Ce travail de thèse porte sur la caractérisation à l'échelle du fil unique des propriétés de fils GaN de taille micronique (µfil), en vue du développement d'une technologie de diodes électroluminescentes (LEDs) à base d'une assemblée de µfils GaN crûs par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Chaque µfil est lui-même une LED constituée d'un cœur de type n et d'une coquille de type p, entre lesquels est insérée une zone active composée de multi-puits quantiques InGaN/GaN. En premier lieu, les propriétés électriques des différentes régions du cœur de type n ont été analysées par des mesures de résistivité à l'échelle du fil unique. Le µfil GaN:Si fortement dopé possède une conductivité électrique jamais rapportée dans le cas de couches planaires comparables. Une approche originale combinant une mesure de résistivité et de propriétés thermoélectriques a alors été développée pour séparer les contributions de la densité d'électrons et de leur mobilité à température ambiante dans ces µfils. Des mesures optiques résolues spatialement de cathodoluminescence (CL) et µRaman confirment ces valeurs de densités d'électrons. Une seconde partie détaille une étude résolue spatialement des jonctions p-n cœur-coquille par des techniques à base d'un faisceau électronique. Sur un µfil clivé, la jonction tridimensionnelle (axiale et radiale) existante dans ces structures est mise en évidence par une cartographie du champ électrique (courant induit par faisceau électronique, EBIC) ou du potentiel électrostatique (contraste de tension des électrons secondaires). Ces techniques renseignent alors sur les niveaux de dopage donneur et accepteur et les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires à proximité de la jonction. La cartographie EBIC décrit également l'état d'activation des dopants Mg dans la coquille p-GaN:Mg. Finalement, la combinaison de mesures EBIC et CL avec une étude des propriétés électro-optiques d'un µfil LED, fournit des voies d'optimisation pour la réalisation de LEDs à base de µfils plus efficaces. / This thesis deals with the characterization of GaN microwires (µwires) at the single wire level,toward the development of a light-emitting diode (LED) technology based on an ensemble of standing GaN µwires grown by metal organic vapour phase epitaxy. Each µwire is actually an LED consisting of an n-type core and a p-type shell, between which an InGaN/GaN multiquantum well active region is inserted. First, the electrical properties of the different parts of the n-type core were determined using resistivity measurements at the single wire level. The GaN:Si µwire exhibits conductivity values never reported by the planar layer counterparts. An original technique combining resistivity and thermoelectric measurements was developed to infer the electron density and mobility in these µwires. Spatially resolved optical measurements such as cathodoluminescence (CL) and µRaman confirmed the electron density values. The second part describes a spatially resolved study of the core-shell p-n junction using electron beam probing techniques. On a cleaved wire, the tridimensional (axial and radial) junction was highlighted by mapping the electric field (electron beam induced current, EBIC) or the electrostatic potential (secondary electron voltage contrast). These techniques yielded the donor and acceptor doping levels as well as the minority carriers diffusion lengths in the vicinity of the junction. EBIC mapping also provided the activation state of Mg dopants in the p-GaN:Mg shell. Finally, a study of the electro-optical properties of a single µwire LED, combined with EBIC and CL measurements, paves the way to the fabrication of more efficient µwire-based LED.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation à l'échelle du fil unique des propriétés de fils GaN de taille micronique (µfil), en vue du développement d'une technologie de diodes électroluminescentes (LEDs) à base d'une assemblée de µfils GaN crûs par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Chaque µfil est lui-même une LED constituée d'un cœur de type n et d'une coquille de type p, entre lesquels est insérée une zone active composée de multi-puits quantiques InGaN/GaN. En premier lieu, les propriétés électriques des différentes régions du cœur de type n ont été analysées par des mesures de résistivité à l'échelle du fil unique. Le µfil GaN:Si