Dissertations / Theses on the topic 'Contrainte épitaxiale'

Le SiC est la solution idéale pour la réalisation de capteurs et de composants appelés à fonctionner à haute température et/ou très forte puissance en environnement hostile. Plus particulièrement, le 3C-SiC est d'un grand intérêt pour les capteurs haute température. La voie d'obtention la plus développée du 3C-SiC est l'hétéroépitaxie sur silicium. Cependant, les différences de paramètres de maille ainsi que de coefficient de dilatation thermique entre les deux matériaux engendrent de fortes contraintes dans le SiC. Dans une première partie nous nous attachons à la compréhension des mécanismes de croissance de 3C-SiC/Si. Nous montrons ainsi l'existence de deux paramètres délimitant la zone d'obtention de couche "miroir". L'étude cinétique de la croissance que nous avons réalisée nous montre que nous pouvons nous appuyer sur le modèle de Grove afin d'améliorer la vitesse de croissance. Dans une seconde partie, nous étudions la croissance sur substrat SOI. Nous mettons en évidence que la densité ainsi que le pourcentage surfacique qu'occupent les défauts mosai͏̈ques sont liés au rapport C/Si de la phase gazeuse. Nous présentons la réalisation de couche de 3C-SiC/SOI dont seulement 0,03% de la surface est recouverte par ces défauts avec une densité de 10[exposant 5] cm[exposant-2]. Enfin, dans la dernière partie nous étudions la contrainte dans les dépôts de 3C-SiC. Nous mettons en évidence qu'il est possible d'obtenir des couches en tension aussi bien qu'en compression en jouant sur l'étape de carburation. Grâce aux résultats expérimentaux nous montrons que la contrainte augmente macroscopiquement avec l'épaisseur des couches alors que d'un point de vue microscopique nous observons une relaxation de la contrainte lorsque l'on s'éloigne de l'interface. Nous déterminons la valeur du module d'Young de notre matériau ainsi que la valeur de la bande TO relaxée du 3C-SiC.

La nécessité de diminuer la consommation à la fois des systèmes autonomes communicants à haute fréquence et des circuits CMOS implique l’utilisation de transistors fonctionnant sous faible tension d’alimentation. Les performances des composants à base de silicium se dégradant rapidement dans ce régime de fonctionnement, les semiconducteurs III-V à faible bande interdite sont aujourd’hui envisagés comme une alternative. Parmi ceux-ci, l’InAs paraît le plus prometteur. Dans ce contexte, ce travail a pour but d’ouvrir la voie à l'utilisation d’un canal à base d'InAs pour les systèmes analogiques et numériques. Plus précisément, nous étudions la croissance par épitaxie par jets moléculaires des hétérostructures InAs/AlSb sur des substrats (001) GaAs et GaP par l’intermédiaire d'une couche tampon Ga(Al)Sb. La microscopie à force atomique, la microscopie électronique en transmission et la diffraction d’électrons de haute énergie sont utilisées afin de mettre en évidence l’influence critique des conditions de croissance sur la nucléation des antimoniures. Cette étude sert de base à l’optimisation de canaux InAs à haute mobilité sur ces deux substrats fortement désadaptés en maille. Les résultats obtenus dans le cas de GaP sont ensuite étendus au cas de pseudo-substrats commerciaux GaP/Si de haute qualité cristalline pour l’intégration de matériaux à base d’InAs sur des substrats Si (001) exactement orientés. Des mobilités électroniques atteignant 28 000 cm-2.V-1.s-1 à 300K et supérieures à 100 000 cm-2.V-1.s-1 à 77K sont démontrées
Low power consumption transistors operating at low supply voltage are highly required for both high frequency autonomous communicating systems and CMOS technology. Since the performances of silicon-based devices are strongly degraded upon low voltage operation, low bandgap III-V semiconductors are now considered as alternative active materials. Among them, one of the best candidates is InAs. Therefore, the present work aims on paving the way to the use of InAs in transistor channels for both high-speed analog and digital applications. We particularly investigate the molecular beam epitaxy growth of InAs/AlSb heterostructures on both (001) GaAs and GaP via an antimonide metamorphic buffer layer. Using atomic force microscopy, transmission electron microscopy and reflection high energy electron diffraction, we first show the critical influence of the growth conditions on the III-Sb nucleation. From this study, we then achieve optimized high mobility InAs layers on these two highly mismatched substrates. The results obtained in the GaP case are extended to commercially available high quality GaP/Si platforms for the integration of InAs-based materials on an exactly oriented (001) Si substrate. State of the art mobility of 28 000 cm-2.V-1.s-1 at 300K and higher than 100 000 cm-2.V-1.s-1 at 77K are demonstrated

La these de a. Simon presente une etude theorique des proprietes electroniques des heterostructures semiconductrices. Le premier chapitre est un rappel de la methode k. P et de l'approximation de la fonction enveloppe dans le materiau massif et l'heterostructure, et le second chapitre traite des problemes lies a la contrainte. L'accent est place sur les effets multibande. Dans le troisieme chapitre, deux methodes de calcul de la structure electronique sont developpees. Le chapitre 4 est consacre au calcul des proprietes optiques du puits quantique gasb-alsb. Dans le cinquieme chapitre, l'auteur discute des effets de l'orientation du substrat dans une direction de faible symetrie et montre la forte influence de l'anisotropie du cristal sur les proprietes electroniques et sur la repartition des contraintes et deformations dans l'heterostructure. Le dernier chapitre a trait a l'etude des potentiels variables dans la direction de croissance et deux mecanismes sont envisages: le dopage planaire du materiau gaas pour lequel il montre la faible incidence de la periode sur les variations de leurs proprietes et l'interdiffusion dansle superreseau hgte-cdte qui conduit a la disparition de ses etats d'interfaces et a l'augmentation de leur bande interdite

Le sommet de la bande de valence des semiconducteurs classiques est compose de deux bandes (trous lourds et trous légers). Le niveau fondamental des puits quantiques est toujours un niveau de trous lourds. Dans les composants comme les diodes a effet tunnel résonnant de type p, leur masse effective élevée est un handicap majeur pour obtenir des résonances exploitables. L'objectif de ce travail est de réaliser des puits ou la situation est inversée (niveau de trous légers fondamental) et de les utiliser pour améliorer les caractéristiques des diodes tunnel de type p en profitant de la faible masse effective des trous légers. Ceci est effectue en déposant par épitaxie par jets moléculaires des couches de semiconducteurs subissant une contrainte interne. Le premier système de matériaux que nous utilisons est alinas / gainas. La situation inversée est confirmée par des techniques de caractérisation spectroscopiques (photoluminescence et photocourant). On ne constate pourtant pas l'amélioration attendue sur les caractéristiques des diodes tunnel
Les principaux inconvénients de ce système sont une hauteur de barrière faible et une bande de valence qui tend a s'enterrer sous l'effet de la contrainte. Nous adoptons donc un autre système de matériaux : alas / gaasp. Ce dernier, peu utilise, présente de nombreux avantages : pas d'effet d'enterrement, et une hauteur de barrière plus favorable. Nous obtenons des écarts trous lourds - trous légers conséquents (jusqu'a 100 mev). En comparant une structure tunnel contrainte et une structure non contrainte de référence, nous mesurons une amélioration significative de la densité de courant au pic et du rapport courant pic / courant vallée. En perfectionnant ce type de structure, nous observons, pour la première fois pour une diode a effet tunnel résonnant de type p, une résistance différentielle négative a température ambiante. Enfin, nous discutons des applications éventuelles de ce type de composant

Nous avons étudié les effets interfaciaux sur les propriétés des multicouches Mo(110)/Ni(111) par des techniques de diffraction X et diffusion Brillouin. Un adoucissement de la constante de cisaillement atteignant 65% est obtenu. L'évolution des distances interplanaires et celle du nombre de plans des couches de Mo suggèrent une interdiffusion de Ni. La prise en compte d'une couche " douce " aux interfaces a permis de décrire l'évolution de C44, d'estimer son module élastique et l'extension du gradient chimique. Les multicouches épitaxiées ont une relation d'orientation de type " Nishiyama-Wassermann " et montrent une diminution du paramètre " libre de contraintes " des couches de Mo avec la période confirmant une diffusion de Ni dans le Mo. L'étude des solutions solides montre la formation de phases métastables accompagnée d'un très fort adoucissement de C44 pour des concentrations en soluté inférieures à 27%, au delà les alliages sont amorphes et le module de cisaillement stabilisé
We investigated interfacial effects on properties of Mo(110)/Ni(111) multilayers by X-ray diffraction techniques and Brillouin light scattering. We observe a large softening of the shear modulus up to 65% of the predicted value. The interplanar spacings evolution and numbers of planes in Mo sub-layers suggest a Ni interdiffusion. . Considering an elastically soft interfacial layer in determining the C44 modulus allow to estimate it's specific modulus and the chemical interdiffusion length. The epitaxied multilayers showed a "Nishiyama-Wassemann" orientation relationship and a decrease of the "stress free" parameter, in Mo sub-layers, with decreasing period confirming the Ni diffusion in Mo. MoxNi1-x solid solutions showed metastable phases, for solute concentration below 27%, with a large decrease of the shear modulus up to 50% of the predicted value and above 27% alloys are amorphous and the shear modulus is stabilized

