Le diamant monocristallin est un candidat prometteur pour les applications en électronique de puissance et l'hétéroépitaxie est une alternative crédible à la synthèse de ce matériau. Lors de ce travail de thèse, chacune des étapes de la synthèse de films de diamant hétéroépitaxié sur des pseudo-substrats de Ir/SrTiO₃/Si(001) a été finement étudiée afin de progresser dans la reproductibilité et la qualité cristalline de ces films. Ainsi, un système de réflectométrie laser a été installé sur le bâti d'épitaxie d'iridium afin de caractériser in situ l'épaisseur des films réalisés. Une nouvelle méthode basée sur traitement plasma permettant la recristallisation de l'iridium à des températures comprises entre 800°C et 900°C a été mise au point et brevetée. Ensuite, une caractérisation de la surface de l'iridium après l'étape de nucléation du diamant (BEN) par ellipsométrie spectroscopique a été réalisée en bâtissant un modèle ellipsométrique à partir d'une étude séquentielle en MEB, AFM et XPS. Cette étude démontre que l’ellipsométrie est sensible à la formation des domaines qui contiennent les cristaux de diamant épitaxiés. L'étape de nucléation a été étendue à des pseudo-substrats Ir/SrTiO₃/Si(001) de 10x10 mm². Une stratégie d'épaississement des films de diamant reposant sur deux étapes a été adoptée. La structure cristalline des films épaissis à plusieurs centaines de microns a été caractérisée par DRX et Raman. Des diodes Schottky latérales ont été fabriquées sur l'un des substrats épaissis. Les mesures électriques réalisées démontrent l'homogénéité du substrat de diamant hétéroépitaxié. Afin de mieux contrôler les premiers stades de la croissance, une nouvelle méthode de nucléation sélective a été mise au point et brevetée. Son application permettrait dans l'avenir d'obtenir une croissance latérale (ELO) dès la coalescence des premiers cristaux de diamant. / Single crystal diamond is a promising candidate for power electronics applications and heteroepitaxy is a credible alternative for the synthesis of this material. During this PhD, each step from the synthesis of heteroepitaxial diamond films on Ir/SrTiO₃/Si(001) pseudo-substrates was studied in details to progress in the reproducibility and the crystalline quality of films. Thus, a laser reflectometry system was installed on the iridium epitaxy reactor to characterize in situ the thickness of these films. A new approach based on plasma treatment leading to the iridium recrystallization at temperatures between 800°C and 900°C was developed and patented. Then, a characterization of the iridium surface after diamond nucleation (BEN) by spectroscopic ellipsometry was done by building an ellipsometric model based on a sequential study by SEM, AFM and XPS. Results demonstrate that ellipsometry is sensitive to the formation of domains including epitaxial diamond crystals. The nucleation step was extented to Ir/SrTiO₃/Si(001) pseudo-substrates with a size of 10x10 mm². A strategy for the thickening of diamond films based on two steps was adopted. The crystalline structure of films, few hundreds of microns thick, was characterized by XRD and Raman. Lateral Schottky diodes were built on one of the thick substrates. Electrical measurements demonstrate the homogeneity of the heteroepitaxial diamond substrate. To better control the growth early stages, a new method of selective nucleation was developed and patented. Its application in the future would make possible a lateral growth (ELO) from the coalescence of the first diamond crystals.

