Tesis sobre el tema "Dépôt de couches atomiques (ALD)"

Afin de subvenir aux besoins énergétiques des nouvelles technologies électroniques nomades et miniatures, le développement de microdispositifs de stockage électrochimique d’énergie suffisamment performants telles que les microbatteries (MB) Li-ion est nécessaire. Pour ce faire, l’élaboration de MB Li-ion en topologie tridimensionnelle est une voie attractive qui permet le déploiement de surface spécifique tout en conservant l’empreinte surfacique initiale (de l’ordre du mm2), exacerbant ainsi la densité d’énergie délivrée par la MB. Cette solution est rendue possible grâce au développement de technique de dépôt couches minces telle que l’ALD qui est capable de réaliser des dépôts conformes. Dans le cadre de cette thèse, un électrolyte solide (Li3PO4) a été développé et optimisé de façon conforme, par ALD, sur un substrat de silicium structuré au préalable par des techniques de micro-fabrication. Une électrode positive de type spinelle (LiMn1.5Ni0.5O4) a également été élaborée par pulvérisation cathodique RF. Les performances ont été optimisées en fonction des paramètres de dépôt sur un substrat Si/Al2O3/Pt. Une capacité volumique de 63 µAh.cm-2.µm-1 a ainsi été mesurée pour un dépôt de 420 nm à 0,01 mbar recuit sous air à 700°C. Enfin, un prototype de cellule électrochimique en vue d’un suivi in situ/operando par DRX d’une électrode en couche mince, a été proposé
In order to address the demand on energetic needs to sustain nomad and miniaturized electronic devices, micro-devices performance for energy storage such as Li-ion microbatteries (MB) have to be improved. An attractive way to meet the required performance consists in using 3D topology increasing the specific surface while keeping the initial surface footprint (in the mm2 range) which is significantly enhancing the delivered energy density of the MB. The development of thin film technologies such as ALD enabling conformal deposition makes it possible. In the framework of this thesis, a solid electrolyte (Li3PO4) has been developed and optimized by ALD, on a 3D micro-architectured silicon substrate obtained by microfabrication techniques. A positive electrode (LiMn1.5Ni0.5O4) has also been developed and optimized as a function of the deposition parameter by RF sputtering deposition on a Si/Al2O3/Pt substrate. A volumetric capacity of 63 µAh.cm-2.µm-1 has been measured for a film of 420 nm thick obtained at 0.01 mbar and then annealed at 700°C under air atmosphere. Finally, a prototype has been proposed to realize an electrochemical cell for the purpose of in situ/operando follow-up by XRD of a thin film electrode deposited on silicon substrate

Un dispositif expérimental de dépôt électrochimique en couches atomiques (EC-ALE) a été conçu et réalisé dans cette thèse. Sa mise en oeuvre a permis de valider cet équipement. Grâce à la flexibilité de cet équipement, un nouveau point de vue du dépôt en sous potentiel (UPD) du cobalt sur un substrat d'or a été proposé. Les résultats montrent aussi que le dépôt alternatif de monocouches de Co et de Sb est possible. Pour la première fois, l'électrodéposition de films minces Sb2Se3 par la méthode EC-ALE sur des électrodes poly-cristallines d'or a été obtenue et étudiée. Les paramètres de dépôt ont été déterminés et le film mince déposé a été caractérisé par analyses MEB et RAMAN. L'adsorption irréversible et le phénomène UPD réversible de Sb sur une électrode de Pt a aussi été étudié. Les résultats montrent qu'après la réduction en Sb des espèces adsorbées SbO+, des atomes de Sb peuvent être déposés sur cette électrode de Pt modifiée au Sb en utilisant le dépôt en sous potentiel pour augmenter le recouvrement du substrat du Pt par le Sb
An electrochemical atomic layer epitaxy (EC-ALE) experiment platform was designed and constructed in this thesis, and this platform was proved to be qualified for EC-ALE experiments.Benefiting from the flexibility of the EC-ALE equipment, a new viewpoint about the UPD behavior of cobalt on the gold substrate has been put forward in this work. The results also show that the subsequent alternate deposition of Co and Sb monolayers is feasible.For the first time the electrodeposition of Sb2Se3 thin films by EC-ALE method on polycrystalline Au electrodes has been obtained and investigated. The deposition parameters were determined and the deposit was characterized by SEM and Raman analysis.The irreversible adsorption and reversible UPD behaviour of Sb on Pt electrode have also been studied. The results show that after the irreversibly adsorbed SbO+ species are reduced to metallic Sb, Sb atoms can be further deposited onto this Sb-modified Pt electrode in the way of UPD to increase the coverage of Sb on the Pt substrate

Pour concevoir avec succès l'instrumentation nécessaire aux nouvelles technologies de fabrication avec une précision nanométrique, la méthodologie de conception doit prendre en compte de nombreux sujets différents liés à la chimie, à la physique, à la mécanique, à l'électronique et à l'automatisation, travaillant ensemble pour atteindre l'objectif souhaité. Dans cette thèse, cette méthodologie de conception a été mise en œuvre avec un grand nombre d’outils et d’approches permettant d’optimiser avec succès une méthode de nanofabrication appelée dépôt par couche atomique spatiale (SALD) afin de déposer des couches minces d’un matériau potentiellement utile en tant que composant du dispositifs à énergie solaire non-silicium, séparateurs d’eau photoélectrochimiques et composants électroniques transparents à couche mince, entre autres: oxyde cuivreux (Cu2O).En ce qui concerne la technologie de fabrication et la conception mécatronique, SALD est une technique de fabrication prometteuse qui permet la fabrication de films minces avec une précision nanométrique et avec la capacité de contrôler leurs propriétés mécaniques, électriques et cristallographiques. De plus, l'approche SALD utilisée dans cette thèse et dans le Laboratoire des matériaux et du génie physique (LMGP) fonctionne à l'air libre (sans chambre de dépôt) et constitue donc potentiellement une approche compatible avec l'industrie pour les films minces homogènes de grande surface fabrication avec un débit élevé. De plus, SALD peut être utilisé dans des conditions qui le rendent compatible avec les substrats flexibles et avec les approches de rouleau à rouleau (R2R). Enfin, SALD offre une flexibilité sur le processus de dépôt afin qu’il puisse être ajusté pour obtenir différentes propriétés sur les films fabriqués avec un minimum de modification de l’instrumentation.À l'aide de simulations CFD (Computational Fluid Dynamics), les phénomènes de la mécanique des fluides qui se produisent pendant le processus de dépôt dans le système SALD ont été analysés pour différentes configurations du réacteur. L'influence sur les propriétés du film a été étudiée et une validation avec des dépôts expérimentaux a été effectuée. Ensuite, en utilisant les connaissances et les directives obtenues avec les simulations CFD, et afin de réduire le coût et la complexité de la modification de certains composants mécaniques du système, un flux de travail comprenant la conception assistée par ordinateur (CAO) et la fabrication additive (également appelé impression 3D) impression) a été mis en place au LMGP pour la fabrication de l’un des composants principaux du système SALD à LMGP: la tête de dépôt. Ici, c'est la première fois qu'une telle technique de fabrication innovante est appliquée aux processus de nanofabrication en couches minces, offrant de nombreuses applications potentielles dans le domaine. Dans cette thèse, un tel flux de travail est présenté et expliqué, ainsi que les directives apprises et les limitations découvertes également présentées.Enfin, couches minces de Cu2O ont été déposé avec succès avec la méthode SALD. Le Cu2O est l’un des rares matériaux aux propriétés électroniques prometteuses en tant que semi-conducteur transparent de type p. Ici, les films de Cu2O fabriqués utilisant le système SALD à LMGP sont rapportés et leur conductivité de type p et leur cristallographie sont analysées.Les résultats de ces travaux fournissent des directives initiales pour la conception industrielle d’un système de fabrication à haut débit basé sur la technologie SALD, dans lequel la conception de ses composants est optimisée pour chaque matériau souhaité. Cette approche de conception rend également ce travail utile pour augmenter la quantité de matériaux compatibles avec le SALD, ainsi que pour développer davantage la méthodologie SALD dans des processus de fabrication innovants de matériaux et de dispositifs
To successfully design the instrumentation needed for new manufacturing technologies with nanoscale precision, the design methodology must take into account many different topics related to chemistry, physics, mechanics, electronics and automation, working together to achieve the desired goal. In this thesis, this design methodology has been implemented with a large number of tools and approaches to successfully optimize a nanofabrication method called spatial atomic layer deposition (SALD) in order to deposit thin films. a potentially useful material as a component of non-silicon solar energy devices, photoelectrochemical water separators and transparent thin-film electronic components, among others: cuprous oxide (Cu2O).With respect to manufacturing technology and mechatronics design, SALD is a promising manufacturing technique that enables the fabrication of thin films with nanoscale precision and the ability to control their mechanical, electrical and crystallographic properties. In addition, the SALD approach used in this thesis and in the Laboratoire des Matèriaux et du Génie Physique(LMGP) works in the open air (without a repository) and is therefore potentially an industry-compatible approach to film Thin homogeneous high-area manufacturing with high throughput. In addition, SALD can be used under conditions that make it compatible with flexible substrates and roll-to-roll approaches (R2R). Finally, SALD offers flexibility on the deposit process so that it can be adjusted to obtain different properties on films manufactured with a minimum of instrumentation modification.Using CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations, the fluid mechanics phenomena that occur during the deposition process in the SALD system were analyzed for different reactor configurations. The influence on the properties of the film was studied and a validation with experimental deposits was carried out. Then, using the knowledge and guidance obtained with CFD simulations, and to reduce the cost and complexity of modifying certain mechanical components of the system, a workflow that includes computer-aided design (CAD) and manufacturing additive (also called 3D printing) printing) was set up at the LMGP for the manufacture of one of the main components of the LMGP SALD system: the deposit head. Here, it is the first time that such an innovative manufacturing technique has been applied to thin-film nanofabrication processes, offering many potential applications in the field. In this thesis, such a workflow is presented and explained, along with learned guidelines and discovered limitations also presented.Finally, thin layers of Cu2O have been successfully deposited with the SALD method. Cu2O is one of the few materials with promising electronic properties as a p-type transparent semiconductor. Here, Cu2O films made using the LMGP SALD system are reported and their p-type conductivity and crystallography are analyzed.The results of this work provide initial guidance for the industrial design of a high throughput manufacturing system based on SALD technology optimized for each desired material. This design approach also makes this work useful for increasing the amount of SALD compatible materials, as well as for further developing the SALD methodology in innovative materials and device manufacturing processes

