Le domaine du spectre électromagnétique correspondant aux fréquences térahertz est encore peu exploité, pourtant, les applications nécessitant la génération, l’amplification ou la détection d’un signal térahertz sont nombreuses et intéressantes. Dans ce travail, nous nous intéressons tout particulièrement au détecteurs plasmoniques, qui constituent une alternative prometteuse à la montée en fréquence des capteurs électroniques et à l’utilisation de capteurs thermiques pour les photons de faible énergie. Les capteurs plasmoniques fonctionnent grâce au couplage entre le photon térahertz et un plasmon au sein d’un gaz d’électrons bidimensionnel (2DEG). Le plasmon-polariton est ensuite transformé en un signal continu et détectable. Nous utilisons pour cela le 2DEG présent dans l’hétérostructure AlGaN/GaN. Le couplage entre le photon et le plasmon-polariton est réalisé par un réseau métallique déposé sur la structure semi-conductrice. Tout d’abord, l’étude du couplage photon/plasmon par des simulations électromagnétiques nous a permis de connaître les fréquences de résonance des plasmons-polaritons en fonction des dimensions du réseau. Le motif de réseau composé de deux bandes de métal de largeurs différentes a été plus particulièrement étudié. Ce motif permettant aux détecteurs d’atteindre une très haute sensibilité [Coquillat et al., 2010] et n’avait pas encore été étudié du point de vue de son efficacité de couplage. Des détecteurs, dimensionnés pour notre montage de test à 0,65 THz, ont ensuite été fabriqués puis mesurés avec un réseau non-polarisé, à température ambiante et refroidis à l’azote. La correspondance entre la variation de la sensibilité en fonction de la fréquence et les spectres d’absorption mesurés au spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) montre l’importance de l’étape de couplage dans le processus de détection. Contrôler la densité électronique dans le 2DEG permet de modifier la fréquence de résonance des plasmons-polaritons et d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Nous avons mené des développements technologiques de manière à pouvoir contrôler la densité électronique du 2DEG en appliquant une tension sur le réseau. Cette étape constitue un défi technologique compte tenu de la surface très étendue des réseaux (plusieurs mm²). Nous avons finalement fabriqué des détecteurs pour lesquels la fréquence de résonance de couplage peut être contrôlée grâce à la tension appliquée sur le réseau. / Abstract: The objectives of this thesis were the fabrication, the measurement and the study of gallium nitride THz detectors. These detectors are working as follows : first the incident THz photon is coupled to a plasmon in the quantum well at the interface AlGaN/GaN. This plasmon is then turned into a continuous measurable current. One of the key-components in this type of detectors is the grating coupling the incident photon and the plasmon. Electromagnetic simulations have been made to determine the dimensions of the grating depending on the detection frequency. Detectors were then fabricated using the precendently calculated grating patterns. Their working frequency depending on their dimensions were measured with a good agreement with the previously led simulations. The grating is not used only as coupling element, but can be used to monitor the electron density in the quatum well as well, what should allow an exaltation of the rectification phenomenon and a frequency tunability. A technological development was needed to achieve grating actually monitoring the electron density over a wide range. It was a real challenge to fabricate such wide grating (36 mm²) with such small periods (about one micrometer) using epitaxies developped for devices with a much smaller area.