A l’heure des mégadonnées, du traitement et de l’échange d’informations de masse, le développement de nouvelles technologies liées à l’information est un défi important de notre société. Pour répondre à ce besoin grandissant, le monde de l’infiniment petit régi par les lois de la physique quantique offre d’importantes possibilités de développement technologique. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’émergence des nouvelles technologies quantiques basées sur l’utilisation d’atomes artificiels. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux possibilités offertes par les spins nucléaires uniques dans le diamant. Le début de ce mémoire de thèse vise à introduire les propriétés du défaut NV du diamant dont le spin électronique peut être utilisé pour détecter les spins nucléaires présents dans la matrice de diamant. Le caractère anisotrope de l’interaction hyperfine entre le spin électronique du centre NV et les spins nucléaires de 13C sera exploité pour initialiser l’état de ces spins nucléaires en tirant profit d’un anti-croisement de niveau. La structure particulière des niveaux d’énergie de ce système de spins à l’anti-croisement de niveaux nous permettra de revisiter le phénomène de piégeage cohérent de population avec un spin nucléaire unique à température ambiante. Enfin, en vue des applications technologiques de ce système, nous présenterons la mise en place d’une expérience de détection micro-onde du spin électronique associé au défaut NV permettant de s’affranchir de l’illumination optique qui représente la source principale de décohérence de l’état quantique des spins nucléaires. Les résultats obtenus dans cette thèse, relatifs au contrôle des systèmes de spins dans le diamant, s’inscrivent dans la perspective de développement des systèmes quantiques hybrides. Ainsi, l’association des longs temps de cohérence des spins nucléaires aux performances de calcul des bits quantiques supraconducteurs est une voie prometteuse de développement des technologies quantiques de l’information. / At a time where processing and exchanging big sets of data is one of the main challenge of our society, the development of technologies related to information based on the principles of quantum physics offer interesting new perspectives. This thesis is within the context of the emergence of new quantum technologies based on artificial atoms. We are particularly interested in the opportunities offered by single nuclear spins in diamond. The beginning of this thesis introduces the properties of the NV coloured center of diamond. In particular, we explain how the NV defect electronic spin can be used to detect nuclear spins dispersed in the diamond matrix. By making use, the anisotropic nature of the hyperfine interaction between the NV electron spin and 13C nuclear spins, we demonstrate nuclear spin initialization close to the nuclear spin levels anti-crossing. The specific structure of the spin system’s energy levels enables us to revisit the phenomenon of coherent population trapping with a single nuclear spin at room temperature. Finally, in the aim of developing new technologies based on this spin system, we describe the beginning of a project going towards the implementation of the micro-wave detection of a single electronic spin in diamond. This project is aiming to get rid of the optical illumination which is the main source of decoherence of the nuclear spin quantum state in diamond. The results obtained in this thesis about the control of spin systems in diamond, can be combined with the development of hybrid quantum systems. Thus, the combination of the long coherence time of nuclear spins with the computing performances of superconducting qu-bits is a promising development of quantum information technology.

Die vorliegende Dissertation ist eine Zusammenstellung einer Auswahl von drei Veröffentlichungen, welche vom Autor verfasst oder mit verfasst wurden. Sie beschäftigt sich mit der Ausheilung von Ionenstrahl-induzierten Gitterschäden sowie der Bildung von Farbzentren in Diamant.Das Stickstofffehlstellenzentrum als Farbzentrum im Diamant steht dabei im Fokus der Untersuchungen. Sein Elektronenspin lässt sich optisch bei Raumtemperatur initialisieren und auslesen. Dabei besitzt es eine lange Kohärenzzeit und die Kopplung zu umliegenden Spins machen es zu einem idealen Kandidaten als Qubit in der Quanteninformationsverarbeitung. Auch in der Einzelspinmagnetometrie hat es bereits seine Anwendung gefunden. Die effiziente Bildung von Farbzentren durch gezielte Implantation ist daher von großer Bedeutung. Im Ergebnis wurde eine Verzehnfachung der Bildungsrate sowie eine Verbesserung der Kohärenz und eine Stabilisierung