Sublimation epitaxy of SiC on low off-axis substrates was performed. The growth was performed at different temperatures, mainly under vacuum conditions or with an initial atmosphere of N2 at 0.5 mbar (RT). Some additional experiments under different conditions (Ar background, higher temperature, higher off-axis substrate) were performed in order to further investigate growth influencing factors. The samples were characterized by optical microscopy and atomic force microscopy. A dependence of 3C/6H growth on substrate off-axis, as well as on temperature, was clear to be seen. Favored growth of 6H in the presence of N2 was found.  An enlargement effect on the 3C domains grown in N2 ambient was observed. Additionally a correlation between step bunching and growth rate was found in step flow growth on low off-axis substrates. Suggestions for relevant growth mechanisms are made. Further work is discussed.

Le carbure de silicium est l'un des semi-conducteurs les plus importants et les plus répandus dans les appareils électroniques de puissance. Du fait de la demande croissante d'électronique à haut rendement, bas coût et économe en énergie, il est nécessaire d'améliorer les propriétés des semi-conducteurs monocristallins. Cela demande une meilleure compréhension des phénomènes impliqués dans le procédé de croissance de ces matériaux. Cette thèse présentera de nouvelles perspectives sur deux sujets majeurs dans le domaine de la croissance en phase gazeuse de monocristaux de SiC. Dans un premier temps, le procédé de croissance utilisé dans notre laboratoire a été développé dans le but d'améliorer la qualité et la taille des cristaux de SiC obtenus. Une géométrie permettant la croissance sans contact et reproductible de monocristaux de SiC a été obtenue. La nucléation et la propagation des instabilités structurelles (inclusions de polytype étranger) apparaissant lors de la croissance ont été étudiés de façon continue. Deux critères spécifiques doivent être réunis pour qu'un polytype étranger puisse nucléer. Une fois le point de nucléation localisé, la propagation du polytype étranger dans le volume du cristal peut être appréhendée. Lorsque la stabilisation et déstabilisation des polytypes de SiC ont été mieux comprises, une tentative a été faite pour stabiliser la croissance du polytype 15R-SiC. L'objectif final, les paramètres de croissance susceptibles de renforcer la croissance préférentielle de 15R-SiC, a été mis en évidence. Enfin, l'incorporation d'azote pendant la croissance en phase gazeuse de monocristaux a été étudiée. En effet, aucune description détaillée n'existe pour l'incorporation d'azote dans le SiC, bien que ce soit le dopant le plus couramment utilisé. Notre contribution à cet effort porte sur l'étude de la concentration d'azote dans les cristaux obtenus en fonction de différents paramètres de croissance. Compte tenu des mécanismes d'adsorption/désorption à la surface de croissance, un effort a été fait pour expliquer les tendances obtenues expérimentalement. / Silicon Carbide is one of the most important and widely used semiconductors for power electronic devices. Due to the increasing demand for high efficiency, low cost and energy saving electronics, further improvement of the properties of single crystal semiconductors is needed. That requires a better understanding of the phenomena involved in the growth process of these materials. This thesis will bring some new insight into two main topics at the field of SiC bulk growth from the vapor phase. Initially, the growth process used in our laboratory was developed in order to improve the quality and the size of the grown SiC crystal. A geometry that allows the contactless and reproducible growth of SiC single crystals was obtained. Continuously, we investigated the nucleation and propagation of structural instabilities (foreign polytype inclusions) that appear during growth. Two specific criteria must be fulfilled for a foreign polytype to be nucleated. Once the nucleation point is located, the propagation of the foreign polytype in the volume of the grown crystal can be comprehended. Once the stabilization or destabilization of the SiC polytypes was better perceived, an attempt was made to stabilize the growth of the 15R-SiC polytype. As a final objective, the growth parameters that could preferentially enhance the growth of the 15R-SiC are highlighted. Last, nitrogen incorporation during bulk growth from the vapor phase was studied. Indeed as the most commonly used dopant, no full description exists for the incorporation of nitrogen in SiC. We contribute to this effort by exploring the nitrogen concentration in the grown crystals as a function of various growth parameters. Considering the adsorption/desorption mechanisms at the growing surface, effort was given to explain the experimentally obtained trends.

