La motivation de cette thèse est la production innovante de germes ultra-minces de silicium cristallin. L’utilisation de tels germes dans un procédé de fabrication de cellules solaires permettrait une réduction importante de la consommation de silicium, qui compte déjà pour 60% du coût de production des panneaux solaires de première génération. Dans le cadre de cette thèse, une méthode pionnière de détachement de germes minces a été mise en oeuvre. Dans cette méthode, une contrainte induite mécaniquement est guidée par des défauts étendus induits par l’implantation d’hydrogène. Par cette méthode, le détachement de germes minces d’environ 710nm d’épaisseurs a été obtenu. Le but est ensuite d’utiliser ces germes pour faire croitre du silicium cristallin avec des épaisseurs variables à souhait, soit une technique kerf-free : sans pertes. Cette étude présente ainsi les étapes menant à la mise en oeuvre de ce procédé : en premier lieu, un état de l’art des méthodes de détachement de films ultra-minces existants est réalisé. Celui-ci nous a ainsi guidés vers l’implantation d’hydrogène en tant que méthode viable du guidage de la fracture. Par la suite, différents tentatives de détachement de germes ultra-minces ont été réalisés puis caractérisés, notamment par MEB, MET, AFM et DRX. Dans de bonnes conditions de collage et de croissance de défauts, le détachement de germes ultra-minces de silicium cristallin a été réalisé. Par la suite, la croissance et la cristallisation de couches de silicium amorphe a été réalisée sur les germes détachés. Pour finir, certaines couches détachées ont été utilisées pour la production de cellules solaires prototypes. / The goal of this thesis is to find an innovative way to produce ultra-thin crystalline silicon seeds. The use of such seeds in a solar cell production process could lead to a significant reduction of the silicon consumption, which cost alone is worth 60% of the total cost of a first generation solar panel. Within the context of this PhD thesis, a pioneer seed exfoliation method was implemented. This method use the defects induced by hydrogen implantation to guide a stress-induced spalling process. This method has allowed the exfoliation of 710nm-thick crystalline silicon seeds. These seeds will then be used for the growth of crystalline silicon layers of any desired thickness, hence a totally kerf-free method. This thesis work presents the steps leading to the implementation of this process: firstly, the state of the art of ultra-thin films exfoliation methods is reviewed, which guided us towards the use of hydrogen implantation as a crack guide. Then, different ultra-thin seeds exfoliation processes were tried and characterized, specifically by SEM, TEM, AFM and XRD. In the right conditions of bonding and defects growth, ultra-thin silicon seeds were successfully exfoliated. The growth and crystallization of amorphous silicon layers on these seeds were then studied. Finally, several exfoliated layers were used for the production of prototype solar cells.

Dans la réalisation de nouveaux composants innovants de la spintronique, de grands espoirs sont placés sur les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS). L’enjeu technologique est de développer des matériaux ayant à la fois des propriétés semi-conductrices et ferromagnétiques. Le but de ce travail est de réaliser une étude nanostructurale et magnétique détaillée du système Fe :SiC candidat prometteur pour devenir un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante. Cependant les propriétés magnétiques du matériau (6H-SiC) implanté avec des métaux de transitions (MT) dépendent fortement de sa microstructure (concentration et nature du dopant, précipitation du dopant…). Afin d’appréhender l’ensemble des propriétés nanostructurales et magnétiques, nous avons étudié le système Fe :SiC à l’échelle de l’atome en utilisant la sonde atomique tomographique (SAT) couplée à la spectrométrie Mössbauer 57Fe. Des monocristaux 6H-SiC (0001) de type p et n (~10+18/cm3) ont été multi-implantés en 56Fe et 57Fe à différentes énergies et différentes fluences conduisant à une concentration atomique de (6% et 4%) de 20 à 120 nm de la surface. Dans le cadre de ce travail, nous avons pu suivre l’effet de la nanostructure du système Fe :SiC en fonction de la concentration de fer et des températures d’implantation et de recuit. Nous avons établi de nouveaux résultats : nature et dimension des nanoparticules, évaluation précise du nombre d’atomes de fer dilué dans la matrice SiC. Les différentes contributions ferromagnétiques et paramagnétiques sont identifiées et clairement expliquées grâce au couplage de techniques expérimentales comme la SAT, la spectrométrie Mössbauer, la magnétométrie SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Nous avons réussi à déterminer des conditions optimales pour l’obtention d’un DMS à température ambiante. En effet dans les échantillons implantés 4% Fe à 380°C, plus de 90% des atomes de Fe sont dilués. Ces atomes de Fe dilués contribuent majoritairement aux propriétés ferromagnétiques mesurées par SQUID et par spectrométrie Mössbauer à 300 K. Ces différents résultats expérimentaux mettent en lumière la possibilité de réalisation d’un nouveau (DMS) à température ambiante / Great hopes are placed on diluted magnetic semiconductors (DMS) for new components of spintronics. The challenge is to develop materials with both semiconducting and ferromagnetic properties. The aim of this work is to carry out a detailed nanostructural and magnetic study of the Fe: SiC candidate promising system to become a magnetic semiconductor diluted at room temperature. However, the magnetic properties observed in (6H-SiC) implanted with transition metals (TM) depend strongly on the material microstructure (content and nature of the dopant, precipitation of the dopant, etc.). In order to understand all the nanostructural and magnetic mechanisms, we studied the Fe: SiC system at the atomic scale using atom probe tomography (APT) and Mössbauer spectrometry. p and n single crystalline 6H-SiC near (0001)-oriented samples were submitted to multi-step implantations with 56Fe and 57Fe ions at different energies and fluences leading to an iron concentration (Cat =6 and 4%) at a depth between 20 nm and 120 nm from the sample surface. In this work, we were able to follow the effect of the nanostructure of the Fe: SiC system as a function of the iron concentration and the temperatures of implantations and annealing. We have established new results: nature and size of the nanoparticles, precise evaluation of the number of iron atoms diluted in the SiC matrix. The ferromagnetic and paramagnetic contributions are identified and clearly explained by the coupling of experimental techniques such as APT, Mössbauer spectrometry, SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetometry. We were able to put the material in optimal conditions for obtaining a DMS at room temperature. Indeed, the implanted samples (4% Fe) at 380°C more than 90% Fe atoms were distributed homogeneously. These Fe atoms are the main source of the ferromagnetic properties measured by SQUID and Mössbauer spectrometry at 300 K. These experimental results highlight the possibility of obtaining a new (DMS) at room temperature.

