In this thesis, the effect of surfactants (Bi /Sb) on GaAs(111) is explored, particularly in regards to modifying the surface morphology and growth kinetics. Both molecular beam epitaxy (MBE) and metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD) techniques are discussed in this context. InAs/GaAs(111) quantum dots (QDs) have been promoted as leading candidates for efficient entangled photon sources, owing to their high degree of symmetry (c_3v). Unfortunately, GaAs(111) suffers from a defect-ridden homoepitaxial buffer layer, and the InAs/GaAs(111) material system does not natively support Stranski{Krastanov InAs QD growth. Surfactants have been identified as effective tools to alter grown surface morphologies and growth modes, potentially overcoming these obstacles, but have yet to be studied in detail in this context. For MBE, it is shown that Bi acts as a surfactant when employed in GaAs(111) homoepitaxy, and eliminates defects/hillocks, yielding atomically-smooth surfaces with step-flow growth, and RMS roughness values of 0.13 nm. The effect is more pronounced as the Bi flux increases, and Bi is suggested to be increasing adatom diffusion. A novel reflection high energy electron diffraction (RHEED)-based experiment was also designed and performed to measure the desorption activation energy (U_Des) of Bi on GaAs(111), yielding U_Des = 1.74 ± 0.38 eV. GaAs(111) homoepitaxy was also investigated using MOCVD, with GaAs(111)B exhibiting RMS roughness values of 0.09 nm. Sb is shown to provoke a morphological transition from plastically-relaxed 2D to 3D growth for InAs/GaAs(111)B, showing promise in its ability to induce QDs. Finally, simulations for GaAs-based quantum well (QW) photoluminescence were conducted, and such QWs are shown to potentially produce very sharp linewidths of 3.9 meV. These results enhance understanding of Bi surfactant behaviour on GaAs(111) and can open up its use in many technological applications, paving the way for the realization of high efficiency/viable QD entangled photon sources. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées Fe/MgO/Fe(001) présentent des comportements remarquables dans la limite des faibles ou des fortes épaisseurs de MgO. Ainsi, dans le premier cas, une interaction antiferromagnétique entre les deux couches de fer est observée ; dans le second, des effets de filtrage en symétrie conduisent à l?obtention de fortes valeurs de magnétorésistance. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à étudier et mettre en relation ces deux régimes de propriétés extrêmes. Des analyses en tension et en température nous permettent d?étudier les conséquences d?une modulation de la structure cristalline des électrodes et/ou de l?interface sur le transport polarisé en spin. Dans ce cadre, nous nous intéressons à trois systèmes : des jonctions hybrides Fe/MgO(001)/CoFeB, où l?électrode de CoFeB est déposée par pulvérisation cathodique puis cristallisée in situ, des jonctions Fe/MgO/Fe à texture (001), ainsi que des jonctions Fe/MgO/Fe monocristallines présentant une rugosité artificielle à l?interface barrière/électrode. Le couplage antiferromagnétique dans des systèmes Fe/MgO/Fe(001) à barrière fine est étudié grâce à des mesures de magnétométrie sur la gamme de température [5 K ; 500 K]. Nous considérons aussi l?effet de modifications structurales et/ou chimiques de l?interface par le biais de l?introduction d?une rugosité contrôlée ou d?un contaminant. Les résultats les plus originaux de cette thèse sont obtenus grâce à l?introduction d?une rugosité artificielle à l?interface Fe/MgO ; contre toute attente, ce désordre contrôlé peut en effet augmenter l?effet de magnétorésistance ou l?intensité du couplage antiferromagnétique / Epitaxial magnetic tunnel junctions Fe/MgO/Fe(001) exhibit noteworthy behaviors for both small and large MgO thicknesses. In the first case, a strong antiferromagnetic interaction between Fe layers is observed, whereas symmetry filtering effects occur for large barriers, leading to high TMR values. The aim of the experiments performed during this thesis is to study and link these two behaviors. We consider the effect of a modulation of electrodes