Cette étude s’est portée sur l’interaction des empilements diélectriques nitrure/oxyde avec la répartition du bore dans les zones sources et drain après le recuit d’activation. L’utilisation des procédés de dépôt des couches de nitrure et d’oxyde réalisées à basse température a permis de limiter l’impact de ces étapes de dépôt sur les performances électriques du dispositif. En revanche, des budgets thermiques de dépôt plus faibles induisent également une concentration d’hydrogène plus importante dans les films. Cette accumulation d’hydrogène dans les couches diélectriques en contact avec les zones source et drain augmente la quantité de bore pouvant diffuser depuis le silicium vers l’oxyde, ce phénomène entraine des modifications de la répartition du bore dans les zones implantées et par conséquent une modification des performances électriques du transistor. Au cours de ces travaux nous avons développé un modèle physique couplant les échanges d’hydrogène durant le recuit entre les couches de diélectrique et la diffusion du bore entre le substrat et l’oxyde. Ce modèle a été validé d’une part en simulant les profils de bore après recuit en fonction des différentes conditions de dépôt nitrure et oxyde, et d’autre part en couplant des mesures de contrainte mécanique avec des mesures de désorption thermique d’hydrogène. Ces travaux ont mis en évidence deux mécanismes de régulation de l’hydrogène dans la couche d’oxyde pendant le recuit. Le premier est le rôle de l’encapsulation du nitrure, la diffusion de l’hydrogène dans les nitrures étant plus faible que dans l’oxyde une partie de l’hydrogène dans l’oxyde en dessous est bloqué dans la couche durant le recuit. Le deuxième est le rôle du nitrure comme source d’hydrogène dans l’empilement. / This study has focused on the interaction of dielectric stacks nitride/oxide with the boron distribution in the source and drain areas after the activation annealing. The low temperature deposition processes of nitride and oxide layers limit the impact of these deposition steps on the electrical performance of the device. However the thermal budgets of lower deposit also induce a higher concentration of hydrogen. This hydrogen accumulation in the dielectric layer in contact with the source and drain regions increases the boron diffusion into the silicon oxide and causing modification of the boron distribution into the implanted zones and therefore an electrical performance modification of the device. In this work we developed a physical model combining the hydrogen exchange during annealing between the dielectric layers and boron out-diffusion between the substrate and silicon oxide. This model was validated firstly by simulating the profiles of boron after annealing for different deposition conditions nitride and oxide, and also by coupling measurements of mechanical stress with hydrogen thermal desorption spectroscopy (TDS). This research revealed two mechanisms of hydrogen regulation in oxide layer during annealing. First, the role of nitride encapsulation, hydrogen diffusion in nitride layer is lower than in oxide so hydrogen cannot degas out during anneal. The second is the role of nitride as a hydrogen source into the stack

Ces travaux de thèse portent sur l'évaluation des propriétés de nanofils InGaN/GaN en vue de la réalisation de diodes électroluminescentes (LEDs). Deux types d'architecture, obtenus par des techniques de croissance différentes, ont été étudiés. La technique MBE a conduit à la réalisation de LEDs en structure axiale émettant du domaine spectral bleu au rouge. Les émetteurs uniques présentent dans ce cas des diamètres typiquement inférieurs à 100 nm. La technique MOCVD a conduit quant à elle la fabrication de LEDs émettant des longueurs d'onde plus courtes à partir d'hétérostructures InGaN/GaN en Coeur/Coquille présentant des dimensions micrométriques. Dans les deux cas, la croissance est réalisée de manière spontanée sur un substrat Silicium (111) de conductivité élevée permettant l'injection verticale du courant dans les dispositifs intégrés à l'échelle macroscopique. L'ensemble des briques technologiques nécessaires à la fabrication de LEDs a été évalué par un panel important de techniques expérimentales adaptées aux structures à fort rapport de forme. Ainsi, l'effet de l'incorporation d'espèces dopantes de type n (Silicium) et de type p (Magnésium) a été caractérisé par des expériences de spectroscopie optique couplées à des mesures électriques sur fils uniques. De plus, la cathodoluminescence basse température a été largement utilisée afin d'étudier les propriétés optiques de la zone active à base d'InGaN dans les deux architectures considérées. Après intégration technologique, des caractérisations électro-optiques résolues à l'échelle du fil unique ont montré que les performances des LEDs à nanofils restent principalement limitées par la fluctuation des propriétés électriques et optiques entre émetteurs uniques. / This thesis aims at studying the intrinsic properties of InGaN/GaN nanowires (NWs) in order to fabricate efficient light emitting diodes (LEDs). Two active region designs, obtained through different growth techniques, have been extensively investigated. Axial NW-based LEDs emitting from the blue to the red spectral range have been grown by MBE. In this case, single emitters present diameters typically smaller than 100 nm. MOCVD allowed the fabrication of LEDs emitting shorter wavelengths from Core/Shell heterostructures with typical dimensions in the micrometre range. In both cases, the spontaneous growth has been conducted on Silicon (111) highly conductive substrates in order to inject the current vertically into macroscopically contacted devices. Technological building blocks needed to fabricate LEDs have been investigated using a wide range of characterization techniques adapted for high aspect ratio structures. Thus, n-type (Silicon) and p-type (Magnesium) dopings have been assessed thanks to optical spectroscopy techniques, and these results have been confirmed by electrical measurements carried out on single wires. Furthermore, low temperature cathodoluminescence has been widely used to study the optical properties of InGaN-based active regions. After technological integration, electro-optical characterizations with spatial resolution down to the single wire level have revealed that device performances are mainly limited by the fluctuation of electrical and optical properties between single emitters.