Les alliages de cuivre sont utilisés dans de nombreuses applications électriques car ils offrent un bon compromis de résistance mécanique, de résistance à la corrosion et de conductivité électrique. Cependant pour certaines applications comme les contacteurs électriques, des matériaux plus performants sont recherchés. L’affinement de la taille de grains et l’implantation ionique sont deux voies que nous avons explorées dans ce but. Afin d’obtenir un bon compromis entre la dureté, la résistance à la corrosion et la conductivité électrique du cuivre pur (99,90%) et un bronze commercial monophasé contenant 8 % massique d’étain ont été nanostructurés par déformation plastique intense, et ensuite implantés à l’azote. Dans un premier temps, nous avons étudié l’évolution de la dureté des matériaux que nous avons corrélée aux changements microstructuraux induits par déformation plastique intense. Grâce à la microscopie électronique en transmission (MET) et la diffraction des rayons X (DRX), nous avons pu mettre en évidence la formation de grains ultrafins. Et nous avons prouvé que la solution solide CuSn métastable n’était pas décomposée au cours de la déformation. Par ailleurs, il a été montré que l’étain en solution solide favorise l’affinement des grains et que la déformation du CuSn8 à des vitesses plus rapides limite la restauration dynamique des défauts en engendrant une plus grande dureté. Un modèle qualitatif prenant en compte la production et l’annihilation de dislocations a été développé permettant de prédire l’influence des paramètres procès sur l’évolution de la microstructure et de la dureté. La stabilité thermique des nanostructures formées par déformation intense a également été étudiée, notamment par calorimétrie différentielle à balayage. Il a été montré que l’ajout d’étain en solution solide retarde la recristallisation alors que la densité de défauts et donc la force motrice est plus importante. Le Cu et le CuSn8 recristallisés et à grains ultrafins ont été implantés à l’azote. Il a été montré par nanoindentation que les duretés superficielles du Cu recristallisé et du Cu nanostructuré augmentent significativement après implantation. Nous avons mis en évidence par MET (SAED, STEM HAADF et EELS) la formation de nitrures de cuivre qui sont à l’origine du durcissement superficiel. Des nitrures de cuivre ont été également été formés dans le CuSn8 alors qu’aucun nitrure d’étain n’a été détecté. Par ailleurs, il est intéressant de noter que les défauts et notamment les mâcles formées après déformation intense semblent favoriser la diffusion de l’azote et être des sites de germination préférentielle des nitrures de cuivre. / Copper is the most used material in electrical field applications. For electrical contacts, its oxidation behavior, thermal stability and hardness is essential. In this work, we attempted to find the key to make strong, but also conductive metal with a high corrosion resistance by finding an appropriate copper microstructure and surface treatment. It is well known that material properties are determined by their microstructure. Also, it was seen that nitride films enhance the oxidation resistance and the surface hardness. Therefore, to achieve our goal, pure copper and a bronze alloy Cu-8wt. %Sn have been subjected to high pressure torsion to make ultra-fine-grains and the surface was then implanted with nitrogen ions. We have investigated the effect of deformation on the hardness and the thermal stability by Vickers microhardness and DSC measurements. It is shown that tin in solid solution delay the recrystallization of the UFG produced by HPT. Tin also promotes the grain refinement and limit the dynamic annihilation during HPT deformation. Furthermore, a correlation between the properties and the microstructure was done by SEM and TEM analyses. A qualitative model taking into account the production and annihilation of dislocations has been developed to predict the influence of process parameters on the evolution of microstructure and hardness. Recrystallized and UFG Cu and CuSn8 were implanted with nitrogen. It has been shown by nanoindentation that their surface hardness increase significantly after implantation. TEM analyses (SAED, STEM HAADF and EELS) demonstrated the formation of copper nitrides which cause superficial hardening. Copper nitrides were also formed in CuSn8 whereas no tin nitride was detected. Moreover, it is interesting to note that the defects (in particular deformation twins) seem to be preferential nucleation sites for copper nitrides.