La diminution du coût ainsi que l'augmentation du rendement des cellules solaires sont devenues les axes principaux de recherche depuis la crise qui a touché le marché du photovoltaïque en 2011. Une des principales stratégies est l’amincissement des cellules solaires dans le but de réduire les coûts des matériaux. Cependant, ceci diminue fortement le rendement de conversion suite à une plus forte influence des défauts structurels et électroniques, présents en surface. Ces défauts peuvent être « passivés » par l’Al2O3 déposé par technique PE-ALD. Ce matériau présente les meilleurs résultats de passivation de surface du silicium cristallin de type p. La couche de passivation nécessite un traitement thermique pour être effective. Ce phénomène se traduit par une augmentation de la durée de vie des porteurs de charge. Cette thèse, encadrée par les deux projets ANR PROTERRA et BIFASOL, ainsi qu’un financement de l’Ecole Centrale de Lille, présente l’optimisation des paramètres de dépôt de la couche de passivation d’Al2O3 ainsi qu’une étude approfondie du phénomène d’activation de la passivation, sur des échantillons avec et sans émetteur. L’analyse de la passivation a été réalisée grâce à des mesures couplées de durée de vie (PCD), électriques (C-V), de potentiel de surface (Sonde de Kelvin) et de spectrométrie (XPS, SIMS). Les sources de la passivation chimique et par effet de champ sont déterminées dans l'empilement Si/SiO2/Al2O3. Le rôle et la dynamique des hydrogènes contenus dans la couche d’alumine sont explicités. L’impact d’une encapsulation par du SiNx ainsi qu’un recuit de diffusion des contacts de 3s à 830°C est étudié
The decrease of solar cell cost as well as the increase in their efficiency are main research topics since the photovoltaic market crisis in 2011. One of the main strategy is to move towards thinner solar cells, in order to decrease raw material consumption. However, the result is a higher impact of surface phenomena on cell characteristics because of a high influence of structure and electronic defects at the surface. These defects can be passivated by Al2O3 coated by PE-ALD (Plasma Enhanced-Atomic Layer Deposition) which has been shown to provide the best surface passivation on p-type silicon. In an as-deposited state, the passivation level of Al2O3 is very low and required an annealing treatment to be "activated". This phenomenon provides an increase of the minority carrier effective lifetime. This thesis founded by the ANR PROTERRA and BIFASOL projects with the financial support of the Ecole Centrale de Lille, focuses on the optimization of the deposition parameters of alumina with a deeper insight on the passivation activation phenomena on samples with and without emitter. The passivation analysis has been performed thanks to coupled lifetime (QSS and micro PCD), surface potential (Kelvin probe), electrical (C-V) and chemical (SIMS, XPS) characterizations. The origin of the chemical and field effect passivation has been determined within the Si/SiO2/Al2O3 stack. The dynamics of the hydrogen contained in bulk alumina is explained. The impact of a SiNx capping layer and a contact alloying anneal at 830°c for 3s is also investigated

Dans un contexte de diversification des fonctionnalités sur silicium (more than Moore), les sulfures de transition sont actuellement activement étudiés pour la réalisation de dispositifs optiques originaux. Dans cette famille, certains matériaux présentent une structure lamellaire structurellement semblables au graphène. C'est le cas de certains sulfures de vanadium. La synthèse de ces films lamellaires reste activement dominée par les procédés CVD à haute température (>550°C). Cependant, pour espérer le développement d'une synthèse fiable, il est important de diminuer cette température de dépôt qui conduit à des films souvent peu uniforme et conforme. Dans ce travail nous avons étudié la potentialité d'une approche de dépôt par voie chimique en phase vapeur à basse température (200°C). Cette synthèse a permis l'obtention d'un film de sulfure de vanadium amorphe sur un substrat de 300mm et a montré la capacité de ce film à se réorganiser pour obtenir un film lamellaire de V7S8 après recuit thermique. Un film de 5,2nm présente des propriétés optiques et électriques intéressantes ; ce film est conducteur il possède une densité de porteur de 1,1.1023 cm-3, les porteurs majoritaires sont les trous (type p), une mobilité de 0,2 cm2.(V.s) -1, une conductivité de 1063 S.cm-1, un travail de sortie de 4,8 eV tout en préservant une bonne transparence (transmittance de 75% pour une longueur d’onde de 550nm)
In the context of functional diversification (“More than Moore”), transition sulfides are currently being actively studied for original optical devices production. Some materials in this family have a lamellar structure, similar to graphene like vanadium sulfides. The synthesis of these lamellar films remains actively dominated by high-temperature CVD processes (> 550 ° C). However, in order to hope the development of a reliable synthesis methods, it's important to reduce this deposition temperature which leads to a poor uniformity and a poor conformity. In this work we have studied the potential of a chemical vapor deposition approach at low temperature (200 ° C). This method allow us to obtain an amorphous vanadium sulfide film on a 300 mm wafer and point out theirability to self-reorganize in order to obtain a lamellar film of V7S8 after thermal annealing. A 5.2nm film has interesting optical and electrical properties; this film is conductive with a carrier density of 1.1.1023 cm-3, the holes are the main charges carriers (type p), a mobility of 0.2 cm2. (Vs) -1, a conductivity of 1063 S.cm -1, an output work of 4.8 eV while preserving good transparency (transmittance of 75% for a wavelength of 550nm)

