Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un semi-conducteur à large bande interdite (~ 6 eV) avec une stabilité thermique et chimique très élevées lui offrant la possibilité d'être utilisé dans des dispositifs fonctionnant dans des conditions de fonctionnements extrêmes. La nature indirecte de la bande interdite dans h-BN a été étudiée à la fois par des calculs théoriques et par des expériences. Un exciton indirect et des recombinaisons assistées par phonons dans h-BN ont été observées par photoluminescence.Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de cristaux massifs et de couches hétéro-épitaxiales de nitrure de bore hexagonal. Nous avons étudié des échantillons provenant de différentes sources et des cristaux qui ont été fabriqués en utilisant différentes méthodes de croissance pour nous permettre de mesurer les propriétés optiques intrinsèques de h-BN. Nous rapportons l'impact des symétries des phonons sur la réponse optique du h-BN en effectuant des mesures photoluminescence résolues par polarisation. L’analyse des données en polarisation, nous permet de mesurer la contribution du phonon manquant, celui qui n'a pas été détectée avant cette thèse. En suite, nous démontrons que l'origine de la structure fine du spectre de PL provient pour chaque réplique phonon d’une diffusion complémentaire de type Raman faisant intervenir le mode de phonon E2g à basse énergie (mode de cisaillement inter-feuillets). Les spectroscopies de photoluminescence et de diffusion inélastique Raman ont été combinées pour quantifier l'influence des effets isotopiques sur les propriétés optiques de h-BN ainsi pour révéler que les modifications des interactions de van de Waals liées à l'utilisation de 10B et 11B ou du bore naturel pour la croissance de cristaux h-BN massifs.Enfin, nous étudions des epitaxis de h-BN crues par Épitaxie sous Jets Moléculaires. L'utilisation conjointe de l’imagerie par microscopie à force atomique (AFM) et de la spectroscopie de photoluminescence permet de comprendre la première observation de recombinaison assistée par phonons dans des épitaxies de h-BN sur le saphir et le graphite. Ce résultat indique que la croissance de h-BN à large échelle par méthode épitaxiales est en voie d'acquérir la maturité nécessaire au développement technologique de h-BN. / Hexagonal boron nitride (h-BN) is a wide bandgap (~ 6 eV) semiconductor with a very high thermal and chemical stability often used in devices operating under extreme conditions. The indirect nature of the bandgap in h-BN is investigated by both theoretical calculations and experiments. An indirect excion and phonon-assisted reombinations in h-BN are observed in photoluminescene spectroscopy.This thesis focus on the optical properties of bulk and epilayers of h-BN. We investigated samples from different sources grown different methods in order to confirm the intrinsic optical properties of h-BN. We report the impact of the phonon symmetry on the optical response of h-BN by performing polarization-resolved PL measurements. From them, we will measure the contribution of all the phonon-assisted recombination which was not detected before this thesis. We follow by addressing the origin of the fine structure of the phonon-assisted recombinations in h-BN. It arises from overtones involving up to six low-energy interlayer shear phonon modes, with a characteristic energy of about 6.8 meV.Raman and photoluminescence measurements are recorded to quantify the influence of isotope effects on optical properties of h-BN as well as the modifications of van de Waals interactions linked to utilization of 10B and 11B or natural Boron for the growth of bulk h-BN crystals.Finally, we study h-BN thin epilayers grown by Molecular Beam Epitaxy at Nottingham University, atomic force microscopy (AFM) images and photoluminescence features are combined to confirm the first observation of phonon-assisted recombination in high quality thin h-BN epilayers grown on c-plane sapphire and Highly Ordered Pyrolitic Graphite. This demontrates that large scale growth of h-BN by epitaxy is getting a technologically required maturity.

