires en temps de vol (ToF-SIMS). / With the aim of optimizing the performances of integrated circuits (ICs), the nanotechnology industry is carrying out intense research activities on the miniaturization at the sub-22 nm scale of their main constituents: the MOS transistors. Nevertheless, the shrinking of the gate size has reached the limits that make the control of the channel problematic. One of the most promising approaches to circumvent this dilemma and thus further the miniaturization of the future technological nodes, is the development of transistors of 3D architecture (Trigate or FinFET). The elaboration of such nanostructures requires increasingly fine characterization tools precisely at a key stage of their fabrication, namely the ion implantation doping. Given the ultra-shallow implantation depths, the medium energy ion scattering (MEIS) analysis technique is suitable for quantifying the implants and evaluating the doping conformity thanks to its good depth resolution (0.25 nm). However, the dimensions of the beam (0.5×1 mm2) being by far larger than those of the patterns, we had to develop an analysis protocol dedicated to such architectures. The samples studied in the framework of this thesis are considered as model systems. They are constituted of 3D silicon (Si) Fin – shaped line gratings, etched on the 300 mm wafers of silicon on insulator (SOI) types by using the electron beam (e-beam) lithography. The doping has been carried out at an energy of 3 keV by using the conventional (or beam line) and plasma immersion ion implantation (PIII) methods.The analyses s of the MEIS spectra of the dopants implanted into each part of the patterns were possible thanks to the 3D Monte-Carlo simulations performed with the PowerMEIS software. We have thus developed a new method suitable for the characterization of the 3D doping. The measurements have shown that, contrarily to the PIII method, the dose implanted by the conventional method is as targeted. However, the distribution of the dopants inserted within the nanostructures by using the two doping methods is not uniform. In the PIII implanted samples, a large dopants' focusing at the tops of the patterns and low sidewalls' doping have been observed. This is less marked in the one implanted by the conventional method. By correlating the Transmission Electron Microscopy (TEM), synchrotron x – ray analyses and MEIS, we have also determined the dimensions of the implanted and crystal areas of the line gratings.The exploitation of the MEIS technique in channeling mode has permitted the full assessment of the impacts of the implantation in the non-etched layers. The investigations of the crystal qualities in the non-implanted areas were carried out with the same technique. The results show that the temperature conditions have a considerable influence on the defects and lattice deformations. The origin of the anomalies in the samples has thus been identified by correlating the MEIS and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) measurements.