Dissertations / Theses on the topic 'Nanofils de Si'

Le but de cette thèse est de réaliser et d'étudier les propriétés électroniques d'un transistor à canal nanofil monocristallin à base de Si/SiGe (voir figure), élaboré par croissance CVD-VLS, à grille enrobante ou semi-enrobante en exploitant une filière technologique compatible CMOS. Ces transistors vont nous permettre d'augmenter la densité d'intégration et de réaliser de nouvelles fonctionnalités (par exemple : des interconnections reconfigurables) dans les zones froides d'un circuit intégré. La thèse proposée se déroulera dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire LTM-CNRS et le laboratoire SiNaPS du CEA/INAC/SP2M et utilisera la Plateforme Technologique Amont (PTA) au sein du pôle MINATEC.

Les nanofils sont des matériaux prometteurs, d'une part en tant qu'éléments de micro-générateurs, thermoélectriques ou photovoltaïques, d'autre part en tant que briques de base de systèmes nanoélectroniques. Ils répondent aux exigences de miniaturisation, d'autonomie et de mobilité des appareils nomades. Ces travaux de thèse ont consisté en la synthèse de nanofils de Si et de Si/SiGe, et plus particulièrement l'étude paramétrique de la croissance ainsi que l'analyse de leur structure. Les nanofils de Si et de Si/SiGe croissent selon la méthode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) à partir d'un catalyseur d'or. Du silane ou un mélange de silane-germane est injecté dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) subissant une décomposition thermique. Deux techniques de mise en œuvre des catalyseurs d'or ont été expérimentées et ont permis la croissance de nanofils : le démouillage d'un film continu d'or ou l'utilisation de colloïdes d'or. Les synthèses de nanofils de silicium, non dopés et dopés, et de nanofils de Si/SiGe ont été réalisées. La croissance des nanofils de silicium a fait l'objet d'une étude paramétrique détaillée qui permet de maîtriser la croissance, notamment pour la maîtrise de la longueur, du diamètre et de la forme des nanofils. Une étude structurale au microscope électronique en transmission a mis en évidence la cristallinité des fils, la présence de défauts structuraux ainsi que la confirmation de la synthèse d'hétérostructures Si/SiGe. Afin d'obtenir des nanofils dopés de types n ou p, de la phosphine ou du diborane ont été rajoutés au mélange. Les premières mesures du dopage ont été réalisées par spectrométrie de masse des ions secondaires et caractérisation électrique. La quantification du dopage par d'autres techniques est en cours de développement
Nanowires are promising materials for thermoelectrical or photovoltaïc microgenerators and as building block for nanoelectronics systems. They answer to miniaturization, autonomy and wireless needs of nomade devices. This work is focused on the synthesis of silicon and Si/SiGe nanowires and more specifically on the growth study and structure analysis. Silicon and Si/SiGe nanowires grow following gold-catalyzed VLS (Vapour-Liquid-Solid) method. Silane or silane-germane mixture were injected in a chemical vapour deposition (CVD) reactor, and undergo thermal decomposition. Two routes were chosen for nanoparticles preparation and led to nanowire growth : gold thin film dewetting and use of gold colloïds. A parametric study was performed on Si nanowires growth to achieve a good control of diameter, length and shape. A structural study by transmission electronic microscopy highlighted the nanowire cristallinity, the presence of defects and the one-dimensional Si/SiGe heterostructures. To obtain p-type or n-type doped nanowires, phosphine or diborane were added to the gas mixture. The first doping measurements have been carried out by secondary ion mass spectrometry and electrical characterization

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

Les nanofils de silicium (Si) sont des nano-objets à une dimension. Ils font l'objet de beaucoup d'intérêt ces dernières années en raison de leurs bonnes propriétés et leur grand potentiel d'applications. Pour ces applications, il est important de parfaitement contrôler la croissance de ces objets ainsi que leurs dopages. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail de thèse est la modélisation de la croissance des nanofils de Si et la métrologie à l'échelle atomique de la composition des nanofils. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié le taux de croissance (longueur) ainsi que l'évolution de la morphologie des nanofils, en particulier l'effet d'effilage. Plusieurs modèles sont proposés selon la nature des nanofils synthétisés via différentes méthodes d'élaboration: Dépôt Chimique en phase Vapeur et Epitaxie par Jets Moléculaires. Les taux de croissance varient selon les méthodes de synthèse. Le modèle reproduit fidèlement les données expérimentales. L'influence des conditions expérimentales sur la morphologie des nanofils est également étudiée dans cette partie. L'objectif de la seconde partie de ce travail est la métrologie des impuretés (catalyseur et dopant) dans les nanofils de Si. Cette étude est réalisée à l'aide de la technique de Sonde Atomique Tomographique (SAT). Cette technique permet une analyse à l'échelle atomique, dans l'espace réel et en trois dimensions de l'objet analysé. Des nanofils synthétisés par différentes techniques telles : la gravure chimique, la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) et la méthode Solide-Liquide-Solide (SLS), en utilisant différents catalyseurs de croissance tels Au, In et Sn, sont étudiés. La présence d'atomes des catalyseurs dans les nanofils se trouve être un phénomène général. Un travail sur la métrologie des dopants a également été réalisé. La concentration des dopants et leurs distributions dans les nanofils synthétisé par gravure chimique est inchangée. En revanche, dans les nanofils de Si dopés via un mécanisme de croissance VLS, une structure cœur-coquille avec un cœur sous-dopé et une coquille sur-dopée est observée. Ceci est retrouvé quelque soit la morphologie du nanofil et la nature chimique du dopant. Un modèle basé sur la diffusion latéral (via la surface du nanofil) des dopants est proposé afin de reproduire les profils expérimentaux observés et aussi préciser une voie d'incorporation possible des dopants.

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

En raison de leur compatibilité avec la technologie conventionnelle du silicium, les nanofils de silicium semblent très prometteurs pour être utilisés comme briques de base de composants électroniques à l'échelle. Ce travail de thèse se focalise sur la croissance épitaxiale et la caractérisation de tels nanofil. Les nanofils de silicium sont fabriqués par la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) à partir de catalyseurs d'or, en utilisant deux techniques: dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et épitaxie par jets moléculaire (MBE). Dans la première partie de cette étude, les catalyseurs d'or sont déposés sur le substrat Si(111) en ultravide pour bénéficier d'interface or-silicium de grande qualité. A partir de ces ilôts d'or, des nanofils orientés <111> sont obtenus par MBE et CVD, lorsque la pression partielle de silane est faible. En profitant de l'orientation contrôlée des fils qui favorise leur intégration dans les composants, plusieurs structures basées sur les nanofils ont donc été développées. Dans la deuxième partie de cette étude, les structures atomiques des surfaces facettées de nanofils orientés <111> ont été étudiées par microscopie à l'effet tunnel (STM) à basse température. En combinant ces observations avec des images de fils identiques en microscopie électronique, nous avons révélé la diffusion d'atomes d'or depuis le catalyseur le long des fils. Cette diffusion a plusieurs conséquences : elle conduit en partie à la forme conique des nanofils et est certainement à l'origine de l'alternance de la taille des parois des nanofils. Une troisième partie a porté sur le dopage des nanofils. Des gaz tels que la phosphine ou le diborane peuvent être utilisés pour incorporer des dopants de type n ou type p dans les nanofils pendant la croissance. La tomographie par sonde atomique (TAP) a été utilisée pour caractériser la distribution des impuretés dans le volume de nanofils de silicium dopés au bore et orientés <111>. Une distribution uniforme de bore à été observée au centre de nanofils et la concentration des impuretés mesurée correspond bien à la valeur estimée par le rapport entre le flux de silane et de diborane. Enfin, ces observations ont été comparés avec des mesures de conductivité dans des nanofils individuels.

Dans le cadre d'une approche bottom-up, la fabrication de nanofils par une croissance catalysée ouvre la voie à nombres d'applications: nano--transistors verticaux à grille enrobantes, heterostructures cœur--coquilles... Avec ces nouveaux objets, de nouvelles interrogations apparaissent quant à l'influence du catalyseur et de la surface sur les propriétés électroniques des nanofils. Mon travail basé sur une étude spectroscopique via des expériences de photoluminescence a mis en évidence le rôle prépondérant de la surface sur les propriétés électroniques des nanofils. La passivation des états de surface a permis d'observer la recombinaison radiative des porteurs libres d'une phase dense : le liquide électron-trou, dans des nanofils catalysés par de l'or et du cuivre. Cette phase liquide a la particularité d'être stable thermodynamiquement et sa densité est constante. Cette propriété unique dans les semiconducteurs a conduit à l'étude quantitative de l'influence de la surface via la modification du ratio surface/volume. Une méthode originale de mesure de la vitesse de recombinaison de surface (VRS) a ainsi été développée et des VRS relativement faibles ont été mesurées indiquant une excellente passivation des états de surface. Les propriétés de volume de nanofils catalysés 'or' sont très similaires à celles d'un silicium massif utilisé en micro-électronique. Enfin, l'oxydation sacrificielle du silicium a permis d'obtenir des nanofils de diamètre inférieur à 10 nm. L'oxydation progressive des nanofils a permis d'observer un décalage de la raie vers le rouge attribué à la présence de contraintes, puis l'augmentation du gap est corrélée au confinement quantique des porteurs.

