La mesure fiable et spatialement résolue du travail de sortie de matériaux et nanostructures est l'un des problèmes les plus importants en caractérisation de surface avancée pour les applications technologiques. Parmi les méthodes de mesure du travail de sortie disponibles, la microscopie à sonde de Kelvin (KFM), basé sur l'AFM, et la spectromicroscopie de photoémission d'électrons par rayons X (XPEEM) apparaissent comme les méthodes les plus prometteuses. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse à l'investigation de la mesure locale du travail de sortie par KFM sous air ainsi qu'à l'étude de la complémentarité entre les mesures obtenues par KFM et XPEEM. Nous présentons tout d'abord une analyse des variations des mesures KFM avec la distance pointe-échantillon sur différents échantillons métalliques. Ces variations peuvent être expliquées par un modèle simple basé sur des transferts de charges de surfaces associés à l'inhomogénéité locale du travail de sortie. L'influence de la pointe, de l'environnement et des paramètres expérimentaux a été aussi étudié. Nous avons ensuite mis en évidence une augmentation de la résolution spatiale de l'imagerie KFM sous air grâce à la mise en oeuvre, sur le microscope commercial, d'un mode combiné AFM-KFM basé sur l‘acquisition simultanée des mesures KFM et de la topographie de surface. Enfin, nous nous sommes focalisés sur la caractérisation croisée par KFM et XPEEM de couches de graphène épitaxiées sur un substrat SiC(0001). Les images du travail de sortie obtenues par KFM sous air permettent de révéler qualitativement, avec une grande résolution spatiale, l'hétérogéneité de ces couches en surface. La mesure complémentaire par XPEEM spectroscopique au seuil de photoémission montre que cette hétérogéneité est liée à l'augmentation du travail de sortie local dû à une épaisseur de graphène variant entre 1 et 4-5 monocouches d'après la littérature. Ceci est corrélé qualitativement avec les intensités locales Si2p et C1s extraites des images XPEEM correspondantes. Des voies pour la compréhension de cette évolution atypique du travail de sortie d'un matériau, sont esquissées d'après la littérature disponible et les résultats micro-spectroscopiques, en terme de couplage électronique avec le substrat SiC.

Les technologies photovoltaïques représentent un grand espoir dans le domaine de l’énergie. Nous en sommes actuellement à la troisième génération de cellules solaires, composées de dispositifs nano structurés. A ces échelles, les performances mesurées par des techniques usuelles sont globales. Pour accéder aux grandeurs physiques locales, des outils de caractérisation avancés sont nécessaires. L’objectif de cette thèse est la mesure de travail de sortie et de temps de vie de porteurs par microscopie à force atomique et spectroscopie électronique. Après un rappel historique sur les technologies permettant de récolter l’énergie lumineuse, puis une explication détaillée du principe de fonctionnement des techniques de caractérisation employées, nous présenterons trois études :1) Une mesure de travail de sortie sur hétérostructures de silicium-germanium par XPEEM et KFM, pour démontrer la complémentarité des deux techniques. Nous verrons qu’elles sont capables d’imager des variations de travaux de sorties de l’ordre de 10 meV, et qu’elles ont permis de révéler un effet d’inversion de contraste dû à un état de surface. 2) Une mesure de travail de sortie par KFM sur matériaux III-V. Nous verrons que la résolution spatiale maximale est dépendante d’un effet de recouvrement de courbure de bandes, mis en évidence grâce à une simulation auto-cohérente du potentiel de surface. 3) Une technique permettant de reconstruire une cartographie de temps de vie de porteurs, grâce à l’acquisition de plusieurs images KFM sous illumination modulée en fonction de la fréquence. Cette technique a été appliquée avec succès sur une cellule solaire organique de type PBTFB-PCBM. / Photovoltaic technologies represent a great hope for actual energetic issues. We are now working with the third generation of solar cells, composed of nano structured devices. At these levels, the performances measured by conventional techniques are averaged. In order to access local physical quantities, advanced characterization technics have to be developed. The goal of this thesis is the local measurement of work function and carrier lifetime by atomic force microscopy and electron spectroscopy. After a historical overview on photovoltaic technologies and a detailed explanation of the operating principle of the characterization techniques, we present three studies:1) A work function measurement on silicon-germanium heterostructures by XPEEM and KFM, to demonstrate the complementarity of these techniques. We saw that both are able of imaging small (10 meV) work function variations, and have revealed a contrast inversion effect due to a surface state.2) A work function measurement by KFM on III-V materials. We saw that the maximum spatial resolution is dependent on a bend bending covering effect, highlighted with a self-consistent simulation of the surface potential.3) A technique giving access to carrier lifetime mappings, through the acquisition of several KFM images as a function of frequency modulated illumination. This technique has been successfully applied to an PBTFB-PCBM organic solar cell.