Ce manuscrit est consacré à l’analyse théorique et expérimentale d’oxydes Ln2Ti2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Gd) et BiFeO3.Les propriétés physiques de La2Ti2O7 et Nd2Ti2O7 ont été investiguées au moyen de calculs ab initio, confirmant ainsi leur ferroélectricité. D’autres oxydes de la famille Ln2Ti2O7, Sm2Ti2O7 et Gd2Ti2O7, ont ensuite été étudiés selon les mêmes méthodes théoriques. Nos calculs ont révélé une meilleure amplitude de polarisation pour ces composés par rapport au La2Ti2O7 et au Nd2Ti2O7. La deuxième partie de ce travail est consacrée aux propriétés structurales, électroniques et ferroélectriques du BiFeO3. L’évolution de ses propriétés lorsqu’il est soumis à une contrainte épitaxiale ont été investiguées au moyen de calculs ab-initio et de mesures en microscopie à champ proche réalisées sur des couches minces déposées sur un substrat de SrTiO3(001). Nos résultats mettent en évidence une modification de la structure interne du matériau sous effet de contrainte, qui se traduit par une réorientation progressive de la polarisation spontanée suivant la direction [001]. Notre étude s’est ensuite tournée vers l’élaboration et l’analyse des propriétés structurales et ferroélectriques de superréseaux (SrTiO3)n(BiFeO3)m. Nos calculs ont mis en évidence que la contrainte épitaxiale imposée au superréseau offrait un contrôle accru des propriétés du BiFeO3 par rapport à son comportement lorsqu’il est déposé seul en couches minces. Les analyses en microscopie à champ proche ont montré une réduction de la tension coercitive de tels films par rapport à celle mesurée sur des bicouches SrTiO3/BiFeO3 ou sur une couche mince de BiFeO3
In this work, first-principles calculations and experimental measurements have been done in order to investiguate the structural, electroniq and ferroelectric properties of Ln2Ti2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Gd) and BiFeO3 oxydes. Calculations on La2Ti2O7 and Nd2Ti2O7 confirmed their ferroelectricity. Other oxydes belonging to the Ln2Ti2O7 family have also been investigated. The results showed an enhancement of the spontaneous polarization within these compounds compared to that of La2Ti2O7 and Nd2Ti2O7. The second part of this work is related to the structural and ferroelectric properties of bismuth ferrite BiFeO3. The evolution of its properties when undergoing an epitaxial strain have been investigated by ab initio calculations and piezoresponse force microscopy measurements on thin films deposited on a (001)-SrTiO3 substrate. Our results showed a modification of the inner structure of BiFeO3 under stain, leading to a continuous reorientation of the spontaneous polarization vector towards [001]. The third part of our study consists in the computational design and synthesis of (SrTiO3)n(BiFeO3)m superlattices. Our calculations showed that epitaxial strain imposed to the superlattice brings a further control of physical properties of BiFeO3 as compared with its behaviour when deposited alone in a thin film. PFM analysis showed a decrease of the coercive field for STO/LNO/(STO)n(BFO)m superlattices as compared with those measured on STO/BFO bi-layers and on BiFeO3 thin films

Ce travail concerne la croissance de couches de matériaux semiconducteurs III-V et la réalisation de structures pour composants HEMT's pseudomorphiques sur substrat GaAs. Ces structures font appel aux composés GaAs/GaAlAs dopés Silicium et GaInAs contraint élaborés par épitaxie par jets moléculaires. L'influence des conditions de croissance et de la contrainte pour GaInAs sur les caractéristiques des matériaux épitaxiés est étudiée à l'aide de l'analyse RHEED in Situ mais également par diffraction des rayons X sur des superréseaux contraints, par photoluminescence, par microscopie électronique en transmission ainsi que par es mesures d'effet Hall sur des structures pour composants HEMT's. La réalisation de transistors à grilles longues est ensuite présentée ainsi qu'une analyse des profils de commande de charges et de mobilités électroniques. Enfin, les caractéristiques électriques en régimes statiques et hyperfréquences de transistors à grilles submicroniques sont corrélées avec la qualité des matériaux étudiés plus haut

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié différentes approches qui devraient permettre d’obtenir l’effet laser dans le germanium. Nous avons pu montrer expérimentalement l’influence du dopage et de la déformation sur la structure de bande du germanium, et l’adéquation avec les modèles concluants à l’existence de gain. Nous avons exploré les possibilités offertes par l’hétéro-épitaxie sur III-V pour obtenir une déformation en tension du germanium. Nous avons évalué la déformation résultante par des mesures croisées de rayons X, de diffusion Raman et de photoluminescence, et étudié l’évolution de la qualité des couches épitaxiées en fonction de la déformation et de l’épaisseur. Une nouvelle méthode de déformation du germanium, s’appuyant sur le dépôt par plasma de couches contraintes de nitrure, a été introduite et étudiée. L’effet laser a été recherché par la conception de guides ridges et microdisques déformés par ces dépôts. Plusieurs voies d’application de la déformation dans ces cavités ont été explorées à travers des simulations par éléments finis et la conception de structures de test. Cette optimisation préalable nous a permis d’observer sur les microdisques une déformation biaxiale de 1.11%. En uniaxial, nous avons pu appliquer au germanium une déformation de 1.07% et montrer expérimentalement l’importance de la direction de la déformation dans l’augmentation de la luminescence. Nous avons pu observer et mesurer un gain optique net de 80 cm⁻¹ dans des structures déformées uniaxialement à 0.8%
In this PhD work, we studied different approaches that should lead to a germanium laser. We have experimentally shown the influence of strain and doping on the germanium band structure, and the adequacy of the existing models. We explored the possibilities offered by heteroepitaxy on III-V compounds to apply stress. We investigated the resulting strain by cross-checking X-rays, Raman spectroscopy and photoluminescence measurements, and analysed the quality of the grown layers depending on strain and thickness. A new method to apply strain to the germanium, by means of plasma deposited stressed nitride layers, was introduced and studied. Lasing has been pursued by conceiving ridges and microdisks strained by this method. An optimization of the geometry was performed through finite element modeling and the production of test structures. This optimization allowed to achieve a maximum biaxial strain of 1.1%. For uniaxial strains, we observed a maximum of 1.07% and showed experimentally the importance of the crystalline orientation in the enhancement of the emission. We demonstrated a modal gain value of 80 cm⁻¹ in ridges uniaxially strained at 0.8%

Pour la fabrication des transistors hyperfréquences de puissance à base de nitrures, l’alliage InAlN est considéré comme une meilleure barrière qu’AlGaN grâce à l’accord de maille pour une composition en indium voisine de 18 %. Ainsi le gaz d'électrons à deux dimensions (2DEG) est-il généré seulement par la polarisation spontanée dans une hétérointerface InAlN/GaN sans contrainte résiduelle pour une fabrication de transistors aux performances optimales. Cependant, durant sa croissance sur GaN, sa qualité cristalline se dégrade avec l’épaisseur et il se forme des défauts V au niveau de l’interface. Afin de déterminer les sources de ce comportement, nous avons mené une étude théorique par dynamique moléculaire et techniques ab initio pour analyser la stabilité et les propriétés des alliages des composés nitrures en nous focalisant particulièrement sur InAlN. L’analyse des diagrammes de phase a permis de montrer que cet alliage présente une large gamme d’instabilité en composition d’indium et un comportement différent d’InGaN sous compression avec une instabilité amplifiée sous forte pression. En déterminant la stabilité énergétique de la lacune d’azote en interaction avec l’indium, nous avons montré que ce défaut ponctuel autour duquel des atomes d’indium tendent à retrouver une longueur de liaison voisine de celle dans InN pouvait être un catalyseur pour la formation de clusters dans cet alliage. Ces clusters d’InN introduisent des niveaux donneurs profonds dans la bande interdite. En ce qui concerne les dislocations traversantes, nos résultats montrent qu’elles auront aussi tendance à capturer des atomes d’indium dans leur cœur pour minimiser leur énergie. Ainsi nous avons pu apporter les bases théoriques qui montrent que la lacune d’azote participe à la dégradation spontanée des couches d’InAlN et que les dislocations traversantes sont amenées à y participer en attirant les atomes d’indium et donc en renforçant la séparation de phase en leur voisinage
For the fabrication of nitride-based power microwave transistors, the InAlN alloy is considered to be a better barrier than AlGaN thanks to the lattice match with GaN for an indium composition around 18%. Thus the two-dimensional electron gas (2DEG) is generated only by the spontaneous polarization at the AlInN/GaN heterointerface for a production of highest performance transistors. However, during its growth on GaN, its crystalline quality deteriorates with the thickness and V-defects are formed at the layer surface. To determine the sources of this behavior, we carried out a theoretical study by molecular dynamics and ab initio techniques to analyze the stability and the properties of alloys of nitride compounds, focusing particularly on InAlN. The analysis of the phase diagrams showed that this alloy has a wide zone of instability versus the indium composition and a different behavior with InGaN with amplified instability under high compressive strain. By determining the energetic stability of the nitrogen vacancy could be catalyst for forming clusters in this alloy. These InN clusters introduce deep donor levels inside the band gap. With regard to treading dislocations, our results show that they will also tend to capture indium atoms in their cores in order to minimize their energy. Thus, we have been able to provide a theoretical basis that show that the nitrogen vacancy participates in the spontaneous degradation of the AlInN layers and that the threading dislocations participate by attracting the indium atoms and thus reinforcing the separation of phase in their vicinity