Les biocapteurs ont pour objectif de détecter de faible quantité de biomolécules afin d'améliorer laqualité et la précocité des diagnostics médicaux. Parmi eux, les transistors à nanofils sont desdispositifs prometteurs, car ils permettent la détection électrique de biomolécules sans marquage avecune grande sensibilité et un temps de réponse court. Actuellement, la plupart de ces dispositifs utilisedes nanofils de silicium, qui peuvent être limités par une faible résistance chimique, ce qui entrainedes variations du signal en présence de solutions biologiques. Pour palier ces inconvénients, le carburede silicium (SiC) est un matériau prometteur déjà utilisé dans le domaine biomédical pour lafabrication ou le recouvrement de prothèses ou de vis médicales. Outre ses propriétés semiconductrices,ce matériau est biocompatible et montre une forte inertie chimique. Par conséquent, ilouvre une voie à l'intégration in-vivo des capteurs.L'objectif de cette thèse est d'élaborer des biocapteurs SiC à l'échelle nanométrique pour détecter desmolécules d'ADN. La première étape est la fabrication des transistors à base de nanofils SiC à grillearrière. Un procédé original de fonctionnalisation combiné avec la lithographie et aboutissant augreffage covalent de molécules sondes d'ADN a été mis au point. Finalement, la réponse des capteursa été mesurée entre chaque étape du protocole de fonctionnalisation. Les variations du signal lors desétapes de greffage et d'hybridation des molécules d'ADN démontrent la capacité de ces dispositifs àdétecter des molécules d'ADN. Des mesures complémentaires ont aussi montré la stabilité, lasélectivité et la réversibilité du dispositif
Biosensors are designed to detect small quantities of biomolecules in order to improve the accuracyand earliness of medical diagnosis. Among them, nanowire transistors are promising devices, as theyallow the electrical detection of biomolecules without labeling with high sensitivity and a shortresponse time. Currently, most of these devices use silicon nanowires, which can be limited by a lowchemical resistance, which leads to signal variations in the presence of biological solutions. Toovercome these limitations, silicon carbide (SiC) is a promising material already used in thebiomedical field for the coating of prosthesis or bone screws. In addition to its semiconductingproperties, this material is biocompatible and shows a high chemical inertness. Therefore, it opens theway for in vivo integration of sensors.The goal of this thesis is to develop SiC biosensors at the nanoscale to detect DNA molecules. Thefirst step is the fabrication of SiC nanowire-based back gate transistors. A novel process combiningfunctionalization and lithography leading to the covalent grafting of DNA probe molecules has beendeveloped. Finally, the sensor response was measured between each step of the functionalizationprocess. The variations of the signal during the steps of grafting and hybridization of DNA moleculesdemonstrate the ability of these devices to detect DNA molecules. Additional steps have also shownthe stability, selectivity and reversibility of the device

Ce travail de thèse ce focalise sur la croissance et la caractérisation de Nanofils (NFs) et de Microfils (µFs) de GaN. L'élaboration de telles structures est obtenue par épitaxie en phase vapeur d'organométalliques à partir de deux stratégies de croissances: l'une dite auto-organisée, réalisée sur substrat saphir, l'autre appelée sélective ou localisée, obtenue sur template GaN de polarité Ga. Quelque soit la stratégie employée, nous montrons que la croissance de structures verticales suivant l'axe c requièrent l'utilisation d'un flux de NH3 et d'un rapport V/III faible, lorsque nous les comparons avec les valeurs utilisées pour la réalisation de couches planaires de GaN. Les paramètres et les étapes de croissances ayant une influence sur le rapport d'aspect (hauteur/diamètre) sont étudiées et mises en évidence pour chacune des stratégies employées. Par ailleurs, les mécanismes de croissance ainsi que les propriétés structurales et optiques de ces objets sont caractérisés par MEB, MET, CL et µPL. En particulier, les expériences réalisées sur les µFs auto-organisés permettent d'observer et d'expliquer l'origine de la double polarité, de mettre en lueur la différence d'incorporation de dopants/d'impuretés entre les domaines Ga et N, d'identifier la présence de deux sections de propriétés électriques et optiques différentes, et de révéler la présence de deux types de résonances optiques: des Modes de galerie et des Modes de Fabry-Perot. D'autres part, nous étudions la courbure des dislocations vers les surfaces libres des NFs localisés et µFs auto-organisés, et pointons la présence de fautes d'empilement basales dans des régions de faibles dimensions.

La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d’énergie propre et renouvelable. Cette filière est en plein essor grâce à une réduction constante des coûts de revient et des politiques incitatives de nombreux pays. Pourtant, l’ensemble des panneaux photovoltaïques installés ne produit qu’une faible part de la consommation mondiale en électricité. Les récents développements technologiques dans l’industrie photovoltaïque se sont surtout concentrés sur les cellules dites de seconde génération, à savoir les couches minces à base de CIGS, CdTe, a-Si, a-SiGe. Cette filière permet la fourniture d’électricité à coût inférieur à la technologie standard silicium, mais les rendements de conversion demeurent encore faibles, ce qui nécessite de larges surfaces disponibles. Il est à noter notamment que les cellules couches minces à base de matériaux semiconducteurs à gap direct comme le CIGS et le CdTe sont en plein essor puisqu’ils profitent en particulier d’une absorption accrue par rapport au silicium ; toutefois, ces matériaux sont présents en quantité limitée à la surface de la planète (In, Te). Dans ce contexte, les cellules à base de nanofils constituent une solution intéressante aux problèmes de l’absorption de la lumière, du transport et de la séparation des porteurs de charge photo-générés mais aussi de la quantité de matière utilisée. En effet, en utilisant une jonction radiale (i.e. entourant le nanofil), il est possible de séparer l’absorption de la lumière ( liée notamment à la longueur du nanofil) de la collecte des porteurs de charge (qui dépend du diamètre des nanofils). L’intérêt de ces structures réside également dans les propriétés de base des nanofils : la relaxation élastique favorable sur leur surface latérale ouvre le champ au dépôt de nanofils par hétéro-épitaxie sur tout type de substrat alors que la faible densité de défauts étendus en leur sein est propice à un transport efficace des porteurs de charges. Ainsi, la possibilité de réaliser des nanofils sur substrat souple en réduisant de manière importante la quantité de matière utilisée par rapport à une cellule en silicium cristallin massif peut être envisagée. Plusieurs laboratoires grenoblois ont déjà une expertise dans le domaine de la croissance des nanofils. Cette thèse a pour but de réaliser une analyse expérimentale approfondie des propriétés optoélectroniques des nanofils (par des mesures de réflectivité, de durée de vie des porteurs minoritaires et de recombinaisons en surface et aux interfaces) combinée à des simulations optiques (de type RCWA ou FDTD) et électriques (TCAD). L’objectif ultime étant de concevoir et de développer des cellules à base de nanofils de silicium et de ZnO/CdTe. Des démonstrateurs seront réalisés sur la base des simulations électro-optiques. Pour cela, les moyens d’élaboration, de caractérisation et de technologie des différents laboratoires et entités, ainsi que les compétences associées, seront mis en commun pour accompagner les travaux du doctorant
Photovoltaic energy is a very attractive way to produce renewable energy. The current increase in the photovoltaic energy production mainly takes advantage of the continuous decrease in the solar cell cost as well as to incentive policy. However, installed photovoltaic panels only contribute to a very small part of the global electricity production. Therefore, important technological developments are dedicated to the second generation of solar cells (i.e. thin film solar cells) in order to reduce more their manufacturing cost despite the resulting lower conversion efficiency owing to a weaker structural and optical material quality. One alternative way to increase the solar cell efficiency is to fabricate nanowire-based solar cells since they may benefit from a higher light absorption and carrier collection efficiency. The light absorption is actually increased thanks to the high surface/volume ratio of nanowires but also to light trapping related to the nanowire length. Furthermore, the collection of minority charge carriers is more efficient in radial structures (i.e. core-shell structures) since the nanowire diameter is very small. This PhD thesis aims at investigating the optoelectronic properties of silicon and ZnO/CdTe nanowires (absorption, lifetime of minority charge carriers, bulk and surface recombination…) in order to design an optimised nanowire-based solar cell structure. Electromagnetic simulations will be first performed to define the best nanowire geometry for the absorbance, and then compared to experimental measurements of the absorption coefficient. Electrical characterisations (lifetime measurements, surface recombination…) will be also achieved to analyse the structural quality and to simulate the solar cell electrical properties. Some prototypes of optimised solar cells will eventually be fabricated

Le développement récent des nanotechnologies a apporté un renouveau dans le domaine de recherche de la thermoélectricité. Ces dernières années, de nombreux travaux théoriques et expérimentaux ont montré qu’il était possible d’améliorer grandement le facteur de mérite ZT en utilisant des structures semi-conductrices de basse dimensionnalité. Plus particulièrement, les nanofils de Silicium ont été présentés comme de bons candidats pour des applications thermoélectriques. De nombreuses études ont effectivement souligné le fait qu’il est possible de réduire la conductivité thermique au sein des nanofils sans altérer le transport électrique, ce qui va bien évidemment dans le sens d’une amélioration du facteur de mérite. Cependant, il existe peu d’études expérimentales permettant de confirmer ces affirmations. Ici, nous proposons des expériences de microscopie thermique à balayage permettant d’effectuer de l’imagerie thermique de nanofils individuels avec une résolution spatiale de l’ordre de 100nm. A partir des images réalisées et d’un modèle décrivant le comportement thermique de la sonde utilisée, nous déterminons la conductivité thermique des nanofils caractérisés. La technique de mesure proposée est actuellement la seule permettant d’effectuer une mesure thermique statistique sur un grand nombre de nanostructures de type nanofil. Nous validons également la faisabilité d’une mesure de conductivité électrique de nanofils individuels par une technique de microscopie de résistance d’étalement. La conductivité électrique est également un paramètre déterminant, à prendre en compte dans l’évaluation du facteur de mérite thermoélectrique
The recent development of nanotechnologies is like a revival for the field of research on thermoelectricity. Over the past decade, several studies have underlined the fact that the thermoelectric figure of merit can be drastically enhanced in low dimensional semiconductor systems. In particular, silicon nanowires have been recently presented as good candidates for thermoelectric applications. Although bulk silicon is a poor thermoelectric material, by greatly reducing thermal conductivity without much affecting the electrical resistivity, Si nanowires show promise as high-performance thermoelectric materials. However, the experimental investigations on this topic do not abound in literature. Here, we propose experiments based on Scanning Thermal Microscopy which allows us to carry out thermal images of individual Si nanowires with a spatial resolution around 100 nm. Then, a model describing the SThM probe thermal behavior enables us to extract thermo-physical properties from the thermal images and finally to evaluate the thermal conductivity of the individually imaged Si nanowires. The technique proposed here is a promising one to perform statistical thermal conductivity measurements on a wide range of one-dimensional nano-objects with different compositions and geometries. Besides, we validate the feasibility of electrical conductivity measurements on individual Si nanowires, using Scanning Spreading Resistance Microscopy. Electrical conductivity is also a key parameter to determine the thermoelectric figure of merit

