Le groupe HEF (Hydromécanique Et Frottements), premier équipementier et façonnier français en traitements de surface par plasmas hors microélectronique, utilise dans ses procédés industriels des sources plasma micro-onde multi-dipolaires fonctionnant sur le principe de la résonance cyclotronique électronique pour la réalisation de dépôts de type DLC par PACVD, et pour l'assistance ionique à la croissance de couches CrN par pulvérisation magnétron réactive. Suite à la présentation de l'utilisation de ces sources pour des dépôts de DLC et des ajustements nécessaires pour leur mise en œuvre industrielle, les travaux de cette thèse portent sur le développement de nouvelles sources plasma micro-onde en vue d'améliorer l'uniformité des traitements de surface dans le volume du réacteur ainsi que la productivité des réacteurs plasma pour le dépôt de ces couches. Les résultats obtenus sont intéressants puisque le développement d'une source étendue a permis d'augmenter la vitesse de dépôt des couches DLC sans dégradation des propriétés mécaniques et d'obtenir une uniformité similaire à celle obtenue avec les sources multi-dipolaires en utilisant deux fois moins d'applicateurs micro-onde. Les réflexions portant sur l'amorçage du plasma ont permis d'identifier les voies d'amélioration de cette source pour valider son utilisation en milieu industriel. L'utilisation de cette source étendue pour l'assistance ionique à la croissance de couches telles que le nitrure de chrome CrN par pulvérisation magnétron réactive a démontré un potentiel intéressant en termes de propriétés mécaniques obtenues et a permis d'identifier des axes de développement de cette configuration.

Nous étudions les propriétés optiques de boîtes quantiques GaN/AlN élaborées par épitaxie par jets moléculaires sur substrats Si(111). La spectroscopie résolue en temps de l'émission collective de plans de boîtes quantiques nous conduit à une détermination appropriée de l'état fondamental des boîtes quantiques et du champ électrique interne le long de l'axe de croissance. Nous observons et modélisons une dynamique de recombinaison non conventionnelle des porteurs. Ces résultats préliminaires nous permettent de sélectionner les boîtes quantiques idéales pour l'étude individuelle en micro-photoluminescence. Nos mesures sur boîte unique révèlent des effets de diffusion spectrale que nous étudions en détails. En analysant la polarisation linéaire, nous observons des propriétés liées à la structure fine excitonique, très différentes de celles de boîtes quantiques étudiées auparavant, ce que nous expliquons à l'aide d'un modèle tenant compte des effets d'échange et d'anisotropie.

En utilisant une démarche de type "Chimie du Solide", le rôle des principaux facteurs caractérisant la surface du substrat (composition chimique, structure et liaisons chimiques) sur la germination de cristallites de diamant, ainsi que leur morphologie, a ete mis en évidence. La densité de nucléation et le rapport Csp2/Csp3 ont pu notamment etre corrélés a la diffusion du carbone dans le substrat. Afin de contrôler celle-ci, des couches superficielles de composes covalents tels que les nitrures et les borures ont été utilisées. Elles ont permis d'atteindre des densités très importantes de nucléi de diamant pour des temps de dépôt relativement courts. L'ensemble des résultats concernant le dépôt par hétéroépitaxie du diamant a permis de proposer une méthodologie au niveau du choix du substrat et des espèces réactives pour l'obtention de couches minces de nitrure de bore cubique.

