Ce mémoire présente une étude de la synthèse par la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) de nanofils de silicium et de germanium par Epitaxie par Jets Moléculaires ainsi que de l'effet de la présence de manganèse sur leur croissance. La croissance des nanofils est fortement modifiée par la présence de manganèse. Les nanofils de silicium élaborés sous un faible flux de manganèse présentent des propriétés morphologiques et structurales remarquables. La présence de manganèse modifie le diamètre d'équilibre des gouttes AuSi utilisées pour la croissance par voie VLS et permet l'élaboration de nanofils de silicium de longueurs élevées et de faibles diamètres. De plus, leur qualité cristalline est considérablement améliorée par rapport aux nanofils de silicium formés sans apport de manganèse. Dans ce mémoire nous proposons quelques explications à ce phénomène. Dans le cas des nanofils de germanium, l'incorporation de manganèse n'a pu être obtenue par codépôt. Aussi, (i) le dopage par implantation ionique de nanofils de germanium et (ii) la fonctionnalisation de nanofils de germanium par la formation d'hétérostructures type cœur/coquille Ge/GeMn ont été considérés : - les mesures d'aimantation effectuées sur des nanofils de germanium implantés au manganèse démontrent l'existence de propriétés ferromagnétiques avec des températures de Curie supérieures à 400K. Il s'agit d'un résultat très prometteur en vue d'applications utilisant des nanofils de germanium ferromagnétiques à température ambiante ; - pour accéder aux propriétés magnétiques des nanofils de germanium fonctionnalisés par dépôt de GeMn, nous avons mis au point une procédure de prises de contacts adaptée à la mesure de leurs propriétés de magnétotransport. Les caractéristiques électriques de ces dispositifs montrent que les propriétés de transport sont dominées par la présence de la couche coquille de GeMn, surtout à basse température. Des mesures de magnétotransport effectuées à 100K indiquent l'existence d'effets de magnétorésistance liés aux propriétés ferromagnétiques des nanofils de Ge ainsi fonctionnalisés. / This thesis presents a study of the Vapour-Liquid-Solid (VLS) synthesis of silicon and germanium nanowires by Molecular Beam Epitaxy and the effect of the presence of manganese on the growth properties. The presence of manganese strongly modifies the growth of nanowires and observed behaviours are very different for AuSi and AuGe systems. Silicon nanowires grown in the presence of manganese exhibit very interesting morphological and structural properties. The presence of manganese modifies AuSi droplets' diameter and allows manufacturing long nanowires with relatively small diameters. Moreover, the crystalline quality is dramatically improved as compared to that of silicon nanowires grown without manganese. In this manuscript we propose some explanation for the growth phenomena. In the case of germanium nanowires, manganese incorporation could not be obtained by concomitant deposition of germanium and manganese. Consequently, (i) the doping of germanium nanowires by ion implantation as well as (ii) germanium nanowires functionalization by core/shell Ge/GeMn heterostructures formation were considered: - magnetization measurements performed on implanted germanium nanowires demonstrate ferromagnetic properties with Curie temperatures above 400K. This result is very promising for the processing of devices using room-temperature ferromagnetic germanium nanowires ; - in order to access Ge/GeMn nanowires magnetic properties, we processed samples to probe nanowires magnetotransport properties. Electrical resistivities of devices show that transport properties are dominated by GeMn shell layer even more at low temperature. Magnetotransport measurements done at 100K indicate magnetoresistance effects linked with nanowires ferromagnetic properties.

