Ce travail a été réalisé au Centre de Recherche en Nanofabrication et Nanocaractérisation (CRN[indice supérieur 2]) de l'Université de Sherbrooke. Il porte sur l'étude, la réalisation et la caractérisation de structures métal - isolant - semiconducteur (MIS) sur nitrure de gallium. Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semiconducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques, physiques et mécaniques très intéressantes. Il a été découvert depuis plus de quatre décennies. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d'inefficacités du dopage p et les densités élevées des défauts cristallins dans les couches épitaxiées, ont constitué pendant longtemps des obstacles majeurs au développement de la technologie GaN [I. Akasaki, 2002]. Il a fallu attendre jusqu'au début des années 1990 pour voir apparaître des couches de meilleure qualité et pour améliorer l'efficacité du dopage p [J.Y. Duboz, 1999]. Cet événement a été l'étape majeure qui a révolutionné la technologie à base de GaN et a permis d'amorcer son intégration dans le milieu industriel. Depuis, la technologie à base de ce matériau ne cesse de progresser à un rythme exponentiel. Il se présente aujourd'hui comme un matériau de choix pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissances et de hautes fréquences pouvant fonctionner dans des milieux hostiles. Grâce à sa bande interdite directe et son pouvoir d'émission à faible longueur d'onde, il est aussi très convoité pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection, tels que les DELs, Lasers ou les photodétecteurs. Malgré l'avancé rapide qu'a connu le GaN, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques de bonne qualité ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont caractérisées par une forte densité d'états de surface (D[indice inférieur it]). Ce phénomène, aussi rapporté sur GaAs et sur la plupart des matériaux III-V, induit l'ancrage du niveau de fermi au centre de la bande interdite. Il constitue l'un des freins majeurs au développement d'une technologie MIS (MOS) fiable sur GaN. À travers ce document, nous rapportons les résultats des travaux entrepris pour la réalisation de capacités MIS, de contacts ohmiques et de diodes Schottky sur les deux types de substrat GaN et p-GaN. Le diélectrique utilisé comme couche isolante pour les structures MIS est le Nitrure de Silicium (Si[indice inférieur x]N[indice inférieur y]) déposé par PECVD. Ces travaux constituent une introduction aux procédés de microfabrication sur nitrure de gallium, aux difficultés liées aux effets de surface dans le GaN et aux étapes de préparation chimique en vue de minimiser la densité de charges d'état à l'interface métal/GaN et diélectrique/GaN. La première partie du document est dédiée à la caractérisation optique et électrique des substrats GaN utilisés par étude de spectroscopie de photoluminescence (PL) et par étude Schottky.

Cette thèse a initié en France la thématique des cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Cette technologie consiste à déposer des couches de silicium amorphe sur des substrats de silicium cristallin ce qui présente l'avantage (par rapport aux homojonctions) de fabriquer des cellules solaires à haut rendement entièrement à basse température (< 200 °C). Elle permet aussi de réaliser plus aisément des cellules sur substrats c-Si très minces (< 150 μm). Les substrats utilisés sont ici essentiellement des c-Si de type p. Les couches a-Si:H, pm-Si:H ou μc-Si sont déposées par RF-PECVD. Une attention particulière est portée au dépôt d'ITO, aux étapes de nettoyage et à la reproductibilité. Les cellules solaires ont été développées dans un souci constant d'industrialisation : grande surface (25 cm2) et métallisations bas coût sérigraphiées. Malgré cela, les rendements ont progressé de 9 % à 17 % avec les meilleurs Vco compris entre 660 mV et 677 mV (à l'époque un record). Une excellente passivation a été obtenue avec une vitesse de recombinaison de 16 cm/s moyennée sur 25 cm2.<br /><br />Un travail plus théorique associant mesures ellipsométriques in situ, mesures HR-TEM et mesures de capacité, SIMS et simulations a permis d'obtenir plusieurs résultats originaux et de montrer que la physique des cellules à hétérojonctions a-Si:H/c-Si était encore mal comprise. Des paradoxes ont été découverts et élucidés concernant le rôle du « bombardement ionique »,<br />de la croissance épitaxiale et des discontinuités de bande. Une conclusion essentielle est que les discontinuités de bande du système a-Si:H/c-Si ne sont pas constantes et que leur valeur dépend (notamment) du contenu en hydrogène. Cela ouvre la voie à une ingénierie des discontinuités de bande des cellules solaires à hétérojonctions.

