Grâce à leur haute efficacité et leur durée de vie plus longue, les LED sont de plus en plus utilisées pour l’éclairage, et particulièrement depuis ces dernières années, pour l’éclairage public. Toutefois, le spectre d’émission d’une LED diffère de celui d’une ampoule à incandescence ou à décharge, avec notamment des longueurs d’onde dont l’amplitude est plus élevée dans le domaine du bleu. Il a été démontré que ces longueurs d’onde bleues réduisent la sécrétion de mélatonine, une hormone qui, en plus de ses propriétés anti-oxydantes et anti- cancérigènes, permet de réguler l’horloge biologique du corps humain. La carence de mélatonine peut provoquer des états de fatigue et de stress, pouvant conduire dans certains cas à la dépression. Les longueurs d’onde rouges et proche-IR issues d’éclairages LED ou incandescent ont également des effets négatifs sur l’environnement, puisqu’elles perturbent les cycles de la végétation, comme la photosynthèse. Ces problèmes de santé publique sont connus des autorités, si bien qu’elles imposent des normes pour réduire l’émission de longueurs d’onde bleue, rouge et proche-IR issues de l’éclairage public (ex. norme BNQ 4930-100 au Québec). Dans ce projet, nous proposons des filtres interférentiels permettant d’éliminer les longueurs d’onde nuisibles issues d’un éclairage LED, sans impacter la qualité et l’efficacité de cet éclairage. En utilisant la technique de dépôt PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), nous avons développé des matériaux optiques innovants qui permettent de réaliser des filtres efficaces, simples et à faible coût.

Thin films have been used to modify surface properties of various materials for many years. Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) is one of the possible methods for their preparation and this technique is applied in this work as well. An organosilicone – hexamethyldisiloxane – is used as precursor. Thin films are created on the surface of the substrate using mixture of precursor and oxygen in radiofrequently excited capacitively coupled plasma. The aim of the thesis is to find the optimal deposition conditions for production of transparent thin layers with good barrier capabilities, low oxygen transmission rate especially. Thin film depositions were realized for different compositions of the deposition mixture in continuous and pulsed mode of plasma with varying supplied power and duty cycle values. The deposition process itself was monitored in situ by optical emission spectroscopy. Thin film coatings were analyzed to determine their physical chemical properties (infrared spectroscopy, surface energy) and barrier properties. Using optical emission spectroscopy, important particles were identified in the deposition plasma. Vibrational, rotational and electron temperatures were determined from relative intensities of chosen fragments. Composition of thin films was studied by infrared spectroscopy. The best results of oxygen transmission rate were achieved with layers prepared from deposition mixture with high oxygen content. It was possible to improve barrier properties by performing deposition in pulsed plasma mode with 20–30% duty cycle. In this diploma thesis, optimal deposition conditions of thin films from hexamethyldisiloxane with low oxygen transmission rate were determined. It is possible to use these results in practical applications, such as corrosion inhibitors for archaeological objects. Optionally, they can be used in various industry branches where it is desirable and feasible to prevent oxygen access to the material by deposition of barrier coatings.