La compréhension des propriétés électriques de nano-objets est essentielle pour le développement s des nanotechnologies. La microscopie à force Kelvin (KFM) est une des techniques les plus utiles pour cartographier simultanément la topographie et la différence de potentiel de contact (CPD) à l'échelle nanométrique. Après 20 ans de développement, la KFM est principalement utilisé dans des conditions normales de pression et de température, permettant d'effectuer, de manière simple, de multiples analyses comparatives. Toutefois, sous ultra-vide (UHV), comme la surface est contrôlée et que la sensibilité est meilleure, des mesures plus précises et plus fiables sont réalisables. Dans la première partie, la mesure KFM sous atmosphère ambiante est améliorée en développant la technique simple-passage à la fois en modulation de fréquence (FM) et en modulation d'amplitude (AM). Une électronique externe Nanonis a été adaptée sur les AFMs commerciaux (Dimension 3100 et MultiMode, Bruker). Une étude comparative avec le mode Lift a été réalisée sur des couches de graphène épitaxié sur échantillon de SiC. L'effet de la distance pointe-échantillon sur le contraste et la résolution est décrit ainsi que l'influence des paramètres expérimentaux. Une amélioration significative du contraste et de la résolution est clairement observée sur les résultats obtenus par la technique simple passage en modulation de fréquence, indépendamment de la distance pointe-échantillon. Dans une deuxième partie, la technique KFM est développée sous vide secondaire. Le travail instrumental est réalisé sur un AFM EnviroScope de chez Bruker, qui a été équipé d'une électronique externe Nanonis, permettant de mesurer simultanément la topographie en mode non-contact et la CPD en modulation d'amplitude ou de fréquence. Les résultats montrent que la CPD mesurée est comparable à celle obtenue avec une mesure sous ultravide. Enfin, après avoir posé les bases à la fois expérimentale et théorique de la KFM, cette technique est utilisée pour caractériser les hétérostructures CdTe/CdS en films minces utilisés pour les applications de cellules solaires. Un protocole de préparation d'échantillon sur la tranche a été spécialement développé. L'hétérojonction CdTe/CdS est étudiée sous polarisation à la fois dans l'obscurité et sous éclairement. L'influence de l'épaisseur de la couche de CdS est également étudiée pour comprendre son effet dramatique sur le rendement des cellules solaires. / The development of nanoscience makes the understanding of the electrical properties of nano-objects essential. The Kelvin Force Microscopy (KFM) is one of the most useful techniques to map at the nanoscale and simultaneously both the topography and contact potential difference (CPD). After 20 years of development, KFM is mainly operated under air at normal pressure, allowing to perform, in an easy way, multiple comparative analyses. However, under UHV, as the surface is controlled and the sensitivity improved, more accurate and reliable measurements can be achieved. In the first part, KFM under ambient atmosphere is improved by developing the single-scan method using either a frequency modulation (FM) or an amplitude modulation (AM) mode. An external Nanonis electronic has been implemented on commercial AFMs (Dimension 3100 and MultiMode, Bruker). A comparative study with the common Lift-mode is done by imaging epitaxial graphene layers on SiC sample. The tip-sample separation effect on the CPD contrast and resolution is described as well as experimental settings. It is shown that higher contrasts are obtained using single-scan frequency modulation KFM regardless the tip-sample operating distance. In a second part, the KFM technique under secondary vacuum is developed. The instrumental work is carried out with an EnviroScope AFM from Bruker. We outfitted our Veeco's AFMs with an external Nanonis electronic to perform simultaneously the acquisition of topography and CPD using either the amplitude or the frequency modulation mode. The upgrade of the electronic has raised compatibility issues. Our results show that the comparable results are obtained with KFM under UHV. Finally, having laid down both the experimental and theoretical groundwork of the KFM, this technique is used to characterize CdTe/CdS heterostructures used in thin films solar cell application. A protocol for the cross section sample preparation has been specifically developed. The CdTe/CdS heterojunction is studied under polarization both in dark and under illumination. The influence of the CdS layer thickness is also studied to understand its dramatic effect on the solar cell efficiency.