Ce travail de thèse porte sur l’étude du carbure de silicium, dopé avec du fer dans le but de réaliser un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante pour des applications à la spintronique. Le dopage en fer a été réalisé par implantation ionique de type multi-énergie (30 - 160 keV) à différentes fluences, conduisant à une concentration atomique constante de 2 % de 20 à 100 nm. Il a été suivi d’un recuit à haute température dans le but d’homogénéiser la concentration en dopants. Les implantations se sont déroulées à une température de 550 °C. L’optimisation des propriétés magnétiques et électroniques du SiC–Fe, de même que la compréhension des mécanismes physiques à l’origine du magnétisme induit, ont nécessité une caractérisation poussée de la microstructure des matériaux implantés. Les objectifs de ce travail ont été d’une part, de réaliser une étude à l’échelle atomique de la nanostructure en fonction des conditions d’implantations (température, fluence) et des traitements thermiques post-implantation, et d’autre part, de déterminer les propriétés magnétiques des matériaux implantés. Dans ce travail, nous avons montré par Sonde Atomique Tomographique, la présence de nanoparticules dont la taille moyenne augmente avec la température de recuit. La cartographie chimique des nanoparticules a permis de révéler l’existence de phases riches en Fe pour les échantillons recuits. L’étude magnétique (spectrométrie Mössbauer et Squid) a montré que la contribution ferromagnétique est due principalement aux nanoparticules magnétiques et/ ou aux atomes de fer magnétiques dilués dans la matrice. La corrélation entre les propriétés structurale et magnétique a permis de montrer que les atomes de fer dilués dans la matrice et substitués sur sites de silicium contribuent au signal ferromagnétique en dessous de 300 K. Nous avons donc montré dans ce travail, que la taille et la nature des phases présentes dans les nanoparticules dépendent des conditions d’implantation et des températures de recuit et qu’il est nécessaire de recuire les échantillons à haute température pour faire apparaître un ordre ferromagnétique. / This PhD thesis focuses on the study of SiC, doped with Fe in order to elaborate a diluted magnetic semiconductor at room temperature for spintronic applications. The iron doping was carried out by ion implantation of multi-energy type (30-160 keV) at different fluences, leading to a 2% constant atomic concentration between 20 to 100 nm, followed by a high temperature annealing in the goal of homogenizing the dopant concentration. The implantation temperature during this process is 550 °C, in order to avoid amorphization. The optimization of the magnetic and electronic properties of SiC-Fe, as well as the understanding of the physical mechanisms at the origin of induced magnetism, require a thorough characterization of the microstructure of the implanted materials. The objectives of this work are, on the one hand, to carry out an atomic scale study of the nanostructure according to the implantation conditions (temperature, fluence) and the post-implantation annealing and the other hand, to characterize the magnetic properties of implanted materials. In this work, we have shown by atom probe tomographic, the existence of nanoparticles whose the average size increases with the annealing temperature. The chemical mapping of the nanoparticles shows the presence of the Fe-rich phases for the annealed samples. Magnetic study (Mössbauer spectrometry and Squid) shows the ferromagnetic contribution is due to the magnetic nanoparticles and/or the diluted Fe atoms in the matrix. The correlation between structural and magnetic properties allowed showing that diluted Fe atoms and substitute to Si sites contribute to the ferromagnetic contribution below 300 K. In coupling many characterization techniques in order to give a detailed description of the different studied samples, we have shown that the size and nature of the phase present in the nanoparticles depend on the implantation conditions and the annealing temperatures and consequently it is necessary to anneal our samples at high temperature to reveal ferromagnetic order.

Les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si atteignent un rendement record de 24.7% en laboratoire. La passivation de la surface du c-Si est la clé pour obtenir de hauts rendements. En effet, la brusque discontinuité de la structure cristalline à l'interface amorphe/cristal induit une forte densité de liaisons pendantes créant une grande densité de défauts dans la bande interdite. Ces défauts sont des centres de recombinaison pour les paires électron-trou photogénérées dans le c-Si. Différentes couches diélectriques peuvent être utilisées pour passiver les wafers dopés n et dopés p : (i) le SiO₂ réalisé par croissance thermique, (ii) l’Al₂O₃ déposé par ALD, (iii) le a-SiNₓ:H et l’a-Si:H déposés par PECVD. La couche de passivation la plus polyvalente est a Si:H puisqu’elle peut passiver aussi bien les wafers dopés n que ceux dopés p. De plus sa production est peu coûteuse en énergie car sa croissance est réalisée à une température d’environ 200°C. L’inconvénient de cette couche de passivation est que lorsqu’elle est dopée p elle ne supporte pas des températures supérieures à 200°C, en raison de l’exodiffusion des atomes d’hydrogène qu’elle contient. Cependant, afin d'avoir un bon contact électrique, TCO et électrodes métalliques, il est souhaitable de recuire à plus haute température (entre 300°C et 500°C). Nous avons implanté des ions Argon de façon contrôlée dans des précurseurs de cellules solaires à des énergies