Nanomaterials are the heart of nanoscience and nanotechnology. Research into nanostructures has been vastly expanding worldwide and their application spreading into numerous branches of science and technology. The incorporation of these materials in commercial products is revolutionising the current technological market. Nanomaterials have gained such enormous universal attention due to their unusual properties, arising from their size in comparison to their bulk counterparts. These nanosized structures have found applications in major devices currently under development including fuel cells, computer chips, memory devices, solar cells and sensors. Due to their aforementioned importance nanostructures of various materials and structures are being actively produced and investigated by numerous research groups around the world. In order to meet the market needs the commercialisation of nanomaterials requires nanomaterial fabrication mechanisms that will employ cheap, easy and low temperature fabrication methods combined with environmentally friendly technologies. This thesis investigates low temperature growth of various one-dimensional nanostructures for their potential application in chemical sensors. It proposes and demonstrates novel materials that can be applied as catalysts for nanomaterial growth. In the present work, zinc oxide (ZnO) and silicon (Si) based nanostructures have been fabricated using low temperature growth methods including hydrothermal growth for ZnO nanowires and plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) technique for Si nanostructures. The structural, optical and electrical properties of these materials have been investigated using various characterisation techniques. After optimising the growth of these nanostructures, gas and biosensors have been fabricated based on Si and ZnO nanostructures respectively in order to demonstrate their potential in chemical sensors. For the first time, in this thesis, a new group of materials have been investigated for the catalytic growth of Si nanostructures. Interesting growth observations have been made and theory of the growth mechanism proposed. The lowest growth temperature in the published literature is also demonstrated for the fabrication of Si nanowires via the PECVD technique. Systematic studies were carried out in order to optimise the growth conditions of ZnO and Si nanostructures for the production of uniformly shaped nanostructures with consistent distribution across the substrate. v The surface structure and distribution of the variously shaped nanostructures has been analysed via scanning electron microscopy. In addition, the crystallinity of these materials has been investigating using Raman and X-ray diffraction spectroscopies and transmission electron microscopy. In addition to the fabrication of these one-dimensional nanomaterials, their potential application in the chemical sensors has been tested via production of a glucose biosensor and an isopropyl alcohol vapour gas sensor based on ZnO and Si nanostructures respectively. The operation of the devices as sensors has been demonstrated and the mechanisms explored.

Nesta tese discorremos sobre crescimento e caracterização de filmes finos de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-Si1-xCx:H) crescidos por deposição química de vapor assistida por plasma (PECVD). Os filmes foram depositados a partir de misturas de silano, metano e hidrogênio, no regime de plasma faminto por silano. Amostras depositadas nessas condições possuem uma maior concentração de ligações Si-C, ou seja, melhor coordenação entre átomos de Si e C, com menor quantidade de ligações C-Hn e Si-H, apresentando um conteúdo de hidrogênio da ordem de 20 at.%, e baixa densidade de poros. Foram analisadas e correlacionadas diversas propriedades dos filmes depositados, explorando-se a potência de rf e a diluição da mistura gasosa em hidrogênio, de forma a melhorar a ordem química, estrutural e morfológica na fase sólida. A composição dos filmes foi determinada por retroespalhamento de Rutherford e espectrometria de recuo frontal. Enfatizou-se a análise dos diferentes tipos de ligações químicas existentes no material por espectrometria no infravermelho por transformada de Fourier, o estudo das propriedades estruturais por espectroscopia de absorção de raios X na borda K do silício, e das propriedades morfológicas analisando-se os perfis de espalhamento de raios X a baixo ângulo para diferentes ligas depositadas. Foram também realizadas medidas de dureza e de microscopia eletrônica para uma amostra estequiométrica, de forma a complementar os demais dados obtidos. Filmes estequiométricos depositados nessas condições apresentam entre 80 e 90% do total de suas ligações entre átomos de Si e C e dureza Vickers de 33 GPa. Tratamentos térmicos entre 600 ºC e 1000 ºC, realizados em atmosfera inerte de N2, mostraram que filmes stequiométricos são mais estáveis frente à absorção de oxigênio. / In this work we discuss the growth and characterization of amorphous hydrogenated silicon carbide thin films (a-Si1-xCx:H) deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). It was used a gaseous mixture of silane, methane and hydrogen, at the silane starving plasma regime. Samples grown at these conditions and with a very low silane flow have a larger concentration of Si-C bonds, that is, better coordination among Si and C atoms, with smaller amount of C-Hn and Si-H bonds, presenting a hydrogen content of about 20 at.%, and low density of pores. Material’s properties were correlated for the deposited films, exploring the rf power and hydrogen dilution of the gaseous mixture, aiming to improve the chemical, structural and morphological order in the solid phase. The composition of the films was determined by Rutherford backscattering and forward recoil spectrometry. The Fourier transform infrared spectrometry analysis studied the chemical bonding inside the material, X-ray absorption spectroscopy at the silicon K edge the structural properties in samples as-grown and after thermal annealing, and small angle X-ray scattering was used for the morphological characterization. The hardness was measured and transmission electron microscopy micrographs were taken for a stoichiometric sample, in order to complement the obtained data. Stoichiometric films presented a very high chemical order, having between 80 and 90% of their bonds formed by Si and C atoms and Vickers hardness of 33 GPa. Annealing processes between 600 ºC and 1000 ºC, performed in an inert N2 atmosphere, showed that stoichiometric films are more stable against oxygen absorption.

