L'étude des premiers instants de la croissance par dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un précurseur métalorganique (MOCVD) de films de TiO2 sur Si(100) a été réalisée in situ par analyse de surfaces (XPS, ARXPS, AES). Un dispositif expérimental original a été conçu à cet effet et mis au point. Des caractérisations ex situ (HRTEM, SIMS, GIXRD...) ont complété les informations obtenues in situ.<br />La formation d'une couche interfaciale de SiOy<2, par interaction du précurseur Ti(OCH(CH3)2)4 avec le substrat, précède la formation de TiO2 et conduit à la présence de carbone à l'interface. La diffusion de silicium au sein de la couche superficielle de TiO2 a été constatée à la température de dépôt de 675 °C. Dès les premiers instants de la croissance, des cristallites de structure anatase et rutile se forment au sein de la couche de TiO2 amorphe. La croissance des grains de rutile s'arrête en cours de dépôt. Celle des grains d'anatase se poursuit sous forme de colonnes monocristallines.

Les objectifs de mon travail de thèse consistaient à approfondir la description nano-structurale des films ferroélectriques et de leurs interfaces. Pour cela nous avons appliqué les techniques de rayonnement synchrotron pour l'étude non-destructive de nano-structures et pour la caractérisation très fine des interfaces dans les multicouches d'oxydes. Les expériences de texture mettent en évidence la très bonne épitaxie des matériaux (BaTiO3/SrTiO3)n. Le long de l'axe de croissance, nous observons une modulation du réseau à grande distance. Cependant, en général, la couche reste cohérente (au sens de la diffraction X) sur seulement 30% de son épaisseur. De surcroît, Sr et Ba diffusent de façon significative aux interfaces. Les cartographies en diffraction asymétrique montrent que dans le plan du substrat, il y a un désaccord de maille couche/substrat, alors que les paramètres de maille dans le plan de chaque sous-couches SrTiO3 et BaTiO3 sont quasiment égaux. La microscopie électronique en transmission a montré la nécessité de prendre en compte l'asymétrie des profils structuraux/chimiques dans chaque couche. Ces images montre aussi l'évolution de la qualité structurale de ces empilements, de l'interface avec le substrat à la surface libre du superréseau. Dans le système (PbTiO3/BaTiO3)n, on montre que la contrainte est partiellement relaxée pour les films épais. L'inter-diffusion chimique Pb/Ba est très inférieure à celle obtenue dans le système Sr/Ba. La sous-couche PbTiO3 montre une orientation préférentielle des domaines, avec l'axe polaire "couché" dans le plan de croissance. Dans le système (La0,7Sr0,3MnO3/SrTiO3)n, nos mesures de réflectivité à bas angles ont montré la faible inter-diffusion et la faible rugosité chimique des interfaces. La diffraction à grand angles montre la haute qualité des interfaces structurales (avec notamment la présence d'oscillations de diffraction de Laue, en plus des satellites principaux). La modélisation indique une excellente cohérence de l'empilement et des interfaces abruptes.

Les interconnecteurs représentent une pièce maîtresse des piles à combustibles à oxyde solide (SOFC) car ils sont chargés de collecter et de délivrer les électrons produits lors de la réaction électrochimique du cœur de pile. Les matériaux d'interconnecteurs doivent donc être stables sous air et sous H2/H2O. Ce travail vise à étudier l'influence d'un mince revêtement d'oxydes d'éléments réactifs (La2O3, Y2O3) réalisé par MOCVD sur le comportement à haute température (800°C) de matériaux d'interconnecteurs métalliques, tels que les alliages Crofer22APU, Haynes230 et Fe30Cr. La réalisation de tests de longue durée (7 700 et 15 400 heures) s'est avérée être riche en enseignements. Le suivi cinétique, la caractérisation des couches d'oxyde et la détermination du paramètre ASR ont permis d'établir que la présence d'oxydes de type pérovskite (LaCrO3, YCrO3), formés lors de l'oxydation, permettaient d'améliorer sensiblement la conductivité électrique des matériaux d'interconnecteurs. Sous atmosphère anodique (H2/10%H2O), même si les éléments réactifs conservent leur effet bénéfique, les cinétiques de corrosion sont plus rapides. L'augmentation de la porosité de la couche, l'amélioration de l'adhérence et la diminution de la taille des grains d'oxyde portent à croire que la diffusion anionique devient prépondérante sous vapeur d'eau. Enfin, l'effet bénéfique d'une pré-oxydation courte à 1 000°C sur le comportement des alliages revêtus et non revêtus est établi. Des expériences de marquage isotopique sous 16O2/18O2 ont démontré que cette amélioration s'explique par un changement du mécanisme de diffusion, la pré-oxydation engendrant une diminution de la contribution cationique.

