Elaboration, caractérisation structurale et luminescence de dépots AIN dopés Er obenus par PVD magnétron RF, Elaboration, characterization structural and luminescence of Er doped AlN obtained by PVD magnetron RF

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Département de Formation Doctorale :
Ecole Doctorale EMMA
Université Henri Poincaré, Nancy I
Elaboration, caractérisation structurale
et luminescence de dépôts AlN dopés Er obtenus
par PVD magnétron RF
Thèse présentée pour l'obtention du titre de
Docteur de l'Université Henri Poincaré, Nancy I
en Physique des Plasmas et Optoélectronique, spécialité Physique
Par Syed Sajjad HUSSAIN
Soutenue le 21 septembre 2010 devant le jury suivant:
Président : Dr Francis Maury Directeur de Recherches CNRS, CIRIMAT, Toulouse
Rapporteurs : Pr Alain Billard Professeur, Université de Montbéliard, Montbéliard
Dr Fabrice Gourbilleau Chercheur CNRS, Caen
Examinateurs : Pr Jamal Bougdira Professeur, UHP, IJL, Nancy
Dr Philippe Pigeat Chercheur CNRS, IJL,
Invités Dr Valérie Brien Chercheur CNRS, IJL, Nancy
Pr Hervé Rinnert Professeur, UHP, Nancy
Institut Jean Lamour – UMR CNRS 7198, Département CP2S, Equipes 202 et 104
Faculté des Sciences et Techniques, Campus Victor Grignard, BP 70239
54506 Vandœuvre-lès-Nancy, France





















Pour ma mère,























Remerciements - Acknowledgements

Je tiens à remercier ...

Le Dr Francis Maury, Directeur de Recherches CNRS, CIRIMAT, Toulouse pour l’honneur qu’il
me fait en acceptant de présider le jury de cette thèse.

Le Pr. Alain Billard Professeur, Université de Montbéliard et Dr Fabrice Gourbillaud Chercheur
CNRS, Caen, pour avoir consacré une partie de leur temps à l’examen de ce travail, et d’avoir accepté
d’en être les rapporteurs.

Le Pr. Jamal Bougdira Professeur, UHP, IJL, Nancy pour m'avoir accueilli au laboratoire. Son
enthousiasme a été un atout précieux pour me faire découvrir les plasmas et leurs applications, et a
contribué à faire de ce séjour de trois ans, une expérience profitable. Je le remercie très sincèrement de
s'être autant investi pour rendre mon passage à l’Institut Jean Lamour, département CP2S, si
agréable et enrichissant.

Le Dr Philippe Pigeat Chercheur CNRS, IJL, Nancy, directeur de cette thèse, pour m'avoir fait
confiance malgré les connaissances théoriques plutôt légères que j'avais en septembre 2007 dans le
domaine des « procédés », puis pour m'avoir guidé, encouragé, conseillé, pendant trois ans tout en me
laissant une grande liberté et en me faisant l'honneur de me déléguer plusieurs responsabilités dont
j'espère avoir été à la hauteur. Je me sens chanceux et très fier d’avoir travailler avec P. Pigeat, parce
qu'il est bon chercheur et homme de bien. Il ne m'a jamais laissé seul dans les heures de difficultés et
les défis du travail.

Le Dr Hervé Rinnert Professeur, UHP, Nancy co-directeur de cette thèse, pour la confiance et la
liberté qu'il m'a accordée et pour la collaboration fructueuse que nous avons eue dans notre effort de
combiner des approches théoriques et expérimentales de l’aspect « photoluminescence » de ce travail.
Spécialiste du domaine de la luminescence il a du tout m’apprendre de ce domaine. Ces connaissances
seront importantes pour ma carrière professionnelle et scientifique et je le remercie pour ce contact si
généreux aussi bien sur le plan humain que sur le plan scientifique. Je le remercie, pour toutes les
discussions que nous avons pu avoir et pour les précieux conseils qu'il m'a donnés.

