Abstrate Co1-XO polycrystals, prepared by sintering at 1600oC with or without Mg2+-dopant ,were thermally etched at 400-1500oC for 10 min-12hr and studied by scanning electron microscopy regard to the effects of temperature and Mg2+-dopant on etching development. In low etching temperature (400-800 oC), vacancy relaxation process and spinel precipitate produced on the surface of Co1-XO-MgO polycrystals. In high etching temperature (1500 oC), Co1-XO epitaxy was spread on the steps and ledges. In addition, Co1-XO was thermally etched at 1500 oC for 10min to 12hr, we found triangular to hexagonal etch pits were produced. However, Mg2+-dopant changed the geometric shape of the pit opening. Besides, growth hillocks with corrugated terrace steps at edge and a pit at center showed that growth and etching of crystal can happen in the same time.

The Electromigration-induced failure of metallic interconnects is a complicated process, which involves flux divergence, vacancy and atom accumulation with or without compositional variations, void and hillocks nucleation, growth and shape changes. Hillocks and surface void dynamics in connection with the critical morphological evaluation have been investigated in order to understand the conditions under which premature failure of metallic thin interconnects occur. In this thesis, an interconnect is idealized as a two dimensional electrically conducting strip which contains gaussian form hillock or edge void. Indirect boundary element is used to predict the evolution of the surface after the applied electric field. Computer simulation results show that the surface crystal structure of is extremely important in the determination of the life time of thin film single crystal interconnect lines. Under the applied electrostatic field not only the degree of rotational symmetry (parameter, m) but also the orientation of the surface plane play dominant role in the development of the surface topology and the formation of the fatal EM induced voids. The degree of anisotropy in the surface diffusion coefficient, and the intensity of the electron wind parameter may have great influence on the evolution regime actually taking place on the surfaces and at sidewalls of the interconnects.

Les semi-conducteurs III-V à base d’azote et leurs alliages possèdent des propriétés remarquables et sont largement étudiés depuis les années 90. En comparaison à d'autres semi-conducteurs III-V, Les alliages de type ; AlGaN, InGaN et AlInN, ont leurs bandes interdites, directes, du lointain ultra-violet au proche infrarouge. Ainsi, ils sont appropriés pour de nombreuses applications dans des domaines tant civils que militaires tout en montrant de meilleures performances. De plus, l'alliage quaternaire AlGaInN montre des propriétés intéressantes car il peut être épitaxié soit avec un paramètre de maille ou une polarisation ou une bande interdite accordé au GaN. De plus, avec AlInN, ces deux alliages pourraient, à terme, remplacer les barrières conventionnelles AlGaN/GaN pour les applications aux Transistors à Haute Mobilité Électroniques (HEMT) grâce à des performances supérieures prouvées théoriquement.Dans ce travail, nous avons étudié les alliages AlInN et AlGaInN dont la croissance a été faite par épitaxie en phase vapeur d’organométalliques (MOVPE). Pour cela, la microscopie électronique en transmission a été notre principal outil de caractérisation. Le but était de caractériser les défauts et les mécanismes de croissance pendant la MOVPE. Dans cette optique, l'incorporation de gallium dans la barrière en raison de la géométrie de la chambre de croissance menant à un alliage quaternaire a été étudiée. Le contrôle du taux de gallium est réalisé soit par un processus de nettoyage entre les épitaxies soit par les conditions de croissance. Les défauts ont été ensuite différenciés comme extrinsèques et intrinsèques. En effet, les dislocations et les domaines d'inversion dans le GaN produisent des défauts extrinsèques, tandis que, les « pinholes » non connectés aux dislocations et les « hillocks » responsables de la rugosité de surface sont définis comme intrinsèques. Les origines des défauts intrinsèques dépendent fortement des propriétés physiques des composés parents binaires. Ces dégradations systématiques sont observées même lorsque les conditions de croissance sont optimisées et quand la composition du film mince est changée ou son épaisseur augmentée.Notre travail propose des mécanismes différents pour expliquer les processus de dégradation pour les différents défauts observés et constitue donc un pas en avant pour la réalisation de HEMT à base de AlInN et AlGaInN de meilleure qualité. / Group III-Nitrides and their alloys exhibit outstanding properties and are being extensively investigated since