Les travaux de la thèse ont porté sur l'étude, la réalisation, la caractérisation et la modélisation de films 2D à base de nanotubes de carbone. Dans le premier chapitre nous avons présenté des généralités sur les nanotubes de carbone. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux jonctions nanotube-nanotube et plus particulièrement à la modélisation du transport dans les différents types de jonction (M/M), (M/SC) et (SC/SC). Avec le deuxième chapitre nous avons entamé l'étude des films 2D à base de nanotubes de carbone. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés au transport électrique dans ces structures fortement inhomogènes, en particulier en décrivant les modèles analytiques rendant compte du phénomène de percolation tant au niveau de la conductance que du bruit en 1/f. La seconde partie du chapitre est entièrement consacrée à la fabrication et la caractérisation physico-chimique des films 2D L'objectif principal du troisième chapitre est la modélisation des films 2D de nanotubes de carbone. Par rapport aux autres modèles utilisés dans la littérature, le modèle développé dans cette partie est le seul à prendre en compte la nature physique de chaque jonction tube-tube : (M/M) ou (M/SC) ou (SC/SC). Notre modèle prend ainsi en compte les non linéarités des jonctions. La résolution numérique de ce système est optimisée : i) en utilisant la technique MNA, technique dont le principe consiste à linéariser chaque dipôle du circuit. ii) en parallélisant les calculs sur un cluster informatique d'une centaine de cœurs. Pour le calcul du bruit la même technique est utilisée mais avec, dans ce cas, l'utilisation de la méthode du réseau adjoint. Dans le quatrième chapitre, nous avons, dans un premier temps, présentés et analysés nos résultats expérimentaux concernant la mesure de la conductance et du bruit en 1/f. Quelles que soient les conditions de dépôt nous avons toujours observé un comportement de type percolation au niveau des grandeurs mesurées, conductance et niveau de bruit en 1/f. Nous avons utilisé les paramètres d'ajustement des lois de percolation pour comparer et analyser nos résultats. Il en ressort que l'impact du surfactant sur l'homogénéité de la solution, se retrouve au niveau des résultats électriques des couches déposées, montrant l'avantage d'utiliser du sel biliaire. Quant à l'influence de la densité des tubes, comme attendu, la conductance augmente avec celle-ci. Par contre nous avons remarqué que le bruit en 1/f était beaucoup plus sensible à ce paramètre, avec en particulier un changement significatif au niveau des paramètres de percolation en bruit mis en évidence à forte densité de nanotubes. La deuxième partie de ce chapitre est dédiée à la simulation des paramètres électriques de nos structures expérimentales. Nous avons paramétré l'énergie et la largeur des barrières de potentiel entre chaque jonction. Ces paramètres sont ajustés à partir des résultats expérimentaux et sont fonction de la nature du surfactant. Les résultats de ces simulations concernant la conductance et le niveau de bruit en 1/f s'accordent avec les mesures et dans tous les cas les lois de percolation macroscopique sont respectées, ce qui valide nos modèles ainsi que la possibilité d'intégrer de façon réaliste la différence structurale des surfactants. Pour rendre compte de la déviation de la loi macroscopique de percolation du bruit en 1/f, observée sur les films déposés à partir de solution à forte densité de surfactant, nous avons au niveau des simulations introduit et modulé le nombre d'amas (clusters) de nanotubes en fonction de la densité des couches. Là encore le bon accord observé avec les résultats expérimentaux nous permet de valider la présence d'inhomogénéités dues aux clusters de nanotubes dans nos dépôts. / In this thesis we have focused on the fabrication, the characterization, and the modeling of 2D films based on carbon nanotubes.In the first chapter, we have presented general informations on carbon nanotubes. Then we are interested in the nanotube-nanotube junctions and particularly the modeling of transport in different types of junction (M/M), (M/SC) and (SC/SC).In the second chapter we have presented a study of 2D films based on carbon nanotubes. At first we present the electrical transport in these structures strongly inhomogeneous, especially in describing the analytical models accounting for the percolation phenomenon both in the conductance and 1/f noise. The second part of the chapter is devoted entirely to the manufacture and physico-chemical characterization of 2D films.The main objective of the third chapter is the modeling of 2D films of carbon nanotubes. Compared to other models described in the literature, the model developed in this section is the only one that take into account the physical nature of each tube-tube junction (M/M) or (M/SC) or (SC/SC). Our model takes into account the junction nonlinearity. The numerical solution of the system is optimized: i) using the MNA technique whose principle is to linearize each dipole in the circuit. ii) parallelizing computations on a computer cluster of a hundred core. For the noise simulation, the same technique is used but in this case, we have used the adjoint network method. In the fourth chapter, we have, at first, presented and analyzed our experimental results for conductance and 1/f noise. Whatever the deposition conditions we always observed a percolation-like behavior of our results. We used the fitting parameters of the percolation laws to compare and analyze our results. It appears that the impact of the surfactant on the homogeneity of the solution is found in the electrical measurement results of deposited films. As for the influence of the density of the tubes, as expected, the conductance increases with the increase of nanotubes density. We noticed that the 1/f noise was much more sensitive to this parameter, with in particular a significant change in the noise percolation parameters revealed at high density of nanotubes. The second part of this chapter is dedicated to the simulation of the electrical parameters of our experimental structures. These parameters are adjusted on the basis of experimental results and are based on the nature of the surfactant. The results of these simulations for the conductance and 1/f noise agree with measurements and in all cases the macroscopic percolation laws are respected, which validate our models. To bring to the fore the deviation from the noise percolation law observed in films deposited from solution with a high density of surfactant, we have introduced in our simulated structures a number of clusters of nanotubes according to the density of the deposited layers. Once again we observed a good agreement with the experimental results allowing us to validate the presence of clusters of nanotubes in our deposited films.