Neste trabalho foram fabricados e caracterizados capacitores MOS com camada dielétrica de oxinitreto de silício de diferentes composição química, depositada pela técnica de PECVD a baixa temperatura, com o intuito de estudar suas propriedades dielétricas e de interface visando à aplicação deste material em dispositivos MOS e de filme fino. Os capacitores foram fabricados sobre lâminas de silício do tipo p que passaram pelo processo de limpeza química inicial, seguida da deposição da camada dielétrica, fotogravação, metalização e sinterização. Os filmes de SiOxNy, utilizados como camada dielétrica, foram depositados pela técnica de PECVD à temperatura de 320ºC variando os fluxos dos gases precursores de forma a obter filmes com diferentes composições químicas. Os capacitores MOS foram caracterizados por medidas de capacitância e corrente em função da tensão, de onde foram extraídas a densidade de estados de interface, a densidade de carga efetiva, constante dielétrica e campo elétrico de ruptura dos filmes. Os resultados mostraram uma variação linear da constante dielétrica do filme em função da concentração de nitrogênio, indo do valor de 3,9, correspondente ao dióxido de silício estequiométrico (SiO2) à 7,2 correspondente ao nitreto de silício estequiométrico (Si3N4). Também observamos que o nitrogênio é uma barreira eficiente à difusão de impurezas através do dielétrico. Porém, notamos uma grande dispersão de duas ordens de grandeza nos valores da carga efetiva (Nss) e de densidade de estados de interface (Dit). Por outro lado, controlando algumas variáveis de forma a manter constante o valor de Nss ( ~1012 cm-2), observamos uma variação de Dit em função da concentração de nitrogênio no filme, esta variação porém é pequena comparada com a dispersão de duas ordens de grandeza observada, que atribuímos assim a fatores externos. O menor valor obtido de Dit foi de 4,55.1010 eV-1.cm-2, que é ótimo para um filme obtido por PECVD, sem nenhum tratamento térmico e melhor que os reportados na literatura para dielétricos obtidos por técnicas que utilizam altas temperaturas (LPCVD-800ºC e oxinitretação térmica – 1100ºC). Assim, podemos concluir que a técnica de PECVD é promissora para a obtenção de dielétricos a baixas temperaturas. / In this work, MOS capacitors with different chemical composition silicon oxynitride insulating layer, deposited by PECVD technique at low temperature were fabricated and characterized, in order to study its dielectric and interface properties, seeking its aplication as insulating layer in MOS and thin films devices. The MOS capacitors were fabricated onto p-silicion wafers previously cleaned by a standard process, followed by the insulating layer deposition, photolitography, metalization and sinterization. The SiOxNy insulating layer was deposited by the PECVD technique at 320ºC changing the precursor gases flows to obtain films with different chemical compositions. The MOS capacitors were characterized by capacitance and current vs. voltage measurements, from where the interface state density (Dit), the effective charge density (Nss), the dielectric constant (k) and the film electrical breakdown field (Ebd) were extracted. The results showed a dielectric constant varying linearly as a function of the films nitrogen concentration, going from a value of 3.9, corresponding to stoichiometric silicon dioxide (SiO2) to a value of 7.2, corresponding to stoichiometric silicon nitride film (Si3N4). We also observed that nitrogen is an efficient diffusion barrier against contaminants. However, a large dispersion, about two orders of magnitude, in the effective charge and in the interface state density was observed. On the other hand, controlling some variables so as to keep the Nss value constant (~1012 cm-2) we observed a Dit variation as a function of the film nitrogen concentration, this variation is small when compared with the observed dispersion of two orders of magnitude, thus attributed to external factors. The smallest obtained Dit was 4.55.1010 eV-1.cm-2, which is unexpected for a PECVD film without any anealing process and is better than the values reported in the literature for dielectrics obtained at high temperatures techniques (as LPCVD – 800ºC and thermal oxynitridation – 1100ºC). Therefore, we can conclude that the PECVD technique is promising for obtaining low temperature dielectrics.