and/or interfaces crystalline structure on spin-polarized transport, by means of temperature and voltage analyses. In this framework, we focus on three systems: Fe/MgO(001)/CoFeB hybrid junctions, where the CoFeB electrode is grown by sputtering and in situ recrystallized, textured Fe/MgO/Fe(001) junctions, and finally single crystalline (001)Fe/MgO/Fe junctions with an artificial roughness at the electrode/barrier interface. The antiferromagnetic coupling in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) systems with a thin MgO barrier is studied by magnetometry measurements in the [5 K; 500 K] range. We also consider the effect of structural and/or chemical changes resulting from a controlled roughness or a contamination on the coupling. The most interesting results of this thesis are obtained with the introduction of an artificial roughness at the Fe/MgO interface. Unexpectedly, this controlled disorder can improve the magnetoresistance effect or the coupling intensity. In both cases, this result is attributed to a Fe-O hybridization, which emphasizes the role of oxygen in MgO based magnetic tunnel junctions for both behaviors associated with extremely thin or thick barriers

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées Fe/MgO/Fe(001) présentent des comportements remarquables dans la limite des faibles ou des fortes épaisseurs de MgO. Ainsi, dans le premier cas, une interaction antiferromagnétique entre les deux couches de fer est observée ; dans le second, des effets de filtrage en symétrie conduisent à l'obtention de fortes valeurs de magnétorésistance. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à étudier et mettre en relation ces deux régimes de propriétés extrêmes. Des analyses en tension et en température nous permettent d'étudier les conséquences d'une modulation de la structure cristalline des électrodes et/ou de l'interface sur le transport polarisé en spin. Dans ce cadre, nous nous intéressons à trois systèmes : des jonctions hybrides Fe/MgO(001)/CoFeB, où l'électrode de CoFeB est déposée par pulvérisation cathodique puis cristallisée in situ, des jonctions Fe/MgO/Fe à texture (001), ainsi que des jonctions Fe/MgO/Fe monocristallines présentant une rugosité artificielle à l'interface barrière/électrode. Le couplage antiferromagnétique dans des systèmes Fe/MgO/Fe(001) à barrière fine est étudié grâce à des mesures de magnétométrie sur la gamme de température [5 K ; 500 K]. Nous considérons aussi l'effet de modifications structurales et/ou chimiques de l'interface par le biais de l'introduction d'une rugosité contrôlée ou d'un contaminant. Les résultats les plus originaux de cette thèse sont obtenus grâce à l'introduction d'une rugosité artificielle à l'interface Fe/MgO ; contre toute attente, ce désordre contrôlé peut en effet augmenter l'effet de magnétorésistance ou l'intensité du couplage antiferromagnétique.

Depuis l'invention du transistor MOS à effet de champ dans les années 60, l'exploitation de cette brique élémentaire a permis une évolution exponentielle du domaine de la microélectronique, avec une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs électroniques CMOS. Dans ce contexte, l'introduction des oxydes "high-κ" (notamment HfO2) a permis de franchir la barrière sub-nanométrique de l'EOT (Equivalent Oxide Thickness) pour l'oxyde de grille. Les travaux actuels concernent notamment la recherche de matériaux "high-κ" et de procédés qui permettraient d'avoir une interface abrupte, thermodynamiquement stable avec le silicium, pouvant conduire à des EOTs de l'ordre de 5Å. L'objectif de cette thèse, était d'explorer le potentiel de l'oxyde LaAlO3 amorphe déposé sur silicium par des techniques d'Épitaxie par Jets Moléculaires, en combinant des études sur les propriétés physico-chimiques et électriques de ce système. Le travail de thèse a d'abord consisté à définir des procédures d'élaboration sur Si de couches très minces (≈4nm), robustes et reproductibles, afin de fiabiliser les mesures électriques, puis à optimiser la qualité électrique des hétérostructures en ajustant les paramètres de dépôt à partir de corrélations entre résultats électriques et propriétés