This work presents the development of a GaN-based dilute magnetic semiconductor (DMS) by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) that is ferromagnetic at room temperature (RT), electrically conductive, and possesses magnetic properties that can be tuned by n- and p-doping. The transition metal series (TM: Cr, Mn, and Fe) along with the rare earth (RE) element, Gd, was investigated in this work as the magnetic ion source for the DMS. Single- phase and strain-free GaTMN films were obtained. Optical measurements revealed that Mn is a deep acceptor in GaN, while Hall measurements showed that these GaTMN films were semi-insulating, making carrier mediated exchange unlikely. Hysteresis curves were obtained for all the GaTMN films, and by analyzing the effect of n- and p-dopants on the magnetic properties of these films it was determined that the magnetization is due to magnetic clusters. These findings are supported by the investigation of the effect of TM dopants in GaN nanostructures which reveal that TMs enhance nucleation resulting in superparamagnetic nanostructures. Additionally, this work presents the first report on the development of GaGdN by MOCVD providing an alternate route to developing a RT DMS. Room temperature magnetization results revealed that the magnetization strength increases with Gd concentration and can be enhanced by n- and p-doping, with holes being more efficient at stabilizing the ferromagnetic signal. The GaGdN films obtained in this work are single-phase, unstrained, and conductive making them suitable for the development of multifunctional devices that integrate electrical, optical, and magnetic properties.

GaN-based light emitting diodes (LEDs) face several challenges if the technology is to make a significant impact on the solid state lighting market. The two most pressing of these challenges are cost and efficiency. The development of alternative substrate technologies shows promise toward addressing both of these challenges, as both GaN-based device technology and the associated metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) technology are already relatively mature. Zinc oxide (ZnO) and silicon (Si) are among the most promising alternative substrates for GaN epitaxy. This work focuses on the development of MOCVD growth processes to yield high quality GaN-based materials and devices on ZnO and Si. ZnO, because of its similar lattice constant and thermal expansion coefficient, is a promising substrate for growth of low defect-density GaN. The major hurdles for GaN growth on ZnO are the instability of ZnO in a hydrogen atmosphere and out-diffusion of zinc and oxygen from the substrate. A process was developed for the MOCVD growth of wurtzite GaN and InxGa1-xN on ZnO, and the structural and optical properties of these films were studied. High zinc and oxygen concentrations remained an issue, however, and the diffusion of zinc and oxygen into the subsequent GaN layer was studied more closely. Silicon is the most promising material for the development of an inexpensive, large-area substrate technology. The challenge in GaN growth on Si is the tensile strain induced by the lattice and thermal mismatch between GaN and Si. A thin atomic layer deposition (ALD)-grown Al2O3 interlayer was employed to relieve strain while also simplifying the growth process. While some strain was still observed, the oxide interlayer leads to an improvement in thin film quality and a reduction in both crack density and screw dislocation density in the GaN films. A comparison of GaN-based LEDs grown on sapphire and Al2O3/Si shows similar performance characteristics for both devices. IQE of the devices on silicon is ~32%, compared to ~37% on sapphire. These results show great promise toward an inexpensive, large-area, silicon-based substrate technology for MOCVD growth of GaN-based optoelectronic devices.

Light emitting transistors (LETs) and transistor lasers (TLs) are newly-emerging optoelectronic devices capable of emitting spontaneous or stimulated light while performing transistor actions. This dissertation describes the design, growth, and performances of long wavelength LETs and TLs based on InAlGaAs/InP material system. First, the doping behaviors of zinc (Zn) and carbon (C) in InAlGaAs layers for p-type doping were investigated. Using both dopants, the N-InP/p-In0.52(AlxGa1-x)0.48As/N-In0.52Al0.48As LETs with InGaAs quantum wells (QWs) in the base demonstrate both light emission and current gains (β). The device performances of Zn- and C-doped LETs have been compared, which is explained by a charge control analysis involving the quantum capture and recombination process in the QWs. A TL based on a C-doped double heterostructure (DH-TL) with single QW was designed and fabricated. The device lases at 77 K with a threshold current density (Jth) of 2.25 kA/cm2, emission wavelength (λ) at ~1.55 µm, and β of 0.02. The strong intervalence band absorption (IVBA) is considered as the main intrinsic optical loss that prohibits the device from lasing at room temperature. Based on a threshold condition analysis taking into account the strong IVBA, it is found that room-temperature lasing of a DH-TL is achieved only when the base thickness and doping level are within a specific narrow range and improved performance is expected in a separate confinement heterostructure (SCH) TL.