Cette thèse examine les films minces d’oxyde de hafnium (HfO2) pour leur potentiel dans lesnanocondensateurs, répondant aux besoins en miniaturisation et haute performance del’électronique moderne. Le HfO2 est compatible avec la Déposition par Couches Atomiques(ALD), ce qui permet des dépôts minces précis et homogènes, essentiels pour garantir la fiabilitédes dispositifs électroniques. Les films minces sont soumis à différentes techniques de fabricationet de caractérisation pour analyser leur morphologie et leurs propriétés électriques, notamment laconstante diélectrique, la tension de claquage et la capacité de stockage d’énergie. Cette approchepermet de déterminer comment optimiser ces matériaux, à la fois en configurations amorphes eten structures cristallines, pour des performances maximales.Pour les diélectriques amorphes linéaires, HfO2 est combiné avec d’autres oxydes, tels quel’alumine et la silice, dans des structures de nanolaminés et de solutions solides. Ces combinaisonssont conçues pour stabiliser la constante diélectrique et offrir une résistance au claquage,améliorant l'efficacité du stockage d’énergie. La linéarité et la stabilité de ces matériaux amorphesles rendent particulièrement adaptés aux applications nécessitant une capacitance stable.L’étude approfondit aussi les propriétés des diélectriques cristallins non linéaires, dopés avec dusilicium ou de la zircone. Différentes températures de déposition et de recuit révèlent descomportements ferroélectriques et antiferroélectriques, augmentant la densité d’énergie et lastabilité. Cependant, les matériaux ferroélectriques, bien que prometteurs pour des applications àhaute densité, sont sensibles aux variations de tension, ce qui limite leur usage dans les applicationsnécessitant une capacitance constante. Les matériaux antiferroélectriques, en revanche, présententune stabilité accrue face aux variations de tension, mais ils font encore face à des défis d’efficacitéénergétique et de gestion thermique. La recherche souligne la variabilité de la constantediélectrique comme un défi majeur pour l'utilisation de ces matériaux dans des applicationsnécessitant une capacitance stable, comme le filtrage de signaux. Les matériaux nanolaminés etles solutions solides sont privilégiés pour obtenir une capacitance linéaire, mais leur efficacité restelimitée en termes de permittivité. L’exploration des phases non linéaires, cependant, ouvre la voieà des performances accrues dans certaines applications avancées.En conclusion, cette étude apporte un éclairage précieux sur les films minces d’oxyde de hafniumet leur rôle dans les nanocondensateurs, en explorant des solutions d’optimisation pour améliorerles performances diélectriques, notamment par les techniques de fabrication et les compositionsde matériaux. Les matériaux linéaires et non linéaires présentent chacun des avantages distincts,mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour surmonter les défis liés à la durabilité,l’efficacité électrique et la gestion thermique, afin de développer des condensateurs plusperformants pour les technologies électroniques modernes
This research investigates the use of hafnium oxide (HfO2)-based thin films in nanocapacitors, focusing on both their linear and non-linear electrical properties to meet the growing demands of high-performance and miniaturized electronic devices. Starting with the fundamental physics of energy storage capacitors, the investigation highlights the essential characteristics of effective dielectric materials, such as a high dielectric constant and a substantial band gap. Hafnium-based materials are particularly promising due to their compatibility with Atomic Layer Deposition (ALD), which allows for precise and uniform thin-film deposition—crucial for ensuring reliable performance in electronic devices.To understand the potential of these materials, various fabrication and characterization techniques were employed. This includes specific deposition processes to create the thin films and morphological tests to study the physical structure of the capacitors. Electrical testing plays a key role in evaluating critical parameters like dielectric constant, breakdown voltage, and overall energy storage capacity. By analyzing these factors, a comprehensive view of how both linear and non-linear hafnium-based dielectrics perform is provided.When exploring linear, amorphous hafnium-based dielectrics, HfO2 is combined with aluminum oxide and silicon dioxide to enhance dielectric properties. Different configurations, such as nanolaminates and solid solutions, are tested to find the optimal balance. The goal is to achieve materials that maintain a high dielectric constant and resist voltage breakdown, thereby improving their ability to store energy efficiently. On the other hand, a detailed look into non-linear, crystalline dielectrics examines the effects of doping hafnium oxide with elements like zirconia and silicon. Different deposition and annealing temperatures are assessed for their impact on crystalline structure and polarization behavior, revealing complex ferroelectric and antiferroelectric behaviors that could offer high energy density and stability.The findings suggest that while ferroelectric materials might not be suitable for applications requiring linear capacitance due to their sensitivity to voltage variations, antiferroelectric materials show promise. However, they still face challenges related to electrical efficiency and thermal management. Finding materials that can effectively stabilize voltage variations is crucial, as capacitors are increasingly used to manage these fluctuations in modern electronics.A significant challenge identified is the variability in the dielectric constant, which can limit the use of these materials in applications demanding stable capacitance, such as signal filtering. To address this issue, solid solutions and laminated materials, which provide consistent linear capacitance, are prioritized. Although these materials are effective up to a certain permittivity threshold, exploring non-linear phases opens the door to potentially higher performance under specific conditions.In summary, understanding of HfO2-based thin films and their role in nanocapacitors is advanced by this research. By examining both linear and non-linear dielectric materials, insights into how to optimize fabrication techniques and material compositions to improve dielectric properties are provided. Ongoing research into issues like material endurance, electrical efficiency, and thermal management is essential for developing reliable and high-performing capacitors that meet the evolving demands of modern electronic technologies

La réduction de la température de fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide, de 1000°C à moins de 700°C, est la meilleure solution pour en diminuer les coûts de fabrication et augmenter la durée de vie. Néanmoins, l'abaissement de la température de fonctionnement s'accompagne d'une chute ohmique au sein de l'électrolyte et une augmentation des surtensions aux électrodes entraînant une diminution des performances de la pile. Dans cette optique, notre étude est centrée sur la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles architectures pour les piles SOFC. Des demi-cellules cathode/électrolyte avec des couches minces interfaciales de YSZ, LSM et La2NiO4 ont été élaborées sur des substrats denses de YSZ par différentes techniques (ALD, PVD et sol-gel). Ces demi-cellules ont été caractérisées par plusieurs techniques physico-chimiques (microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X) ; leurs propriétés électriques ont été étudiées par spectroscopie d'impédance. Une deuxième étude a été menée sur l'élaboration par ALD et les caractérisations physico-chimiques et électriques de couche minces d'oxyde zirconium dopé à l'oxyde d'indium (IDZ) présentant un gradient de composition, permettant de passer d'une conduction ionique à une conduction électronique. La dernière partie de ce travail a été dédiée à un nouveau matériau composite d'électrolyte, GDC-carbonates, dont l'étude des propriétés électriques et de vieillissement a montré des résultats encourageants.

