Crystal Phases and Electro-Optic Properties of ZrO₂ and HfO₂ Ferroelectric Thin Films

La ferroélectricité dans les oxydes de ZrO₂ et HfO₂ a été découverte en 2011 dans des couches ultraminces et a suscité une grande attention en raison de leur potentiel pour les applications en microélectronique. Ces matériaux offrent l'avantage de conserver des propriétés ferroélectriques même à des épaisseurs inférieures à 10 nm, ce qui est considérablement plus mince que les ferroélectriques de type pérovskite. De plus, ils sont compatibles avec le silicium et peuvent être facilement intégrés dans les fonderies de silicium. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer le potentiel de ces nouveaux matériaux ferroélectriques pour les applications électro-optiques en photonique sur silicium. En tant que cristaux non centro-symétriques, les ferroélectriques ZrO₂ et HfO₂ devraient présenter une réponse non linéaire, caractérisée par des termes de susceptibilité non linéaire tels que χ⁽²⁾. Cependant, la faible épaisseur avantageuse pour les applications microélectroniques devient un inconvénient pour les applications photoniques. Par conséquent, le défi initial consiste à augmenter l'épaisseur des films minces ferroélectriques ZrO₂- HfO₂ à environ 50 nm pour les rendre adaptés aux dispositifs photoniques. L'accent de cette thèse porte principalement sur ZrO₂, car il a été moins étudié par rapport aux films minces ferroélectriques à base de HfO₂. Notre recherche démontre que ZrO₂ peut maintenir un état ferroélectrique à une épaisseur supérieure à celle de HfO₂, atteignant environ 40 nm. De plus, ZrO₂ présente des coefficients électro-optiques (EO) plus élevés que HfO₂. Cependant, expérimentalement, nous avons observé que la phase stabilisée dans le ZrO₂ pur est rhomboédrique sous la compression et tétragonale sous la tension des substrats. Bien que la phase rhomboédrique présente une polarisation comparable à celle rapportée dans la littérature pour la phase orthorhombique, nos calculs ont montré que les coefficients EO sont modestes par rapport à la phase orthorhombique. Par conséquent, ces résultats suggèrent qu'un deuxième défi réside dans la stabilisation d'une phase présentant des coefficients électro-optiques suffisamment élevés pour une intégration dans les dispositifs photoniques. The ferroelectricity in ZrO₂ and HfO₂ oxides was discovered in 2011 in ultrathin layers and has garnered significant attention for their potential applications in microelectronics. These materials offer the advantage of maintaining ferroelectric properties even at thickn