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Ce travail porte sur l'étude des phénomènes induits par implantation d'hydrogène et/ou d'hélium dans le silicium monocristallin. Le cloquage et l'exfoliation dus à la coimplantation d'hélium et d'hydrogène ont été étudiés en fonction des paramètres d'implantation (énergie, fluence, courant, rapport H/He) et des conditions de recuit. Un comportement de type fenêtre à été observé dont le maximum de surface exfoliée dépend uniquement de la fluence. Deux mécanismes d'exfoliation liés aux régimes de fluence ont été identifiés et discutés. D'autre part, la microstructure des échantillons a été étudié par MET, et les déformations ont été mesurées par diffraction des Rayons X. Un modèle décrivant la distribution des contraintes dans le substrat implanté a été proposé. Le phénomène de delamination des substrats qui apparaît pour des conditions particulières d'implantation a également été étudié, comparé aux phénomènes de cloquage et exfoliation, et expliqué en utilisant des concepts de la mécanique de la fracture. Enfin, l'interaction élastique entre précipités d'He et d'H a été étudiée pour des profils d'implantation superposés et décalés. Dans ce dernier cas, nous avons montré que le champ de contraintes générées par les plaquettes d'hélium en surpression pouvait être utilisé comme source locale de contraintes pour contrôler la formation et la croissance de plaquettes d'hydrogène. Afin d'interpréter nos résultats expérimentaux, nous avons développé un modèle basé sur l'interaction élastique pour la nucléation des précipités dans un solide semi-infini.

Ce travail concerne l'étude de la migration du 36Cl, produit d'activation, dans le dioxyde d'uranium. Nous avons simulé la présence de 36Cl par l'implantation d'une quantité de 37Cl comparable à la concentration de chlore présente à l'état d'impureté. Afin d'évaluer les propriétés de diffusion du chlore dans le combustible, nous avons procédé à deux types d'expériences :<br />- l'influence de la température a été étudiée en effectuant des recuits thermiques dans une gamme de température comprise entre 900 et 1300°C ; nous avons montré que le chlore implanté était mobile dès 1000°C et déterminé une énergie d'activation de 4,3 eV ;<br /><br />- l'influence de l'irradiation par des produits de fission a été étudiée en irradiant les échantillons avec des ions 127I (énergie de 63,5 MeV). Nous avons pu déterminer que la diffusion du chlore implanté sous irradiation et dans la gamme de température 30 – 250°C n'était pas purement athermique. Nous avons calculé un coefficient de diffusion sous irradiation D250 °C de l'ordre de 10^(-14) cm^2s^(-1).<br />Nous avons montré l'importance des défauts d'implantation et d'irradiation qui constituent notamment des chemins préférentiels pour un transport rapide du chlore. Les calculs ab-initio effectués en complément de l'étude expérimentale montrent que le site préférentiel du chlore est un site substitutionnel. Cela nous permet de penser que le mécanisme de diffusion du chlore est un mécanisme atomique de type Frank-Turnbull ou bien un mécanisme de diffusion par paires « lacune / chlore ».

L'implantation ionique dans les aciers, bien que largement utilisée pour l'amélioration des propriétés d'usage, entraîne des modifications structurales des couches superficielles, qui restent sujettes à controverse. Dans ce cadre, différents éléments (N, Ar, Cr, Mo, Ag, Xe et Pb) ont été implantés (à des énergies allant de 28 à 280 keV) dans un acier 316LVM austénitique dans une couche d'épaisseur limitée à 80 nm avec une concentration maximale en élément implanté n'excédant pas 10 %.at. L'analyse de la couche implantée par diffraction des rayons X en incidence rasante permet de mettre en évidence des déformations des raies de l'austénite, l'apparition de ferrite et l'amorphisation de la couche.<br />La phase ferritique apparaît aux joints de grains, quelle que soit la nature de l'élément implanté, à partir d'une quantité « seuil » d'énergie totale envoyée (produit de la dose par l'énergie d'un ion). La formation de ferrite ainsi que l'amorphisation de la couche implantée ne dépendent que de la quantité totale d'énergie envoyée.<br />Afin de comprendre les déformations des raies de diffraction de l'austénite, un modèle de simulation de ces raies a été élaboré. Le modèle écrit correctement les déformations (élargissement, décalage, dédoublement) observées à partir de l'hypothèse que l'expansion de la maille austénitique est due à la présence de l'élément implanté et est proportionnelle à la concentration de l'élément au travers d'un coefficient k'. Ce coefficient ne dépend que de l'élément et varie linéairement avec son rayon.