the 90’s. In comparison to other III-V semiconductors, III-nitrides (AlGaN, InGaN, and AlInN) cover from deep ultraviolet (UV) to near infrared (IR) across the visible range of wavelengths. Thus, they are suitable for numerous applications both in civilian and military fields showing higher performances. Moreover, the quaternary alloy AlGaInN shows versatile properties as it can grow either lattice or polarization or bandgap matched to GaN. Alongside to AlInN, these two alloys are expected to replace conventional AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMT) barriers as higher performances have been theoretically demonstrated.In this work, we have studied AlInN and AlGaInN grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) using mainly TEM. The aim was to characterize defects and the MOVPE growth alloying process. In this instance, the gallium incorporation in the barrier due to the geometry of the growth chamber leading to a quaternary alloy was studied. The control of the gallium content is achieved by a cleaning process between runs or by the growth condition. Defects were then differentiated as extrinsic and intrinsic. In this way, dislocations and inversion domains from the GaN buffer layer generate extrinsic defects, while, pinhole not connected to dislocations and individual hillocks responsible of surface roughening are termed as intrinsic. The origins of the latter defects depend strongly on the physical mismatches of the end-binary compound. These systematic degradations happen also with optimized growth conditions as soon as the nominal composition is changed and/or the thickness is increased.Our work proposes different mechanisms to explain defects generation processes which constitutes a forward step for higher quality HEMTs.

La miniaturisation de la structure de transistor MOS a conduit à l'amincissement de l’oxyde de grille. Ainsi, la dégradation et le claquage sous contrainte électrique est devenu l'un des problèmes de fiabilité les plus importants des couches minces d'oxydes. L'utilisation de techniques de caractérisation permettant de mesurer les courants de fuite avec une résolution spatiale nanométrique a montré que le phénomène de claquage des oxydes est un phénomène très localisé. Le diamètre des «points chauds», des endroits où le courant de fuite est très élevé pour une tension appliquée continue, peut-être de quelques nanomètres uniquement. Ceci illustre pourquoi les méthodes de caractérisation avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique peuvent fournir des informations supplémentaires par rapport à la caractérisation classique macroscopique. Il y a deux instruments, dérivés de la microscopie à force atomique (AFM) qui peuvent être utilisés pour faire ce travail, soit le Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) ou le Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). Le mode TUNA qui est utilisé dans notre travail est capable de mesurer des courants très faibles variant entre 60 fA et 100 pA. Notre travail peut être divisé en deux thèmes principaux: - La caractérisation électrique des couches minces d'oxydes high-k (LaAlO3 et Gd2O3) à l'échelle nanométrique en utilisant le Dimension Veeco 3100 où nous avons montré que la différence de leurs techniques d'élaboration influe largement sur le comportement électrique de ces oxydes. - Les caractérisations électriques et physiques à l’échelle nanométrique des couches minces d’oxydes thermiques SiO2 sous différentes atmosphères, c.à.d. dans l'air et sous vide (≈ 10-6 mbar) en utilisant le microscope Veeco E-Scope. L'influence de l’atmosphère a été bien étudiée, où nous avons montré que les phénomènes de claquage des couches minces d'oxydes peuvent être fortement réduits sous vide surtout en l'absence du ménisque d'eau sur la surface de l'oxyde pendant les expériences. En utilisant les plusieurs modes de l'AFM, il a été démontré que l'existence de bosses anormales (hillocks) sur la surface de l'oxyde après l'application d'une tension électrique est une combinaison de deux phénomènes: la modification morphologique réelle de la surface de l'oxyde et la force électrostatique entre les charges piégées dans le volume de l'oxyde et la pointe de l'AFM. Selon les images du courant obtenues par AFM en mode TUNA, deux phénomènes physiques pour la création de ces hillocks ont été proposés: le premier est l'effet électro-thermique et la seconde est l'oxydation du substrat Si à l’interface Si/oxyde. / Miniaturization of the MOS transistor structure has led to the high thinning of the gate oxide. Hence, degradation and breakdown under electrical stress became one of the important reliability concerns of thin oxide films. The use of characterization techniques allowing to measure leakage currents with