La motivation de cette thèse est la production innovante de germes ultra-minces de silicium cristallin. L’utilisation de tels germes dans un procédé de fabrication de cellules solaires permettrait une réduction importante de la consommation de silicium, qui compte déjà pour 60% du coût de production des panneaux solaires de première génération. Dans le cadre de cette thèse, une méthode pionnière de détachement de germes minces a été mise en oeuvre. Dans cette méthode, une contrainte induite mécaniquement est guidée par des défauts étendus induits par l’implantation d’hydrogène. Par cette méthode, le détachement de germes minces d’environ 710nm d’épaisseurs a été obtenu. Le but est ensuite d’utiliser ces germes pour faire croitre du silicium cristallin avec des épaisseurs variables à souhait, soit une technique kerf-free : sans pertes. Cette étude présente ainsi les étapes menant à la mise en oeuvre de ce procédé : en premier lieu, un état de l’art des méthodes de détachement de films ultra-minces existants est réalisé. Celui-ci nous a ainsi guidés vers l’implantation d’hydrogène en tant que méthode viable du guidage de la fracture. Par la suite, différents tentatives de détachement de germes ultra-minces ont été réalisés puis caractérisés, notamment par MEB, MET, AFM et DRX. Dans de bonnes conditions de collage et de croissance de défauts, le détachement de germes ultra-minces de silicium cristallin a été réalisé. Par la suite, la croissance et la cristallisation de couches de silicium amorphe a été réalisée sur les germes détachés. Pour finir, certaines couches détachées ont été utilisées pour la production de cellules solaires prototypes. / The goal of this thesis is to find an innovative way to produce ultra-thin crystalline silicon seeds. The use of such seeds in a solar cell production process could lead to a significant reduction of the silicon consumption, which cost alone is worth 60% of the total cost of a first generation solar panel. Within the context of this PhD thesis, a pioneer seed exfoliation method was implemented. This method use the defects induced by hydrogen implantation to guide a stress-induced spalling process. This method has allowed the exfoliation of 710nm-thick crystalline silicon seeds. These seeds will then be used for the growth of crystalline silicon layers of any desired thickness, hence a totally kerf-free method. This thesis work presents the steps leading to the implementation of this process: firstly, the state of the art of ultra-thin films exfoliation methods is reviewed, which guided us towards the use of hydrogen implantation as a crack guide. Then, different ultra-thin seeds exfoliation processes were tried and characterized, specifically by SEM, TEM, AFM and XRD. In the right conditions of bonding and defects growth, ultra-thin silicon seeds were successfully exfoliated. The growth and crystallization of amorphous silicon layers on these seeds were then studied. Finally, several exfoliated layers were used for the production of prototype solar cells.

Dans la réalisation de nouveaux composants innovants de la spintronique, de grands espoirs sont placés sur les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS). L’enjeu technologique est de développer des matériaux ayant à la fois des propriétés semi-conductrices et ferromagnétiques. Le but de ce travail est de réaliser une étude nanostructurale et magnétique détaillée du système Fe :SiC candidat prometteur pour devenir un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante. Cependant les propriétés magnétiques du matériau (6H-SiC) implanté avec des métaux de transitions (MT) dépendent fortement de sa microstructure (concentration et nature du dopant, précipitation du dopant…). Afin d’appréhender l’ensemble des propriétés nanostructurales et magnétiques, nous avons étudié le système Fe :SiC à l’échelle de l’atome en utilisant la sonde atomique tomographique (SAT) couplée à la spectrométrie Mössbauer 57Fe. Des monocristaux 6H-SiC (0001) de type p et n (~10+18/cm3) ont été multi-implantés en 56Fe et 57Fe à différentes énergies et différentes fluences conduisant à une concentration atomique de (6% et 4%) de 20 à 120 nm de la surface. Dans le cadre de ce travail, nous avons pu suivre l’effet de la nanostructure du système Fe :SiC en fonction de la concentration de fer et des températures d’implantation et de recuit. Nous avons établi de nouveaux résultats : nature et dimension des nanoparticules, évaluation précise du nombre d’atomes de fer dilué dans la matrice SiC. Les différentes contributions ferromagnétiques et paramagnétiques sont identifiées et clairement expliquées grâce au couplage de techniques expérimentales comme la SAT, la spectrométrie Mössbauer, la magnétométrie SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Nous avons réussi à déterminer des conditions optimales pour l’obtention d’un DMS à température ambiante. En effet dans les échantillons implantés 4% Fe à 380°C, plus de 90% des atomes de Fe sont dilués. Ces atomes de Fe dilués contribuent majoritairement aux propriétés ferromagnétiques mesurées par SQUID et par spectrométrie Mössbauer à 300 K. Ces différents résultats expérimentaux mettent en lumière la possibilité de réalisation d’un nouveau (DMS) à température ambiante / Great hopes are placed on diluted magnetic semiconductors (DMS) for new components of spintronics. The challenge is to develop materials with both semiconducting and ferromagnetic properties. The aim of this work is to carry out a detailed nanostructural and magnetic study of the Fe: SiC candidate promising system to become a magnetic semiconductor diluted at room temperature. However, the magnetic properties observed in (6H-SiC) implanted with transition metals (TM) depend strongly on the material microstructure (content and nature of the dopant, precipitation of the dopant, etc.). In order to understand all the nanostructural and magnetic mechanisms, we studied the Fe: SiC system at the atomic scale using atom probe tomography (APT) and Mössbauer spectrometry. p and n single crystalline 6H-SiC near (0001)-oriented samples were submitted to multi-step implantations with 56Fe and 57Fe ions at different energies and fluences leading to an iron concentration (Cat =6 and 4%) at a depth between 20 nm and 120 nm from the sample surface. In this work, we were able to follow the effect of the nanostructure of the Fe: SiC system as a function of the iron concentration and the temperatures of implantations and annealing. We have established new results: nature and size of the nanoparticles, precise evaluation of the number of iron atoms diluted in the SiC matrix. The ferromagnetic and paramagnetic contributions are identified and clearly explained by the coupling of experimental techniques such as APT, Mössbauer spectrometry, SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetometry. We were able to put the material in optimal conditions for obtaining a DMS at room temperature. Indeed, the implanted samples (4% Fe) at 380°C more than 90% Fe atoms were distributed homogeneously. These Fe atoms are the main source of the ferromagnetic properties measured by SQUID and Mössbauer spectrometry at 300 K. These experimental results highlight the possibility of obtaining a new (DMS) at room temperature.