La réduction des recombinaisons aux surfaces des cellules solaires est un enjeu fondamental pour l'industrie photovoltaïque. La passivation des défauts électriques en surface peut être obtenue par la formation de liaisons chimiques ou par l'apport de charges électriques capables de repousser un type de porteurs. Ces effets peuvent être obtenus grâce à des couches minces fonctionnalisées déposées sur les surfaces des matériaux qui constituent les cellules. Dans le cadre de cette thèse nous avons étudié la passivation de surface du silicium par des couches minces d’Al2O3 déposées par ALD. La caractérisation physique, optique, structurale et chimique des couches déposées a été réalisée. Une optimisation du procédé d’élaboration (nettoyage pré dépôt, paramètres de dépôt et de recuit) de couches d’alumine a été nécessaire pour répondre aux exigences de la réduction de recombinaisons de surface et obtenir des résultats de passivation optimisés. Enfin, différentes briques technologiques nécessaires à l’intégration de ces couches dans l’architecture d’une cellule solaire silicium ont été étudiées et développées
The reduction of recombination at the surfaces of solar cells is a fundamental challenge for the photovoltaic industry. Passivation of surface electrical defects can be achieved by the formation of chemical bonds or by the supply of electric charges capable of repelling a type of carrier. These effects can be obtained by means of functionalized thin layers deposited on the surfaces of the materials which constitute the cells. In this thesis we studied the surface passivation of silicon by thin layers of Al2O3 deposited by ALD. The physical, optical, structural and chemical characterization of the deposited layers was carried out. An optimization of the preparation process (pre-deposition cleaning, deposition and annealing parameters) of alumina layers was necessary to meet the requirements of reduction of surface recombinations and to obtain optimized passivation results. Finally, various technological bricks necessary for the integration of these layers in the architecture of a silicon solar cell have been studied and developed

Le stockage d’énergie dans les systèmes embarqués fait toujours l’objet d’importants efforts de R&D car il nécessite une constante diminution du volume occupé par les composants électroniques. Il apparaît que la taille des composants discrets que sont les condensateurs est un des freins à la miniaturisation des dispositifs finaux. Bien que des technologies, principalement basées sur la gravure profonde du silicium à l’échelle micrométrique, aient permis des avancées considérables, elles se montrent dorénavant limitées en termes de densité d’intégration. De ce fait, Murata IPS a développé une nouvelle technologie 3D à l’échelle nanométrique permettant une plus forte surface développée. L’utilisation d’une telle matrice requiert une méthode de dépôt de l’empilement MIM telle que l’ALD, adaptée aux structures à fort rapport d’aspect. Le but de cette thèse est ainsi l’intégration de la structure MIM dans la nouvelle matrice 3D dans le respect des contraintes inhérentes à l’industrie de manière à donner lieu à la cinquième génération des technologies PICS™. Le premier challenge résidait dans la conformalité des dépôts que nous nous sommes efforcés d’obtenir avec un équipement de production. Cela a permis de démontrer une densité de capacité supérieure à 1µF/mm² en utilisant un film diélectrique d’alumine de 10nm. Il s’avère également que l’intégration des électrodes TiN joue un rôle important sur la structure 3D. En effet, les contraintes ont dû être réduites pour assurer la tenue mécanique de la structure, notamment en jouant sur le pulse NH3. Les interfaces métal-diélectriques ont également fait l’objet d’une étude approfondie où l’influence de l’oxydation du TiN pendant le dépôt diélectrique a pu être mise en évidence et caractérisée électriquement. Cette étude a amené à l’intégration d’un matériau supplémentaire jouant le rôle de barrière aux interfaces, produisant des condensateurs avec une durée de vie supérieure à 10ans dans les conditions d’utilisation visées
Energy storage in embedded systems is still the subject of major R&D efforts as it requires a constant decrease in the volume of electronic components. It appears that the size of the discrete components, such as capacitors, is one of the brakes to the miniaturization of the final devices. Although technologies mainly based on silicon deep etching at the micrometric scale have made considerable progresses, they are now limited in terms of integration density. As a result, Murata IPS is developing a new 3D technology enabling a higher developed surface area. The use of such a matrix requires a MIM stack deposition technique such as ALD which is adapted to high aspect ratios. The aim of this thesis has been thus to integrate the MIM structure into the new 3D matrix while respecting the constraints inherent to the industry in order to give rise to the fifth generation of PICS™ technologies. The first challenge has been the achievement of sufficient step coverage of the films with an industrial equipment. A capacitance density greater than 1µF/mm² using a 10nm alumina film has been demonstrated. It also turns out that the TiN electrodes integration plays an important role on the 3D structure. Indeed, the mechanical stress had to be reduced to ensure the mechanical robustness of the structure, in particular by playing on the NH3 pulse. The metal-dielectric interfaces have also been the subject of an in-depth study where the influence of TiN oxidation during dielectric deposition has been shown and electrically characterized. This study has then led to the integration of an additional barrier material at the interfaces, producing capacitors with a 10-year lifetime under the intended voltage and temperature conditions

L'objectif de ce travail est d'apporter un éclairage nouveau à la compréhension des mécanismes physico-chimiques qui contrôlent la croissance des trois oxydes d'Aluminium, de Zirconium, de Hafnium. Ces matériaux sont considérés comme les meilleurs candidats pour remplacer la silice en tant qu'oxyde de grille dans le futur composant MOS. La précision et la fiabilité de la méthode DFT associé à la fonctionnelle B3LYP, ont été testées à l'aide des résultats expérimentaux et des méthodes ab initio les plus précis telles que CCSD(T) et CISD(T), en utilisant différents ensembles des fonctions de bases. Nos résultats montrent que et la méthode hybride DFT peut prédire de façon précise les propriétés statistiques et dynamiques de la famille d'organométalliques (AlxCyHzOt) et des systèmes moléculaires à base de métaux de transition (Zr/HfxClyOzHt). Les premières études systématiques des surfaces d'énergie potentielle de TMA ont été présentes et les caractéristiques des rotors constitués des groups méthyles ont été rapportées avec une grande précision. Les mécanismes réactionnels, à plusieurs étapes, entre les molécules précurseurs de trois oxydes et les molécules d'eau résiduelle phase gazeuse ont été étudies en détail. Les mouvements internes fortement anharmoniques, des espèces moléculaires présentes touts au long du processus d'hydrolyse ont été déterminés. Les effets qualitatifs sur les cinétiques des réactions ont été discutés. La forte exothermicité de la réaction TMA/H2O a été démontrée, alors que la réaction avec les tétrachlorures de Zirconium et Hafnium ont montré un caractère plutôt endothermique. Nous avons aussi étudié les mécanismes réactionnels de la vapeur d'eau avec d'espèces moléculaires chimisorbés en surface. Les réactions interviennent dans les cycles initiales d'ALD sur en substrat de Si(001)-2x1 légèrement oxydé. Les mécanismes que nous proposons sont qualitativement proches des mécanismes d'hydrolyse discutés dans la phase gaz euse : confirmation de la forte réactivité exothermique avec les hydroxyméthyliques d'Aluminium, endothermicité des réactions avec hydroxychlorures de Zirconium et Hafnium. Les composés avec le Zirconium et le Hafnium ont des comportements similaires. Enfin, les effets de coopérativité, à la fois au niveau des molécules de vapeur d'eau, qu'au niveau des complexes en surface, sur les réactions ont été mis en évidence et discutés. Ils montrent des comportements tout à fait intéressants dans le cas des hydroxychlorures des Zirconium et Hafnium. Par contre, ces effets sont de moindre importance dans les cas de l'oxyde d'aluminium, qui est actuellement considéré comme le matériau le plus compatible avec la croissance par ALD