comprises entre 1 et 30 keV, pour contrôler la profondeur à laquelle nous créons les défauts. En variant la fluence entre 10¹² Ar.cm⁻² et 10¹⁵ Ar.cm⁻² nous contrôlons la concentration de défauts créés. Nous montrons qu’une implantation à une énergie de 5 keV avec une fluence de 10¹⁵ Ar.cm⁻² n’est pas suffisante pour endommager l’interface a-Si:H/c-Si. La durée de vie effective des porteurs minoritaires mesurée par photoconductance (temps de décroissance de la photoconductivité) passe de 3 ms à 2,9 ms après implantation. En revanche les implantations à 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² ou à 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² sont suffisantes pour dégrader la durée de vie effective de plus de 85%. Suite aux implantations les cellules solaires ont subi des recuits sous atmosphère contrôlée à différentes températures et ce jusqu’à 420°C. Nous avons découvert que le recuit permet de guérir les défauts introduits par l’implantation. Mais surtout, dans certains cas, d’obtenir des durées de vie après implantation et recuit supérieures aux durées de vies initiales. En combinant l’implantation ionique et les recuits, nous conservons de bonnes durées de vies effectives des porteurs de charges (supérieures à 2 ms) même avec des recuits jusqu’à 380°C. Nous avons utilisé une grande variété de techniques telles que la photoconductance, la photoluminescence, l’ellipsométrie spectroscopique, la microscopie électronique en transmission, la Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires, la spectroscopie Raman et l’exodiffusion de l’hydrogène pour caractériser et analyser l’ensemble des résultats et phénomènes physico-chimique intervenant dans la modification des précurseur de cellules solaires. Nous discutons ici de plusieurs effets tels que l’augmentation de la durée de vie et la tenue en température par la conservation de l’hydrogène dans la couche de silicium amorphe et ceci même après les recuits. Cette conservation peut s’expliquer par l’augmentation du nombre de liaisons Si-H au sein du silicium amorphe et par la formation de cavités lors de l’implantation. Durant les recuits l’hydrogène qui diffuse est piégé puis libéré par les cavités et/ou les liaisons pendantes, ce qui limite son exo-diffusion et le rend de nouveau disponible pour la passivation des liaisons pendantes. / A-Si:H/c-Si heterojunction solar cells have reached record efficiencies of 24.7%. The passivation of c-Si is the key to achieve a high-efficiency. Indeed, the abrupt discontinuity in the crystal structure at the amorphous/crystal interface induces a high density of dangling bonds creating a high density of defects in the band gap. These defects act as recombination centers for electron-hole pairs photogenerated in c-Si. Several dielectric layers can be used to passivate n-type and p-type wafers: (i) SiO₂ produced by thermal growth, (ii) Al₂O₃ deposited by ALD, (iii) a-SiNₓ:H and a-Si:H deposited by PECVD. The most versatile passivation layer is a-Si: H because it is effective for both p-type and n-type wafers. In addition, this process has a low thermal budget since the deposition is made at 200°C. The drawback of this passivation layer, in particular when p-type doped, is that it does not withstand temperatures above 200°C. However, in order to have a good electrical contact, TCO and metal electrodes require high temperature annealing (between 300°C and 500°C).We implanted Argon ions in solar cell precursors with energies between 1 and 30 keV, which allows to control the depth to which we are creating defects. By varying the fluence between 10¹² Ar.cm⁻² and 10¹⁵ Ar.cm⁻² we control the concentration of defects. We show that implantation with an energy of 5 keV and a fluence of 10¹⁵ Ar.cm⁻² is not sufficient to damage the a-Si:H/c-Si interface. The effective lifetime of the minority charge carriers, measured using a photoconductance technique (decay time of photoconductivity), decreases only from 3 ms to 2.9 ms after implantation. On the other hand the implantations at 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² or at 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² are sufficient to degrade the effective lifetime by more than 85%.Following implantation the solar cells have been annealed in a controlled atmosphere at different temperatures and this up to 420°C. We show that annealing can heal the implantation defects. Moreover, under certain conditions, we obtain lifetimes after implantation and annealing greater than the initial effective lifetime. Combining ion implantation and annealing leads to robust passivation with effective carrier lifetimes above 2 ms even after annealing our solar cell precursors at 380°C. We used a large variety of techniques such as photoconductance, photoluminescence, spectroscopic ellipsometry, Transmission Electron Microscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry, Raman spectroscopy and hydrogen exodiffusion to characterize and analyze the physico-chemical phenomena involved in the modification of solar cells precursors. We discuss here several effects such as the increase of the effective lifetime and the temperature robustness by the preservation of hydrogen in amorphous silicon layer and this even after annealing. This hydrogen preservation can be explained by the increase of the number of Si–H bonds in amorphous silicon and the formation of cavities during implantation. In the course of annealing the hydrogen which diffuses is trapped and then released by cavities and dangling bonds, which limits its exodiffusion and makes it available for dangling bonds passivation.