La course à la miniaturisation en microélectronique impose aujourd'hui l'introduction de films métalliques et d'isolants de forte permittivité dans la fabrication des transistors MOS et des capacités MIM afin d'augmenter leur densité tout en maintenant leurs performances électriques. Cependant, l'intégration de ces matériaux doit faire face à certains phénomènes physiques localisés au niveau de l'interface métal/isolant qui peuvent dégrader les performances de ces composants. De ce fait, le choix des matériaux employés ne peut se faire sur la simple considération de leurs propriétés intrinsèques et passe nécessairement par une analyse poussée des propriétés de l'interface qu'ils forment. Nous présentons dans notre étude une caractérisation fine des différentes propriétés de l'interface TiN/Ta2O5 ainsi que leur impact sur les performances de la capacité MIM 5fF.mm-2. Nous étudions dans un premier temps l'effet de la rugosité des interfaces sur les caractéristiques courant-tension de la capacité MIM. Des simulations « in situ » du champ électrique établi dans ce dispositif indiquent alors que la topographie propre à chaque interface peut conduire à des caractéristiques électriques asymétriques. Notre analyse porte ensuite sur les phénomènes fondamentaux qui gouvernent la valeur du travail de sortie des couches métalliques. Cette analyse nécessite l'utilisation d'une technique de microscopie électrique à sonde locale (KFM) qui permet notamment d'observer l'impact de la cristallinité des films sur leurs travaux de sortie. Enfin, l'effet de la composition chimique de l'interface TiN/Ta2O5 sur la hauteur de barrière est présenté. Cette étude, réalisée par spectroscopie de photoélectrons X et UV, permet de construire le diagramme de bande complet de la structure MIS TiN/Ta2O5/Si. On constate alors un décalage important des niveaux du vide aux différentes interfaces induit par la présence de dipôles.

La compréhension des propriétés électriques de nano-objets est essentielle pour le développement s des nanotechnologies. La microscopie à force Kelvin (KFM) est une des techniques les plus utiles pour cartographier simultanément la topographie et la différence de potentiel de contact (CPD) à l'échelle nanométrique. Après 20 ans de développement, la KFM est principalement utilisé dans des conditions normales de pression et de température, permettant d'effectuer, de manière simple, de multiples analyses comparatives. Toutefois, sous ultra-vide (UHV), comme la surface est contrôlée et que la sensibilité est meilleure, des mesures plus précises et plus fiables sont réalisables. Dans la première partie, la mesure KFM sous atmosphère ambiante est améliorée en développant la technique simple-passage à la fois en modulation de fréquence (FM) et en modulation d'amplitude (AM). Une électronique externe Nanonis a été adaptée sur les AFMs commerciaux (Dimension 3100 et MultiMode, Bruker). Une étude comparative avec le mode Lift a été réalisée sur des couches de graphène épitaxié sur échantillon de SiC. L'effet de la distance pointe-échantillon sur le contraste et la résolution est décrit ainsi que l'influence des paramètres expérimentaux. Une amélioration significative du contraste et de la résolution est clairement observée sur les résultats obtenus par la technique simple passage en modulation de fréquence, indépendamment de la distance pointe-échantillon. Dans une deuxième partie, la technique KFM est développée sous vide secondaire. Le travail instrumental est réalisé sur un AFM EnviroScope de chez Bruker, qui a été équipé d'une électronique externe Nanonis, permettant de mesurer simultanément la topographie en mode non-contact et la CPD en modulation d'amplitude ou de fréquence. Les résultats montrent que la CPD mesurée est comparable à celle obtenue avec une mesure sous ultravide. Enfin, après avoir posé les bases à la fois expérimentale et théorique de la KFM, cette technique est utilisée pour caractériser les hétérostructures CdTe/CdS en films minces utilisés pour les applications de cellules solaires. Un protocole de préparation d'échantillon sur la tranche a été spécialement développé. L'hétérojonction CdTe/CdS est étudiée sous polarisation à la fois dans l'obscurité et sous éclairement. L'influence de l'épaisseur de la couche de CdS est également étudiée pour comprendre son effet dramatique sur le rendement des cellules solaires.