Des structures multicouches NiCoCrAlY / Al2O3 / TiOx / Pt / AlN déposées par pulvérisation cathodique sur superalliage base nickel, destinées à la réalisation de capteurs de pression sur pièces de turbomachine, sont étudiées et caractérisées. Les principaux objectifs de l'étude sont de résoudre le problème d'adhérence du film de platine (Pt) sur l'alumine (Al2O3) et d'améliorer la texture cristallographique {0001} des couches de nitrure d'aluminium (AlN) favorable à l'effet piézo-électrique recherché. L'influence d'une couche d'accrochage de TiOx sur l'adhérence du platine et l'effet de la polarisation du substrat sur les propriétés physico-chimiques de l'AlN sont notamment étudiés. L'étude approfondie (diffraction X, MEB, EDS, XPS, tests d'arrachement) des propriétés physico-chimiques des couches est menée. Les résultats mettent en évidence la forte influence du TiOx sur la nature et l'état de surface de l'alumine. La présence d'une couche de TiOx peut améliorer ou dégrader l'adhérence du platine en fonction du type d'alumine élaborée. Un fort effet de la polarisation du substrat sur la texture, la morphologie, la composition chimique de l'AlN et sur les contraintes résiduelles est démontré et expliquée. Les résultats obtenus concernant la qualité de la texture {0001} de l'AlN et la tenue mécanique des structures multicouches (800°C) ont permis la fabrication de transducteurs Pt / AlN / Pt sur substrats plans de superalliage base nickel. La sensibilité à la pression de ces premiers prototypes devra ensuite être évaluée en préalable à l'élaboration de capteurs sur pièces de turbomachine.

Des procédés atmosphériques de dépôt chimique en phase vapeur assisté par l'injection directe liquide (DLI-CVD), prometteurs pour traiter des pièces métalliques au défilé, ont permis l'élaboration à basse température de revêtements métallurgiques performants. Deux précurseurs organométalliques de chrome ont été employés dans différentes atmosphères : Cr (CO)6 pour des dépôts issus du système chimique Cr-O-N-C, et le bisbenzènechrome pour des monocouches de chrome métallique, de carbure (Cr-C) et de nitrure de chrome (CrN), ainsi que des multicouches CrN/Cr-C de bipériode 25 nm. Une approche thermodynamique a permis le calcul d'un nouveau diagramme ternaire Cr-N-C à 527°C, et l'étude de l'impact du solvant sur la nature et la qualité des dépôts en comparaison avec les systèmes chimiques sans solvant. Les propriétés des revêtements (dureté, adhérence, usure, corrosion) sont discutées en relation avec leur microstructure. Les revêtements multicouches nanostructurés CrN/Cr-C présentent des duretés et une tenue à l'usure prometteuses.

Par des méthodes de spectroscopie ultra-rapide, nous avons étudié la relaxation de spin excitonique dans des couches de GaN épitaxiées sur des substrats de saphir et SiC. En nous appuyant sur les règles de sélection pour les transitions optiques, nous avons utilisé des impulsions laser polarisées ultra-courtes (~ 100 fs) pour réaliser l'orientation optique des populations excitoniques et étudier leur évolution temporelle. Nous déduisons, de l'observation d'une transition induite exciton-biexciton, que le processus de Bir-Aronov-Pikus, qui met en jeu la relaxation en bloc du spin de l'exciton, joue un rôle négligeable par rapport à la relaxation du spin des porteurs individuels. En outre, nous montrons que la grande densité de dislocations traversantes, générées pendant l'hétéroépitaxie de GaN sur un substrat désaccordé en paramètre de maille, favorise la relaxation de spin via le mécanisme d'Elliott-Yafet. La dépendance en température de la dynamique de spin vient conforter cette interprétation. Nous montrons également que la structure de la bande de valence a une forte influence sur la relaxation du pseudo-spin du trou. En particulier, celle-ci est ralentie lorsque l'éclatement en énergie ∆EAB entre les bandes de trous -lourd et -léger est supérieur à l'élargissement inhomogène Γ des transitons excitoniques. Un fort taux de polarisation circulaire de DR/R (~50%) est également déterminé dans ce cas. Au contraire, lorsque Γ > ∆EAB, les résonances A et B se recouvrent et le système est alors équivalent à une structure blende de zinc dans laquelle le sommet de la bande de valence est quatre fois dégénéré. Le taux de polarisation de DR/R est alors plus faible (~10%) et les temps de relaxation de spin plus courts.