Nous avons observé une augmentation ‘’transient’’du taux de cristallisation interfacique de l’a-Si lorsqu’on réimplante du Si à proximité de l’interface amorphe/cristal. Après amorphisation et traitement thermique à 650°C pendant 5s de la couche a-Si crée par implantation ionique, une partie a été réimplantée. Les défauts produits par auto-réimplantation à 0.7MeV se trouvent à (302±9) nm de l’interface initiale. Cela nous a permis d’étudier d’avantage la variation initiale de la vitesse SPE (Épitaxie en phase solide). Avec des recuit identiques de 4h à 500°C, nous avons déterminé les positions successives des interfaces et en déduit les taux de cristallisation SPE. La cristallisation débute à l’interface et continue graduellement vers la surface. Après le premier recuit, (252±11) nm s’est recristallisé dans la zone réimplantée soit un avancement SPE de 1.26x10^18at./cm2. Cette valeur est environ 1.50 fois plus importante que celle dans l’état relaxé. Nous suggérons que la présence de défauts à proximité de l’interface a stimulé la vitesse initiale. Avec le nombre de recuit, l’écart entre les vitesses diminue, les deux régions se cristallisent presque à la même vitesse. Les mesures Raman prises avant le SPE et après chaque recuit ont permis de quantifier l’état de relaxation de l’a-Si et le transfert de l’état dé-relaxé à relaxé. / We observed a ‘’transient’’ increase of planar crystallization rate of a-Si when one reimplanted Si near the interface amorphous / crystal. After amorphization and heat treatment at 650°C for 5s, one part has been re-implanted. The defects produced at 0.7 MeV by self-re-implantation are located at (302±9) nm of the initial interface. This allows us to better study the initial variation of SPE speed (solid phase epitaxy). With recrystallisation anneals at 500±4°C for 4h, we have determined the successive positions of the interfaces and have deduced the SPE recrystallization rate. Crystallization began at the interface and continues gradually to the surface. After the first annealing, (252±11)nm was recrystallized in the re-implanted state. That means 1.26x10^18at./cm2 SPE enhancement. This value is approximately 1.50 times greater than that in the relaxed state. We suggest that the presence of defects near the interface stimulate the speed. Raman measurements taken after each annealing allowed us to know the transfer of the un-relaxed state to the relaxed state. After the number of anneals treatments, both areas progress almost at the same speed / Dans ce travail nous avons étudié le phénomène de diffusion du cuivre et de l’argent dans a-Si en présence de l’hydrogène à la température de la pièce et de recuit. Une couche amorphe de 0.9μm d’épaisseur a été produite par implantation de 28Si+ à 500 keV sur le c-Si (100). Après celle-ci, on procède à l’implantation du Cu et de l’Ag. Un traitement thermique a produit une distribution uniforme des impuretés dans la couche amorphe et la relaxation de défauts substantiels. Certains défauts dans a-Si sont de type lacune peuvent agir comme des pièges pour la mobilité du Cu et de l’Ag. L’hydrogène implanté après traitement thermique sert à dé-piéger les impuretés métalliques dans certaines conditions. Nous n’avons détecté aucune diffusion à la température de la pièce au bout d’un an, par contre un an après à la température de recuit (1h à 450°C) on observe la diffusion de ces métaux. Ce qui impliquerait qu’à la température de la pièce, même si l’hydrogène a dé-piégé les métaux mais ces derniers n’ont pas pu franchir une barrière d’énergie nécessaire pour migrer dans le réseau. / In this work we studied the diffusion phenomenon of copper and silver in a-Si in the presence of hydrogen at room temperature and annealing temperature. The 0.9 μm -thick a-Si layers were formed by ion implantation 28Si + at 500 keV on c-Si (100). After this Cu ions and Ag ions were implanted at 90keV.The heat treatment produces a uniform distribution of impurities in the amorphous layer and the relaxation of substantial defects. Vacancies defects in a-Si can act as traps for the mobility of Cu and Ag. Hydrogen implanted is used to de-trap metal impurities such as Cu and Ag. However we did not detect any diffusion at room temperature during 1 year, but after one year at the annealing temperature (450°C for 1h) we observe the distribution of these metals. Implying that the room at temperature, although the hydrogen de-trapping metals but they could not crossed an energy barrier required to migrate in the network.

Les défauts ponctuels dans les semi-conducteurs sont étudiés pour la réalisation de bits quantiques d’information (Qubit). A ce jour, le système le plus développé est le centre NV dans le diamant. Récemment, les défauts ponctuels du carbure de silicium (SiC) ont été identifiés comme prometteurs pour la réalisation de Qubit en raison de leur long temps de cohérence de spin et du fonctionnement à température ambiante. Dans ce contexte, nous étudions la formation, la caractérisation optique et magnétique des défauts ponctuels dans SiC, ainsi que l’amélioration de la collection de leur luminescence. Nous commençons par une description des différents critères qui font du SiC un matériau clé pour les applications Qubit. Ensuite, nous présentons une étude bibliographique sur les principaux défauts ponctuels dans SiC en nous focalisant sur les centres : VSi, VSiVC, NV. Nous portons par la suite notre étude sur les conditions optimales d’irradiation ioniques/électroniques et de recuit post-irradiation pour la formation de défauts ponctuels luminescents dans le polytype cubique de SiC. Nous avons identifié les différents types de défauts dans le visible. Dans l’infra-rouge, nous n’avons détecté que le centre VSiVC en trouvant les conditions optimales de sa luminescence dans le cas d’implantation par les protons (dose 1016 cm-2 et le recuit à 750 °C). Puis, nous avons comparé les résultats obtenus par des irradiations aux électrons à ceux obtenus avec les protons en précisant les différents types de défauts ponctuels détectés par deux méthodes: la photoluminescence et la résonance paramagnétique électronique. Enfin, nous avons développé un processus technologique qui consiste en la fabrication de nano-piliers en SiC-4H. Nous avons montré les avantages de leur réalisation sur l’efficacité de la collection de PL des défauts ponctuels comme VSi et VSiVC. Une amélioration d’un facteur 25 pour le centre VSi et d’un facteur 50 pour le centre VSiVC a été obtenue. / Point defects in semiconductor materials are studied for the realization of quantum information bits (Qubit). Nowadays, the most developed system is based on the NV center in diamond. Recently, point defects in silicon carbide (SiC) have been identified as promising for the realization of Qubit due to the combination of their long spin coherence time and room temperature operation. In this context, this thesis studies the formation, optical and magnetic characterization of point defects in SiC, as well as the improvement of their luminescence collection. We begin with a general introduction to SiC in which we describe the different criteria that make SiC a key material for Qubit applications. Next, we present a bibliographical study on the main point defects in SiC, focusing on the centers: VSi, VSiVC, NV. We have studied the optimal conditions of ionic/electronic irradiation and post-irradiation annealing for the formation of luminescent point defects in the cubic polytype of SiC. We have identified the different types of visible range defects. In the infra-red range, we detected only the Ky5 center (VSiVC) by finding the optimal luminescence conditions of this center in the case of implantation by protons (dose 1016 cm-2 and annealing at 750 °C). Then, we compared the results obtained by electron irradiations with those obtained with protons specifying the different types of point defects detected by two methods: photoluminescence and electronic paramagnetic resonance. Finally, we have developed a technological process that consists of nano-pillars fabrication in SiC-4H. We have shown the advantages of realizing these pillars on the efficiency of the PL collection of point defects like VSi and VSiVC : an improvement of a factor of 25 for the VSi center and a factor of 50 for the VSiVC center was obtained.