The work in this thesis examines the effects of the application of oxide coatings on the performance of the single crystalline silicon photovoltaic solar cells. A variety of potential oxide materials for solar cells performance enhancement are investigated. These films are silicon oxide, titanium oxide and rare earth ion-doped gadolinium oxysulfide phosphor. This study compares the electrical characteristics, optical properties and surface chemical composition of mono-crystalline silicon cells before and after coating. The first study investigates the potential for using single and double layers of silicon oxide films produced by low-temperature Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) using tetramethylsilane as a silicon precursor and potassium permanganate oxidising agent for efficiency enhancement of solar cells at low manufacturing cost. Deposition of the films contributes to the increase of the conversion energy of the solar cells on one hand while the variety of colours obtained in this study can be of great importance for building-integrated photovoltaic application on the other hand. The obtained results demonstrated a relative enhancement of 3% in the conversion efficiency of the crystalline silicon solar cell. In the second study, the effects of using a single layer of titanium oxide and a stack of silicon oxide and titanium oxide on the performance of solar cell are demonstrated. Moreover, this study shows the use of different sputtering configurations and oxidation methods. The experimental results showed a relative enhancement of 1.6% for solar cells coated with a stack of silicon oxide/titanium oxide. In the third study, silicon cells were coated with a luminescent layer consisting of down-converting phosphor, gadolinium oxysulfide doped with erbium and terbium, and a polymeric binder of EVA using doctor-blade screen printing technique. A relative enhancement of 4.45% in the energy conversion efficiency of PV solar cell was achieved. Also, the effects of combining silicon oxide layers together with the luminescent composite are also presented in this study.

Ces travaux se proposent d’étudier le potentiel de la polymérisation plasma d’un composé organosilicié cyclique pour répondre aux besoins technologiques variés en fonctionnalisation de surface. Il est montré l’influence relative de paramètres opérationnels critiques sur la cinétique et les régimes de croissance du matériau. Ces paramètres régissent en grande partie la conformation du polymère plasma qui en déterminera les propriétés. Ainsi, il est possible d’obtenir des surfaces de basse énergie, 18 mJ.m-2 et de haute énergie, 68 mJ.m-2, en fonction des conditions de synthèse. Il est montré comment la nature cyclique de la conformation du polymère peut, de manière surprenante, contrôler finement les propriétés d’hystérésis de mouillage de la surface lorsque le procédé de synthèse est en régime d’oligomérisation. Enfin, l’intérêt pratique d’un tel procédé est illustré par quelques exemples applicatifs révélant le potentiel de ces matériaux, les polydiméthylsiloxanes cycliques plasma / The aim of this work is to study the potential of plasma polymerization of a cyclic organosilicon compound to supply the various needs in surface functionnalization. Plasma polymerization kinetics and growth modes depend on critical process parameters. These parameters mainly govern the conformation of the plasma polymer which determines its bulk properties. These bulk properties influence the surface properties. Using the present process, low surface energy, 18 mJ.m-2, and high surface energy, 68 mJ.m-2, could be obtained depending on the synthesis conditions. The cyclic nature of the polymer conformation surprisingly control the wetting hysteresis properties of the surface with high accuracy when the process works in the oligomerization growth mode. Finally, the interest of such a process is illustrated with some examples of applications showing the potential of these materials, i.e. the cyclic plasma polydimethylsiloxanes