Ce travail de thèse porte sur l’étude du carbure de silicium, dopé avec du fer dans le but de réaliser un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante pour des applications à la spintronique. Le dopage en fer a été réalisé par implantation ionique de type multi-énergie (30 - 160 keV) à différentes fluences, conduisant à une concentration atomique constante de 2 % de 20 à 100 nm. Il a été suivi d’un recuit à haute température dans le but d’homogénéiser la concentration en dopants. Les implantations se sont déroulées à une température de 550 °C. L’optimisation des propriétés magnétiques et électroniques du SiC–Fe, de même que la compréhension des mécanismes physiques à l’origine du magnétisme induit, ont nécessité une caractérisation poussée de la microstructure des matériaux implantés. Les objectifs de ce travail ont été d’une part, de réaliser une étude à l’échelle atomique de la nanostructure en fonction des conditions d’implantations (température, fluence) et des traitements thermiques post-implantation, et d’autre part, de déterminer les propriétés magnétiques des matériaux implantés. Dans ce travail, nous avons montré par Sonde Atomique Tomographique, la présence de nanoparticules dont la taille moyenne augmente avec la température de recuit. La cartographie chimique des nanoparticules a permis de révéler l’existence de phases riches en Fe pour les échantillons recuits. L’étude magnétique (spectrométrie Mössbauer et Squid) a montré que la contribution ferromagnétique est due principalement aux nanoparticules magnétiques et/ ou aux atomes de fer magnétiques dilués dans la matrice. La corrélation entre les propriétés structurale et magnétique a permis de montrer que les atomes de fer dilués dans la matrice et substitués sur sites de silicium contribuent au signal ferromagnétique en dessous de 300 K. Nous avons donc montré dans ce travail, que la taille et la nature des phases présentes dans les nanoparticules dépendent des conditions d’implantation et des températures de recuit et qu’il est nécessaire de recuire les échantillons à haute température pour faire apparaître un ordre ferromagnétique. / This PhD thesis focuses on the study of SiC, doped with Fe in order to elaborate a diluted magnetic semiconductor at room temperature for spintronic applications. The iron doping was carried out by ion implantation of multi-energy type (30-160 keV) at different fluences, leading to a 2% constant atomic concentration between 20 to 100 nm, followed by a high temperature annealing in the goal of homogenizing the dopant concentration. The implantation temperature during this process is 550 °C, in order to avoid amorphization. The optimization of the magnetic and electronic properties of SiC-Fe, as well as the understanding of the physical mechanisms at the origin of induced magnetism, require a thorough characterization of the microstructure of the implanted materials. The objectives of this work are, on the one hand, to carry out an atomic scale study of the nanostructure according to the implantation conditions (temperature, fluence) and the post-implantation annealing and the other hand, to characterize the magnetic properties of implanted materials. In this work, we have shown by atom probe tomographic, the existence of nanoparticles whose the average size increases with the annealing temperature. The chemical mapping of the nanoparticles shows the presence of the Fe-rich phases for the annealed samples. Magnetic study (Mössbauer spectrometry and Squid) shows the ferromagnetic contribution is due to the magnetic nanoparticles and/or the diluted Fe atoms in the matrix. The correlation between structural and magnetic properties allowed showing that diluted Fe atoms and substitute to Si sites contribute to the ferromagnetic contribution below 300 K. In coupling many characterization techniques in order to give a detailed description of the different studied samples, we have shown that the size and nature of the phase present in the nanoparticles depend on the implantation conditions and the annealing temperatures and consequently it is necessary to anneal our samples at high temperature to reveal ferromagnetic order.

