Les applications potentielles du carbure de silicium (SiC) en microélectronique ont motivé de nombreuses études sur les défauts ponctuels, qui jouent un rôle important dans la compensation électrique. Ce matériau possède en outre de nombreux atouts pour participer au confinement des matières fissiles dans les réacteurs à caloporteur gazeux du futur (4ème génération). Dans cette thèse, nous avons utilisé la Résonance Paramagnétique Electronique et la Spectroscopie d'Annihilation de Positons pour étudier les propriétés (nature, taille, état de charge, migration et agglomération sous recuit) des défauts ponctuels natifs et induits par irradiation avec différentes particules (H+, e-, ions carbone) dans les polytypes 3C et 6H de SiC. L'étude par annihilation de positons des défauts natifs dans 6H-SiC a permis de mettre en évidence une forte concentration de pièges non lacunaires de type accepteur, qui ne sont pas présents dans les cristaux 3C-SiC. La nature des défauts détectés après irradiation aux électrons de basse énergie (190keV) dépend du polytype. En effet, si des paires de Frenkel de silicium et des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 6H, seules des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 3C. Nous proposons que ces différences quant aux populations de défauts ponctuels détectés résultent de valeurs différentes des énergies de seuil de déplacement du silicium dans les deux polytypes (environ 20eV pour 6H et 25eV pour 3C). Par ailleurs, les irradiations avec des protons de 12MeV et des ions carbone de 132MeV créent des monolacunes de silicium ainsi que des bilacunes VSi-VC. Ni la particule (protons ou ions carbone), ni le polytype (3C ou 6H) n'influent sur la nature des défauts générés. Enfin l'étude du recuit de monocristaux 6H-SiC irradiés avec des protons de 12MeV a permis de mettre en évidence plusieurs processus successifs. Le résultat le plus original est l'agglomération des monolacunes de silicium avec les bilacunes VSi-VC qui mène à la formation de trilacunes VSi-VC-VSi.

Les recherches présentées dans cette thèse ont été effectuées au Laboratoire de Métallurgie<br />Physique de l'Université de Poitiers ainsi qu'au sein du groupe Defects in Materials appartenant au<br />Interfaculty Reactor Institute de l'Université Technologique de Delft (Pays-Bas).<br />Les exigences concernant la qualité des matériaux semi-conducteurs utilisés en<br />microélectronique deviennent de plus en plus drastiques. En effet, la présence d'impuretés et de<br />défauts cristallographiques peut fortement modifier les caractéristiques des diodes. Il est donc<br />impératif de les contrôler afin d'améliorer les performances des dispositifs. Des études récentes sur<br />les cavités créées dans le silicium par implantation d'hélium à haute dose suivie d'un recuit à haute<br />température, ont montré que ces dernières peuvent être utilisées pour le piégeage d'impuretés<br />métalliques. Le silicium joue un rôle majeur dans la technologie actuelle des semi-conducteurs.<br />Cependant pour de nouvelles applications, en particulier en milieu hostile, le carbure de silicium<br />semble être un candidat prometteur.<br />Les défauts introduits par l'implantation d'hélium dans le silicium et dans le carbure de silicium<br />ont été étudiés par MET (Microscopie Electronique en Transmission). Des techniques<br />complémentaires comme la desorption d'hélium (THDS) et la DRX (Diffraction des Rayons-X) ont<br />également été utilisées. Nous avons observé que dans le cas d'implantations à forte énergie (MeV),<br />de nombreux défauts étendus de type interstitiel sont crées parallèlement à la formation des bulles.<br />Nous avons montré que la formation des bulles dépend fortement du flux et que le taux de<br />production des lacunes est un paramètre déterminant. Les effets du temps de recuit et de la<br />température d'implantation ont également été étudiés. Dans le carbure de silicium, la formation de<br />bulles se produit dans une zone amorphe et l'évolution en cavités a été étudiée en fonction de<br />divers recuit. Une étude par THDS des précurseurs des bulles est également présentée.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la caractérisation physique de nanofils (NF) semiconducteurs (SC) qui est un domaine en plein essor ces dernières années. Plus précisément, nous explorons l'émission de champ (EC) de NFs individuels de Carbure de Silicium (SiC) pour leur potentialité comme source d'électrons, mais surtout pour étudier leurs propriétés de transport électrique, optiques et mécaniques.Le rôle important joué par la surface dans ces NFs a été prouvé par des traitements in situ qui ont eu des conséquences radicales sur l'EC dévoilant ainsi des propriétés d'émission propres aux SCs. En particulier, un régime de saturation, en accord avec la théorie d'EC des SCs, associé à une forte dépendance de l'émission à la température et à l'illumination laser a été révélé pour la première fois pour un NF. Ces mesures ouvrent des perspectives importantes tant pour la recherche fondamentale que pour les applications telles que la réalisation de photocathodes et de sources d'électrons pilotées optiquement ou par la température. Les caractéristiques courant-tension-température associées à l'analyse en énergie des électrons émis nous ont permis de déterminer le mécanisme de transport dans ces NFs, qui est limité par le nombre de porteurs dans le volume et contrôlé par les pièges présents dans la bande interdite par l'effet Poole-Frenkel. Finalement, la caractérisation mécanique a révélé des valeurs du facteur de qualité élevé (160000) et du module de Young allant jusqu'à 700GPa. Ces valeurs sont très prometteuses pour l'utilisation de ces NFs dans les systèmes nano-électro-mécaniques et dans les composites.