L'objectif de ce travail est d'apporter un éclairage nouveau à la compréhension des mécanismes physico-chimiques qui contrôlent la croissance des trois oxydes d'Aluminium, de Zirconium, de Hafnium. Ces matériaux sont considérés comme les meilleurs candidats pour remplacer la silice en tant qu'oxyde de grille dans le futur composant MOS. La précision et la fiabilité de la méthode DFT associé à la fonctionnelle B3LYP, ont été testées à l'aide des résultats expérimentaux et des méthodes ab initio les plus précis telles que CCSD(T) et CISD(T), en utilisant différents ensembles des fonctions de bases. Nos résultats montrent que et la méthode hybride DFT peut prédire de façon précise les propriétés statistiques et dynamiques de la famille d'organométalliques (AlxCyHzOt) et des systèmes moléculaires à base de métaux de transition (Zr/HfxClyOzHt). Les premières études systématiques des surfaces d'énergie potentielle de TMA ont été présentes et les caractéristiques des rotors constitués des groups méthyles ont été rapportées avec une grande précision. Les mécanismes réactionnels, à plusieurs étapes, entre les molécules précurseurs de trois oxydes et les molécules d'eau résiduelle phase gazeuse ont été étudies en détail. Les mouvements internes fortement anharmoniques, des espèces moléculaires présentes touts au long du processus d'hydrolyse ont été déterminés. Les effets qualitatifs sur les cinétiques des réactions ont été discutés. La forte exothermicité de la réaction TMA/H2O a été démontrée, alors que la réaction avec les tétrachlorures de Zirconium et Hafnium ont montré un caractère plutôt endothermique. Nous avons aussi étudié les mécanismes réactionnels de la vapeur d'eau avec d'espèces moléculaires chimisorbés en surface. Les réactions interviennent dans les cycles initiales d'ALD sur en substrat de Si(001)-2x1 légèrement oxydé. Les mécanismes que nous proposons sont qualitativement proches des mécanismes d'hydrolyse discutés dans la phase gaz euse : confirmation de la forte réactivité exothermique avec les hydroxyméthyliques d'Aluminium, endothermicité des réactions avec hydroxychlorures de Zirconium et Hafnium. Les composés avec le Zirconium et le Hafnium ont des comportements similaires. Enfin, les effets de coopérativité, à la fois au niveau des molécules de vapeur d'eau, qu'au niveau des complexes en surface, sur les réactions ont été mis en évidence et discutés. Ils montrent des comportements tout à fait intéressants dans le cas des hydroxychlorures des Zirconium et Hafnium. Par contre, ces effets sont de moindre importance dans les cas de l'oxyde d'aluminium, qui est actuellement considéré comme le matériau le plus compatible avec la croissance par ALD
This work attempts to bring a new light on the understanding of some critical aspects of the physicochemical processes that control Alumina, Zirconia and Hafnia ALD growth, yet not sufficiently understood. These materials are addressed as potentially best candidates to replace gate dielectric SiO2 in the near future electronic applications. Most accurate ab initio correlated methods, like couple-cluster CCSD(T) and CISD(T), with different basis sets functions, as well as the available experimental data have been used for testing by a systematic study the accuracy and the reliability of DFT B3LYP functional. Our results have claimed this hybrid-DFT method to be chosen in predicting of high accurate static and dynamic properties throughout the family of organometallic-like (AlxCyHzOt) and transition metal-based (Zr/HfxClyOzHt) molecular systems. First systematic study of torsional potential surfaces of TMA has been performed and the related features of the hindered rotors of the methyl groups revealed with high accuracy. Laying on these accurate results we have also proposed least-squared fit methods to determine frequency scaling factors subject to different thermodynamic properties and/or thermal conditions. Many-step reaction mechanisms of ALD gas phase precursors of each of the three oxides with residual water, or regime of low pressure H2OÓALD pulses, have been studied in detail. Strong anharmonic internal movements of molecular species throughout the hydrolysis reactions have been observed and qualitatively discussed in relation with their possible effects on the reactions' kinetics. TMA/H2O reactions have been validated as strongly exothermic, while Hafnium and Zirconium tetrachlorides have founded to react endothermically with single H2O molecule. We have also studied in detail reaction mechanisms of the related on-surface ALD-complexes with water vapors. Our theoretical investigations address to the initial stage of ALD growth, more s pecifically on SiO2/Si(001)-2x1 like surfaces. The proposed many-step mechanisms, similar to those discussed for the gas phase, confirmed again the strong reactivity of H2O molecule with on-surface Aluminum hydroxymethylides, and responds strong endothemically as for the hydroxylation of Zirconium and Hafnium on-surface hydroxychlorides. The last two proved a very similar surface chemistry. Finally the cooperative effects of H2O molecules have been considered in our models of reactions, and have revealed dramatic influences on the reactivity Zirconium- and Hafnium hydroxychlorides surfaces. Our results proved the importance of both cooperative interactions of on-surface complexes and H2O molecules in the case of the Zirconia and HafniaÓALD growth, while for Aluminum oxide, presently considered ideal for ALD growth, these effects seem of secondary importance

La miniaturisation des appareils connectés (Internet des objets, IoT) s'accompagne d'une réduction de l'espace pour les systèmes de stockage de l'énergie conventionnels (piles et batteries). Pour pallier à ce problème et pouvoir étendre de larges réseaux de capteurs communicants, il est indispensable de repenser l'architecture des micro-batteries en passant par des configurations 3D tout solide en technologie Lithium-ion. L'objectif de ces travaux est de synthétiser des matériaux de batteries par des techniques de dépôt couches-minces pouvant convenir à ces architectures tridimensionnelles: le dépôt par couche atomique (ALD). La synthèse s'accompagne de techniques de caractérisations avancées des matériaux de batteries permettant de remonter aux propriétés électrochimiques et structurales des éléments de la batterie
Miniaturized sensors for Internet of Things (IoT) application is in expansion since the last 10 years. All solid-state lithium-ion battery is a promising candidate. Nevertheless, in spite of high technological readiness level, planar micro-batteries suffer from a lack of energy density meaning that it is necessary to develop new architectures to fullfill the performances requirements. 3D structures is needed for such application and this work is focused on the synthesis of positives electrodes with high storage capacity and high operating voltage by Atomic layer deposition (ALD). In the frame of this work,we will rely structurals and electrochemicals properties by differents characterisations techniques for batteries materials