Ce travail se place dans le cadre des réacteurs nucléaires de 4ème génération tels que les réacteurs à neutrons rapides et caloporteur gaz (RNR-G), pour lesquels des matériaux réfractaires comme le nitrure de titane (TiN) enroberont le combustible afin de permettre la rétention des produits de fission. Cette étude a porté sur le comportement thermique intragranulaire du xénon dans des échantillons de TiN obtenus par frittage à chaud sous charge. Le rôle de la microstructure sur le comportement thermique du xénon a été étudié. Plusieurs lots ont ainsi été synthétisés sous différentes conditions de température et de composition de la poudre initiale. Le xénon a été introduit par implantation ionique. Les échantillons ont ensuite subi des traitements thermiques entre 1300°C et 1600°C, soient les températures accidentelles envisagées. Un transport majoritaire du xénon vers la surface a été mis en évidence. Ce dernier est ralenti lorsque la température de frittage augmente. Des différences de comportement ont été observées selon les poudres mises en oeuvre dans la synthèse et selon l'orientation cristalline du grain considéré. Le relâchement du xénon a également été corrélé à l'oxydation de TiN. Des bulles de Xe dès 0,38 % atomique ont été observées. Leur taille est proportionnelle à la concentration en Xe et augmente avec la température de recuit, d'où une certaine mobilité du Xe au sein de TiN. Plusieurs mécanismes pouvant expliquer cette mobilité sont proposés. En complément, des calculs ab initio ont confirmé le caractère fortement insoluble du Xe dans TiN et révélé que les bilacunes sont les plus favorables à l'incorporation du xénon au sein de ce matériau.

Cette étude porte sur la caractérisation physique, chimique et mécanique de films minces de nitrure de silicium. Ces films sont utilisés pour accroître les performances des transistors en induisant une déformation dans le canal. Pour ce faire les films sont fortement contraints par les conditions de dépôts. Pour améliorer encore plus les performances des transistors, la contrainte du film a été augmentée en utilisant des films multicouches avec traitement plasma. Ce traitement engendre une désorption d'hydrogène permettant la recombinaison de nouvelles liaisons Si-N, conduisant à l'augmentation de la contrainte. Lors de cette première phase de densification, on constate par ailleurs que le module de Young augmente aussi bien dans plan que hors-plan. Ensuite, si le traitement se prolonge, la désorption s'arrête et on constate une deuxième phase au cours de laquelle la porosité du film diminue fortement. Cette diminution semble corrélée à l'accroissement supérieur du module de Young dans le plan par rapport à celui hors-plan, conduisant à une anisotropie du film. On suppose donc que les pores sont de forme colonnaire dans la direction hors-plan.

Le but de cette étude est de comprendre la transformation thermique d'un polysilazane en carbonitrure de silicium afin de maitriser la composition de la fibre céramique dont il est le précurseur. Les deux phénomènes qu'il convient d'éviter dans l'élaboration de telles fibres sont l'oxydation et la cristallisation qui provoque la perte totale de résistance mécanique. Les différentes étapes de la transformation sont, dans un premier temps, ce que l'on désigne par transition organique-minéral ou minéralisation dans laquelle le polymère précurseur perd son caractère organique avec la production d'hydrogène et de méthane. La seconde étape est la disparition progressive de la microporosite et donc la diminution de surface spécifique, la troisième est la cristallisation du matériau carbonitrure de silicium. L'étude de la première étape conduit à deux modèles. Le premier est thermodynamique dans le sens où il propose un ensemble de réactions à l'équilibre qui rendent compte de la non-stœchiométrie en carbone et hydrogène des solides issus de calcinations isothermes du précurseur sous hydrogène et méthane. Le solide est décrit par des éléments de structure: espèces localisées sur les sites méthyle du précurseur d'origine. Les variations de leur concentration en fonction des pressions partielles d'hydrogène et de méthane et de la température se déduisent de ce modèle. Un second modèle, cinétique, a pour but de définir un ensemble d'étapes élémentaires qui justifie les pertes de masse observées au cours des calcinations isothermes précédentes. De par leurs résultats, ces modèles ont révèle un moyen d'agir sur la cristallisation du carbonitrure de silicium par un contrôle de la composition de la solution solide issue de l'étape de minéralisation.

