In this study, the characteristics of low-pressure chemical vapor deposition deposited silicon nitride films on n-GaN substrate were investigated. The physical and chemical properties were measured and surveyed. And an Al/LPCVD-Si3N4/n-GaN MOS structure was used for the electrical characterizations. For the electrical property improvements, we investigated the low-pressure chemical vapor deposition deposited silicon nitride films by (NH4)2Sx treatment. Furthermore, the silicon nitride films were passivated by fluorine ions to improve the electrical characterizations that came from the liquid phase deposited SiO2 stacks. After the (NH4)2Sx treatment and fluorine ions passivation, the dielectric constant of low-pressure chemical vapor deposition deposited silicon nitride films were maintained and the leakage current density were improved. The highest dielectric constant is 12.13, and lowest leakage current density are 1.73¡Ñ10-10 A/cm2 at 1 MV/cm and 3.81¡Ñ10-10 A/cm2 at 1 MV/cm for the LPCVD-Si3N4 film after fluorine passivation and (NH4)2Sx treatment.

L'industrie de la microélectronique est en perpétuelle évolution, surtout concernant la diminution des dimensions des composants. Ainsi, pour les nouvelles générations de mémoires non volatiles Flash, le poly-silicium de la grille flottante pourrait être remplacé par des nanoplots discrets de silicium. L'élaboration de ces nanoplots par LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) à partir de silane SiH4 sur un substrat amorphe SiO2 demeure l'une des voies privilégiées par l'industrie. Le fonctionnement de ce type de mémoires est fortement dépendant des conditions de synthèse des nanoplots de silicium. Ce travail de cette thèse visait donc à améliorer la compréhension des mécanismes de nucléation et de croissance en jeu. Nous avons étudié les premiers instants de la nucléation en chimie quantique, grâce à l'utilisation de la théorie DFT, en considérant l'oxyde de silicium comme surface de dépôt. Des lois cinétiques intrinsèques ont été tirées de ces résultats DFT et elles ont été implémentées dans un modèle de simulation à l'échelle du procédé industriel, sur la base du code de CFD Fluent. Pour la nucléation, il est apparu que seul le silylène, SiH2, peut se chimisorber à la surface du substrat. De plus, sa faible concentration et la première désorption de H2, qui est très lente, expliquent le temps d'incubation. Pour la croissance, le caractère auto-catalytique des dépôts a été expliqué par la contribution très forte du silane au dépôt dès la seconde chimisorption. L'étape limitant la croissance est clairement la désorption de H2. La réalisation d'essais expérimentaux et la comparaison avec le modèle multi-échelles issu de notre travail a permis d'expliquer pourquoi les cinétiques classiques de la littérature surestiment la vitesse de dépôt des nanoplots. Il est aussi apparu que la vitesse de dépôt du silicium sur des nanoplots en croissance est plus forte que celle d'un film de silicium continu « épais ». La prise en compte des sites de chimisorption lors des premiers instants et la description détaillée de la désorption de H2 sont des paramètres clés pour rendre compte du comportement des dépôts de nanoplots de silicium. / The need of high integrated systems of the everyday life involves a permanent evolution of the microelectronic industry. Integrated circuits involving non volatile Flash memories are good examples of these trends. In this technology, the poly-silicon floating gate could be replaced by a discrete trap floating gate in which discrete traps are made up of silicon nanodots. The synthesis of nanodots by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) from silane SiH4 on SiO2 surfaces remains one of the most promising ways of industrial synthesis. Despite a huge experimental effort, fundamental understanding of the key mechanisms of nanodots nucleation and growth remains elusive. Here we find the main objectives of the thesis. For nucleation, our main results reveal that only silylene SiH2 is involved in the very first steps of nucleation. The incubation time experimentally observed can be explained by the low SiH2 concentration and the first slow H2 desorption process. For growth, silane is the main responsible for deposition, which explains the autocatalytic behaviour of silicon deposition. The growth limiting step is clearly the H2 desorption process. Comparisons between experimental and multiscale modelling allow to explain why classical kinetics of the literature overestimate nanodots deposition rate. We have found that the silicon deposition rate is higher on nanometer silicon dots than on a continuous silicon film. Key parameters to conveniently model nanodots deposition are good descriptions of the first chemisorption sites and of the H2 desorption process.