Ce travail porte sur l'étude des étapes initiales du dépôt de couches atomiques de ZnO (ALD) sur une surface (100) de In0,57Ga0,43As, par l'utilisation de techniques de caractérisation in situ (rayonnement synchrotron). En raison de la grande mobilité des électrons, le semi-conducteur III-V InGaAs est un matériau potentiel pour remplacer le canal de Silicium dans les transistors à effet de champ (MOSFET). Afin de diminuer la hauteur de la barrière Schottky et la résistance de contact, une couche ultra-mince (tunnel) de ZnO peut être insérée entre le métal et le semiconducteur InGaAs. Au cours de ces dernières années, la technique ALD, compatible avec les spécifications de l'industrie et basée sur des réactions chimiques de surface auto-limitantes, est utilisée pour la fabrication de films minces conformes et homogènes avec un contrôle sub-nanométrique de l’épaisseur. Cependant, le comportement au cours de la croissance diffère fortement en fonction de la surface du substrat. Ainsi, l'étude des premières étapes ALD est particulièrement intéressante afin d’améliorer la compréhension des mécanismes de croissance en vue de la création de films ultra-minces.Pour ce faire, nous avons développé et mis à niveau un réacteur thermique ALD (MOON) dédié. Il peut être installé sur des lignes de lumière synchrotron afin d’étudier la croissance des matériaux in situ avec des techniques telles que la fluorescence X, l’absorption X, la spectroscopie des rayons X ainsi que la diffraction X en incidence rasante. De plus, des techniques optiques de caractérisation in situ peuvent être utilisées en laboratoire ou couplées en milieu synchrotron. Les expériences au synchrotron ont été réalisées sur les lignes de lumière SIRIUS (SOLEIL, Saint-Aubin (France)) et ID3 (ESRF, Grenoble (France)).Nous montrons que dans sa phase initiale, la croissance ALD de ZnO est inhibée par le substrat (100) InGaAs, ce qui conduit à un régime transitoire avant le régime de croissance ALD stable. La première phase du régime transitoire conduit à la formation d’une couche d’oxyde de Zinc, ultra-mince (~1 nm d'épaisseur), fabriquée avec un taux de croissance très faible. L'absorption X et la diffusion X en incidence rasante montrent qu’à ce stade le matériau ZnO est désordonné (non cristallisé) et présente un ordre à courte distance caractérisé par une structure wurtzite embryonnaire. Ensuite, le régime transitoire entre dans une deuxième phase (croissance 3D), le taux de croissance par cycle (GPC) augmente, atteint un maximum puis diminue jusqu'à une valeur constante (croissance ALD stable). Afin de mieux comprendre le mode de croissance 3D nous avons développé un modèle géométrique qui schématise la croissance d’îlots hémisphériques par ALD. Ce modèle permet d'obtenir des paramètres quantitatifs de croissance.En modifiant le débit d’eau (H2O) utilisée comme réactif pendant le processus ALD, il est possible de contrôler le délai (ou le nombre de cycles) avant le début de la croissance 3D. Cet effet est très probablement lié à la variation de la densité des groupes hydroxyle à la surface de l'InGaAs. Par ailleurs, nous avons caractérisé la croissance ALD de ZnO pour différentes températures du substrat InGaAs (dans et hors fenêtre ALD). Les cartes de diffusion des RX réalisées en cours de dépôt, montrent l’apparition d’une phase cristallisée à longue distance en lien avec le démarrage de la croissance 3D. À température élevée, hors de la fenêtre ALD, nous observons une texturation de la couche ZnO lorsque son épaisseur augmente. Aucune relation d’épitaxie n’est observée.Enfin, nous rendons compte de l'utilisation de couches ZnO ultraminces sur InGaAs pour les contacts électriques. La résistance de contact des échantillons de métal/ZnO/InGaAs a été mesurée à l'aide de la méthode Transfert Length Method (TLM). Nous montrons que la résistivité de contact spécifique des tampons Al/p-InGaAs est réduite par l’insertion d’une couche tunnel ZnO entre l'Al et l'InGaAs dopé p
This work focuses on the study of the initial stages of ZnO atomic layer deposition (ALD) on atomically flat (100) In0.57Ga0.43As surface, notably by using in situ synchrotron techniques. Due to high electron mobility, III-V InGaAs semiconductor has been recognized as a promising material to replace Silicon channel in the metal-oxide-semiconductor-field-effect transistors (MOSFET). Ultrathin ZnO layer on InGaAs can be used as a passivation layer at the interface with the gate transistor dielectric, as well as tunneling layer inserted in between metal/InGaAs contact to decrease the Schottky barrier height and the contact resistance. In the recent years, ALD technique based on self-limiting surface chemical reactions has received world-wide attention for manufacturing highly conformal and homogeneous thin films with sub-nanometer thickness control at low temperatures compatible with industry specifications. However, the growth behavior strongly differs depending on the substrate surfaces. Thus for the creation of few monolayers thick films, the study of ALD in the initial stages of growth is of particular interest for improving the understanding of the growth mechanisms.For that purpose, we have developed and upgraded a thermal ALD reactor (MOON:MOCVD/ALD growth of Oxide Nanostructures) dedicated to monitor the growth of materials by in situ characterization techniques. The MOON reactor can be moved to synchrotron centers for monitoring material growth in situ by using X-ray based techniques, notably X-ray fluorescence, X-ray absorption, XRR, and grazing incidence diffraction. Also, optical in situ techniques can be used in the laboratory. In this work, we show the results of experiments obtained at two synchrotron beamlines, i.e. SIRIUS (SOLEIL, Saint-Aubin (France)) and ID3 (ESRF, Grenoble (France)).We show that ZnO growth in the initial stages is inhibited by the (100) InGaAs substrate, leading to a transient regime prior to the steady ALD is achieved. We report a detailed investigation of this transient regime and find that an ultra-thin (~1-nm-thick) 2D layer is indeed fabricated but with a growth rate so low that one may believe that nothing has been deposited on the surface. We identify the structural and chemical properties of that ultra-thin layer. Only afterward does the substrate inhibited of type 2 growth mode begins: as the cycle number increases, the growth per cycle (GPC) increases, then reaches a maximum and level down to a constant value (steady growth). For a better understanding of the 3D growth mode by reproducing the experimental growth per cycle curves we have developed a geometric model that schematizes the growth of hemispheroid islands by ALD. We show that this model allows obtaining quantitative growth parameters.When water is used as a reactant, we showed that by changing the water flow during the ALD process, it is possible to control the time delay (or cycle number) prior to 3D growth begins. It is very likely that the water flow controls the density of hydroxyl groups on the InGaAs surface. We also demonstrated ZnO ALD for different InGaAs substrate temperatures. By combining in situ X-ray absorption and grazing incidence scattering techniques, we identified a short-range-order atomic structure of the ZnO material, with an embryonic ZnO wurtzite, prior to 3D growth, then a long-range-order structure is detected both by X-ray absorption and X-ray diffraction, together with the appearance of a microstructure. At higher growth temperature, outside of the ALD window, we observed the well-known ZnO texturing when the layer thickness increases.At last, we report on the use of ultrathin ZnO layers on InGaAs in the electrical contact structure. The contact resistance of metal/ZnO/InGaAs samples was measured using Transfer Length Method (TLM). We show that specific contact resistivity of Al/p-InGaAs pads is reduced by inserting a ZnO tunnel layer in between Al and p-doped InGaAs

Miniaturiser les composants impose des changements radicaux pour l'élaboration des dispositifs micro électroniques du futur. Dans ce cadre, les oxydes de grille MOS atteignent des épaisseurs limites qui les rendent perméables aux courants de fuite. Une solution est de remplacer le SiO2 par un matériau de permittivité plus élevée permettant l'utilisation de couches plus épaisses pour des performances comparables. Dans ce travail nous présentons une modélisation multi-échelle de la croissance par couche atomique (ALD) d'HfO2 sur Si permettant de relier la nano-structuration d'une interface au procédé d'élaboration. Nous montrons que la connaissance de processus chimiques élémentaires, via des calculs DFT, permet d'envisager une simulation procédé qui repose sur le développement d'un logiciel de type Monte Carlo Cinétique nommé "HIKAD". Au delà des mécanismes les plus évidents, adsorption, désorption, décomposition et hydrolyse des précurseurs sur la surface, nous introduirons la notion de mécanismes de densification des couches d'oxyde déposées. Ces mécanismes sont l'élément clé permettant de comprendre comment s'effectue la croissance de la couche en termes de couverture. Mais au delà de cet aspect ils nous permettent d'appréhender comment, à partir de réactions de type moléculaire le système évolue vers un matériau massif. Nous discuterons ces divers éléments à la lumière de résultats de caractérisations obtenus récemment sur le plan expérimental du dépôt d'oxydes d'hafnium
Miniaturizing components requires radical changes in the development of future micro electronic devices. In this perspective, the gate dielectric of MOS devices can become so thin as to be made permeable to leakage currents. One solution is to replace SiO2 by a material with a higher permittivity which would allow the use of thicker layers with similar results. My work presents a multi-scale modelling of the growth of HfO2 on Si by atomic layer (ALD), which allows me to link the nano-structuration of an interface with the process of development. I demonstrate that knowing how basic chemical processes work, thanks to DFT calculations, allows considering a process simulation based on the development of a Kinetic Monte Carlo software named "HIKAD. " Going beyond rather obvious mechanisms, I introduce the notion of densification mechanisms of deposited oxide layers. These mechanisms are the key element to understand how the growth of the layer in terms of coverage works. But even beyond that aspect, they allow to study the system's evolution towards a massive material, starting from molecular reactions. I shall discuss all those points in the light of recent experimental characterisation results concerning the deposition of hafnium oxides