La microélectronique rencontre des difficultés croissantes avec la miniaturisation des composants. La photonique sur silicium propose de les contourner en choisissant le photon comme vecteur de l'information, mais les sources de ces photons restent des verrous. Cette thèse s'est donc attachée à la réalisation par épitaxie par jets moléculaire en mode vapeur-liquide-solide et la caractérisation par spectroscopie de photoluminescence (PL) de boîtes quantiques en nanofils (NFs-BQ) d'InP/InAs crûs sur silicium orienté (111), dans le but d'une intégration monolithique de sources lumineuses. Des NFs d'InP de phase cristalline pure wurtzite ont d'abord été crûs verticaux sur Si(111), à partir d'un catalyseur sous forme de gouttelettes or-indium. La formation préalable d'un piédestal d'InP par la cristallisation de ces gouttelettes, ainsi que la migration de l'or au sommet de ce piédestal pour catalyser la croissance, ont été mise en évidence. Le diamètre de ces NFs a ensuite été augmenté pour qu'ils se comportent comme un matériau massif du point de vue des propriétés optomécaniques. Ils ont été soumis à une pression hydrostatique allant jusqu'à quelques GPa pour déterminer des paramètres mal connus de l'InP Wz. L'optimisation de la croissance du système NF-BQ d'InP/InAs a ensuite été réalisée. Des BQs de hauteur variable ont été obtenues, avec des interfaces très abruptes. Les études de PL sur un ensemble de NFs-BQ montrent des spectres plus ou moins complexes suivant la hauteur des BQs, ainsi qu'une polarisation de l'émission accordable avec cette hauteur. Le dernier objectif a été d'améliorer l'efficacité de l'émission des NFs-BQs d'InP/InAs grâce à l'effet photonique d'une coquille en silicium amorphe (a-Si). Les études de PL ont révélé une forte perte d'intensité de PL et la disparition de l'anisotropie de polarisation de l'émission des NFs-BQ après dépôt. Plusieurs raisons sont discutées pour expliquer ceci
Microelectronics encounter growing issues with components miniaturization. Silicon photonics offer to avoid them by taking the photon as the information carrier, but the sources are challenging to make. This thesis thus focused on the realization by vapor-liquid-solid assisted molecular beam epitaxy and the characterization by photoluminescence spectroscopy (PL) of InAs/InP quantum dots in nanowires (QD-NW) on (111) oriented silicon, with the aim of monolithic integration of light sources. Pure wurtzite InP NWs have first been vertically grown on Si(111) with a gold-indium droplet catalyst. The preliminary formation of InP pedestals by the crystallization of the droplets, and the migration of gold at the top of the pedestals to catalyze the growth, have been evidenced. The NWs diameter has then been increased so they behave as bulk InP regarding optomechanical properties. The NWs have been put under hydrostatic pressure to several GPa to determine little known InP wurtzite parameters. The growth optimization of the InAs/InP QD-NW system has then been realized. QDs with various height and very sharp interfaces have been obtained. PL studies show more or less complex spectra, according to the QDs' height, as well as a height-tunable polarization. The last goal was to enhance the efficiency of the InAs/InP QD-NWs thanks to the photonic effect brought by an amorphous silicon shell. PL studies revealed a high signal loss and the disappearance of the polarization anisotropy of the QD-NWs emission after deposition. Several hypothesis are discussed

Étude de la croissance de nanofils de SiGe par dépôt chimique en phase vapeur et caractérisation par microscopie à force atomique. Les nanofils semi-conducteurs constituent des briques de bases au potentiel prometteur pour l'amélioration des dispositifs du futur. D'autre part, l'alliage SiGe permet de contrôler les propriétés électroniques de la matière telles que les mobilités des porteurs et la largeur de bande. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous étudions les mécanismes de croissance catalysée de nanofils de SiGe et développons des méthodes de caractérisation de nanofils par AFM.Dans un premier temps, la croissance par CVD de nanofils de SiGe est étudiée en utilisant l'or comme catalyseur. Nous étudions l'influence du HCl en phase gazeuse qui permet un contrôle de la croissance de nanofils de SiGe et modélisons son action.Dans un deuxième temps, nous étudions la croissance de nanofils SiGe catalysée par siliciures compatibles CMOS, et la croissance de nanofils de Ge pur à basse température. Nous nous intéressons également à l'élaboration d'hétérostructures.Enfin, nous étudions le module de Young de NF unique de Si, GaN et ZnO par AFM et une nouvelle méthode de génération de potentiel piézoélectrique sur NF de GaN a été développée.

Depuis une vingtaine d’année les nanofils des semiconducteurs suscitent un intérêt majeur pour des applications diverses grâce à leurs propriétés optoélectroniques particulières. Dans le domaine du photovoltaïque ils présentent aussi un atout majeur. La combinaison du fort coefficient d’absorption des semiconducteurs III-V et le faible coût des substrats de silicium permettraient la réalisation des cellules photovoltaïques à faible coût et à haut rendement. C’est dans ce contexte que s’est déroulé cette thèse qui visait le développement des dispositifs à base des nanofils III-V pour le photovoltaïque. Dans une première partie, les techniques de nanofabrication pour la réalisation des dispositifs à base d’ensemble de nanofils pour les cellules photovoltaïques sont présentées. Ensuite, la fabrication et la caractérisation de dispositifs à base d’ensembles de nanofils de GaN pour les applications photovoltaïque sont permis d’ouvrir la voie au développement des cellules solaires tandems d’InGaN⁄Si. Dans la suite des travaux on a étudié la croissance des nanofils de GaAs du type cœur-coquille sur Si ainsi que les étapes technologiques pour la fabrication des dispositifs à base d’ensemble de nanofils dans l’optique de préparer le terrain pour la réalisation d’une cellule tandem III-V sur Si. Enfin la croissance et la caractérisation électro-optique des nanofils contenant des jonctions axiales de GaAsP crus par la méthode VLS-EJM a permis de déterminer le type de dopage et l’optimisation de la structure en vue d’obtenir un effet photovoltaïque
Over the past twenty years, semiconductor nanowires have attracted major interest for various applications thanks to their particular optoelectronic properties. The combination of the high absorption coefficient of the III-V semiconductors and the low cost of the silicon substrates would allow the realization of photovoltaic cells at low cost and high efficiency. It is in this context that this thesis was developed which focused on the development of devices based on III-V nanowires for photovoltaics. In a first part, the nanofabrication techniques for the realization of devices based on set of nanowires for photovoltaic cells are presented. Next, the fabrication and characterization of devices based on GaN nanowire arrays for photovoltaic applications is paving the way for the development of InGaN / Si tandem solar cells. In the following, we studied the growth of core-shell GaAs nanowires on Si as well as the technological steps for the fabrication of nanowire-based devices in order to prepare the ground for the realization of a tandem III-V cell on Si. Finally, the growth and electro-optical characterization of the nanowires containing axial junctions of raw GaAsP by the VLS-EJM method made it possible to determine the type of doping and the optimization of the structure in order to obtain a photovoltaic effect

Dans le contexte de la recherche sur l’amélioration des performances et la réduction des coûts des cellules solaires à base de silicium, nous nous sommes intéréssés dans cette thèse aux hétérojonctions entre le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et le silicium cristallin (c-Si). Nous avons étudié d’une part l’application de la technique de mesure du PhotoCourant Modulé (MPC) comme outil de caractérisation de l’interface a-Si:H/c-Si et que nous avons couplé à la technique de mesure de PhotoLuminescence Modulée (MPL) déjà largement utilisée pour étudier la qualité de passivation de l’interface. Nous avons alors caractérisé par ces deux techniques une série d'échantillons composées de (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si d'épaisseur de (i)a-Si:H allant de 2 à 50 nm. Une partie importante de cette étude a été réalisée par simulations numériques en 2D afin d’interpréter nos résultats expérimentaux. Une cohérence dans l'estimation de la densité d'état de défauts à l'interface a-Si:H/c-Si a été obtenue par les deux techniques. Nous avons conçu d’autre part un outil de couplage des simulations électriques et optiques pour le design de cellules à base de nanofils à hétérojonction. Grâce à cet outil nous avons réalisé une étude plus réaliste et plus complète qu'auparavant où ces deux simulations étaient effectuées de manière séparée. Nous montrons notamment comment les conditions sur les contacts électriques des nanofils affectent les performances de la cellule solaire
In the context of the research on improving performances and reducing costs of silicon-based solar cells, we focused on heterojunctions between hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and crystalline silicon (c-Si). On the one hand, we studied the application of the Modulated PhotoCurrent technique (MPC) as a tool for characterizing the a-Si:H/c-Si interface and which we coupled to the Modulated PhotoLuminescence technique (MPL) widely used to study the quality of interface passivation. We characterized by these two techiques a serie of samples composed of (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si with a thickness of (i)a-Si:H going from 2 to 50 nm. An important part of this study was made by 2D numerical simulations in order to interpret our experimental results. We showed that both techniques give the same estimation of the density of interface defects between (i)a-Si:H and (n)c-Si. On the other hand, we developped a tool for coupling electrical and optical simulations for the design of nanowire-based solar cells with a radial heterojunction. Formerly, these simulations were most of the time performed separately and therefore were not allowing for a complete study of these kind of structures. We then made a study showing how the conditions of electrical contacts of nanowires affect the performances of these solar cells

L’intégration monolithique de matériaux semi-conducteurs III-V sur substrat de Silicium est essentielle pour le développement de la photonique sur Silicium. L’objectif est de réaliser une micro-source optique à base d’un réseau ordonné de Nanofils (NFs) III-V (InAsP/InP) placés sur un guide d’onde Si. De par leur aptitude à relaxer les contraintes, les NFs sont d’un grand intérêt. C’est dans ce contexte que s’est déroulée cette thèse axée sur la croissance autocatalysée de NFs InP sur Silicium par épitaxie directe. Nous avons ainsi montré que la croissance auto-catalysée de NFs InP denses et verticaux dépend directement de la nature de l’oxyde de surface du substrat Si. Une distribution monomodale ou bimodale de NFs ont été achevées en fonction des conditions de formation des gouttelettes d’indium ou des paramètres de croissance. Une pression critique et une température critique ont permis de délimiter des domaines favorables à la croissance. Les propriétés optiques intrinsèques des NFs ont été déterminées suffisantes pour l’objectif visé. Enfin, des résultats sur la simulation optique et la polarisation de la lumière émise dans les NFs et le guide d’onde ont permis d’établir un cahier des charges pour la croissance des NFs verticaux sur SOI pour que le couplage/partage de leurs modes optiques soit le plus efficace possible aux longueurs d’onde télécom
Monolithic integration of III-V semiconductors materials on Si substrate is essential for the Si photonic development. We aim at achieving an optical microsource based on a regular array of III-V (InAsP/InP) nanowires (NWs) standing on top a Si waveguide. Due to their ability to be fully relaxed, nanowires growth is of deep interest. This PhD thesis has been oriented towards such context especially among self-catalyzed InP NWs growth by epitaxy. Thus we have shown that highly dense and vertical self-catalyzed InP NWs accomplishment is related to Si substrate surface oxide. A monomodal or bimodal NWs distribution have been reached through a control of indium droplets formation or growth parameters. A critical pressure and a critical temperature have been found to delimit favorable growth regime. Intrinsic optical properties have been determined to be goal sufficient. Optical simulation modeling and characterization of the polarization light state in NWs and in the Si waveguide have led us to establish functional specifications to grow vertical NWs on SOI as way that their optical modes could be coupled efficiently at telecommunications wavelength