Abstract The development and advancement of microelectronics industry is very drastically. So, the key to create new technology of process and it's costs can be cut by simulating the performance of these equipments. The reactor of chemical vapor deposition (CVD) is important to semiconductor production process.. This research use numerical method to study the process parameters of low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) of Tungsten (W).In this simulation, the CVD reactor modeling are constructed and discreditzed by using the implicit finite volume method. The grids are arranged in a staggered manner for the discretization of the governing equations. Then, the SIMPLE-type algorithm will be used to solve all of the discretized algebra equations. In this research, the reactor is an single wafer and cold-wall system. The nozzle position is adjustable from 100 to 250mm.The nozzle-to-wafer distance is adjustable by changing the height from 30 to 120mm.The temperature and pressure in the reactor system can be setup with susceptor temperature 300~600 and pressure 0.5~8Torr. The results show that the flow in the reactor may depend on the flow rate and nozzle position. An effective means to avoid unstable is to reduce the susceptor temperature and system pressure due to the effects of buoyancy force and recirculation.

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Nous nous sommes intéressés à la croissance et la caractérisation de nanofils de silicium (Si) et de germanium (Ge). Les nanofils ont été synthétisés par le mécanisme VLS (Vapeur Liquide Solide) dans un réacteur LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), en utilisant l'or (Au) comme catalyseur et le silane (SiH4) ou le germane (GeH4) comme gaz précurseur. Pour que ce procédé de croissance conduise à l'obtention de nanofils, le catalyseur Au doit être nano-structuré sous la forme de nanoparticules de diamètre si possible contrôlé. Ceci est fait dans cette étude par « démouillage » d'une couche continue déposée initialement par effet Joule sur le substrat choisi. L'épaisseur de cette couche continue initiale est un paramètre essentiel dans l'étude. Une partie préliminaire de ce travail a concerné l'étude de la façon dont se démouillage s'effectue, en fonction des divers paramètres. Nous avons ensuite effectué une étude exhaustive du rôle de tous les paramètres (nature du substrat, température, pression, épaisseur de la couche continue d'or, temps de croissance, durée et température de démouillage) qui contrôlent le procédé de croissance LPCVD sur les caractéristiques des nanofils de Ge notamment. Nous avons fait varier ces paramètres dans de larges fenêtres de valeurs afin de maîtriser et contrôler leur croissance. La caractérisation structurale des nanofils par microscopie électronique en transmission montre leur structure monocristalline avec une direction de croissance <111> pour les nanofils de Si et <110> pour les nanofils de Ge. Enfin, dans le cas des nanofils de Ge coniques isolés et déposés sur différents substrat, l'analyse micro-Raman nous a permis de mettre en évidence un phénomène de résonance optique à l'intérieur du nanofils et qui dépend fortement du diamètre local du nanofil. L'intensité Raman augmente avec la diminution du volume excité. Ces effets sont expliqués par les modes optiques apparaissant selon le diamètre local du nanofil, la longueur d'onde d'excitation et la nature du substrat utilisé. En plus, Le profil de la fréquence obtenu a montré qu'aucune anomalie particulière n'est observée. Ces profils obtenus en fonction du substrat et de la longueur d'onde utilisés sur différents nanofils montrent une faible variation de la fréquence. Le profil de la largeur à mi-hauteur est constant. Ces résultats montrent l'absence des effets de confinement de modes de phonons dans les nanofils individuels caractérisés. / This work deals with the growth and characterization of silicon (Si) and germanium (Ge) nanowires. The nanowires were synthesized by the growth mechanism VLS (Vapor Liquid Solid) in a LPCVD reactor (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) using