Au cours des 30 dernières années, l'intérêt fut très marqué pour la recherche dans le domaine des couches minces dures et résistant à l'usure. Des matériaux ont été développés sous forme de couches minces céramiques pour des applications industrielles telles que des outils de coupe, des pièces automobiles et différents composants de machine. Les matériaux en jeu étaient, TiN, TiAlN, TiC, SiC, WC et carbone adamantin (DLC) par exemple. Cependant, les besoins technologiques et industriels d'aujourd'hui nécessitent l'utilisation des couches minces avec des propriétés plus évoluées. Pour cela, le système ternaire B-C-N avec ses phases ultra-dures a attiré beaucoup l'attention ces dernières années. Le carbure de bore (B4C) en particulier, avec sa haute dureté et son module d'Young élevé en plus de ses autres propriétés intéressantes, est l'un des matériaux les plus prometteurs. Une autre possibilité repose sur le carbonitrure de bore (BCN) qui présente des propriétés différentes en raison de la combinaison possible de plusieurs phases telles que le diamant, le nitrure de bore cubique (c-BN) et le nitrure de bore hexagonal (h-BN). Une recherche bibliographique détaillée indique le fait que ces deux matériaux n'ont pas été suffisamment étudiés quand sous forme de couches minces. Le carbure de bore est l'un des matériaux les moins étudiés dans le cas de techniques de dépôt en phase vapeur telles que la pulvérisation cathodique. C'est également le composé le moins étudié dans le diagramme ternaire B-C-N. D'autre part, dans la bibliographie, presque tout l'effort a porté sur le dépôt du nitrure de bore cubique. Il existe très peu d'études centrées sur l'effet de l'incorporation d'azote dans la structure de carbure de bore et les différentes phases qui pourraient être obtenues. Le but de ce travail est d'étudier, en premier, l'effet de différents paramètres de pulvérisation sur les propriétés des couches minces de carbure de bore et d'établir des relations entre paramètres de dépôt, croissance des couches de carbure de bore et propriétés mécaniques et d'usure-frottement. Le deuxième objectif est d'étudier l'effet de l'incorporation d'azote dans la structure de carbure de bore pour établir une couche de carbonitrure de bore avec une dureté et une ténacité optimales ainsi qu'une résistance à l'usure élevée. Trois types de couches de carbure de bore bien adhérentes et homogènes ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron classique à courant continu (DC), pulvérisation cathodique magnétron DC assisté par plasma et pulvérisation cathodique radiofréquence (RF). Les couches minces de carbonitrure de bore déposées par pulvérisation cathodique magnétron a courant continu en mode réactif avec addition d'azote dans la composition du gaz plasmagène ont été également étudiées. La conception de multicouches fonctionnelles a permis de déposer des couches de carbure et carbonitrure de bore plus épaisses et adhérentes. Une cible de carbure de bore conductrice, produite par pressage à chaud de poudres de carbure de bore et une cible de carbure de bore commerciale ont été utilisées pour les dépôts par décharge à courant continu et RF respectivement. L'effet des paramètres de dépôt sur les différentes propriétés des couches a été évalué par plusieurs techniques de caractérisation. La composition élémentaire des dépôts a été déterminée par microsonde électronique de Castaing (EPMA). La microscopie à balayage électronique haute résolution avec un canon à émission de champ (FE-SEM) a servi à examiner la microstructure et la topographie des couches. Les profils de profondeur élémentaires des dépôts ont été obtenus par spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) et les propriétés nanomécaniques ont mesurées par nanoindentation. Le comportement tribologique des dépôts a été étudié en utilisant un tribomètre « pion-disque ». Les liaisons chimiques ont été identifiées par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). La nanostructure et la cristallinité des couches ont été caractérisées grâce à des observations par microscopie électronique en transmission (TEM). Les résultats ont démontré que les couches de carbure de bore constituent de bons revêtements à dureté élevée pour résister à l'usure. Grâce au contrôle des paramètres de pulvérisation, différentes microstructures correspondants à différentes propriétés ont pu être obtenues. Grâce à l'incorporation de l'azote dans la structure de carbure de bore, des couches présentant une dureté optimale et une résistance à l'usure élevée ont été développées, donnant ainsi la possibilité d'élargir la gamme d'applications pour ces dépôts. On a aussi constaté que la conception en multicouche fonctionnelle était une façon d'empêcher le décollement des couches et éviter des problèmes liés aux contraintes résiduelles pour les dépôts durs et résistants à l'usure. Des couches plus épaisses de carbure de bore et de carbonitrure de bore pour plusieurs applications industrielles, peuvent donc efficacement être déposées grâce a une conception appropriée des différentes sous-couches.