Les Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMTs) à base de GaN sont les composants les plus prometteurs pour des applications de puissance en gamme d’ondes micrométriques et millimétriques grâce à leurs très bonnes propriétés physiques comme leur grande largeur de bande interdite (3.4eV), induisant un champ de claquage élevé (>106 V/cm) mais également une vitesse de saturation des électrons élevée (>107 cm/s). Dans ce travail, nous avons étudié les effets de canaux courts pour des transistors réalisés sur des hétérostructures AlGaN/GaN et InAlN/GaN. Des grilles de longueur (Lg=75nm) ont été fabriquées permettant d’atteindre des fréquences de coupure du gain en courant et en puissance respectives de 113GHz et 200GHz. Ces performances sont à l’état de l’art de la filière InAlN/GaN sur substrat saphir. En ce qui concerne les hétérostructures AlGaN/GaN, les pièges liés aux états de surface ont été stabilisés grâce à une étape de passivation optimisée consistant en un prétraitement N20 et un dépôt de bicouche SiN/SiO2. Cette dernière a permis de limiter les chutes de courant du transistor en régime dynamique. A partir d’une topologie adaptée, des résultats de puissance hyperfréquence à 40GHz ont été obtenus. Une densité de puissance au niveau de l’art de 1.5W/mm a été mesurée sur un HEMT AlGaN/GaN sur substrat Si(111). Pour une hétérostructure InAlN/GaN sur substrat saphir, les résultats de puissance hyperfréquence sont également à l’état de l’art de la filière avec une densité de puissance en sortie du transistor de 2W/mm et un rendement en puissance ajoutée de 13%. / GaN based High Electron Mobility Transistors (HEMTs) represent the most promising devices for microwave and millimeter-wave power applications. One key advantage of GaN is the superior physical properties such as a wide band gap (3.4eV) leading to high breakdown fields (>106 V/cm) and a high saturation electron drift velocity (>107 cm/s).In practice, physical limitations appear and avoid reaching expected performances in terms of frequency and microwave power. Short channel effects appear with the decrease of the transistor gate length. In large signal conditions, traps related to surface states of the semiconductor lead to drain current drops. In this work, we have studied short channel effects for transistors fabricated on AlGaN/GaN and InAlN/GaN heterostructures. Devices with 75nm-T-shaped-gates exhibit a current gain cut-off frequency and a power gain cutoff frequency of 113GHz and 200GHz respectively. To the author knowledge, these cut-off frequencies are the highest reported values for InAlN/GaN HEMTs grown on sapphire substrate. For AlGaN/GaN HEMTs, traps related to surface states were neutralized thanks to optimized passivation steps, permitting to mitigate DC to RF dispersion. It consists of a N2O pretreatment followed by a SiN/SiO2 bilayer deposition. From an appropriate transistor topology, microwave power measurements were performed at 40GHz. An output power density of 1.5W/mm, very closed to the state of the art, was measured for AlGaN/GaN HEMTs grown on Si(111) substrate. For InAlN/GaN HEMTs grown on sapphire substrate, state of the art output power density of 2W/mm was achieved with an associated power added efficiency of 13%.

Le travail présenté dans ce manuscrit traite de la compréhension des processus de croissance de structures colonnaires de matériaux semiconducteurs nitrures. La technique de croissance utilisée est l'épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PA-MBE). Plusieurs types d'expériences viennent étayer ce travail: des expériences de microscopie électronique à balayage et à transmission, des expériences de diffraction multi-longueurs d'onde et de spectroscopie en condition de diffraction (menées à l'ESRF sur les lignes BM2 et BM32), et des expériences de photoluminescence. Tout d'abord les mécanismes de nucléation des nanofils nitrure de gallium (GaN) réalisés sur un fin (3nm) buffer de nitrure d'aluminium (AlN) épitaxié sur un substrat de silicium (111) sont étudiés. Il est démontré que la relaxation complète des précurseurs des nanofils GaN est un élément clé du mécanisme de nucléation. Dans le cas des fils de GaN, il apparaît en outre que la morphologie granulaire du buffer AlN joue un rôle essentiel. Ensuite le développement des nanofils GaN, une fois la nucléation achevée, est analysé. Nous identifions la diffusion du gallium dans le plan de croissance ainsi que sur les facettes des nanofils comme étant le mécanisme responsable de la croissance. Nous montrons en particulier que l'In, qui joue le rôle de surfactant, active la diffusion du Ga dans le plan et permet la croissance de nanofils GaN à des températures relativement basses. Sur la base de la compréhension de la nucléation et du développement des nanofils GaN, la croissance de nanofils AlN sur 4nm de SiO2 amorphe déposé sur Si(001) est développée. C'est la première fois que ce type de nanofils est réalisé par MBE. La relaxation des contraintes au cours de la réalisation d'un super réseau AlN/GaN sur des nanofils GaN a ensuite été étudiée. Nous comparons les résultats expérimentaux à des simulations théoriques pour conclure à la relaxation élastique des contraintes. La croissance de nanofils AlGaN est finalement abordée de façon préliminaire.

Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 171-186.

La thèse porte sur cette couche de nitrure ou d’oxynitrure de silicium. Le déroulé prévoit l’élaboration des deux types de dépôts par voie gazeuse (par Chemical Vapor Infiltration CVI), la caractérisation de ces dépôts (par tous les moyens scientifiques à disposition et jugés utiles), ainsi que des essais en conditions proches de l’application visée (haute température, présence de phases liquides) pour juger de l’efficacité de ces dépôts et notamment effectuer une comparaison entre le nitrure et l’oxynitrure. Une étude complète des paramètres modifiables lors de l’élaboration et de leur effet sur la chimie (et par conséquent l’influence sur le comportement du matériau en conditions d’utilisation) représente le cœur du travail considéré. / Ceramics are usually used at high temperature because of their refractory nature. However, they are too brittle to be submitted to high stresses, such as in the rotating parts of aircraft engines. One way to reduce the brittleness of ceramics is to design them as composites. The fiber/matrix architecture displays a damageable character thanks to a suitable interfacial layer, which is deposited on the fiber cloths before the infiltration with molten silicon. The aim of the thesis is to propose and evaluate a solution to protect the fiber reinforcement during the impregnation step with liquid silicon. This solution involves the deposition of a protective layer made of silicon nitride or oxynitride.

Ce mémoire porte sur les propriétés anti-réflectives et de passivation électrique du nitrure de silicium déposé sur du silicium type n et p. Le nitrure de silicium est utilisé dans l'optique de la fabrication de cellules solaires à hétéro contacte a-Si : H/c-Si en tant que couche frontal. Des études comparatives seront faites avec l'oxyde de silicium et le silicium amorphe. Le nitrure de silicium est déposé par déposition chimique en phase gazeuse assistée par plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapour Déposition, PECVD). Les modifications apportées par la variation de la quantité de gaz précurseurs (silane, ammoniac, di-azote) sur la composition ont été mesurées par analyses ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis). Les relations entre la composition de la couche et les propriétés optiques et de passivations électrique ont été mesurées (Spectroscopie Infra Rouge (FTIR), Spectrométrie Photoélectronique X (SPX), …) et simulées. L’évolution de l'épaisseur et de l'indice de réfraction fut mesurée par ellipsométrie, la réflexion, l'absorption et la transmission par spectroscopie. La passivation électrique induite par les couches de nitrure de silicium a été mesurée par TRMC (Time Resolved Microwaves Conductivity). Les meilleurs paramètres de dépositions ont été définis pour une passivation électrique optimal (vitesse de recombinaison de surface < 20 cm.s-1) et une réflexion minimal (0.03% pour l = 560 nm). La reproductibilité des dépositions ainsi que celle des propriétés des couches pour plusieurs paramètres de déposition a également été étudiée / This work studies Silicon nitride and its electrical passivation and anti-reflection properties on n-type and p-type mono crystalline silicon for its use as light entrance window of an inverted a-Si:H/c-Si heterocontact solar cell in the frame of the development of low cost, high efficiency solar cells. Comparative investigation on silicon dioxide and amorphous silicon coatings were performed. Silicon nitride is deposited by plasma enhanced chemical vapour deposition and was investigated by various measurement methods. The modifications induced by variation of the precursor gas mixture (silane, ammoniac and nitrogen) on the composition were measured by Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA). Correlation between the composition and the optical and electrical properties were studied (Fourier Transform InfraRed (FTIR) spectroscopy, XPS, …) and simulated. Evolution of the thickness and refractive indices were measured by ellipsometry.Measurements of the reflection, absorption and transmission were performed with spectroscopy. Time Resolved Microwaves Conductivity (TRMC) was used as a non-destructive method to determine the electrical passivation effect due to silicon nitride. Optimum deposition parameters were found in order to obtain the best electrical passivation (surface recombination velocity <20 cm.s-1) and the minimum reflection (0.03% of reflection for l = 560 nm). Reproducibility of the deposition method and behaviour of the layers for different pre-treatment and under annealing were also investigated