La miniaturisation des transistors CMOS permet d'améliorer les performances, la densité d'intégration et le coût des circuits intégrés. Cependant, de nos jours, le transistor se heurte à des limitations physiques. Afin de perpétuer l'accroissement des performances, l'intégration de nouveaux matériaux devient incontournable. En particulier, l'oxyde d'hafnium, du fait de sa haute permittivité et de sa large bande interdite est largement étudié afin de remplacer l'oxyde de grille standard. L'utilisation du HfO2 vise ainsi à améliorer le compromis épaisseur d'oxyde/ courant de fuite. Dans ce contexte, ce travail porte sur l'élaboration, la caractérisation et l'intégration de films de HfO2 déposé par la technique MOCVD en phase liquide pulsée. La présence du système d'injection et l'utilisation d'une large fenêtre de procédé favorisent la croissance de films selon différentes phases cristallines. Selon la phase en présence, des constantes diélectriques de l'ordre de 20 et d'autres de l'ordre de 30 sont obtenues. Cette étude met aussi en évidence la présence d'une épaisseur de transition cristalline ainsi que la nature nano-cristallisée des films de HfO2. Ces différentes analyses ouvrent la voie à l'emploi de techniques de caractérisations non destructives qui peuvent être employées dans l'environnement salle blanche. L'ensemble de ces travaux ont permis la mise en place d'un procédé de référence, avec une EOT de 1,1 nm et une densité de courant de fuite de 0,84 A/cm², résultats en accord avec l'ITRS pour les applications haute performance

Systematische Untersuchungen zur Abscheidung von Zirconiumdioxid auf keramischen Fasermaterialien und einer Platin-Iridium-Legierung (PtIr20) sowie eine umfassende und vergleichende Charakterisierung der entstandenen Oxidfilme waren Gegenstand dieser Arbeit. Als Precursoren wurden Zirconium(IV)-tetra-tert.-butoxid (ZTB), Zirconium(IV)-chlorid und Sauerstoff verwendet. Für die kontinuierliche Beschichtung der oxidischen Fasern (NEXTEL-720-Multifilamentrovings) wurde ein thermisch induzierter Heißwand-CVD-Prozess (ZrCl4 + O2) entwickelt, die Abscheidung von ZrO2 auf unmodifiziertem bzw. oberflächlich oxidierten PtIr20 fand in einem statisch geführten Kaltwand-CVD-Verfahren unter Verwendung von ZTB statt. Die Charakterisierung der Zirconiumdioxidfilme erfolgte in Abhängigkeit von den Prozessparametern (z.B. Substratart, Beschichtungstemperatur, Zuggeschwindigkeit) mit Methoden wie: Infrarot- und Ramanspektroskopie (Detektion von Verunreinigungen und Phasenzusammensetzung), Röntgendiffraktometrie (Phasenanalyse, Ermittlung von Vorzugsorientierungen), Elektronenstrahlmikroanalyse (Stöchiometrie des ZrO2 und Kohlenstoffgehalt der Schichten), Rasterelektronenmikroskopie (Topologie der Filme) und Bündelzugversuch (Einfluss des ZrO2 auf die 50-%-Zugfestigkeit der Filamente).

Matériaux multiferroïques ont suscité beaucoup d'intérêt au cours des dernières années. Notre étude est consacrée à un système prototype: manganite d'yttrium. En particulier, nous nous concentrons sur les propriétés ferroélectriques sous forme massive monocristalline et sous forme de couches minces. Manganite d'yttrium appartient à la classe des composés ABO3. La plupart des études théoriques de la ferroélectricité à ce jour se sont concentrées sur perovskite cubique ABO3. Manganite d'yttrium est hexagonale et est un ferroélectrique impropre. Nous nous sommes intéressés à étudier théoriquement et expérimentalement comment ces deux fonctions se comportent sous forme de film mince.

Since Shuji Nakamura, Hiroshi Amano, and Isamu Akasaki won the 2014 Nobel prize in Physics owing to theircontributions on the invention of efficient blue GaN light emitting diodes, GaN became an even more appealingmaterial system in the research field of optoelectronics. On the other hand, quantum structures or low-dimensionalstructures with properties derived from quantum physics demonstrate superior and unique electrical and opticalproperties, providing a significant potential on novel optoelectronic applications based on the employment of quantumconfinement.   In 2012, our research team at Linköping University utilized pyramid templates, which is an established approach toform quantum structures, to successfully grow GaN pyramids with InGaN hybrid quantum structures, includingquantum wells, quantum wires, and quantum dots. This growth enabled site-controlled pyramids based on selectivearea growth (SAG). After numerous studies on the photoluminescence properties, the mature and controlled growthtechnique was proposed to be adapted for fabrication of AlGaN pyramids on which GaN hybrid quantum structurescan be hosted.   This thesis is dedicated to the subsequent problems of the growth of AlGaN pyramids. It was found that there wasan undesired deposition of a considerable thickness on top the desired AlGaN pyramid with GaN multiple quantumwells. In this thesis, two different directions are explored to find the key solution with a potential of furtheroptimization. On one hand, the growth parameters such as precursors cut-off, carrier gas during cooling, temperatureholding, cooling pressure, III/V ratio, and the possible effect of GaN surfaces are investigated. However, due to theactual inherent properties of the metal-organic chemical vapor deposition reactor used, no promising parameter tuningcan been identified. On the other hand, from post-growth point of view, a KOH aqueous etching solution exhibits apositive result toward removing the undesired deposition. This etching process is suggested to be further optimized toachieve the final goal of eliminating the undesired deposition.