Ce travail expérimental a consisté en l'étude des défauts ponctuels induits par une irradiation électronique dans la structure cristallographique cubique du carbure de silicium (SiC) au moyen des techniques spectroscopiques de photoluminescence à basse température (LTPL) et de résonance paramagnétique électronique (RPE). Le premier de ces deux outils de mesures a permis d'estimer l'énergie seujl de déplacement dans le sous-réseau silicium puis d'analyser la stabilité thermique des défauts d'irradiation dans le domaine des basses températures (10 – 300K) puis dans la gamme des hautes températures (300 – 1400 K). Par ailleurs, sur la base d'un modèle théorique récent, cette thèse a corroboré la proposition de l'antisite de silicium isolé pour le centre D! 1 dont la persistance au-delà de la température nominale de fonctionnement des réacteurs nucléaires à fission de génération IV, pour lequel SiC est en partie destiné, se révèle particulièrement problématique. Des mesures entreprises par RPE sous illumination ont enfin permises de détecter un nouveau défaut dans son état métastable de spin S=1, possiblement associé à une configuration d'interstitiel de silicium.

Le Carbure de Silicium, par ses propriétés intrinsèques, offre des perspectives dans le domaine de l'électronique de puissance à même de supplanter le Silicium aujourd'hui sollicité à ses limites. En particulier, le Carbure de Silicium (SiC) permet la réalisation de diodes réunissant la technologie Schottky et supportant une haute tension. Après avoir resitué la filière du SiC dans son contexte, on présente dans ce travail les éléments de physique du semiconducteurappliqués à la diode Schottky SiC et justifiant les propriétés et le dimensionnement du composant. Le comportement électrique statique et dynamique des diodes Schottky SiC est ensuite comparé à l'état de l'art des diodes bipolaires en Silicium, et une simulation fine de la cellule de commutation est présentée. Le comportement électrothermique des diodes Schottky SiC est analysé dans la partie suivante à l'aide d'un outil de simulation dédié, permettant d'intégrer à la fois les phénomènes d'emballement thermique propres aux composants majoritaires et les propriétés de haute tenue en température du SiC, pour fournir une évaluation de la densité de courant utile des diodes. Enfin, la dernière partie propose une évaluation de la technologie Schottky SiC DANS UNE APPLICATION pfc, suivant le régime de fonctionnement du convertisseur. Une amélioration visant à exploiter au mieux les propriétés de cette nouvelle diode dans le PFC est ensuite présentée.