Les nanofils (NF) épitaxiés sur substrat Si sont des absorbeurs optiques efficaces et permettent d’intégrer des matériaux III-V de haute qualité sur Si en évitant les défauts généralement induits par le désaccord de maille entre ces deux matériaux, ce qui permettrait de fabriquer des cellules solaires tandem III-V/Si de plus de 30% d’efficacité. L’objectif de cette thèse est de développer des cellules solaires à NFs III-V, crûes sur substrat Si. Un premier objectif a été le contrôle de la croissance sélective de NFs en réseaux organisés, avec des taux de verticalité reproductibles supérieurs à 90% et atteignant 100%. A partir de caractérisation au microscope électronique en transmission, les conditions de croissance ont été optimisées pour améliorer la qualité cristalline en réduisant le nombre de fautes d’empilement, pour étudier des NFs de GaAsP avec un bandgap optimal, et pour étudier des hétérostructures cœur-coquille. En déterminant la concentration de porteurs dans les NFs par cathodoluminescence, je montre que le dopage du cœur ou de la coquille à un niveau p=8E18 cm⁻³ est possible en utilisant du Be, alors que le dopant Si est amphotère et ne permet d’atteindre que n=5E17 cm⁻³ dans les coquilles. Un procédé de fabrication de cellules a été développé pour contacter des jonctions de NFs cœur-coquille. Un dispositif de première génération basé sur une homojonction GaAs présente une efficacité de 2.1%, limitée par des problèmes de collection des porteurs, alors que la séparation des niveaux de Fermi estimée d'après des mesures de photoluminescence atteint une valeur prometteuse de 0.98 V à 82 soleils, extrapolée à 0.86 V à 1 soleil. Une nouvelle hétérojonction p-i-GaAs/n-GaInP présente une efficacité de 3.7% et un Voc record de 0.65 V. Ces démonstrations de cellules solaires à nanofils ouvrent la voie vers des cellules tandem à haute efficacité
Nanowires (NW) epitaxially grown on Si substrate are efficient light absorbers and allow to integrate high-quality III-V materials on Si by preventing defects induced by the lattice-mismatch between both materials. They provide a way to fabricate tandem III-V/Si solar cells above 30% efficiency. The goal of this thesis is to develop III-V NW solar cells grown on Si substrates. First, the control of the selective NW growth in ordered arrays on Si was addressed and vertical yields consistently above 90% and up to 100% were demonstrated. Using transmission electron microscope characterization, the growth conditions were optimized to improve the crystal quality by reducing the number of stacking faults, to investigate GaAsP NWs with the optimal bandgap for tandem, and to study core-shell heterostructures. Using cathodoluminescence to determine the carrier concentrations in NWs, it was shown that the core and the shell can be doped with Be up to p=8E18 cm⁻³, while Si is an amphoteric dopant, resulting in shell doping limited to n=5E17 cm⁻³. A solar cell fabrication process was developed to contact NW core-shell junctions. A first-generation GaAs homojunction device shows efficiencies up to 2.1%, limited by carrier collection issues, whereas the quasi-Fermi level splitting, estimated from PL measurements, reaches a promising value of 0.98 V at 82 sun, extrapolated to 0.86 V at 1 sun. A new core-shell p-i-GaAs/n-GaInP heterojunction exhibits efficiencies up to 3.7%, with a record Voc=0.65 V. These GaAs-based NW top-cells directly grown on Si pave the way toward high-efficiency tandem solar cells

L'augmentation des performances des circuits intégrés s'est effectué durant les trentes dernières années par la miniaturisation du composant clé à savoir le transistor MOSFET. Cette augmentation de la densité d'intégration se heurte aujourd'hui à plusieurs verrous, notamment celui de la puissance consommée qui devient colossale. Il devient alors nécessaire de travailler sur de nouveaux composants, les transistors à effet tunnel, où les porteurs sont injectés par effet tunnel bande à bande permettant de limiter considérablement la puissance consommée en statique. Les nanofils semiconducteurs sont de bons candidats pour être intégrés comme canaux de ces nouveaux composants de part la possibilité de moduler leur gap et leur conductivité au cours de la croissance. Dans ce contexte, cette thèse traite de la croissance d'hétérostructures axiales Si/Si1-xGex élaborés par croissance VLS par RP-CVD. Tout d'abord, nous identifions les conditions de croissance pour réaliser des interface Si/Si1-xGex et Si1-xGex/Si abruptes. Les deux heterointerfaces sont toujours asymétrique quelle que soit la concentration en Ge ou le diamètre des nanofils ou des conditions de croissance. Deuxièmement, nous étudions les problématiques impliquées par l'ajout d'atomes dopants. Nous discutons de l'influence des paramètres de croissance (le rapport flux de gaz (Si / Ge), et la pression partielle de dopants) sur la morphologie des nanofils et la concentration de porteurs. Grâce à cette étude, nous avons été capable de faire croitre des hétérojonctions P-I-N. Troisièmement, nous présentons une technique basée sur la microscopie à sonde locale pour caractériser les hétérojonctions
After more than 30 years of successful scaling of MOSFET for increasing the performance and packing density, several limitations to further performance enhancements are now arising, power dissipation is one of the most important one. As scaling continues, there is a need to develop alternative devices with subthreshold slope below 60 mV/decade. In particular, tunnel field effect transistors, where the carriers are injected by quantum band to band tunneling mechanism can be promising candidate for low-power design. But, such devices require the implementation of peculiar architectures like axial heterostructured nanowires with abrupt interface. Using Au catalyzed vapor-liquid-solid synthesis of nanowires, reservoir effect restrains the formation of sharp junctions. In this context, this thesis addresses the growth of axial Si and Si1-xGex heterostructured nanowire with controlled interfacial abruptness and controlled doping using Au catalyzed VLS growth by RP-CVD. Firstly, we identify the growth conditions to realize sharp Si/Si1-xGex and Si1-xGex/Si interfacial abruptness. The two heterointerfaces are always asymmetric irrespective of the Ge concentration or nanowire diameter or growth conditions. Secondly, we study the problematics involved by the addition of dopant atoms and focus on the different approaches to realize taper free NWs. We discuss the influence of growth parameters (gas fluxes (Si or Ge), dopant ratio and pressure) on NW morphology and carrier concentration. With our growth process, we could successfully grow p-I, n-I, p-n, p-i-n type junctions in NWs. Thirdly, we present scanning probe microscopy to be a potential tool to delineate doped and hetero junctions in these as-grown nanowires. Finally, we will integrate the p-i-n junction in the NW in omega gate configuration

La demande d’objets connectés dans notre société est très importante, au vu du marché florissant des smartphones. Ces nouveaux objets technologiques ont pour avantage de regrouper plusieurs fonctions en un seul objet ultra compact. Cette diversité est possible grâce à l’avènement des systèmes-sur-puce (SoC, System-on-Chip) et à la miniaturisation extrême des composants. Les SoC s’intègrent dans l’approche « More than Moore » et demande une superficie importante des puces. Celle-ci peut-être réduite par l’utilisation d’une autre approche appelée « More Moore » qui fut largement utilisée ces dernières années pour miniaturiser la taille des transistors. Cependant cette approche tend vers ses limites physiques puisque la réduction drastique de la taille des MOSFETs (« Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor ») ne pourra pas être poursuivie à long terme. En outre, les transistors de taille réduite présentent des effets parasites, liés aux effets de canaux courts et à une mauvaise dissipation de la chaleur dégagée lors du fonctionnement des MOSFETs miniaturisés. Les effets de canaux courts peuvent-être minimisés grâce à de nouvelles architectures, telles que l’utilisation de nanofils, qui permettent d’obtenir une grille totalement enrobante du canal. Mais le problème de la puissance de consommation reste un frein pour le passage au prochain nœud technologique et pour l’augmentation des fonctions dans les appareils nomades. En effet, la puissance de consommation des MOSFETs ne fait qu’augmenter à chaque nouvelle génération, ce qui est en partie dû à l’accroissement des pertes énergétiques induites par la puissance statique de ces transistors. Pour diminuer celle-ci, la communauté scientifique a proposée plusieurs solutions, dont une des plus prometteuses est le transistor à effet tunnel (TFET). Car ce dispositif est peu sensible aux effets de canaux courts, et il peut fonctionner à de faibles tensions de drain et avoir un inverse de pente sous le seuil inférieur à 60mV/dec. L’objectif de la thèse est donc de fabriquer et de caractériser des transistors à effet tunnel à base de nanofil unique en silicium et silicium germanium. Nous présenterons la croissance et l’intégration des nanofils p-i-n en TFET. Puis nous avons étudié l’influence de certains paramètres sur les performances de ces transistors, et en particulier, l’effet du niveau de dopage de la source et du contrôle électrostatique de la grille sera discuté. Ensuite, l’augmentation des performances des TFETs sera montrée grâce à l’utilisation de semiconducteur à petit gap. En effet, nous insérons du germanium dans la matrice de silicium pour en diminuer le gap et garder un matériau compatible avec les techniques de fabrication de l’industrie de la microélectronique. Un modèle de simulation du courant tunnel bande à bande a été réalisé, se basant sur le modèle de Klaassen. Les mesures électriques des dispositifs seront comparées aux résultats obtenus par la simulation, afin d’extraire le paramètre B de la transition tunnel pour chacun des matériaux utilisés. Enfin nous présenterons les améliorations possibles des performances par une intégration verticale des nanofils
The connected objects demand in our society is very important , given the successfull smartphone market. These newtechnological objects have the advantage to combine several functions in one ultra compact object. This diversity is possibledue to the advent of system-on-chip (SoC) and the components scaling down. The SoCs are into the More than Mooreapproach and require a large chips area, which can be reduced by the use of "More Moore" approach which was widelyused in recent years to scale down the transistors. However, this approach tends to physical limitations since the drasticscaling down of the MOSFETs ("Metal Oxide Field Efect Transistor Semicondutor") can not be continued in the future. Inaddition, the nanoŰMOSFET have parasitic efects, related to short-channel efects and a low heating dissipation. Theshort channel efects can be minimized thanks to new architectures, such as the use of nanowires, which enable a gate allaround of the channel. But the power consumption problem still drag on the transition to the next technology node and theaddition of new functions in mobile devices. Indeed, the MOSFETŠs consumed power increases with each new generation,which is mainly due to the static power increase of these transistors. To reduce it, the scientiĄc community has proposedseveral solutions, and one of the most promising is a tunnel efect transistor (TFET). Because this device exhibit lessshort-channel efects compared to the conventional MOSFET, it can operate at low drain voltages and their subthresholdslope could be lower than 60 mV/dec. The thesis aims are to fabricate and characterize tunneling transistors based onsingle silicon nanowire and silicon germanium. We will present the growth and integration of pŰiŰn nanowires TFET. Thenwe investigated the inĆuence of some parameters on the electrical performance of these transistors, in particular, the efectof the source doping level and the electrostatic gate control will be discussed. In the next part, the increase of TFETsperformance will be shown thanks to the small band-gap semiconductor use. Indeed, we insert germanium in the silicon dieto reduce the bandgap and keep a material compatible with the CMOS manufacturing. A band to band tunneling modelwas used to calculate the device current, based on the model Klaassen. Electrical measurements will be compared to thesimulated results, in order to extract the B parameter of tunnel transition for each materials used. Finally we will presentthe possible performance improvements thanks to the vertical nanowires integration