Les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si atteignent un rendement record de 24.7% en laboratoire. La passivation de la surface du c-Si est la clé pour obtenir de hauts rendements. En effet, la brusque discontinuité de la structure cristalline à l'interface amorphe/cristal induit une forte densité de liaisons pendantes créant une grande densité de défauts dans la bande interdite. Ces défauts sont des centres de recombinaison pour les paires électron-trou photogénérées dans le c-Si. Différentes couches diélectriques peuvent être utilisées pour passiver les wafers dopés n et dopés p : (i) le SiO₂ réalisé par croissance thermique, (ii) l’Al₂O₃ déposé par ALD, (iii) le a-SiNₓ:H et l’a-Si:H déposés par PECVD. La couche de passivation la plus polyvalente est a Si:H puisqu’elle peut passiver aussi bien les wafers dopés n que ceux dopés p. De plus sa production est peu coûteuse en énergie car sa croissance est réalisée à une température d’environ 200°C. L’inconvénient de cette couche de passivation est que lorsqu’elle est dopée p elle ne supporte pas des températures supérieures à 200°C, en raison de l’exodiffusion des atomes d’hydrogène qu’elle contient. Cependant, afin d'avoir un bon contact électrique, TCO et électrodes métalliques, il est souhaitable de recuire à plus haute température (entre 300°C et 500°C). Nous avons implanté des ions Argon de façon contrôlée dans des précurseurs de cellules solaires à des énergies comprises entre 1 et 30 keV, pour contrôler la profondeur à laquelle nous créons les défauts. En variant la fluence entre 10¹² Ar.cm⁻² et 10¹⁵ Ar.cm⁻² nous contrôlons la concentration de défauts créés. Nous montrons qu’une implantation à une énergie de 5 keV avec une fluence de 10¹⁵ Ar.cm⁻² n’est pas suffisante pour endommager l’interface a-Si:H/c-Si. La durée de vie effective des porteurs minoritaires mesurée par photoconductance (temps de décroissance de la photoconductivité) passe de 3 ms à 2,9 ms après implantation. En revanche les implantations à 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² ou à 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² sont suffisantes pour dégrader la durée de vie effective de plus de 85%. Suite aux implantations les cellules solaires ont subi des recuits sous atmosphère contrôlée à différentes températures et ce jusqu’à 420°C. Nous avons découvert que le recuit permet de guérir les défauts introduits par l’implantation. Mais surtout, dans certains cas, d’obtenir des durées de vie après implantation et recuit supérieures aux durées de vies initiales. En combinant l’implantation ionique et les recuits, nous conservons de bonnes durées de vies effectives des porteurs de charges (supérieures à 2 ms) même avec des recuits jusqu’à 380°C. Nous avons utilisé une grande variété de techniques telles que la photoconductance, la photoluminescence, l’ellipsométrie spectroscopique, la microscopie électronique en transmission, la Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires, la spectroscopie Raman et l’exodiffusion de l’hydrogène pour caractériser et analyser l’ensemble des résultats et phénomènes physico-chimique intervenant dans la modification des précurseur de cellules solaires. Nous discutons ici de plusieurs effets tels que l’augmentation de la durée de vie et la tenue en température par la conservation de l’hydrogène dans la couche de silicium amorphe et ceci même après les recuits. Cette conservation peut s’expliquer par l’augmentation du nombre de liaisons Si-H au sein du silicium amorphe et par la formation de cavités lors de l’implantation. Durant les recuits l’hydrogène qui diffuse est piégé puis libéré par les cavités et/ou les liaisons pendantes, ce qui limite son exo-diffusion et le rend de nouveau disponible pour la passivation des liaisons pendantes. / A-Si:H/c-Si heterojunction solar cells have reached record efficiencies of 24.7%. The passivation of c-Si is the key to achieve a high-efficiency. Indeed, the abrupt discontinuity in the crystal structure at the amorphous/crystal interface induces a high density of dangling bonds creating a high density of defects in the band gap. These defects act as recombination centers for electron-hole pairs photogenerated in c-Si. Several dielectric layers can be used to passivate n-type and p-type wafers: (i) SiO₂ produced by thermal growth, (ii) Al₂O₃ deposited by ALD, (iii) a-SiNₓ:H and a-Si:H deposited by PECVD. The most versatile passivation layer is a-Si: H because it is effective for both p-type and n-type wafers. In addition, this process has a low thermal budget since the deposition is made at 200°C. The drawback of this passivation layer, in particular when p-type doped, is that it does not withstand temperatures above 200°C. However, in order to have a good electrical contact, TCO and metal electrodes require high temperature annealing (between 300°C and 500°C).We implanted Argon ions in solar cell precursors with energies between 1 and 30 keV, which allows to control the depth to which we are creating defects. By varying the fluence between 10¹² Ar.cm⁻² and 10¹⁵ Ar.cm⁻² we control the concentration of defects. We show that implantation with an energy of 5 keV and a fluence of 10¹⁵ Ar.cm⁻² is not sufficient to damage the a-Si:H/c-Si interface. The effective lifetime of the minority charge carriers, measured using a photoconductance technique (decay time of photoconductivity), decreases only from 3 ms to 2.9 ms after implantation. On the other hand the implantations at 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² or at 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² are sufficient to degrade the effective lifetime by more than 85%.Following implantation the solar cells have been annealed in a controlled atmosphere at different temperatures and this up to 420°C. We show that annealing can heal the implantation defects. Moreover, under certain conditions, we obtain lifetimes after implantation and annealing greater than the initial effective lifetime. Combining ion implantation and annealing leads to robust passivation with effective carrier lifetimes above 2 ms even after annealing our solar cell precursors at 380°C. We used a large variety of techniques such as photoconductance, photoluminescence, spectroscopic ellipsometry, Transmission Electron Microscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry, Raman spectroscopy and hydrogen exodiffusion to characterize and analyze the physico-chemical phenomena involved in the modification of solar cells precursors. We discuss here several effects such as the increase of the effective lifetime and the temperature robustness by the preservation of hydrogen in amorphous silicon layer and this even after annealing. This hydrogen preservation can be explained by the increase of the number of Si–H bonds in amorphous silicon and the formation of cavities during implantation. In the course of annealing the hydrogen which diffuses is trapped and then released by cavities and dangling bonds, which limits its exodiffusion and makes it available for dangling bonds passivation.