Le carbure de silicium est l'un des semi-conducteurs les plus importants et les plus répandus dans les appareils électroniques de puissance. Du fait de la demande croissante d'électronique à haut rendement, bas coût et économe en énergie, il est nécessaire d'améliorer les propriétés des semi-conducteurs monocristallins. Cela demande une meilleure compréhension des phénomènes impliqués dans le procédé de croissance de ces matériaux. Cette thèse présentera de nouvelles perspectives sur deux sujets majeurs dans le domaine de la croissance en phase gazeuse de monocristaux de SiC. Dans un premier temps, le procédé de croissance utilisé dans notre laboratoire a été développé dans le but d'améliorer la qualité et la taille des cristaux de SiC obtenus. Une géométrie permettant la croissance sans contact et reproductible de monocristaux de SiC a été obtenue. La nucléation et la propagation des instabilités structurelles (inclusions de polytype étranger) apparaissant lors de la croissance ont été étudiés de façon continue. Deux critères spécifiques doivent être réunis pour qu'un polytype étranger puisse nucléer. Une fois le point de nucléation localisé, la propagation du polytype étranger dans le volume du cristal peut être appréhendée. Lorsque la stabilisation et déstabilisation des polytypes de SiC ont été mieux comprises, une tentative a été faite pour stabiliser la croissance du polytype 15R-SiC. L'objectif final, les paramètres de croissance susceptibles de renforcer la croissance préférentielle de 15R-SiC, a été mis en évidence. Enfin, l'incorporation d'azote pendant la croissance en phase gazeuse de monocristaux a été étudiée. En effet, aucune description détaillée n'existe pour l'incorporation d'azote dans le SiC, bien que ce soit le dopant le plus couramment utilisé. Notre contribution à cet effort porte sur l'étude de la concentration d'azote dans les cristaux obtenus en fonction de différents paramètres de croissance. Compte tenu des mécanismes d'adsorption/désorption à la surface de croissance, un effort a été fait pour expliquer les tendances obtenues expérimentalement. / Silicon Carbide is one of the most important and widely used semiconductors for power electronic devices. Due to the increasing demand for high efficiency, low cost and energy saving electronics, further improvement of the properties of single crystal semiconductors is needed. That requires a better understanding of the phenomena involved in the growth process of these materials. This thesis will bring some new insight into two main topics at the field of SiC bulk growth from the vapor phase. Initially, the growth process used in our laboratory was developed in order to improve the quality and the size of the grown SiC crystal. A geometry that allows the contactless and reproducible growth of SiC single crystals was obtained. Continuously, we investigated the nucleation and propagation of structural instabilities (foreign polytype inclusions) that appear during growth. Two specific criteria must be fulfilled for a foreign polytype to be nucleated. Once the nucleation point is located, the propagation of the foreign polytype in the volume of the grown crystal can be comprehended. Once the stabilization or destabilization of the SiC polytypes was better perceived, an attempt was made to stabilize the growth of the 15R-SiC polytype. As a final objective, the growth parameters that could preferentially enhance the growth of the 15R-SiC are highlighted. Last, nitrogen incorporation during bulk growth from the vapor phase was studied. Indeed as the most commonly used dopant, no full description exists for the incorporation of nitrogen in SiC. We contribute to this effort by exploring the nitrogen concentration in the grown crystals as a function of various growth parameters. Considering the adsorption/desorption mechanisms at the growing surface, effort was given to explain the experimentally obtained trends.