a nanometric spatial resolution has shown that breakdown phenomenon of oxides is a highly localized phenomenon. So called “hot spots”, places where the leakage current is very high for a given applied continuous voltage, can be several nanometers wide only. This illustrates why nanometric characterization methods with a nanometer range spatial resolution provide additional information compared to the classical macroscopic characterization. There are two instruments that can be used to do this job, either the Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) or the Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). TUNA which is used in our work is capable to measure very low currents ranging between 60 fA and 100 pA. Our work can be divided into two principle topics: - Electrical characterization of thin high-k oxides (LaAlO3 and Gd2O3) at the nano-scale using the Veeco Dimension 3100 where we have shown that the difference in their elaboration techniques largely influence the electrical behavior of these oxides. - Nano-scale electrical and physical characterization of thin SiO2 thermal oxides in different surrounding ambient, that is in air and under vacuum (≈ 10-6 mbar) using the Veeco E-scope microscope. The influence of the experiment surrounding ambient has been well studied where we have shown that the breakdown phenomena of thin oxide films can be highly reduced under vacuum especially in the absence of the water meniscus on the oxide’s surface under study. Using different AFM modes, it was demonstrated that the existence of the well-known hillock (protrusions) on the oxide’s surface after the application of an electrical stress is a combination of two phenomena: the real morphological modification of the oxide’s surface and the electrostatic force between the trapped charges in the oxide’s volume and the AFM tip. Depending on the current images obtained by TUNA AFM mode, two physical phenomena for the creation of these hillocks have been proposed: the first is the electro-thermal effect and the second is the oxidation of the Si substrate at the Si/oxide interface.

La miniaturisation de la structure de transistor MOS a conduit à l'amincissement de l'oxyde de grille. Ainsi, la dégradation et le claquage sous contrainte électrique est devenu l'un des problèmes de fiabilité les plus importants des couches minces d'oxydes. L'utilisation de techniques de caractérisation permettant de mesurer les courants de fuite avec une résolution spatiale nanométrique a montré que le phénomène de claquage des oxydes est un phénomène très localisé. Le diamètre des "points chauds", des endroits où le courant de fuite est très élevé pour une tension appliquée continue, peut-être de quelques nanomètres uniquement. Ceci illustre pourquoi les méthodes de caractérisation avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique peuvent fournir des informations supplémentaires par rapport à la caractérisation classique macroscopique. Il y a deux instruments, dérivés de la microscopie à force atomique (AFM) qui peuvent être utilisés pour faire ce travail, soit le Tunneling Atomic Force Microscope (TUNA) ou le Conductive Atomic Force Microscope (C-AFM). Le mode TUNA qui est utilisé dans notre travail est capable de mesurer des courants très faibles variant entre 60 fA et 100 pA. Notre travail peut être divisé en deux thèmes principaux: - La caractérisation électrique des couches minces d'oxydes high-k (LaAlO3 et Gd2O3) à l'échelle nanométrique en utilisant le Dimension Veeco 3100 où nous avons montré que la différence de leurs techniques d'élaboration influe largement sur le comportement électrique de ces oxydes. - Les caractérisations électriques et physiques à l'échelle nanométrique des couches minces d'oxydes thermiques SiO2 sous différentes atmosphères, c.à.d. dans l'air et sous vide (≈ 10-6 mbar) en utilisant le microscope Veeco E-Scope. L'influence de l'atmosphère a été bien étudiée, où nous avons montré que les phénomènes de claquage des couches minces d'oxydes peuvent être fortement réduits sous vide surtout en l'absence du ménisque d'eau sur la surface de l'oxyde pendant les expériences. En utilisant les plusieurs modes de l'AFM, il a été démontré que l'existence de bosses anormales (hillocks) sur la surface de l'oxyde après l'application d'une tension électrique est une combinaison de deux phénomènes: la modification morphologique réelle de la surface de l'oxyde et la force électrostatique entre les charges piégées dans le volume de l'oxyde et la pointe de l'AFM. Selon les images du courant obtenues par AFM en mode TUNA, deux phénomènes physiques pour la création de ces hillocks ont été proposés: le premier est l'effet électro-thermique et la seconde est l'oxydation du substrat Si à l'interface Si/oxyde.

