Tesis sobre el tema "Nanoélectronique – Matériaux"

L'objectif central de cette thèse est l'évaluation de la possibilité d'utilisation de complexes moléculaires à transitions de spin pour des applications en nano-électronique. Dans un premier temps, les propriétés électriques du complexe [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) et de ces analogues [Fe1-xZnx(Htrz)2(trz)](BF4) ont été analysées sous forme de poudres au moyen de la spectroscopie diélectrique. Il a été montré que les conductivités AC et DC aussi bien que la constante diélectrique et que la fréquence de relaxation diélectrique subissent une baisse importante lors de la transition de l'état bas spin (BS) vers l'état haut spin (HS). Les molécules à base de cations de fer gardent leurs propriétés de transition de spin dans les échantillons dilués de Zn, mais les courbes de transition de spin sont considérablement altérées. La substitution par Zn des centres de fer actifs mène à une importante baisse de la conductivité électrique d'environ 6 ordres de grandeur (pour Zn/Fe = 0.75). Nous concluons de ces résultats que les ions Fe(II) participent directement au processus de transport des charges, qui a été analysé dans le cadre d'un modèle de conductivité par saut de porteurs de charge activé thermiquement. Des particules micrométriques de [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) ont été alors intégrées par diélectrophorèse entre des électrodes d'or. Ainsi, nous avons obtenu un dispositif montrant un phénomène de bistabilité lors de la caractérisation I-V, T. La stabilité du matériau initial et le dispositif électronique ont été contrôlés avec précision et les effets concomitants de changements de températures, d'irradiation lumineuse et du champ électrique sur l'intensité du courant ont été analysés en détail. D'une part, nous avons montré que le dispositif peut être adressé de manière préférentielle par une irradiation lumineuse en fonction de son état de spin, et d'autre part, nous avons démontré la commutation de l'état métastable HS vers l'état stable BS par application d'un champ électrique à l'intérieur du cycle d'hystérésis. Les effets de champ ont été discutés dans le cadre de modèles de type Ising statiques et dynamiques, tandis que les phénomènes photo-induits étaient attribués à des effets de surface. Le complexe [Fe(H2B(pz)2)2(phen)] a également été caractérisé par spectroscopie diélectrique sous forme de poudre et ensuite intégré par évaporation thermique sous vide au sein d'un dispositif vertical entre les électrodes en Al et ITO. Cette approche nous a permis de sonder la commutation de l'état de spin dans la couche de [Fe(bpz)2(phen)] par des moyens optiques tout en détectant les changements de résistance associés, à la fois dans les régimes à effet tunnel (jonction de 10 nm) et dans les régimes à injection (jonctions de 30 et 100 nm). Le courant tunnel dans les jonctions à transition de spin diminue durant la commutation de l'état BS vers l'état HS, tandis que le comportement de rectification des jonctions " épaisses " ne révélait aucune dépendance significative à l'état de spin. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour la construction de dispositifs électroniques et spintroniques incorporant des matériaux à transition de spin<br>The central theme of this thesis is the evaluation of potential interest and applicability of molecular spin crossover (SCO) complexes for nanoelectronic applications. The electrical properties of the [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) complex and its Zn substituted analogues were analyzed first in the bulk powder form using broadband dielectric spectroscopy. It has been shown that the ac and dc conductivities as well as the dielectric constant and the dielectric relaxation frequency exhibit an important drop when going from the low spin (LS) to the high spin (HS) state. The iron ions kept their spin transition properties in the Zn diluted samples, but the SCO curves were significantly altered. The Zn substitution of active iron centers led to an important decrease of the electrical conductivity of ca. 6 orders of magnitude (for Zn/Fe = 0.75). We concluded from these results that the ferrous ions directly participate to the charge transport process, which was analyzed in the frame of an activated hopping conductivity model. Micrometric particles of [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) were then integrated by dielectrophoresis between interdigitated gold electrodes leading to a device exhibiting bistability in the I-V,T characteristics. The stability of the starting material and the electronic device were carefully controlled and the concomitant effect of temperature changes, light irradiation and voltage bias on the current intensity were analyzed in detail. We showed that the device can be preferentially addressed by light stimulation according to its spin state and the switching from the metastable HS to the stable LS state was also demonstrated by applying an electric field step inside the hysteresis loop. The field effects were discussed in the frame of static and dynamic Ising-like models, while the photo-induced phenomena were tentatively attributed to surface phenomena. The [Fe(bpz)2(phen)] complex was also investigated by dielectric spectroscopy in the bulk powder form and then integrated by high vacuum thermal evaporation into a large-area vertical device with Al (top) and ITO (bottom) electrodes. This approach allowed us to probe the spin-state switching in the SCO layer by optical means while detecting the associated resistance changes both in the tunneling (10 nm junction) and injection-limited (30 and 100 nm junctions) regimes. The tunneling current in the thin SCO junctions showed a drop when going from the LS to the HS state, while the rectifying behavior of the 'thick' junctions did not reveal any significant spin-state dependence. The ensemble of these results provides guidance with new perspectives for the construction of electronic and spintronic devices incorporating SCO molecular materials

We report the efforts lead in the design and fabrication of novel antennas from carbon nanotubes (CNTs) to assess their practicality in diverse usage scenarios. CNT-based antennas could help improve the performance of electrically-small antennas but may also allow the development of novel structures such as optically-controlled reflectarrays. They also represent an interesting technology for millimeter-wave and THz applications. Significant progress has been made on each of the four intertwined axes pertaining to these special antennas, modeling, analysis, fabrication and characterization. This has allowed designing and fabricating the first electrically-short CNT antenna prototypes and determining preliminary photocurrent trends. Indeed, we have derived an original mesoscopic model for the electromagnetic properties of aligned arrays of nano-elements with a special focus on CNTs to match simulation and fabrication capabilities. In parallel, we have reproduced and developed CNT growth and deposition techniques and established scalable fabrication processes. Additionally, an analytical model for CNT-based monopole antennas has been derived from transmission line theory. By combining modeling, analysis, simulation and fabrication, we have finally achieved the design and fabrication of CNT-based monopole antenna prototypes. The techniques have also been applied to the fabrication of CNT-based photocurrent samples which have been extensively characterized to highlight optimal illumination conditions and assess expectable performances as a base for future designs<br>Nous présentons une étude de faisabilité d’antennes innovantes basées sur les propriétés particulières des nanotubes de carbone (NTC). Celles-ci pourraient permettre une amélioration des performances des antennes électriquement courtes mais aussi le développement de systèmes innovants tels que des réseaux réflecteurs à commande optique. Ce pourrait aussi être une technologie intéressante pour les applications en plein essor dans les domaines des ondes millimétriques et terahertz. Des avancées significatives ont été réalisées suivant les quatre axes interdépendants qui régissent ces antennes : modélisation des NTC, analyse des antennes basées sur les NTC, fabrication à partir de NTC et caractérisation. Ceci nous a permis d’une part de concevoir et de fabriquer les premiers prototypes d’antennes électriquement courtes à base de NTC et d’autre part de mettre en évidence des tendances dans la réponse des NTC sous illumination. En effet, en utilisant une approche mésoscopique, nous avons développé un modèle électromagnétique original pour les ensembles de nano-éléments alignés, en particulier les NTC, permettant leur intégration dans des logiciels de simulation électromagnétique classiques et donc la mise en correspondance des possibilités de fabrication et de simulation. En parallèle nous avons reproduit et développé des méthodes de croissance et de dépôt de NTC et établi des procédés de fabrication pouvant être adaptés à grande échelle. De plus, un modèle analytique des antennes monopôles à base de NTC a été établi à partir d’une approche ligne de transmission. Ces techniques nous ont permis de mettre en avant les compromis nécessaires dans la conception d’antennes de taille réduite à base de NTC et ainsi de concevoir et fabriquer de premiers prototypes. Elles ont aussi été appliquées à la fabrication de structures de test pour une caractérisation des NTC sous illumination. Ceci nous a permis de mettre en évidence les conditions optimales pour générer un courant photoélectrique dans les NTC et d’évaluer les performances pouvant être attendues comme base pour de futurs systèmes