gold (Au) as the catalyst and silane (SiH4) and germane (GeH4) as precursor gas. In order to grow nanowires, the Au catalyst must be nano-structured in the form of nano-particles with controlled diameter if possible. This is done in this study by “dewetting” of a continuous layer evaporated on the chosen substrate. The thickness of this initial continuous layer is an essential parameter in the study. A preliminary part of this work deals with the problem of how the “dewetting” occurs, depending on various parameters (type of substrate, temperature, pressure, thickness of the continuous gold layer, growth duration and “dewetting” temperature) that control the LPCVD growth process. We varied these process parameters over wide ranges to determine how the influence the properties of Ge nanowires grown. The structural characterization of nanowires by transmission electron microscopy shows their single crystal structure with growth direction along <111> in the case of Si nanowires and along <110> for Ge nanowires. Finally, in the case of conical Ge nanowires isolated and deposited on different substrates, the micro-Raman analysis allowed us identifies an optical resonance phenomenon inside the nanowires which strongly depends on their local diameter. The Raman intensity increases with the decrease of volume excited. These effects are explained by the optical modes appearing according to the local diameter of the nanowire, the excitation wavelength and the nature of the substrate used. In addition, the Raman lines recorded along the same profiles did not show any spectral shift, reinforcing the idea that the behavior of their intensity has to be related to resonances associated with the development of local optical modes. These effects were observed to be dependent upon the type of substrate on which the isolated nanowires were transferred (dielectric versus metallic substrates). No effect of the confinement of phonon mode in our nanowires was observed.

[pt] O Nitreto de Boro Hexagonal (h-BN) é um material composto por átomosalternados de Boro (B) e Nitrogênio (N) com um aspecto hexagonal. Os filmesfinos de h-BN desempenham um papel crucial no desenvolvimento de aplicações como em dispositivos 2D baseados em heteroestruturas de Van der Waals,revestimentos protetivos, tribológicos, entre outros. A síntese de h-BN aindarepresenta um desafio significativo. Nesta tese, investigou-se a síntese do h-BNutilizando o método de low pressure chemical vapour deposition (LPCVD),empregando amônia borane (AB) como fonte precursora de B e N. O estudofocou-se no crescimento direto sobre o substrato de silício <100>, eliminando,assim, a necessidade de transferência do filme para posterior caracterizaçãoe evitando a degradação e contaminações associadas ao processo de transferência. A primeira parte deste estudo concentrou-se no crescimento por CVD,controlando os parâmetros de quantidade de material precursor, temperaturade evaporação do precursor e do forno, fluxo de gases nas etapas de reduçãoe de síntese, temperatura, tempo de redução, síntese e resfriamento. Foramsintetizadas duas séries: uma em função da temperatura de crescimento entre1173 e 1373 K, e uma segunda em função do tempo de síntese a uma temperatura de 1373 K. Os filmes foram caracterizados por espectroscopias Raman,infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), UV-visível (UV-Vis), de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), microscopia de força atômica (AFM),ângulo de contato, microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopiaeletrônica de varredura por transmissão (STEM) e tribologia. Inicialmente,foi estudado o efeito da temperatura de crescimento na qualidade dos filmescrescidos por 10 minutos. Os resultados de espectroscopia Raman confirmamo crescimento de h-BN, evidenciado pelo pico E2g em aproximadamente 1375cm−1. Estudos morfológicos mostraram que variações de temperatura levam àformação de diferentes estruturas na superfície do Si. O crescimento é observado a partir de 1273 K, enquanto amostras crescidas abaixo de 1223 K nãoapresentam sinais de