L'arrivée sur le marché des transistors au Nitrure de Gallium (GaN) permet l'augmentation de la fréquence de commutation des convertisseurs statiques. La conséquence directe est la réduction des dimensions des composants passifs et l'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs. Les bobines utilisées pour le stockage et le filtrage sont des composants très volumineux et qui occupent une place importante dans les convertisseurs. Une solution permettant de réduire les dimensions de ces bobines consiste à augmenter la fréquence de fonctionnement des convertisseurs statiques grâce aux composants GaN. Les travaux de cette thèse portent sur la conception et la réalisation des bobines de stockage d'énergie, réalisées à partir de pistes de circuit imprimé (PCB) et de matériaux magnétiques souples. Ces bobines sont destinées aux convertisseurs DC-DC hautes fréquences (HF) à base de transistors GaN. Les matériaux magnétiques souples commercialisés sous forme de feuilles présentent des caractéristiques magnétiques adaptées aux applications hautes fréquences. Ainsi, elles peuvent être découpées en différentes formes géométriques. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé une méthode de conception des bobines PCB à base de matériaux souples pour les convertisseurs HF. Elle est basée sur un algorithme d'optimisation du volume de la bobine en prenant compte les contraintes thermiques du matériau magnétique, mais également des capacités parasites qui apparaissent en HF. La bobine ainsi conçue est réalisée puis caractérisée afin de valider l’outil de conception proposé. La dernière étape consiste à intégrer la bobine obtenue dans un convertisseur Boost synchrone à base de transistors GaN commutant à une fréquence de 1 MHz. Dans le but de tenir compte finement des contraintes thermiques durant la phase de conception de la bobine, des améliorations sont proposées, on se basant sur les résultats de validation expérimentale. / The arrival on the market of GaN power transistors allow to increase the operating frequency of static converters. The direct consequence is the reduction of the dimensions of the passive components which leads to increase the converter power density. Inductors used for storage and filtering of electrical energy are very bulky components and occupy an important place in the converters. One solution for reducing the dimensions of these inductors is to increase the operating frequency of the static converters, made possible thanks to the GaN components. The work of this thesis is about the design and realization of energy storage inductor, made from printed circuit board (PCB) tracks and flexible magnetic materials for high frequency DC-DC converters based on GaN transistors. Flexible magnetic materials marketed in the form of sheets have magnetic characteristics suitable for high frequency applications. Also, they can be cut into different geometric shapes. As part of this thesis, we have proposed a design method for PCB inductors based on flexible materials for high frequency converters. It is based on an algorithm for optimizing the volume of the inductor taking into account the thermal issues of the magnetic material and the parasitic capacitances which appear at high frequencies. The designed inductor is then characterized in order to validate the proposed design tool. The last step is to integrate the obtained inductor in a synchronous Boost converter based on GaN transistors of 1MHz operating frequency to evaluate its electrical and thermal performances. In order to take into account finely the thermal constraints in the design of the inductor, improvements are proposed, based on the results of experimental validation.