Au cours des dernières années, l'importance de nanoélectronique a augmenté avec la demande pour des dispositifs plus petits et plus efficaces. Les technologies traditionnelles basées sur le silicium rencontrent des défis, notamment pour la réduction de la taille des transistors tout en maintenant leur performance. Les longueurs de canal plus courtes améliorent la vitesse et la densité des dispositifs, mais entraînent des problèmes tels que l'électromigration, les fuites et la charge thermique. Le graphène, un matériau bidimensionnel, offre une solution grâce à sa haute mobilité des porteurs, sa conductivité thermique et sa stabilité, ce qui en fait une alternative prometteuse au silicium. L'utilisation des propriétés du graphène pourrait surmonter les limitations du silicium, permettant le développement de nanoélectroniques de prochaine génération avec de meilleures performances et évolutivité. Le graphène monolayer est généralement produit par des méthodes d'exfoliation, mais celles-ci introduisent souvent des défauts et des contaminants, dégradant ses propriétés électriques et limitant la production à grande échelle. La déposition chimique en phase vapeur (CVD) offre une solution plus efficace, mais peut encore introduire des défauts, tandis que la réduction de l'oxyde de graphène entraîne trop d'imperfections pour la nanoélectronique. Le graphène épitaxial (epigraphène) offre des propriétés de transport supérieures pour les dispositifs haute performance, mais, comme tout graphène, il est sensible aux conditions environnementales et nécessite une passivation efficace. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau de passivation prometteur en raison de sa compatibilité structurelle avec le graphène. Bien que les méthodes conventionnelles de transfert de h-BN introduisent des défauts, l'épitaxie en phase vapeur métal-organiques (MOVPE) permet une croissance directe sur l'épigraphène, résolvant ces problèmes. Cette thèse examine la croissance de couches minces de h-BN sur divers substrats d'épigraphène (monocouche, multicouche et motifé) en utilisant l'épitaxie de van der Waals, en mettant l'accent sur leurs applications potentielles dans les transistors à couche mince (TFT). L'étude se divise en trois domaines clés : d'abord, nous avons exploré la croissance MOVPE de couches de h-BN (jusqu'à 20 nm) sur de l'épigraphène monocouche et multicouche sur carbure de silicium (SiC), en examinant les faces terminées au silicium (face Si) et au carbone (face C). Les deux substrats ont montré des caractéristiques de surface similaires, et le recuit thermique a amélioré la qualité cristalline sans compromettre l'intégrité de l'hétérostructure h-BN/épigraphène jusqu'à 1550 degrés. Deuxièmement, nous avons exploré la croissance sélective de h-BN de haute qualité sur l'épigraphène motifé en gravant pour ne conserver que les motifs de graphène souhaités avant la croissance de h-BN. Cette méthode a contribué à réduire la formation de particules et les dommages comparés aux techniques de motifage post-dépôt conventionnelles. Enfin, des dispositifs TFT ont été fabriqués à partir de ces hétérostructures après avoir étudié diverses méthodes de gravure (CF4, XeF2, SF6) pour éliminer le h-BN et établir des contacts avec l'épigraphène. Les caractérisations électriques préliminaires ont montré des variations de résistance avec les champs magnétiques, bien que la résistance de contact ait été plus élevée que prévu. Cette recherche fournit une technique prometteuse pour produire des couches de h-BN de haute qualité sur des dispositifs à base de graphène, ouvrant la voie à de nouveaux avancements tout en identifiant les domaines à améliorer<br>In this century, the importance of nanoelectronics has grown with the demand for smaller, more efficient devices. Traditional silicon-based technologies face challenges, particularly in scaling down transistors while maintaining performance. Shorter channel lengths improve speed and device density but lead to issues like electromigration, leakage, and thermal load. Graphene, a two-dimensional material, offers a solution due to its high carrier mobility, thermal conductivity, and stability, making it a promising alternative to silicon. Utilizing graphene's properties could overcome silicon's limitations, enabling next-generation nanoelectronics with better performance and scalability. Monolayer graphene is typically produced via exfoliation methods, but these often introduce defects and contaminants, degrading its electrical properties and limiting large-scale production. Chemical vapor deposition (CVD) offers a more scalable solution but can still introduce defects, while reducing graphene oxide leads to too many imperfections for nanoelectronics. Epitaxial graphene (epigraphene) offers superior transport properties for high-performance devices but, like all graphene, is sensitive to environmental factors and requires effective passivation. Hexagonal boron nitride (h-BN) is a promising passivation material due to its structural compatibility with graphene. While conventional methods of h-BN transfer introduce defects, metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) allows direct growth on epigraphene, solving these issues. This thesis investigates the growth of thin h-BN layers on various epigraphene substrates (monolayer, multilayer, and patterned) using van der Waals epitaxy, with a focus on their potential applications in thin-film transistors (TFTs). The study is divided into three key areas: First, we explored the MOVPE growth of h-BN layers (up to 20 nm) on monolayer and multilayer epigraphene on silicon carbide (SiC), examining the silicon-terminated (Si-face) and carbon-terminated (C-face) faces. Both substrates exhibited similar surface characteristics, and thermal annealing was found to improve crystal quality without compromising the integrity of the h-BN/epigraphene heterostructure up to 1550 degrees. Second, we explored the selective growth of high quality h-BN over patterned epigraphene by etching to retain only the desired graphene patterns prior to h-BN growth. This method helped in reducing particle formation and damage compared to conventional post-deposition patterning techniques. Finally, TFT devices were fabricated from these heterostructures after investigating various etching methods (CF4, XeF2, SF6) to remove h-BN and establish contact with the underlying epigraphene. Preliminary electrical characterizations showed changes in resistance with magnetic fields, although contact resistance was higher than anticipated. This research provides a promising technique for producing high-quality h-BN layers on graphene-based devices, paving the way for further advancements while identifying areas for improvement