crescimento. Observamos a formação de folhas bidimensionais (2D) com dimensões laterais variando de 80 a 500 nm, assim como ocrescimento contínuo de filmes com nanocristais de tamanhos variados. A razão B:N determinada por XPS foi de aproximadamente 1:1 e o gap óptico dosfilmes de h-BN foi determinado em 5,75 eV. O estudo de tribologia demonstrouum coeficiente de atrito de 0,1 e não houve delaminação após 3000 ciclos deida e volta lineares no teste esfera no disco percorrendo 10 mm em cada ciclono filme, enquanto o do Si foi de 0,6. Para os filmes sintetizados em função dotempo, a caracterização por espectroscopia Raman revelou um pico de modode vibração E2g em 1374 cm−1com intensidade correlacionada à espessura dofilme. A espectroscopia FTIR confirmou a presença de ligações B-N, e a bandaóptica foi determinada em 5,65 eV. O ângulo de contato mostrou filmes hidrofóbicos. Os dados de XPS indicaram uma relação estequiométrica 1:1 entre Be N, e a espessura foi analisada pela medida de seção transversal por STEM,sendo da ordem de 20 nm para filmes crescidos por 10 minutos a 1373 K. / [en] Hexagonal Boron Nitride (h-BN) is a material composed of alternating Boron (B) and Nitrogen (N) atoms with a hexagonal aspect. Thin films of h-BN play a crucial role in the development of applications such as 2D devices based on Van der Waals heterostructures, protective coatings, tribological applications, among others. The synthesis of h-BN still represents a significant challenge. In this thesis, the synthesis of h-BN was investigated using the low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method, employing ammonia borane (AB) as a precursor source of B and N. The study focused on direct growth on the silicon <100> substrate, thus eliminating the need for film transfer for subsequent characterization and avoiding degradation and contamination associated with the transfer process. The first part of this study focused on CVD growth, controlling parameters such as the amount of precursor material, precursor and furnace evaporation temperature, gas flow rates during the reduction and synthesis stages, temperature, reduction time, synthesis, and cooling. Two series were synthesized: one as a function of growth temperature between 1173 and 1373 K, and a second as a function of synthesis time at a temperature of 1373 K. The films were characterized by spectroscopy, Raman, Fourier-transform infrared (FTIR), UV-visible (UV-Vis), X-ray photoelectron (XPS), atomic force microscopy (AFM), contact angle measurements, scanning electron microscopy (SEM), scanning transmission electron microscopy (STEM), and tribology. Initially, the effect of growth temperature on the quality of films grown for 10 minutes was studied. Raman spectroscopy results confirmed the growth of h-BN, evidenced by the E2g peak at approximately 1375 cm−1 . Morphological studies showed that temperature variations lead to the formation of different structures on the Si surface. Growth is observed from 1273 K, while samples grown below 1223 K show no signs of growth. We observed the formation of two-dimensional (2D) nanosheets with lateral dimensions ranging from 80 to 500 nm, as well as the continuous growth of films with nanocrystals of varying sizes. The B:N ratio determined by XPS was approximately 1:1, and the optical gap of the h-BN films was determined to be 5.75 eV. Tribology studies demonstrated a friction coefficient of 0.1, and there was no delamination after 3000 linear reciprocating cycles in the ball-on-disk test, covering 10 mm in each cycle on the film, while for Si it was 0.6. For films synthesized as a function of time, Raman spectroscopy characterization revealed an E2g vibration mode peak at 1374 cm−1 with intensity correlated to the film thickness. FTIR spectroscopy confirmed the presence of B-N bonds, and the optical band was determined to be 5.65 eV. Contact angle measurements showed hydrophobic films. XPS data indicated a stoichiometric 1:1 ratio between B and N, and the thickness was analyzed by cross-sectional STEM measurements, being around 20 nm for films grown for 10 minutes at 1373 K.