Les nanofils de ZnO à puits quantiques et le dopage p par implantation ionique d'azote sont étudiés pour la fabrication de LED ultra-violettes. Des pyramides de polarité O et des nanofils de polarité Zn sur substrats de saphir et ZnO sont élaborés. La croissance organisée de nanofils sur ZnO de polarité Zn est démontrée. De même, des pyramides ou des nanofils de GaN sont obtenus sur GaN de polarité Ga ou N. Sur saphir, l'élimination des dislocations dans les pyramides sous-jacentes aux nanofils est analysée. Les nanofils sans défauts structuraux permettent l'élaboration de puits quantiques coeur-coquille ZnO/Zn(1-x)MgxO. La relaxation plastique dans les nanofils est étudiée, puis la composition en Mg est optimisée pour l'éviter et atteindre un rendement quantique interne de 54%. Concernant l'implantation, les défauts sont identifiés avant et après recuit. Ils disparaissent en surface, d'où une guérison facilitée des nanofils. Un matériau guéri avec des accepteurs activés n'est pas obtenu.

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau qui est considéré comme un semi-conducteur à large bande interdite ou une céramique suivant ses applications en microélectronique ou comme matériau nucléaire. Dans ces deux domaines d'application les défauts générés par l'implantation/irradiation d'ions (dopage, matériau de structure) doivent être contrôlés. Ce travail est une étude des défauts générés par l'implantation de gaz rares suivant les conditions d'implantation (fluence et température). La déformation élastique a plus particulièrement été étudiée dans le cas d'implantation de xénon à des températures pour lesquelles la recombinaison dynamique empêche la transition amorphe. Un modèle phénoménologique basé sur le recouvrement des cascades a été proposé pour comprendre l'évolution de la déformation maximale avec la dose. Des observations complémentaires en particulier par microscopie électronique à transition nous ont permis de préciser la nature des défauts créés et d'étudier leur évolution sous recuit. La formation de cavités a été observée pour des conditions sévères d'implantation/recuit ; ces cavités sont de nature différente (vide ou pleine) suivant la répartition du xénon. Cette étude est également reliée aux propriétés de gonflement sous irradiation, gonflement qui doit être anticipé dans les domaines d'application du SiC. / Silicon carbide is a material that can be considered as a wide band gap semiconductor or as a ceramic according to its applications in microelectronics and in nuclear energy system (fission and fusion). In both fields of application defects or damage induced by ion implantation/ irradiation (doping, material structure) should be controlled. This work is a study of defects induced by noble gas implantation according to the implantation conditions (fluence and temperature). The elastic strain buildup, particularly in the case of xenon implantation, has been studied at elevated temperatures for which the dynamic recombination prevents the amorphization transition. A phenomenological model based on cascade recovery has been proposed to understand the strain evolution with increasing dose and for different noble gases. In addition, with the help of transmission electron microscopy the evolution of defects under subsequent annealing was studied. The formation of nanocavities was observed under severe implantation/annealing conditions. These cavities are of different nature (full of gas or empty) according to the xenon and damage distribution. This study is also linked to swelling properties under irradiation that should be projected in the SiC application fields.