L'industrie PV connaît un fort engouement pour les cellules PERC. Néanmoins leurs performances sont limitées par deux sources de recombinaison des porteurs de charge: au niveau de l'émetteur obtenu par diffusion de P, et en face arrière aux interfaces Al-Si. L'objectif principal de cette thèse vise à limiter ces pertes en intégrant deux nouveaux collecteurs. Le premier est un émetteur sélectif (ES) obtenu par implantation ionique à immersion plasma (PIII) de P. Le second concerne un contact passivé (CP) constitué d'un film de silicium polycristallin (poly-Si) dopé au B sur un oxyde mince. Dans un second temps, les travaux s'intéressent à la compatibilité entre ces collecteurs et les plaquettes de Si issues de lingots fabriqués par solidification dirigée. Un procédé de masquage in situ des implantations PIII a permis d'élaborer des ES avec une bonne maîtrise de la géométrie du motif et des niveaux de dopage. Ensuite, un éventail de techniques pour la métallisation du poly-Si(B) a été étudié. La voie de métallisation par sérigraphie de pâtes traversantes est la plus encourageante à l'heure actuelle. Elle permet l'utilisation de couches hydrogénantes non sacrificielles qui ont mené à l'obtention de précurseurs de cellules avec un excellent niveau de passivation. Néanmoins, la résistance de contact entre le métal et le poly-Si(B) demeure à ce jour trop élevée pour une intégration optimale. Enfin, l'association de Si multicristallin avec différents CP a montré la propension de ces derniers à générer un effet getter externe efficace. Cela laisse envisager une très bonne compatibilité entre l'architecture cellule développée et les Si bas-coût et à faible emprunte carbone<br>Thanks to a relatively simple fabrication process and high conversion efficiency values the PERC structure is well established at the industrial level. Nevertheless, industrial PERC solar cells performances are mostly limited by two charge carrier recombination sources: P thermally diffused emitter on the front side and the Al-Si interfaces at the rear contacts. The main goal of this work aims at limiting both recombination sources. A selective emitter (SE) obtained by plasma immersion ion implantation (PIII) is developed for an integration on the front side; whereas a B-doped polysilicon (poly-Si) on oxide passivated contact (PC) is integrated on the back side. The second goal of this work consists in evaluating the compatibility between these advanced carrier collectors and directionally solidified Si materials. SE featuring good geometrical properties and a well-controlled doping were fabricated thanks to an in situ localized doping process obtained with a specific mask developed for PIII. Besides, several metal deposition technologies were investigated for the poly-Si(B). Fire-through screen-printing appears as the most promising approach so far. Indeed, the deposition of a non-sacrificial hydrogen-rich layer allowed to reach an excellent surface passivation level for solar cell precursors. However, the specific contact resistivity obtained remains too high for an optimal cell integration. Lastly, the fabrication of poly-Si PC showed excellent external gettering efficiencies for multicrystalline Si. Thus, the potential of the developed cell structure to be integrated with low-cost and low carbon footprint materials is encouraging

L'électronique moléculaire est l'un des domaines les plus intrigants de la recherche moderne. Ce domaine pourrait produire un système de construction modulaire et évolutif pour des applications spintroniques à l'échelle nanométrique. Un exemple particulièrement prometteur est celui des aimants à une seule molécule, qui se sont déjà avérés être appropriés pour des la réalisation de spin valve et de qubit de spin. L'un des plus grands défis du domaine est l'intégration de ces objets de taille nanométrique dans des circuits complexes afin de permettre la détection et la manipulation d'états de spin moléculaires. Comme l'ont montré ces dernières années le groupe NanoSpin, les nanotubes de carbone (CNTs) peuvent servir de support pour les aimants à une seule molécule, en combinant les caractéristiques des deux constituants.Une pierre angulaire de ce projet de thèse a donc été le développement d'une technique de fabrication fiable pour des dispositifs de CNTs de haute qualité, contrôlables par de multiples électrodes de grille locales afin de permettre le contrôle local des systèmes hybrides moléculaires. Un procédé basé sur la fabrication conventionnelle à un substrat a été développé à partir de zéro, pour lequel l'optimisation de la conception des échantillons, les techniques de lithographie et de dépôt ainsi que les choix de matériaux ont dû être soigneusement incorporés afin de respecter les restrictions imposées par les conditions de croissance. Nous avons d'abord réussi à produire des échantillons CNT propres, permettant de mettre en évidence une configuration à double boite quantique, tout en ajustant des caractéristiques de type p à n. Les segments créés de cette manière peuvent être contrôlés de manière stable sur toute la longueur du dispositif et devraient donc constituer une base appropriée pour l'étude de la physique moléculaire.La matière topologique non triviale constitue une plate-forme séduisante pour étudier à la fois les principes fondamentaux et les applications possibles de la spintronique au calcul quantique. Les isolants cristallins topologiques, avec tellurure d'étain (SnTe) comme exemple principal, représentent un nouvel état au sein de ce zoo des matériaux topologiques 3D. Peu de temps après les premières réalisations expérimentales, des suggestions ont été faites sur la possibilité d’un type de supraconductivité non conventionnelle hébergé à l'interface entre la matière topologique et les supraconducteurs classiques. Les implications possibles de ces systèmes comprennent l'appariement de Cooper avec une quantité de mouvement finie dans la phase FFLO ou l’ordinateur quantique topologique, basé sur des excitations particulières, appelé quasi-particule Majorana.Ce projet de thèse visait à participer à l'enquête sur les signes de supraconductivité non conventionnelle dans SnTe. Les expériences de transport sur des couches pures dans les géométries de la barre de Hall et des dispositifs hybrides supraconducteurs, réalisés à la fois comme jonctions Josephson et SQUID, sont discutés. Un couplage étonnamment fort de SnTe au supraconducteur a été trouvé et dépendances de la supraconductivité sur les géométries des échantillons, la température et le champ magnétique ont été étudiées. La relation courant-phase a été analysée dans la limite d’effets cinétiques forts. Le couplage électrostatique et l'exposition à des micro-ondes ont été explorée, mais la physique prédominante dans de telles configurations s'est avéré être de type purement conventionnel, soulignant l’importance des améliorations sur le côté matériaux.Des mesures de champ magnétique dans le plan ont donné lieu à la signature d’un φ0-SQUID avec des transitions 0-π accordables, fournissant des preuves de possibles de transitions contrôlées de la supraconductivité triviale aux régimes de couplage non conventionnels dans SnTe<br>Molecular electronics is one of the most intriguing fields of modern research, which could bring forth a modular and scalable building system for nanoscale spintronics applications. A particularly promising example are single-molecule magnets, which have already successfully shown to be suitable for spin valve or spin qubit operations. One of the biggest challenges of the field is the integration of these nanometer-sized objects in complex circuits in order to allow for detection and manipulation of moleculear spin states. As shown in recent years by the NanoSpin group, carbon nanotubes (CNTs) can serve as such type of carrier for the single-molecule magnets, combining features of both constituents.A corner stone of this thesis project was hence the development of a dependable fabrication technique for high-quality CNT devices, controllable by multiple local gate electrodes in order to enable local control of molecular hybrid systems. A process based on conventional one-chip fabrication was developed from scratch, for which optimization of sample design, lithography and deposition techniques as well as material choices had to be carefully incorporated, in order to accomodate the restrictions imposed by the CNT growth conditions on the prevention of leakage currents. We succeeded in producing clean CNT devices, which could support a double dot configuration, tunable from p- to n-type characteristics. The segments created in this way can be stabily controlled over the entire device length and should hence provide a suitable backbone to study molecular physics.Topological matter constitutes an enticing platform to investigate both fundamental principles as well as possible applications from spintronics to quantum computation. Topological crystalline insulators, with tin telluride ( SnTe ) as a prime example, represent a new state of matter within this zoo of 3D topological materials. Soon after first experimental realizations, suggestions were made about the possibility of an unconventional type of superconductivity hosted at the interface between topological matter and conventional superconductors. Possible implications of such systems include Cooper pairing with finite momentum, the FFLO phase, or topological quantum computing, based on peculiar excitations, called Majorana bound states.This thesis project aimed to participate in the investigation of signs of unconventional superconductivity in SnTe . Transport experiments on bare films in Hall bar geometries and superconducting hybrid devices, realized as both Josephson junctions and SQUIDs, are discussed. A surprisingly strong coupling of SnTe to Ta superconductor was found and dependencies of superconductivity on sample geometries, temperature and magnetic field were investigated. The current-phase relation was analyzed in the limit of strong kinetic effects. Electrostatic gating and rf exposure was explored, but predominant physics in such configurations turned out to be of purely conventional type, pointing out the importance of improvements on the material side.In-plane magnetic field measurements gave rise to the manifestation of ϕ0-SQUIDs with tunable 0−π-transitions, providing evidence for possible controlled transitions from trivial superconductivity to unconventional coupling regimes in SnTe