Esta tesis presenta el desarrollo de un microgenerador termoeléctrico (μTEG) con el objetivo de alimentar nodos sensores inalámbricos de bajo consumo para aplicaciones en la Internet de las Cosas. El μTEG propuesto se ha fabricado mediante tecnologías de micromecanizado de silicio y haciendo uso de formaciones de nanohilos de silicio (Si) y de silicio/germanio (SiGe) como material termoeléctrico. Se han definido rutas tecnológicas de fabricación adecuadas para aumentar la densidad de potencia del μTEG. En particular, esta tesis se ha centrado en aumentar dicha potencia a partir de i) la optimización térmica y eléctrica de la microplataforma termoeléctrica, y ii) integrando un intercambiador de calor en los μTEGs propuestos. Las prestaciones térmicas del μTEG se han mejorado reduciendo las pérdidas parásitas de calor entre las partes calientes y frías de la microplataforma, lo que ha resultado en una reducción del 34% en la conductancia térmica. Las prestaciones eléctricas, por otro lado, han mejorado aún más importantemente al reducir la resistencia interna del dispositivo entre 7 y 20 veces. Ambos logros se han conseguido mediante el rediseño de la arquitectura y de algunos de los procesos de fabricación del μTEG. Aunque las densidades de potencia obtenidas para los μTEG optimizados se acercan a las necesidades de nodos sensores de bajo consumo (10-100 μW/cm2), se ha intentado mejorar su comportamiento mediante la integración de un intercambiador de calor. Para dicha integración se han ensayado dos rutas diferentes, en función de la dirección del flujo de calor en el dispositivo. En cualquier caso, se ha podido observar un incremento significativo de prestaciones para todos los μTEGs considerados (Si NWs, SiGe NWs y Si microbeams). Los μTEGs con intercambiador de calor integrado han sido capaces de colectar densidades de potencia de 41.2 (Si NWs), 45.2 (SiGe NWs) and 34.5 μW/cm2 (Si microbeams) cuando se han dispuesto sobre placas calientes a 100 ◦C de temperatura. Esto supone un incremento de 50-1000 veces con respecto a dispositivos similares sin el intercambiador de calor en esas mismas condiciones. Los resultados obtenidos en esta tesis están bien posicionados en relación al estado del arte de μTEGs. Además, esta tesis, junto con otra también llevada a cabo en colaboración con el IREC, reportan por primera vez μTEGs basados en nanohilos de SiGe.
This thesis presents the development of a thermoelectric microgenerator (μTEG) with the aim of powering low power wireless sensor nodes for Internet of Things applications. The proposed μTEG is fabricated by means of silicon micromachining technologies and makes use of silicon (Si) and silicon/germanium (SiGe) nanowire (NW) arrays as thermoelectric material. Specific technological routes are designed to increase the power density of the μTEG. Particularly, this thesis has been focused on increasing the power density through i) thermal and electrical optimization of the thermoelectric microplatform, ii) integration of a heat exchanger on the proposed μTEGs. The thermal performance of the μTEG is enhanced by reducing the parasitic thermal losses between the hot and cold ends which ended up in %34 decrease of the thermal conductance. The electrical performance, on the other hand is improved tremendously by lowering the device internal resistance 7 to 20 times. Both has been achieved through the redesign of the architecture and processing steps for μTEG. Even though the power densities obtained from the optimized μTEGs are close to meet the expectations for low power sensor nodes (10-100 μW/cm2), further improvement is aimed by the integration of a heat exchanger. Two different routes with different heat flow directions have been designed for the integration of a heat exchanger. With the integration of the heat exchanger, a significant amount of improvement has been observed for all tested μTEGs based on different thermoelectric materials (Si NWs, SiGe NWs and Si microbeams). μTEGs with integrated heat exchanger were able to harvest 41.2 (Si NWs), 45.2 (SiGe NWs) and 34.5 μW/cm2 (Si microbeams) when they were placed on a waste heat source of 100 ◦C. This is 50-1000 times more than for similar devices without heat exchanger at the same hot plate temperature. Results obtained in this thesis are well positioned compared with the state-of-the-art μTEGs. In addition, this thesis, together with the one performed in collaboration at IREC, reports for first time on the performance of SiGe NWs based μTEG.

Nous avons proposé d'étudier le potentiel de l'outil d'épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la croissance de nanofils de GaAs. La morphologie nanofil permet au matériau épitaxié de libérer les contraintes dans le cas de l’hétéroépitaxie et de mettre en œuvre des procédés de croissance sur des substrats à faible coût comme les substrats de silicium. Dans ce contexte, j’ai effectué la croissance auto-catalysée de nanofils et des nanoobjets de GaAs par HVPE sur substrat silicium. La HVPE utilise des molécules de GaCl synthétisées à l'intérieur du réacteur dans la zone en amont du substrat à haute température (T> 700 °C). La décomposition du GaCl est beaucoup plus difficile entre 600 °C et 700 °C. Dans ce manuscrit des calculs thermodynamiques des constantes d’équilibre de formation du gallium liquide sont donnés et analysés. Les rapports de flux atomiques III/V obtenus sont de 11 à 222, bien plus élevés que les rapports utilisés dans procédés MBE et MOVPE. Ce travail expérimental a été couplé à un travail de modélisation théorique. Une étude de la faisabilité d’utiliser un substrat constitué de nanofils de GaAs comme électrode dans une pile microbienne a également été initiée
III-V semiconductor nanowires exhibit excellent electrical and optical properties in laterally confined geometry which is very promising for monolithic integration of photonic nanodevices on silicon substrates. Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) process growth was therefore developed in this thesis for the growth of GaAs nanowires. This report is organized into two chapters.The first chapter introduces the state-of-the-art of self-catalyzed GaAs nanowires and nano-structures on silicon substrate. We have demonstrated the growth of self - catalyzed GaAs nanowires by HVPE on un-patterned Si (111) substrates at a low temperature of 600 °C with extremely high GaCl/AsH3 flow ratios. A model that explains well the experimental findings was developed. The second part proposes the design of a Microbial Fuel Cell (MFC) prototype based on GaAs nanowire samples. A MFC prototype based on GaAs nanowire and substrate was developed

Lors de deux dernières décennies, la nano-structuration a permis une augmentation conséquente des performances thermoélectriques. Bien qu’à l’ origine le silicium (Si) ait une faible efficacité thermoélectrique, son efficacité sous forme de nanostructure, et notamment de nanofils, a provoqué un regain d’intérêt envers la conduction thermique au sein de ces nanostructures de Si. Bien que la conductivité thermique y ait été réduite de deux ordres de grandeur, les mécanismes de conduction thermique y demeurent flous. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettrait non seulement d’augmenter l’efficacité thermoélectrique mais aussi d’ouvrir la voie à un contrôle des phonons thermiques, de manière similaire à ce qui se fait pour les photons. L’objectif de ce travail de thèse était donc de développer une plateforme de caractérisation, d’étudier le transport thermique au sein de différentes nanostructures de Si et enfin de mettre en exergue la contribution du transport cohérent de phonons à la conduction thermique. Dans un premier temps, nous avons développé un système de mesure allant de pair avec une procédure de fabrication en salle blanche. La fabrication se déroule sur le site de l’institut de Sciences Industrielles et combine des manipulations chimiques, de la lithographie électronique, de la gravure plasma et du dépôt métallique. Le système de mesure est base sur la thermoreflectance : un changement de réflectivité d’un métal a une longueur d’onde particulière traduit un changement de température proportionnel. Nous avons dans un premier temps étudié le transport thermique au sein de simples membranes suspendues, suivi par des nanofils, le tout étant en accord avec les valeurs obtenues dans la littérature. Le transport thermique au sein des nanofils est bien diffus, à l’exception de fils de moins de 4 μm de long a la température de 4 K ou un régime partiellement balistique apparait. Une étude similaire au sein de structures périodiques 1D a démontré l’impact de la géométrie et l’aspect partiellement spéculaire des réflexions de phonons a basse température. Une étude sur des cristaux phononiques (PnCs) 2D a ensuite montré que même si la conduction est dominée par le rapport surface sur vole (S/V), la distance inter-trous devient cruciale lorsqu’elle est suffisamment petite. Enfin, il nous a été possible d’observer dans des PnCs 2D un ajustement de la conductivité thermique base entièrement sur la nature ondulatoire des phonons, réalisant par-là l’objectif de ce travail
In the last two decades, nano-structuration has allowed thermoelectric efficiency to rise dramatically. Silicon (Si), originally a poor thermoelectric material, when scaled down, to form nanowires for example, has seen its efficiency improve enough to be accompanied by a renewed interest towards thermal transport in Si nanostructures. Although it is already possible to reduce thermal conductivity in Si nanostructures by nearly two orders of magnitude, thermal transport mechanisms remain unclear. A better understanding of these mechanisms could not only help to improve thermoelectric efficiency but also open up the path towards high-frequency thermal phonon control in similar ways that have been achieved with photons. The objective of this work was thus to develop a characterization platform, study thermal transport in various Si nanostructures, and ultimately highlight the contribution of the coherent phonon transport to thermal conductivity. First, we developed an optical characterization system alongside the fabrication process. Fabrication of the structures is realized on-site in clean rooms, using a combination of wet processes, electron-beam lithography, plasma etching and metal deposition. The characterization system is based on the thermoreflectance principle: the change in reflectivity of a metal at a certain wavelength is linked to its change in temperature. Based on this, we built a system specifically designed to measure suspended nanostructures. Then we studied the thermal properties of various kinds of nanostructures. Suspended unpatterned thin films served as a reference and were shown to be in good agreement with the literature as well as Si nanowires, in which thermal transport has been confirmed to be diffusive. Only at very low temperature and for short nanowires does a partially ballistic transport regime appear. While studying 1D periodic fishbone nanostructures, it was found that thermal conductivity could be adjusted by varying the shape which in turn impacts surface scattering. Furthermore, low temperature measurements confirmed once more the specularity of phonon scattering at the surfaces. Shifting the study towards 2D phononic crystals (PnCs), it was found that although thermal conductivity is mostly dominated by the surface-to-volume (S/V) ratio for most structures, when the limiting dimension, i.e. the inter-hole spacing, becomes small enough, thermal conductivity depends solely on this parameter, being independent of the S/V ratio. Lastly, we were able to observe, at low temperature in 2D PnCs, i.e. arrays of holes, thermal conduction tuning based on the wave nature of phonons, thus achieving the objective of this work

