The studies covered in this dissertation concentrate on the various forms of diamond films synthesized by chemical vapor deposition (CVD) method, including microwave CVD and hot filament CVD. According to crystallinity and grain size, a variety of diamond forms primarily including microcrystalline (most commonly referred to as polycrystalline) and nanocrystalline diamond films, diamond-like carbon (DLC) films were successfully synthesized. The as-grown diamond films were optimized by changing deposition pressure, volume of reactant gas hydrogen (H2) and carrier gas argon (Ar) in order to get high-quality diamond films with a smooth surface, low roughness, preferred growth orientation and high sp3 bond contents, etc. The characterization of diamond films was carried out by metrological and analytical techniques such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and Raman spectroscopy. The results of characterization served as feedback to optimize experimental parameters, so as to improve the quality of diamond films. A good understanding of the diamond film properties such as mechanical, electrical, optical and biological properties, which are determined by the qualities of diamond films, is necessary for the selection of diamond films for different applications. The nanocrystalline diamond nanowires grown by a combination of vapor-liquid-solid (VLS) method and CVD method in two stages, and the graphene grown on silicon substrate with nickel catalytic thin film by single CVD method were also investigated in a touch-on level.

L'électricité produite par les rayonnements solaires est devenue de plus en plus onéreuse suite à de nombreuses modifications du tarif de rachat de l'électricité photovoltaïque (PV). Par conséquent, le retour sur investissement devient de plus en plus long. Afin de l'améliorer, un système de supervision peut être une solution pour limiter les pertes de productions et améliorer les performances des installations. Dans ce travail, nous nous intéressons à la réalisation, au test et à la mise en place d'un système d'acquisition de mesures d'installations solaires PV. Ainsi, ces mesures vont amener à une détection et une localisation des nombreux défauts existants. L'objectif de cette thèse est donc de réaliser un système d'information, de conduite et de supervision des installations photovoltaïques tout en respectant des contraintes économiques. Une analyse énergétique d'une installation PV a permis de s'intéresser aux pertes au niveau du générateur PV afin d'en identifier la nature. Pour cela, une modélisation de cellules silicium du type polycristallin dans différents fonctionnements défaillants, par exemple sous conditions d'ombrage, a été effectuée. Cette démarche a été validée par des expérimentations sur site. À partir de cette étude, une méthode de détection et d'identification de défauts est proposée et testée pour la détection du défaut d'ombrage. Nouveau Texte

Ces travaux de recherche se rapportent à l’évaluation des potentialités des transistors à base de graphène ainsi que la mise en évidence des effets dispersifs sur les transistors HEMTs en technologie Nitrure de Gallium. Les principaux résultats issus de ces travaux sont obtenus suite au développement d’un banc de caractérisation spécifique. L’objectif principal pour la caractérisation des transistors en technologie AlGaN/GaN a été de développer des techniques innovantes de caractérisation. Des mesures IV et RF impulsionnelles ont été réalisées afin de caractériser et modéliser les phénomènes de pièges. Cette méthode fournit un moyen efficace d’évaluer les constantes de temps thermiques et de pièges pour la modélisation non linéaire. Ces mesures illustrent ainsi l’impact des effets de pièges sur le comportement dynamique grand signal des transistors GaN. Le second aspect de ces travaux de recherche est axé sur la caractérisation de différents composants à base de graphène afin d’extraire un modèle non linéaire. Des caractérisations DC et HF ont été réalisées. Des structures spécifiques de test ont été fabriquées pour la technique de « de-embedding » permettant l’extraction du modèle non linéaire. La cohérence du modèle électrique a été vérifiée via une comparaison des paramètres S mesurés et simulés. Il est primordial de construire des modèles performants prenant en compte les nouvelles caractéristiques de ces dispositifs dans le but d’établir un lien fort entre les aspects technologiques et systèmes afin d’améliorer les performances HF des transistors à base de graphène. / The aim of this work is to assess the potentialities of Graphene Field Effect Transistors (G-FET) as well as to put in evidence dispersive effects of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs). The main experimental results of this study have been obtained through the development of an advanced characterization set-up. The main objective for characterization of AlGaN/GaN HEMTs was to develop innovative characterization techniques such as very short pulses and electrical history measurements. Dedicated time-domain pulsed I-V measurements have been performed in order to characterize and model the time dependent trapping phenomena in such devices. The current collapse (Kink effect) and drain lag are directly related to quiescent and instantaneous bias points as well as thermal effects which play a prominent role. This method provides an efficient way to assess the different thermal and trapping time constants for the nonlinear modeling. The second aspect of this research work was the characterization of several graphene-based devices in order to assess the potentialities of such transistors and to derive a nonlinear device model. DC and high frequency characterization were performed. Specific test structures fabricated for accurate de-embedding at high frequencies along with the nonlinear model extraction were detailed in this work. This electrical model consistency has been checked through the comparison of measured and simulated multi-bias S-parameters. For this new material with outstanding electrical properties and promising capabilities, material and technological process are still subject to intensive research activities to improve high frequency graphene FET performances.