Nous avons observé une augmentation ‘’transient’’du taux de cristallisation interfacique de l’a-Si lorsqu’on réimplante du Si à proximité de l’interface amorphe/cristal. Après amorphisation et traitement thermique à 650°C pendant 5s de la couche a-Si crée par implantation ionique, une partie a été réimplantée. Les défauts produits par auto-réimplantation à 0.7MeV se trouvent à (302±9) nm de l’interface initiale. Cela nous a permis d’étudier d’avantage la variation initiale de la vitesse SPE (Épitaxie en phase solide). Avec des recuit identiques de 4h à 500°C, nous avons déterminé les positions successives des interfaces et en déduit les taux de cristallisation SPE. La cristallisation débute à l’interface et continue graduellement vers la surface. Après le premier recuit, (252±11) nm s’est recristallisé dans la zone réimplantée soit un avancement SPE de 1.26x10^18at./cm2. Cette valeur est environ 1.50 fois plus importante que celle dans l’état relaxé. Nous suggérons que la présence de défauts à proximité de l’interface a stimulé la vitesse initiale. Avec le nombre de recuit, l’écart entre les vitesses diminue, les deux régions se cristallisent presque à la même vitesse. Les mesures Raman prises avant le SPE et après chaque recuit ont permis de quantifier l’état de relaxation de l’a-Si et le transfert de l’état dé-relaxé à relaxé. / We observed a ‘’transient’’ increase of planar crystallization rate of a-Si when one reimplanted Si near the interface amorphous / crystal. After amorphization and heat treatment at 650°C for 5s, one part has been re-implanted. The defects produced at 0.7 MeV by self-re-implantation are located at (302±9) nm of the initial interface. This allows us to better study the initial variation of SPE speed (solid phase epitaxy). With recrystallisation anneals at 500±4°C for 4h, we have determined the successive positions of the interfaces and have deduced the SPE recrystallization rate. Crystallization began at the interface and continues gradually to the surface. After the first annealing, (252±11)nm was recrystallized in the re-implanted state. That means 1.26x10^18at./cm2 SPE enhancement. This value is approximately 1.50 times greater than that in the relaxed state. We suggest that the presence of defects near the interface stimulate the speed. Raman measurements taken after each annealing allowed us to know the transfer of the un-relaxed state to the relaxed state. After the number of anneals treatments, both areas progress almost at the same speed / Dans ce travail nous avons étudié le phénomène de diffusion du cuivre et de l’argent dans a-Si en présence de l’hydrogène à la température de la pièce et de recuit. Une couche amorphe de 0.9μm d’épaisseur a été produite par implantation de 28Si+ à 500 keV sur le c-Si (100). Après celle-ci, on procède à l’implantation du Cu et de l’Ag. Un traitement thermique a produit une distribution uniforme des impuretés dans la couche amorphe et la relaxation de défauts substantiels. Certains défauts dans a-Si sont de type lacune peuvent agir comme des pièges pour la mobilité du Cu et de l’Ag. L’hydrogène implanté après traitement thermique sert à dé-piéger les impuretés métalliques dans certaines conditions. Nous n’avons détecté aucune diffusion à la température de la pièce au bout d’un an, par contre un an après à la température de recuit (1h à 450°C) on observe la diffusion de ces métaux. Ce qui impliquerait qu’à la température de la pièce, même si l’hydrogène a dé-piégé les métaux mais ces derniers n’ont pas pu franchir une barrière d’énergie nécessaire pour migrer dans le réseau. / In this work we studied the diffusion phenomenon of copper and silver in a-Si in the presence of hydrogen at room temperature and annealing temperature. The 0.9 μm -thick a-Si layers were formed by ion implantation 28Si + at 500 keV on c-Si (100). After this Cu ions and Ag ions were implanted at 90keV.The heat treatment produces a uniform distribution of impurities in the amorphous layer and the relaxation of substantial defects. Vacancies defects in a-Si can act as traps for the mobility of Cu and Ag. Hydrogen implanted is used to de-trap metal impurities such as Cu and Ag. However we did not detect any diffusion at room temperature during 1 year, but after one year at the annealing temperature (450°C for 1h) we observe the distribution of these metals. Implying that the room at temperature, although the hydrogen de-trapping metals but they could not crossed an energy barrier required to migrate in the network.