Parmi les technologies photovoltaïques à base de silicium, les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si (HJ) ont montré une attention croissante en ce qui concerne leur fort potentiel d’amélioration du rendement et de la réduction de coûts. Dans cette thèse, des investigations sur les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si de type (n) développées à l'Institut National de l'Énergie Solaire sont présentées. Les aspects technologiques et physiques du dispositif à HJ ont été revus, en mettant l'accent sur la compréhension du rôle joué par la face arrière. À travers le développement et la mise en œuvre des films de a-Si:H intrinsèques et dopés (n) de haute qualité des cellules solaires à HJ, les conditions requises en face arrière des dispositifs ont été établies. Une comparaison entre plusieurs types de champ surface arrière, avec et sans l’introduction d’une couche buffer, est présentée et les caractéristiques des cellules solaires résultants sont discutées. Une discussion autour du contact arrière de cellules solaires à HJ est aussi présentée. Une nouvelle approche d’oxyde transparent conducteur en face arrière basé sur les couches d’oxyde de zinc dopé au bore (ZnO:B) est étudié. Dans le but de développer des couches de ZnO:B de haute qualité bien adaptées à leur utilisation dans des dispositifs à HJ, différents paramètres de dépôt ainsi que des traitements après dépôt comme le post plasma d’hydrogène ou le recuit laser sont étudiés et leur influence sur des cellules solaires est évaluée. Au cours de ce travail il est montré que la face arrière des cellules solaires à HJ joue un rôle important sur l’accomplissement de hauts rendements. Cependant, l'augmentation de la performance globale du dispositif dû à l’optimisation de la face arrière de la cellule est toujours dépendante des phénomènes ayant lieu en face avant des dispositifs. L'utilisation des films optimisés pour la face arrière des HJs développées dans cette thèse, associée à des couches améliorées pour la face avant et une nouvelle approche de métallisation nous a permis d’atteindre un rendement de conversion record de plus de 22%, démontrant ainsi le grand potentiel de cette technologie à HJ de a-Si:H/c-Si. / Amongst available silicon-based photovoltaic technologies, a-Si:H/c-Si heterojunctions (HJ) have raised growing attention because of their potential for further efficiency improvement and cost reduction. In this thesis, research on n-type a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells developed at the Institute National de l’Énergie Solaire is presented. Technological and physical aspects of HJ devices are reviewed, with the focus on the comprehension of the back side role. Then, an extensive work to optimise amorphous layers used at the rear side of our devices as well as back contact films is addressed. Through the development and implementation of high-quality intrinsic and n-doped a-Si:H films on HJ solar cells, the needed requirements at the back side of devices are established. A comparison between different back surface fields (BSF) with and without the inclusion of a buffer layer is presented and resulting solar cell output characteristics are discussed. A discussion on the back contact of HJ solar cells is also presented. A new back TCO approach based on boron-doped zinc oxide (ZnO:B) layers is studied. With the aim of developing high-quality ZnO:B layers well-adapted to their use in HJ devices, different deposition parameters as well as post-deposition treatments such as post-hydrogen plasma or excimer laser annealing are studied, and their influence on solar cells is assessed. Throughout this work it is evidenced that the back side of HJ solar cells plays an important role on the achievement of high efficiencies. However, the enhancement of the overall device performance due to the back side optimisation is always dependent on phenomena taking place at the front side of devices. The use of the optimised back side layers developed in this thesis, together with improved front side layers and a novel metallisation approach have permitted a record conversion efficiency over 22%, thus demonstrating the great potential of this technology.

Les systèmes sur puce comportant des fonctions optiques ont un vif intérêt pour les futures générations de systèmes embarqués, les telecommunications, l'instrumentation. La faisabilité d'une source silicium compatible avec la technologie CMOS reste à ce jour un verrou majeur pour ouvrir la voie à des systèmes optoélectroniques intégrés. L'utilisation des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 est actuellement une voie prometteuse visant à lever ce verrou. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de sources émettant dans le visible/proche infrarouge à base de nanocristaux de silicium, en explorant les potentialités de dépôts LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). En partant de l'étude des propriétés des nanocristaux, une approche bottom-up a été choisie pour la réalisation des composants de test. Un procédé d'élaboration du matériau actif, compatible avec la technologie CMOS, a été mis au point et nous a permis d'obtenir de façon reproductible des nanocristaux avec les propriétés souhaitées. Les mécanismes d'émission lumineuse ont été étudiés et corrélés avec les propriétés structurales et électriques. Une émission lumineuse intense a été obtenue sous excitation optique. L'obtention d'électroluminescence nécessite quant à elle une optimisation spécifique tant au niveau matériau qu'au niveau procédé technologique. A cette fin, plusieurs voies ont été explorées nous conduisant à établir le compromis entre propriétés optiques et électriques. Au terme de cette étude, nous avons évalué les avantages et inconvénients de cette technique d'élaboration et proposons des solutions pour parvenir à fabriquer un dispositif électroluminescent fonctionnel.