abstract: In the current photovoltaic (PV) industry, the O&M (operations and maintenance) personnel in the field primarily utilize three approaches to identify the underperforming or defective modules in a string: i) EL (electroluminescence) imaging of all the modules in the string; ii) IR (infrared) thermal imaging of all the modules in the string; and, iii) current-voltage (I-V) curve tracing of all the modules in the string. In the first and second approaches, the EL images are used to detect the modules with broken cells, and the IR images are used to detect the modules with hotspot cells, respectively. These two methods may identify the modules with defective cells only semi-qualitatively, but not accurately and quantitatively. The third method, I-V curve tracing, is a quantitative method to identify the underperforming modules in a string, but it is an extremely time consuming, labor-intensive, and highly ambient conditions dependent method. Since the I-V curves of individual modules in a string are obtained by disconnecting them individually at different irradiance levels, module operating temperatures, angle of incidences (AOI) and air-masses/spectra, all these measured curves are required to be translated to a single reporting condition (SRC) of a single irradiance, single temperature, single AOI and single spectrum. These translations are not only time consuming but are also prone to inaccuracy due to inherent issues in the translation models. Therefore, the current challenges in using the traditional I-V tracers are related to: i) obtaining I-V curves simultaneously of all the modules and substrings in a string at a single irradiance, operating temperature, irradiance spectrum and angle of incidence due to changing weather parameters and sun positions during the measurements, ii) safety of field personnel when disconnecting and reconnecting of cables in high voltage systems (especially field aged connectors), and iii) enormous time and hardship for the test personnel in harsh outdoor climatic conditions. In this thesis work, a non-contact I-V (NCIV) curve tracing tool has been integrated and implemented to address the above mentioned three challenges of the traditional I-V tracers. This work compares I-V curves obtained using a traditional I-V curve tracer with the I-V curves obtained using a NCIV curve tracer for the string, substring and individual modules of crystalline silicon (c-Si) and cadmium telluride (CdTe) technologies. The NCIV curve tracer equipment used in this study was integrated using three commercially available components: non-contact voltmeters (NCV) with voltage probes to measure the voltages of substrings/modules in a string, a hall sensor to measure the string current and a DAS (data acquisition system) for simultaneous collection of the voltage data obtained from the NCVs and the current data obtained from the hall sensor. This study demonstrates the concept and accuracy of the NCIV curve tracer by comparing the I-V curves obtained using a traditional capacitor-based tracer and the NCIV curve tracer in a three-module string of c-Si modules and of CdTe modules under natural sunlight with uniform light conditions on all the modules in the string and with partially shading one or more of the modules in the string to simulate and quantitatively detect the underperforming module(s) in a string. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Engineering 2020

Conductive Atomic Force Microscope (c-AFM) was used to measure the conductivity of single horse spleen ferritin (HoSF) and azotobacter vinelandii bacterial ferritin (AvBF) molecules deposited on flat gold surfaces. A 500 micron diameter gold ball was also used as a contact probe to measure the conductivity of a thin film of ferritin molecules. The average current measured for holo HoSF was 13 and 5 times larger than that measured for apo HoSF as measured by c-AFM at 1V and gold ball at 2V and respectively, which indicates that the core of ferritin is more conductive than the protein shell and that conduction through the shell is likely the main factor limiting electron transfer. With 1 volt applied, the average electrical currents through single holo HoSF and single apo HoSF molecules were 2.6 pA and 0.19 pA respectively. Measurements on holo AvBF showed it was more than 10 times as conductive as holo HoSF, indicating that the protein shell of AvBF is more conductive than that of HoSF. The increased conductivity of AvBF is attributed to heme groups in the protein shell.