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) de nanostructures isolées de Ge sur Si. Nous nous sommes intéressés à trois types de nanostructures; des boîtes quantiques isoléees de Ge avec une forte densité, des boîtes de Ge auto organisées sur des îlots de Si et des nanostructures de Ge incorporées dans des nanofils de Si. Un effort important a été porté sur l'élaboration de ces nanostructures par la voie EJM et sur la caractérisation de leurs propriétés structurales et chimiques. Nous avons mis en évidence par une étude de diffraction X en incidence rasante (GID) et par spectroscopie d'absorption X (EXAFS) que les boîtes quantiques de Ge épitaxiées à travers une fine couche d'oxyde étaient fortement contraintes par rapport au substrat de Si et sont presque pures Ge. La structure cristalline des boites de Ge encapsulées dans le Si a été étudiée par microscopie électronique en haute résolution (MET) et une étude par photoluminescence à basse température a montré une émission de ces boîtes dans le spectre visible. Cette luminescence a été attribuée à la présence de
liaison résiduelle Ge-O à l'interface entre les boîtes et le Si d'encapsulation. La croissance d'îlots de Si par épitaxie latérale à travers la couche d'oxyde a permis de supprimer ces liaisons et d'obtenir une luminescence des boîtes de Ge dans l'infra rouge avec une très faible largeur de raie. Ce phénomène est attribué à une faible dispersion en taille des boites
de Ge élaborées sur ces ilots de Si. Le dernier volet de ces travaux a porté sur l'élaboration de nanofils de Si par la voie VLS et sur l'incorporation de couches fines de Ge dans ces nanofils. L'interdiffusion du silicium dans ces couches de Ge a été quantifié par diffraction anomale et la structure cristalline des fils a été étudiée par MET.

Dans cette thèse, nous avons fabriqué des cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium avec du silicium microcristallin hydrogéné (µc-Si:H) comme absorbeur, par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à basse température (PECVD). Pour contrôler la densité de nanofils sur les substrats, nous avons utilisé des nanoparticules (NP) de dioxyde d'étain (SnO₂) d'un diamètre moyen de 55 nm, disponibles dans le commerce, comme précurseur du catalyseur Sn pour la croissance des nanofils de silicium. La distribution des nanoparticules de SnO₂ sur le substrat a été contrôlée par centrifugation et dilution du colloïde de SnO₂, en combinaison avec la fonctionnalisation du substrat. Par la suite, le SnO₂ est réduit en Sn métallique après le traitement par plasma de H₂, suivi de la croissance, par la technique vapeur-liquide-solide (VLS) assistée par plasma, de nanofils de Si sur lesquels sont déposées les couches P, I et N constituant les cellules solaires à jonction radiale. Nous avons atteint un taux de croissance élevé des nanofils de Si, jusqu'à 70%, avec une très large gamme de densité, de 10⁶ à 10⁹ /cm². Comme approche supplémentaire de contrôle de la densité des nanofils, nous avons utilisé du Sn évaporé comme précurseur du catalyseur Sn. Nous avons étudié l'effet de l'épaisseur de Sn évaporé, l'effet de la durée du traitement au plasma de H₂ et l'effet du débit de gaz H₂ dans le dans le mélange de précurseurs, sur la densité des nanofils. L'ellipsométrie spectroscopique in-situ (SE) a été utilisée pour contrôler la croissance des nanofils et le dépôt des couches de µc-Si:H sur les SiNWs. En combinant les résultats de in-situ SE et de microscopie électronique à balayage, une relation entre l'intensité du signal de SE pendant la croissance et la longueur et la densité des nanofils a été démontrée, ce qui permet d'estimer ces paramètres en cours de croissance. Nous avons réalisé une étude systématique des matériaux (couches intrinsèques et dopées de type n ou p de µc-Si:H, couches dopées d'oxyde de silicium microcristallin hydrogéné, µcSiOx:H) et des cellules solaires obtenues dans deux réacteurs à plasma appelés "PLASFIL" et "ARCAM". Les épaisseurs de revêtement sur substrat lisse et sur les nanofils ont été déterminées et nous avons obtenu une relation linéaire entre les deux, ce qui permet de concevoir un revêtement conforme sur les nanofils pour chaque couche avec une épaisseur optimale. Les paramètres des nanofils et des matériaux, affectant la performance des cellules solaires à jonction radiale, ont été systématiquement étudiés, les principaux étant la longueur et la densité des nanofils, l'épaisseur de la couche intrinsèque de µc-Si:H, l'utilisation de µc-SiOx:H et le réflecteur arrière en Ag. Enfin, avec les cellules solaires à jonction radiale en nanofils de silicium optimisées utilisant le µc-Si:H comme absorbeur, nous avons atteint un rendement de conversion de l'énergie de 4,13 % avec Voc = 0,41 V, Jsc = 14,4 mA/cm² et FF = 69,7%. Cette performance est supérieure de plus de 40 % à l'efficacité record de 2,9 % publiée précédemment
In this thesis, we have fabricated silicon nanowire (SiNW) radial junction solar cells with hydrogenated microcrystalline silicon (μc-Si:H) as the absorber via low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). To control the density of NW on the substrates, we have used commercially available tin dioxide (SnO₂) nanoparticles (NPs) with an average diameter of 55 nm as the precursor of Sn catalyst for the growth of SiNWs. The distribution of SnO₂ NPs on the substrate has been controlled by centrifugation and the dilution of the SnO₂ colloid, combined with the functionalization of the substrate. Subsequently, SnO₂ is reduced to metallic Sn after the H₂ plasma treatment, followed by the plasma-assisted vapor-liquid-solid (VLS) growth of SiNWs upon which the P, I and N layers constituting the radial junction solar cells are deposited. We have achieved a high yield growth of SiNWs up to 70% with a very wide range of NW density, from 10⁶ to 10⁹ /cm². As an additional approach of controlling the density of SiNWs we have used evaporated Sn as the precursor of Sn catalyst. We have studied the effect of the thickness of evaporated Sn, the effect of duration of H₂ plasma treatment and the effect of H₂ gas flow rate in the plasma, on the density of SiNWs.In-situ spectroscopic ellipsometry (SE) was used for monitoring the growth of SiNWs and the deposition of the layers of μc-Si:H on SiNWs. Combining in-situ SE and SEM results, a relationship between the intensity of SE signal and the length and the density of SiNWs during the growth was demonstrated, which allows to estimate the density and the length of SiNWs during the growth. We have carried out a systematic study of materials (intrinsic, p-type,n-type µc-Si:H and µcSiOx:H doped layers) and solar cells obtained in two plasma reactors named “PLASFIL” and “ARCAM”. The thicknesses of coating on the flat substrate and on the SiNWs have been determined with a linear relation which helps to design a conformal coating on SiNWs for each layer with an optimal thickness. The parameters of the SiNWs and the materials, affecting the performance of radial junction solar cells, have been systematically studied, the main ones being the length and the density of SiNWs, the thickness of intrinsic layer of μc-Si:H on SiNWs, the use of the hydrogenated microcrystalline silicon oxide (μc-SiOx:H) and the back reflector Ag. Finally, with the optimized silicon nanowire radial junction solar cells using the μc-Si:H as the absorber we have achieved an energy conversion efficiency of 4.13 % with Voc = 0.41 V, Jsc = 14.4 mA/cm² and FF = 69.7%. This performance is more than 40 % better than the previous published record efficiency of 2.9 %

In this thesis I present a study of nanowires, and, in particular, I apply EBIC microscopy for investigation of their electro-optical properties. First, I describe details of the EBIC analytical technique together with a brief historical overview of the electron microscopy, the physical principles of the EBIC, its space resolution, parameters defining the signal amplitude, and the information we can acquire concerning defects, electric fields, etc. Then I focus on the characterization of LEDs based on GaN nanowires, which were analyzed in a cross-section and in a top view configurations. The EBIC measurements were correlated with micro-electroluminescence mapping. Further, I address the fabrication and measurement of nanowire-based InGaN/GaN LEDs detached from their original substrate. I present the EBIC measurements of individual nanowires either cut from their substrate and contacted in a planar geometry or kept standing on supphire substrate and cleaved to reveal the horizontal cross-section.The next part of this thesis is dedicated to an EBIC study of irregular Si nanowire array-based solar cells, and then of the regular nanowire array devices. The current generation was analyzed on a submicrometer scale. Finally, I discuss the fabrication and EBIC measurements of GaN nanowires grown on Si substrate. In particular, I show that the p-n junction was induced in the Si substrate by Al atom diffusion during the nanowire growth
Dans cette thèse je me propose d’étudier des nano-fils, et en particulier d’utiliser la technique EBIC pour explorer leurs propriétés électro-optiques. Je décris d’abord les détails de la technique d’analyse EBIC avec un bref retour historique sur la microscopie électronique, le principe physique de l’EBIC, sa résolution spatiale, les paramètres conditionnant l’amplitude du signal, et les informations que l’on peut en tirer sur le matériau en termes de défauts, champ électrique, etc. Je m’intéresse ensuite à la caractérisation de LEDs à nano-fils à base de GaN, qui ont été observés par EBIC, soit en coupe soit en vue plane (depuis le haut des fils). Les mesures EBIC sont comparées à celles de micro-électroluminescence. Plus loin j’adresse la fabrication et la mesure de nano-fils à base de GaN séparés de leur substrat d’origine. Je présente les mesures EBIC de nano-fils uniques entiers, puis de nano-fils en coupe horizontale.La partie suivante de la thèse traite d’étude EBIC des cellules solaires à base de nano-fils Si ayant d’abord une géométrie aléatoire, puis une géométrie régulière. La génération de courant dans ces cellules solaires est analysée à l’échelle submicronique. A la fin du manuscrit je discute la fabrication et les mesures EBIC de fils GaN épitaxiés sur Si. Je montre en particulier qu’une jonction p-n est enduite dans le substrat Si par la diffusion d’Al lors de la croissance de nanofils