En raison de leurs propriétés nouvelles, les matériaux composites à base de nanocristaux de silicium (nc-Si) contenus dans des matrices siliciées amorphes suscitent un intérêt grandissant pour les nombreuses applications envisagées dans les domaines de l'électronique et du photovoltaïque. La fabrication de ces nanostructures est parfaitement compatible avec les technologies existantes. Toutefois, afin d'être intégrés avec succès dans ces dispositifs, les nc-Si et leur environnement doivent avoir des propriétés maitrisées. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté en l'élaboration et la caractérisation de couches de carbure et nitrure de silicium contenant des nc-Si. Ces deux matrices ont retenu notre attention en raison de leur gap intermédiaire entre la silice et le silicium qui permettrait d'obtenir des propriétés améliorées pour les composants électriques. Deux techniques de fabrication ont été étudiées : la nucléation/croissance de nc-Si sur des couches minces a-SiCx par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et le dépôt par CVD assisté par plasma pulsé (PPECVD) d'alliages a-SiNx riches en Si, suivi d'un recuit à haute température. Lors de l'interprétation des résultats, une attention particulière a été portée aux effets de surface/interface et au rôle de la matrice sur les propriétés mesurées. Après avoir étudié et maitrisé les conditions de dépôt d'alliages a-SiCx:H par PECVD, nous montrons que la nucléation/croissance de nc-Si sur une surface a-Si0,8C0,2 par LPCVD est favorisée en raison de la concentration en Si élevée de la matrice. Des densités surfaciques de nc-Si supérieures à 1012 cm-2 ont ainsi été atteintes, même pour des temps de dépôt courts ou des débits de silane faibles. Ces premiers résultats indiquent la faisabilité de ce type de structure. Une étude approfondie sur le couple nc-Si/nitrure de silicium a ensuite été menée. Les propriétés structurales, optiques et électriques de couches de nitrure contenant des nc-Si ont été caractérisées à partir d'un large éventail de techniques. Après avoir estimé la taille des nc-Si par spectroscopie Raman, la déconvolution des spectres XPS nous a permis d'expliquer les processus de formation des nc-Si lors du recuit et de proposer un modèle pour décrire la structure des interfaces nc-Si/a-Si3N4. Les propriétés optiques des nc-Si ont ensuite été déterminées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie UV-Vis. L'élargissement du gap, le lissage des constantes diélectriques et l'augmentation du coefficient d'absorption aux faibles énergies avec la diminution de la taille des particules suggèrent un effet de confinement quantique au sein des nc-Si. Des mesures de photoluminescence résolue en temps nous ont permis de conclure que l'utilisation d'une matrice de nitrure est peu appropriée à l'étude de l'émission optique des nc-Si en raison des nombreux défauts radiatifs et non radiatifs présents dans la matrice et aux interfaces. Enfin, les mécanismes de transport des porteurs de charge à travers la couche nanocomposite ont été étudiés à partir de mesures courant-tension. En raison de son caractère percolé, la couche se comporte de façon analogue à une couche de Si polycristallin avec une faible concentration de liaisons pendantes du Si. Un effet de photoconduction attribué aux nc-Si est observé, ce qui offre des perspectives de travail intéressantes.

Techn. Hochsch., Diss., 2006--Aachen.