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Cette thèse concerne l’étude des procédés de fabrication des grilles HKMG des technologies FDSOI 14 et 28 nm sur les performances électriques des transistors MOS. Elle a porté spécifiquement sur l'aspect fiabilité et la maîtrise du travail de sortie effectif (WFeff), au travers de la diffusion des additifs comme le lanthane (La) et l’aluminium (Al). Ce travail combine des techniques de caractérisation électriques et physico-chimiques et leur développement. L'effet de l'incorporation de ces additifs sur la fiabilité et la durée de vie du dispositif a été étudié. Le lanthane dégrade les performances de claquage TDDB et de dérives suite aux tests aux tensions négatives. L’introduction d’aluminium améliore le claquage TDDB, mais dégrade les dérives aux tensions positives. Ces comportements ont été reliés à des mécanismes physiques. Par ailleurs, la diffusion de ces additifs dans l’empilement de grille a été étudiée pour différents matériaux high-k en fonction de la température et de la durée de recuit de diffusion. Les doses d’additifs ont pu être ainsi mesurées, comparées et corrélées au décalage de travail de sortie effectif de grille. On a également étudié, les influences des paramètres du procédé de dépôt de grille TiN sur leur microstructure et les propriétés électriques du dispositif, identifiant certaines conditions à même de réduire la taille de grain ou la dispersion d’orientation cristalline. Toutefois, les modulations obtenues sur le travail de sortie effectif de grille dépendent plus du ratio Ti/N, suggérant un changement du dipôle à l'interface SiO2 / high-k. Enfin, une technique éprouvée de mesure de spectroscopie à rayon X sous tension a pu être mise en place grâce des dispositifs spécifiques et une méthodologie adaptée. Elle permet de mesurer les positions relatives des bandes d’énergie à l'intérieur de l’empilement de grille. Cette technique a démontré que le décalage du travail de sortie effectif induits par des additifs (La or Al) ou par des variations d'épaisseur de grille métallique TiN provient de modifications du dipôle à l'interface SiO2/ high-k. / This Ph.D. thesis is focused on the impact of the 14 and 28 nm FDSOI technologies HKMG stack processes on the electrical performance of MOS transistors. It concerns specifically the reliability aspect and the engineering of effective workfunction (WFeff ), through diffusion of lanthanum (La) and aluminum (Al) additives. This work combines electrical and physicochemical characterization techniques, and their development. The impact of La and Al incorporation, in the MOS gate stack, on reliability and device lifetime has been studied. La addition has a significant negative impact on device lifetime related to both NBTI and TDDB degradations. Addition of Al has a significant negative impact on lifetime related to PBTI, but on the contrary improves the lifetime for TDDB degradation. These impacts on device lifetime have been well correlated to the material changes inside the gate oxides. Moreover, diffusion of these additives into the HKMG stack with annealing temperature and time has been studied on different high-k materials. The diffused dose has been compared with the resulting shift in effective workfunction (WFeff), evidencing clear correlation. In addition, impact of TiN metal gate RF-PVD parameters on its crystal size and orientation, and device electrical properties has been studied. XRD technique has been used to obtain the crystal size and orientation information. These properties are significantly modulated by TiN process, with a low grain size and a unique crystal orientation obtained in some conditions. However, the WFeff modulations are rather correlated to the Ti/N ratio change, suggesting a change in the dipole at SiO2/high-k interface. Lastly, using specific test structures and a new test methodology, a robust and accurate XPS under bias technique has been developed to determine the relative band energy positions inside the HKMG stack of MOS devices. Using this technique, we demonstrated that WFeff shift induced by La and Al or by variations in gate thickness originates due to modifications of the dipole at SiO2/high-k interface.