Ce manuscrit expose des travaux effectués entre 1994 et 2004 sur la fiabilité des composants à base de structures MOS et la fiabilité des oxydes ultra-minces de SiO2 (<10nm) utilisés comme isolant de grille dans ces composants. Nous avons établi un lien entre courants de fuite dans l'oxyde (SILC) et injection de porteurs chauds, principalement les trous chauds, dans les oxydes de 3.8 et 4.7nm. La dépendance en champ et en température du SILC soutient un modèle d'effet tunnel assisté par des défauts neutres barycentriques dans l'oxyde, même si une composante partielle de type Schottky est identifiable. Pour les claquages de type Soft-breakdown relevés, nous avons proposé un modèle simple, fondé sur un rétrécissement local de l'épaisseur d'oxyde. Le phénomène LVSILC, typique de la structure MOS en déplétion, est mis en évidence suite à des stress à tension constante pour des oxydes entre 2.5 et 1.2 nm. Nous proposons de l'interpréter comme un effet tunnel assisté par des niveaux proches des bandes de conduction ou de valence de la densité d'états d'interface. Les mécanismes de génération sont principalement déterminés par l'énergie des porteurs injectés (y compris dans le cas d'injections de porteurs chauds), et génèrent une loi d'accélération en VG pour le vieillissement en mode tunnel direct. On établit une loi générale, donnant la probabilité de création de défauts en fonction des paramètres qui déterminent l'énergie des porteurs injectés. <br />Nos études sur les porteurs chauds nous ont aussi amené à étudier la fiabilité de transistor MOSFET lors de contraintes dynamiques (AC), caractéristiques des séquences de polarisation en mode normal de fonctionnement. Le résultat pratique de ce travail est la mise en oeuvre d'une méthodologie s'inspirant de l'hypothèse quasi-statique pour la prévision des durées de vie AC. Cette méthodologie, éprouvée et comparée aux résultats de mesure dans un certains nombre de cas où sa validité est reconnue, est appliquée au cas plus complexe du transistor de passage NMOS. L'accord reste satisfaisant, mais nous avons également mis en évidence les limitations de cette technique lors de séquences faisant intervenir des relaxations, des périodes de dépiégegage ou des dégradations bi-directionnelles.<br />Concernant le lien entre les étapes du procédé et la fiabilité, nous avons étudié l'influence d'une étape d'implantation ionique à haute énergie, qui induit un dégât dans le volume du semi-conducteur détecté électriquement par C(V), mais aussi des courants de fuite similaires au SILC (IILC Implantation Induced Leakage Current). Nous avons mis au point une méthodologie optimisée de détection du Wafer Charging, utilisant des injections très courtes de porteurs chauds (au pic de courant électronique) dans le transistor PMOS. Cette méthode s'est révélée plus sensible et plus révélatrice que les injections pratiquées en régime Fowler-Nordheim ou la simple étude paramétrique pour détecter les défauts latents issus du charging dans les oxydes minces. Enfin, nous avons identifié par DLTS les défauts issus d'une contamination au Fer dans le Silicium (paire Fe-B et Fer interstitiel Fei) et avons observé la re-transformation spontanée du Fei en paire Fe-B en quelques heures.

Les aciers appelés ODS (pour Oxide Dispersion Strengthened), renforcés par une dispersion homogène de nano-oxydes, sont des matériaux de structure avancés pour les futurs réacteurs nucléaires de fusion et de fission. En effet ces nano-oxydes, à base d’Y et Ti, servent comme centres de recombinaison de défauts ponctuels et d'obstacles aux mouvements des dislocations, améliorant de ce fait leur résistance aux radiations et aux températures élevées. La fabrication conventionnelle des aciers ODS est réalisée par broyage mécanique suivi de traitements thermo-mécaniques, et ne permet pas facilement de comprendre les mécanismes physiques conduisant à la précipitation des nano-oxydes, ce qui serait potentiellement utile pour optimiser leur production. La cinétique de formation de ces nano-oxydes peut être étudiée en utilisant une technique alternative, à savoir la synthèse par faisceaux d’ions, qui présente de nombreux avantages, notamment le contrôle précis des paramètres expérimentaux et la possibilité de décorréler divers facteurs contribuant à la cinétique de précipitation. Au cours de cette thèse, cette technique a été utilisée pour étudier la coprécipitation d'ions métalliques (Y et/ou Ti) et d'oxygène implantés dans un alliage modèle Fe-Cr de composition proche de celle typique des aciers ODS commerciaux. Des ions de Y, Ti et O à basse énergie ont été implantés dans des échantillons d'alliage Fe10wt%Cr de haute pureté à température ambiante. Les échantillons implantés ont ensuite été recuits à diverses températures entre 600 à 1100°C pour favoriser la précipitation de nano-oxydes, conformément au principe de cette technique. La microscopie électronique à transmission a été utilisée pour caractériser la structure cristallographique et la composition chimique des nano-oxydes formés lors de trois séries d'expériences. Tout d'abord, l'implantation séquentielle d'ions Ti et O a été mise en œuvre. Un recuit ultérieur a révélé qu’il n’y avait pas de précipitation d'oxyde de titane jusqu’à des températures inférieures à 1000°C, mais la présence de nano-oxydes riches en chrome avec une structure hexagonale de type corundum, qui contiennent une certaine quantité de Ti à des températures suffisamment élevées. Ce n’est qu’après le recuit à 1100°C que des nano-oxydes d’un autre type à cœur enrichi en Ti et