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern über raumladungszonenspektroskopische Methoden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Detektion von elektronisch und optisch aktiven Defektzuständen in solchen Materialien. Die Experimente wurden exemplarisch an dem II-VI Halbleiter Zinkoxid (ZnO) durchgeführt, welcher inform von Volumenkristallen, Mikronadeln und Dünnfilmen zur Verfügung stand. Raumladungszonen wurden über Schottky-Kontakte realisiert. Nach einer Einführung in die Theorie der Raumladungszonenspektroskopie wird ein Überblick über Defekte in verschiedenartig gezüchteten ZnO gegeben. Dazu werden die Standardverfahren Strom-Spannungs-Messung, Kapazitäts-Spannungs-Messung, Thermische Admittanz- Spektroskopie (TAS) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) verwendet. Ergänzend wurden die auf weitbandlückige Halbleiter ausgelegten Verfahren Low Rate Deep Level Transient Spectroscopy (LR-DLTS) und Deep Level Optical Spectroscopy (DLOS) eingesetzt, mit welchen es möglich ist Defektzustände in der gesamten Bandlücke von ZnO nachzuweisen. Für die untersuchten Störstellenniveaus konnten somit die thermische Aktivierungsenergie, Einfangquerschnitte freier Ladungsträger und Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Typischerweise werden tiefe Defekte durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen erzeugt. Derartige Behandlungen wurden an binären ZnO- und ternären (Mg,Zn)ODünnfilmen durchgeführt, wobei die Generationsrate eines Defektes über Variation der verwendeten Strahlungsdosis bestimmt wurde. Ionenimplantationen spielen eine große Rolle im Herstellungsprozess von Bauelementen, sind jedoch für ZnO nicht etabliert. Die Auswirkung der Implantation von inerten Argon-Ionen, sowie die nachträgliche thermische Behandlung auf die Konzentration intrinsischer Defekte wurde untersucht. Zink- und Sauerstoff-Implantationen bewirken, neben der Generation von Defekten, eine lokale Änderung der Stöchiometrie. Durch einen Vergleich der Defektkonzentrationen nach Zn-, O-, Ne- und Ar-Implantation können Rückschlüsse auf die chemische Natur intrinsischer Defekte geschlossen werden.:1 Einleitung I Grundlagen 2 Elektronische Eigenschaften von Defekten in Halbleitern 2.1 Typen und Klassifizierung von Defekten 2.2 Lokalisierte Zustände in Halbleitern 2.2.1 Donatoren und Akzeptoren 2.2.2 Flache Defekte und effektive Masse-Näherung 2.2.3 Tiefe Defekte 2.3 Besetzungsstatistik und Ratengleichungen 2.3.1 Thermische Emission 2.3.2 Optische Emission 2.3.3 Nichtstrahlender Einfang und Multiphononen Emission 2.3.4 Arrhenius Auswertung 2.3.5 Zeitentwicklung des Besetzungsgrades 3 Raumladungszonenspektroskopie 3.1 Metall-Halbleiter-Kontakte 3.2 Kapazitätstransienten 3.3 Kapazitäts-Spannungs-Messungen (C(U)) 3.4 Thermische Admittanz Spektroskopie (TAS) 3.5 Deep level transient spectroscopy (DLTS) 3.6 Konzentrationsbestimmung 3.7 Laplace-Deep level transient spectroscopy (LDLTS) 3.7.1 Entstehung des LDLTS-Signals 3.7.2 Einschränkungen der Methode 3.8 Deep level optical spectroscopy (DLOS) 4 Die Halbleiter ZnO und MgZnO 4.1 Kristallstruktur und Gitterparameter 4.2 Bandstruktur 4.3 ZnO als transparentes leitendes Oxid 4.4 Defekte in ZnO 5 Probenherstellung und Charakterisierung 5.1 ZnO-Züchtung 5.1.1 ZnO-Volumenkristalle 5.1.2 ZnO-Dünnfilme 5.2 Kathodenzerstäubung 5.3 Protonenbestrahlung und Ionenimplantation 5.3.1 Bremsquerschnitt 5.3.2 Protonenbestrahlung 5.3.3 Ionenimplantation 5.4 Probenaufbau und Schottky-Kontakte 5.5 Raumladungszonenspektroskopie-Messplatz 5.6 Rasterkraftmikroskopie 5.7 Kelvinsondenkraftmikroskopie 5.8 Röntgendiffraktometrie 5.9 Photolumineszenzspektroskopie II Charakterisierung züchtungsinduzierter Defekte 6 Defekte in ZnO-Volumenkristallen und -Dünnfilmen 6.1 Elektrische Eigenschaften 6.2 Thermische Admittanz-Spektroskopie 6.3 Deep-level transient spectroscopy 6.4 E3 und E3’ in ZnO Dünnfilmen 6.4.1 Low Rate – DLTS 6.4.2 Laplace-DLTS 6.4.3 thermisch aktivierter Einfang von E3’ 6.5 Einfluss thermischer Nachbehandlung 6.6 Einfluss der Züchtungstemperatur 6.7 Die Meyer-Neldel Regel 6.8 E7, TH1 und T4 in ZnO – DLOS 6.8.1 Raumtemperatur DLOS des ZnO-Volumenkristall 6.8.2 Raumtemperatur DLOS des ZnO-Dünnfilm 6.8.3 DLOS-Messungen bei tiefen Temperaturen 6.9 Optische Anregung von E3’ in ZnO-Dünnfilmen 7 Defekte in (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 7.1 (Mg,Zn)O-Dünnfilme auf a-Saphir 7.2 Photolumineszenz 7.3 XRD 7.4 DLTS-Untersuchungen 7.5 E3 in verspannten (Mg,Zn)O-Filmen 7.6 DLOS – T4 und TH1 in (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 7.7 Zusammenfassung 8 Einfluss der Wachtumsorientierung auf die Defektstruktur von ZnO-Dünnfilmen 8.1 ZnO-Dünnfilme auf a-, m- und r-Saphir 8.2 Strukturelle Eigenschaften 8.3 Photolumineszenz 8.4 Elektrische Eigenschaften 8.5 Defektsignaturen III Charakterisierung strahlungsinduzierter Defekte 9 Protonenbestrahlung an (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 9.1 Der E4-Defekt in ZnO – Stand der Literatur 9.2 E4 in polaren (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 9.2.1 Probenaufbau und Protonenbestrahlung 9.2.2 Elektrische Eigenschaften 9.2.3 DLTS-Untersuchungen 9.3 E4 in unpolaren ZnO-Dünnfilmen 9.4 Zusammenfassung 10 Defekte in Argon-implantierten ZnO-Dünnfilmen 10.1 Probenstruktur und Ionenimplantation 10.2 Thermische DLTS 10.3 DLTS mit monochromatischer Anregung 11 Defekte in Zn- und O-implantierten ZnO-Dünnfilmen 11.1 Proben und Ionenimplantation 11.2 Nettodotierkonzentration 11.3 Thermische DLTS 11.4 DLOS 11.5 Defekte mit geringen Konzentrationen – E470 und E390 12 Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Ionenimplantation auf die Materialeigenschaften