Microstructure changes in uranium and uranium/metal alloys due to radiation damage are of great interest in nuclear science and engineering. Titanium has attracted attention because of its similarity to Zr. It has been proposed for use in the second generation of fusion reactors due to its resistance to radiation-induced swelling. Aluminum can be regarded as a standard absorbing material or backing material for irradiation targets. Initial study of thin aluminum films irradiation by �������Cf fission fragments and alpha particles from source has been conducted in the Radiation Center, Oregon State University. Initial study of thin aluminum films irradiation by �������Cf fission fragments and alpha particles from source has been conducted in the Radiation Center, Oregon State University. Aluminum can be regarded as a standard absorbing material or backing material for irradiation targets. The AFM investigation of microstructure damages of thin aluminum surfaces revealed that the voids, dislocation loops and dislocation lines, formed in the thin aluminum films after bombardment by �������Cf fission fragments and alpha particles, depends on the irradiation dose. The void swelling and diameter and depth of voids increase linearly with the fluence of particles and dose; however, the areal density of voids decreased when formation of dislocation loops began. Study of deposition of uranium on titanium backing material by molecular plating and characterization of produced U/Ti film has been performed. The U/Ti film has smooth and uniform surfaces but the composition of the deposits is complex and does not include water molecules which probably involve the presence of U (VI). A possible structure for the deposits has been suggested. X-ray diffraction pattern of U/Ti films showed that The U/Ti film has an amorphous structure. Uranium films (0.500 mg/cm��) and stack of titanium foils (thickness 0.904 mg/cm��) were used to study the microstructural damage of the uranium film and its backing material. Irradiation of U/Ti film and Ti foils with 1 MeV/u (136 MeV) �������Xe�������� ions in was performed in the Positive Ion Injector (PII) unit at the Argonne Tandem Linear Accelerator System (ATLAS) Facility at Argonne National Laboratory, IL. Pre- and post- irradiation of samples was analyzed by X-ray diffraction, Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS) and Atomic Force Microscopy (AFM). The irradiation of U/Ti films results in the formation of a crystalline U���O��� phase and polycrystalline Ti phase. Annealing of the thin uranium deposit on a titanium backing at 800��C in the air atmosphere condition for an hour produced a mixture of UO���, U���O���, Ti, TiO and TiO��� (rutile) phases; meanwhile, annealing at 800oC for an hour in the argon environment produced a mixture of ��-U���O���, Ti and TiO��� (rutile) phases. These phenomena indicate that the damage during irradiation was not due to foil heating. Microstructural damage of irradiated uranium film was dominated by void and bubble formation. The microstructure of irradiated titanium foils is characterized by hillocks, voids, polygonal ridge networks, dislocation lines and dislocation networks. Theory predicts that titanium undergoes an allotropic phase transformation at 882.5 ��C, changing from a closed-packed hexagonal crystal structure (��-phase) into a body-centered cubic crystal structure (��- phase). When the titanium foils were irradiated with 136MeV �������Xe�������� at beam intensity of 3 pnA corresponding to 966��C, it was expected that its structure can change from hexagonal-close packed (hcp) to body-centered cubic (bcc). However, in contrast to the theory, transformation from ��-Ti (hcp) phase to fcc-Ti phase was observed. This phenomenon indicates that during irradiation with high energy and elevated temperature, the fcc-Ti phase more stable than the hcp-Ti Phase. / Graduation date: 2012