Les nanofils de ZnO à puits quantiques et le dopage p par implantation ionique d'azote sont étudiés pour la fabrication de LED ultra-violettes. Des pyramides de polarité O et des nanofils de polarité Zn sur substrats de saphir et ZnO sont élaborés. La croissance organisée de nanofils sur ZnO de polarité Zn est démontrée. De même, des pyramides ou des nanofils de GaN sont obtenus sur GaN de polarité Ga ou N. Sur saphir, l'élimination des dislocations dans les pyramides sous-jacentes aux nanofils est analysée. Les nanofils sans défauts structuraux permettent l'élaboration de puits quantiques coeur-coquille ZnO/Zn(1-x)MgxO. La relaxation plastique dans les nanofils est étudiée, puis la composition en Mg est optimisée pour l'éviter et atteindre un rendement quantique interne de 54%. Concernant l'implantation, les défauts sont identifiés avant et après recuit. Ils disparaissent en surface, d'où une guérison facilitée des nanofils. Un matériau guéri avec des accepteurs activés n'est pas obtenu. / Quantum well ZnO nanowires and p-type doping by nitrogen ion implantation are studied to make ultraviolet light-emitting diodes. O-polar pyramids and Zn-polar nanowires on sapphire and ZnO substrates are grown. Organized growth of nanowires on a masked Zn-polar ZnO is demonstrated. Similarly, GaN pyramids and nanowires are grown on Ga and N-polar GaN respectively. On sapphire, the dislocation elimination in the underlying pyramids is analyzed. Nanowires with no structural defects allow the growth of ZnO / Zn (1-x) Mg x O core-shell quantum wells. Plastic relaxation is studied, and the Mg composition is optimized to avoid it and attain an internal quantum efficiency as high as 54%. Concerning ion implantation, the defects are identified before and after annealing. They disappear in the near-surface, which lead to an easier recovery of nanowires compared to bulk ZnO. However, a recovered material with activated acceptors is not obtained.

L’arséniure de gallium est un semi-conducteur disposant de propriétés physiques adaptées à laréalisation de dispositifs optoélectroniques et hyperfréquences. Ces dispositifs sonttypiquement réalisés sur des substrats massifs de GaAs, chers et fragiles. Nous proposonsdans cette thèse de les remplacer par un substrat innovant ne comprenant qu’une fine couchede GaAs reportée sur un substrat saphir (GaAsOS) à l’aide de la technologie Smart CutTM.Cette technologie permet de ne prélever qu’une fine couche de GaAs sur un substrat donneuret de le reporter sur un substrat saphir. Elle se base sur l’implantation d’ions légers (H/Hetyp.) dans le substrat GaAs, reporté par la suite sur le substrat saphir par collage direct. Unefracture est induite au niveau de la zone implantée, aboutissant au transfert de la couche deGaAs superficielle sur le substrat saphir. Après des étapes de finition, le substrat GaAsOSprésente des propriétés similaires à celles d’un substrat de GaAs massif. / Gallium arsenide is a compound semiconductor, whose properties are perfectly suited to themanufacturing of optoelectronic and RF devices. These devices are usually realized usingbulk GaAs substrates, which are fragile and expensive. The aim of this PhD is to replace themwith engineered substrates based on a thin single-crystal GaAs layer reported on a sapphire(GaAsOS) substrate by the Smart CutTM technology. This technology allows to only take therequested GaAs thickness from a donor substrate and to transfer it on a sapphire one. It isbased on light (H and/or He) ion implantation into the GaAs donor, which is assembled tosapphire using direct bonding. Fracture is induced on the implanted zone, inducing superficialGaAs layer transfer onto the sapphire substrate. After some finishing steps, the GaAsOSsubstrate properties are similar to the GaAs bulk substrate ones.