fortement dopé possède une conductivité électrique jamais rapportée dans le cas de couches planaires comparables. Une approche originale combinant une mesure de résistivité et de propriétés thermoélectriques a alors été développée pour séparer les contributions de la densité d'électrons et de leur mobilité à température ambiante dans ces µfils. Des mesures optiques résolues spatialement de cathodoluminescence (CL) et µRaman confirment ces valeurs de densités d'électrons. Une seconde partie détaille une étude résolue spatialement des jonctions p-n cœur-coquille par des techniques à base d'un faisceau électronique. Sur un µfil clivé, la jonction tridimensionnelle (axiale et radiale) existante dans ces structures est mise en évidence par une cartographie du champ électrique (courant induit par faisceau électronique, EBIC) ou du potentiel électrostatique (contraste de tension des électrons secondaires). Ces techniques renseignent alors sur les niveaux de dopage donneur et accepteur et les longueurs de diffusion des porteurs minoritaires à proximité de la jonction. La cartographie EBIC décrit également l'état d'activation des dopants Mg dans la coquille p-GaN:Mg. Finalement, la combinaison de mesures EBIC et CL avec une étude des propriétés électro-optiques d'un µfil LED, fournit des voies d'optimisation pour la réalisation de LEDs à base de µfils plus efficaces. / This thesis deals with the characterization of GaN microwires (µwires) at the single wire level,toward the development of a light-emitting diode (LED) technology based on an ensemble of standing GaN µwires grown by metal organic vapour phase epitaxy. Each µwire is actually an LED consisting of an n-type core and a p-type shell, between which an InGaN/GaN multiquantum well active region is inserted. First, the electrical properties of the different parts of the n-type core were determined using resistivity measurements at the single wire level. The GaN:Si µwire exhibits conductivity values never reported by the planar layer counterparts. An original technique combining resistivity and thermoelectric measurements was developed to infer the electron density and mobility in these µwires. Spatially resolved optical measurements such as cathodoluminescence (CL) and µRaman confirmed the electron density values. The second part describes a spatially resolved study of the core-shell p-n junction using electron beam probing techniques. On a cleaved wire, the tridimensional (axial and radial) junction was highlighted by mapping the electric field (electron beam induced current, EBIC) or the electrostatic potential (secondary electron voltage contrast). These techniques yielded the donor and acceptor doping levels as well as the minority carriers diffusion lengths in the vicinity of the junction. EBIC mapping also provided the activation state of Mg dopants in the p-GaN:Mg shell. Finally, a study of the electro-optical properties of a single µwire LED, combined with EBIC and CL measurements, paves the way to the fabrication of more efficient µwire-based LED.

L'objectif du projet VELSIC a été de démontrer la faisabilité de jonctions p+/n- profondes dans le semiconducteur 4H-SiC, de haute qualité électrique, comprenant une zone p++ réalisée par un procédé original d'épitaxie localisée à basse température (1100 – 1200°C), en configuration VLS (Vapeur - Liquide - Solide). Cette technique innovante de dopage par épitaxie utilise le substrat de SiC mono cristallin comme un germe de croissance sur lequel un empilement enterré de Al - Si est porté à fusion pour constituer un bain liquide, lequel est alimenté en carbone par la phase gazeuse. Cette méthode se positionne comme une alternative avantageuse à l'implantation ionique, actuellement utilisée par tous les fabricants de composants en SiC, mais qui présente des limitations problématiques encore non résolues à ce jour. Les travaux de thèse ont exploré toutes les facettes du processus complet de fabrication de diodes de test, avec une attention particulière portée sur l'optimisation de la gravure de cuvettes dans le substrat SiC. Le cœur des travaux a été concentré sur l'optimisation de l'épitaxie VLS localisée. L'étude a confirmé la nécessité de limiter la vitesse de croissance vers 1 µm/h pour conserver une bonne cristallinité du matériau épitaxié. Elle a également mis en évidence l'action directe du champ électromagnétique radiofréquence