Ce document est conçu comme une vue d'ensemble de mes travaux de recherche sur la stabilité et la cinétique des défauts ponctuels dans le dioxyde de silicium et le carbure de silicium, deux matériaux d'intérêt pour le nucléaire ainsi que dans de nombreux autres domaines. Le chapitre préliminaire (page ix) est essentiellement un résumé détaillé, en français, des chapitres 1,2,3,4, suivi d'un projet à quatre ans qui fait office de conclusions. La partie centrale du document, en anglais, est constituée de quatre chapitres, dont le premier (1) décrit le contexte, introduit l'approche utilisée et explique le choix des matériaux. Le chapitre suivant (2) discute les approximation et les aspects spécifiques de l'application de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) aux défauts ponctuels dans les matériaux non-métalliques, en particulier en ce qui concerne l'étude de leur stabilité et cinétique. Le chapitre 3 est dédié aux défauts intrinsèques dans le dioxyde de silicium et la compréhension de l'autodiffusion dans le quartz et la silice. Les succès et les échecs de la DFT dans ses approximations semi-locales y sont discutés en liaison avec l'interprétation de quelques résultats expérimentaux importants. Le chapitre 4 résume et discute les travaux sur les défauts intrinsèques et les impuretés de palladium dans le carbure de silicium. L'accent est mis sur la cinétique de ces défauts, ce qui permet de discuter le recuit de certains défauts de stoechiométrie, des paires de Frenkel, des lacunes de silicium, ainsi que la diffusion du palladium. Un chapitre de conclusion résume les résultats pricipaux et suggère des développements et nouveaux sujets à aborder. Les appendices contiennent une compilation de données pour les défauts dans le carbure de silicium (A.1), un curriculum vitæ (B, en français) et un choix d'articles (C).

Un composite à matrice métallique et à renfort particulaire de carbure de titane (25vol.%) produit par la société Mecachrome par métallurgie des poudres est l'objet de cette étude. Le process industriel suit trois étapes : broyage à haute énergie des poudres d'acier et de carbure de titane (TiC) ; consolidation de la poudre composite par extrusion ou consolidation isostatique à chaud (HIP) ; traitements thermiques d'austénitisation. Les principales évolutions concernent la taille de particule, la taille de cristallite, le paramètre de maille et la composition chimique du renfort TiC. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés uniquement sur l'évolution du renfort (les évolutions de la matrice sont développées dans le travail de M. Mourot). Afin de caractériser les particules de TiC à chaque étape du process, nous avons mis en place une procédure de dissolution chimique sélective de la matrice acier. Le TiC ainsi " extrait " de la matrice a ensuite été caractérisé de façon méthodique par microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique en transmission (MET), diffraction des rayons X (DRX) et analyse chimique élémentaire. Ces techniques ont permis de révéler des changements importants indiquant des interactions physico-chimiques durant les étapes d'élaboration du composite. Ces évolutions du renfort et l'étude thermodynamique des systèmes C-Fe-Ti et C-Fe-O-Ti ont permis de proposer les mécanismes réactionnels à prendre en compte lors de l'élaboration du composite acier/TiC

Le carbure de silicium est un matériau envisagé pour le conditionnement du combustible dans les réacteurs de quatrième génération. Ce travail a pour objectif d'étudier la capacité de confinement des produits de fission et l'évolution de la structure de ce matériau sous les effets combinés de la température et du rayonnement. Les implantations d'ions de basse énergie et l'incorporation d'analogues stables de produits de fission (Cs et I) dans des monocristaux de 6H-SiC ont été réalisées sur l'implanteur ou l'accélérateur du CSNSM. Les irradiations avec des ions lourds de haute énergie ont été effectuées au GANIL. L'évolution du profil des ions implantés et de la structure du cristal a été étudiée par RBS et canalisation. Des informations complémentaires ont été apportées par la spectroscopie d'absorption UV-visible. Les implantations d'ions de basse énergie à température ambiante conduisent à l'endommagement rapide du cristal. Par contre, une élévation de la température d'implantation (600 °C) permet de conserver un faible taux de désordre dans le cristal. Les irradiations avec des ions lourds de haute énergie n'endommagent pas les cristaux de SiC mais au contraire, elles provoquent une guérison du désordre créé préalablement par l'implantation d'ions I de basse énergie. Ces marqueurs d'iode ne diffusent pas lors d'irradiations avec des ions lourds de basse ou de haute énergie à température ambiante ou à 600 °C. Cependant, une diffusion des ions Cs a été observée lors d'un recuit thermique post-implantation à 1300 °C, température à laquelle le cristal qui comportait une couche amorphe étendue commence à retrouver une structure monocristalline.

Thèse de doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2001. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 173-193.