Le carbure de silicium (sic) presente des caracteristiques physiques qui en font un candidat prometteur pour le developpement de dispositifs electroniques fonctionnant dans des conditions extremes (haute temperature, haute puissance, milieux chimiquement corrosifs ou radiatifs). Le premier chapitre de ce travail est constitue d'une description des differentes formes cristallographiques de sic (polytypisme) ainsi que d'un etat de l'art sur les techniques de croissance des differents types de sic. La suite de ce travail porte sur l'etude de plusieurs couches minces (quelques microns d'epaisseur) de sic-3c (cubique) deposees sur des substrats de silicium ou de simox (separation by implanted oxygen). Un expose des bases theoriques de theorie des groupes permet l'interpretation des spectres obtenus par voie optique (reflectivite infrarouge et spectroscopie raman). La reflectivite infrarouge, permet d'extraire des informations sur le nombre de porteurs libres ainsi que sur les rugosites en surface et a l'interface sic/si. Ces resultats sont completes par des mesures plus microscopiques obtenues en spectroscopie micro-raman. En effet, celle-ci permet de mesurer la relaxation de la deformation dans la couche et dans le substrat depuis l'interface vers la surface. La largeur des raies est interpretee en termes de fluctuations de la deformation dues a des defauts d'ordre local (dislocations, blocs). L'analyse des resultats obtenus sur divers echantillons permet de determiner l'influence des parametres de croissance sur la qualite du materiau et de definir les conditions optimales de fabrication. Enfin, la comparaison avec des couches de sic-3c deposees sur substrat simox revele, dans ce cas, une bien meilleure relaxation de la contrainte ainsi qu'une isolation electrique de la couche active de sic jusqu'a une temperature de 620 k soit environ 200 k de plus qu'avec sic/si

Ce travail de thèse évalue les potentialités du Silicium Poreux (SiP) nanostructuré comme substrat générateur de contraintes mécaniques pour modifier le paramètre de maille d’une fine couche de semiconducteur IV-IV (Si ou SiGe) qui lui est associée. Le but est soit d’ajuster les propriétés optoélectroniques de la couche en la contraignant, soit d’accorder son paramètre de maille à celui d’un autre matériau (Si1-xGex, Ge ou GaAs). Utilisée comme couche germe pour une reprise d’épitaxie, cette couche mince peut permettre l’obtention d’un matériau de bonne qualité cristalline. L’hétérostructure (couche mince) / (Si poreux) constitue ainsi un « pseudosubstrat accordable en paramètre de maille » fabriqué à partir d’un substrat peu onéreux, le Si Poreux. La mise au point d’une nouvelle technique dite de la “double plaque” a permis de franchir un verrou technologique majeur et d’obtenir des couches de semiconducteur IV-IV (Si ou SiGe), sans défauts structuraux, ultrafines et d’épaisseur rigoureusement constante (~50 nm), de grandes dimensions latérales (2"), et présentant une surface peu rugueuse et exempte de toute pollution. Cette couche ultrafine est facilement manipulable et sa dimension latérale n’est limitée que par les dimensions de la cellule d’anodisation utilisée. L’oxydation thermique à basse température du substrat de Si mésoporeux induit son expansion volumique et permet la déformation contrôlée des couches de Si et de SiGe. Le contrôle des paramètres du procédé permet d’atteindre des déformations importantes, excédant 1%, tout en évitant la formation des défauts structuraux. Cette technique a permis de rapprocher le paramètre de maille dans le plan du film de celui du Ge et du GaAs et donc de faire un pas en direction de leur intégration sur silicium
This work assesses the potentiality of Porous Silicon (PS) as a mechanical straining substrate for modifying the lattice parameter of IV-IV semiconductor thin films (Si or SiGe). The aim is either to tune the optoelectronic properties of the thin film, or to adapt the film lattice parameter to that of other materials like SiGe, Ge, or GaAs. Such a film can be used as a seed layer for the heteroepitaxial growth of lattice mismatched materials such as SiGe, Ge or GaAs on silicon with a high crystalline quality. In short, the (thin film) / (porous silicon) heterostructure constitutes a « lattice tunable virtual substrate » obtained from a low cost substrate, viz, the porous silicon. The development of a “two wafers technique” has been a true breakthrough as it made it possible to obtain a IV-IV semiconductor film as thin as 50 nm, with large lateral dimension (2"), strictly constant thickness, exempt of structural defects and with a perfectly smooth and clean surface. Moreover, this ultra-thin film can be easily handled and its lateral dimension is only dependant on the diameter of the anodization cell. Low temperature thermal oxidation of the bulk porous Si substrate induces its volume expansion, which leads to a straining of the thin film on top. The control of oxidation parameters allows obtaining highly strained (above 1%) films without any structural defects. The technique makes the film lattice in-plane parameter closer to that of Ge or GaAs, which is a step forward toward their integration on silicon

L'elargissement de la gamme des materiaux semi-conducteurs accessibles sur un substrat, par l'heteroepitaxie de materiaux desaccordes en maille, est un objectif qui a donne lieu a de tres nombreux travaux de recherche. L'approche metamorphique est actuellement la technique la plus mature. Elle a cependant des limites, notamment pour les applications a l'optoelectronique. La notion de substrats universels pour tous types d'epitaxie a ete introduite en 1991 par l'universite de cornell avec la presentation du concept de substrats compliants. Le procede paramorphique que nous avons developpe dans le cadre de cette these est une alternative aux voies classiques pour fabriquer des materiaux epitaxies de qualite electronique sur un substrat desaccorde en maille. Il reprend la notion de membrane germe mais avec un concept qui, s'il est moins universel que celui des substrats compliants, est a priori plus sur et plus simple a mettre en uvre : la membrane germe precontrainte est deformee avant epitaxie par liberation du substrat. L'essentiel du travail a donc ete, sur la base des systemes de materiaux disponibles, de maitriser les differentes briques technologiques permettant d'acceder en final a des couches epaisses de qualite optoelectronique. Les verrous technologiques a surmonter se sont reveles etre lies a la selectivite des solutions de gravure et aux reprises d'epitaxie sur les membranes germes. Les meilleurs resultats ont ete obtenus avec des membranes d'inas 0 , 2 5p 0 , 7 5 encapsulees par de l'inp sur lesquelles nous avons pu effectuer des reprises d'epitaxie de couches epaisses d'in 0 , 6 5ga 0 , 3 5as parfaitement lisses et ne presentant aucun defaut structural de relaxation. L'analyse des proprietes optiques du materiau paramorphique a revele que celui ci etait, comme attendu, totalement relaxe et qu'il presentait une qualite optoelectronique bien superieure a celle d'un materiau metamorphique equivalent. Ces resultats ont permis de valider le concept paramorphique.

L’étude des différents modes de relaxation des contraintes a montré que dans les nitrures d’éléments III orientés suivant l’axe [0001], celle-ci ne peut pas s’opérer par le glissement de dislocations traversantes. Pour les films soumis à une contrainte extensive, la relaxation des contraintes fait intervenir la fissuration du film puis l’introduction de dislocations d’interface à partir des bords des fissures. La caractérisation d’hétérostructures fissurées (Al,Ga)N / GaN par microscopie électronique en transmission (MET° et diffraction des rayons X (DRX), a été mise en évidence. Les propriétés de croissance latérale de l’épitaxie en phase vapeur à base d’organométalliques (EPVOM), permettent dans certaines conditions de croissance de cicatriser les fissures. Nous avons ainsi obtenu des films d’AIO,20Ga0,80N épais, relaxés et de bonne qualité cristalline. Ces pseudo-substrats d’(Al,Ga)N ont été utilisés pour effectuer la croissance pseudomorphe de miroirs de Bragg (Al,Ga)N/GaN. La caractérisation de ces structures a été réalisée aussi bien en ce qui concerne l’état de contraintes que les propriétés optiques et électriques. Une méthode de mesure de la résistivité des miroirs de Bragg compatible avec une technologie planaire a notamment été développée. Enfin, des diodes électroluminescentes à cavité résonante (DEL-CR) ont été réalisées afin de valider la méthode proposée pour la croissance de films épais d’(Al,Ga)N
In [0001]-oriented III-nitrides, the glide of threading dislocations is inefficient to relax the misfit stress. When films are grown under tensile stress, the plastic relaxation occurs through the film cracking and the introduction of misfit dislocations from the crack edges. Transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD) have been used in order to characterize cracked (Al,Ga)N/GaN heterostructures. A cooperative mechanism between cracking and ductile relaxation has been outlined. The relaxation rate strongly depends in the (Al,Ga)N/GaN film thickness. By combining the lateral growth of (Al,Ga)N and the stress relaxation, craks have been healed and high quality (Al,Ga)N films have been grown by metal-organic vapour phase epitaxy (MOVPE). Coherent growth of (Al,Ga)N/GaN Bragg mirrors has been carried out of those thick relaxed (Al,Ga)N films. Their optical and electrical properties as well as their stress have been investigated. A resistivity measurement method has been developed to comply with the planar technology. Resonant cavity light emitting diodes (RCLED° have been realized to demonstrate the benefit of this new (Al,Ga)N growth method