sur la phase liquide, conduisant à une très forte influence du diamètre des cuvettes gravées sur l'épaisseur du SiC déposé. Un remplissage quasiment complet des cuvettes de 1 µm de profondeur à très fort dopage p++ a été démontré. À partir des couches VLS optimisées, des démonstrateurs de types diodes p+/n- ont été fabriqués. Sur les meilleurs échantillons, sans passivation ni protection périphérique, des tensions de seuil en régime direct (entre 2,5 et 3 V) ont, pour la première fois, été mesurées, sans recourir à un recuit haute température après épitaxie. Elles correspondent aux valeurs attendues pour une vraie jonction p-n sur 4H-SiC. Des densités de courant de plusieurs kA/cm2 ont également pu être injectées pour des tensions situées autour de 5 - 6 V. En régime de polarisation inverse, aucun claquage n'est observé jusqu'à 400 V et les densités de courant de fuite à faible champ électrique dans la gamme 10-100 nA/cm2 ont été mesurées. Toutes ces avancées si situent au niveau de l'état de l'art pour des composants SiC aussi simples, toutes techniques de dopage confondues / The objective of the VELSIC project has been to demonstrate the feasibility of 1 µm deep p+/n- junctions with high electrical quality in 4H-SiC semiconductor, in which the p++ zone is implemented by an original low-temperature localized epitaxy process ( 1100 - 1200 °C ), performed in the VLS (Vapor - Liquid - Solid) configuration. This innovative epitaxy doping technique uses the monocrystalline SiC substrate as a crystal growth seed. On the substrate (0001-Si) surface, buried patterns of Al - Si stack are fused to form liquid islands which are fed with carbon by C3H8 in the gas phase. This method is investigated as a possible higher performance alternative to the ion implantation process, currently used by all manufacturers of SiC devices, but which still experiences problematic limitations that are yet unresolved to date. Although the main focus of the study has been set on the optimization of localized VLS epitaxy, our works have explored and optimized all the facets of the complete process of test diodes, from the etching of patterns in the SiC substrate up to the electrical I - V characterization of true pn diodes with ohmic contacts on both sides.Our results have confirmed the need to limit the growth rate down to 1 µm/h to maintain good crystallinity of the epitaxial material. It has also highlighted the direct action of the radiofrequency electromagnetic field on the liquid phase, leading to a very strong influence of the diameter of the etched patterns on the thickness of the deposited SiC. A nearly complete filling of the 1 µm deep trenches with very high p++ doping has been demonstrated. Using optimized VLS growth parameters, p+/n- diode demonstrators have been processed and tested. On the best samples, without passivation or peripheral protection, high direct-current threshold voltages, between 2.5 and 3 V, were measured for the first time without any high-temperature annealing after epitaxy. These threshold voltage values correspond to the expected values for a true p-n junction on 4H-SiC. Current densities of several kA/cm2 have also been injected at voltages around 5 - 6 V. Under reverse bias conditions, no breakdown is observed up to 400 V and low leakage current densities at low electric field, in the range 10 - 100 nA/cm2, have been measured. All these advances align with or exceed state-of-the-art results for such simple SiC devices, obtained using any doping technique

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude à la fois théorique et expérimentale de la dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans un dispositif à base de (Ga,Mn)As. Une couche de (Ga,Mn)As, dont l’anisotropie magnétique est complexe, est un matériau de choix pour la manipulation de l’aimantation par un champ électrique.J’ai présenté une stratégie de retournement précessionnel de l'aimantation qui tire partie de la réduction transitoire de l'anisotropie cubique provoquée par une courte impulsion de champ électrique. A l’aide d’un modèle macrospin, j’ai démontré notamment qu'une impulsion de champ électrique de quelques ns de durée est suffisante pour basculer l'aimantation entre deux positions d'équilibres.L'aspect expérimental est basé sur l'utilisation d'une jonction p-n tout semi-conducteur dont la région dopée p est formée par une couche