des negativen Ladungszustands erreicht. Dadurch konnte ein mehr als zwanzig Jahre altes Problem gelöst werden. Mit Hilfe dieser wesentlichen Verbesserungen wird die skalierbare Festkörperquantencomputerarchitektur bei Raumtemperatur als zukünftige Alternative zu den Tieftemperaturansätzen mit Phosphor-Qubits in Silizium möglich. Untersucht wird in dieser Arbeit ein weites Spektrum von Ionenimplantationen in Diamant. Dies reicht von der vollständigen Zerstörung und Umwandlung des Diamanten zu graphitartigen Domäne durch Hochdosis-Implantationen bis hin zur Dotierung durch das gezielte Implantieren von Dotanten. Darüber hinaus wird die Bildung bekannten sowie auch neuer Farbzentren diskutiert.:Inhalt Bibliographische Beschreibung iii Referat iii Abstract iv 1. Einleitung. . .1 2. Thematischer Hintergrund. . .3 2.1. Ionenimplantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2. Ionenstrahlinduzierte Gitterschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3. Defekt-Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.4. Physikalische Klassifizierung und Typisierung von Diamanten . . . . . . . 10 2.5. Ladungszustand von Defekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.6. Farbzentren und Defekte in Diamant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6.1. Die Leerstelle oder Vakanz GR1- und ND1-Zentrum . . . . . . . . 19 2.6.2. Das Kohlenstoff-”Zwischengitteratom” R2-Zentrum . . . . . . . . 22 2.6.3. Frenkel-Paar (I-V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6.4. Vakanzaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.6.5. Substitutioneller, vereinzelter Stickstoff im Diamanten . . . . . . . 28 2.6.6. Stickstofffehlstellenzentrum NV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.7. Thermische Behandlung von Diamanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.7.1. Vakanz-Erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.7.2. Kohlenstoff-Zwischengitteratom-Bildungsrate . . . . . . . . . . . . 40 2.7.3. Thermische Behandlung bis 600 °C nach der Bestrahlung . . . . . . 41 2.7.4. Thermische Behandlung oberhalb von 600 °C nach der Bestrahlung. . .47 3. Kumulativer Teil der Dissertation . . .55 3.1. Veröffentlichung Nr. 1 Investigation of the graphitization process of ionbeam irradiated diamond using ellipsometry, Raman spectroscopy and electrical transport measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1.1. Zusammenfassung und Diskussion Veröffentlichung Nr. 1 . . . . . 62 3.2. Veröffentlichung Nr. 2 Screening and engineering of colour centres in diamond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2.1. Zusammenfassung und Diskussion Veröffentlichung Nr. 2 . . . . . 88 3.3. Veröffentlichung Nr. 3 Coulomb-driven single defect engineering for scalable qubits and spin sensors in diamond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.3.1. Zusammenfassung und Diskussion Veröffentlichung Nr. 3 . . . . . 109 4. Zusammenfassung und Ausblick . . .111 Literaturverzeichnis. . . 114 A. Eigenanteil der beigefügten Veröffentlichungen vii A.1. Veröffentlichung Nr. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii A.2. Veröffentlichung Nr. 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii A.3. Veröffentlichung Nr. 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii B. Danksagung ix C. Lebenslauf xi D. Publikationen xiii E. Selbstständigkeitserklärung xvi

Title: Time-resolved spectroscopy of SiV centers in diamond Author: Karol Hamráček Department: Department of chemical physics and optics Supervisor: doc. RNDr. František Trojánek, Ph.D. Abstract: In recent years, the negatively charged silicon center (SiV-) has become a promising competitor to well-established nitrogen (NV-) due to its excellent spectral properties, such as narrow zero phonon line transitions and weak phonon sidebands, and therefore, research of point defects in diamond is currently receiving a lot of attention. These isolated defects, the so- called color centers, can serve as sources of photons and thus, ultimately, can be used to construct SiV Lasers, whose physical nature is stimulated emission. However, it has not yet been generated at SiV centers. For its generation, it is necessary to examine in detail the radiant and non-radiative processes in optical centers and the properties and parameters of stimulated emission during optical excitation. Also part of the research is the optimization of sample preparation in order to obtain samples with a high concentration of centers and at the same time high optical quality. That is why the aim of this diploma thesis will be to perform optical characterization of diamond samples with SiV centers (supplied by the cooperating department of the...