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung von plasmaunterstützten CVD-Prozessen zur Abscheidung ultradünner (≤10 nm) wolframbasierter Diffusionsbarrieren für die Kupfermetallisierung in integrierten Schaltkreisen. Es wird ein PECVD-Prozess mit der Gaschemie WF₆/N₂/H₂/(Ar) vorgestellt, mit dem amorphe und leitfähige WN_x-Schichten abgeschieden werden. Dabei wird der Prozess umfassend charakterisiert (z.B. Rate, Homogentität, Kantenbedeckung) und die Einflüsse von Parameteränderungen (besonders Gasflussvariationen) auf die Schichteigenschaften untersucht. Ausgewählte Schichtzusammensetzungen, welche den Barriereanforderungen hinsichtlich geringen elektrischen Widerstandes und sehr guter Homogenität über den Wafer entsprachen, wurden im für den praktischen Einsatz relevanten Schichtdickenbereich von 10 nm eingehender untersucht. Dies erfolgte einerseits mikrostrukturell mit GI-XRD, GDOES und TEM zu Schichtzusammensetzung, Kristallisationsverhalten und Schichtstabilität unter Wärmebehandlung in verschiedenen Medien in direktem Kontakt zu Kupfer. Zudem erfolgte die Beurteilung der Diffusionswirkung der WN_x-Schichten mit elektrischen Messverfahren (CV, TVS) über MIS-Strukturen. Auf Grundlage des WN_x-Prozesses wird durch Zugabe von Silan zur Prozessgaschemie die Möglichkeit der Abscheidung einer ternären Zusammensetzung WSiN untersucht. Es erfolgt eine ausführliche Auswertung der Literatur zu verschiedenen WSiN-Abscheideprozessen und eine Wertung der beschriebenen ternären Zusammensetzung in Bezug auf geringen elektrischen Widerstand und thermischer Stabilität. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen kann ein ternärer Zusammensetzungsbereich von Me-Si-N eingegrenzt werden, der sowohl amorphe Mikrostruktur, niedrigen elektrischen Widerstand und hohe thermische Stabilität garantiert. Der entwickelte PECVD-Prozess mit Silan führte zu einer Si-stabilisierten WN_x-Schicht mit nur geringfügig höherer thermischer Stabilität aber deutlich höheren elektrischen Widerstand. Es wird die Frage diskutiert, ob die Entwicklung einer amorphen ternären Verbindung mit höherer thermischer Stabilität aber zu Lasten des elektrischen Widerstandes notwendig ist, wenn für das Stoffsystem schon eine amorphe binäre Zusammensetzung existiert, die die Anforderungen einer Diffusionsbarriere hinsichtlich hoher Leitfähigkeit und ausreichend hoher thermischer Stabilität erfüllt.

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Dans le contexte environnemental actuel, le photovoltaïque bénéficie de l'augmentation des efforts de recherche dans le domaine des énergies renouvelables. Pour réduire le coût de la production d'électricité par conversion directe de l'énergie lumineuse en électricité, le photovoltaïque concentré est intéressant. Le principe est de concentrer une grande quantité d'énergie lumineuse sur des petites surfaces de cellules solaires multi-jonction à haute efficacité. Lors de la fabrication d'une cellule solaire, il est essentiel d'inclure une méthode pour réduire la réflexion de la lumière à la surface du dispositif. Le design d'un revêtement antireflet (ARC) pour cellules solaires multi-jonction présente des défis à cause de la large bande d'absorption et du besoin d'égaliser le courant produit par chaque sous-cellule. Le nitrure de silicium déposé par PECVD en utilisant des conditions standards est largement utilisé dans l'industrie des cellules solaires à base de silicium. Cependant, ce diélectrique présente de l'absorption dans la plage des courtes longueurs d'onde. Nous proposons l'utilisation du nitrure de silicium déposé par PECVD basse fréquence (LFSiN) optimisé pour avoir un haut indice de réfraction et une faible absorption optique pour l'ARC pour cellules solaires triple-jonction III-V/Ge. Ce matériau peut aussi servir de couche de passivation/encapsulation. Les simulations montrent que l'ARC double couche SiO[indice inférieur 2]/LFSiN peut être très efficace pour réduire les pertes par réflexion dans la plage de longueurs d'onde de la sous-cellule limitante autant pour des cellules solaires triple-jonction limitées par la sous-cellule du haut que pour celles limitées par la sous-cellule du milieu. Nous démontrons aussi que la performance de la structure est robuste par rapport aux fluctuations des paramètres des couches PECVD (épaisseurs, indice de réfraction).