mince de (Ga,Mn)As. La déplétion des porteurs de charge dans le canal semi-conducteur provoquée par l'application d'un train d'impulsions de tension de courte durée induit une forte diminution du champ d'anisotropie cubique. L'étude expérimentale du renversement de l'aimantation en champ magnétique a conduit à la mise en évidence d'un retournement de l'aimantation via la nucléation et la propagation de parois et d’une distribution large des champs de piégeage. L'inhomogénéité magnétique au sein de la couche de (Ga,Mn)As a empêché l'observation d'une résonance ferromagnétique induite par un champ électrique. Néanmoins, des mesures de retournement avec une ou plusieurs impulsions de tension de grille ont permis de proposer un processus de renversement de l'aimantation induit par un champ électrique. / This work has been devoted to the study of both theoretical and experimental electric field induced magnetization dynamics in a (Ga,Mn)As based device. A layer of (Ga,Mn)As, whose magnetic anisotropy is complex, is of particular interest for magnetization manipulation by electric fields.I proposed a scheme for the precessional switching of the magnetization using cubic anisotropy field reduction triggered by electric field pulse. Using a model macrospin, I demonstrated that a ns-pulse is sufficient to switch the magnetization between two equilibrium positions.An all-semiconductor epitaxial p-n junction based on low-doped (Ga,Mn)As was fabricated. Gating effects triggered by low voltage pulses induced a strong decrease of the cubic anisotropy field. I demonstrated that magnetization reversal is dominated by the nucleation and the propagation of domain walls. The distribution of pinning fields was found to be broad. Due to a magnetic inhomogeneity of the (Ga,Mn)As layer, it was not possible to observe any ferromagnetic resonance induced by an electric field. However, I proposed a magnetization reversal scenario based on single or multiple gate voltage pulses measurements

Les nanostructures à base de nitrures d’éléments III suscitent un intérêt croissant, en raison de leurs propriétés singulières et de leurs applications technologiques potentielles, dans les diodes électroluminescentes (LED) notamment. La maîtrise et le contrôle du dopage de ces nanostructures est un enjeu crucial, mais difficile. A ce sujet, cette thèse apporte une contribution nouvelle, en explorant le processus de dopage de type n et p des nanofils (NFs) de GaN crus par épitaxie par jets moléculaires (EJM). En particulier, les propriétés électriques de ces structures ont été caractérisées par une approche multi-technique, à l’échelle du NF unique.Tout d'abord, les propriétés structurales et électriques d'une série de NFs de GaN dopés au Si (type n) ont été étudiées. Des mesures de spectroscopie de rayons X à haute résolution sur des NFs individuels ont mis en évidence une incorporation de Si plus élevée dans les NFs que dans les couches minces épitaxiées, ainsi qu’une migration du Si à la surface du NF pour le fil ayant le niveau de dopage le plus élevé. Des mesures de transport sur des NFs uniques (quatre contacts avec une température allant de 300 K jusqu’à 5 K) ont démontré un contrôle du dopage, avec une résistivité allant de 10^2 à 10^-3 Ω.cm et une concentration de porteurs comprise entre 10^17 et 10^20 cm-3. Des mesures réalisées sur des transistors à effet de champ à NFs uniques non intentionnellement dopés ont démontré qu’ils sont de type n avec une mobilité de porteurs élevée.Parallèlement à cela, les conditions de croissance de NFs de GaN dopés au Mg (p-type) et de jonctions p-n ont été déterminées afin d’obtenir une incorporation significative en Mg. Les propriétés électriques de jonctions p-n axiale à base de NFs de GaN posées sur un substrat de SiO2 et contactés avec de l’oxyde d’indium-étain (ITO) ont été étudiées en utilisant la technique du courant induit par faisceau électronique (EBIC). L’analyse EBIC a permis de localiser la jonction p-n le long du fil et de clairement montrer son bon fonctionnement en polarisation directe ou inverse. L'analyse EBIC a démontré que le GaN de type p est hautement résistif, confirmant ainsi les difficultés à réaliser des mesures de transport sur ce matériau.Cette étude originale a permis de décrire les propriétés électriques et de dopage de ces NFs de GaN à une échelle nanoscopique, facilitant ainsi la fabrication