In dieser Arbeit wird das direkte Wachstum von Graphen auf isolierenden Substraten untersucht. Die hergestellten Schichten werden mittels verschiedener Methoden untersucht, unter anderem Rasterkraftmikroskopie, Ramanspektroskopie und Synchrotron-Röontgendiffraktometrie. Zwei verschiedene Synthetisierungsmethoden kommen hierbei zur Anwendung. Zuerst wird das Wachstum von epitaktischem Graphen mittels thermischer Zersetzung von hexagonalen Siliciumcarbid-Oberflächen vorgestellt. Ein Fokus der Untersuchungen liegt hierbei auf den Stufen, welche auf der Substratoberfläche vorhanden sind. Wir zeigen, dass die initiale Oberflächenkonfiguration keinen unmittelbaren Einfluss auf den Wachstumsprozess und die entstehenden Graphenschichten besitzt. Die Stufen beeinflussen jedoch die elektrischen Transporteigenschaften im Quanten-Hall-Regime. Dieses Phänomen wird genauer untersucht und durch ein schematisches Modell erklärt. Die Struktur der epitaktischen Graphenschichten wird analysiert, inklusive präzieser Messungen der Gitterkonstanten. Anschließend werden Untersuchungen über das Wachstum von EG auf Kohlenstoff-terminierten SiC-Oberflächen vorgestellt und diskutiert. Als zweite Herstellungsmethode wird Molekularstrahlepitaxie verwendet. Wir demonstrieren Wachstum von Graphen auf zwei verschiedenen Substraten. Die Abhängigkeit der Morphologie und der strukturellen Qualität der Proben von den Wachstumsbedingungen wird untersucht. Wir zeigen, dass die Graphenschichten aus nanokristallinen Domänen bestehen, deren laterale Abmessungen 30 nm überschreiten. Die strukturelle Qualität der Graphenschichten nimmt mit zunehmender Substrattemperatur zu. Schließlich wird gezeigt, dass die Graphendomänen eine epitaktische Beziehung zu ihrem jeweiligen Substrat besitzen und dass eine beobachtete Reduzierung der Gitterparameter durch die Existenz von Punktdefekten zu erklären ist. / This thesis presents an investigation of graphene growth directly on insulating substrates. The graphene films are characterized using different techniques, including atomic force microscopy, Raman spectroscopy, and grazing-incidence X-ray diffraction. These allowed insight into the morphological, structural, and electrical properties of the graphene layers. Two different preparation methods were employed. The growth of epitaxial graphene on SiC(0001) by surface Si depletion is presented first. An important parameter in this type of growth is the surface steps present on the SiC substrate. We show that the initial SiC surface step configuration has little influence on the growth process, and the resulting graphene layers. The surface steps do impact the magneto-transport properties of graphene on SiC, which is investigated closely and can be explained by a schematic model. The structure of the epitaxial graphene layers is also analyzed, including precise measurements of the lattice constants. Additionally, the growth of graphene on the C-face of SiC is investigated. Graphene films were also synthesized directly on insulating substrates using molecular beam epitaxy. With the accurate deposition rates and sub-monolayer thickness control, MBE allows for fundamental studies of the growth process. We demonstrate graphene growth on two different substrates. The dependence of the morphology and structural quality of the graphene samples on the growth parameters is evaluated and discussed. We find that graphene films grown by MBE consist of nanocrystalline graphene domains with lateral dimensions exceeding 30 nm. The structural quality of the graphene layers improves with increasing substrate temperature during growth. Finally, we show that the nanocrystalline domains of the graphene films possess an epitaxial relation to either substrate, and attribute an observed contraction of the graphene lattice constant to the presence of point-defects within the film.

Im Rahmen der Dissertation wurden molekularstrahlepitaktische Verfahren zur Züchtung von Hetero-und Quantenstrukturen auf der Basis der Gruppe II-Oxide entwickelt. Insbesondere wurde ein Wachstumsregime weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht etabliert, welches die Mischung von CdO und MgO mit ZnO in phasenreiner Wurtzitstruktur ermöglicht, wobei die Gleichgewichtslöslichkeitsgrenzen dramatisch überschritten werden. In den Mischkristallen kann die Bandlücke kontinuierlich von 2.2 bis 4.4 eV eingestellt werden. Das Wachstum verläuft in einem zweidimensionalen Modus und resultiert in atomar glatten Ober- und Grenzflächen. Ausgeprägte RHEED- Intensitätsoszillationen erlauben die atomlagengenaue Kontrolle der Schichtdicken und somit die Realisierung wohl-defi- nierter Einzel- und Mehrfachquantengrabenstrukturen. Diese zeichnen sich durch eine hohe Photolumineszenzquantenausbeute im gesamten sichtbaren Spektralbereich aus. Laseraktivität kann vom UV bis zum grünen Wellenlängenbereich bei Zimmertemperatur erzielt werden. Das Potenzial dieser Quantenstrukturen in Hinblick auf ihre Anwendung in opto-elektronischen Bauelementen wird diskutiert. / This work focuses on