verschiedener magnetischer Probensysteme. Durch die Implantation mit Ionen kann man auf vielfältige Art und Weise die Eigenschaften von magnetischen Materialien modifizieren und maßschneidern, so zum Beispiel die Sättigungsmagnetisierung und die magnetische Anisotropie. Aus der Untersuchung von drei verschiedenen Probensystemen ergibt sich die Dreigliederung des Ergebnisteils. Im ersten Teil der Arbeit, dem Hauptteil, wird die Strukturierung von Permalloyschichten durch Ionen und der Einfluss auf den anisotropen Magnetowiderstand (AMR) untersucht. Der AMR ist direkt abhängig von der Ausrichtung der Magnetisierung eines Materials zum angelegten Strom. Um die Magnetisierungsrichtung sichtbar zu machen wurde ein Kerrmikroskop benutzt. Dieses wurde im Rahmen dieser Arbeit technisch erweitert um gleichzeitig auch den AMR messen zu können. Damit war es erstmalig möglich den AMR und die magnetischen Domänenkonfigurationen direkt zu vergleichen. Durch eine weitere Modifikation des Kerrmikrosops ist es möglich quantitative Bilder eines kompletten Ummagnetisierungsvorganges zu messen. Es konnte gezeigt werden, dass der berechnete AMR des Bildausschnittes mit dem gemessenen übereinstimmt. Der AMR ist abhängig von der Streifenbreite, der Streifenausrichtung zum Strom, der Stärke der induzierten Anisotropie, dem angelegten Feldwinkel und der Sättigungsmagnetisierung. Im Fall von schmalen Streifen führt das zweistufige Schalten zu einem AMR-Maximum, wenn die Streifen mit der niedrigeren Sättigungsmagnetisierung geschaltet haben. Das Zusammensetzen der Streifenstruktur ermöglicht es den AMR gezielt zu manipulieren. Bei geringer induzierter Anisotropie sind verschiedene komplexe Domänen messbar, welche sich in einem asymmetrischen AMR widerspiegeln. So kann der AMR auf vielfältige Weise manipuliert und deren Abhängigkeit von den magnetischen Domänen mittels Kerrmikroskopie gemessen werden. Im zweiten Teil wurde die Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation in einem Speichermedium untersucht. Hierbei handelt es sich um eine Kooperation mit Peter Greene (University of California Davis) und Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). Nachdem die Ionenverteilung in dem Material mit TRIDYN simuliert wurde, erfolgte eine Implantation in die oberen Schichten der Co/Pd Multilagen. Dieses hat eine Veränderung der magnetischen Anisotropie zur Folge. Die Ummagnetisierungskurven sind mit dem polaren magnetooptische Kerreffekt (polaren MOKE) und Vibrationsmagnetometrie vermessen worden. Außerdem fand eine Strukturanalyse mit Röntgenreflektrometrie und Röntgendiffraktometrie statt. Die abschließende Beurteilung des Schaltverhaltens erfolgte durch die Auswertung der Ummagnetisierungskurven erster Ordnung. Es ist uns gelungen die oberen Schichten durch die Implantation weichmagnetisch zu machen. Die darunterliegenden Schichten sind noch hartmagnetisch und das Material zeigt textit{exchange spring} Verhalten. Es erfüllt somit die Voraussetzungen, um als Speichermedium genutzt zu werden. Damit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass man mit Ionenimplantation einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium erzeugen kann und dadurch das gewünschte Schaltverhalten erzeugt. Im dritten Teil, in einem Projekt mit Björn Obry (TU Kaiserslautern), geht es um die Erzeugung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls durch die Ionenimplantation in Permalloy. Zur Herstellung des Spinwellenleiters und des magnonischen Kristalls macht man sich die lokale Reduzierung der Sättigungsmagnetisierung durch die Implantation zu nutze. Es wurden Messungen mit dem polaren MOKE gemacht. Die Spinwellencharakterisierung ist mit dem Brillouin-Lichtstreumikroskop durchgeführt worden. Es war möglich die Ionenimplantation zur Herstellung eines magnonischen Kristalls und eines Spinwellenleiters zu nutzen. Das Verändern von magnetischen Materialeigenschaften durch Implantation eröffnet somit verschiedene Möglichkeiten. Mit Ionenimplantation kann man Permalloy so strukturieren, dass man den AMR gezielt manipulieren kann. Außerdem wurde Ionenimplantation genutzt um einen Anisotropiegradienten in einem Speichermedium zu erzeugen. Durch diesen Anisotropiegradient konnte das Schaltverhalten gezielt modifiziert werden. Mit Hilfe von Ionenimplantation kann man auch ein magnonisches Kristall und einen Spinwellenleiter herstellen.:Kurzfassung Abstract 1 Einführung 2 Grundlagen 2.1 Ferromagnetismus 2.2 Magnetische Domänen 2.3 Magnetooptischer Kerr-Effekt 2.4 Anisotroper Magnetowiderstand 2.5 TRIDYN 2.6 Spinwellen in magnonischen Kristallen 2.7 Brillouin-Lichtstreuung 3 Experimentelle Details 3.1 Duale Kerrmikroskopie mit gleichzeitiger Widerstandsmessung 3.1.1 Realisierung von Kerrmikroskopie mit simultaner Widerstandsmessung 3.1.2 Erweiterung zur dualen Kerrmikroskopie 3.2 Berechnung des Magnetowiderstandes 3.3 Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) 3.4 Vibrationsmagnetometrie (VSM) 3.5 Röntgendiffraktometrie (XRD) 3.6 Röntgenreflektometrie (XRR) 3.7 Ummagnetisierungskurven erster Ordnung (FORC) 3.8 Brillouin-Lichtstreumikroskopie (BLS) 4 Anisotroper Magnetowiderstand in Hybridproben 4.1 Herstellung magnetischer Hybridproben durch Implantation 4.2 AMR von unstrukturiertem Permalloy mit induzierter Anisotropie 4.3 Modifikation des AMR durch Strukturierung 4.3.1 Streifenstrukturen senkrecht zur Stromrichtung 4.3.2 Zusammengesetze Streifenstruktur senkrecht und parallel zur Strom- richtung 4.3.3 Abhängigkeit des AMR von der Streifenbreite bei zusammengesetz- ten Streifenstrukturen 4.4 Einfluss der reduzierten Sättigungsmagnetisierung auf den AMR 4.5 Einfluss der Anisotropien auf den AMR 