Les MEMS RF sont des composants clés pour le développement de nombreuses fonctions de systèmes hyperfréquences plus efficaces et plus compactes (déphaseurs, module transmission/réception, réseau d’antennes à déphasage, circuits reconfigurables, réseau d’adaptation …). Pour le développement des prochaines générations de systèmes RADAR, Thales s’intéresse notamment à l’intégration de MEMS RF capacitifs pour développer des fonctions reconfigurables pouvant supporter des puissances hyperfréquences de l’ordre de 30 W. Les travaux exposés dans ce manuscrit se sont concentrés sur l’étude de matériaux diélectriques et de techniques de dépôts pour identifier, intégrer et démontrer la viabilité de diélectriques prometteurs pour les MEMS RF capacitifs de puissance. Les aspects relatifs à la fabrication de ces composants ont également été étudiés, particulièrement l’impact de la maitrise des états de surface sur les performances, la tenue en puissance et la défaillance des dispositifs. En outre, ces travaux ont montrés qu’avec l’introduction des matériaux déposés par ALD, la tenue en puissance des MEMS RF capacitifs n’est plus limitée par le diélectrique. En intégrant ces matériaux ALD, l’architecture des dispositifs devient le facteur limitant la tenue en puissance, particulièrement l’épaisseur de la membrane et la configuration du commutateur. En perspectives, différentes architectures ont donc été développées et étudiées pour adresser ces limitations de tenue en puissance
RF MEMS are key components to improve the efficiency and size of numerous functions of microwave systems (Phase shifter, transmission/reception module, antennas array, reconfigurable systems, impedance matching…). To develop the next generation of RADAR systems, Thales takes special interest in the integration of capacitive RF MEMS devices to demonstrate reconfigurable functions with power handling capabilities up to 30 W. The work reported in this thesis did focus on the study of dielectric materials and deposition techniques to identify, integrate and demonstrate the advantages of promising dielectrics for capacitive RF MEMS power handling. The components fabrication aspects have also been studied, especially the impact of surface state quality on performances, power handling and devices failure mechanisms. Furthermore, this work did point out that with the integration of ALD material, power handling of capacitive RF MEMS is no longer limited by the capacitance dielectric. Furthermore, with the integration of ALD material the components design become the limiting factor for power handling, particularly the membrane thickness and the switch configuration. To open new prospects, several designs have been developed and studied to address these power handling limitations

La thèse présentée ici a pour objectif de développer des matériaux innovants et performants pour la fabrication de la couche tampon des cellules photovoltaïques en couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Pour la première fois, des couches minces d'In2(S,O)3 et de Zn(O,S) ont été réalisées par dépôt chimique en phase vapeur par flux alternés assisté par plasma afin de remplacer la couche tampon traditionnelle en sulfure de cadmium. En apportant des espèces plus réactives, cette méthode permet d'effectuer des réactions qui ne pourraient pas avoir lieu par procédé thermique. La comparaison des deux procédés a permis l'évaluation de leurs atouts et de leurs contraintes. Par exemple, l'In2(S,O)3 n'a pu être synthétisé que par cette méthode, via des mécanismes surfaciques d'échange entre des radicaux d'oxygène et le soufre de l'In2S3. Pour augmenter les performances des cellules CIGS/In2(S,O)3 jusqu'à 11,9%, le procédé de synthèse initial a été amélioré en corrélant les études de Spectroscopie Photoélectronique X et celles de spectrométrie de masse. En parallèle, il a été montré que la température de croissance avait un effet notable sur les propriétés opto-électroniques des cellules CIGS/Zn(O,S) et qu'il existait des optimums de performance à basse (Tdep < 160°C) et haute (Tdep > 200°C) températures. L'optimum situé à basse température s'explique par les propriétés favorables des couches minces de Zn(O,S) synthétisées par procédé thermique, tandis que celui situé à haute température est dû à l'existence de mécanismes d'interdiffusion à l'interface Zn(O,S)/CIGS. Un rendement de 15,6% a pu ainsi être obtenu
This thesis focuses on the development of innovative and efficient materials for the fabrication of the buffer layer of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells. For the first time, In2(S,O)3 and Zn(O,S) thin films were synthesized by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) in order to substitute the conventional cadmium sulfide buffer layer. By creating reactive species, this deposition technique allows reactions which could not be possible using thermal ALD. The comparison of both methods allows the evaluation of their respective assets and constraints. For instance, In2(S,O)3 thin films could only be achieved using PEALD through exchange reaction mechanisms between oxygen radicals from the plasma and sulfur atoms of In2S3 growing film. In order to obtain CIGS/In2(S,O)3 solar cells with efficiencies of 11.9%, the initial deposition process was improved by correlating X-Ray Photoelectron Spectroscopy and Quadrupole Mass Spectrometry analyses. At the same time, the deposition temperature proved to have a crucial effect on CIGS/Zn(O,S)-ALD device opto-electronic properties and we evidenced the existence of two deposition temperature ranges, at Tdep < 160°C and Tdep > 200°C, where the performances are enhanced. In the low temperature range, the high performances were explained by specific Zn(O,S) properties, while at high temperature they are enhanced by favorable interdiffusion mechanisms at the CIGS/Zn(O,S) interface. Increasing the deposition temperature allowed the fabrication of CIGS/Zn(O,S) solar cells with efficiencies up to 15.6%

La thèse présentée ici a pour objectif de développer des matériaux innovants et performants pour la fabrication de la couche tampon des cellules photovoltaïques en couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Pour la première fois, des couches minces d'In2(S,O)3 et de Zn(O,S) ont été réalisées par dépôt chimique en phase vapeur par flux alternés assisté par plasma afin de remplacer la couche tampon traditionnelle en sulfure de cadmium. En apportant des espèces plus réactives, cette méthode permet d'effectuer des réactions qui ne pourraient pas avoir lieu par procédé thermique. La comparaison des deux procédés a permis l'évaluation de leurs atouts et de leurs contraintes. Par exemple, l'In2(S,O)3 n'a pu être synthétisé que par cette méthode, via des mécanismes surfaciques d'échange entre des radicaux d'oxygène et le soufre de l'In2S3. Pour augmenter les performances des cellules CIGS/In2(S,O)3 jusqu'à 11,9%, le procédé de synthèse initial a été amélioré en corrélant les études de Spectroscopie Photoélectronique X et celles de spectrométrie de masse. En parallèle, il a été montré que la température de croissance avait un effet notable sur les propriétés opto-électroniques des cellules CIGS/Zn(O,S) et qu'il existait des optimums de performance à basse (Tdep < 160°C) et haute (Tdep > 200°C) températures. L'optimum situé à basse température s'explique par les propriétés favorables des couches minces de Zn(O,S) synthétisées par procédé thermique, tandis que celui situé à haute température est dû à l'existence de mécanismes d'interdiffusion à l'interface Zn(O,S)/CIGS. Un rendement de 15,6% a pu ainsi être obtenu
This thesis focuses on the development of innovative and efficient materials for the fabrication of the buffer layer of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells. For the first time, In2(S,O)3 and Zn(O,S) thin films were synthesized by Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) in order to substitute the conventional cadmium sulfide buffer layer. By creating reactive species, this deposition technique allows reactions which could not be possible using thermal ALD. The comparison of both methods allows the evaluation of their respective assets and constraints. For instance, In2(S,O)3 thin films could only be achieved using PEALD through exchange reaction mechanisms between oxygen radicals from the plasma and sulfur atoms of In2S3 growing film. In order to obtain CIGS/In2(S,O)3 solar cells with efficiencies of 11.9%, the initial deposition process was improved by correlating X-Ray Photoelectron Spectroscopy and Quadrupole Mass Spectrometry analyses. At the same time, the deposition temperature proved to have a crucial effect on CIGS/Zn(O,S)-ALD device opto-electronic properties and we evidenced the existence of two deposition temperature ranges, at Tdep < 160°C and Tdep > 200°C, where the performances are enhanced. In the low temperature range, the high performances were explained by specific Zn(O,S) properties, while at high temperature they are enhanced by favorable interdiffusion mechanisms at the CIGS/Zn(O,S) interface. Increasing the deposition temperature allowed the fabrication of CIGS/Zn(O,S) solar cells with efficiencies up to 15.6%

