Le travail présenté ici est une contribution à l’étude des propriétés de photoluminescence (PL) d’ions de terre rare (Erbium) insérés dans des matrices grand gap (AlN) de différentes morphologies et déposées sous forme de films minces. Une méthode de dépôt PVD magnétron rf a été utilisée pour obtenir des dépôts minces de nitrure d’aluminium dont les morphologies cristallines couvrent une gamme allant de la morphologie colonnaire classique jusqu’à l’état nano cristallisé et amorphe. On montre comment, plus la puissance magnétron est élevée plus les cristallites colonnaires d’AlN sont de grande dimension et comment l’application d’une polarisation négative sur les substrats de silicium permet l’obtention de dépôts nano cristallisés. Différents taux de dopage, de 0.1 à 6 at. %, sont obtenus avec une cible composite Al+Er.La PL à 1.54 [micro]m de l’atome d’Er a été étudiée en fonction des valeurs des paramètres « procédé » et donc en fonction des morphologies de AlN. Il a été montré que le maximum d'émission de PL a lieu pour un dopage de 1 at. %. L’étude montre que l'intensité de PL augmente avec la puissance magnétron et diminue avec l’intensité de polarisation des substrats. Ces deux résultats montrent que l'intensité PL est fortement corrélée à la morphologie des films. Plus les cristallites sont importantes, plus l'émission de PL est efficace. Cette corrélation entre la PL et la morphologie des matrices a permis de mettre en évidence le rôle des champs cristallins des défauts non radiatifs dans les cristallites. Le rôle des défauts a été confirmé par des mesures de luminescence résolue en temps, des mesures sur dépôts recuits et des mesures de PL à basse température. L’effet de diminution de la PL avec la température est très faible ce qui rend le matériau très prometteur pour des applications en optoélectronique et en photonique / The work presented here is a contribution to the study of the photoluminescence (PL) properties of a rare earth ions (Erbium) inserted inside wide gap matrices (AlN) of different morphologies and deposited as thin films. A physical vapour deposition magnetron rf technique has been used to obtain thin layers of aluminium nitride whose crystalline morphologies are ranging from the classical columnar morphology to the nanocrystalline state or amorphous. One shows how, the higher the magnetron power, the larger are the columnar crystallites and how the use of a negative polarization on the silicon substrates allows obtaining nano crystallized layers. Different doping rates (from 0.1 to 6 at. %) have been achieved using a Al+Er composite target.The PL of the Er atom at 1.54 [micro]m has been studied versus the process parameters and so as a function of the different AlN morphologies. It was shown that the maximum of PL emission is achieved for a rate of 1 atomic %. PL intensity was shown to increase with the magnetron power and decrease with the polarization intensity of the substrates. These two results demonstrate that PL intensity is strongly correlated to the matrix morphology. The larger the crystallites, the most efficient are the PL emission allows evidencing the role of the non radiative defects crystalline fields in the crystallites. The role of the defects was confirmed by time resolved photoluminescence measurements and by PL measurements performed on annealed samples or at low temperature. The decrease of PL with temperature is very weak, making this way the material very promising for optoelectronic and photonic applications

Les aciers maraging classiques doivent leurs propriétés mécaniques à une composition chimique contrôlée et à des traitements thermiques adaptés, conduisant à des microstructures de martensite revenue et de précipitation de phases durcissantes (carbures et intermétalliques). Les performances de ce type d’aciers, en constante amélioration, ont donné naissance, au cours de la dernière décade, à une nouvelle nuance, le ML340TM, répondant à des applications spécifiques dans le domaine de l’aéronautique. Bien que la composition chimique soit strictement contrôlée en imposant, entre autres, une très faible teneur d’azote, des nitrures d’aluminium (AlN), de quelques dizaines de microns, peuvent précipiter. La précipitation de ces nitrures peut être à l’origine de la formation de microfissures, dommageables aux propriétés de fatigue. L’amélioration de ces propriétés de fatigue passe incontestablement par une réduction drastique de la taille de ces nitrures. Au cours de cette étude, il est apparu que les paramètres thermiques et thermomécaniques pouvaient avoir une influence sur les grandeurs microstructurales des nitrures d’aluminium : fraction massique, densité