Ce travail est consacre a l'elaboration d'heterostructures ii-vi/iii-v(100) (znte, znse#1#-#xte#x, mnse /gasb, inp, gaas) par epitaxie en phase vapeur a partir d'organometalliques. Les films minces obtenus sont etudies du point de vue structural (diffraction des rayons-x et microscopie electronique en transmission) et optique (photoluminescence). Les principaux phenomenes intervenant aux interfaces des materiaux ii-vi/iii-v(100) sont decrits et la relaxation des contraintes dans znte/iii-v(100) est plus particulierement observees par diffraction des rayons-x

Les nickelates de terres rares possèdent à la fois une transition électrique et magnétique pour une température dépendante de la terre rare. Nous avons synthétisé par MOCVD des films minces Sm1-xNdxNiO3 (0

Dans cette thèse, nous montrons dans des amas d'oxyde de chrome épitaxiés, la contrainte conduit à l'apparition d'une phase multiferroïques, ainsi qu'un effet magnéto-électrique géant tel que le coefficient ME est de plusieurs ordres de grandeur supérieur que le terme linéaire dans Cr2O3 massif. Cela illustre que des contraintes épitaxiales dans des amas manométriques de taille réduite, crée un nouveau matériau magnéto-électrique ouvrant la possibilité d'utiliser un champ électrique pour orienter l'aimantation du matériau. Le coefficient magnéto-électrique linéaire calculé (6.7ns.m-1) est de trois ordres de grandeur plus élevé que dans l'oxyde de chrome massif (4.17ps.m-1) . Nous avons alors exalter ce coefficient sur des amas d'oxyde de chrome fortement contraintes. Nous avons aussi déclarés une assemblée d'amas n'ont pas seulement super-paramagnétique mais aussi super-paraélectrique.Dans la deuxième partie de notre travail nous avons donc utilisé une méthode d'optique non-linéaire afin d'observer cette polarisation spontanée à la température ambiante.Les mesures du magnéto-transport à température ambiante ne permettent pas d'étudier la polarisation électrique dans le Cr2O3, puisque la magnétorésistance tunnel mesurée à RT est nulle. Nous avons donc cherché une autre méthode la génération de la seconde harmonique qui est une méthode d'optique non linéaire, qui peut donner des informations sur l'état de la polarisation électrique dans un matériau non centrosymétriques. Elle a été utilisée dans notre cas pour déterminer la polarisation d'amas d'oxyde de chrome Cr2O3 super-paraélectriques à température ambiante>

Ce travail concerne la croissance heteroepitaxique de couches contraintes in#1#-#xga#xas sur substrat d'inp. La contrainte est determinee par la composition de la couche : elle est en tension si x<0,47 et en compression si x>0,47. Au dela de 2% de deformation ce systeme presente une croissance de type stranski-krastanov coherente : des structures tridimensionnelles sont formees apres un debut de croissance couche par couche. Cette these presente une etude par microscopie tunnel (stm) de cette croissance. Le travail experimental a necessite la connexion sous ultra-vide d'un stm a un bati d'epitaxie par jets moleculaires preexistant. Afin de l'isoler des vibrations, le stm a ete monte sur un socle isole et connecte sous ultra-vide au bati d'epitaxie par un soufflet deformable. Une etude vibratoire preliminaire a montre l'efficacite de ce systeme. Nous avons choisi comme surface de depart une couche tampon in#0#,#5#3ga#0#,#4#7as en accord de maille sur inp. Apres avoir determine les conditions optimales d'epitaxie, nous avons montre que les adatomes voient une barriere de potentiel lors du franchissement d'une marche descendante. Nous presentons les resultats de l'etude de la transition 2d-3d de couches contraintes avec un desaccord de maille de 2%. La morphologie 3d obtenue est tres anisotrope : une modulation periodique de la hauteur est tres marquee suivant 110, alors que dans la direction 1-10 les hauteurs sont peu modulees. On observe que les marches paralleles a 110 sont courbees et convexes pour une contrainte en compression alors qu'elles sont concaves pour une contrainte en tension. On montre que la tension de ligne des marches d'orientation 110 stabilise les marches convexes en compression et concaves en tension. La morphologie de surface resulte d'une competition entre l'energie gagnee par la relaxation des contraintes et l'energie depensee pour former les marches. Un modele energetique simplifie permet de demontrer qu'il existe une hauteur critique des plateaux de l'ordre de 2 monocouches : un gain d'energie est obtenu au dela de cette hauteur critique. Le modele permet de retrouver le fait experimental important caracteristique de la transition 2d-3d : lorsque les plateaux sont suffisamment hauts, il y a remise en mouvement des atomes de couches 2d completes et formation de structures 3d.

Cette thèse traite de l’épitaxie en phase vapeur (CVD) et de l’étude des propriétés structurales et optiques d’hétérostructures Si1-xGex/Si(001) pour des applications en optoélectronique. Une première partie est consacrée aux propriétés de photoluminescence de multi puits quantiques (MQWs) Si0. 75Ge0. 25/Si contraints en compression sur lesquels ont été élaborés par dépôt couche à couche (Atomic Layer Deposition Oxydation) des structures MOS tunnel Co/AlOx/Si servant d’injecteur d’électrons polarisés en spin pour des diodes électroluminescentes spin-LEDs. Des MQWs Si/Si0. 40Ge0. 60/Si à design «W» visant un seuil d’absorption à 1. 55 µm et à contrainte compensée sur pseudo-substrats Si0. 75Ge0. 25 relaxés font l’objet d’une deuxième partie. Pour ce, nous avons développé une nouvelle approche d’élaboration de couches SiGe totalement relaxées sur substrats à bulles nanométriques préformées par implantation d’Hélium et recuit thermique. Le mécanisme de relaxation des contraintes qui minimise l’émergence de dislocations 60° est décrit
This thesis deals with the Chemical Vapor Deposition and the study of the structural and optical properties of strained Si1-xGex/Si(001) quantum heterostructures aimed for optoelectronic applications. A first part is devoted to the photoluminescence properties of compressively strained Si0. 75Ge0. 25/Si multi wells quantum (MQWs) above which, using an Atomic Layer Deposition Oxidation technique, have been deposited Co/AlOx/Si tunnel MOS structures used as electron injectors for spin-polarized Light Emitting Diodes. Si/Si0. 40Ge0. 60/Si MQWs strain-compensated on relaxed Si0. 75Ge0. 25 pseudo-substrates and designed for an absorption threshold at 1. 55 μm are subject to a second part. For this, we have developed a new approach to grow fully relaxed SiGe layers on Si(001) substrates with buried nanocavities formed by helium implementation and thermal annealing. The strain relaxation mechanism that minimizes the emergence of 60 °dislocations is described

Des avancées significatives dans la synthèse des matériaux semiconducteurs à large bande interdite de la famille de GaN permettent aujourd'hui la réalisation de dispositifs optoélectroniques (diodes, lasers) mais aussi celle de dispositifs électroniques (transistor). L'absence de substrat natif GaN ou AlN a pour conséquence le recours à l'hétéroépitaxie sur des substrats de nature différente comme le silicium qui présente un grand intérêt de par son prix très compétitif, la taille des substrats disponibles et sa conductivité thermique. L'orientation (111) du silicium est préférée en raison d'une symétrie de surface hexagonale, compatible avec la phase wurtzite du GaN. Néanmoins, les différences de paramètres de maille et de coefficients d'expansion thermique génèrent des défauts cristallins et des contraintes dans les matériaux élaborés qui peuvent, s'ils ne sont pas maîtrisés, dégrader les performances des dispositifs. Ce travail de thèse a porté sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) d'hétérostructures à base de GaN sur substrat Si(111) en vue de la réalisation de transistors à haute mobilité d'électrons (Al,Ga)N/GaN. Ce travail avait pour objectif l'identification des paramètres de croissance susceptibles d'avoir un impact notable sur la qualité structurale et électrique de la structure HEMT (High Electron Mobility Transistor), et notamment sur l'isolation électrique des couches tampon et le transport des électrons dans le canal. Nous montrerons l'impact notable de certains paramètres de la croissance sur la qualité structurale et électrique de la structure HEMT. Nous verrons comment la relaxation des contraintes est liée au dessin d'empilement des couches, à leurs conditions d'élaboration et à la densité de défauts.