A l’ère du « big data » et de l’intelligence artificielle, les recherches pour trouver de nouvelles façons de stocker et traiter l’information se multiplient. Dans le domaine des mémoires non volatiles, cette émulation a conduit à l’émergence de nouveaux composants, dont les OxRAM (oxide-based resistive random access memories) auxquels nous nous sommes intéressés dans cette thèse. Il s’agit d’un empilement métal-oxyde-métal où la couche d’oxyde commute entre au moins deux états de résistance stables lorsqu’une tension est appliquée. Nos travaux ont porté sur l'étude électrique de dispositifs en croix, de dimensions submicroniques (500 x 500 nm2 ou 100 x 100 nm2) avec, comme oxyde diélectrique, le dioxyde d’hafnium HfO2 ou le dioxyde de titane TiO2. Pour l'élaboration des oxydes, nous avons mis en oeuvre le dépôt par jets moléculaires (ou MBE pour molecular beam epitaxy), technique très peu utilisée jusqu’ici dans la communauté des OxRAM. Cette technique d'ultravide permet d'obtenir des films très purs alors qu'avec l’ALD (pour atomic layer deposition), le précurseur employé induit une contamination en carbone, azote ou chlore. L'une des clés de l’optimisation des propriétés électriques se trouve dans le contrôle de la quantité et de la distribution des lacunes d’oxygène. A cet effet, nous avons exploré l’incorporation de divers éléments aux couches de HfO2 et TiO2. La microstructure et la composition des films d'oxyde ainsi dopés ont été analysées, puis les dispositifs OxRAM ont été fabriqués et leurs caractéristiques électriques (courant-tension) ont été étudiées. Pour les OxRAM à base de HfO2 (mettant en jeu un mécanisme filamentaire), nous avons tout d'abord optimisé l'élaboration de HfO2 par MBE. Nous avons obtenu des dispositifs dont les propriétés électriques se situent au niveau de l'état de l'art international, notamment pour la fenêtre mémoire. Grâce à la croissance par MBE, nous obtenons une plus petite tension de forming et une plus grande fenêtre mémoire que pour des composants similaires, que nous avons fabriqués à partir de films préparés par ALD. Nous suggérons un lien entre contaminants carbonés et largeur de la fenêtre mémoire. Par rapport à l'état de l'art, nos objectifs étaient d’abaisser les courants de fonctionnement et d’atténuer la variabilité entre nombreux cycles ainsi qu'entre composants. Nous avons pour cela examiné les effets de l'ajout dans HfO2 des éléments Al, La ou Ti (de quelques % jusqu'à 30 %), par co-dépôt avec Hf. Grâce à ces additions, nous parvenons à réduire le courant de reset, la tension de forming et la variabilité du courant de reset. De plus, les mesures XPS (pour X-ray photoelectron spectroscopy) montrent une augmentation du taux de lacunes dans les couches La-HfO2, Ti-HfO2 et Al-HfO2. Concernant les composants à base de TiO2 (impliquant des mécanismes de type interfacial à l'une des deux interfaces avec les électrodes, dite active), nos objectifs étaient de diminuer les courants de fonctionnement et d’augmenter le nombre d’états de résistance accessibles stables. A cette fin, nous avons privilégié, là aussi, des stratégies matériaux. Nous avons modifié l'interface active du dispositif en y incorporant des hétéroéléments (Ne, N et B) par implantation ionique. La teneur en lacunes d’oxygène a été analysée par XPS tandis que la mobilité des lacunes a été quantifiée via leur énergie d’activation de diffusion Ea. Afin de déterminer Ea, nous avons mis au point un protocole expérimental original. Ainsi, nous avons établi que l'azote, dopant de type p dans TiO2, accroît la mobilité des lacunes tandis que le bore, dopant de type n, l’entrave et le néon, inerte, n'a pas d'incidence. L'énergie d'activation est minimale (0,4 eV) pour une implantation en azote de 1018 ions/cm3. La mobilité des lacunes n'est cependant pas le seul paramètre à améliorer : le transport des électrons à travers la barrière Schottky TiO2/Pt joue également un rôle crucial. [...] / In the age of big data and artificial intelligence, researches to find new ways to process and store the information multiply. In the field of non-volatile memories, this emulation has led to the emergence of new components, such as OxRAM (for oxide-based random access memories) in which we have been interested in during this PhD. It is a metal-oxide-metal stack where the oxide layer is able to switch between at least two stable resistance states under an applied voltage. In this work, we have studied sub-micrometer cross-point devices (500 x 500 nm2 or 100 x 100 nm2) with hafnium dioxide (HfO2) or titanium dioxide (TiO2) as dielectric oxide. The oxides have been deposited by molecular beam epitaxy (MBE), a technique that has rarely been used so far in the OxRAM community. With this ultra-vide technique, we can obtain very pure films whereas with atomic layer deposition (ALD), precursors induce carbon, nitrogen or chlorine contaminations. For the electrical properties optimization, one of the keys is the concentration and distribution control of oxygen vacancies. Regarding that, we have explored the incorporation of various elements in HfO2 and TiO2 layers. The microstructure and the composition of these doped films have been analyzed, afterward OxRAM devices have been fabricated and their electrical characteristics (current-voltage) have been studied. For HfO2-based OxRAM (involving a filamentary mechanism), we have firstly optimized the MBE HfO2 deposition. The devices then obtained have electrical properties which are as good as those of the state-of-the-art components, in particular for the memory window. Moreover, these MBE deposited devices have a smaller forming voltage and a larger memory window than equivalent components that we have fabricated with ALD grown layers. So, we suggest a link between carbon impurities and memory width. In light of the state of the art, our objectives were to lower working currents and to reduce the variability between numerous cycles and between components too. To this end, we have examined the effects of adding Al, La or Ti elements in HfO2 (from few % to 30 %), by co-deposition with Hf. Thanks to these additions, we manage to decrease the reset current, the forming voltage and the variability of the reset current. Furthermore, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements show an increase of vacancies amount in La-HfO2, Ti-HfO2 and Al-HfO2 layers. Concerning TiO2-based components (for which the mechanism is interfacial and takes place at one of the two electrode interfaces, said active), our goals were to diminish working currents and to augment the number of accessible stable resistance states. For this purpose, we have also focused on material strategies. We have modified the active interface by heteroelements ion implantation (Ne, N and B). The oxygen vacancies content has been analyzed by XPS while the vacancies mobility has been quantified via their activation energy diffusion Ea. In order to determine Ea, we have developed an original experimental protocol. In this way, we establish that nitrogen, which is a p-type dopant in TiO2, heightens the oxygen vacancies mobility, whereas boron, which is a n-dopant, hinders it and the neon, inert, does not have any effect on vacancies mobility. The activation energy is minimal (0.4 eV) for a nitrogen dose of 1018 ions/cm3. However, the oxygen vacancies mobility is not the only parameter that we have to improve: the electronic transport through the TiO2/Pt Schottky barrier plays also a crucial role. The results achieved during this PhD attest to the pertinence of the MBE utilization and of an analysis that combines ionic and electronic aspects in order to improve the resistive switching phenomenon understanding and the OxRAM performances.