the development of the novel growth approaches for the fabrication of Group II-oxide materials in the form of epitaxial films and heterostructures. It is shown that molecular-beam epitaxial growth far from thermal equilibrium allows one to overcome the standard solubility limit and to alloy ZnO with MgO or CdO in strict wurtzite phase up to mole fractions of several 10 %. In this way, a band-gap range from 2.2 to 4.4 eV can be covered. A clear layerby- layer growth mode controlled by oscillations in reflection high-energy electron diffraction makes it possible to fabricate atomically smooth heterointerfaces and well-defined quantum well structures exhibiting prominent band-gap related light emission in the whole composition range. On appropriately designed structures, laser action from the ultraviolet down to green wavelengths and up to room temperature is achieved. The properties and potential of the "state-of-the-art" materials are discussed in relation to the advantages for their applications in various optoelectronic devices.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von hexagonalen (Al,Ga,In)N-Heterostrukturen mittels plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie. Die Proben werden entlang der polaren [0001]-Richtung und der unpolaren [1100]-Richtung auf SiC(0001)- bzw. g-LiAlO2(100)-Substraten gewachsen. Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, optischen, vibronischen und elektrischen Eigenschaften der Proben wird untersucht. Im Vergleich zu den übrigen III-V-Halbleitern zeichnen sich die hexagonalen Nitride besonders durch die Größe ihrer Fehlpassungen und elektrischen Polarisationsfelder aus. Eine Einführung in diese beiden wichtigen Eigenschaften wird gegeben, insbesondere für [0001]- und [1100]-orientierte Schichten. Um Verspannungen und elektrische Polarisationsfelder in korrekter Art und Weise zu berücksichtigen, wird ein effizientes Modell zur dynamischen Simulation von Röntgenbeugungsprofilen formuliert und auf hexagonale sowie kubische Kristalle angewandt. Die Synthese von GaN-Pufferschichten auf SiC(0001)- und g-LiAlO2(100)-Substraten wird diskutiert. Das GaN-Wachstum auf SiC(0001) erfolgt entlang der üblichen polaren [0001]-Richtung. Ein neuartiger Freiheitsgrad der GaN-Epitaxie wird durch das Wachstum von GaN entlang der unpolaren [1100]-Richtung auf g-LiAlO2(100) erreicht. Eine in-situ Strategie zur reproduzierbaren Abscheidung von GaN-Pufferschichten wird erarbeitet, die auf der Kontrolle der Wachstumsparameter durch Beugung von hochenergetischen Elektronen beruht. Die Schichten sind einphasig innerhalb der Nachweisgrenze von Röntgenbeugung und zeichnen sich durch glatte Oberflächen aus, die für das weitere Wachstum von Heterostrukturen gut geeignet sind. Es wird gezeigt, daß die strukturellen Eigenschaften der Pufferschichten sehr stark von der Substratpräparation abhängen. Ausgezeichnete strukturelle Eigenschaften werden auf sauberen und glatten SiC(0001)-Substraten erzielt, wogegen GaN(1100)-Filme unter der schlechteren Oberflächenqualität der g-LiAlO2(100)-Substrate leiden. GaN/(Al,Ga)N-Multiquantenwells (MQWs) mit identischer Schichtfolge werden auf den beiden Sorten von GaN-Pufferschichten gewachsen. Wegen der verschiedenen Orientierungen der polaren c-Achse relativ zur Wachstumsrichtung treten in der Rekombination von Ladungsträgern erhebliche Unterschiede auf. Es wird gezeigt, daß in [1100]-orientieren Wells Flachbandbedingungen herrschen. Im Gegensatz dazu existieren starke elektrostatische Felder in [0001]-orientierten Wells. Daher ist die Übergangsenergie von [0001]-orientierten Wells rotverschoben relativ zur Übergangsenergie der [1100]-orientierten Wells. Weiterhin besitzen die [0001]-orientierten Wells sehr viel längere Zerfallszeiten in der Photolumineszenz (PL). Beide Ergebnisse sind in quantitativer Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, die auf selbstkonsistenten Berechnungen von Bandprofilen und Wellenfunktionen mittels der Poisson- und Schrödingergleichungen in der Effektivmassen-Näherung basieren. Die Emission der [0001]-orientierten Wells ist isotrop, während die Emission der [1100]-orientierten Wells stark (>90%) senkrecht zur [0001]-Richtung polarisiert ist. Diese Ergebnisse sind in sehr guter Übereinstimmung mit den unterschiedlichen Valenzbandstrukturen der Wells. Das Wachstum von (In,Ga)N/GaN-MQWs wird untersucht. Massive Oberflächensegregation von In wird mit Beugung hochenergetischer Elektronen, Sekundärionenmassenspektrometrie, Röntgenbeugung und PL nachgewiesen. Rechteckige In-Profile belegen einen Segregationsmechanismus nullter Ordnung und nicht (wie bei anderen Materialsystemen beobachtet) einen erster Ordnung. Diese In-Segregation während des metallstabilen Wachstums resultiert in MQWs mit geringem Überlapp der Elektronen- und Lochwellenfunktionen, weil die Wells sehr viel dicker als beabsichtigt sind. Eine Verminderung der In-Segregation ist möglich durch N-stabiles Wachstum, führt jedoch zu rauhen Grenzflächen. Eine Strategie zum Wachstum von MQWs mit glatten Grenzflächen