L'epitaxie de znse a ete realisee sur differents substrats semiconducteurs par la methode de l'epitaxie en phase vapeur par les composes organometalliques (movpe). Les heterostructures elaborees ont ete principalement caracterisees par diffraction de rayons x, reflectivite et spectroscopie raman permettant une etude detaillee des contraintes residuelles dans les couches epitaxiees

Ce travail présente une étude expérimentale de caractérisations par spectrométrie Raman d'hétérostructures contraintes gainas/gaas et de transistors à effet de champ alinas/gainas adaptés en maille sur inp. Dans un premier chapitre, nous rappelons les éléments théoriques adaptés à l'étude par spectrométrie Raman des semiconducteurs iii-v de structure zinc-blende non intentionnellement dopés et dopés de type n. Le deuxième chapitre est consacré à l'étude et à l'interprétation des spectres Raman des matériaux gainas et alinas. Le signal Raman de gainas est étudié sur une grande gamme de composition. La dernière partie est consacrée aux effets du dopage de type n sur la réponse Raman des deux matériaux ternaires. Les résultats obtenus dans ce chapitre servent de références lors de l'analyse des hétérostructures. Le troisième chapitre concerne l'analyse quantitative des contraintes dans des superréseaux gaas/gainas par spectrométrie Raman et double diffraction x. Enfin, le quatrième chapitre est consacré à l'analyse Raman de couches de hemt alinas/gainas/inp adaptés en maille ou pseudomorphiques. Ensuite, nous présentons les résultats Raman obtenus sur un transistor en fonctionnement

NOUS AVONS ETUDIE LA CROISSANCE PAR EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES DE COUCHES D'InxGa1-xAs (0 < X < 0,53) CONTRAINTES EN TENSION SUR INP EN NOUS FIXANT DEUX OBJECTIFS. LE PREMIER A ETE D'ETUDIER LES MODES DE RELAXATION (MODES DE CROISSANCE ET MECANISMES DE RELAXATION) EN FONCTION DE LA VALEUR DU DESACCORD DE MAILLE AVEC INP (MAXIMUM A 3,82% POUR GAAS). LES MODES DE RELAXATION SONT DECRITS SUR LA BASE D'UNE ETUDE CONJUGUEE DE DIFFRACTION RHEED, DE MICROSCOPIE AFM ET DE MICROSCOPIE TEM. TROIS MODES DE RELAXATION TYPE ONT ETE MIS EN EVIDENCE, QUI SONT RESPECTIVEMENT GOUVERNES PAR LA RELAXATION PLASTIQUE, LA RELAXATION ELASTIQUE PAR FACETTAGE ET LA RELAXATION ELASTIQUE PAR UN MODE DE CROISSANCE 3D A TROUS. ENSUITE, POUR UNE COMPOSITION DONNEE (In0,3 Ga0,7As), CORRESPONDANT A UN DESACCORD DE MAILLE INTERMEDIAIRE (~1,6%), NOUS AVONS MONTRE QUE LES TROIS TYPES DE MODES DE RELAXATION POUVAIENT ETRE RENCONTRES EN FONCTION DES CONDITIONS DE CROISSANCE (TEMPERATURE DE CROISSANCE, RAPPORT V/III ET VITESSE DE CROISSANCE). ENFIN, NOUS AVONS MONTRE QUE CES COUCHES D'INGaAs CONTRAINTES EN TENSION ETAIENT NATURELLEMENT PLUS RUGUEUSES ET DONC PLUS DELICATES A EPITAXIER QUE LEURS EQUIVALENTES CONTRAINTES EN COMPRESSION (0,53 < X < 1). LES MODELES A L'EQUILIBRE PERMETTANT DE PREDIRE LA STABILITE MECANIQUE D'HETEROSTRUCTURES CONTRAINTES DIVERSES (SIMPLE COUCHE, SIMPLE PUITS QUANTIQUE, MULTI-PUITS QUANTIQUES, PUITS A COMPENSATION DE CONTRAINTES) SONT RAPPELES. LE DEUXIEME OBJECTIF A ETE DE RECHERCHER LES CONDITIONS DE CROISSANCE D'HETEROSTRUCTURES POUR COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES METTANT EN JEU UNE OU PLUSIEURS COUCHES CONTRAINTES D'In0,3 Ga0,7As. LE COMPOSANT PRINCIPALEMENT VISE EST UN MODULATEUR ELECTRO-OPTIQUE FONCTIONNANT A 1,55µm ET EXPLOITANT UNE TRANSITION DE TYPE II A L'INTERFACE In0,3 Ga0,7As/In0,53 Ga0,47As. APRES L'ADAPTATION DES CONDITIONS DE CROISSANCE ET LE CHOIX D'UN DESIGN MECANIQUE, UNE HETEROSTRUCTURE A 5 PUITS QUANTIQUES CONTRAINTS A MONTRE LE DECALAGE ATTENDU VERS LES HAUTES ENERGIES DU SEUIL D'ABSORBTION SOUS L'EFFET D'UN CHAMP ELECTRIQUE.

Au cours de ce travail, nous avons procédé à une analyse extensive des dislocations d’interface et de la relaxation des contraintes dans les couches épitaxiales de GaSb sur GaAs (ou GaP) par microscopie électronique en transmission. Sur le substrat de GaAs, nous avons étudié le rôle de l’épaisseur de couches intermédiaires AlSb et le traitement de surface du substrat sur la relaxation des contraintes et la densité de dislocations émergeantes de la couche GaSb. Pareillement, nous avons étudié les effets des paramètres de croissance, tels que, le traitement de surface du substrat, la vitesse et la température de croissance sur la relaxation des contraintes des premières monocouches de GaSb sur la GaP. Avec ces paramètres de croissance optimisés, nous avons pu réaliser une couche de GaSb tampon (600 nm) et des hétéro-structures AlSb/InAs avec une mobilité température ambiante de 30000 cm2V-1s-1 et 25500 cm2V-1s-1 sur la GaAs et GaP, respectivement. De plus nous avons mis en évidence, une dépendance du type de dislocation d'interface au mode de croissance: une croissance 2D de GaSb favorise la génération de dislocations de Lomer; alors que des dislocations 60o et des paires de 60o sont principalement générées en mode de croissance 3D. Nous avons aussi déterminé de façon quantitative le mécanisme général de formation des dislocations d'interface: l'interaction d'une dislocation 60o qui se forme en surface et glisse sous interaction avec celle qui se trouve déjà dans l'interface, mais aussi la tension de surface, permettent de déterminer la direction de son vecteur de Burger et donc la configuration de la dislocation résultante à l'interface. Les structures des dislocations et leur stabilité ont été étudiées par HAADF avec résolution atomique et modélisation par dynamique moléculaire. L’étude quantitative des vecteurs de Burger par analyse fine des images a confirmé le mécanisme de formation des dislocations d'interface en accord avec notre modèle
In this work, we have carried out an extensive TEM investigation of misfit dislocations and strain relaxation in Sb-based III-V epitaxial layers on the GaAs and GaP substrates. On GaAs, we have investigated the influence of AlSb interlayer thickness and substrate surface treatment on the strain relaxation and threading dislocation density inside GaSb layers. Similarly, we studied the growth parameters, such as substrate surface treatment, growth rate, and growth temperature on the strain relaxation of 10 MLs GaSb on GaP. With the optimized GaSb buffer layers (600 nm), high mobility AlSb/InAs hetero-structures with room temperature mobility of 30000 cm2V-1s-1 (25500 cm2V-1s-1) on GaAs (GaP) substrates have been achieved. A growth mode dependence of the misfit dislocation has been observed: a 2D growth of GaSb promotes the generation of Lomer dislocations; in contrast 60o dislocations and closely spaced 60o pairs are predominantly generated in 3D growth mode. Consequently, a 60° dislocation glide model in combination with surface effects is able to account for the formation of Lomer, 60o, and 60o dislocation pairs at these hetero-interfaces. The core structures of the misfit dislocations and their stability have been investigated by atomic resolution HAADF and molecular dynamic simulation. The dislocation density tensor analysis was next used to quantify the burgers vector of the misfit dislocations. This precise measurement revealed the misfit dislocation formation mechanism in agreement with our proposed model