In der vorliegenden Publikation wurden stabile kolloidale Lösungen aus CVD-Diamant, Detonationsdiamant sowie artverwandten Materialien hergestellt und charakterisiert Besonderes Augenmerk wurde bei der Zerkleinerung von CVD Diamant daraufgelegt, dass die nanoskaligen Partikel ihre materialspezifischen Eigenschaften auch bei Reduktion der Größe beibehalten. Systematisch wurde die Zerkleinerung in einer Planetenmühle analysiert. Es wurde sowohl die minimal erreichbare Partikelgröße, als auch die Menge an erzeugtem, nanoskaligem Material bewertet. Um die Vermahlung zu verbessern, wurden die Geschwindigkeit der Mühle, die Größe der Mahlkörper, die Dauer der Vermahlung, sowie die eingesetzten Lösemittel variiert. Des Weiteren konnten durch die Vermahlung unterschiedlich hergestellter CVD Diamantfilme in einer Vibrationsmühle die Einflüsse von Schichtdicke und Korngröße der Diamantkristalle untersucht werden. Durch Bearbeitung von Detonationsdiamanten und Kohlenstoffnanozwiebeln wurden stabile kolloidale Lösungen hergestellt, mit Partikelgrößen im unteren Nanometerbereich. Diese sind im alkalischen pH-Bereich stabil sein, hierfür wurde durch Luft und Säureoxidation oxidierter Detonationsdiamant und oxidierte Kohlenstoffnanozwiebeln hergestellt. Mithilfe der thermogravimetrischen Analyse und Infrarotspektroskopie wurde die hierfür optimale Temperatur und Dauer bestimmt. / In the present publication, stable colloidal solutions of CVD diamond, detonation diamond and related materials were produced and characterized. During the grinding of CVD diamond, special attention was paid to ensuring that the nanoscale particles retain their material-specific properties even when their size is reduced. The grinding in a planetary mill was analyzed systematically. Both the minimum achievable particle size and the amount of nanoscale material produced were evaluated. In order to improve the grinding, the speed of the mill, the size of the grinding media, the duration of the grinding and the solvents used were varied. Furthermore, the influences of layer thickness and grain size of the diamond crystals could be investigated by grinding differently produced CVD diamond films in a vibration mill. Stable colloidal solutions were prepared from detonation diamonds and carbon nano onions, with particle sizes in the sub-nanometer range. These are stable in alkaline pH range. For this purpose oxidized detonation diamond and oxidized carbon nano onions were modified by air and acid oxidation. The optimum temperature and duration for this was determined with the aid of thermogravimetric analysis and infrared spectroscopy.

SAMMANFATTNINGInledningSyftet med examensaretet var att studera hur stor andel av eleverna i årskurs sex till nio som behärskar den grundläggande matematiken i addition och subtraktion. Jämförelser mellan könen, årskurserna och inom addition respektive subtraktion görs i undersökningen.Kunskapsbakgrund och teoretiskt perspektivEnligt Vygotskij så lär sig barn/elever och utvecklas när de får samtala och göra relevanta aktiviteter tillsammans med andra. Det finns många olika anledningar till att elever har räknesvårigheter såsom t.ex. bristfällig undervisning eller stimulans eller inte haft en fullständig skolgång, men det kan även bero på oförmåga att hantera tal och kvantiteter. Eleven som får ge uttryck för sina egna tankar, lyssna på andras tankar och komma på nya lösningsförslag genom samtalen i små¬grupper eller helklass kan leda till att eleven finner andra lösningsförslag, som kanske är bättre än sitt eget. Undervisningen bör vara en variation av lärobok, samtal och konkret material. Läraren ansvarar för vilka tankar som är mer eller mindre värdefulla, så att mindre lämpliga strategier byts ut eller förändras.MetodStudien består av en kvantitativ undersökning genomförd med samtliga elever på en 6-9 skola. Undersökningsmaterialet bestod av fyra olika diagnoser som i sin tur bestod av additions- och subtraktionsuppgifter inom talområdet 1-99. Resultat och AnalysUndersökningen visar på att elever inte utvecklar den grundläggande matematiken efter skolår sex. Kunskaper som är viktig för eleverna att behärska för att kunna lösa svårare matematik med flyt. Undersökningen visar på att det är liten skillnad på kunskapen mellan könen. Undersökningen visar på en tydlig stagnation i elevernas kunskap då det är färre och färre elever som kan liknande uppgifter i högre talområde. Många av eleverna får problem med att lösa uppgifter då de måste generallisera den kunskapen de har i de lägre talområdena. Analysen av undersökningen visar att ett stort antal elever inte ser sambandet mellan addition och subtraktion då det är betydligt fler elever som behärskar additionen men inte subtraktionen.DiskussionJag ville ändå göra en jämförelse mellan årskurserna fast att det är olika elever jag jämför, då jag anser att de flesta av eleverna sex till nio har förmågan att lära sig denna del av matematiken om de får undervisning om den. Jag är medveten om att denna typ av test bara undersöker en viss del av kunskaper inom matematiken. Jag anser att validiteten i arbetet är hög då det gäller att se om det finns någon skillnad i elevernas matematikkunskap i talområdet 1-10 och då de måste generalisera. Jag anser att reliabiliteten är hög för att undersöka om eleverna kan specifika små delområden inom matematiken. Jag anser att det är viktigt att elevers grundläggande kunskaper följs upp bättre genom hela grundskolan så det inte finns elever på högstadiet som inte behärskar de mest grundläggande i matematiken. Matematiklärare och speciallärare i matematik måste på ett bättre sätt samt under en längre period undervisa eleverna i om hur de kan tänka för att kunna lösa dessa matematikuppgifter.