La mémoire à changement de phase (ou PCM) est considérée actuellement comme la plus mature des technologies émergentes susceptibles de pallier les limitations de la mémoire Flash-NOR pour le futur des applications embarquées. Afin de permettre la conception de circuits à base de PCM, l’utilisation d’outils tels que la simulation SPICE est nécessaire, impliquant le besoin de modèles compacts de PCM. Ces modèles doivent être rapides, continus, et précis ; à ce jour aucun modèle de la littérature ne remplit l’ensemble de ces exigences.L’objectif de cette thèse est de proposer un nouveau modèle compact de PCM, permettant la conception de circuits à base de PCM. Le modèle que nous avons développé est entièrement continu, validé sur une large gamme de tension, courant, temps et température. Construit à partir de connaissances physiques sur le fonctionnement du dispositif, il utilise un emballement thermique dans le mécanisme de Poole-Frenkel pour modéliser le seuil de commutation de la phase amorphe. L’introduction d’une variable de fraction fondue, dépendante uniquement de la température, ainsi que d’une vitesse de cristallisation dépendante de la fraction amorphe, permet la bonne modélisation de l’ensemble des dynamiques temporelles de changement d’état. De plus, une méthodologie d’extraction optimisée de la carte modèle est proposée à la suite de la validation du modèle, reposant sur une étude de sensibilité des paramètres de la carte modèle et un ensemble simple de caractérisations électriques, autorisant l’adaptation du modèle à chaque variation des procédés de fabrication pour garantir l’utilité du modèle à toutes les étapes du développement des technologies PCM<br>Phase-change memory (PCM) is arguably the most mature emerging nonvolatile memory, foreseen for the replacement of the mainstream NOR-Flash memory for the future embedded applications. To allow the design of new PCM-based products, SPICE simulations, thus compact models, are needed. Those models need to be fast, robust and accurate; nowadays, no published model is able to fill all these requirements.The goal of this thesis is to propose a new compact model of PCM, enabling PCM-based circuit design. The model that we have developed is entirely continuous, and is validated on a wide range of voltage, current, time and temperature. Built on physical insights of the device, a thermal runaway in the Poole-Frenkel mechanism is used to model the threshold switching of the amorphous phase. Besides, the introduction of a new variable representing the melted fraction, depending only on the internal temperature, along with a crystallization speed depending on the amorphous fraction, allow the accurate modeling of all the temporal dynamics of the phase transitions. Moreover, an optimized model card extraction flow is proposed following the model validation, relying on a sensibility analysis of the model card parameters and a simple set of electrical characterizations. It enables the adjustment of the model to any process variation, and thus ensures its accuracy for the design modeling at every step of the technology development

La miniaturisation des MOSFET a permis une forte diminution des transistors et des puces, ainsi qu’une augmentation exponentielle des capacités de calcul. Cette miniaturisation ne peut néanmoins continuer ainsi: de nos jours, un microprocesseur peut contenir des dizaines de milliards de transistors et la chaleur dégagée par ces composants peut fortement détériorer ses performances. De plus, du fait de leur principe même de fonctionnement, la tension d’alimentation des MOSFET ne peut être réduite sans en impacter les performances. De nouvelles architectures telles que le TFET -basé sur l’effet tunnel bande-à-bande et pouvant fonctionner à des tensions d’alimentation très basses- ainsi que de nouveaux matériaux pourraient donc apporter une alternative au MOSFET silicium. Les monocouches de dichalcogènures de métaux de transitions (TMDs) -des semiconducteurs à bande interdite directe d’environ 1 à 2 eV- possèdent un fort potentiel pour l’électronique et la photonique. De plus, dans le cas de contraintes appropriées, ils peuvent conduire un alignement de bandes présentant un broken-gap; cette configuration permet de surpasser les limites habituelles du TFETs, à savoir de faibles courants dus à l’effet tunnel sur lequel ces dispositifs reposent. Dans ce travail de thèse, des hétérojonctions planaires de TMD sont modélisées via une approche atomistique de liaisons fortes, et une configuration broken-gap est observée dans deux d’entre elles (MoTe2/MoS2 et WTe2/MoS2). Leur potentiel dans le cadre de transistors à effet tunnel (TFETs) est évalué au moyen de simulations de transport quantique basées sur un modèle TB atomistique ainsi que la théorie des fonctions de Green hors-équilibre. Des TFETs type-p et type-n basés sur ces hétérojonctions sont simulés et présentent des courants ON élevés (ION &gt; 103 µA/µm) ainsi que des pentes sous-seuil extrêmement raides (SS &lt; 5 mV/dec) à des tensions d’alimentation très faibles (VDD = 0.3 V). Plusieurs architectures novatrices basées sur ces TFETs et découlant de la nature 2D des matériaux utilisés sont également présentées, et permettent d’atteindre des performances encore plus élevées<br>Nowadays, microprocessors can contain tens of billions of transistors and as a result, heat dissipation and its impact on device performance has increasingly become a hindrance to further scaling. Due to their working mechanism, the power supply of MOSFETs cannot be reduced without deteriorating overall performance, and Si-MOSFETs scaling therefore seems to be reaching its end. New architectures such as the TFET, which can perform at low supply voltages thanks to its reliance on band-to-band tunneling, and new materials could solve this issue. Transition metal dichalcogenide monolayers (TMDs) are 2D semiconductors with direct band gaps ranging from 1 to 2 eV, and therefore hold potential in electronics and photonics. Moreover, when under appropriate strains, their band alignment can result in broken-gap configurations which can circumvent the traditionally low currents observed in TFETs due to the tunneling mechanism they rely upon. In this work, in-plane TMD heterojunctions are investigated using an atomistic tight-binding approach, two of which lead to a broken-gap configuration (MoTe2/MoS2 and WTe2/MoS2). The potential of these heterojunctions for use in tunnel field-effect transistors (TFETs) is evaluated via quantum transport computations based on an atomistic tight-binding model and the non-equilibrium Green’s function theory. Both p-type and n-type TFETs based on these in-plane TMD heterojunctions are shownto yield high ON currents (ION &gt; 103 µA/µm) and extremely low subthreshold swings (SS &lt; 5 mV/dec) at low supply voltages (VDD = 0.3 V). Innovative device architectures allowed by the 2D nature of these materials are also proposed, and shown to enhance performance even further

Au cours des dernières années, la demande de plus en plus forte pour des mémoires non-volatiles performantes, a mené au développement des technologies NOR Flash et NAND Flash, qui dominent aujourd'hui le marché des mémoires non-volatiles. Cependant, la miniaturisation de ces technologies, qui permettait d'en réduire le coût, laisse aujourd'hui entrevoir ses limites. En conséquence, des mémoires alternatives et émergentes sont développées, et parmi celles-ci, la technologie des mémoires à changement de phase, ou PCRAM, est l'une des candidates les plus prometteuses tant pour remplacer les mémoires Flash, notamment de type NOR, que pour accéder à de nouveaux marchés tels que le marché des SCM. Toutefois, afin d'être pleinement compétitives avec les autres technologies mémoires, certaines performances de la technologie PCRAM doivent encore être améliorées. Au cours de cette thèse, nous cherchons donc à obtenir des dispositifs PCRAM plus performants. Parmi les résultats présentés, nous réduisons les courants de programmation et la consommation électrique des dispositifs tout en augmentant la rétention de l'information à haute température. Pour cela, nous modifions la structure du dispositif ou nous utilisons un matériau à changement de phase alternatif. De plus, à l'aide de solutions innovantes, nous permettons aux dispositifs PCRAM de conserver l'information pendant une éventuelle étape de soudure de la puce mémoire. Enfin, nous avons conçu, développé et validé un procédé de fabrication permettant d'intégrer une diode PN de sélection en Silicium en série avec un élément résistif PCRAM, démontrant l'intérêt de ce sélecteur vertical pour être utilisées comme élément de sélection d'une cellule PCRAM intégrée au sein d'une architecture crossbar.