Ce travail porte sur la caractérisation structurale et optique d'échantillons de SiC. Les échantillons étudiés ont été répartis en trois groupes : des échantillons massifs, des couches épitaxiales épaisses et enfin des couches minces. La croissance des échantillons massifs a été réalisée avec la technique CF-PVT, utilisant une géométrie « d'étranglement ». L'objectif était de filtrer les défauts afin de créer des germes de 3C de haute pureté. La croissance de des couches épaisses par sublimation avait comme objectif la maitrise d'un dopage résiduel faible de type n et p pour des applications composants. Enfin, dans le but de réaliser des composants de type LED blanche des impuretés Ga ont été introduites dans des couches minces épitaxiées par VLS afin de créer des échantillons fortement dopé de type p. Tous ces échantillons ont été étudiés par photoluminescence, micro-Raman, SIMS et microscopie électronique à transmission. Il a été possible de déterminer la concentration d'impuretés et d'identifier le caractère n ou p de ces échantillons. L'analyse des échantillons a été faite en utilisant à la fois l'observation des défauts structurels et les informations obtenues à partir des techniques de caractérisation optique. Nous avons pu obtenir des informations sur les paramètres physiques de 3C-SiC, comme l'énergie de liaison de Ga et Al, la structure fine des excitons liés à l'Al et celle des paires donneurs accepteurs Al-N et Ga-N. Enfin l'apparition d'un nouveau défaut de structure appelée le « fourfold twin » a été observée. / The main topic of this thesis is the structural and optical characterization of SiC samples. The samples were divided in three groups: bulk, thick and thin epilayers. The bulk samples were grown with the CF-PVT technique and used a modified crystal holder geometry. The objective was to filter the defects to and create high purity and quality seeds of 3C-SiC. The thick epilayers were grown with the sublimation epitaxy technique, trying to demonstrate the creation of low impurity n and p type layers for device applications. Finally the thin epilayers were grown with the vapour-liquid-solid technique and doped with Ga impurities in an effort to create either heavily p-type doped samples and components for white LED applications. The samples were studied with low temperature photoluminescence, micro-Raman, SIMS and transmission electron microscopy. With the help of these techniques it was possible to determine the impurity concentration and identif y the n or p character of these samples. A qualitative analysis of the quality of the samples was done using both the observation of the structural defects and the information from the optical characterization techniques. We were able to acquire information about physical parameters of 3C-SiC like the binding energy of Ga and Al, the Al bound exciton fine structure and the Al-N and Ga-N donor acceptor pair fine structure. The appearance of a new structural defect called the fourfold twin was observed and presented.

Commonly the thermal maturity of the Late Devonian to Early Mississippian Woodford shale found on the flanks of the Arbuckle Mountains of Oklahoma is determined by vitrinite reflectance, values ranging from 0.3-1.5%. Using phyllosilicate minerals, specifically diagenetic mixed layer illite/smectite and diagenetic illite, an understanding of the extent and processes leading to the thermal maturation may be developed. Analysis by XRD of the clay mineralogy of the Woodford shale found kaolinite and mixed layer illite/smectite with <5% smectite and R≥3 stacking order. Modeling of the Woodford shale also suggests the percentage of smectite present in mixed layer illite/smectite to be <5% and commonly <2.5%. Deconvolution of the illite (001) peak supports the low smectite content and high illite crystallinity. The long range ordered illite, R≥3, and high illite crystallinity values are indicative of diagenesis to anchizone conditions suggesting a higher thermal maturity relative to previously measured values of vitrinite reflectance.