surfacique, distributions en taille et spatiale. Cette tâche a été possible grâce à la mise en place d’une méthode automatisée couplant l’analyse d’images à celle de la composition chimique. Cette méthode originale permet ainsi de discriminer, par la taille et par la chimie, les nitrures d’aluminium des autres particules (inclusion, carbures, etc.). Le rôle de certains paramètres du traitement thermique (vitesse de refroidissement, temps et température de maintien isotherme, trempe étagée, trempe intermédiaire) sur les grandeurs microstructurales des nitrures d’aluminium a été clairement identifié. Par ailleurs, l’effet d’une déformation plastique à chaud, dans le domaine austénitique, sur les grandeurs microstructurales des nitrures d’aluminium précipités, a aussi été mis en exergue. In fine, nous avons, dans cette étude, mis en évidence que l’obtention d’une précipitation submicronique de nitrures d’aluminium passe par une conjugaison maîtrisée des différents paramètres des traitements thermiques et thermomécaniques / The mechanical properties of the conventional maraging steels are controlled by the choice of chemical composition and appropriate heat treatment parameters; the latter leading to martensitic microstructure and precipitation hardening phases (carbides and intermetallics). In the last decade, this steel family, that mechanical properties are in steady progress, has enabled the development of a new grade of steel, namely: the ML340TM. The performance of the ML340TM is scheduled to meet applications in the aeronautic domain. Despite a strictly controlled chemical composition, requiring very low nitrogen content, aluminium nitride (AlN) can precipitate with particle size up to few tens of microns. The precipitation of these nitrides could be at the origin of micro-cracks formation, which is responsible of the fatigue properties degradation. Improvement of the fatigue property is undoubtedly related to a drastic reduction of the nitrides size. During this study, it was found that the parameters of thermal and thermo-mechanical treatments might have an influence on microstructural features of aluminium nitrides: mass fraction, surface density, size and spatial distribution. This task was made possible thanks to the introduction of an automated method coupling the image analysis to the chemical composition. This unusual method allows discriminating, by size and by chemistry, aluminium nitrides from the other particles (carbides inclusion, etc.). The role of some of the heat treatment parameters (cooling rate, time and isothermal holding temperature, intermediate and direct quenching) on the microstructural features of aluminium nitrides has been clearly identified. Furthermore, hot plastic deformation, in the austenitic range, has a highlighted effect on the microstructure features of the aluminium nitrides. Ultimately, in this study, we have revealed that getting a submicron aluminium nitride precipitation is subjected to a controlled combination of thermal and thermo-mechanical parameters

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure. / A crucial step in the fabrication of high-frequency MEMS is the etching of the columnar AlN thin film acting as the piezoelectric material. Realized in close collaboration with researchers from Teledyne Dalsa, the objective of this master thesis is to better understand the physico-chemical mechanisms driving the etching kinetics and damage formation dynamics during etching of AlN in Ar/Cl2/BCl3 plasmas. In the first set of experiments, we have studied the influence of the operating parameters of an inductively coupled plasma on the number density of the main etching species in such plasmas, namely positive ions and Cl atoms. These measurements were then correlated with the etching characteristics, in particular the etching rate, the surface roughness, and the chemical properties of the AlN layer after etching. In Ar/Cl2 plasmas, our work has highlighted the inhibition effect of AlO, a compound formed during the AlN growth by reactive magnetron sputtering and not from plasma-wall interactions or from the incorporation of moisture in the columnar nanostructure of AlN. In presence of small amounts of BCl3 in the Ar/Cl2 plasma, we have observed a significant increase of the etching yield of AlN due to the formation of volatile BOCl compounds. Furthermore, our work has demonstrated that there are two levels of roughness following etching: a lower roughness produced by the presence of AlO in Ar/Cl2 plasmas which is independent of the etching rate and a larger roughness due to preferential desorption of Al in Ar/Cl2/BCl3 plasmas which increases linearly with the etching rate.