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les oxydes transparents conducteurs (TCO) ont la rare propriété de concilier haute transparence et conductivité élevée, ce qui en fait des matériaux-clés pour de nombreuses applications requérant des électrodes transparentes comme les cellules photovoltaïques, les diodes organiques et les écrans plats. Avec une résistivité de l'ordre de 10^(-4) ohm.cm et une transmittance de 85% dans le domaine visible, l'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) est le matériau privilégié. Toutefois, sa fragilité, son instabilité aux procédés plasma et son coût croissant du fait de sa haute teneur en indium sont autant de raisons de rechercher des matériaux alternatifs. Cette thèse a pour but de comprendre les points clefs permettant d'améliorer les performances d'une électrode transparente en oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO) sur les plans optique, électrique et au niveau des interfaces ; des cellules photovoltaïques en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) servent de dispositif-test à cette étude. Réalisées par pulvérisation cathodique magnétron sous des conditions de dépôt variées, les couches minces d'AZO obtenues ont une structure microcristalline et, pour des paramètres déterminés, des performances optoélectroniques approchant celles de l'ITO. Un modèle adapté d'après la théorie de Drude a permis de rendre compte du lien entre transparence et conduction et de confirmer la saturation en porteurs du matériau. L'efficacité d'une électrode au sein d'un dispositif dépend également très fortement de l'interface entre celle-ci et l'absorbeur, les porteurs devant être extraits rapidement pour ne pas se recombiner. Quelques voies ont été explorées pour réduire la barrière de potentiel entre le silicium amorphe et l'électrode tout en favorisant l'efficacité optique des cellules. Il ressort que l'insertion d'une couche tampon d'oxyde de titane ou de tungstène permet d'obtenir un gain notable dans les performances des cellules.

Ce mémoire de thèse traite de la caractérisation de microfils et nanofils semi-conducteurs dopés individuels par microscopie à émission de photoélectrons X (XPEEM) complétée par des techniques de champ proche : microscopie à sonde Kelvin (KFM) et microscopie capacitive à balayage (SCM). L'objectif est d'évaluer l'apport des méthodes locales de surface " sans contact ", grâce à la mesure du travail de sortie local et de l'énergie de liaison des niveaux de coeur, pour l'étude des phénomènes liés au dopage dans ces objets, comme par exemple l'uniformité longitudinale. Nous mettons d'abord en évidence l'importance de la préparation des échantillons pour la mise en oeuvre des techniques citées: méthodes de transfert des fils, adéquation du substrat, influence des caractérisations pré-analyse. Nous présentons ensuite deux principales études de cas en lien avec une problématique technologique : les microfils de nitrure de gallium dopés Si (diamètre 2 μm) pour applications dans l'éclairage à l'état solide, et les jonctions p-n à nanofils de Si (diamètre 100 nm) pour la nanoélectronique basse puissance. Dans le premier cas, nous avons mis en oeuvre la SCM pour l'identification rapide de l'hétérogénéité axiale du dopage n, puis avons utilisé l'imagerie XPEEM spectroscopique avec excitation synchrotron pour, d'abord, estimer le travail de sortie local et la courbure de bande en surface; puis élucider les modes d'incorporation du silicium en surface qui pointent notamment sur la sensibilité des conditions d'élaboration dans la part du dopage intentionnel (Si en sites Ga) et non intentionnel (Si sur sites lacunaires en azote). Des mesures complémentaires sur sections radiales et longitudinales de fils, par microscopie Auger et spectrométrie ToF-SIMS montrent une incorporation du Si limitée à la surface des microfils. Concernant les jonctions p-n à nanofils de silicium étudiées après retrait partiel de l'oxyde de surface, nous avons mis en relation des résultats obtenus indépendamment par KFM et par XPEEM. Ils mettent en lumière une très faible différence de travail de sortie local entre partie n et partie p, et qui semble en partie expliquée par un ancrage du niveau de Fermi en surface.