4.6 Nutzung der AMR Berechnung zur gezielten Manipulation des Widerstandes 4.7 Abhängigkeit des AMR vom Feldwinkel 5 Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation 5.1 Herstellung eines senkrecht zur Ebene magnetisierten Materials 5.2 Simulation der Eindringtiefe der Ionen mit TRIDYN 5.3 Messungen der Rauigkeit 5.4 Messungen des Ummagnetisierungsverhalten 5.5 Domänenbetrachtung und Schaltfeldverteilung 6 Magnetisierungsveränderung durch Ionenimplantation 6.1 Herstellung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls 6.2 Messungen der Sättigungsmagnetisierung 6.3 Messungen der Spinwellenfrequenz 7 Zusammenfassung 8 Anhang Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung / This thesis deals with magnetic modification of ferromagnetic films by ion implantation, such as induced changes of the magnetic anisotropy and changes in the saturation magnetization. Three different sample structures were investigated. Therefore the result section is divided into three parts. The influence of ion induced magnetic patterning on the anisotropic magnetoresistance (AMR) is investigated in the first part. The AMR directly depends on the angle between the applied current and the magnetization of the material. To investigate this relationship a Kerr microscopy,for observing the magnetic domains was combined with resistance measurements. The measurements were performed on stripe patterned permalloy samples. This is the main part of the thesis. The creation of an anisotropy gradient in a storage media by ion implantation is the topic of the second part. It was a collaborative project with Peter Greene (University of California Davis) and Elke Arenholz (Lawrence Berkeley Laboratory). The goal was to create a magnetic anisotropy gradient by introducing ions in the upper layer of the Co/Pd- multilayer. After TRIDYN simulations of the ion distribution, the implantation was performed and the magnetization curves were measured with polar magneto-optical Kerr effect and vibrating sample magnetometry. In addition to this, structural characterization was carried out by x-ray reflection and x-ray diffraction measurements. For the final determination of the switching behavior first order reversal curves were analyzed. The aim of the third part was to create a spin wave guide and a magnonic crystal by local ion implantation. In this project with Björn Obry (TU Kaiserslautern) the characteristic of the ions to reduce the saturation magnetization in permalloy was used and the effect on the spin wave propagation was analyzed. Polar MOKE was performed to determine the saturation magnetization. Brillouin light scattering microscopy was used to analyze the spin wave behavior inside the material.:Kurzfassung Abstract 1 Einführung 2 Grundlagen 2.1 Ferromagnetismus 2.2 Magnetische Domänen 2.3 Magnetooptischer Kerr-Effekt 2.4 Anisotroper Magnetowiderstand 2.5 TRIDYN 2.6 Spinwellen in magnonischen Kristallen 2.7 Brillouin-Lichtstreuung 3 Experimentelle Details 3.1 Duale Kerrmikroskopie mit gleichzeitiger Widerstandsmessung 3.1.1 Realisierung von Kerrmikroskopie mit simultaner Widerstandsmessung 3.1.2 Erweiterung zur dualen Kerrmikroskopie 3.2 Berechnung des Magnetowiderstandes 3.3 Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) 3.4 Vibrationsmagnetometrie (VSM) 3.5 Röntgendiffraktometrie (XRD) 3.6 Röntgenreflektometrie (XRR) 3.7 Ummagnetisierungskurven erster Ordnung (FORC) 3.8 Brillouin-Lichtstreumikroskopie (BLS) 4 Anisotroper Magnetowiderstand in Hybridproben 4.1 Herstellung magnetischer Hybridproben durch Implantation 4.2 AMR von unstrukturiertem Permalloy mit induzierter Anisotropie 4.3 Modifikation des AMR durch Strukturierung 4.3.1 Streifenstrukturen senkrecht zur Stromrichtung 4.3.2 Zusammengesetze Streifenstruktur senkrecht und parallel zur Strom- richtung 4.3.3 Abhängigkeit des AMR von der Streifenbreite bei zusammengesetz- ten Streifenstrukturen 4.4 Einfluss der reduzierten Sättigungsmagnetisierung auf den AMR 4.5 Einfluss der Anisotropien auf den AMR 4.6 Nutzung der AMR Berechnung zur gezielten Manipulation des Widerstandes 4.7 Abhängigkeit des AMR vom Feldwinkel 5 Erzeugung eines Anisotropiegradienten durch Ionenimplantation 5.1 Herstellung eines senkrecht zur Ebene magnetisierten Materials 5.2 Simulation der Eindringtiefe der Ionen mit TRIDYN 5.3 Messungen der Rauigkeit 5.4 Messungen des Ummagnetisierungsverhalten 5.5 Domänenbetrachtung und Schaltfeldverteilung 6 Magnetisierungsveränderung durch Ionenimplantation 6.1 Herstellung eines Spinwellenleiters und eines magnonischen Kristalls 6.2 Messungen der Sättigungsmagnetisierung 6.3 Messungen der Spinwellenfrequenz 7 Zusammenfassung 8 Anhang Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Danksagung

This report collects selected outstanding scientific and technological results obtained within the frame of the European project "FLASiC" (Flash LAmp Supported Deposition of 3C-SiC) but also other work performed in adjacent fields. Goal of the project was the production of large-area epitaxial 3C-SiC layers grown on Si, where in an early stage of SiC deposition the SiC/Si interface is rigorously improved by energetic electromagnetic radiation from purpose-built flash lamp equipment developed at Forschungszentrum Rossendorf. Background of this work is the challenging task for areas like microelectronics, biotechnology, or biomedicine to meet the growing demands for high-quality electronic sensors to work at high temperatures and under extreme environmental conditions. First results in continuation of the project work – for example, the deposition of the topical semiconductor material zinc oxide (ZnO) on epitaxial 3C-SiC/Si layers – are reported too.