und hohen Quanteneffizienzen wird vorgestellt. Die strahlende Rekombination von (In,Ga)N/GaN-MQWs wird diskutiert. Es wird gezeigt, daß sowohl Zusammensetzungsfluktuationen als auch elektrostatische Felder für ein eingehendes Verständnis der Rekombination berücksichtigt werden müssen. Die Temperaturabhängigkeit der strahlenden Lebensdauer wird gemessen, um die Dimensionalität des Systems aufzuklären. Für ein quantitatives Verständnis wird ein Ratengleichungsmodell zur Analyse der Daten benutzt. Bei niedrigen Temperaturen wird die Rekombination von lokalisierten Zustände geprägt, wohingegen ausgedehnte Zustände bei höheren Tenmperaturen dominieren. Diese Analyse zeigt, daß die Lokalisierungstiefe in diesen Strukturen unterhalb von 25 meV liegt. / In this work, we investigate the synthesis of wurtzite (Al,Ga,In)N heterostructures by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The layers are grown along the polar [0001] and the non-polar [1100] direction on SiC(0001) and g-LiAlO2(100) substrates, respectively. We examine the impact of deposition conditions on the structural, morphological, optical, vibrational and electrical properties of the films. An introduction is given to the most important properties of wurtzite nitride semiconductors: strain and electrical polarization fields of a magnitude not found in other III-V semiconductors. Particular emphasis is paid on [0001] and [1100] oriented layers. In order to correctly account for these phenomena in the samples under investigation, an efficient model for the dynamical simulation of x-ray diffraction (XRD) profiles is formulated and presented for wurtzite and zincblende crystals. The deposition of GaN buffer layers on two substrates, SiC(0001) and g-LiAlO2(100), is discussed. The conventional polar [0001] direction is obtained on SiC(0001) substrates. A new degree of freedom for GaN epitaxy is demonstrated by the growth of GaN along a non-polar direction, namely, [1100] on g-LiAlO2(100). An in-situ strategy for the reproducible growth of these GaN buffers is developed based on reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The films are single-phase within the detection limit of high-resolution XRD and exhibit smooth surface morphologies well suited for subsequent growth of heterostructures. The structural properties of these samples are shown to be very sensitive to substrate preparation before growth. Smooth and clean SiC(0001) substrates result in excellent structural properties of GaN(0001) layers whereas GaN(1100) films still suffer from the inferior morphological and chemical quality of g-LiAlO2(100) substrates. Identically designed GaN/(Al,Ga)N multiple quantum wells (MQWs) are deposited on these two types of buffer layers. Significant differences in recombination due to the different orientations of the polar c-axis with respect to the growth direction are detected in photoluminescence (PL). It is demonstrated that flat-band conditions are established in [1100] oriented wells whereas strong electrostatic fields have to be taken into account for the [0001] oriented wells. Consequently, the transition energy of the [0001] oriented wells is red-shifted with respect to the [1100] oriented wells. Furthermore, [0001] oriented wells exhibit significantly prolonged PL decay times. These results are in quantitative agreement with theoretical predictions based on self-consistent effective-mass Schrödinger-Poisson calculations of the band profiles and wave functions. Finally, while the emission from [0001] oriented wells is isotropic, the emission from [1100] oriented wells is strongly polarized (>90%) normal to the [0001] axis in sound agreement with the different valence band structures of the wells. The growth of (In,Ga)N/GaN MQWs is studied. Massive In surface segregation (evidenced by RHEED, XRD, secondary-ion mass-spectrometry and PL) is shown to result in top-hat profiles and is therefore a zeroth order process instead of a first order process as observed for other materials systems. In segregation during metal-stable growth results in quantum wells with poor electron-hole wavefunction overlap since the actual well width is much larger than the intended one. Reduction of In segregation by N-stable conditions is possible but inevitably delivers rough interfaces. A strategy for obtaining (In,Ga)N/GaN MQWs with smooth interfaces and high quantum efficiency is devised. The radiative recombination from (In,Ga)N/GaN MQWs is examined. It is demonstrated that both compositional fluctuations and electrostatic fields have to be taken into account for a thorough understanding of the emission from these structures. The temperature dependence of the radiative decay time is measured to probe the dimensionality of the system. For a quantitative understanding, a rate-equation model is utilized for analyzing the data. For low temperatures, recombination is governed by localized states whereas for high temperatures extended states dominate. This analysis shows that the localization depth in these structures is below 25 meV.