physico-chimiques (densité, stœchiométrie, environnement chimique...) et enfin à valider un procédé d'intégration du matériau dans la réalisation de MOSFET. La stabilité et la reproductibilité des mesures ont été atteintes grâce à une préparation de surface du substrat adaptée et grâce à l'introduction d'oxygène atomique pendant le dépôt de LaAlO3, permettant ainsi une homogénéisation des couches et une réduction des courants de fuite. Après optimisation des paramètres de dépôt, les meilleures structures présentent des EOTs de 8-9Å, une constante diélectrique de 16 et des courants de fuite de l'ordre de 10-2A/cm². Les caractérisations physico-chimiques fines des couches par XPS ont révélé des inhomogénéités de composition qui peuvent expliquer que le κ mesuré soit inférieur aux valeurs de LaAlO3 cristallin (20-25). Bien que les interfaces LAO/Si soient abruptes après le dépôt et que LaAlO3 soit thermodynamiquement stable vis-à-vis du silicium, le système LAO amorphe /Si s'est révélé instable pour des recuits post-dépôt effectués à des températures supérieures à 700°C. Un procédé de fabrication de MOSFETs aux dimensions relâchées a été défini pour tester les filières high-κ. Les premières étapes du procédé ont été validées pour LaAlO3.

This work investigates the initial growth of iron and iron oxides on Ag(001). Surface structure and morphology of both post deposition annealed Fe films (in UHV and O2 atmosphere) as well as reactive grown iron oxide films will be analyzed in detail by low energy electron diffraction (LEED) and scanning tunneling microscopy (STM). The stoichiometry at the surface of the iron oxide films will be determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger electron spectroscopy (AES). The main focus of this work is to shed light on the question whether the growth of iron oxide films on Ag(001) is accompanied by the formation of strain reducing dislocation networks, or superstructures as found for other metal substrates in former studies. Here, we will distinguish between Fe films which were post deposition annealed in a thin O2 atmosphere and reactively grown iron oxide films.

In the presented thesis thin praseodymia films on non-passivated and passivated Si(111) substrates were investigated. The first part deals with PDA of praseodymia films with fluorite structure under UHV conditions in the temperature region from RT to 600°C. Here, a sophisticated model of the annealing process of praseodymia films is established. This is done by detailed analysis of XRD measurements using the kinematic diffraction theory in combination with the analysis of GIXRD, XRR and SPA-LEED measurements. It is shown that the untreated films, which are oxidized in 1 atm oxygen to obtain fluorite structure, do not exhibit pure PrO2 stoichiometry as it was assumed before. Instead, they decompose into two laterally coexisting species exhibiting a PrO2 and a Pr6O11. oxide phase, respectively. These species are laterally pinned to the lattice parameter of bulk Pr6O11. Homogeneous oxide films with Pr6O11 phase can be observed after annealing at 100°C and 150°C. Here, lateral strain caused by the pinning of the species is minimized and an increase of the crystallite sizes is determined. If higher annealing temperatures are applied, the film decomposes again into two coexisting species. Finally, after annealing at 300°C, a mixed crystalline film with both Pr2O3 and Pr2O3+Delta oxide phases is formed, where Delta denotes a considerable excess of oxygen within the sesquioxide phase. Again the lateral strain increases due to the tendency of praseodymia phases to increase their lattice parameters during oxygen loss combined with the lateral pinning. This is accompanied by a decrease of crystallite sizes, which are afterwards comparable to those of the untreated films. Further annealing at temperatures above 300°C does not significantly change the structure of the oxide film. However, the increase of the amorphous Pr-silicate interface between Si substrate and oxide at the expense of the crystalline oxide can be observed after annealing at higher temperatures. Furthermore, an increased mosaic spread of the crystallites occurs, which