Les aciers ODS (Oxide Dispersed Strengthened Steels), renforcés par des dispersions de nano-oxydes métalliques (à base d'éléments Y, Ti et O), sont des matériaux prometteurs pour les réacteurs nucléaires de génération IV. La compréhension fine des mécanismes mis en jeu lors de la précipitation de ces nano-oxydes permettrait d'améliorer la fabrication et les propriétés mécaniques de ces aciers ODS, avec un fort impact économique en vue de leur industrialisation. Pour étudier expérimentalement ces mécanismes, une approche analytique par implantation ionique est utilisée dans cette étude, permettant de contrôler différents paramètres de synthèse de ces précipités comme la température et leur concentration. Ce projet a permis de démontrer la faisabilité de cette méthode et d'étudier le comportement d'alliages modèles (à base d'oxyde d'aluminium) sous recuit thermique. Des alliages Fe-10Cr de haute pureté ont été implantés avec des ions Al et O à température ambiante. Les observations de microscopie électronique en transmission ont montré que des nano-oxydes apparaissent dans la matrice de Fe-10Cr dès l'implantation à température ambiante, sans recuit subséquent. Les défauts créés lors de l'implantation ionique sont à l'origine de la mobilité des éléments introduits, permettant la nucléation de ces nanoparticules, de quelques nm de diamètre. Ces nanoparticules sont composées d'aluminium et d'oxygène, et également de chrome. Les examens en haute résolution montrent que leur structure cristallographique correspond à celle d'un composé hors équilibre de l'oxyde d'aluminium (de type γ-Al₂O₃). Les traitements thermiques effectués après implantation induisent une croissance de la taille de ces nano-oxydes, et un changement de phase qui tend vers la structure d'équilibre (de type α-Al₂O₃). Ces résultats sur des alliages modèles s'appliquent entièrement aux matériaux industriels : en effet l'implantation ionique reproduit les conditions du broyage, et les traitements thermiques sont à des températures équivalentes à celles des traitements d'élaboration thermo-mécaniques. Un mécanisme de la précipitation de nano-oxydes dispersés dans des alliages ODS est proposé dans ce manuscrit. / ODS (Oxide Dispersed Strengthened) steels, which are reinforced with metal dispersions of nano-oxides (based on Y, Ti and O elements), are promising materials for future nuclear reactors. The detailed understanding of the mechanisms involved in the precipitation of these nano-oxides would improve manufacturing and mechanical properties of these ODS steels, with a strong economic impact for their industrialization. To experimentally study these mechanisms, an analytical approach by ion implantation is used, to control various parameters of synthesis of these precipitates as the temperature and concentration. This study demonstrated the feasibility of this method and concerned the behaviour of alloys models (based on aluminium oxide) under thermal annealing. High purity Fe-10Cr alloys were implanted with Al and O ions at room temperature. Transmission electron microscopy observations showed that the nano-oxides appear in the Fe-10Cr matrix upon ion implantation at room temperature without subsequent annealing. The mobility of implanted elements is caused by the defects created during ion implantation, allowing the nucleation of these nanoparticles, of a few nm in diameter. These nanoparticles are composed of aluminium and oxygen, and also chromium. The high-resolution experiments show that their crystallographic structure is that of a non-equilibrium compound of aluminium oxide (cubic γ-Al₂O₃ type). The heat treatment performed after implantation induces the growth of the nano-sized oxides, and a phase change that tends to balance to the equilibrium structure (hexagonal α-Al₂O₃ type). These results on model alloys are fully applicable to industrial materials: indeed ion implantation reproduces the conditions of milling and heat treatments are at equivalent temperatures to those of thermo-mechanical treatments. A mechanism involving the precipitation of nano-oxide dispersed in ODS alloys is proposed in this manuscript based on the obtained experimental results, and the existing literature.

Depuis les années 1970, la taille des composants n'a cessé de diminuer. La réalisation de jonctions ultra-minces et fortement dopées est devenue un point clef dans la réduction des dispositifs microélectroniques. Les techniques de production doivent évoluer afin de répondre aux spécifications drastiques, en termes de taille des zones dopées et de leurs propriétés électriques, des prochains noeuds technologiques. Dans ce travail de thèse nous avons étudié le procédé d'activation au laser de dopants implantés par immersion plasma. Le laser à excimère utilisé (ArF) est absorbé dans moins de 10 nm de silicium, ce qui va permettre un recuit local. De plus, la courte durée d'impulsion va assurer un faible budget thermique, limitant la diffusion des dopants. En associant cette technique à l'implantation ionique par immersion plasma, dont l'intérêt est de pouvoir travailler à de très basses tensions d'accélération (quelques dizaines d'eV), nous pouvons réaliser des jonctions avec un fort taux d'activation sans diffusion. Après avoir présenté les différentes techniques de dopage pouvant être utilisées, nous avons décrit les dispositifs expérimentaux de traitement et de caractérisation utilisés. Des simulations ont permis de comprendre le rôle des paramètres laser sur le profil de température du silicium en surface. Après avoir choisi le laser le plus adapté parmi les lasers ArF, KrF et XeCl (respectivement : 193 nm - 15 ns, 248 nm - 35 ns, 308 nm - 50 ns), nous avons observé l'effet du nombre de tirs et de la mise en forme de faisceau afin d'optimiser le procédé. Pour terminer, des inhomogénéités dues aux bords de faisceau ont été mises en évidence et étudiées afin d'en limiter l'effet.