La Dr Valérie Brien Chercheur CNRS, IJL, Nancy pour la gentillesse et la patience qu'elle m’a
manifesté durant cette thèse et son aide dans la rédaction de mon mémoire. Elle a vraiment travaillé
dur et donné beaucoup de son temps et de son énergie pour m’aider à la mise en forme de mon travail.

Le Dr Thomas Easwarakhanthan, MC, CNRS, IJL, Nancy pour son aide permanente tout au long
de la partie expérimentale de ce travail concernant les ellipsométrie et pour la collaboration fructueuse
que nous avons eue. Je le remercie, pour toutes les discussions que nous avons pu avoir et pour les
précieux conseils qu'il m'a donnés.

Le Dr. J. Ghanbaja, Responsable Service Commun de Microscopies Electroniques et de
Microanalyses X, Faculté des Sciences, qui a caractérisé mes échantillons par TEM et EDSX, et pour
les corrections et aides diverses dans ce travail.

Le Mr. Dominique MULOT, AI, CNRS, IJL, Nancy, pour m’avoir fourni une aide importante
dans le maintenance de ma machine de dépôt PVD magnétron. Son sens pratique a largement
contribué à l’optimisation de mon réacteur de dépôt.

Toute l'équipe du laboratoire (LPMIA Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés et
Applications), et IJL CP2S pour les nombreuses conversations stimulantes que nous avons eues, pour
m'avoir initié au métier de l'enseignement et pour les corrections et aides diversesapporté à mon
travail, en particulier mes remerciements à Didier ROUXEL (MC), Brice VINCENT (MC), Robert
HUGON (MC), Pr Stéphane HEURAUX, Ludovic DEPOUCQUES, (MC), GENEVE Damien
(IE)et enfin Jean-Luc BRIANCON(IE) pour la partie informatique de mon travail.

Le Alain NGADJEU ami qui partage mon bureau, qui m’a toujours donné de bons conseils qui
m'a aidé dans ce travail de thèse, nos discussions sur différents sujets scientifiques m’ont permis e
m'améliorer.

La KLEIN Sophie (TCE), TURKI Nathalie (AJT), toutes deux ont vraiment été gentilles avec moi,
elles ont traitées mes difficultés administratives avec célérité efficacité et ont rendu mon travail plus
aisé.

Je tiens enfin à saluer mes collègues et amis qui souvent sans le savoir, m’ont soutenu et conseillé
dans les moments difficiles. Dans ce sens, il participe également à l’accomplissement de ce travail.
Enfin de tous les membres de ma famille, frères SYED Ali Raza, Syed Hassan Raza et sœurs, mon
frère dans les lois.
















Elaboration, caractérisation structurale et luminescence
de dépôts AlN dopés Er obtenus par PVD magnétron RF

Introduction générale p. 5
I. Chapitre 1 - Caractéristiques des matériaux considérés :
synthèse bibliographique p. 9

Avant propos
1.1 Propriétés physiques générales de la matrice AlN
1.2 Morphologies existantes de l'AlN et mode d'élaboration
1.2.1 Monocristaux
1.2.2 Films monocristallins
1.2.3 Autres morphologies des dépôts AlN
1.3 Propriétés optiques
1.3.1 Influence de la morphologie de l'AlN sur les indices optiques n et k
1.3.2 Propriétés optiques des terres rares: structure électronique
1.3.3 Photoluminescence de l'AlN non dopé
1.3.4 Photoluminescence de l'AlN dopé par des terres rares
II. Chapitre 2 - Techniques Expérimentales p. 35

Avant propos
2.1 Elaboration: procédé de dépôt du nitrure d'aluminium
2.1.1 Pulvérisation cathodique: principe et évolution menant aux variantes
technologiques
2.1.1.1 Principe et généralités
2.1.1.2 Pulvérisation non réactive ou réactive
2.1.1.3 Pulvérisation Triode
2.1.1.4 Pulvérisation Magnétron
2.1.1.5 Pulvérisation en mode DC (Planar Diode Sputtering)
2.1.1.6 Pulvérisation en mode pulsé (AC) et en mode RF
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