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung und Untersuchung magnetischer MnAs-Schichten auf halbleitenden GaAs-Substraten. Die einkristallinen MnAs-Schichten wurden unter Verwendung der Molekularstrahlepitaxie auf GaAs abgeschieden. Die detaillierte Darstellung des MnAs-Wachstums beschreibt den Einfluß der Herstellungsbedingungen auf die strukturelle Qualität. Eine systematische Analyse der MnAs-Oberflächenstruktur resultiert in einem Phasendiagramm der Rekonstruktionen. Die Keimbildung von MnAs während des Wachstums der ersten Monolagen wird anhand der Ergebnisse einer in-situ-Analyse diskutiert. Dabei kamen komplementär die Reflexionselektronenbeugung und die Reflexionsdifferenzspektroskopie zum Einsatz. Die strukturellen Eigenschaften der MnAs-Schichten wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Eingehende Studien der Grenzfläche zeigen zwei richtungsabhängige Mechanismen des Abbaus der Gitterfehlpassung in dem Heteroepitaxiesystem MnAs/GaAs. Die Diskussion der magnetischen Eigenschaften erfolgte sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Skala. Die durch Magnetometrie erhaltenen Resultate liefern wichtige Erkenntnisse zum Magnetismus dünner Schichten. Untersuchungen der magnetischen Domänen in MnAs mittels magnetischer Kraftmikroskopie zeigen das komplizierte Wechselspiel zwischen Oberflächentopographie und magnetischer Struktur. Die Abbildung der magnetischen Domänen als Funktion des angelegten magnetischen Feldes gibt Aufschluß über das Magnetisierungsverhalten auf mikroskopischer Skala. / This work investigates the growth and characterization of magnetic MnAs layers on semi-insulating GaAs substrates. The single-crystalline MnAs layers are deposited on GaAs by molecular beam epitaxt. A detailed analysis of the MnAs growth reveals the influence of the growth conditions on the structural quality of the layers. A phase diagram showing four stoichiometry dependent reconstructions is obtained by a systematic analysis of the MnAs surface structure. The nucleation of MnAs during growth of the first monolayers is examined by in-situ reflection electron diffraction and reflectance difference spectroscopy measurements. The structural properties of the MnAs layers are analyzed by transmission electron microscopy. It is found that the lattice mismatch is accommodated at the MnAs/GaAs interface by a coincidence lattice along one direction and by misfit dislocation along the perpendicular direction. The discussion of the magnetic properties covers the macroscopic as well as the microscopic scales. Magnetometry results provide important knowledge about thin film magnetism in MnAs layers. Extensive magnetic force microscopy investigations of the magnetic domains in MnAs illustrate the complicated relationship between surface topography and magnetic structure. Imaging of magnetic domains as a function of the applied magnetic field gives new insights on magnetization behavior on a microscopic scale. The MnAs phase transition at 43° C is investigated by combined X-ray diffraction and magnetization measurements. The MnAs structure changes from the ferromagnetic to the paramagnetic state, accompanied by a crystal structure change from hexagonal to orthorhombic. A detailed analysis of the phase transition provides important information concerning crystal growth and allows optimization of the fabrication conditions.

Neste trabalho, foi estudado a aplicação de novas heteroestruturas semicondutoras para detecção de radiação na região do infravermelho médio. Pontos quânticos de submonocamada, detectores de cascateamento quântico e pontos quânticos de InAlAs foram testados como opção para corrigir as deficiências em responsividade, corrente de escuro e temperatura de operação, comuns nas heteroestruturas convencionais baseadas em poços quânticos e pontos quânticos de InAs obtidos no regime de crescimento Stranski-Krastanov. Também foi projetado, fabricado e testado um circuito eletrônico de leitura de sinal misto para integração com matrizes de sensores e produção de imagens. Esse tipo de circuito possui uma série de vantagens em relação aos dispositivos convencionais que costumam ser completamente analógicos. / In this work, we studied the application of new types of semiconductor heterostructures for mid-infrared detection. Submonolayer quantum dots (SML-QDs), quantum-cascade detectors (QCDs) and InAlAs quantum dots were tested as an option to circumvent the common shortcomings of responsivity, dark current and operating temperature of the usual heterestructures based on quantum wells (QWs) and InAs Stranski-Krastanov quantum dots. We also designed, fabricated and tested a mixed-signal read-out circuit aiming the fabrication of focalplane arrays (FPAs) for applications to infrared imaging. This kind of architecture has several advantages over a fully analog design.