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la croissance de nitrure d’éléments V sur des substrats de silicium (Si) (111) micro et nano-structuré. Son but est de simplifier l’hétéroépitaxie de GaN sur Si tout en gardant une qualité de matériau à l’état de l’art. L’originalité de ce travail repose sur la combinaison avantageuse de deux techniques de croissance : NH3-EJM et EPVOM. Nous avons d’abord évalué l’intérêt du silicium poreux (SiP) pour confiner les fissures et l’utiliser comme couche compliante. Malgré les changements structuraux s’opérant dans le SiP lorsqu’il est porté aux hautes températures nécessaires pour la croissance épitaxiale, nous avons pu démontrer la croissance de GaN de bonne qualité en ajoutant une couche de Si épitaxiée avant la croissance des nitrures d’éléments V. Puis, nous avons étudié la croissance de GaN dans des ouvertures réalisées dans un masque diélectrique déposé sur le substrat de Si. Cette approche a permis d’obtenir des motifs de GaN non fissurés et de bonne qualité cristalline en utilisant des conditions de croissance optimisées. L’analyse des contraintes sur les motifs de GaN indique une distribution en U où le maximum de la contrainte en tension est mesuré au centre des motifs ; cette contrainte se relaxe graduellement vers les bords libres des motifs. Enfin, une comparaison avec la croissance sur des mesas de Si gravé est proposée. Nous montrons que la croissance dans des ouvertures permet à la fois d’obtenir une couche de GaN uniformément épitaxiée sur les motifs ainsi que d’obtenir une plus faible courbure des substrats après croissance. Enfin, des LEDs ont pu être fabriquées à partir de GaN épitaxié sur substrat masqué
This work deals with the growth of III-Nitrides on micro and nano-patterned silicon (111) substrates. The main goal is to simplify the heteroepitaxy of GaN on Si while keeping state of the art III-nitride materials. The originality of this work is to combine the advantages of both NH3-MBE and MOCVD growth techniques. We firstly evaluated the interest of porous silicon to confine cracks and to behave as a compliant substrate. Despite the issues regarding the structural changes of the porous silicon with the high temperatures necessary for the epitaxial growth of GaN, we demonstrated the growth of high quality GaN layers by growing a silicon layer of few tens of nanometers prior to III-nitride layers. Then, we studied the windowed growth of GaN on silicon substrates masked with dielectric films. We found that this approach can produce high quality crack free GaN (2µm thick) patterns with size up to 500x500 µm² with a dislocation density of few 108cm-2. Furthermore, crack statistics reveal that a large amount of crack free patterns can be obtained using optimized conditions. Stress analyses of GaN patterns demonstrate a “U-shape” stress distribution where the maximum tensile stress is found in the middle of the patterns and gradually decreases towards the pattern edges. Finally, a comparison with mesa patterned silicon substrates is proposed with identical grown structures. We found that windowed growth is more advantageous regarding growth uniformity and substrate bowing. As a result of this work, LEDs have been fabricated using GaN grown on masked substrates

Les propriétés protectrices des couches d'oxyde à haute température dépendent fortement de la qualité de l'adhérence de ces revêtements et des contraintes résiduelles développées dans l'oxyde lors de l'oxydation et plus particulièrement celles générées à l'interface métal/oxyde. Bien que l'origine des différentes contraintes ait fait l'objet de nombreuses études, l'influence d'une transformation de phase dans l'interface métal/oxyde sur le niveau de contraintes n'est pas encore clarifiée. Ce travail est consacré à l'étude de l'influence d'une mise en ordre de l'interface métal/oxyde tridimensionnelle sur le comportement thermomécanique à haute température d'un métal oxydé. Les déformations de croissance et d'épitaxie, liées à la mise en ordre (relation confirmée par des observations expérimentales menées en LEED et XPD), sont responsables de la formation de la structure duplex. Le modèle est appliqué aux cas de l'oxydation Ni (001) // NiO (001) et Ni (111) // NiO (001). Un modèle numérique tenant compte du comportement élasto-visco-plastique et de la morphologie duplex de la couche est développé. La couche inférieure et le substrat sont cohérents alors que la couche extérieure et celle sous-jacente sont incohérentes. Les contraintes résiduelles calculées pour différents régimes d'oxydation semblent être en accord avec les résultats expérimentaux obtenus par la méthode des rayons X
Protective properties of oxide scale on high temperature alloys depend strongly on the adherence of the oxide scale and the residual stresses that may exist in the oxide and particularly at the metalloxide interface. Although the stress sources in the oxide scale on metallic substrate have been studied for many years, the influence of phase transformation in metal/scale interface on the stress level is not completely clarified. This work is devoted to the study of the influence of the ordering in the metal/oxide 3-dimensional interface on the thermomechanical behavior of high temperature oxidized metal. The growth and epitaxial deformation related to the ordering (confirmed by XPD and LEED data) are shown to be in the origin of the duplex structure formation. The model is applied to the oxidation cases of Ni (001) Il NiO (001) and Ni (111) Il NiO (001). A numerical modeling taking into account elasto-visco-plastic behavior and the duplex morphology of the scale is performed. The lower layer is coherent with the substrate and the upper incoherent with the lower one. The residual stress in the coating during different oxidation regimes is calculated. The numerical results seems to fit well the experimental data obtained by X-ray diffraction

Au cours de ce travail, nous avons procédé à une analyse extensive des dislocations d'interface et de la relaxation des contraintes dans les couches épitaxiales de GaSb sur GaAs (ou GaP) par microscopie électronique en transmission. Sur le substrat de GaAs, nous avons étudié le rôle de l'épaisseur de couches intermédiaires AlSb et le traitement de surface du substrat sur la relaxation des contraintes et la densité de dislocations émergeantes de la couche GaSb. Pareillement, nous avons étudié les effets des paramètres de croissance, tels que, le traitement de surface du substrat, la vitesse et la température de croissance sur la relaxation des contraintes des premières monocouches de GaSb sur la GaP. Avec ces paramètres de croissance optimisés, nous avons pu réaliser une couche de GaSb tampon (600 nm) et des hétérostructures AlSb/InAs avec une mobilité température ambiante de 30000 cm2V-1s-1 et 25500 cm2V-1s-1 sur la GaAs et GaP, respectivement. De plus nous avons mis en évidence, une dépendance du type de dislocation d'interface au mode de croissance: une croissance 2D de GaSb favorise la génération de dislocations de Lomer; alors que des dislocations 60o et des paires de 60o sont principalement générées en mode de croissance 3D. Nous avons aussi déterminé de façon quantitative le mécanisme général de formation des dislocations d'interface: l'interaction d'une dislocation 60o qui se forme en surface et glisse sous interaction avec celle qui se trouve déjà dans l'interface, mais aussi la tension de surface, permettent de déterminer la direction de son vecteur de Burger et donc la configuration de la dislocation résultante à l'interface. Les structures des dislocations et leur stabilité ont été étudiées par HAADF avec résolution atomique et modélisation par dynamique moléculaire. L'étude quantitative des vecteurs de Burger par analyse fine des images a confirmé le mécanisme de formation des dislocations d'interface en accord avec notre modèle.

En raison de leurs applications prometteuses dans les domaines de l’optoélectronique et de l’électronique, les semiconducteurs III-V à base d’azote: les nitrures (AlN, GaN, InN) et leurs alliages (InAlN, InGaN, AlGaN), font l’objet, depuis les années 1990, d’une activité intense en recherche et développement. Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés structurales des couches d'InN et de l'alliage InAlN dans les hétérostructures InAlN/AlN/GaN et InAlN/GaN en combinant les techniques AFM, IBA, DRXHR, Raman et MET. L’étude des couches d’InN a été menée par DRX afin de déterminer la contrainte résiduelle, et on a cherché à faire une corrélation avec la morphologie des surfaces par AFM. Les contraintes résiduelles obtenues par DRX ont été comparées aux résultats de spectroscopie Raman, et on a pu montrer que toutes les couches avaient une contrainte résiduelle qui n'est pas purement bi-axiale. Les hétérostructures InAlN pour transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) sont des couches ultraminces de quelques monocouches atomiques à plusieurs dizaines de nanomètres d'épaisseur. De plus, leur structure peut être assez complexe dans le but d’optimiser le gaz d’électrons généré dans le canal du transistor. Dans l’idéal, on utilise une concentration en indium autour de 17%, qui est celle de l'accord de paramètres cristallins avec le GaN. Nos travaux ont mis en évidence qu’il n’est pas facile de contrôler la composition locale; en effet la structure et morphologie des couches sont très sensibles aux conditions de croissance
Due to their promising optoelectronic and electronic applications, nitrogen based III-V compound semiconductors (AlN, GaN, InN) and their alloys (InAlN, InGaN, AlGaN) have received a large research interest since the early 90’s. In this work, we have investigated the structural behaviour of InN layers and InAlN alloys in InAlN/AlN/GaN and InAlN/GaN heterostructures using complementary techniques: AFM, IBA, HRXRD, Raman and TEM. The study of InN layers has been carried out by HRXRD in order to determine the residual stress and the results were correlated with the morphology as investigated by AFM. The residual stress obtained by HRXRD has been compared with the Raman results, showing that all the layers were characterized by a non pure biaxial stress. The InAlN heterostructures for high electron mobility transistors (HEMTs) are ultra thin layers ranging from a few atomic monolayers to dozens of nanometers. Moreover, their structure can be quite complex in order to optimize the electron gas (2DEG) generated in the transistor channel. We have investigated InAlN layers with In content around 17 % which corresponds to the lattice-match to GaN. In this work, we have shown that it is not easy to control the local composition together with the structure and morphology, meaning that the InAlN layers quality is very sensitive to the growth conditions