Thèse doctorat : Électronique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3405. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Thèse de doctorat : Sciences chimiques. Chimie-physique : Bordeaux 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques et électroniques des puits quantiques de GaN / AlGaN grâce à des techniques classiques de réflectivité résolue en angle et de photoluminescence, ainsi qu’avec la technique de photoluminescence résolue temporellement. Les expériences de photoluminescence en régime continu ont permis d’estimer les énergies des transitions excitoniques qui sont également accessibles en réflectivité. Ces techniques ont ainsi permis de mettre en évidence l’effet Stark dans les puits quantiques GaN / AlGaN. L’effet Stark sur les énergies de transition est cohérent avec la théorie des fonctions enveloppes. Les spectres de réflectivité permettent d’accéder à la force d’oscillateur des excitons grâce à leur modélisation par le formalisme des matrices de transfert, prenant en compte les phénomènes d’élargissement homogène et inhomogènes des transitions optiques. Enfin, les mesures de photoluminescence résolue en temps en fonction de la température, ont également permis d’extraire la force d’oscillateur qui est inversement proportionnelle au temps de recombinaison radiative. Cette étude a également permis de mettre en évidence l’effet Stark responsable de la diminution de la force d’oscillateur en fonction de l’épaisseur du puits quantique mais aussi en fonction de la composition d’aluminium. L’augmentation de l’épaisseur du puits entraîne une diminution du recouvrement des fonctions d’onde, et une augmentation de la composition d’aluminium intensifie le champ électrique et diminue également le recouvrement des fonctions d’onde. / This work deals with the study of optical and electronic properties of GaN / AlGaN quantum wells, by classical techniques of spectroscopy including angle resolved reflectivity or photoluminescence, but also by time resolved photoluminescence. The continuous wave photoluminescence experiments allowed estimating the energies of the excitonic transitions, which are also available through reflectivity. These techniques highlighted the Stark effect in GaN / AlGaN quantum wells. The influence of the Stark effect on the energies of the excitonic transitions is well reproduced by envelop functions theory. Reflectivity spectra give access to the oscillator strength via their fitting by transfer matrix formalism, taking in account both homogeneous and inhomogeneous broadenings of the optical transitions. Finally, time resolved photoluminescence measurements as a function of temperature were performed to extract the oscillator strength, which is proportional to the inverse of the radiative recombination time. This technique also highlighted the Stark effect which is responsible of the vanishing of the oscillator strength with the thickness of the well and the aluminium composition. Increasing of the quantum well’s thickness induces decreasing of wave functions overlap, as well as an increasing of the aluminium composition which intensifies the electric field and splits the wave functions.

Les potentialités du nitrure de gallium (GaN), semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer les briques technologiques nécessaires à la réalisation de transistors MOS de puissance en nitrure de gallium (GaN). Après avoir évalué, dans premier temps, les bénéfices que pourrait apporter le nitrure de gallium en électronique de puissance, nous avons en effet opté pour la réalisation d'un interrupteur MOS normally-off en GaN, interrupteur indispensable dans de nombreuses applications de l'électronique de puissance. La réalisation d'un tel dispositif passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, qui constitue la démarche universelle pour stabiliser et améliorer les performances d'un transistor. Le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/GaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, la formation de la couche interfaciale et le dépôt du diélectrique. Nous montrons qu'une étape d'oxydation du GaN sous UV, combinée à une oxydation plasma avant le dépôt du diélectrique, permet d'optimiser l'état de surface et de minimiser les contaminations à l'interface. Les mesures électriques, réalisées pour déterminer la densité de charges piégées à l'interface diélectrique/GaN ou dans le diélectrique, montrent des différences significatives liées au type de croissance du GaN (MBE ou MOCVD) et en particulier au type de dopage N ou P du substrat GaN. Des corrélations entre la physico-chimie d'interface et les propriétés électriques des structures sont illustrées. De plus, d'autres étapes technologiques nécessaires à la fabrication d'un MOSFET sur GaN ont été étudiées, en particulier les implantations ioniques de type N et P et la gravure ionique. Les résultats obtenus sur ces différentes briques technologiques permettront, dans un futur proche, la conception de transistors MOS de puissance en GaN, bien qu'il reste encore des défis scientifiques et technologiques à relever avant d'obtenir l'interrupteur de puissance idéal, c'est-à-dire un interrupteur normalement ouvert (normally-off), faibles pertes, forte puissance, haute fréquence et haute température.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des propriétés optiques et électroniques des puits quantiques de GaN / AlGaN grâce à des techniques classiques de réflectivité résolue en angle et de photoluminescence, ainsi qu'avec la technique de photoluminescence résolue temporellement. Les expériences de photoluminescence en régime continu ont permis d'estimer les énergies des transitions excitoniques qui sont également accessibles en réflectivité. Ces techniques ont ainsi permis de mettre en évidence l'effet Stark dans les puits quantiques GaN / AlGaN. L'effet Stark sur les énergies de transition est cohérent avec la théorie des fonctions enveloppes. Les spectres de réflectivité permettent d'accéder à la force d'oscillateur des excitons grâce à leur modélisation par le formalisme des matrices de transfert, prenant en compte les phénomènes d'élargissement homogène et inhomogènes des transitions optiques. Enfin, les mesures de photoluminescence résolue en temps en fonction de la température, ont également permis d'extraire la force d'oscillateur qui est inversement proportionnelle au temps de recombinaison radiative. Cette étude a également permis de mettre en évidence l'effet Stark responsable de la diminution de la force d'oscillateur en fonction de l'épaisseur du puits quantique mais aussi en fonction de la composition d'aluminium. L'augmentation de l'épaisseur du puits entraîne une diminution du recouvrement des fonctions d'onde, et une augmentation de la composition d'aluminium intensifie le champ électrique et diminue également le recouvrement des fonctions d'onde.