Les oxydes de métaux de transition sont d'un grand intérêt en raison du large éventail de propriétés qu'ils présentent. Ils ont potentiellement de nombreuses applications technologiques dans le domaine de l'électronique, reposant en partie sur le développement de dispositifs pour la technologie de l'information nécessitant de les contacter avec des métaux. Ce travail de thèse, basé principalement sur l'utilisation de la spectroscopie de photoémission, porte sur une étude détaillée de l'interface Fe/SrTiO₃ réalisée à température ambiante, dans laquelle nous nous sommes intéressés en particulier aux propriétés structurales et électroniques. Nous montrons que le fer est épitaxié, que sa croissance est en îlots et que les films couvrent entièrement le substrat pour le dépôt de quelques monocouches atomiques. Nous mettons en évidence une réaction du métal avec le substrat lors de la formation de l'interface qui se manifeste par la présence de titane réduit à l'interface. Nous associons cette réduction du titane à la présence de lacunes d'oxygène à l'interface Fe/SrTiO₃. Alors que la hauteur de barrière Schottky attendue pour une jonction abrupte Fe/SrTiO₃(001) est d'environ 1 eV pour les électrons, nous montrons que la présence des lacunes d'oxygène à l'interface abaisse la hauteur de barrière Schottky à environ 0,05 eV. La création de lacunes d'oxygène lors du dépôt de fractions de monocouche de fer sur le SrTiO₃ conduit aussi à une métallisation de la surface du semi-conducteur. Ce mécanisme est relié à la création d'états donneurs chargés positivement associés aux lacunes d'oxygène pendant le dépôt. Pour déterminer le profil de bande dans le substrat nous avons résolu l'équation de Poisson à une dimension dans une approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité modifiée, en tenant compte de la couche d'accumulation d'électrons. Confrontant ces calculs avec nos résultats de photoémission nous trouvons que le potentiel de surface présente des inhomogénéités spatiales parallèlement à la surface. / Transition metal oxides are of great interest because of the wide range of properties they exhibit. They have potentially many technological applications in the field of electronics, especially based on the development of devices for information technology requiring contacting these oxides with metals. This thesis work, mainly based on photoemission spectroscopy, is a detailed study of the Fe/SrTiO₃ interface grown at room temperature in which we focus in particular on structural and electronic properties. We show that iron has an epitaxial growth with an island morphology and that films completely cover the substrate for the deposition of few atomic monolayers. We demonstrate that the metal reacts with the substrate during the formation of the interface which results in the presence of reduced titanium at the interface. We associate this reduction of titanium with the presence of oxygen vacancies at the Fe/SrTiO₃ interface. While the expected Schottky barrier height for a Fe/SrTiO₃(001) abrupt junction is about 1 eV for electrons, we show that the presence of oxygen vacancies at the interface lowers this Schottky barrier height to about 0.05 eV. The creation of oxygen vacancies during the deposition of fractions of iron monolayer on SrTiO₃ also leads to the metallization of the semiconductor surface. This mechanism is related to the creation of positively charged donor states associated with oxygen vacancies during deposition. To determine the band profile in the substrate, we solved the one-dimensional Poisson equation in a modified approach of the density functional theory taking into account the electron accumulation layer. By comparing these calculations with our photoemission results, we find that the surface potential has spatial inhomogeneities parallel to the surface.