Denna hexagon och diamantformade låg- och mellanstadie skola har 14 skolklasser(varav 2 förskoleklasser), kapacitet för ca. 400 elever och 50 anställda.Jag ville försöka skapa en korridorslös skola med mycket ljus och öppenhet inuti. Varje innervägg är icke bärande, vilket gör att man på sikt kan göra om rummen enlig behov.  Formen kommer dels ifrån att området har olika typer av huskroppar och dels ifrån att jag inte ville jobba med traditionella fyrkantiga rum. Efter arbete med teknikmodeller och undersökning av programmets olika rumsstorlekar kom jag fram till ett hexagoniskt grid (utifrån basrummens storlek på 60 m2) med ett liksidigt triangulärt grid inbakat där varje triangel är 10 m2. Detta började då likna mer ett diamantgrid, därav namnet på projektet. Varje hörn av 60 m2 hexagonerna har bärande pelare och i taket går bärandebalkar samt kl-skivor. För att leka mera med byggnadens diamantgrids former har även taken vinklats snett uppåt. Detta ger mer ljus in, via takfönster till basrummen och rum längre in i byggnaden. Hexagon och diamantgridet fortsätter ut på skolgården i placering av aktivitet och träd.På grund av höjdskillnader på tomten hoppar byggnaden 1.5 meter uppåt på norra sidan. Idrottshallen har jag valt att placera nere i tomtens södra hörn för att skapa en stor skolgård med en mindre fotbollsplan. I huvudbyggnaden finns det terasser utomhus mot norr på våning två och tre för att utöka skolgårdsytan och för att ge byggnaden fler öppningar utåt. Stora matsalens hexagonform fortsätter uppåt och är öppet alla tre våningar. Här går också byggnadens huvudtrappa som länkar alla våningar med varandra. Ovanför denna är taket glasat eftersom byggnaden är bred och detta ger in ljus till kommunikationsutrymmena på alla våningar i byggnaden.Byggnaden är helt i trä (bortsett från betong i mark och i installations golvet), har frånluft i trapphusen och möjlighet till långsiktig omformning av rum enligt behov och aktivitet. Byggnaden strävar efter att vara ekologiskt hållbar genom val av material, funktion och användning. / Denna hexagon och diamantformade låg- och mellanstadie skola har 14 skolklasser(varav 2 förskoleklasser), kapacitet för ca. 400 elever och 50 anställda.Jag ville försöka skapa en korridorslös skola med mycket ljus och öppenhet inuti. Varje innervägg är icke bärande, vilket gör att man på sikt kan göra om rummen enlig behov.  Formen kommer dels ifrån att området har olika typer av huskroppar och dels ifrån att jag inte ville jobba med traditionella fyrkantiga rum. Efter arbete med teknikmodeller och undersökning av programmets olika rumsstorlekar kom jag fram till ett hexagoniskt grid (utifrån basrummens storlek på 60 m2) med ett liksidigt triangulärt grid inbakat där varje triangel är 10 m2. Detta började då likna mer ett diamantgrid, därav namnet på projektet. Varje hörn av 60 m2 hexagonerna har bärande pelare och i taket går