Cette étude a pour objet les piles à combustible à haute température qui se différencient par la nature de l’électrolyte : oxyde solide (SOFC) et carbonates fondus (MCFC). Malgré la maturité actuelle de ces technologies, la dégradation à haute température des matériaux freine un développement à grande échelle. Nous nous sommes essentiellement penchés l’évolution des systèmes SOFC. Ce travail s’intéresse tout d’abord à l’élaboration par dépôt de couches atomiques (ALD) d’oxyde de cérium dopé à l’yttrium (connu pour ses propriétés électrocatalytiques à l’anode) et leur caractérisation électrochimique, afin de mettre en évidence l’influence de leur microstructure sur la réactivité sous atmosphère réductrice d’hydrogène. L’orientation de ces couches a montré une augmentation significative de leur réactivité. Dans un deuxième temps nous avons étudié des électrolytes composites oxyde-carbonates et, plus particulièrement, l’évolution de leur comportement électrique sous différentes conditions expérimentales se rapprochant du fonctionnement des SOFC. Nous avons pu en déduire les mécanismes régissant la conductivité ionique sous atmosphères variées et mis en évidence l’intérêt d’une couche mince entre anode et électrolyte dans une cellule unitaire. Dans les deux cas des résultats très significatifs ont été obtenus permettant d’envisager des systèmes hybrides SOFC/MCFC, incluant des couches minces fortement orientées, compétitifs par rapport aux dispositifs existants
This study deals with high-temperature fuel cells that differ in the nature of the electrolyte: solid oxide (SOFC) and molten carbonates (MCFC). Despite the current maturity of these technologies, the high temperature degradation of materials slows down large-scale development. We mainly focused on the evolution of SOFC systems. This work investigates first the deposition of atomic layers (ALD) of cerium oxide doped with yttrium (known for its electrocatalytic properties at the anode) and their electrochemical characterization, in order to show the influence of their microstructure on the reactivity under a reducing atmosphere of hydrogen. The orientation of these layers showed a significant increase in their reactivity. In a second time we studied composite electrolytes oxide-carbonates and, more particularly, the evolution of their electrical behavior under different experimental conditions approaching the operation of the SOFC. We have been able to deduce the mechanisms governing the ionic conductivity under various atmospheres and highlighted the interest of a thin layer between anode and electrolyte in a single cell. In both cases, very significant results have been obtained allowing SOFC / MCFC hybrid systems, including highly oriented thin films, to be considered as competitors with existing devices

Ce travail de thèse a concerné l’étude de l’influence de la nanostructuration du système Cu-Co sur ses propriétés magnétiques et magnétorésistives. Dans un premier temps, l’alliage granulaire Cu80Co20 a été réalisé sous différentes formes : poudres, couches minces et nanofils. Les poudres d’alliage ont été réalisées par broyage mécanique et les couches minces et nanofils par électrodépôt. Cela a permis d’investiguer, d’une part, l’influence de la forme de l’échantillon et, d’autre part, l’influence de la technique d’élaboration sur la nanostructure et les propriétés magnétiques et magnétorésistives des échantillons. Dans un second temps, des nanofils multicouches Cu/Co ont également été réalisés par électrodépôt. Concernant les alliages granulaires obtenus, les analyses par sonde atomique tomographique et par microscopie électronique à transmission ont montré qu’aucune solution solide Cu-Co n’a pu être obtenue. En effet, les études de la littérature sur ce type de matériaux sont nombreuses mais peu d’entre elles ont été caractérisées jusqu’à l’échelle nanométrique. Ainsi, elles ont souvent conclue à l’obtention de solution solide à l’aide de la diffraction des rayons X. De plus, la présence d’un effet positif de la magnétorésistance à faible champ magnétique appliqué a pu être attribuée à la présence d’oxydes au sein du matériau. De plus, cette thèse a permis la mise en place de protocoles expérimentaux pour l’analyse à l’échelle nanométrique par microscopie électronique à transmission et par sonde atomique tomographique. De telles analyses ce sont avérées indispensable à la compréhension et à la corrélation complète des propriétés magnétiques et magnétorésistives
This thesis concerned the study of the influence of the nanostructuration of the Cu-Co system on theirs magnetic and magnetoresistive properties. As a first step, the granular Cu80Co20 alloy was made in different forms: powders, thin films and nanowires. The alloy powders were produced by mechanical milling and thin films and nanowires by electrodeposition. This allowed to investigate, on one hand, the influence of the sample shape and, on the other hand, the influence of the elaboration technique on the nanostructure and the magnetic and magnetoresistive properties of the samples. In a second step, multilayered Cu/Co nanowires have also been made by electrodeposition. Concerning the granular alloys, the atom probe and transmission electron microscopy analyzes showed that no Cu-Co solid solution can be obtained. Indeed, studies in the literature on this type of materials are many, but few of them have been investigate down to the nanoscale. So, they concluded on the solid solution getting using the X-ray diffraction. In addition, the presence of a positive effect of the magnetoresistance at low applied magnetic field could be attributed to the presence of oxides in the material. Finally, this thesis has led to the development different experimental protocols for analysis at the nanoscale by transmission electron microscopy and atom probe tomography. Such analyzes are proved essential to the understanding and full correlation of magnetic and magnetoresistive properties

Ce travail de thèse concerne l'étude de l'influence de la nanostructuration du système Cu-Co sur ses propriétés magnétiques et magnétorésistives. Dans un premier temps, l'alliage granulaire Cu 80 Co 20 a été synthétisé sous différentes formes : poudres, couches minces et nanofils. Les poudres d'alliage ont été obtenues par broyage mécanique et les couches minces et nanofils par électrodépôt. Cela a permis d'étudier, d'une part, l'influence de la forme de l'échantillon et, d'autre part, l'influence de la technique d'élaboration sur la nanostructure et les propriétés magnétiques et magnétorésistives des échantillons. Dans un second temps, des nanofils multicouches Cu/Co ont été réalisés par électrodépôt. Des protocoles expérimentaux pour l'analyse à l'échelle nanométrique par microscopie électronique à transmission et par sonde atomique tomographique ont été mis en place. De telles analyses se sont avérées indispensables à la compréhension et à la corrélation complète des propriétés magnétiques et magnétorésistives. Contrairement aux nombreuses études publiées, qui ont souvent conclu à l'obtention de solutions solides sur la base de caractérisations microstructurales, les analyses à l'échelle nanométrique par sonde atomique tomographique et par microscopie électronique à transmission de nos alliages granulaires ont montré qu'aucune solution solide Cu-Co n'a pu être obtenue. De plus, un effet positif de magnétorésistance sous faible champ magnétique appliqué a été observé, et corrélé à la présence d'oxydes.