Magnetic vortices are fundamental topologically protected magnetic structures which have evolved into a large and intense field of research and hold promise for future technological applications. The fundamental frequency of the magnetic vortex in a disk is directly proportional to the magnitude of the local saturation magnetization and individual sample design resulting in a single vortex precession frequency. Commercial applications like RF oscillators in wireless transmitters and receivers, however, require tuning of the output frequency by external parameters, such as applied fields or spin-polarized currents. It is shown here that the limited tunability of a magnetic vortex in a permalloy disk can be lifted when submitted to local chromium ion implantation by introducing areas in the disk with different saturation magnetization. A static magnetic field is applied to displace the vortex core between these two regions to enable detection of different frequencies corresponding to the respective regions. This realization of multiple resonance frequencies in one and the same magnetic disk is shown experimentally via electrical detection exploiting anisotropic magnetoresistance effects and the results are supported by micromagnetic simulations. In the experiments presented here, the gyrotropic mode is excited at resonance with spin-polarized alternating currents. Systematic investigations (in terms of excitation amplitude, external static field amplitude, angle between static field and current) on the disks without chromium ion implantation clearly indicate that the vortex core is driven by a combination of Oersted field and spin-torque. These measurements also help to identify the linear and non-linear regions of vortex dynamics electrically on single disks. The results shown in this work pave the way for enabling highly tuneable wireless transmitters and receivers based on magnetic vortex structures.

Nous avons observé une augmentation ‘’transient’’du taux de cristallisation interfacique de l’a-Si lorsqu’on réimplante du Si à proximité de l’interface amorphe/cristal. Après amorphisation et traitement thermique à 650°C pendant 5s de la couche a-Si crée par implantation ionique, une partie a été réimplantée. Les défauts produits par auto-réimplantation à 0.7MeV se trouvent à (302±9) nm de l’interface initiale. Cela nous a permis d’étudier d’avantage la variation initiale de la vitesse SPE (Épitaxie en phase solide). Avec des recuit identiques de 4h à 500°C, nous avons déterminé les positions successives des interfaces et en déduit les taux de cristallisation SPE. La cristallisation débute à l’interface et continue graduellement vers la surface. Après le premier recuit, (252±11) nm s’est recristallisé dans la zone réimplantée soit un avancement SPE de 1.26x10^18at./cm2. Cette valeur est environ 1.50 fois plus importante que celle dans l’état relaxé. Nous suggérons que la présence de défauts à proximité de l’interface a stimulé la vitesse initiale. Avec le nombre de recuit, l’écart entre les vitesses diminue, les deux régions se cristallisent presque à la même vitesse. Les mesures Raman prises avant le SPE et après chaque recuit ont permis de quantifier l’état de relaxation de l’a-Si et le transfert de l’état dé-relaxé à relaxé. / We observed a ‘’transient’’ increase of planar crystallization rate of a-Si when one reimplanted Si near the interface amorphous / crystal. After amorphization and heat treatment at 650°C for 5s, one part has been re-implanted. The defects produced at 0.7 MeV by self-re-implantation are located at (302±9) nm of the initial interface. This allows us to better study the initial variation of SPE speed (solid phase epitaxy). With recrystallisation anneals at 500±4°C for 4h, we have determined the successive positions of the interfaces and have deduced the SPE recrystallization rate. Crystallization began at the interface and continues gradually to the surface. After the first annealing, (252±11)nm was recrystallized in the re-implanted state. That means 1.26x10^18at./cm2 SPE enhancement. This value is approximately 1.50 times greater than that in the relaxed state. We suggest that the presence of defects near the interface stimulate the speed. Raman measurements taken after each annealing allowed us to know the transfer of the un-relaxed state to the relaxed state. After the number of anneals treatments, both areas progress almost at the same speed / Dans ce travail nous avons étudié le phénomène de diffusion du cuivre et de l’argent dans a-Si en présence de l’hydrogène à la température de la pièce et de recuit. Une couche amorphe de 0.9μm d’épaisseur a été produite par implantation de 28Si+ à 500 keV sur le c-Si (100). Après celle-ci, on procède à l’implantation du Cu et de l’Ag. Un traitement thermique a produit une distribution uniforme des impuretés dans la couche amorphe et la relaxation de défauts substantiels. Certains défauts dans a-Si sont de type lacune peuvent agir comme des pièges pour la mobilité du Cu et de l’Ag. L’hydrogène implanté après traitement thermique sert à dé-piéger les impuretés métalliques dans certaines conditions. Nous n’avons détecté aucune diffusion à la température de la pièce au bout d’un an, par contre un an après à la température de recuit (1h à 450°C) on observe la diffusion de ces métaux. Ce qui impliquerait qu’à la température de la pièce, même si l’hydrogène a dé-piégé les métaux mais ces derniers n’ont pas pu franchir une barrière d’énergie nécessaire pour migrer dans le réseau. / In this work we studied the diffusion phenomenon of copper and silver in a-Si in the presence of hydrogen at room temperature and annealing temperature. The 0.9 μm -thick a-Si layers were formed by ion implantation 28Si + at 500 keV on c-Si (100). After this Cu ions and Ag ions were implanted at 90keV.The heat treatment produces a uniform distribution of impurities in the amorphous layer and the relaxation of substantial defects. Vacancies defects in a-Si can act as traps for the mobility of Cu and Ag. Hydrogen implanted is used to de-trap metal impurities such as Cu and Ag. However we did not detect any diffusion at room temperature during 1 year, but after one year at the annealing temperature (450°C for 1h) we observe the distribution of these metals. Implying that the room at temperature, although the hydrogen de-trapping metals but they could not crossed an energy barrier required to migrate in the network.