reduces the lateral strain caused by the oxygen loss. Nevertheless, the crystalline structure is stable against further annealing up to temperatures of 600°C. Transportation of the sample under ambient conditions after annealing at 200°C and 300°C leads to the formation of an additional crystalline structure at the surface which cannot be allocated to any praseodymia phase and may be explained by the contamination of the topmost crystalline layers with Pr-hydroxides. The results obtained from praseodymia films annealed in 1 atm nitrogen show that these films are good candidates to form homogeneous oxide films with pure cub-Pr2O3 structure by subsequent annealing in UHV. Here, a single oxide species is already observed after annealing at 300°C by SPA-LEED measurements which is in contrast to praseodymia films with fluorite structure where higher annealing temperatures (600°C) are necessary. In this case, negative effects like interface growth or increased defect density (mosaics, grain boundaries) can be minimized. Investigations on oxygen plasma-treated praseodymia films to obtain pure PrO2 stoichiometry are presented in the second part. Oxygen plasma-treated samples are compared with samples oxidized in 1 atm oxygen regarding the structure of the crystalline film. For this purpose, XRR and XRD measurements are performed to get structural information of the oxide film, which can be used to identify the corresponding oxide phases. Here, significantly smaller lattice constants of the crystalline oxide species can be observed after plasma treatment, which points to the incorporation of additional oxygen atoms. This verifies former studies, where a higher oxidation state of the oxide film was found by XPS measurements and it shows that plasma-treated films exhibit a higher oxidation state than films oxidized in 1 atm oxygen due to the availability of reactive atomic oxygen in the plasma. Furthermore, the Pr-silicate interface between crystalline film and Si substrate is not increased during plasma treatment. In the last part of the presented thesis, first results from the epitaxy of praseodymia films on Cl-passivated Si substrates are shown. The aim is to suppress the Pr-silicate formation during the growth process. Thus, praseodymia films are grown on passivated and non-passivated substrates to compare the crystallinity of both samples using XSW and LEED measurements. The structure of the oxide films on Cl-passivated Si is determined afterwards by XRR. It is shown that crystalline films with cub-Pr2O3 structure and several nanometer thickness can be successfully grown on Cl-passivated substrates. Here, the Pr-silicate interface layer are restricted to a single mono-layer. In contrast, the films grown on non-passivated substrates are completely amorphous containing Pr-silicates and Pr-silicides.

Thin metallic films with magnetic properties like magnetite are an interesting material in current technological applications. In the presented work the iron oxide films are grown by molecular beam epitaxy on MgO(001) substrates at temperatures between room temperature and 600K. The film and surface structure are investigated by x-ray reflectometry (XRR), x-ray diffraction (XRD) and low energy electron diffraction (LEED). The chemical properties are investigated by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Furthermore, charge transfer multiplet (CTM) calculations are performed as a means to gain additional information from photoemission spectra. It is shown that only for temperatures higher than 500K the oxide film forms a spinel structure. A previously unobserved (2x1) surface reconstruction in two orthogonal domains is found for various preparation conditions. The application of CTMs results in good quantitative and qualitative agreement to other methods for the determination of the film stoichiometry. In addition CTMs can well describe the segregation of Mg atoms into the oxide film either during film growth or during film annealing. It is found that initially Mg substitutes Fe on all possible lattice sites, only for prolonged treatment at high temperature do Mg atoms favour the octahedral lattice sites of divalent Fe.