Ce travail est consacré à l'hétéroépitaxie de GaN sur substrat Si, étudié à l’échelle nanométrique par microscopie électronique en transmission. On étudie dans un premier temps la croissance de la couche de nucléation d’AlN, en analysant la structure de son interface avec Si, et les premières étapes de croissance. Ceci est effectué en comparant les procédés MBE et MOCVD, pour lesquels des différences sont observées, comme la formation d’une couche amorphe interfaciale pour la MOCVD à haute température. Ensuite, la nanodiffraction par précession (N-PED) permet de déterminer la distribution de la déformation sur l’ensemble de l’hétérostructure. Avec l’aide de l’imagerie par microscopie TEM conventionnelle, on corrèle ainsi le comportement des dislocations traversantes (boucles et dislocations inclinées) à la relaxation des couches de GaN. Une croissance hybride basée sur une combinaison de couches MBE et MOCVD se révèle efficace quant à la réduction de la densité de dislocations, et est à priori intéressante pour des applications type LED. L’utilisation de la cathodoluminescence permet de mettre en évidence la présence d’impuretés et leurs effets au cours des différentes étapes de l’épitaxie. Finalement, nous explorons la possibilité d’utiliser une couche de Si fine sur isolant (SOI) comme substrat de type compliant pour la croissance des couches de GaN. Cette dernière étude est menée principalement pour des couches MBE, et demande à être étendue à des structures MOCVD, pour lesquelles les effets de compliances observés seront potentiellement plus importants
This work is dedicated to GaN on Si heteroepitaxy, at nanometer scale by transmission electron microscopy. First we study the AlN buffer layer growth, by analysing its interface structure with Si substrate, and the first growth stages. This is done by comparing MBE and MOCVD growth processes, for which differences are observed, as the formation of amorphous inter-layer for high temperature MOCVD. Then nanodiffraction with precession (N-PED) allows us to determine strain distribution among the entire heterostructure. With the help of conventional TEM imaging, we correlate threading dislocation behaviour (loop and inclined dislocations) to the strain relaxation in GaN. Hybrid growth based on a combination of MBE and MOCVD layers appears to be quite efficient concerning the reduction of dislocation density, and thus interesting for LED applications. Cathodoluminescence highlights presence of impurities and their effect for each epitaxy stages. Finally we explore the possibility to grow GaN epilayers on a thin Si layer on insulator (SOI), as a compliant substrate. This last study is mainly conducted for MBE layers, and requires to be extended to MOCVD structures, for which observed compliant effects may potentially be more important

La fabrication d'hétérostructures de semi-conducteurs III-V de qualité repose sur la connaissance des surfaces, l'optimisation de la formation des interfaces et la maîtrise de la relaxation des couches contraintes. Nous montrons d'abord par une étude en diffraction et spectroscopie d'électrons que la reconstruction de surface des semi-conducteurs III-V phosphorés est différente des reconstructions couramment observées sur les arséniés. Nous abordons ensuite le problème des interfaces à anion commun pour lequel nous proposons un modèle cinétique prenant en compte l'effet de la température de croissance sur les mécanismes d'échange et de ségrégation en surface. Pour les interfaces différant par leurs anions, la corrélation des résultats de diverses techniques nous conduit à une description précise de la composition chimique de ces interfaces en fonction des conditions de croissance et de son influence sur les propriétés électroniques de l'hétérostructure. L'obtention d'interfaces les plus abruptes possible nous amène à étudier la réactivité de surface des arséniures sous flux de phosphore pour laquelle nous déterminons les facteurs essentiels : dimères d'anions en surface et énergie de liaison des binaires impliqués. L'effet de la contrainte sur la morphologie des couches de semi-conducteurs phosphorés présente des similitudes et des différences avec le cas des arséniés. Nous proposons une interprétation de ces différences soulignant le rôle des reconstructions de surface spécifiques aux phosphorés.
Nous envisageons ensuite l'utilisation de ces hétérostructures dans des transistors à effet de champ à modulation de dopage. Nous optimisons la croissance de structures à double plan de dopage, à canaux composites et étudions les limites des approches pseudomorphique et métamorphique pour les canaux en InGaAs à fort taux d'indium. Nous discutons enfin de l'intérêt des semi-conducteurs antimoniés pour améliorer les résultats obtenus avec les arséniés et phosphorés.

Lors de la croissance de materiaux sur substrats massifs, les parametres de maille de la couche epitaxiale et du substrat doivent etre parfaitement identiques sinon la couche se relaxe par generation de dislocations, au-dela d'une epaisseur dite epaisseur critique. La gamme de materiaux epitaxies est donc restreinte a de faibles desaccords parametriques pour eviter la degradation des performances des dispositifs optoelectroniques. La relaxation plastique des couches desaccordees peut etre limitee par la realisation de substrats deformables ou compliants qui partagent la contrainte de desaccord avec la couche epitaxiee. Un tel substrat de quelques dizaines d'angstroms doit etre transfere sur un substrat hote. Nous avons etudie deux methodes de transfert, la fusion desalignee (twist-bonding) et l'adhesion moleculaire (wafer bonding). La relaxation de la contrainte se fait, dans le premier cas, par l'intermediaire du reseau de dislocations vis de l'interface, et dans le deuxieme cas, par l'intermediaire de l'oxyde d'adhesion. Dans le cas de substrats minces desalignes, nous avons transfere des substrats minces d'in 5 3ga 4 7as de 100 a sur substrat massif de gaas (111). Sur ces derniers nous avons fait croitre des couches desaccordees de 0. 75% jusqu'a des epaisseurs de 2000 a avec une densite de dislocations plus faible que 10 8 cm 2. Dans le cas de l'adhesion moleculaire, nous avons reussi a faire croitre une couche de 5400 a desaccordee de 0. 61-0. 75% par rapport a un substrat mince d'inp sans generation de dislocations de desaccord (<3 10 5 cm 2), ce qui represente 30 a 40 fois l'epaisseur critique. L'amelioration de la qualite cristalline des couches epitaxiees sur substrat compliant semble montrer une deformation du substrat mince pour absorber une partie du desaccord parametrique.

Nous avons épitaxié des tri-couches Cr\Fe\Cr sur les substrats de MgO et SrTiO3 (100) par pulvérisation cathodique. Leurs propriétés structurales et magnétiques s’améliorent lorsque la température de dépôt du Fe décroît, mais il y a formation d’oxydes de Fe et de Cr aux interfaces. Nous avons donc choisi de continuer l’élaboration des tri-couches par MBE. Nous avons varié l’épaisseur de tri-couches déposées par MBE pour extraire le moment moyen et sa modification aux interfaces. La contribution des interfaces ont le signe et l’ordre de grandeur prédits par Daniel Stoeffler en liaisons fortes. Les phénomènes d’interdiffusion dans ces multicouches ont été étudiés par des recuits isochrones et isothermes. La gamme de température intéressante pour les recuits est de 400 à 500°C. Les recuits isothermes montrent la présence de plusieurs régimes. Les profils de concentration simulés par Monte-Carlo révèlent une diffusion asymétrique
We have epitaxied Cr/Fe/Cr tri-layers on the MgO and SrTiO3 (100) substrates by magnetron sputtering. Their structural and magnetic properties improve when the deposition temperature of Fe decreases, but Fe and Cr oxides form at the interfaces. We therefore chose to continue with the multi-layers growth using MBE. We varied the thickness of three layers deposited by MBE to extract the average moment and its modification at the interfaces. The contribution of the interfaces has the sign and order of magnitude predicted by Daniel Stoeffler using tight-binding. The interdiffusion phenomenain these multilayers have been studied by isochronous and isothermal annealings. The temperature range of interest for annealing is 400 to 500°C. Isothermal annealing shows the presence of several regimes. The concentration profiles simulated by Monte Carlo reveal an asymmetric diffusion