Notre étude concerne la mise en place et le développement de dépôts de carbure de silicium amorphe hydrogéné (a-SiCx:H) à basse température (370°C), par voie PECVD, sur un réacteur PECVD semi-industriel à faible fréquence (440 kHz). Les propriétés chimiques, optiques et de passivation de surface des couches déposées sont analysées et l’impact du changement des débits de gaz précurseurs (silane et méthane) est aussi étudié. La possibilité d’utiliser le a-SiCx:H comme couche anti-reflet en face avant d’une cellule solaire est envisagée. Bien que l’indice de réfraction d’une couche riche en carbone soit en accord avec la condition de lame quart-d’onde requise pour une couche anti-reflet, le coefficient d’extinction est trop élevé en raison de la proportion significative de silicium dans la couche. Cette absorption peut être atténuée par l’incorporation d’azote dans la couche (a-SiCxNy:H). En revanche, la passivation de surface s’améliore lorsque la quantité de silane augmente. La plus faible vitesse de recombinaison de surface atteinte sur les échantillons après dépôt est de 10 cm.s. / Our study deals with the deposition of amorphous hydrogenated silicon carbide (a- SiCx:H) at low temperature (370°C), by PECVD technique, using a semi-industrial lowfrequency PECVD reactor (440 kHz). The deposited films are analyzed for chemical, optical and surface passivation properties, and the impact of the gas flow parameters (silane and methane) is studied. The possible use of a-SiCx:H as an antireflective coating at the front side of solar cells is investigated. Although the refractive index for high carbon concentration could be in agreement with the demand of quarter-wave layer for antireflective coating, the extinction coefficient remains too high due to a significant silicon content in the material. This absorption can be attenuated by incorporating nitrogen in the layer. However, the surface passivation improves with the silane proportion. The lowest surface recombination velocity of an as-deposited samples is about 10 cm.s.

The cost of crystalline silicon solar cells must be reduced in order for photovoltaics to be widely accepted as an economically viable means of electricity generation and be used on a larger scale across the world. There are several ways to achieve cost reduction, such as using thinner silicon substrates, lowering the thermal budget of the processes, and improving the efficiency of solar cells. This thesis examines the use of plasma enhanced chemical vapour deposited silicon nitride to address the criteria of cost reduction for n-type crystalline silicon solar cells. It focuses on the surface passivation quality of silicon nitride on n-type silicon, and injection-level dependent lifetime data is used extensively in this thesis to evaluate the surface passivation quality of the silicon nitride films. The thesis covers several aspects, spanning from characterisation and modelling, to process development, to device integration. The thesis begins with a review on the advantages of using n-type silicon for solar cells applications, with some recent efficiency results on n-type silicon solar cells and a review on various interdigitated backside contact structures, and key results of surface passivation for n-type silicon solar cells. It then presents an analysis of the influence of various parasitic effects on lifetime data, highlighting how these parasitic effects could affect the results of experiments that use lifetime data extensively. A plasma enhanced chemical vapour deposition process for depositing silicon nitride films is developed to passivate both diffused and non-diffused surfaces for n-type silicon solar cells application. Photoluminescence imaging, lifetime measurements, and optical microscopy are used to assess the quality of the silicon nitride films. An open circuit voltage of 719 mV is measured on an n-type, 1 Ω.cm, FZ, voltage test structure that has direct passivation by silicon nitride. Dark saturation current densities of 5 to 15 fA/cm2 are achieved on SiN-passivated boron emitters that have sheet resistances ranging from 60 to 240 Ω/□ after thermal annealing. Using the process developed, a more profound study on surface passivation by silicon nitride is conducted, where the relationship between the surface passivation quality and the film composition is investigated. It is demonstrated that the silicon-nitrogen bond density is an important parameter to achieve good surface pas-sivation and thermal stability. With the developed process and deeper understanding on the surface passivation of silicon nitride, attempts of integrating the process into the fab-rication of all-SiN passivated n-type IBC solar cells and laser doped n-type IBC solar cells are presented. Some of the limitations, inter-relationships, requirements, and challenges of novel integration of SiN into these solar cell devices are identified. Finally, a novel metallisation scheme that takes advantages of the different etching and electroless plating properties of different PECVD SiN films is described, and a preliminary evalua-tion is presented. This metallisation scheme increases the metal finger width without increasing the metal contact area with the underlying silicon, and also enables optimal distance between point contacts for point contact solar cells. It is concluded in this thesis that plasma enhanced chemical vapour deposited silicon nitride is well-suited for n-type silicon solar cells.

La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stSchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. Ce type de structure de test élémentaire présente des avantages par rapport à un micro commutateur RF : simplicité de fabrication, contrôle de la qualité du contact, suppression des effets mécaniques. Elle permet donc d'é tudier la réponse du diélectrique à se charger sans avoir à prendre en compte des défauts de contact ainsi que les effets mécaniques toujours présents dans un micro-commutateur. Enfin, les nano caractérisations par AFM sont présentées. Il s'agit d'une nouvelle méthode de caractérisation développée pour la première fois au LAAS pour évaluer la capacité d'une couche diélectrique à se charger sous champ élevé. En effet, cette technique a permis de tendre vers les conditions réelles d'utilisation du micro commutateur en réalisant une injection de charges localisée puis en suivant l'évolution spatio-temporelle des charges en condition de circuit ouvert.