Ce travail est consacré à la synthèse de phases d’Hydroxydes Doubles Lamellaire (HDL) [NiAl-CO32-] à morphologies contrôlées et à l’étude de la relation entre leurs propriétés structurales / microstructurales et leurs propriétés électrochimiques. Les phases HDL sont préparées par un nouveau procédé de synthèse, basé sur un traitement hydrothermal en présence d’acides aminés. Nous avons mis en évidence l’influence de plusieurs paramètres de synthèse tels que la quantité d’acide aminé, la concentration de sels métalliques, le pH du milieu ainsi que la température et le temps du traitement hydrothermal ou encore la nature de l’acide aminé. Trois phases présentant différents degrés de cristallinité et différentes morphologies et représentatives des échantillons synthétisés, ont été plus particulièrement étudiées. Leur structure et microstructure ont été déterminées par affinement Rietveld en utilisant des données de diffraction des rayons X à haute résolution enregistrées au synchrotron. Ces résultats de DRX combinés avec les observations en microscopie électronique à transmission (MET) indiquent que l'élargissement des raies de diffraction 00l est principalement dû à des effets de taille, tandis que les effets, à la fois de taille et de micro-contrainte contribuent à l’élargissement anisotrope des autres réflexions hkl. Les micro-contraintes sont attribuées à un phénomène d’interstratification (CO32-/SO42-) et d’intercroissance de deux polytypes 2H1 et 3R1, confirmés et quantifiés à l’aide du logiciel DIFFaX. L’étude des propriétés électrochimiques de ces phases par voltammétrie cyclique a permis de montrer que la présence du motif d’empilement 2H1 induit une nette augmentation du signal électrochimique. / This work is devoted to the synthesis of NiAl-CO32- Layered Double Hydroxide phases (LDH) with controlled morphology and to the study of the relationship between the structural / microstructural and electrochemical properties. The LDH phases are prepared by a new synthetic method, based on the hydrothermal synthesis in presence of amino acids. We have highlighted the influence of various synthetic parameters such as the amount of amino acid, the concentration of metal salts, the pH of the medium, the temperature and time of hydrothermal treatment as well as the amino acid nature. Three phases of different degrees of crystallinity and different morphologies, representative of synthesized samples were particularly studied. Their structures and microstructures were determined by Rietveld refinement using high-resolution synchrotron powder X-ray diffraction (XRD) data. These XRD results combined with transmission electron microscopy (TEM) observations indicate that the broadening of 00l diffraction lines is mainly due to size effects, while both size and micro-strain effects contribute to the anisotropic broadening of the other hkl reflections. The micro-strain are attributed to an interstratification phenomena (CO32-/SO42-) and intergrowth between rhombohedral 3R1 and hexagonal 2H1 polytypes, confirmed and quantified using the software DIFFaX. The electrochemical properties of these phases are also studied by cyclic voltammetry showing that the presence of the 2H1 stacking motifs results in a net increase of the electrochemical signal.

Ce travail est consacré à la synthèse de phases d'Hydroxydes Doubles Lamellaire (HDL) [NiAl-CO32-] à morphologies contrôlées et à l'étude de la relation entre leurs propriétés structurales / microstructurales et leurs propriétés électrochimiques. Les phases HDL sont préparées par un nouveau procédé de synthèse, basé sur un traitement hydrothermal en présence d'acides aminés. Nous avons mis en évidence l'influence de plusieurs paramètres de synthèse tels que la quantité d'acide aminé, la concentration de sels métalliques, le pH du milieu ainsi que la température et le temps du traitement hydrothermal ou encore la nature de l'acide aminé. Trois phases présentant différents degrés de cristallinité et différentes morphologies et représentatives des échantillons synthétisés, ont été plus particulièrement étudiées. Leur structure et microstructure ont été déterminées par affinement Rietveld en utilisant des données de diffraction des rayons X à haute résolution enregistrées au synchrotron. Ces résultats de DRX combinés avec les observations en microscopie électronique à transmission (MET) indiquent que l'élargissement des raies de diffraction 00l est principalement dû à des effets de taille, tandis que les effets, à la fois de taille et de micro-contrainte contribuent à l'élargissement anisotrope des autres réflexions hkl. Les micro-contraintes sont attribuées à un phénomène d'interstratification (CO32-/SO42-) et d'intercroissance de deux polytypes 2H1 et 3R1, confirmés et quantifiés à l'aide du logiciel DIFFaX. L'étude des propriétés électrochimiques de ces phases par voltammétrie cyclique a permis de montrer que la présence du motif d'empilement 2H1 induit une nette augmentation du signal électrochimique.