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques et thermiques intéressantes. Grâce à sa large bande interdite, son fort champ de claquage et sa forte vitesse de saturation, il est très convoité pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissance et de hautes fréquences pouvant fonctionner à haute température. De plus, grâce au caractère direct de sa bande interdite et son pouvoir d’émission à faible longueur d’onde, il est aussi avantageux pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection tels que les DELs, les lasers ou les photo-détecteurs. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d’inefficacités du dopage p et les densités élevées de défauts cristallins dans les couches épitaxiées ont constitué pendant longtemps des handicaps majeurs au développement des technologies GaN. Il a fallu attendre le début des années 1990 pour voir apparaître des couches épitaxiales de meilleures qualités et surtout pour obtenir un dopage p plus efficace [I. Akasaki, 2002]. Cet événement a été l’une des étapes clés qui a révolutionnée cette technologie et a permis d’amorcer son intégration dans le milieu industriel. Malgré l’avancé rapide qu’a connu le GaN et son potentiel pour la réalisation de sources optoélectroniques de haute efficacité, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques avec une faible résistivité, ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont généralement caractérisées par la présence d’une forte densité d’états de surface (D[indice inférieur it]). Cette forte D[indice inférieur it], aussi rapportée sur GaAs et sur d’autres matériaux III-V, détériore considérablement les performances des dispositifs réalisés et peut induire l’ancrage (‘pinning’) du niveau de Fermi. Elle constitue l’un des freins majeurs au développement d’une technologie MIS-GaN fiable et performante. Le but principal de ce projet de recherche est l’élaboration et l’optimisation d’un procédé de passivation du GaN afin de neutraliser ou minimiser l’effet de ses pièges. Les conditions de préparation de la surface du GaN avant le dépôt de la couche isolante (prétraitement chimique, gravure, prétraitement plasma etc.), les paramètres de dépôt de la couche diélectrique par PECVD (pression, température, flux de gaz, etc.) et le traitement post dépôt (tel que le recuit thermique) sont des étapes clés à investiguer pour la mise au point d’un procédé de passivation de surface efficace et pour la réalisation d’une interface isolant/GaN de bonne qualité (faible densité d’états de surface, faible densité de charges fixes, bonne modulation du potentiel de surface, etc.). Ceci permettra de lever l’un des verrous majeurs au développement de la technologie MIS-GaN et d’améliorer les performances des dispositifs micro- et optoélectroniques à base de ce matériau. Le but ultime de ce projet est la réalisation de transistors MISFETs ou MIS-HEMTs de hautes performances sur GaN.

Cette thèse présente un travail exploratoire sur des cellules solaires hybrides, basées sur un matériau inorganique (le silicium) et un polymère (le P3HT). Cette structure a été imaginée pour améliorer les cellules à bas coûts à base de matériaux organiques. Nous démontrons ici sa faisabilité expérimentale et analysons son fonctionnement. L'hétérojonction entre le silicium et le P3HT a été étudiée sur des dispositifs en bicouches planes. Nous montrons qu'elle fournit de l'énergie électrique et que les deux matériaux peuvent contribuer au photocourant. Des rendements de 1,6 % ont été obtenus. Un effort constant a été fait pour simplifier et fiabiliser les procédés de fabrication. Deux nouveaux types de silicium nano-structuré ont été développés. Des ``nano-éponges'', dont la taille typique des pores est de 20 nm, ont été obtenues à l'aide de catalyseurs métalliques par dépôts assistés par plasma à 175 °C. Des nanofils de silicium ont été formés par un procédé inédit : les substrats sont des oxydes transparents conducteurs, les catalyseurs sont générés in situ et la température de croissance est inférieure à 300 °C. La phase würtzite a été mise en évidence dans certains fils, et divers modes de croissance ont été observés. Ces deux nouveaux types de couches minces pourront aussi être utilisées dans des cellules solaires inorganiques.

Nanocrystalline silicon (nc-Si:H) is a promising material for Thin-Film Transistors (TFTs) offering potentially higher mobilities and improved stability over hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). The slow growth rate of nc-Si:H can be overcome by using pulsed Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD). Pulsed PECVD also reduces powder particle formation in the plasma and provides added degrees of freedom for process optimization. Unlike high frequency PECVD, pulsed PECVD can be scaled to deposit films over large areas with no reduction in performance. For this thesis, silicon thin films were deposited by the pulsed PECVD technique at a temperature of 150 ??C and TFTs were made using this material. Radio Frequency (RF) power and silane (SiH₄) flow rate were varied in order to study the effect of different levels of crystallinity on the film. Raman spectroscopy, Atomic Force Microscope (AFM), X-Ray Diffraction (XRD), electrical conductivity, Hall mobility, optical band gap, and stability under light-soaking were measured using films of two different thicknesses, 50 nm and 300 nm. From the Raman data we see that the 50 nm films deposited with high hydrogen dilution are mostly amorphous, indicating the presence of a thick incubation layer. The 300nm samples deposited with hydrogen dilution, on the other hand, showed very high crystallinity and conductivity, except for 300-2 which was surprisingly, mostly amorphous. AFM and XRD measurements were also performed to confirm the Raman data and get an estimate for the crystallite grain size in the 300 nm samples. The conductivity was measured for all films, and the Hall mobility and carrier concentration was measured for one of the 300 nm films. The thin samples which are mostly amorphous show low conductivity whereas the thick high crystallinity films show high conductivity, and n-type behaviour possibly due to oxygen doping. The optical gap was also measured using Ultra Violet (UV) light and results indicate the possible presence of small crystallites in the 50 nm films. The conductivity's stability under light-soaking was measured to observe the material's susceptibility to degradation, and the 300 nm with high crystallinity were much more stable than the a-Si:H films. All the results of these measurements varied depending on the film and these results are discussed. Bottom-gate TFTs were fabricated using a pulsed PECVD channel layer and an amorphous silicon nitride (a-SiN:H) gate dielectric. The extracted parameters of one of the best TFTs are <i>&mu;_sat</i> &le; 0. 