Ce travail concerne l'analyse microstructurale par diffraction des rayons X de couches épitaxiées d'oxydes. Dans cet objectif, nous avons mis en œuvre différentes techniques de diffraction des rayons X à la fois sur montage de laboratoire et au synchrotron. Un modèle combinant à la fois une description microscopique des effets de forme et de taille des cristaux constituant les couches et une description phénoménologique des effets de distorsions de réseaux a été développé afin de rendre compte des effets dus aux défauts microstructuraux les plus couramment rencontrés dans les couches épitaxiées. Deux systèmes oxydes ont été étudiés. Le premier est le système à fort désaccord de réseau ZrO2/MgO dont l'analyse a montré l'existence de deux sous-réseaux de dislocations d'interface. Le premier, présentant une symétrie carrée, est constitué de dislocations aléatoirement distribuées et se caractérise par une faible densité de dislocations. Le second responsable de l'accommodation des réseaux cristallins entre ZrO2 et MgO est constitué de dislocations périodiques dont la densité est élevée. Le second système étudié, SmNiO3/SrTiO3, se caractérise par un faible désaccord de réseau. L'analyse des cartographies de l'espace réciproque a permis de séparer la relaxation des contraintes d'origine mécanique de celle d'origine chimique. Les mécanismes associés, la formation de dislocations d'interface et de lacunes d'oxygène ont été mis en évidence par l'examen des profils transversaux d'intensité diffractée des couches et par le calcul de la valence du nickel. Finalement, une corrélation entre la relaxation des contraintes et les propriétés de transport électronique des couches a clairement été établie
This work deals with microstructural analysis in epitaxial oxides films by X-ray diffraction. In this aim, different scattering techniques have been used both on laboratory and synchrotron equipments. A model, combining a microscopic description of the shape and size effects of the crystallites and a phenomenological description of the lattice distortions has been developed in order to account for the effects arising from defects on the scattering profiles. Two oxides systems have been investigated. Firstly, the ZrO2/MgO system, characterized by a high lattice mismatch, exhibits two subsets of misfit dislocations. The first one, is a square network of misfit dislocations randomly distributed and is characterized by a low density of dislocations, whereas the second network constituted by periodic dislocations and characterized by a high density of dislocations is responsible for the strain accommodation between ZrO2 and MgO. The second oxides system, SmNiO3/SrTiO3, presents a low lattice mismatch. The analysis of the reciprocal space maps allowed us to separate the mechanical effect from the chemical effect on the global strain relaxation. The mechanisms responsible for this strain relaxation are respectively the formation of misfit dislocations and the formation of oxygen vacancies. These two mechanisms have been evidenced by a careful interpretation of the transverse scattering profiles of the SmNiO3 films et by valence bond calculations. Finally, a correlation between strain relaxation and the transport properties of the films has been established

Un objectif technologique important de l’industrie des semiconducteurs concerne l’intégration sur Si de semiconducteurs III-V à bande interdite directe tels que InAs et GaAs, pour réaliser des émetteurs et détecteurs de lumière aux longueurs d'onde de télécommunication. L'épitaxie de couches minces d'InAs et de GaAs sur Si est cependant difficile en raison de la grande différence de paramètre de maille entre ces matériaux. Ces films minces épitaxiés présentent une interface de mauvaise qualité limitant les performances de futurs dispositifs. Pour surmonter le défi de l’épitaxie de matériaux à fort désaccord de maille, il a été proposé d’utiliser des nanofils en raison de leur dimension latérale réduite et de leur rapport hauteur/largeur élevé. Ainsi, les nanofils relâchent la contrainte par relaxation élastique sur la paroi latérale des nanofils. Dans ce contexte, ma thèse visait à faire croître des hétérostructures axiales de nanofils GaAs/InAs sur des substrats Si pour réaliser des émetteurs à photons uniques. Lors de ce travail expérimental, j'ai fait croître des nanofils par le mécanisme vapeur-solide-liquide assisté par catalyseurs d'or dans un réacteur d'épitaxie par jet moléculaire. Les nanofils ont ensuite été caractérisés en utilisant la spectroscopie à rayons X par dispersion d'énergie et la microscopie électronique à transmission pour évaluer leur composition et leur structure cristalline. La distribution de la contrainte a été étudiée expérimentalement par analyse de phase géométrique, puis comparée à des simulations par éléments finis. Au cours de cette thèse, j'ai abordé différents défis inhérents aux hétérostructures axiales de nanofils, tels que la formation de nanofils tordus, la composition graduelle de l’interface et la croissance radiale parasite. J'ai d'abord optimisé le protocole de croissance pour éviter la formation de nanofils tordus. Les nanofils changent habituellement de direction de croissance lorsque le catalyseur d'or à l'extrémité du nanofil a été déstabilisé. En gardant une forte sursaturation dans la gouttelette d'or pendant toute la procédure de croissance, j’ai obtenu des nanofils droits d’InAs/GaAs avec un rendement de 92%. J’ai alors optimisé les flux de matériaux pour réduire la composition graduelle de l'interface entre les segments d’InAs et de GaAs. Grâce à l'analyse de la composition chimique des nanofils, j'ai observé que le segment nominalement pur d’InAs est en fait un alliage ternaire InxGa1-xAs. J'ai découvert que l'incorporation de Ga dans le segment nominal InAs est due à la diffusion d'adatomes Ga créés thermiquement sur les nanofils GaAs et sur la couche de GaAs bidimensionnelle développée sur le substrat de Si. L'utilisation de diamètres larges de nanofils supprime la diffusion de Ga le long des parois latérales des nanofils, permettant ainsi la croissance d’un segment d’InAs pur au-dessus de celui de GaAs. Enfin, j'ai étudié la distribution de la contrainte de 7% à l’interface InAs/GaAs. Celle-ci est répartie le long du nanofil et dépend du diamètre du nanofil et de la composition de l'interface. J'ai observé que les nanofils de diamètre inférieur à 40 nm sont exempts de dislocations: la contrainte est relaxée élastiquement via la courbure des plans cristallins proches des parois latérales du nanofil. D'autre part, les nanofils avec des diamètres supérieurs à 95 nm relaxent à la fois élastiquement et plastiquement, par une courbure des plans et la formation de dislocations. En conclusion, j'ai fabriqué des hétérostructures de matériaux à fort désaccord de maille. J’ai pu confirmer que les interfaces axiales GaAs/InAs sont pseudomorphiques en dessous d'un certain diamètre critique. Ces résultats constituent une première étape vers la réalisation de boîtes quantiques InAs dans des nanofils de GaAs intégrés sur Si: un système prometteur pour l'émission de photons uniques sur puce
Combining direct bandgap III-V compound semiconductors, such as InAs and GaAs, with silicon to realize on-chip optical light emitters and detectors at telecommunication wavelengths is an important technological objective. However, traditional thin film epitaxy of InAs and GaAs on silicon is challenging because of the high lattice mismatch between the involved materials. These epitaxial thin films exhibit a poor quality at the interface with silicon, limiting the performance of future devices. Nanowires can overcome the mismatch challenge owing to their small lateral size and high aspect ratio. Thanks to their free, unconstrained surfaces, nanowires release the mismatch strain via elastic lateral relaxation. In this context, my thesis aimed at growing axial GaAs/InAs nanowire heterostructures on silicon substrates to realize on-chip, integrated, single-photon emitters. In this experimental work, I grew nanowires by gold-assisted vapor liquid solid mechanism in a molecular beam epitaxy reactor. The nanowires were then characterized using energy dispersive x-ray spectroscopy and transmission electron microscopy to evaluate their composition and crystalline structure. Strain distribution was studied experimentally using geometrical phase analysis and compared theoretically with finite element simulations, performed with the COMSOL software. During this thesis, I tackled different challenges inherent to axial nanowire heterostructures, such as kinking during material exchange, compositionally graded interfaces, and radial overgrowth. First, I developed an optimized a growth protocol to prevent the formation of kinks. Kinks usually appear when the gold catalyst at the nanowire tip has been destabilized. By keeping a high supersaturation in the gold droplet during the entire growth procedure, straight InAs-on-GaAs nanowires were achieved with a yield exceeding 90%. By a careful tuning of the material fluxes supplied during growth, I significantly improved the interface sharpness between the InAs and GaAs nanowire segments: the use of a high In flux during the growth of the InAs segment resulted in a 5 nm composition gradient at the InAs/GaAs interface. Through the careful analysis of the nanowires’ chemical composition, I observed that the nominally pure InAs segments grown on top of GaAs are in fact ternary InxGa1-xAs alloys. I found out that Ga incorporation in the nominal InAs segment is due to the diffusion of Ga adatoms thermally created on the GaAs nanowire sidewalls and on the two-dimensional GaAs layer grown on silicon substrate. I demonstrated that the use of large nanowire diameters prevents Ga diffusion along the nanowire sidewalls, resulting in the growth of pure InAs segments on top of GaAs. Finally, I studied how 7% mismatch strain at the InAs/GaAs interface is distributed along the nanowire, depending on the nanowire diameter and interface sharpness. I observed that nanowires with diameters below 40 nm are free of misfit dislocations regardless of the interface sharpness: strain is fully, elastically released via crystalline planes bending close to the nanowire sidewalls. On the other hand, nanowires with diameters above 95 nm at the interface exhibit strain relaxation, both elastically and plastically, via plane bending and the formation of misfit dislocations, respectively. In conclusion, I have successfully fabricated highly mismatched heterostructures, confirming the prediction that axial GaAs/InAs interfaces are pseudomorphic below a certain critical diameter. These findings establish a first step towards the realization of high quality InAs quantum dots in GaAs nanowires on silicon: a promising system for on-chip single photon emission