Dans les technologies avancées, l’épitaxie des matériaux à base de silicium devient de plus en plus critique et les effets morphologiques importants. Les traitements thermiques ainsi que le dopage peuvent altérer la morphologie des épitaxies dégradant de façon considérable les performances des dispositifs. Les travaux de thèse ont pour objectifs de comprendre et résoudre ces problématiques, ils concernent donc l’étude de la morphologie et des forts dopages des épitaxies dans les motifs de petites tailles des technologies CMOS 14 et 10 nm. Nous avons étudié l’influence des conditions de recuit sous H2 sur la morphologie des épitaxies. Ceci a conduit à la détermination de la cinétique d’arrondissement thermique dans les petits motifs (100 nm et moins). D’après une analyse de la cinétique, deux énergies ont été identifiées : 2,9 eV et 7,7 eV. L’énergie de 2,9 eV montre qu’aux hautes températures, la diffusion de surface est le principal mécanisme de l’arrondissement thermique. Aux faibles températures, l’augmentation de la couverture d’hydrogène limite encore plus cette diffusion, augmentant fortement l’énergie obtenue. Nous avons observé que la pression du gaz porteur et la nature de celui-ci ont un impact important sur la diffusion de surface et modulent donc la cinétique d’arrondissement thermique. La caractérisation par microscopie à force atomique de croissances sélectives de couches SiGe dopées bore, montre que le bore modifie grandement la morphologie de croissance, ainsi que l’arrondissement thermique. Pour un même recuit, un motif dopé s’arrondit beaucoup plus rapidement qu’un motif non dopé. Les épitaxies développées au cours de ces travaux ont été intégrées avec succès dans les sources/drains du CMOS 14 nm. Selon le besoin, les épitaxies peuvent soit présenter de larges facettes bien définies soit aucune facette, et cela grâce à un procédé adéquat que ce travail a permis de proposer et développer / In advanced technologies, the Si-based materials epitaxy becomes more and more challenging and the morphological effects very important. The thermal treatments as well as the doping may degrade the epitaxies’ morphology resulting in considerably damaging the devices’ performances. The works presented in this thesis, aim at understanding and solving these problematics. Thus, they are focused on the study of the epitaxies’ morphology and high doping in the small patterns of the 10 and 14 nm CMOS technologies. The influence of the H2 annealing conditions on the morphology was studied. This led to determine the thermal rounding kinetics in small patterns. According to a kinetics analysis, two energies were identified: 2.9 eV and 7.7 eV. The 2.9 eV energy shows that at high temperatures, the surface diffusion is the thermal rounding main mechanism. At low temperatures, the hydrogen coverage’s increase limits even more this diffusion, greatly increasing the energy obtained. It was observed that the carrier gas pressure and its nature have a strong impact on the surface diffusion and thus modify the thermal rounding kinetics. The characterization by atomic force microscopy, of boron doped layer selectively grown, shows that the boron greatly modifies the growth’s morphology, as well as the thermal rounding. Considering a same annealing, the rounding phenomenon occurs faster in a doped pattern than in an un-doped pattern. The epitaxies developed during this work were successfully integrated to the 14 nm node sources and drains. Depending on the needs, the epitaxies can either present large and well defined facets or no facets, all of this thanks to an adequate process which was proposed and developed through this work.

Das Thema dieser Dissertation ist das MBE-Wachstum und die Charakterisierung von Ga(As,N) und (In,Ga)(As,N). Die Arbeit beginnt mit der Optimierung des Wachstums von Ga(As,N). Aufgrund der hohen Mischbarkeitslücke von GaN in GaAs verursacht der Einbau von Stickstoff in GaAs eine strukturelle Degradation, die von der Substrattemperatur, der Stickstoffkonzentration und der Quantentopfdicke abhängt. Ein weiteres Problem bezüglich des Wachstums von Ga(As,N) sind Punktdefekte, die einen schädlichen Einfluß auf optische Eigenschaften haben. Eine thermische Behandlung verringert die Konzentration dieser Punktdefekte. Dies geht mit einer Steigerung der Photolumineszenz-Intensität einher. Punktdefekte sind zum Beispiel Stickstoff-Dimere, die sich in Gallium- oder Arsen-Vakanzen einbauen. Eine thermische Behandlung bei hohen Temperaturen bewirkt jedoch eine strukturelle Degradation im Ga(As,N)-Materialsystem, die sich in einer Abnahme der Photolumineszenz-Intensität manifestiert. Es wird gezeigt, daß die Temperatur der thermischen Behandlung, die die höchste Photolumineszenz-Ausbeute erzielt, von der Stickstoffkonzentration abhängt. Bezüglich des Wachstums von (In,Ga)(As,N) verursacht die Mischbarkeitslücke von (In,Ga)N in (In,Ga)As ebenfalls eine strukturelle Degradation. Auch im quaternären Materialsystem ist eine thermische Behandlung essentiell für die Verbesserung optischer Eigenschaften. Es