L'étude des propriétés optiques des matériaux semiconducteurs et, notamment, des composés émettant dans l'ultra-violet (UV) constitue depuis quelques années une thématique de recherche de plus en plus importante du fait des applications potentielles de ces matériaux en optoélectronique. Dans cette perspective, étudier les propriétés optiques du nitrure de bore hexagonal (hBN) et des nanotubes de nitrure de bore (BN) est particulièrement intéressant, étant donné leur caractère semiconducteur à grand gap (autour de 6 eV). <br /> L'objectif de cette étude est d'analyser les propriétés optiques de ces matériaux et, plus particulièrement, leurs effets excitoniques, en développant des méthodes de caractérisation optique adaptées pour observer des émissions UV.<br />Les techniques expérimentales de photoluminescence et de cathodoluminescence développées au cours de cette thèse ont tout d'abord permis de comprendre les propriétés de luminescence du hBN. Ainsi, nous avons pu confirmer la présence d'excitons libres émettant à 5.77 eV. Ensuite, en corrélant ces mesures optiques avec des analyses structurales en microscopie électronique en transmission de cristaux individuels, nous avons mis en évidence l'existence d'excitons liés à des défauts structuraux bien déterminés et émettant autour de 5.5 eV. Une fois les propriétés de luminescence du matériau massif connues, nous avons analysé de la même manière différents types de nanotubes de BN multifeuillets. Ces mesures ont pour la première fois montré que ces nano-objets émettent également dans l'UV. En se basant sur notre étude de la luminescence de hBN, nous proposons une interprétation pour l'origine de leurs émissions lumineuses UV.

Cette thèse se place dans le contexte des recherches menées sur l'élaboration de support de haute qualité cristalline pour des applications optoélectronique et piézoélectrique. Les nitrures d'aluminium, AlN, et de bore, BN sont deux matériaux présentant des propriétés physiques intéressantes pour leurs utilisations en tant que substrat et partiellement comme couche active dans de telles applications. Les objectifs de cette thèse étaient de continuer les travaux en cours sur l'hétéroépitaxie d'AlN (avec le mélange H2 - NH3 - AlCl3 en phase gazeuse) sur substrat saphir et silicium, et d'explorer la croissance de BN par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à haute température avec une chimie chlorée (mélange.H2 - NH3 - BCl3 en phase gazeuse). Des études thermodynamiques ont été menées pour évaluer les équilibres ayant lieu entre la phase gazeuse et les matériaux en présence sur une large gamme de température. Ces premiers résultats ont permis d'en déduire des conditions opératoires favorables afin d'éviter toutes réactions parasites qui nuiraient à la croissance des nitrures. Plusieurs études expérimentales ont été effectuées sur les réacteurs du SIMaP. Une étude de l'influence du ratio N/Al dans la phase gazeuse sur la croissance d'AlN a été entreprise. Par la suite les mécanismes de croissance de ces couches sont expliqués afin de comprendre l'effet de ce paramètre. Suite à cela, des dépôts avec plusieurs étapes de croissances à différente température ont permis l'obtention de couches d'AlN peu fissurées, peu contraintes et avec des qualités cristallines satisfaisantes. Concernant le dépôt de BN, des essais ont été menés sur substrats AlN et métalliques (chrome et tungstène). À haute température (1600 °C), le dépôt sur AlN a permis l'obtention de couche turbostratique peu désorientée. La croissance sur substrats métalliques a été effectuée à basse température, ne favorisant pas l'épitaxie de BN sur ces substrats. Enfin, des comparaisons ont été menées entre température de dépôt, vitesse de croissance des couches et sursaturation de la phase gazeuse, permettant la délimitation de domaine de conditions opératoire où l'épitaxie est favorisée.