bärandebalkar samt kl-skivor. För att leka mera med byggnadens diamantgrids former har även taken vinklats snett uppåt. Detta ger mer ljus in, via takfönster till basrummen och rum längre in i byggnaden. Hexagon och diamantgridet fortsätter ut på skolgården i placering av aktivitet och träd.På grund av höjdskillnader på tomten hoppar byggnaden 1.5 meter uppåt på norra sidan. Idrottshallen har jag valt att placera nere i tomtens södra hörn för att skapa en stor skolgård med en mindre fotbollsplan. I huvudbyggnaden finns det terasser utomhus mot norr på våning två och tre för att utöka skolgårdsytan och för att ge byggnaden fler öppningar utåt. Stora matsalens hexagonform fortsätter uppåt och är öppet alla tre våningar. Här går också byggnadens huvudtrappa som länkar alla våningar med varandra. Ovanför denna är taket glasat eftersom byggnaden är bred och detta ger in ljus till kommunikationsutrymmena på alla våningar i byggnaden.Byggnaden är helt i trä (bortsett från betong i mark och i installations golvet), har frånluft i trapphusen och möjlighet till långsiktig omformning av rum enligt behov och aktivitet. Byggnaden strävar efter att vara ekologiskt hållbar genom val av material, funktion och användning.

Cette thèse se place dans le cadre du projet Diamonix, qui vise à établir une filière diamant en France. La thèse porte sur des travaux de dimensionnement de protection périphérique, structure nécessaire au bon fonctionnement des composants d'électronique de puissance. Le développement de protections périphériques applicables aux diodes Schottky sur diamant monocristallin nécessite plusieurs étapes. Après un premier chapitre détaillant l'état de l'art de l'utilisation de diamant en électronique de puissance, nous nous attardons sur la conception de protection périphérique basée sur une plaque de champ à l'aide de divers diélectriques et ensuite à l'aide d'un matériau semi-résistif dans le chapitre 2. Ces simulations sont réalisées à l'aide du logiciel SENTAURUS TCAD. Le troisième chapitre essaie de répondre aux problèmes technologiques posés par le chapitre 2. Nous avons ainsi développé une nouvelle technique de gravure basée sur une succession d'étapes utilisant Ar/O2 puis CF4/O2. Puis, dans un deuxième temps, nous avons réalisé des capacités Métal/Diélectrique/Diamant afin de qualifier le comportement des diélectriques sur le matériau diamant. Leur comportement est problématique mais il s'agit à notre connaissance de la première étude poussée de capacités sur diamant. Le chapitre 4 revient sur la fabrication et la caractérisation de diodes Schottky protégées à l'aide de plaques de champ sur divers diélectriques, les résultats obtenus étant mitigés. Enfin, la conclusion revient sur les résultats importants de simulation, de gravure, de caractérisation des capacités et des diodes Schottky pour ensuite s'élargir et donner des perspectives de travail.

