Development of ZnO thin films and nanowires by Pulsed-Liquid Injection Metal-Organic Chemical Vapor Deposition for piezoelectric applications

L'oxyde de zinc (ZnO) est un matériau durable très intéressant pour les applications piézoélectriques en tant que semiconducteur biocompatible et composé d’éléments abondants. Cependant, l'efficacité piézoélectrique du ZnO dépend fortement de ses propriétés morphologiques, structurales et électriques. De manière intéressante, les conditions de croissance employées durant le processus de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques et à injection liquide pulsée (PLI-MOCVD) peuvent influencer largement les propriétés morphologiques, structurales, électriques et piézoélectriques du dépôt de ZnO, mais leurs corrélations n'ont pas encore été explorées. L’objectif de cette thèse est de comprendre et de contrôler les facteurs clés gouvernant la formation du ZnO par PLI-MOCVD et améliorant ses performances piézoélectriques. La température de croissance, les débits des réactifs et la nature du substrat durant le processus de PLI-MOCVD sont optimisés afin d'étudier leurs effets sur la croissance de couches minces et de nanofils de ZnO ainsi que sur leurs propriétés.En augmentant la température de la croissance de 400 à 750°C tout en fixant tous les autres paramètres de croissance, la morphologie du ZnO déposé sur des substrats de Si passe de couches minces à nanofils. Cette transition de morphologie s'accompagne d'une amélioration de l'orientation suivant l'axe c, du coefficient piézoélectrique et de l'uniformité de la polarité du Zn. Le post-recuit à haute température sous atmosphère d'O2 effectué sur les couches minces de ZnO conduit également à une augmentation de l'orientation suivant l'axe c, du coefficient piézoélectrique et de l'uniformité de la polarité Zn. La variation du débit à 500 °C permet d'obtenir des couches minces avec des morphologies et des distributions de polarité différentes. Sur ces couches minces, la différence de propriétés et d'efficacité piézoélectrique entre les domaines de polarités Zn et O est montrée. Au contraire, la variation du débit à 700 °C mène à la formation de nanofils de longueur et de diamètre différents. Tous les nanofils présentent la polarité Zn. La corrélation entre l'efficacité piézoélectrique et la géométrie des nanofils est également présentée. En outre, l'intégration de la couche d'AZO en tant qu'électrode transparente inférieure conduit à une augmentation supplémentaire de l'efficacité piézoélectrique des nanofils de ZnO tout en ouvrant certaines perspectives orientées vers la fabrication de dispositifs piézoélectriques insensibles à l’éclairement visible et contenant seulement des matériaux durables. Ces résultats démontrent la flexibilité du système de PLI-MOCVD pour la croissance de ZnO avec différentes morphologies et différentes propriétés pour les dispositifs piézoélectriques.Zinc Oxide (ZnO) is a very interesting sustainable material for piezoelectric applications as a biocompatible semiconductor composed of abundant elements. However, the piezoelectric efficiency of ZnO strongly depends on its morphological, structural and electrical properties. Interestingly, the growth conditions used during the pulsed-liquid injection metal-organic chemical vapor deposition (PLI-MOCVD) process can largely tune the morphological, structural, electrical and piezoelectric properties of ZnO deposits, but their correlations have not been explored so far. The objective of this thesis is to understand and control the key factors driving the ZnO formation by PLI-MOCVD and enhancing its piezoelectric performance. The growth temperature, reactant flow rates, and the nature of the substrate during the PLI-MOCVD process are optimized to study their effects on the growth of ZnO thin films and nanowires as well as on their properties.By increasing the growth temperature from 400 to 750°C while fixing all other growth parameters, the morphology of ZnO deposited on Si substrates is changed from thin films to nanowires. This morphology transition is accompanied with the improvement of the c-axis orientation, piezoelectric coefficient and Zn-polar uniformity. The post-annealing at high temperature under O2 atmosphere performed on ZnO thin films also leads to higher c-axis orientation, piezoelectric coefficient and Zn-polar uniformity. The flow rate variation at 500 °C results in the formation of thin films with different morphologies and polarity distribution. On these thin films, the difference in properties and piezoelectric efficiency between Zn- and O-polarity domains are revealed. In contrast, the flow rate variation at 700 °C results in the formation of nanowires with different lengths and diameters. All nanowires exhibit the Zn-polarity. The correlation of the piezoelectric efficiency and the nanowire geometry is also presented. In addition, the integration of the AZO layer as a bottom transparent electrode leads to further increasing the piezoelectric efficiency of ZnO nanowires while opening some perspectives towards the fabrication of visible blind piezoelectric devices containing only sustainable materials. These results eventually demonstrate the great flexibility of the PLI-MOCVD system to grow ZnO with different morphologies and properties for piezoelectric devices