coquille enrichie en Cr ont également été observés. Deuxièmement, l'implantation séquentielle d’ions Y et O a entraîné la formation à 800°C de nano-oxydes probablement riches en yttrium. Le recuit à 1100°C a favorisé la croissance des particules identifiées comme étant des nano-oxydes d’yttrium avec une coquille enrichie en Cr. Enfin, une implantation ionique séquentielle de deux ions métalliques (Y et Ti) a été réalisée, suivie d'une implantation d’O. L'ordre d'implantation des ions métalliques s'est révélé crucial pour la précipitation de nano-oxydes lors du recuit ultérieur. Lors de la séquence avec une implantation de Ti en premier, une précipitation d'oxyde riche en chrome de structure corundum hexagonale a été observée, très similaire au cas de l'implantation d’ions Ti et O. En revanche, la séquence avec une implantation d’ions Y en premier a produit des nano-oxydes d'yttrium-titane qui possèdent une structure non identifiable. En résumé, l’étude a démontré la faisabilité de la formation de nano-oxydes de Y, Ti et (Y, Ti) par implantation ionique. La thèse présente la caractérisation détaillée de ces nano-oxydes, ainsi que certaines de leurs caractéristiques spécifiques, telles que la présence de relations d'orientation entre les nano-oxydes et la matrice FeCr, qui ont été observées même dans le cas de nano-oxydes de type corundum riches en Cr. Enfin, les résultats obtenus, combinées avec les données de la littérature, sont discutées pour une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans la formation des nano-oxydes dans les aciers ODS. / Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels, that is steels reinforced with a homogeneous distribution of (Y,Ti) oxide nano-particles, are advanced structural materials for nuclear applications. The oxide particles serve as point defect recombination centres and obstacles to dislocation motion thereby improving radiation resistance and high-temperature strength of these steels making them perfect candidate materials for future fusion and fission nuclear reactors. The conventional fabrication of ODS steels is achieved by mechanical alloying followed by thermomechanical heat treatments. This way of ODS steel production seems complicated to understand the physical mechanisms leading to the precipitation of nano-oxide particles. The kinetics of nanoparticle formation can be much better studied using an alternative technique of nanoparticle growth, namely Ion Beam Synthesis (IBS). This approach has many advantages including the precise control of experimental parameters and the ability to de-correlate various factors contributing to precipitation kinetics. A better knowledge gained in this way would be potentially helpful for optimization of ODS steel production routines. In the course of this PhD study, the IBS approach was applied to investigate the co-precipitation of metal (Y and/or Ti) and oxygen ions implanted into a model Fe-Cr alloy with the composition close to those typical for commercial ODS steels. Following the standard IBS schedule, consisting of ion implantation followed by high-temperature heat treatment, ions of Y, Ti and O at low energies were implanted into high-purity Fe10wt%Cr alloy samples at room temperature. The implanted samples were then annealed at various temperatures ranging from 600 to 1100°C to promote the precipitation of nano-oxide particles. A range of Transmission Electron Microscopy techniques were used to characterize the crystallographic structure and chemical composition of the nanoparticles. The study has been performed following three sets of experiments. First of all, the sequential implantation of Ti and O ions was implemented. Subsequent annealing at temperatures below 1000°C revealed that precipitation of titanium oxide was suppressed. Instead, chromium-rich nano-oxide particles with corundum hexagonal structure were found to precipitate. At sufficiently high temperatures these corundum particles were found to contain certain amount of Ti. Only after annealing at the highest temperature of 1100°C, particles of another type with Ti enriched core and Cr enriched shell were additionally fixed. Secondly, sequential Y and O ion implantation resulted in the formation of probable yttrium-rich oxides at 800°C. Annealing at 1100°C promoted their growth to larger sized yttria (Y₂O₃) particles with a Cr enriched shell. Finally, sequential ion implantation of both metal ions (Y and Ti) was performed, followed by O implantation. The order of metal ion implantation has been found to be crucial for subsequent oxide precipitation at the annealing stage. With the Ti implantation first in the sequence, the precipitation of corundum hexagonal chromium-rich oxide was observed, very similar to the case of Ti and O implantation. In contrast, implantation starting with Y produced yttrium-titanium oxide particles with unidentifiable structure. Summing up, the study has demonstrated the feasibility of the formation of Y, Ti and (Y,Ti) oxides by ion implantation. The thesis presents the detailed characterization of the nanoparticles, as well as the discovered specific features of precipitated particles, such as the presence of orientation relationships between the particles and the FeCr matrix, which was observed even for the case of Cr-rich corundum particles. Finally, the implications of the obtained results, in conjunction with the already known data from the existing literature, for the better understanding of the mechanisms involved in the formation of nano-oxide particles in ODS steels are discussed.