De nos jours, l'effet du réchauffement planétaire devient une question primordiale pour l'humanité. La plupart des sources d'énergie traditionnelles comme l’énergie thermique, le nucléaire, l'hydroélectricité, etc. sont dangereux et/ou potentiellement dangereux pour la nature et l'être humain. Par conséquent, une «énergie verte» est fortement souhaitée. L'énergie verte a deux caractéristiques : d'une part l’utilisation de sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire ou géothermique, etc au lieu des sources d'énergie traditionnelles, ainsi qu’un meilleur rendement. Un rapport récent a souligné que la perte d'énergie aux États-Unis est plus importante que la somme de toutes les énergies renouvelables générées. Il est donc essentiel d'utiliser efficacement l'électricité et de limiter les pertes. Malheureusement, les pertes sont l'endémie des composants semi-conducteurs, le dispositif central de tout système de conversion de puissance. Le silicium (Si), le matériau le plus utilisé dans les composants semi-conducteurs a atteint sa limite physique. Des semi-conducteurs à large bande interdite tels que SiC, GaN, Ga2O3 et le diamant sont des matériaux prometteurs pour fabriquer des dispositifs à faibles pertes en état ON et avec une tension de claquage à l’état OFF élevée. Parmi eux, le diamant est un semi-conducteur idéal pour les appareils de haute puissance en raison de ses propriétés physiques supérieures aux autres matériaux. Les progrès récents sur ce sujet permettent de considérer le développement de dispositifs de puissance en diamant, par exemple les MOSFETs. Afin de réaliser un MOSFET en diamant semi-conducteur, le nombre de problèmes à surmonter est important, particulièrement maîtriser l'interface diamant/oxyde. Dans ce contexte, G. Chicot et A. Marechal (anciens doctorants de notre groupe) ont introduit les dispositifs de test MOSCAP O-diamant/Al2O3 et montré que l'alignement des bandes est de type I à l'interface O-diamant/Al2O3, ce qui est favorable pour réaliser à la fois un MOSFET à inversion et un MOSFET à déplétion. Ce doctorat s’inscrit dans la suite de ces deux thèses. Il a eu deux objectifs principaux: 1. Les recherches fondamentales, qui se consacrent à la compréhension de la caractéristique électrique d'un dispositif de test de diamant MOSCAP; 2. Partant de la compréhension du MOSCAP, un MOSFET en diamant est réalisé par le contrôle de la conduction de courant volumique. La thèse comprend ainsi trois chapitres : Le chapitre 1 traite du contexte des dispositifs de puissance ainsi que des propriétés physiques du diamant et de l'état de l'art des dispositifs en diamant. Nous introduisons également le principe de fonctionnement d'un dispositif de test MOSCAP idéal et de l'état de l'art des O-diamant MOSCAP. Le chapitre 2 est consacré à la compréhension fondamentale des O-diamant MOS capacités et comprennent trois parties principales: la partie 1 traite des questions de méthodologie liées à la croissance du diamant, le procédé de fabrication et de caractérisation électrique. Nous allons construire un modèle électrostatique empirique pour les MOSCAP O-diamant. La partie 2 discute de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en négatif. La partie 3 traite de l'origine du courant de fuite et de la dispersion de la caractéristique capacitance-fréquence lorsque la MOSCAP est polarisée en positif. Le chapitre 3 présente notre approche pour réaliser un MOSFET en diamant dopé au Bore. Les performances du transistor et ses paramètres importants seront quantifiées. Le benchmark du dispositif et la projection vers son amélioration seront mentionnés. / Nowadays, global warming effect is one of most challenging issue for human being. Most of “traditional energy” sources like thermal power; nuclear power, hydroelectricity power, etc. are dangerous and/or potentially dangerous for nature and human being. Therefore, the "greener energy" is highly desired. The "greener energy" has two folds meaning: on one hand, using renewable energy sources like solar power, wind power or geothermal energy, etc. instead of the traditional energy sources. One another hand, use the electricity more effectively and more efficiency. A recent report has pointed out that the energy loss in US is in fact more than sum of all renewable energy generate in US. Therefore, effectively utilizing electricity and limiting the waste is critical.Unfortunately, losses are the endemic of semiconductor components, the central device of all power conversion system. Silicon (Si), the main material for semiconductor components has reached its physical limit. Wide band-gap semiconductors such as SiC, GaN, Ga2O3 and diamond are promising materials to fabricate the devices low ON-state loss and high OFF-state breakdown voltage. Among them, diamond is an ideal semiconductor for power devices due to its superior physical properties. Recent progresses on diamond technology permits one consider the diamond power devices, e.g. MOSFET.In order to realize a diamond MOSFET by controlled diamond semiconductor, the numbers of issues needed to be overcome is important, especially