Avec l’usage intensif de dispositifs microélectroniques modernes, il existe un besoin croissant de mémoires non volatiles. La FeRAM (mémoire ferroélectrique à accès aléatoire) est une des mémoires de nouvelle génération les plus prometteuses en raison de sa faible consommation et de sa vitesse élevé de lecture/écriture. Parmi les différents matériaux ferroélectriques, le PZT (Pb (Zr1-x,Tix)O3) présente une polarisation rémanente élevée et un faible champ coercitif qui en font un candidat de choix pour les FeRAM.Dans cette thèse, la croissance épitaxiale de couches de PZT (52/48) d’épaisseurs variables (33 à 200 nm), sur un substrat de SrTiO3 et une électrode inférieure interfaciale de SrRuO3, a été réalisé par deux méthodes pour comparaison : pulvérisation cathodique et sol – gel. Trois matériaux conducteurs différents (SrRuO3, Pt et ITO) ont été utilisés comme électrode supérieure. L’objectif a été une étude détaillée des propriétés électriques et ferroélectriques de ces structures MFM (métal-ferroélectrique-métal), avec une attention particulière sur l’influence des conditions d’élaboration et de la nature des électrodes sur le courant de fuite et la dynamique de basculement de domaines.Les capacités élaborées par pulvérisation ou sol-gel présentent des caractéristiques semblables : Au-delà d’une épaisseur minimum d’environ 100 nm, pour une structure capacitive à base de PZT de 100 × 100 μm2, elles montrent un faible courant de fuite, une permittivité relative maximale élevée (600 - 1300) et une polarisation rémanente élevée (30 - 40 μC/cm2). Les mécanismes dominants dans le courant de fuite ont été identifiés par un fit des résultats, manifestant différentes contributions en fonction du champ électrique. Des caractérisations par PFM (microscopie à force piézoélectrique) confirme l’existence de domaines ferroélectriques de directions opposées. Il est aussi montré que le champ coercitif dépend fortement de la fréquence de travail. D’autre part, les propriétés d’impression dépendent de l’électrode supérieure, de la nature du recuit et de l’épaisseur de l’électrode inférieure. / With the intensive use of modern microelectronic devices in numerous areas, there is an increasing demand for non-volatile memories. FeRAM (ferroelectric random access memory) is one of the most potential next-generation memories for its ultra-low power consumption and high read/write rate. Among various ferroelectrics, PZT (Pb(Zr1-x,Tix)O3) exhibits high remnant polarization and low coercive field, which make it a promising candidate for FeRAM.In this dissertation, PZT(52/48) layers of various thicknesses (from 33 nm to 200 nm) have been epitaxially grown on SrTiO3 substrate, with a SrRuO3 interlayer as bottom electrode, using two deposition methods for comparison: sol-gel and sputtering. Three different conductive materials (SrRuO3, Pt and ITO) have been deposited as top electrode. The objective was a detailed study of the electrical and ferroelectric properties of these MFM (metal-ferroelectric-metal) capacitors, with a particular investigation of the influence of elaboration conditions and electrode material on leakage currents and domain switching dynamics.Sputtered and sol-gel-derived PZT capacitors showed similar properties: Above a minimum workable thickness of about 100 nm for a 100 × 100 μm2 PZT capacitor, they showed low leakage current, high maximum relative permittivity (600 - 1300) and high remnant polarization (30 - 40 μC/cm2). The dominant leakage current mechanisms were identified by fitting the results, showing different contributions as a function of electric field. PFM (piezoresponse force microscopy) characterizations confirmed the existence of ferroelectric domains of opposite directions. Coercive field was found to be highly dependent on work frequency. Besides, imprint properties were found to be dependent on top electrode, annealing procedure and bottom electrode thickness.