Ce projet est consacré à l'étude des propriétés optiques des films minces en nitrure d'aluminium dopé par des terres rares. Plus particulièrement, le travail est orienté pour étudier les mécanismes de luminescence des éléments RE sélectionnés incorporés dans des films minces AlN pour être utilisés comme candidats aux dispositifs d'éclairage. Au cours de cette thèse, la technique de pulvérisation de magnétron réactif est utilisée pour synthétiser les films minces AlN non dopés et dopés. La technique et le traitement des films sont discutés en détail. L'effet des conditions de pulvérisation sur la structure et les propriétés optiques des films préparés est étudié. La corrélation entre les conditions de pulvérisation cathodique, l'orientation cristallographique, la morphologie, la microstructure et les propriétés optiques sont établies. Les analyses de structure et de composition des échantillons préparés ont été étudiées par plusieurs moyens, tels que la microscopie électronique à transmission, la spectroscopie à rayons X à énergie dispersive et la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford. Les propriétés optiques des films sont caractérisées par une transmission UV-Visible, une spectroscopie d'Ellipsometry et une spectroscopie de photoluminescence / This project is dedicated to study the optical properties of rare earth-doped aluminum nitride thin films. More particularly, the work is oriented to investigate the luminescence mechanisms of selected RE elements incorporated in AlN thin films to be used as a candidate for lighting devices. During this thesis, reactive magnetron sputtering (RMS) technique is used to synthesize the undoped and doped AlN thin films. The technique and films processing are discussed in details. The effect of sputtering conditions on the structure and optical properties of the prepared films are investigated. The correlation between the sputtering conditions, the crystallographic orientation, the morphology, the microstructure and the optical properties are established. The structure and composition analyses of the prepared samples have been investigated by several means, such as transmission electron microscopy (TEM), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and Rutherford backscattering spectrometry (RBS). The optical properties of the films are characterized by UV-Visible transmission, Ellipsometry spectroscopy, and Photoluminescence spectroscopy

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure. / A crucial step in the fabrication of high-frequency MEMS is the etching of the columnar AlN thin film acting as the piezoelectric material. Realized in close collaboration with researchers from Teledyne Dalsa, the objective of this master thesis is to better understand the physico-chemical mechanisms driving the etching kinetics and damage formation dynamics during etching of AlN in Ar/Cl2/BCl3 plasmas. In the first set of experiments, we have studied the influence of the operating parameters of an inductively coupled plasma on the number density of the main etching species in such plasmas, namely positive ions and Cl atoms. These measurements were then correlated with the etching characteristics, in particular the etching rate, the surface roughness, and the chemical properties of the AlN layer after etching. In Ar/Cl2 plasmas, our work has highlighted the inhibition effect of AlO, a compound formed during the AlN growth by reactive magnetron sputtering and not from plasma-wall interactions or from the incorporation of moisture in the columnar nanostructure of AlN. In presence of small amounts of BCl3 in the Ar/Cl2 plasma, we have observed a significant increase of the etching yield of AlN due to the formation of volatile BOCl compounds. Furthermore, our work has demonstrated that there are two levels of roughness following etching: a lower roughness produced by the presence of AlO in Ar/Cl2 plasmas which is independent of the etching rate and a larger roughness due to preferential desorption of Al in Ar/Cl2/BCl3 plasmas which increases linearly with the etching rate.

Le graphène est un matériau bidimensionnel appartenant à la famille des allotropes du carbone. Il consiste en une couche atomique restant stable grâce à des liaisons chimiques fortes dans le plan entre les atomes de carbone. C'est un semi-conducteur sans bande interdite (gap) avec une dispersion d'énergie linéaire près des points de Dirac, ce qui facilite le transport balistique des porteurs de charge. De plus, tout comme n'importe quel semi-conducteur, il est possible de contrôler ses propriétés électriques sous l'influence d'un champ électrique externe, ce qui permet de modifier la densité de porteurs et leur type (électrons ou trous). Le graphène peut être élaboré par différentes techniques, mais nous avons considéré la croissance directe sur le carbure de silicium (SiC) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) avec une source de carbone externe, technique développée dans notre laboratoire depuis 2010. Cette approche est attrayante car elle permet de contrôler les propriétés du graphène en modifiant les paramètres de croissance. Notre objectif dans ce manuscrit est de donner une idée plus approfondie de cette technique de croissance et d'étudier son potentiel pour la croissance du graphène. À cette fin, nous avons discuté en détail de différents aspects de la croissance, en commençant par des simulations thermodynamiques pour comprendre la chimie gouvernant cette méthode. Nous avons également étudié l'influence des différents paramètres de croissance sur la formation du graphène et sur ses propriétés, tels que le temps de croissance, le débit de propane et d'autres paramètres. Cependant, nous nous sommes principalement concentrés sur deux paramètres majeurs : la quantité d'hydrogène dans le mélange gazeux, surtout que la croissance se fait sous