Nous avons étudié les paramètres expérimentaux qui gouvernent les caractéristiques des nanocristaux de silicium (nc-Si) élaborés par dépôt chimique en phase vapeur. La densité des nc-Si dépend essentiellement de la pression partielle du précurseur et surtout des propriétés chimiques du substrat. Des densités de nc-Si très élevées (&gt;10 exposant 12 nc-Si/cm2) sont déposées sur SiO2, Si3N4 et Al2O3. Le contrôle précis, entre 2 et 30 nm, de la taille des nc-Si est obtenu grâce à un procédé original de dépôt en deux étapes. Pour maîtriser la disposition des nc-Si, nous avons exploré deux voies : la nano-manipulation par une pointe AFM et la création de sites de nucléation pour les nc-Si par modification locale du substrat avec un faisceau d'électrons. La maîtrise de l'élaboration des nc-SI a permis leur intégration dans des dispositifs mémoires tests qui ont présenté des caractéristiques prometteuses de mémoires non volatiles<br>We have studied the experimental parameters which control the characteristics of silicon nano-crystals (nc-Si) deposited by chemical vapor deposition. The density of ne-Si depends primarily on the partial pressure of the precursor and especially of the chemical properties of the substrate. Very high nc-Si densities (&gt; 1012 nc-Si/cm2) are deposited on Si02, Si3N4 and Al203. Accurate check, between 2 and 30 Nm, of the size from nc-Si is obtained thanks to an original process of deposit in two stages. To control the positioning of the nc-Si, we explored two ways: the nano-manipulation of nc-Si with an AFM probe and the creation of nucleation sites for nc-Si by local modification of the substrate with an electron beam. Control of the development of nc-Si allowed their integration in devices tests which showed promising characteristics of nonvolatile memories

Ce travail de thèse porte sur l'application des techniques Scanning Capacitance Microscopy (SCM) et Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM) pour la caractérisation électrique de nanofils de ZnO avec l'objectif d'en déterminer le dopage par profilage des porteurs libres suite à des essais de dopage de type p. Afin de pouvoir utiliser un référentiel planaire nécessaire à ces mesures par sonde locale, un procédé de remplissage par dip-coating et de polissage a été spécialement développé sur des champs de nanofils quasi-verticaux. De plus, dans le but de parvenir à un étalonnage des mesures SCM et SSRM, nous avons conçu et fait fabriquer des échantillons étalons de dopage de type n, contenant des niveaux de Ga en escalier de densité variable de 2×10^17 à 3×10^20 cm^-3. Les mesures sur des coupes transversales de ces deux de structures multicouches ont permis, pour la première fois sur ZnO d'établir un étalonnage des mesures SCM et SSRM et de déterminer le dopage intrinsèque électriquement actif de couches 2D nanométriques, résultat difficilement atteignable par d'autres techniques d'analyse. Des résultats inattendus de concentration résiduelle de porteur de l'ordre de 2×10^18 et 3×10^18 cm^-3 ont été trouvés sur les nanofils de ZnO crus par MOCVD et par CBD respectivement. Outre la caractérisation électrique microscopique des nanofils par SCM et SSRM, des techniques macroscopiques classiques ont été utilisées pour caractériser des assemblées importantes de nanofils de ZnO. L'origine de la difference entre les résultats de deux genres de technique a été discutée. Nous avons aussi étudié les effets des dopages ex-situ par diffusion du phosphore (procédé SOD) et des dopages in situ par incorporation d'antimoine (Sb) pendant la croissance MOCVD. Les résultats majeurs sont obtenus pour l'antimoine, en utilisant des couches ZnO: Sb 2D et des nanofils cœur-coquille ZnO/ZnO: Sb, ou l'hypothèse d'une compensation partielle du dopage n résiduel par un centre accepteur créé par le dopage Sb semble pouvoir être établie raisonnablement<br>Based on atomic force microscope (AFM), scanning capacitance microscopy (SCM) and scanning spreading resistance microscopy (SSRM) have demonstrated high efficiency for two dimensional (2D) electrical characterizations of Si semiconductors at nanoscale and then have been extensively employed in Si-based structures/devices before being extended to the study of some other semiconductor materials. However, ZnO, a representative of the third generation semiconductor material, being considered a promising candidate for future devices in many areas, especially in opto-electronic area, has rarely been addressed. Recently, extensive research interests have been attracted by ZnO NWs for future devices such as LED, UV laser and sensor. Therefore, a good understanding of electrical properties of the NWs is in need. In this context, this thesis work is dedicated to the 2D electrical characterization of ZnO NWs with the focus of carrier profiling on this kind of nanostructure in the effort of their p-type doping. For this purpose, a planarization process has been developed for the NWs structure in order to obtain an appropriate sample surface and perform SCM/SSRM measurements on the top of the NWs. For quantitative analysis, Ga doped ZnO multilayer staircase structures were developed serving as calibration samples. Finally, residual carrier concentrations inside the CBD and MOCVD grown ZnO NWs are determined to be around 3×10^18 cm^-3 and 2×10^18 cm^-3, respectively. The results from SCM/SSRM characterization have been compared with that from macroscopic C-V measurements on collective ZnO NWs and the differences are discussed. In addition to carrier profiling on NWs structure, applications of SCM/SSRM on some other ZnO-based nanostructures are also investigated including ZnO:Sb films, ZnO/ZnO:Sb core-shell NWs structure, ZnO/ZnMgO core-multishell coaxial heterostructures