Les nanofils (NFs) de semi-conducteur (SC) sont des objets possédant des propriétés très intéressantes pour la fabrication de futurs composants électroniques à l'échelle nanométrique. Ils sont élaborés grâce à l'utilisation d'un catalyseur métallique (Au) formant un point eutectique profond en s'alliant à la phase SC (Si) permettant la germination et la croissance du NF à basses températures. Ce travail a pour but l'étude de la formation, de la structure et du comportement de ces gouttes d'alliage eutectique en interaction avec le substrat dont les propriétés futures du NF vont dépendre. L'étude a été menée in-situ, par utilisation du rayonnement synchrotron qui est un outil parfaitement dédié à la caractérisation de structures à l'échelle atomistique. Les gouttes d'eutectique ont été obtenues par le démouillage d'un film d'or. L'étude de ce procédé a révélé des changements dans les relations d'épitaxies entre l'or et le silicium. Les gouttes ainsi formées sont accompagnées d'une couche de mouillage, se révélant être une reconstruction de surface, dont les conditions de formation ainsi que la structure atomique ont été déterminées. Lors du refroidissement, une augmentation des effets de surfusion a été observée en présence de cette reconstruction et sont expliqués par la structure même de cette dernière qui semble stabiliser l'état liquide. Des expériences similaires ont été faites sur d'autres systèmes (Au-Ge, Al-Si) et une synthèse a été réalisée pour comparer les connaissances actuelles sur le ce sujet avec les résultats de ce travail
Semiconductor (SC) nanowires (NMs) have been identified as important components for future electronic and sensor nanodevices. They are produced using a metal catalyst (Au) that forms a low eutectic point with the SC phase (Si) and enables their nucleation and their growth at low temperatures. The aim of this study is to investigate the formation, the structure as well as the behaviour of such liquid eutectic droplets in interaction with the substrates on which the futur NMs properties will later depend. This work has been performed in-situ, using synchrotron radiation which is the perfect tool to characterize this mechanism at the atomistic scale. The eutectic droplets have been obtained through the dewetting of thin gold films. This process has been found to modify the epitaxial relationships between the gold and the silicon substrate. The obtained droplets are accompanied by a wetting layer (WL) whose conditions of formation as well as atomic structure, which turned to be a surface reconstruction, have been determined. During the cooling process, the supercooling effects in such AuSi eutectic droplets have been found to be enhanced in the presence of this reconstruction. They are explained by the specific structure of the reconstruction which is likely to stabilize the liquid phase. Similar experiments on other systems (Au-Ge or Al-Si) were performed and a synthesis has been made in order to present the current knowledge on this topic in comparison with the results of this work

Cette thèse porte sur l'étude de la réponse optique de nanofils semiconducteurs individuels afin de déterminer les paramètres clefs contrôlant l'interaction de la lumière avec un nanofil. L'objectif est d'exalter l'absorption pour des applications photovoltaïques ou la diffusion pour le contrôle de l'émission de lumière. Dans un premier temps, des calculs de la réponse optique de nanofils individuels d'alliages Si_{1-x}Ge_{x} effectués dans le cadre de la théorie analytique de Lorenz-Mie, montrent des résonances optiques ajustables dans la gamme du spectre solaire en fonction de la composition x en germanium et du diamètre du nanofil. Ces calculs sont confrontés aux spectres de diffusion élastique obtenus par microscopie optique confocale en champ sombre sur des nanofils isolés de différents diamètres et compositions. Dans un deuxième temps, l'étude théorique de la réponse optique est élargie à des structures complexes de type cœur/gaine Ge/Si et Si/Ge pour optimiser l'efficacité d'absorption par rapport à des nanofils simples, les hétérostructures radiales étant intéressantes dans une cellule solaire à base de nanofils. Enfin, l'optimisation de la diffusion de la lumière et l'exaltation du champ électromagnétique au voisinage du nanofil sont mis en évidence par l'exaltation de la photoluminescence d'un plan de nanocristaux de Si placé dans le champ proche d'un nanofil de Si qui se comporte comme une antenne, par analogie avec les nanostructures plasmoniques. De plus, nous établissons une corrélation entre l'augmentation de l'intensité du champ électrique local induite par la présence du nanofil, calculée par simulations numériques, et l'exaltation de la photoluminescence des nanocristaux
In this thesis is presented a study of the optical response of individual semiconductor nanowires in order to determine the key parameters controlling the interaction of light with a nanowire. The main objective is to enhance either the absorption efficiency for photovoltaic applications or the scattering efficiency for the control of light emission. In a first step, calculations of the optical response of single Si_{1-x}Ge_{x} nanowires performed using the analytical Mie theory, show that optical resonances occur in the solar sun wavelength range. Such resonances can be tuned by changing the nanowire diameter and Ge composition. The calculations are compared to light scattering experiments performed using dark field confocal optical microscopy on single nanowires of different diameter and Ge composition. In a second step, the theoretical study is extended to complex structures such as core-sheath Ge/Si structures to optimize the absorption efficiency compared to simple nanowires. At last, the nanowire-light emitter interaction is evidenced by the polarization dependent photoluminescence enhancement of a Si nanocrystal plane positioned in the near field of a Si nanowire, which one behaves as an optical antenna by analogy with plasmonic nanostructures. Furthermore, we show a correlation between the increase of the local electromagnetic field intensity, obtained by numerical simulations, and the Si nanocrystal photoluminescence enhancement

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
In this work the thermal conductivity κ of Si nanowires using molecular dynamics simulations is calculated using the Müller-Plathe method. We show that at 500 K, κ for crystaline Si is 121; 557 W/mK, while for nanowires, with 54; 300 nm of length and square section of 4; 717 nm2, value is 3; 419 - 0; 053 W/mK, demonstrating a reduction of two orders of magnitude relative to crystal Si. Variations in length, diameter and temperature are studied and the results follow the macroscopic characteristics, where κ in nanowires is directly proportional to length and diameter and inversely proportional to temperature. However, an increase of 45% for κ in nanowires with growth direction [110] in relation to the directions [100] and [111] is found. The values of κ for nanowires with length 54; 300 nm and the growth direction [110] is about 4; 941 - 0; 107 W/mK, while in the direction [111] is about 3; 406 - 0; 087 W/mK. A brief study of the geometric shape of the cross section of the nanowires is performed, with a reduction of 20% is calculated on nanowires with cylindrical and rhombic section nanowires compared to same diameter and square section. The values found for κ are 2; 663-0; 043 W/mK and 2; 811-0; 038 W/mK for cylindrical nanowires and rhombohedral, respectively.
Neste trabalho é calculada a condutividade térmica κ de nanofios de Si através de simulações por dinâmica molecular, utilizando o método de Müller-Plathe. Mostramos que a 500 K, para o cristal de Si κ é igual a cerca de 121; 557 W/mK, enquanto que para nanofios, com comprimento de 54; 300 nm e seção reta quadrada de 4; 717 nm2, o valor é de 3; 419 - 0; 053 W/mK, demonstrando uma redução de duas ordens de grandeza em relação ao cristal de Si. Variações de comprimento, diâmetro e temperatura são estudadas e os resultados seguem as características macroscópicas, havendo uma relação diretamente proporcional de κ com o comprimento e o diâmetro dos nanofios e inversamente proporcional a temperatura. Entretanto, um aumento de 45% de κ nos nanofios com direção de crescimento [110] em relação às direções [100] e [111] foi encontrado. O valore de κ para nanofios com comprimento de 54; 300 nm e direção de crescimento [110] é cerca de 4; 941-0; 107 W/mK, enquanto que para a direção [111] é cerca de 3; 406-0; 087 W/mK. Um breve estudo da forma geométrica da seção reta dos nanofios é realizado, havendo uma redução de 20% calculada em nanofios com seção cilíndrica e romboédrica em comparação a nanofios de seção quadrada e mesmo diâmetro. Os valores encontrados para κ são de 2; 663 - 0; 043 W/mK e 2; 811-0; 038 W/mK para os nanofios cilíndricos e romboédricos, respectivamente.