hydrogène et argon, et la désorientation du substrat. Nos recherches ont révélé que la structure du graphène peut être modifiée en fonction de la proportion de l’hydrogène dans le mélange des gaz utilisé pour la croissance. Pour une faible proportion d’hydrogène, la croissance du graphène est associée à une reconstruction d'interface de (6√3×6√3), alors que pour une proportion élevée d’hydrogène, la couche de graphène est désordonnée dans le plan. Ces observations sont liées à l'intercalation de l'hydrogène à l'interface entre la couche de graphène et le substrat SiC, ce qui peut favoriser ou interdire la formation de la reconstruction (6√3×6√3) comme nous l'avons discuté dans le manuscrit. On s'attend à ce que la présence des deux structures de graphène ait un effet sur la contrainte dans la couche de graphène. Pour cette raison, nous avons discuté en détail les origines de la contrainte dans le graphène et tenté de corréler l'intercalation de l'hydrogène à l’interface avec la contrainte. Aussi, nous avons montré que l'angle de désorientation du substrat a une influence directe sur la croissance du graphène, affectant principalement la morphologie mais également la contrainte dans la couche du graphène. Enfin, nous avons pu produire du graphène de haute qualité, tout en démontrant la possibilité de contrôler ses propriétés électriques avec les conditions de croissance. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étendu notre étude à la croissance du graphène sur les semi-conducteurs de type nitrures d’éléments III et en particulier le nitrure d’aluminium (AlN) massif ainsi que des couches hétéroépitaxiées d’AlN/SiC et AlN/Saphir, ce qui ouvre de nouvelles opportunités pour des applications innovantes. La croissance du graphène a été précédée d'une étude de recuit sur les différents échantillons d’AlN, dans le but d'améliorer leur qualité de surface, mais aussi pour tester leur stabilité à la température nécessaire pour la croissance du graphène. Bien que le film d’AlN ait été incapable de résister à la température élevée dans certains cas, une amélioration de la qualité cristalline a été détectée, attribuée à l'effet de recuit. / Graphene is a two-dimensional material belonging to the family of carbon allotropes, consisting of a stable single atomic layer owing to strong in-plane chemical bonds between carbon atoms. It can be identified as a gapless semiconductor with a linear energy dispersion near the Dirac points, which facilitates ballistic carrier transport. In addition, similarly to any semiconductor, it is possible to control its electrical properties under the influence of an external electric field, resulting in the tuning of its carrier density and doping type, i.e. electrons or holes. Graphene can be elaborated by different techniques and approaches. In this present work, we have considered the direct growth on silicon carbide (SiC) by chemical vapor deposition (CVD) with an external carbon source. This approach which has started to be developed in our laboratory since 2010 is very promising since it allows to control the graphene properties by manipulating the growth parameters. Our objective in this manuscript is to give further insights into this growth technique and to study its potential for the growth of graphene. For this purpose, we have discussed in details different aspects of the growth, starting with thermodynamic simulations to understand the chemistry behind our distinct growth approach. We have also investigated the influence of the different growth parameters, such as the growth time, the propane flow rate and other parameters on the growth of graphene and its properties. However, we mainly focused on two major factors: the hydrogen amount in the gas mixture, especially since the growth is carried out under hydrogen and argon, and the substrate’s miscut angle. Our investigations revealed that the graphene structure can be altered depending on the hydrogen percentage in the gas mixture considered for the growth. For low hydrogen percentage, the graphene growth is associated with a (6√3×6√3) interface reconstruction, whereas for high hydrogen percentage, the graphene layer is dominated by in-plane rotational disorder. These observations are related to the hydrogen intercalation at the interface between the graphene layer and the SiC substrate, which can allow or prohibit the formation of the (6√3×6√3) interface reconstruction as we have discussed thoroughly in this manuscript. The presence of two graphene structures was expected to impact the strain within the graphene layer. For this reason, we have discussed in details the origins of the strain in graphene and attempted to correlate the hydrogen intercalation at the interface to the strain amount. Furthermore, the substrate’s miscut angle was also found to have a direct influence on the growth of graphene, mainly affecting the morphology but also the strain within the graphene layer. In light of the different studies and results, we were able to combine the ideal growth parameters to produce state-of-the art graphene, while demonstrating the possibility of tuning its electrical properties with the growth conditions. In a second part of this work, we extended our study to the growth of graphene on III-nitrides semiconductors. We have considered substrates and templates such as bulk aluminum nitride (AlN), AlN/SiC and AlN/sapphire, which opens new opportunities for innovative applications. The growth of graphene was preceded by an annealing study on the different AlN substrates, in an attempt to enhance their surface quality, but also to test their stability at the temperatures necessary for the growth of graphene. Although the AlN film was found to be unable to withstand the high temperature in some cases, an enhancement of the crystalline quality was detected, attributed to the annealing effect.