Nous avons élaboré des structures de quatre couches d'InN/InP (100) en enrichissant en In la surface nitrurée à l'aide d'une cellule d'évaporation calibrée. Les propriétés physiques de ces structures ont été étudiées in-situ à l'aide de spectroscopie, des électrons Auger (AES), des photoélectrons X (XPS) et UV (UPS) avant d'être analysées ex-situ par photoluminescence (PL) et mesures électriques (I(V) et C(V)). Nous avons mené une étude de PL en fonction de la température et l'évolution de l'énergie du pic de PL obtenue en fonction de la température suivait la forme en S-inversé caractéristique des effets de localisation. Les caractéristiques électriques courant-tension des structures Hg/InN/InP montrent qu'elles forment un contact Schottky. Les caractéristiques capacité-tension montrent qu'elles se comportent comme une structure lorsqu'on polarise négativement et comme une structure MIS quand on polarise positivement. Dans la dernière partie de cette thèse, des résultats sont présentés sur l'étude des propriétés physico-chimiques et optiques de semi-conducteurs poreux : le GaAs et l'InP poreux. L'effet de confinement quantique dans les cristallites de GaAs poreux a été confirmé après avoir caractérisé optiquement par Photoréflectivité (PR) et photoluminescence (PL) des échantillons de GaAs poreux

Cette étude concerne les propriétés structurales, optiques et électriques des couches minces d'oxynitrure de silicium ( SiOxNy) élaborées par pulvérisarion cathodique radiofréquence d'une cible de silicium dans un plasma argon-oxygène-azote. La zone d'instabilité de ce procédé réactif a été précisée par spectroscopie d'émission optique et par le suivi de la pression totale et du potentiel d'autopolarisation. Les conditions adéquates d'élaboration qui ont été définies, ont permis de déposer des films dont la composition varie presque linéairement, entre celles du nitrure et de l'oxyde de silicium. Ces couches sont formées par un mélange de nanophases de type SiO2 et Si3N4 incorporées dans une phase de SiOxNy amorphe. Des liaisons pendantes ont aussi été détectées sur les atomes de silicium. Les dépôts présentent des propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique) et des propriétés diélectriques très intéressantes et variables en fonction de leur composition et de leur structure

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