mastering the diamond/oxide interface. In this context, G. Chicot and A. Marechal (former PhD students in our group) has introduced the O-diamond/Al2O3 MOSCAP test devices and measured the type I band alignment at O-diamond/Al2O3 interface, which is favorable to realize both inversion MOSFET and depletion MOSFET in his PhD these. This PhD project is a continuation of two-mentioned thesis and including two main objects: 1. Fundamental investigations dedicate to understand the electrical characteristic of an O-diamond MOSCAP test device; 2. Realize a unipolar diamond MOSFET by controlling the diamond semiconductor epilayer. The thesis will include three chapters:Chapter 1 discusses the context of power devices as well as the physical properties of diamond and state-of-the-art of diamond devices. We also introduce the working principle of an ideal MOSCAP test device and States-of-the-art of O-diamond MOSCAP test devices.Chapter 2 dedicates for the fundamental understanding O-diamond MOSCAP and include three main parts: Part 1 addresses the methodology issues related to diamond growth, fabrication processing and electrical characterizations. We will construct an empirical electrostatics model for O-diamond MOSCAP. Part 2 discusses the origin of leakage current and capacitance-frequency dependent when O-diamond MOSCAP is biasing in negative direction. We quantify the interface states density at O-diamond/Al2O3 interface by conductance method and the complete electrostatics model for O-diamond/Al2O3 MOSCAP will be constructed. Part 3 discusses the origin of leakage current and the capacitance-frequency dependent when the O-diamond MOS capacitor is biasing in positive direction.Chapter 3 introduces our approach to realize a depletion mode diamond MOSFET. Transistor performance and the important parameters of the transistor will be quantified. The benchmark of the device and the projection towards its improvement will be mentioned.

Cette thèse se place dans le cadre du projet Diamonix, qui vise à établir une filière diamant en France. La thèse porte sur des travaux de dimensionnement de protection périphérique, structure nécessaire au bon fonctionnement des composants d’électronique de puissance. Le développement de protections périphériques applicables aux diodes Schottky sur diamant monocristallin nécessite plusieurs étapes. Après un premier chapitre détaillant l’état de l’art de l’utilisation de diamant en électronique de puissance, nous nous attardons sur la conception de protection périphérique basée sur une plaque de champ à l’aide de divers diélectriques et ensuite à l’aide d’un matériau semi-résistif dans le chapitre 2. Ces simulations sont réalisées à l’aide du logiciel SENTAURUS TCAD. Le troisième chapitre essaie de répondre aux problèmes technologiques posés par le chapitre 2. Nous avons ainsi développé une nouvelle technique de gravure basée sur une succession d’étapes utilisant Ar/O2 puis CF4/O2. Puis, dans un deuxième temps, nous avons réalisé des capacités Métal/Diélectrique/Diamant afin de qualifier le comportement des diélectriques sur le matériau diamant. Leur comportement est problématique mais il s’agit à notre connaissance de la première étude poussée de capacités sur diamant. Le chapitre 4 revient sur la fabrication et la caractérisation de diodes Schottky protégées à l’aide de plaques de champ sur divers diélectriques, les résultats obtenus étant mitigés. Enfin, la conclusion revient sur les résultats importants de simulation, de gravure, de caractérisation des capacités et des diodes Schottky pour ensuite s’élargir et donner des perspectives de travail. / This thesis work is part of the Diamonix project, which is about forming a France-based supply and fabrication of diamond electronics devices. Work in this thesis is centered upon designing a peripheral junction protection suitable for diamond Schottky diodes, a vital structure for the right behavior of power electronics components. Such design on monocristalline diamond substrates needs several steps. After a first chapter dealing with diamond state of the art in power electronics, emphasis is brought upon the design of a field plate protection using several dielectric materials and a semi-resistive component in the second chapter. Those simulations are carried out using SENTAURUS TCAD software suite. The third chapter tries to answer any technological difficulties met in the second chapter. For instance, a new etching technique based upon a succession of steps has beeen developped. Then, Metal/Dielectric/Diamond capacitors were made to determine the electrical behavior of those dielectrics on diamond. Their behavior is problematic but it is to our knowledge the first time such devices are characterized in such extent. The fourth chapter deals with the processing and characterizing of diamond Schottky diodes protected using field plates on several dielectrics, which measurements results are a bit disappointing. Finally, the conclusion insists on the main results of the thesis and then opens up to a discussion over the perspectives of future works around diamond.