Depuis 2005, la miniaturisation des composants mémoires, qui, auparavant, suivait la loi de Moore, a ralenti. Ceci a conduit les chercheurs à multiplier les approches pour continuer à améliorer les dispositifs mémoires. Parmi ces approches, la piste des composants ferroélectriques semble très prometteuse. En 2011, une équipe du NamLab, à Dresde, en Allemagne, a découvert que le HfO2 dopé Si pouvait devenir ferroélectrique, avec une couche isolante de seulement 10 nm, ce qui résout le problème de compatibilité avec l’industrie CMOS des matériaux de structure pérovskite. Depuis, d’autres dopants ont été découverts. Cependant, de nouveaux problèmes freinent désormais l’apparition sur le marché des dispositifs ferroélectriques à base de HfO2. Comprendre les mécanismes qui régissent les propriétés ferroélectriques de ces matériaux est alors devenu un enjeu industriel majeur. Dans ce manuscrit, nous étudions le (Hf,Zr)O2 (HZO), et nous employons une technique peu utilisée pour élaborer ce type de matériau : la pulvérisation cathodique magnétron. L’objectif de cette thèse est d’établir des relations entre les conditions de croissance des différents matériaux et les propriétés électriques, de comprendre les mécanismes qui les régissent, ainsi que de rendre viable les dispositifs mémoires. Lors de l’élaboration de condensateurs, nous démontrons que des propriétés cristallochimiques particulières sont indispensables pour obtenir la ferroélectricité, et de nouvelles propriétés du HZO sont découvertes. Ensuite, nous cherchons à dépasser l’état de l’art. Par pulvérisation, nous obtenons parmi les meilleurs résultats au monde. Les tests industriels d’endurance et de rétention sont poussés au-delà de ce qui avait été fait auparavant dans la littérature. En particulier, l’influence des conditions de contraintes électriques y est décrite en détail, et nous mettons en évidence la présence d’une relaxation au cours des différents tests pouvant s’avérer problématique pour l’avènement d’applications industriels. Ce problème ne semble jamais avoir été clairement identifié auparavant<br>Since 2005, the scaling of memory devices, which used to follow Moore's law, slowed down. This lead researchers to conduct multiple approaches in order to keep improving memory devices. Among these approaches, the pathway on ferroelectric components seems very promising. In 2011, a research team from the NamLab in Dresden, Germany, discovered that Si-doped HfO2 could become ferroelectric with an insulating layer of only 10 nm, which resolves the compatibility issue of perovskite-structured materials with CMOS industry. Since then, other dopants have been investigated. However, new issues are now slowing down the emergence of HfO2-based ferroelectric devices on the market. Understanding the mechanisms behind the ferroelectric properties of these materials has, therefore, become a major industrial issue. In this manuscript, we study (Hf,Zr)O2 (HZO), and we perform an under-utilized technique to elaborate this kind of material: magnetron sputtering. The goal of this thesis is to establish connections between the growth conditions of this material and the electrical properties, to understand the mechanisms behind them, as well as to make the memory devices viable. During the fabrication of the capacitors, we demonstrate that the particular cristallochemical properties are essential to obtain ferroelectricity, and that novel HZO properties are discovered. Afterwards, we seek to cross the state of the art. The results we obtain by sputtering are among the best in the world. The industrial endurance and retention tests are pushed beyond what has been done in the literature so far. Particularly, the influence of electrical stress conditions is thoroughly detailed, and we put to evidence the presence of a relaxation during the different tests that could turn out to become problematic for the emergence of industrial applications. It does not seem that this problem has been identified beforehand

Ce travail traite de la croissance épitaxiale et de la caractérisation d’hétérostructures àbase de multi-puits quantiques (MPQ) pour des applications dans le photovoltaïque. Leséchantillons ont été obtenus par la technique d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques(EPVOM) sur des substrats de saphir (0001). La caractérisation structurale etoptique est réalisée par diffraction de rayons X, microscopie électronique en transmission,spectroscopie de photoluminescence et de transmission. Pour étudier la présence de l’effetphotovoltaïque et pour estimer la performance électrique des échantillons, les MPQ ont étéintégrés dans la géométrie de cellules solaires en utilisant de la photolithographie, desattaques réactives ioniques assistées par plasma inductif et des métallisations pour contacterles parties dopées n et p.Nous avons étudié l’influence de différents designs des régions actives InGaN/GaN surles propriétés optiques et électriques des échantillons, c’est-à-dire le nombre de puitsquantiques InGaN, les épaisseurs des puits et des barrières et la composition en indium dansles puits. Deux mécanismes principaux doivent être pris en compte pour une optimisationefficace de composants photovoltaïques: l’absorption des photons et la collections desporteurs. Nous avons montré qu’une augmentation du nombre de MPQ, de leur épaisseur etde la composition d’In améliorait l’absorption, mais causait aussi des pertes dans l’efficacitéde collection du fait de l’augmentation de l’épaisseur de la couche active (champ électriqueplus faible), de la difficulté des porteurs pour s’échapper de puits plus profonds et derelaxation des contraintes (création de défauts structuraux). La décroissance de l’épaisseur desbarrières peut résoudre les deux premiers points, mais le problème de la relaxation de lacontrainte reste entier. Pour notre meilleur design, nous obtenons une efficacité de conversionde 2 % pour des couches 15×In0.18Ga0.82N/GaN qui ont une réponse spectrale qui s’étendjusqu’à 465 nm<br>In this work we report on epitaxial growth and characterization of InGaN/GaN multiquantumwells (MQWs) heterostructures for application in photovoltaic devices. The sampleswere grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) on (0001) sapphire substrate.The structural and optical characterization is performed by X-ray diffraction, transmissionelectron microscopy, photoluminescence spectroscopy and transmission measurements. Toinvestigate the presence of photovoltaic effect and estimate the electrical performance of thesamples, they were processed into solar cells by means of the photolithography, inductivelycoupled plasma reactive-ion etching and metallization to manage n and p contacts.We studied the influence of different InGaN/GaN active region designs on thestructural, optical and electrical properties of the samples, i.e. number of InGaN quantumwells, QW and quantum barrier thicknesses and indium composition in the wells. Two mainmechanisms have to be taken into account for an efficient optimization of photovoltaicdevices: photon absorption and carrier collection. We showed that an increase of the MQWsnumber, their thickness and the In-content allows absorption improvement, but causes lossesin the carrier collection efficiency due to: the increase of the active region thickness (lowerelectric field), the difficulty of the carrier to escape from deeper QWs and the strain relaxation(structural defect creation). The decrease of the barrier thickness can solve the first two issues,but the problem with strain relaxation remains. In the best design, we report the value of2.00% of conversion efficiency for 15×In0.18Ga0.82N/GaN samples with spectral responseextending to 465 nm

La croissance du nombre d'études en électronique moléculaire depuis plusieurs décennies repose sur la perpective fascinante d'utiliser des " briques " moléculaires nanométriques pour la fabrication de composants électroniques. Le travail présenté ici s'inscrit dans cette perspective avec comme particularité d'utiliser les monocouches auto-assemblées (les SAMs) pour former le système moléculaire à étudier. La synthèse de ces travaux de recherche en électronique moléculaire durant ces 10 dernières années à l'IEMN sera présentée en se focalisant plus particulièrement sur quatre aspects de ces activités. Tout d'abord, nous aborderons la problématique de la formation expérimentale de la jonction moléculaire (métal ou semi-conducteur/molécules/métal). Dans ce cadre, nous décrirons la réalisation expérimentale de nombreux types de jonctions moléculaires par: électrodes coplanaires (espacées de 50 µm à 16 nm), masque mécanique, micro-nanopore, contact avec une électrode liquide (eGaIn et Hg) et Conducting AFM. Dans un second temps, nous discuterons des mécanismes de transport électronique au sein de la jonction. Pour cela nous étudierons une technique très utilisée depuis quelques années appelée Transition Voltage Spectrocopy (ou TVS), qui permet théoriquement de remonter au niveau d'énergie de l'orbitale moléculaire impliquée dans le transport électronique au sein de la molécule. Notre approche dans cette partie repose sur l'analyse par TVS d'un grand nombre de jonctions moléculaires formées par différentes techniques, et différentes molécules déposées en SAM (en fait 3 familles de molécules). Les résultats obtenus seront comparés à ceux obtenus par UPS et IPES afin d'estimer la pertinence de la technique TVS. Nous verrons que ce travail met en lumière l'importance de l'interface sur l'interprétation des résultats obtenus par TVS. Le troisième aspect traitera de la réalisation d'un composant moléculaire : le transistor à effet de champ, dont le canal conducteur est constitué d'une SAM. La fabrication à l'aide d'électrodes coplanaires de ce type de composant, nommé Self Assembled Monolayer Field Effect Transistor ou SAMFET, sera décrite. Nous verrons que ce transistor donne des valeurs de mobilités comparables à celles obtenues sur des transistors organiques avec un canal conducteur plus épais. De plus, les tensions nécessaires au fonctionnement de ce SAMFET sont très faibles (inférieures à 2V). C'est la première démonstration de SAMFET avec des tensions de fonctionnement proches du volt. Le quatrième et dernier volet portera sur la réalisation de jonctions moléculaires stimulables, c'est-à-dire des molécules dont la conductance change sous l'effet d'une excitation extérieure. Trois aspects seront détaillés : tout d'abord, nous comparerons les conditions de greffage sur substrat d'or pour des SAMs constituées de molécules dérivées quaterthiophène avec une ou deux fonctions thiol ; puis nous étudierons une molécule déposée en SAM capable de réagir avec des cations Pb2+ et modifier ses propriétés électroniques ; et enfin, nous examinerons des jonctions excitables optiquement nommées commutateurs électro-optiques. Pour ce dernier exemple, la jonction est constituée d'une molécule avec un groupement azobenzène. Ce groupement peut basculer optiquement et réversiblement entre deux isomères. Ces deux isomères ont des conductances différentes, le rapport des conductances moyen a été mesuré à environ 1,5.103 et avec une valeur maximum de 7.103. Ce ratio de conductance entre les deux isomères demeure à ce jour le plus élevé mesuré pour des jonctions moléculaires à base de molécules dérivées azobenzène.