Ce travail de thèse a porté sur la synthèse de boîtes quantiques (BQs) de semi-conducteurs nitrures orientés (11-22) ou (0001) par épitaxie par jets moléculaires à plasma d'azote, pour des applications aux capteurs chimiques pour la détection du niveau de pH, d'hydrogène ou des hydrocarbures dans des environnements gazeux ou liquides. Dans la première partie de ce manuscrit, je décri la synthèse des couches bidimensionnelles semi-polaires (11-22) : des couches binaires (AlN, GaN, and InN) et des ternaires (AlGaN et InGaN), qui sont requises pour le contact de référence dans les transducteurs et aussi pour établir une connaissance de base pour comprendre la transition dès la croissance bidimensionnelle à la croissance tridimensionnel des BQs. Un résultat particulièrement relevant est l'étude de la cinétique de croissance et l'incorporation de l'indium dans les couches d'InGaN(11-22). De même que pour InGaN polaire (0001), les conditions optimales de croissance pour l'orientation cristallographique semi-polaire correspondent à la stabilisation de 2 ML d'In sur la surface, en excellent accord avec des calculs théoriques. Les limites de la fenêtre de croissance en termes de température du substrat et de flux d'In sont les mêmes pour les matériaux semi-polaire et polaires. Cependant, j'ai constaté une inhibition de l'incorporation de l'In dans les couches semi-polaires, même pour une température en dessous du seuil de la ségrégation pour l'InGaN polaire. Dans une deuxième étape, j'ai fabriqué des super-réseaux de BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN, à la fois dans l'orientation polaire et semi-polaire. Les mesures de photoluminescence et de photoluminescence en temps résolu confirment la réduction du champ électrique interne dans les boîtes semi-polaires. D'autre part, les BQs semi-polaires à base d'InGaN doit relever le défi de l'incorporation d'In dans cette orientation cristallographique. Pour surmonter ce problème, l'influence de la température de croissance sur les propriétés des boîtes quantiques InGaN polaires et semi-polaires a été étudiée, en considérant la croissance à haute température (TS = 650-510 °C, où la désorption d'In est active) et à basse température (TS = 460-440 °C, où la désorption d'In est négligeable). J'ai démontré que les conditions de croissance à faible TS ne sont pas compatibles avec le plan polaire, tandis qu'ils fournissent un environnement favorable au plan semi-polaire pour améliorer l'efficacité quantique interne de nanostructures InGaN. Enfin, j'ai synthétisé un certain nombre de transducteurs à BQs de GaN/AlN et InGaN/GaN selon les axes de croissance polaire et semi-polaire. Dans chaque cas, les conditions de croissance pour atteindre la fourchette spectrale ciblée (420-450 nm d'émission à avec une couche contact transparente pour des longueurs d'onde plus courtes que 325 nm) ont été identifiés. L'influence d'un champ électrique externe sur la luminescence des transducteurs ont confirmé que la meilleure performance (plus grande variation de la luminescence en fonction de la polarisation) a été fournie par des structures à base de BQs d'InGaN/GaN. Avec ces données, les spécifications des transducteurs opto-chimiques ont été fixées : 5 perides de BQs d'InGaN/GaN sur une couche contact d'Al0.35Ga0.65N:Si). Puis, j'ai synthétisé un certain nombre de ces transducteurs afin d'obtenir un aperçu sur la reproductibilité, limites et les étapes critiques du processus de fabrication. En utilisant ces échantillons, nous avons réalisé un système capteur intégré qui a été utile pour le suivi de la valeur du pH de l'eau.