Depuis l'invention du transistor MOS à effet de champ dans les années 60, l'exploitation de cette brique élémentaire a permis une évolution exponentielle du domaine de la microélectronique, avec une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs électroniques CMOS. Dans ce contexte, l'introduction des oxydes "high-κ" (notamment HfO2) a permis de franchir la barrière sub-nanométrique de l'EOT (Equivalent Oxide Thickness) pour l’oxyde de grille. Les travaux actuels concernent notamment la recherche de matériaux "high-κ" et de procédés qui permettraient d'avoir une interface abrupte, thermodynamiquement stable avec le silicium, pouvant conduire à des EOTs de l'ordre de 5Å. L’objectif de cette thèse, était d’explorer le potentiel de l’oxyde LaAlO3 amorphe déposé sur silicium par des techniques d’Épitaxie par Jets Moléculaires, en combinant des études sur les propriétés physico-chimiques et électriques de ce système. Le travail de thèse a d’abord consisté à définir des procédures d'élaboration sur Si de couches très minces (≈4nm), robustes et reproductibles, afin de fiabiliser les mesures électriques, puis à optimiser la qualité électrique des hétérostructures en ajustant les paramètres de dépôt à partir de corrélations entre résultats électriques et propriétés physico-chimiques (densité, stœchiométrie, environnement chimique…) et enfin à valider un procédé d'intégration du matériau dans la réalisation de MOSFET. La stabilité et la reproductibilité des mesures ont été atteintes grâce à une préparation de surface du substrat adaptée et grâce à l'introduction d'oxygène atomique pendant le dépôt de LaAlO3, permettant ainsi une homogénéisation des couches et une réduction des courants de fuite. Après optimisation des paramètres de dépôt, les meilleures structures présentent des EOTs de 8-9Å, une constante diélectrique de 16 et des courants de fuite de l'ordre de 10-2A/cm². Les caractérisations physico-chimiques fines des couches par XPS ont révélé des inhomogénéités de composition qui peuvent expliquer que le κ mesuré soit inférieur aux valeurs de LaAlO3 cristallin (20-25). Bien que les interfaces LAO/Si soient abruptes après le dépôt et que LaAlO3 soit thermodynamiquement stable vis-à-vis du silicium, le système LAO amorphe /Si s’est révélé instable pour des recuits post-dépôt effectués à des températures supérieures à 700°C. Un procédé de fabrication de MOSFETs aux dimensions relâchées a été défini pour tester les filières high-κ. Les premières étapes du procédé ont été validées pour LaAlO3. / Since MOS Field Effect Transistor invention in the 60's, the exploitation of this elementary piece of technology allowed an exponential evolution in the microelectronic field, with a frantic race towards miniaturization of CMOS electronic devices. In this context, the introduction of "high-κ" oxides (notably HfO2) allowed to cross the sub-nanometer barrier of EOT (Equivalent Oxide Thickness) for the gate oxide. Current work are notably related to "high-κ" research materials and processes that would allow an abrupt and thermodynamically stable interface with respect to silicon, that may lead to EOTs of about 5Å. The purpose of this thesis was to explore the potential of amorphous oxide LaAlO3 deposited on silicon by techniques of molecular beam epitaxy, combining studies of the physicochemical and electrical properties of this system. The thesis work has first consisted in defining procedures for the preparation of very thin (≈ 4 nm), robust and reproducible layers on Si in order to allow reliable electrical measurements then to optimize the electrical quality of the hetero-structures by adjusting deposition parameters from correlations between electrical results and physicochemical properties (density, stoichiometry, chemical environment...) and finally to validate a method for integrating the material in the realization of MOSFET. The stability and reproducibility of the measurements were achieved thanks to an adapted surface preparation of the substrate and by the introduction of atomic oxygen during the LaAlO3 deposition, thus allowing homogenization of layers and reducing leakage currents. After optimizing the deposition parameters, the best structures exhibit EOTs of 8-9 A, a dielectric constant of 16 and leakage currents in the range of 10-2 A/cm². Accurate physico-chemical characterizations of thin layers by XPS revealed composition inhomogeneities that can explain why the measured κ is less than values of crystalline LaAlO3 (20-25). Although the LAO/Si interfaces are steep after deposition and LaAlO3 is thermodynamically stable with respect to the silicon, amorphous system LAO/Si has proven unstable during post-deposition annealing carried out at temperatures above 700 ° C. A process for producing MOSFETs with released dimensions was defined to test high-κ field. The first stages of the process have been validated for LaAlO3.