Mestrado em Engenharia Física
No presente trabalho foram estudadas três amostras contendo nanofios de GaAs crescidos por epitaxia de feixe molecular, com uma dopagem nominal de 1016 cm-3, sobre substratos de GaAs (100), GaAs(111)B e Si(100). Imagens obtidas por microscopia eletrónica de varrimento permitiram a identificação de direções de crescimento particulares em ambos os substratos de GaAs, e de um predomínio da direção vertical para o crescimento sobre GaAs(111)B. A presença da fase da wurtzite nos nanofios foi confirmada por medições de difração de raios-X e espectroscopia de Raman. Os parâmetros de rede desta estrutura cristalina foram estimados e estão em concordância com os resultados presentes na literatura. Por sua vez, as medições de fotoluminescência sugerem que todas as transições radiativas observadas tenham origem nos interfaces da heteroestrutura do tipo-II criada pela alternância, ao longo do eixo do nanofio, de segmentos de fases da blenda de zinco e da wurtzite. Foram também identificados dois mecanismos de desexcitação não radiativos sendo que um deles resulta do envolvimento de um nível discreto atribuído à presença de defeitos nos nanofios, enquanto o outro mecanismo de desexcitação, dominante para altas temperaturas, está relacionado com a libertação do portador de carga mais fracamente ligado, para a banda de energia respetiva. Verificou-se que os nanofios crescidos sobre o substrato de GaAs(111)B apresentam uma menor razão sinal/ruído atribuída a uma maior quantidade de defeitos não radiativos ou a uma menor densidade linear de interfaces entre ambas as fases cristalinas. Foi também observada um maior número de transições radiativas para os nanofios crescidos sobre o substrato de Si(100), o que pode estar relacionado com a existência de uma elevada dispersão de larguras dos segmentos. Este estudo ótico permitiu ainda identificar fortes semelhanças entre algumas das transições radiativas em amostras diferentes o que sugere que estas recombinações tenham origem em defeitos e/ou heteroestruras similares.
In the present work, three samples containing GaAs nanowires grown by molecular beam epitaxy, with a nominal doping of 1016 cm-3, on GaAs (100), GaAs(111)B and Si(100) substrates, were studied. Scanning electron microscopy images allowed the identification of particular growth directions on both GaAs substrates and a predominant vertical alignment in the case of nanowires grown on the GaAs(111)B substrate. The presence of the wurtzite phase in the nanowires was confirmed by X-Ray diffraction and Raman spectroscopy measurements. The lattice parameters of this crystalline structure were estimated and are in good agreement with the reported results in the literature. The photoluminescence measurements suggest that all the observed radiative transitions originate a type-II heterostructure created by the zinc blend and wurtzite alternating segments along the nanowire axis. Two non-radiative de-excitation mechanisms were also identified, one resulting from the participation of a discrete level assigned to the presence of defects in the nanowire, while the other is related to the release of the least bound charge carrier to the respective band. A lower signal-to-noise ratio was observed for the nanowires grown on GaAs(111)B which might be related to a higher number of non radiative defects or a lower linear density of interfaces between the two crystalline phases. In addition, it was found that the number of observed radiative transitions is higher for the nanowires grown on Si(100) substrate, which can be related to a high dispersion of segment dimensions. This optical study also allowed the identification of strong similarities between some of the radiative transitions in different samples, which suggests that these radiative recombinations originate from defects and/or similar heterostructures.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
In this work we address a theoretical calculation of the electronic spectra in Si-Ge atomic chain that is arranged in a Fibonacci quasi-periodic sequence, by using semi-empirical quantum method based on Hückel extended model. We apply the Fibonacci substitutional sequences in the atomic building blocks A(Si) and B(Ge) through the in ation rule or recursion relation. In our ab initio calculations we use only a single point which is the sufi cient condition to consider all the orbitals and charge distribution across the entire system. Although the calculations presented here are more complete than the models adopted in the literature which take into account the electronic interaction, up to the second and third neighbors, an interesting property remains in their electronic spectra: the fractality (which is the main signature of this kind of system). We discuss this fractality of the spectra and we compare them with the randomic arrangement of Si-Ge atomic chain, and with previous results based on the tight-binding approximation of Schorödinger equation considering until the nearest neighbor.
Neste trabalho abordamos um cálculo teórico dos espectros eletrônicos em cadeia atômica de Si-Ge que é organizado em uma sequência Fibonacci quasi-periódica, usando o método semi-empírico com base no modelo quântico Hückel estendido. Nós aplicamos as sequências substitucional de Fibonacci nos blocos de construção atômica A(Si) e B(Ge) através da relação de recursão. Em nossos cálculos ab initio, usamos apenas um único ponto, que é a condição sufi ciente para considerar todos os orbitais e a distribuição de cargas em todo o sistema. Embora os cálculos apresentados aqui sejam mais completos do que os modelos adotados na literatura que levam em conta a interação eletrônica, até segundos e terceiros vizinhos, uma propriedade interessante permanece em seus espectros eletrônicos: a fractalidade (que é a assinatura principal deste tipo de sistema). Discutimos essa fractalidade dos espectros e as comparamos com os espectros de cadeia atômica randômica de Si-Ge, e, também, com os resultados prévios baseados na aproximação tight-binding da equação Schorödinger considerando até o vizinho mais próximo.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2010
Made available in DSpace on 2012-10-26T03:24:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 288660.pdf: 17700246 bytes, checksum: b5c6725b7037f6c318696f75189f12bb (MD5)
Nesta tese de doutorado foram realizados repetidos experimentos com o objetivo de se investigar os efeitos da transição de molhabilidade e da formação de nanofios amorfos de óxido de silício em estruturas de Au/Si. Para tratamentos térmicos em chama de gás e em forno convencional, neste caso, em temperaturas controladas e inferiores a 950oC, observou-se a formação de aglomerados de Au na superfície do substrato monocristalino de Si. Estes resultados foram descritos com base no fenômeno conhecido como transição de molhabilidade (#dewetting# em inglês). Para a temperatura de 1050 oC, o tratamento térmico em forno sob atmosfera de Argônio foram observados nanofios de SiO2 que cresceram a partir do consumo de Si do substrato e oxigênio do meio de tratamento térmico. A liberação de Si é devida a ação catalítica do Au e a corrosão da lâmina semicondutora é anisotrópica. Para nanofios com diâmetros entre 20 e 50 nm foram observadas nanoesferas monocristalinas de Au, com diâmetros na faixa de 15 a 20nm.
In this doctorate thesis were carried out systematic experiments with the aim of investigating the effects of dewetting nanowires and the formation of amorphous silicon oxide structures in Au/Si. For heat treatment with gas flame and in conventional furnace with quartz tube, in this case, and at controlled temperatures below 950 ºC, were observed the formation of Au clusters on the surface of the substrate of monocrystalline Si These results were described based on the phenomenon known as dewetting. For the temperature of 1050 ºC, whose thermal treatment furnace quartz tube under an atmosphere of argon were observed SiO2 nanowires that grew from the Si substrate absortion and oxygen from the environment. The Si is due to the catalytic action of Au, and the anisotropic corrosion on the semiconducting blade. For nanowires with diameters between 20 and 50 nm were observed for monocrystalline Au nanospheres with diameters ranging from 15 to 20nm.

Orientador: Prof. Dr. Alexandre José de Castro Lanfredi
Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2016.
This work discusses the study of growth mechanisms of oxide nanobelts by chemical vapor deposition. Initially, were synthesized tin oxide (SnO2) nanobelts and from images obtained by Scanning Electron Microscopy (SEM) was verified that the growth of nanobelts is a combination of two main mechanisms: vapor-liquid-solid and vapor-solid. Thus, similar thermodynamics conditions were used to synthesize SnO2 germanium (Ge), silicon (Si) and zinc (Zn) doped. Crystalline structure of the samples was determined by X-ray Powder Diffraction (XRD). The chemical composition and doping was verified by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). In addition, Ge doped SnO2 nanobelts were characterized by High Resolution Electron Microscopy (HRTEM) and Raman spectroscopy. The results suggest that the synthesis method used in this work allows to obtain monocrystalline materials and also the presence of doping elements in SnO2 structure. It was also observed that the doping elements do not form core-shell structures. We also study electronics transport mechanisms in a single nanobelt. First, we studied the electronic transport properties and electron resistance as a function of temperature (R(T)). The results suggest that there is a similar behavior in the samples: there is an interface between metallic (T > 240 °C) and semiconductor (T < 240 °C) behavior. In the region of semiconductor behavior, the Arrhenius model, Efros-Shklovskii and variable range hopping were adjusted and the results showed that the conduction mechanisms in this range occurs through variable range hopping. The model also allows to obtain the parameters of average distance hopping and the values obtained agree with the dimensionality of the eletronic system of the samples. Then, studies were carried out to verify the influence of ultraviolet light on the electronics properties. The photoconduction behavior was adjusted by the Bloch Gr¨uneisen model, from these results adjustments n value and Debye temperature was obtained and the results indicates that electronic transport is strongly dependent on the electron-phonon scattering. Finally, a photoconduction study was carried out as a function of time, the results obtained indicated that oxygen atoms and vacancies influence the conduction of the materials.
Este trabalho envolve o estudo dos mecanismos de crescimento de nanofitas de oxidos pela deposição química em fase vapor (CVD). Inicialmente, foram sintetizadas nanofitas de oxido de estanho (SnO2) e, a partir de imagens obtidas por Microscopia Eletronica de Varredura (MEV), verificou-se que o crescimento das nanofitas ocorre a partir da mistura de dois mecanismos principais: vapor-líquido-solido (VLS) e vapor¿solido (VS). Desse modo, condições termodinamicas semelhantes foram utilizadas para sintetizar nanofitas de SnO2 dopadas com germanio (Ge), silício (Si) e zinco (Zn). As amostras foram caracterizadas por Difraçao de raios X (DRX) para investigar a estrutura cristalina e fases presentes nas amostras de SnO2 pura e dopadas. Espectroscopia de raios X por Dispersao de Energia (EDS) foi utilizada para analisar a razão da composição o química de nanofitas e verificar a efetividade da dopagem. Al'em disso, as nanofitas de SnO2 dopadas com Ge foram caracterizadas por Microscopia Eletronica de Transmissão de Alta Resolução (HRTEM) e pela técnica de Espectroscopia Raman. Os resultados sugerem que a partir do metodo de síntese utilizado neste trabalho foram obtidos materiais monocristalinos, indicando a presen¸ca dos elementos dopantes na estrutura do SnO2 e que estes não formaram estruturas do tipo core-shell. Foi realizado tamb'em um estudo dos mecanismos de transporte eletronico em uma 'unica nanofita. Primeiramente, estas propriedades foram estudas a partir de medidas de resist¿encia el'etrica como função da temperatura (R(T)). Os resultados mostraram que o comportamento de R(T) 'e semelhante em todas as amostras: ha uma interface entre o comportamento met alico (para T > 240°C) e semicondutor (para T < 240 °C). Na regiao com comportamento semicondutor, as curvas foram ajustadas pelo modelo de Arrhenius, Efros-Shklovskii e hopping de alcance variavel e os resultados sugerem que o mecanismo de conduçao nessa faixa de temperatura ocorre por meio de hopping de alcance vari'avel. Alem disso, esse modelo permitiu calcular os parametros de distancia media de hopping e os valores obtidos estao de acordo com a dimensionalidade do sistema eletronico das amostras. Em seguida, foram realizados estudos para verificar a influ¿encia da luz ultravioleta nas propriedades eletronicas. O comportamento de fotocondução foi ajustado pelo modelo de Bloch Gruneisen, a partir destes ajustes obteve-se valores de n e a temperatura de Debye e os resultados indicam que a condução é fortemente dependente do espalhamento eletron-fonon. Finalmente, foi realizado um estudo de fotocondução como função do tempo e os resultados obtidos indicaram que atomos de oxigenio e vacancias influenciam a condutividade eletrica do material.

Les nanofils sont des matériaux prometteurs, d'une part en tant qu'éléments de micro-générateurs, thermoélectriques ou photovoltaïques, d'autre part en tant que briques de base de systèmes nanoélectroniques. Ils répondent aux exigences de miniaturisation, d'autonomie et de mobilité des appareils nomades. Ces travaux de thèse ont consisté en la synthèse de nanofils de Si et de Si/SiGe, et plus particulièrement l'étude paramétrique de la croissance ainsi que l'analyse de leur structure. Les nanofils de Si et de Si/SiGe croissent selon la méthode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) à partir d'un catalyseur d'or. Du silane ou un mélange de silane-germane est injecté dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) subissant une décomposition thermique. Deux techniques de mise en œuvre des catalyseurs d'or ont été expérimentées et ont permis la croissance de nanofils : le démouillage d'un film continu d'or ou l'utilisation de colloïdes d'or. Les synthèses de nanofils de silicium, non dopés et dopés, et de nanofils de Si/SiGe ont été réalisées. La croissance des nanofils de silicium a fait l'objet d'une étude paramétrique détaillée qui permet de maîtriser la croissance, notamment pour la maîtrise de la longueur, du diamètre et de la forme des nanofils. Une étude structurale au microscope électronique en transmission a mis en évidence la cristallinité des fils, la présence de défauts structuraux ainsi que la confirmation de la synthèse d'hétérostructures Si/SiGe. Afin d'obtenir des nanofils dopés de types n ou p, de la phosphine ou du diborane ont été rajoutés au mélange. Les premières mesures du dopage ont été réalisées par spectrométrie de masse des ions secondaires et caractérisation électrique. La quantification du dopage par d'autres techniques est en cours de développement.