Afin de comprendre les mécanismes de transport de la chaleur dans des films très minces des matériaux amorphes, nous avons proposé et démontré expérimentalement une nouvelle technique de mesure des propriétés thermiques de membranes très minces. Cette technique consiste à coupler la méthode 3 oméga avec la géométrie Völklein (membrane suspendue allongée). L'échantillon d'intérêt est alors monté dans un pont de Wheatstone spécifique afin d'éliminer le signal électrique 1 oméga. Cette technique permet de mesurer avec une très haute sensibilité le signal thermique 3 oméga et donc les propriétés thermiques des membranes. Le nitrure de silicium étudié dans ce travail constitue un matériau amorphe typique. Nous avons été intéressés par l'étude du transport thermique dans un tel système de dimensions réduites en fonction de la température et du stress intrinsèque qui présente dans les films. Afin d'atteindre cet objectif, les membranes de nitrure de silicium de stress élevé et de faible niveau de stress ont été mesurées respectivement pour une épaisseur de 50 nm et 100 nm. Le comportement global de la conductivité thermique mesurée est une croissance quand la température augmente, une tendance généralement constaté pour un matériau amorphe. Le data de membrane de 50 nm présente une conductivité thermique inférieure à celle du 100 nm, ce qui est en accord avec l'effet des dimensions réduites. La chaleur spécifique mesurée s'écarte sensiblement de la loi en T3 de Debye. Cela est particulièrement important en dessous de 100 K où la chaleur spécifique est plus élevé que celle prévue par la modèle Debye. Ces résultats expérimentaux sont en excellent accord avec les prévisions d'un model théorique qui tient en compte de l'effet TLS (Two Level System) qui présente dans le matériaux amorphe. Il a été montré expérimentalement que le stress n'a pas d'effet sur la chaleur spécifique de nitrure de silicium. De plus, nous avons démontré que le stress n'affecte pas la dissipation dans nitrure de silicium, et la dissipation par dilution semble être la cause de la réduction de la dissipation. Par conséquent, le stress ne devrait pas affecter la conductivité thermique du nitrure de silicium, ce qui est cohérent avec les résultats expérimentaux. En terme d'application de la méthode 3 oméga-Völklein, nous avons démontré que la membrane de SiN peut être utilisée comme capteur thermique spécifique pour caractériser un autre matériau déposée sur la face arrière de la membrane. Nous avons testé ce modèle pour mesurer les propriétés thermiques d'un film de 200 nm de Bi2Te3. Les résultats obtenus sont en excellent accord avec la littérature. Comme le SiN est un matériau isolant, ce modèle est capable de mesurer des films très minces quelle que soit sa nature, isolant, semi conducteur ou métallique.

Ce travail de thèse s'intéresse aux propriétés structurales et optiques de semiconducteurs à grand gap de nitrure d'éléments III (AlxGa1-xN et h-BN), émettant dans l'ultraviolet (4-6 eV). Les propriétés des nano-objets étant modifiées par la réduction de dimensionnalité, un point central de ce travail a consisté à étudier des nanostructures de ces matériaux (nanofils d'AlN et d'AlxGa1-xN, nanotubes et nanofeuillets de BN). Un soin particulier a aussi été apporté à la corrélation à l'échelle nanométrique, entre la structure et la luminescence. Dans un premier temps, les nanofils d'AlxGa1-xN ont été synthétisés par épitaxie par jets moléculaires, sur des nanofils de GaN afin de promouvoir la croissance de nanostructures 1D non coalescées. Nous montrons que le gallium s'incorpore difficilement, aboutissant à des nanofils d'un alliage fortement inhomogène à plusieurs échelles (de l'unité à la centaine de nanomètre). Ces inhomogénéités influencent grandement les propriétés optiques, dominées par des états localisés. L'ensemble des résultats nous a permis de proposer un mécanisme de croissance de ces nanofils. Dans un deuxième temps, les propriétés des nanostructures de BN ont été comparées à celles du matériau massif (le BN hexagonal). Nous montrons que jusqu'à 6 couches les nanofeuillets présentent une luminescence similaire au h-BN. Cela indique une faible influence de la réduction de dimensionnalité dans le h-BN, contrairement aux nanostructures de GaN ou d'AlN. Enfin, nous montrons que les principaux nanotubes étudiés dans ce travail, multiparois, présentent une structure complexe, micro-facettée, et que les défauts sont probablement responsables de la luminescence observée.