Avec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanent.

De nos jours, l'essor des produits électroniques nomades requièrent une capacité de stockage de données croissante et imposent la fabrication de composants mémoire performants, denses et fiables. Cela implique une grande robustesse des cellules mémoires élémentaires dont les dimensions caractéristiques sont régulièrement réduites. L'objectif principal de la thèse est d'appréhender les mécanismes de claquage d'oxydes minces voire ultraminces intégrés dans des empilements métal/oxyde/semiconducteur. Un intérêt particulier a été porté à la croissance d'îlots cristallins épitaxiés se formant lors de certaines sollicitations électriques et associée aux mécanismes de DBIE (Dielectric Breakdown Induced Epitaxy). L'étude des différents dispositifs (cellules mémoires à grille continue ou discrète, transistors, condensateur) a permis de proposer des corrélations entre la défaillance électrique de ces dispositifs et les défauts microstructuraux générés. Ce travail a été réalisé selon une méthodologie intégrant (i) la sollicitation électrique ; (ii) une préparation d'échantillons adaptée ; (iii) l'identification, l'observation et la caractérisation des défauts par microscopie électronique en transmission (TEM). L'ensemble des études menées a permis d'isoler deux paramètres électriques principaux ayant un rôle prépondérant sur la formation d'îlots de silicium épitaxiés, en lien avec le mécanisme de DBIE : la charge injectée et le courant de compliance. Ces deux paramètres apparaissent comme des facteurs limitant l'emballement thermique qui conduit, en général, à un claquage diélectrique franc de l'oxyde et semblent, par conséquent, retarder la défaillance irréversible d'un dispositif<br>Nowadays, the microelectronic industry had to take up ambitious challenges to satisfy the strong economic demand because of the mobile electronic products booming like smartphones, tablets, or more recently "phablets". These high added value products requires the growth of data storage capacity and, subsequently, to produce high-performance, dense and reliable components. That implies a great cell memories robustness whose critical dimensions are regularly reduced. In this context, the thesis issue is to better understand the breakdown mechanisms of the thin and ultra-thin oxides embedded in metal/oxide/semiconductor stacks. Actually, epitaxial growth of crystalline silicon hillocks was pinpointed. These hillocks grown under electrical stresses and were associated to DBIE mechanisms (Dielectric Breakdown Induced Epitaxy). Device studies allowed to correlate electrical stress conditions and microstructural defects thanks to a 3-steps methodology : (i) electrical stresses leading to microstructural defects ; (ii) sample preparation including defect localization and extraction ; (iii) identification, observation and characterization of defects by transmission electron microscopy (TEM). Two main electrical parameters were identified with factors responsible for hillocks growth linked to DBIE : the injected charge and the compliance current. These parameters seem to limit the thermal runaway inducing hard breakdown. Consequently, it is possible that delays the irreversible device degradation. In addition, hillocks seem to grow preferentially under polysilicon grain boundaries over the SiO2/Si stacks

Au cours de la dernière décennie, la recherche sur les matériaux 2D a considérablement progressé en raison de leurs nouvelles propriétés jusqu'alors inconnues et de leurs potentielles applications en électronique et optoélectronique de nouvelle génération. En particulier, le phosphorène a récemment suscité un vif intérêt car il possède plusieurs propriétés qui le distinguent des autres matériaux 2D. En effet, il présente une bande interdite intrinsèque accordable, qui peut varier de 1,8 eV pour une monocouche atomique à 0,35 eV pour un cristal de phosphore noir, avec une grande mobilité des porteurs et un rapport ON/OFF élevé. Tous ces attributs rendent le phosphorène parfaitement adapté aux applications électroniques et optoélectroniques à l'échelle nanométrique.Inspiré par la recherche réalisée sur le phosphorène noir, une nouvelle structure allotropique 2D du phosphore, le phosphorène bleu, a été théoriquement prédite. Cette structure est en nids d'abeilles et partage de nombreuses caractéristiques avec le phosphorène noir. La synthèse du phosphorène est basée principalement sur les techniques d’exfoliations du phosphore noir. Cependant, la synthèse contrôlée du phosphorène basée sur des processus industriels tels que la croissance par jets moléculaires ou le dépôt chimique en phase vapeur reste un défi majeur pour une intégration future dans des applications industrielles.Dans cette thèse, on présente une étude expérimentale de la croissance du phosphore sur un substrat d’Au(111) et d’Ag(111). Les expériences ont été réalisées en utilisant les techniques ultravides suivantes : la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel (STM-STS), la diffraction d’électrons lents (LEED), la spectroscopie d’électrons Auger (AES), la spectroscopie de photoélectrons (XPS) et la photoémission résolue en angle (ARPES).Dans le chapitre 1, on présentera l’état de l’art de la synthèse du phosphorène.Dans le chapitre 2, on décrira les bases des techniques expérimentales utilisées dans cette thèse.Dans le chapitre 3, on présentera la croissance du phosphore sur une surface d’Au(111). Les images de microscopie à effet tunnel montrent une couche ordonnée du phosphorène bleu alors que les mesures ARPES montrent une valeur du gap au moins égale à 0.8 eV. La réactivité du phosphorène sur la surface d’Au(111) a aussi été étudiée en fonction de la température et nous avons mis en évidence un processus de substitution des atomes d’or avec les atomes de phosphore.Dans le chapitre 4, on présentera la croissance du phosphore sur une surface d’Ag(111). Les images STM montrent une structure 2D du phosphore constituée de pentamères auto-organisés alors que les mesures STS montrent un gap de 1.2 eV. Le dépôt du phosphore donne lieu aussi à la formation de nano-rubans auto-organisés avec un gap de 1.8 eV. Finalement, le dépôt du phosphore à haute température donne lieu la formation d’ilôts monoatomiques auto-organisés.Dans le derrière partie on présentera une conclusion ainsi qu’une perspective de cette étude<br>Over the last decade, the research in 2D materials has grown appreciably, due to their new hitherto unknown properties as well as their great promise for application in next generation electronic and optoelectronic devices. In particularly, phosphorene has recently attracted intensive interest because it has several properties that distinguish it from other 2D materials, including an intrinsic direct band gap, that can be tuned from 1.8 eV for a monolayer to 0.35 eV for bulk black phosphorus crystals, and high carrier mobility with high on/off ratio. All these attributes make it suitable for nano-scale devices.Inspired by the investigation of black phosphorene, a new attractive 2D phosphorus allotrope, blue phosphorene, has been predicted theoretically, which shares many excellent characteristics as black phosphorene with the buckled honeycomb lattice. So far, phosphorene is obtained by exfoliation of black phosphorus. The controlled synthesis of phosphorene, based on industrial processes such as MBE and chemical vapor deposition (CVD), is still a major challenge for further applications.In this thesis, we present an experimental investigation of the epitaxial growth of phosphorus on Au(111) and Ag(111) substrates. The experiments were performed using the following ultra-high vacuum surface science techniques: scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM-STS), low energy electron diffraction (LEED), Auger electron spectroscopy (AES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES).In chapter 1, we present the state of the art on the synthesis of phosphorene.In chapter 2, we describe the basis of the experimental setup and techniques used in this thesis.In chapter 3, we present the growth of blue phosphorene Au(111). The STM images show an extended and ordered layer of blue phosphorene while the ARPES measurements show that the blue phosphorene presents a band gap of at least 0.8 eV. The reactivity of phosphorus on Au(111) versus the temperature of the substrate is studied and we highlight a substitution process between phosphorus atoms and the topmost Au atoms.In chapter 4, we present the growth of 2D phosphorus structures on Ag(111). The STM images show self-assembled 2D layer of phosphorus pentamers while the STS measurements give a band gap of 1.20 eV. Deposition of Phosphorus induces also self-assembled black phosphorene nanoribbons with a band gap value of 1.8 eV. Finally, deposition of phosphorus at elevated temperature induces a self-assembled phosphorus monoatomic islands.In the last part we present a conclusion with a perspective of this study