Nous avons observé une augmentation ‘’transient’’du taux de cristallisation interfacique de l’a-Si lorsqu’on réimplante du Si à proximité de l’interface amorphe/cristal. Après amorphisation et traitement thermique à 650°C pendant 5s de la couche a-Si crée par implantation ionique, une partie a été réimplantée. Les défauts produits par auto-réimplantation à 0.7MeV se trouvent à (302±9) nm de l’interface initiale. Cela nous a permis d’étudier d’avantage la variation initiale de la vitesse SPE (Épitaxie en phase solide). Avec des recuit identiques de 4h à 500°C, nous avons déterminé les positions successives des interfaces et en déduit les taux de cristallisation SPE. La cristallisation débute à l’interface et continue graduellement vers la surface. Après le premier recuit, (252±11) nm s’est recristallisé dans la zone réimplantée soit un avancement SPE de 1.26x10^18at./cm2. Cette valeur est environ 1.50 fois plus importante que celle dans l’état relaxé. Nous suggérons que la présence de défauts à proximité de l’interface a stimulé la vitesse initiale. Avec le nombre de recuit, l’écart entre les vitesses diminue, les deux régions se cristallisent presque à la même vitesse. Les mesures Raman prises avant le SPE et après chaque recuit ont permis de quantifier l’état de relaxation de l’a-Si et le transfert de l’état dé-relaxé à relaxé. / We observed a ‘’transient’’ increase of planar crystallization rate of a-Si when one reimplanted Si near the interface amorphous / crystal. After amorphization and heat treatment at 650°C for 5s, one part has been re-implanted. The defects produced at 0.7 MeV by self-re-implantation are located at (302±9) nm of the initial interface. This allows us to better study the initial variation of SPE speed (solid phase epitaxy). With recrystallisation anneals at 500±4°C for 4h, we have determined the successive positions of the interfaces and have deduced the SPE recrystallization rate. Crystallization began at the interface and continues gradually to the surface. After the first annealing, (252±11)nm was recrystallized in the re-implanted state. That means 1.26x10^18at./cm2 SPE enhancement. This value is approximately 1.50 times greater than that in the relaxed state. We suggest that the presence of defects near the interface stimulate the speed. Raman measurements taken after each annealing allowed us to know the transfer of the un-relaxed state to the relaxed state. After the number of anneals treatments, both areas progress almost at the same speed / Dans ce travail nous avons étudié le phénomène de diffusion du cuivre et de l’argent dans a-Si en présence de l’hydrogène à la température de la pièce et de recuit. Une couche amorphe de 0.9μm d’épaisseur a été produite par implantation de 28Si+ à 500 keV sur le c-Si (100). Après celle-ci, on procède à l’implantation du Cu et de l’Ag. Un traitement thermique a produit une distribution uniforme des impuretés dans la couche amorphe et la relaxation de défauts substantiels. Certains défauts dans a-Si sont de type lacune peuvent agir comme des pièges pour la mobilité du Cu et de l’Ag. L’hydrogène implanté après traitement thermique sert à dé-piéger les impuretés métalliques dans certaines conditions. Nous n’avons détecté aucune diffusion à la température de la pièce au bout d’un an, par contre un an après à la température de recuit (1h à 450°C) on observe la diffusion de ces métaux. Ce qui impliquerait qu’à la température de la pièce, même si l’hydrogène a dé-piégé les métaux mais ces derniers n’ont pas pu franchir une barrière d’énergie nécessaire pour migrer dans le réseau. / In this work we studied the diffusion phenomenon of copper and silver in a-Si in the presence of hydrogen at room temperature and annealing temperature. The 0.9 μm -thick a-Si layers were formed by ion implantation 28Si + at 500 keV on c-Si (100). After this Cu ions and Ag ions were implanted at 90keV.The heat treatment produces a uniform distribution of impurities in the amorphous layer and the relaxation of substantial defects. Vacancies defects in a-Si can act as traps for the mobility of Cu and Ag. Hydrogen implanted is used to de-trap metal impurities such as Cu and Ag. However we did not detect any diffusion at room temperature during 1 year, but after one year at the annealing temperature (450°C for 1h) we observe the distribution of these metals. Implying that the room at temperature, although the hydrogen de-trapping metals but they could not crossed an energy barrier required to migrate in the network.