38 cm² V^-1 s^-1, <i>V_t,sat</i> &ge; 7. 3 V, <i>I_on/off</i> > 10⁶, and <i>S</i> < 1 V/decade. These parameters were extracted semi-automatically from the basic Field-Effect Transistor (FET) model using a computer program. Extraction using a more complicated model yielded similar results for mobility and threshold voltage but also gave a large power parameter <i>&alpha;</i> of 2. 31 and conduction band tail slope of 30 meV. The TFT performance and material properties are presented and discussed. On this first attempt at fabricating TFTs using a nc-Si:H channel layer deposited by pulsed PECVD, results were obtained which are consistent with results for low temperature a-Si:H TFTs and previous pulsed PECVD TFTs. The channel layer was mostly amorphous and non-crystalline, possibly due to the amorphous substrate or insufficient hydrogen dilution in the plasma. The 300 nm films showed, however, that high crystallinity material deposited directly on glass can easily be obtained, and this material showed less degradation under light-soaking than the purely amorphous counterpart. Pulsed PECVD is a promising technique for the growth of nc-Si:H and with further materials development and process optimization for TFTs, it may prove to be useful for the growth of high-quality nc-Si:H TFT channel layers.

Flash memories are solid-state non-volatile memories. They play a vital role especially in information storage in a wide range of consumer electronic devices and applications including smart phones, digital cameras, laptop computers, and satellite navigators. The demand for high density flash has surged as a result of the proliferation of these consumer electronic portable gadgets and the more features they offer – wireless internet, touch screen, video capabilities. The increase in the density of flash memory devices over the years has come as a result of continuous memory cell-size reduction. This size scaling is however approaching a dead end and it is widely agreed that further reduction beyond the 20 nm technological node is going to be very difficult, as it would result to challenges such as cross-talk or cell-to-cell interference, a high statistical variation in the number of stored electrons in the floating gate and high leakage currents due to thinner tunnel oxides. Because of these challenges a wide range of solutions in form of materials and device architectures are being investigated. Among them is three-dimensional (3-D) flash, which is widely acclaimed as the ideal solution, as they promise the integration of long-time retention and ultra-high density cells without compromising device reliability. However, current high temperature (>600 °C) growth techniques of the Polycrystalline silicon floating gate material are incompatible with 3-D flash memory; with vertically stacked memory layers, which require process temperatures to be ≤ 400 °C. There already exist some low temperature techniques for producing polycrystalline silicon such as laser annealing, solid-phase crystallization of amorphous silicon and metal-induced crystallization. However, these have some short-comings which make them not suitable for use in 3-D flash memory, e.g. the high furnace annealing temperatures (700 °C) in solid-phase crystallization of amorphous silicon which could potentially damage underlying memory layers in 3-D flash, and the metal contaminants in metal-induced crystallization which is a potential source of high leakage currents. There is therefore a need for alternative low temperature techniques that would be most suitable for flash memory purposes. With reference to the above, the main objective of this research was to develop a novel low temperature method for growing silicon structures at ≤ 400 °C. This thesis thus describes the development of a low-temperature method for polycrystalline silicon growth and the application of the technique in a capacitor-like flash memory device. It has been demonstrated that silicon structures with polycrystalline silicon-like properties can be grown at ≤ 400 °C in a 13.56 MHz radio frequency (RF) plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) reactor with the aid of Nickel Formate Dihydrate (NFD). It is also shown that the NFD coated on the substrates, thermally decomposes in-situ during the deposition process forming Ni particles that act as nucleation and growth sites of polycrystalline silicon. Silicon films grown by this technique and without annealing, have exhibited optical band gaps of ~ 1.2 eV compared to 1.78 eV for films grown under identical conditions but without the substrate being coated. These values were determined from UV-Vis spectroscopy and Tauc plots. These optical band gaps correspond to polycrystalline silicon and amorphous silicon respectively, meaning that the films grown on NFD-coated substrates are polycrystalline silicon while those grown on uncoated substrates remain amorphous. Moreover, this novel technique has been used to fabricate a capacitor-like flash memory that has exhibited hysteresis width corresponding to charge storage density in the order of 1012 cm-2 with a retention time well above 20 days for a device with silicon films grown at 300 °C. Films grown on uncoated films have not exhibit any significant hysteresis, and thus no flash memory-like behaviour. Given that all process temperatures throughout the fabrication of the devices are less than 400 °C and that no annealing of any sort was done on the material and devices, this growth method is thermal budget efficient and meets the crucial process temperature requirements of 3-D flash memory. Furthermore, the technique is glass compatible, which could prove a major step towards the acquisition of flash memory-integrated systems on glass, as well as other applications requiring low temperature polycrystalline silicon.