Pour adresser les nœuds technologiques avancés dans le cadre de la lithographie électronique, une nouvelle stratégie de correction des effets de proximité a été imaginée pour prendre le relai de la technique standard de modulation de dose. Dans ces travaux de thèse, les effets de proximité ont été analysés sur les outils e-beam de dernière génération au sein du LETI. Les limites de la modulation de dose ont aussi été évaluées. Parallèlement, une approche plus fondamentale, basée sur la simulation, a permis de mieux comprendre l'impact des différentes étapes du procédé de lithographie sur les motifs réalisés. Une nouvelle stratégie de correction avancée, appelée exposition multiple, a ensuite été mise au point. Celle-ci fait intervenir des motifs spécifiques appelés eRIF (electron Resolution lmprovement Features) dont l'exposition, couplée à celle des motifs initiaux permet de mieux contrôler la répartition de la dose injectée dans la résine. On parle alors d'expositions multiples. Au cours de ces travaux le positionnement des eRIF, ainsi que leurs dimensions ont fait l'objet d'une étude approfondie. L'élaboration d'algorithmes d'optimisation et la réalisation d'expérimentations en salle blanche ont permis d'optimiser ces paramètres et de mettre en évidence les gains apportés par les eRIF. Par rapport à la modulation de dose, des améliorations significatives ont pu être démontrées sur de véritables circuits intégrés. Grâce à l'exposition multiple, la résolution ultime des outils de lithographie e-beam a été repoussée de 2 nœuds technologiques pour les niveaux les plus critiques d'un circuit. Les règles de dessin retenues pour réaliser les eRIF ont ensuite été intégrées dans des modèles de corrections. via le logiciel de préparation de données INSCALE d'ASELTA NANOGRAPHICS pour assurer une correction automatisée des circuits<br>In electron beam lithography, a new proximity affects correction strategy has been imagined to push the resolution capabilities beyond the limitations of the standard dose modulation. In this work, the proximity affects inherent to e-beam lithography have been studied on the newest e-beam tools available at LETI. First, the limits of the standard dose modulation correction have been evaluated. The influences of each step of the lithographic process have also been analyzed from a theoretical point a view. A simulation approach was built and used to determine the impact of each of these steps on the patterned features. Then, a new writing strategy has been fully developed. It involves sub resolution features known as eRIF (electron Resolution Improvement features) which provide a finer control of the dose profile into the resist. Since the eRIF are exposed a top the nominal features, this new writing strategy is called multiple pass exposure. In this work, the position, the dose and the design of the eRIF have been studied and optimized to get the best of this new strategy. To do so, experiments were led in a clean room environment, and minimization algorithms have been developed. It has been demonstrated that the eRIF provide a significant gain compared to the standard dose modulation. Improvements have been observed even on the most critical levels of the Integrated circuits. By using the multiple pass exposure with optimized eRIF, the resolution capabilities of the e-beam tool have been reduced by 2 technological nodes. The design rules that have been determined to use the eRIF the most efficient way were finally implemented in INSCALE, the new data preparation software developed by ASELTA NANOGRAPHICS. This way, multiple pass exposure can be used in an automated mode to correct full layouts

La réduction des transistors MOSFETs, briques de base des circuits intégrés, ne permet plus d'améliorer efficacement leurs performances. Des leviers technologiques ont été mis en place dans les procédés de fabrication de ces transistors pour y remédier. L'introduction intentionnelle de contraintes constitue l'une de ces solutions. De fait, l'orientation des contraintes en fonction de la direction du canal influence fortement les propriétés de transport des transistors MOSFETs. Les méthodes de calculs de structures de bandes semi-empiriques EPM et */k.p/* dans l'approximation de la fonction enveloppe, ont été développées afin d'étudier les perturbations occasionnées sur la structure électronique des matériaux par l'action conjuguée des contraintes mécaniques et du confinement. L'influence de ces dernières perturbations sur les propriétés de transport a, par la suite, été analysée à l'aide de simulations avancées Monte Carlo "fullband" et Kubo-Greenwood. Les résultats théoriques obtenus ont été confrontés aux données expérimentales de flexion à quatre pointes (Wafer Bending), mesurées au cours de cette thèse. Il apparaît clairement que la prise en compte du couplage complexe des effets de confinement et de contrainte joue un rôle essentiel dans les propriétés de transport des dispositifs MOSFETs actuels. Enfin, chaque étape de modélisation a donné lieu à une discussion des domaines de validité des outils de simulation Dérive-Diffusion et Hydrodynamique, classiquement utilisés dans l'industrie pour la modélisation des dispositifs MOSFETs.

La réduction des dimensions des transistors MOS, brique de base des circuits intégrés, ne permet plus d'augmenter efficacement leurs performances. Une des solutions envisagées actuellement consiste à remplacer le silicium par d'autres semi-conducteurs à haute mobilité (Ge, III-V) comme matériau de canal.<br />A partir de modèles analytiques originaux, calibrés sur des simulations avancées (quantique, Monte Carlo), cette thèse démontre que, à des dimensions nanométriques, les performances attendues de ces nouvelles technologies sont en fait inférieures à celles des composants silicium conventionnels. En effet, les phénomènes quantiques (confinement, fuites tunnel) pénaliseraient davantage les dispositifs à matériaux de canal alternatifs.