wird außerdem gezeigt, daß die thermische Behandlung von (In,Ga)As eine Indiumdiffusion verursacht, die durch den Einbau von Stickstoff gestoppt wird. Die Charakterisierung von (In,Ga)(As,N) kantenemittierenden Lasern zeigt Emissionen bei Wellenlängen bis zu 1366 nm. Mit dem Einbau von Stickstoff ist ein Anstieg der Schwellstromdichte und ein Abfall der Emissionsleistung verbunden. / This dissertation deals with the MBE growth and characterization of Ga(As,N) and (In,Ga)(As,N). The work commences with the optimization of the Ga(As,N) growth. Owing to a large miscibility gap of GaN in GaAs, the incorporation of nitrogen into GaAs causes a structural degradation that is dependent on the substrate temperature, the nitrogen concentration, and the quantum well thickness. Another problem related to the growth of Ga(As,N) are point defects that have a detrimental influence on optical properties. A thermal treatment of Ga(As,N) reduces the concentration of these point defects. This leads to a substantial improvement of optical properties. We will show that nitrogen split interstitials that incorporate into gallium and arsenic vacancies may be attributed to these point defects. A thermal treatment of Ga(As,N) at high temperatures, on the contrary, results in a creation of extended defects which are detrimental to optical properties. We will show that the temperature of the thermal treatment that yields the highest photoluminescence intensity is nitrogen concentration-dependent. The growth of (In,Ga)(As,N) is similar with respect to Ga(As,N). Again, one has to face a high miscibility gap of (In,Ga)N in (In,Ga)As that results in a structural degradation. A thermal treatment of (In,Ga)(As,N) is also beneficial for improving optical properties. We will show that a thermal treatment of (In,Ga)As results in an indium diffusion that is suppressed by the incorporation of nitrogen. The characterization of (In,Ga)(As,N) edge emitting lasers shows emission at wavelengths up to 1366 nm. With higher nitrogen concentrations, there is a strong increase of the threshold current density and a decrease of the output power.

This thesis discusses the growth of thin-film silicon layers suitable for solar cells using liquid phase epitaxy and the behaviour of oxide LPCVD silicon nitride stacks on silicon in a high temperature ambient.¶ The work on thin film cells is focussed on the characteristics of layers grown using liquid phase epitaxy. The morphology resulting from different seeding patterns, the transfer of dislocations to the epitaxial layer and the lifetime of layers grown using oxide compared with carbonised photoresist barrier layers are discussed. The second half of this work discusses boron doping of epitaxial layers. Simultaneous layer growth and boron doping is demonstrated, and shown to produce a 35um thick layer with a back surface field approximately 3.5um thick.¶ If an oxide/nitride stack is formed in the early stages of cell processing, then characteristics of the nitride may enable increased processing flexibility and hence the realisation of novel cell structures. An oxide/nitride stack on silicon also behaves as a good anti- reflection coating. The effects of a nitride deposited using low pressure chemical vapour deposition on the underlying wafer are discussed. With a thin oxide layer between the silicon and the silicon nitride, deposition is shown not to significantly alter effective life-times.¶ Heating an oxide/nitride stack on silicon is shown to result in a large drop in effective Lifetimes. As long as at least a thin oxide is present, it is shown that a high temperature nitrogen anneal results in a reduction in surface passivation, but does not significantly affect bulk lifetime. The reduction in surface passivation is shown to be due to a loss of hydrogen from the silicon/silicon oxide interface and is characterised by an increase in Joe. Higher temperatures, thinner oxides, thinner nitrides and longer anneal times are all shown to result in high Joe values. A hydrogen loss model is introduced to explain the observations.¶ Various methods of hydrogen re-introduction and hence Joe recovery are then discussed with an emphasis on high temperature forming gas anneals. The time necessary for successful Joe recovery is shown to be primarily dependent on the nitride thickness and on the temperature of the nitrogen anneal. With a high temperature forming gas anneal, Joe recovery after nitrogen anneals at both 900 and 1000oC and with an optimised anti-reflection coating is demonstrated for chemically polished wafers.¶ Finally the effects of oxide/nitride stacks and high temperature anneals in both nitrogen and forming gas are discussed for a variety of wafers. The optimal emitter sheet resistance is shown to be independent of nitrogen anneal temperature. With textured wafers, recovery of Joe values after a high temperature nitrogen anneal is demonstrated for wafers with a thick oxide, but not for wafers with a thin oxide. This is shown to be due to a lack of surface passivation at the silicon/oxide interface.