Neste trabalho são apresentados resultados da caracterização estrutural e morfológica de filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy) depositados pela técnica de deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD) a baixa temperatura (320°C). O objetivo deste trabalho é relacionar a composição química de ligas amorfas de SiOxNy com suas propriedades ópticas, estruturais, morfológicas e mecânicas visando sua aplicação em dispositivos elétricos, optoeletrônica e microestruturas. A proposta é dar continuidade a trabalhos prévios desenvolvidos no grupo, que demonstraram a viabilidade de controlar a composição química e, como conseqüência, controlar as propriedades como o índice de refração, constante dielétrica e fotoluminescência de filmes de SiOxNy. As condições de deposição foram ajustadas de forma a obter dois tipos de material: filmes de SiOxNy de composição química controlável entre a do SiO2 e a do de Si3N4 e filmes de SiOxNy com composição rica em Si. O material foi caracterizado pelas técnicas de elipsometria, índice de refração por prisma acoplado, RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy), FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), XANES (X-Ray Absorption Near Edge Spectroscopy) na borda K do Si, O e N, medida de stress residual e microscopia eletrônica de varredura (Scanning Electron Microscopy) e de transmissão (Transmission Electron Microscopy). Os resultados mostraram que os filmes com composição química intermediária entre a do SiO2 e a do Si3N4 apresentam arranjo estrutural estável com a temperatura, mantendo as ligações e a estrutura amorfa mesmo após tratamentos térmicos a 1000°C. Também fora demonstrada a possibilidade de obter um material com baixo stress residual e índice de refração ajustável entre 1,46 e 2, resultados ótimos para aplicações em MOEMS (micro-opto-electro- mechanical systems). Já nas amostras ricas em Si foi observada a formação de diferentes fases, sendo uma delas formada por aglomerados de Si e a outra por material constituído por uma mistura de ligações Si-O e Si-N. Este material apresenta a formação de nanocristais de Si, dependendo do conteúdo de Si e das condições do tratamento térmico, permitindo assim, sua aplicação em dispositivos emissores de luz. / In this work results on the morphological and structural characterization of silicon oxynitride (SiOxNy) films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition technique (PECVD) at low temperature (320°C) are presented. The main goal is to correlate the chemical composition of amorphous SiOxNy alloys to their optical, structural, morphological and mechanical properties intending applications on electrical, optoelectronic and micromechanical devices. The proposal is to continue previous research developed in this group, which demonstrated the possibility of tuning the chemical composition and, consequently, the SiOxNy films properties such as refractive index, dielectric constant and photoluminescence by the precise control of the deposition parameters. The deposition conditions were adjusted in order to obtain to material types, SiOxNy films with tunable chemical composition between SiO2 and Si3N4 and silicon-rich SiOxNy. The characterization was performed by elipsometry, refractive index by coupled prism, RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy), FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), XANES (X-Ray Absorption Near Edge Spectroscopy) on K edge of Si, O and N, residual stress measurement and Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The films with chemical composition between SiO2 and Si3N4 presented stable structural arrangement with temperature, maintaining the chemical bonds and the amorphous structure after high temperature annealing. Also the results demonstrated the possibility of producing a low residual stress material and an adjustable refractive index since in the 1.46 to 2 range, excellent result for MOEMS devices (micro-opto-electro- mechanical systems applications. For silicon rich-samples the formation of different phases was observed, one formed by Si clusters and other one by a mixture of Si-O and Si-N bonds. Depending on the Si content and on the annealing conditions this material can present nanocristals, results which allowed us to understand and to optimize this material for light emitting devices applications.