des futurs dispositifs incorporant des nanostructures à base de GaN. / III-nitride nanostructures have been attracting increasing attention due to their peculiar properties and potential device applications as lighting LEDs. The control and evaluation of the doping in the nanostructures is a crucial, yet a challenging issue. This thesis advances the field by exploring the n and p type doping process of GaN nanowires (NWs) grown by molecular beam epitaxy (MBE). In particular, their electrical properties have been revealed through a multi-technique approach at the single NW level.Firstly, the structural and electrical properties of a series of Si-doped (n-type) GaN NWs have been studied. High resolution energy dispersive X-ray spectroscopy measurements on single NWs have illustrated the achievement of a higher Si incorporation in NWs than in epilayers, and Si segregation at the edge of the NW with the highest doping. Furthermore, direct transport measurements (four probes measurements from 300 K down to 5 K) on single NWs have shown a controlled doping with resistivity from 10^2 to 10^-3 Ω.cm, and a carrier concentration from 10^17 to 10^20 cm-3. Field effect transistor measurements have evidenced the n-type nature and a high electron mobility of the non-intentionally doped NWs.Secondly, the growth conditions of Mg-doped (p-type) and axial GaN p-n junction NWs have been determined to achieve significant Mg incorporation. Furthermore, the electrical properties of the axial GaN p-n junction NWs, dispersed on SiO2 and contacted by ITO, have been studied using electron beam induced current (EBIC) technique. EBIC technique revealed the location of the p-n junction and clearly demonstrated its operation under reverse and forward polarization. Moreover, EBIC showed highly resistive p-GaN in accordance with the difficulties to perform direct transport measurements on p-GaN NWs.This original study provides a nanoscale description of the electrical and doping properties of the GaN NWs, facilitating the fabrication of the future GaN nanostructures based devices.

Ces travaux se sont consacrés à l’étude de l’intégration du silicium poreux au procédé de fabrication des TRIACs. Ce matériau a pour but d’optimiser les structures actuelles du point de vue de leur périphérie. Son utilisation en tant que terminaison de jonction pourrait ouvrir la voie à une diminution de la taille des puces et donc augmenter la quantité de puces par wafer. Le silicium poreux est intégré aux périphéries des TRIACs par gravure électrochimique dans du silicium faiblement dopé n (30−40 Ω.cm). Pour assurer le bon déroulement de la réaction et ce dans un cadre industriel, la technique d’injection de trous depuis une jonction p+/n est étudiée. L’influence des paramètres d’anodisation dans ces conditions est analysée. Une double couche composée de silicium macroporeux rempli de silicium mésoporeux et surmonté d’une couche de nucléation a été obtenue. Le silicium poreux est localisé dans la périphérie des TRIACs. Des mesures de tenue en tension d’une jonction p/n présentant cette terminaison à base de silicium poreux ont été évaluées et ont montrées des tenues en tension dix fois supérieures à la même structure sans silicium poreux. Toutefois, des perspectives d’amélioration sont proposées car ces résultats restent insuffisants. / The integration of porous silicon to TRIACs process is studied. The aim of this material is to optimize current structures dedicated to electrical insulation of those components namely the periphery. The use of porous silicon as junction termination could allow the increase of the number of die per wafer. Porous silicon is integrated to TRIAC peripheries by electrochemical etching in low doped n type silicon (30−40 Ω.cm). Hole injection from a p+/n junction is studied to determine the performance of the reaction as part of an industrial microelectronic process. The reaction parameters are studied in those conditions. A double layer consisting in a macroporous layer fully filled with mesoporous silicon and surmounted by a nucleation layer, is obtained. Porous silicon formation is limited to TRIAC peripheries. Voltage withstand of a p/n junction with porous silicon termination shows values ten times higher than the same structure without this insulator. Nevertheless, prospects of improvement are suggested because those results are insufficient.

Les nanofils (NFs) semiconducteurs sont sujets d'un intérêt croissant depuis une vingtaine d'années pour de nombreuses applications potentielles liées à leurs propriétés optoélectroniques spécifiques. Ils présentent ainsi un intérêt particulier pour l'application photovoltaïque. En effet, l'association du fort coefficient d'absorption des semiconducteurs III-V et du bas coût des substrats de silicium permettrait de réaliser des cellules photovoltaïques à bas coût et à haut rendement. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse qui visait deux objectifs : d'une part, la simulation RCWA (Rigorous CoupledWave Analysis) de l'absorption de la lumière dans un réseau ordonné de NFs de GaAs sur un substrat de silicium et d'autre part, la croissance auto-catalysée de NFs de GaAs par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) en mode Vapeur- Liquide-Solide (VLS). La simulation RCWA a permis de déterminer les paramètres optimaux en termes de diamètre et hauteur des NFs ainsi que de la période du réseau de NFs pour avoir une absorption optimale de la lumière, en prenant en compte les couches de passivation de GaAlAs et d'ITO. L'étude de la croissance auto-catalysée des NFs de GaAs a permis de déterminer les paramètres de croissance (température, flux de Ga, flux d'As, rapport V/III, ...) optimaux pour avoir une densité, un diamètre et une hauteur de NFs verticaux corrélés aux résultats de simulation. Il a aussi été mis en évidence un rapport V/III critique à ne pas dépasser pour conduire à des NFs de structure cristalline pure Zinc-Blende. Des NFs de GaAs à jonction p-n cœur-coquille ont été produits et caractérisés par EBIC et SSRM. Enfin, nous avons démontré la faisabilité de la croissance auto-catalysée de NFs de GaAlAs sur substrat Si par EJM-VLS. / Over the past few years, semiconductor nanowires (NWs) have aroused a lot of interest for their specific optoelectronic properties. The latter make them particularly interesting for photovoltaics. The combination of the high absorption coefficient of the III-V semiconductors and the low cost of the silicon substrates would indeed make it possible to produce low-cost and with high-efficiency photovoltaic cells. This context made it possible to write this thesis. On the one hand, the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) simulation of the light absorption in an ordered GaAs NW array on a silicon substrate and on the other hand the self-catalyzed growth of GaAs NWs by Molecular Beam Epitaxy (MBE) in Vapor-Liquid-Solid (VLS) mode. The RCWA simulation was carried out to determine the optimal parameters such as the diameter and the height of the NWs, and the period of the NW array for efficient light absorption. This work took into account both GaAlAs "passivating" layer and ITO transparent contact layer in order to define the optimal parameters. The study of the self-catalyzed growth of GaAs NWs allowed us to determine the optimal growth parameters (temperature, Ga flux, As flux, V/III ratio, ...) in order to obtain a density, diameter and height of vertical NWs correlated to simulation results. A critical V/III ratio was also determined, and in order to produce pure Zinc-Blende NWs, this ratio should not exceed that value. GaAs NWs with p-n core-shell junction were produced and characterized by EBIC and SSRM. Finally, we demonstrated the feasibility of the self-catalyzed growth of GaAlAs NWs on Si substrate by VLS-MBE.

The master’s thesis deals with the noise diagnostic in the solar cells. Describes the main kinds of noises. The samples were quality and reliability screened using noise reliability indicators. The samples were surveyed by measuring the I-V characteristics, the noise spectral density as a function of forward voltage and frequency. It was calculated the noise spectral density as a function of forward current.