En microscopie à force atomique (AFM), l'étude des échantillons est réalisée à l'aide d'une pointe montée sur un microlevier. Le coeur de la technique est la mesure de la force d'interaction pointe-surface, directement proportionnelle à la déflexion du levier. Plus généralement, la compréhension profonde des propriétés mécaniques des microstructures joue un rôle significatif dans le développement des microsystèmes électromécaniques (MEMS), ou encore de capteurs chimiques ou biologiques miniatures.<br /><br />Au delà du dispositif traditionnel de mesure de déflexion angulaire, nous avons conçu et réalisé un AFM avec une détection interférométrique différentielle (entre la base encastrée et l'extrémité libre du levier). La résolution ultime est de 10^-14 m/Hz^1/2, la mesure est de plus intrinsèquement calibrée, indifférente aux dérives thermiques lentes et sans limitation de la plage d'amplitude de la déflexion. <br /><br />Grâce à notre dispositif, nous mesurons le bruit thermique le long du levier. Une reconstruction de la forme spatiale des quatre premiers modes propres en flexion révèle un excellent accord avec le modèle de poutre de Euler-Bernoulli. Un ajustement simultané sur les quatre résonances thermiquement excitées est réalisé à l'aide d'un seul paramètre libre : la raideur du levier, qui est ainsi mesurée avec une grande précision et robustesse. <br /><br />Les fluctuations thermiques de déflexion à basse fréquence démontrent qu'un modèle d'oscillateur harmonique avec dissipation visqueuse n'est plus pertinent hors résonance. De plus, on observe des différences substantielles entre les leviers avec et sans revêtement métallique. Pour ces derniers, l'approche hydrodynamique de Sader rend compte fidèlement du comportement des fluctuations en dessous de la résonance dans l'air. La présence du revêtement introduit une deuxième source de dissipation : la viscoélasticité. Elle se manifeste comme un bruit en 1/f à basse fréquence. L'utilisation du Théorème Fluctuation-Dissipation (TFD) et des relations de Kramers-Kronig permettent une caractérisation complète de la réponse du levier à l'aide des spectres de fluctuations. Une estimation quantitative de la viscoélasticité et de sa dépendance en fréquence est notamment obtenue.

La thèse de Giovanni BETTI BENEVENTI portes sur la caractérisation électrique et la modélisationphysique de dispositifs de mémoire non-volatile à changement de phase. Cette thèse a été effectuée dans le cadre d'une cotutelle avec l'Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia (Italie).Le manuscrit en anglais comporte quatre chapitres précédés d'une introduction et terminés par uneconclusion générale.Le premier chapitre présent un résumé concernant l'état de l'art des mémoires a changement de phase. Le deuxième chapitre est consacré aux résultats de caractérisation matériau et électrique obtenus sur déposition blanket et dispositifs de mémoire à changement de phase (PCM) basées sur le nouveau matériau GeTe dopé carbone (GeTeC).Le chapitre trois s'intéresse à l'implémentation et à la caractérisation expérimentale d'un setup demesure de bruit a basse fréquence sur dispositifs électroniques a deux terminaux développé auxlaboratoires de l'Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia en Italie.Enfin, dans le dernier chapitre est présentée une analyse rigoureuse de l'effet d'auto-chauffage Joulesur la caractéristique I-V des mémoires a changement de phase intégrant le matériau dans la phase polycristalline.

La détection IR quantique met classiquement en jeu l'absorption de photons dans le matériau semi-conducteur II-VI CdHgTe. Cet alliage présente la particularité de permettre un ajustage du gap du semi-conducteur aux longueurs d'onde couvrant toute la gamme IR en jouant simplement sur la composition de l'alliage, ce qui en fait un matériau de choix. Cependant,les petits gaps en jeu ici imposent un refroidissement des plans focaux à des températures généralement cryogéniques (typiquement la centaine de Kelvins). Ce refroidissement représente naturellement une limite importante dans l'exploitation, l'encombrement et le coût de tels détecteurs.Un des grands défis à venir dans le domaine de la détection IR quantique est la détection à plus haute température. Une figure de mérite populaire pour examiner le fonctionnement de ces détecteurs est le courant d'obscurité qui reflète son bruit, dans le cas d'un détecteur limité par le bruit de courant (shot noise). Or, du fait des propriétés électriques du matériau semi-conducteur utilisé, ce courant d'obscurité augmente fortement avec le réchauffement du détecteur et rend son utilisation impossible à haute température. De plus, un autre phénomène apparaît également limiter le fonctionnement de nos photo-détecteurs : à hautes températures apparaît du bruit 1/f dont l'origine n'est pas parfaitement comprise aujourd'hui (matériau bulk ou interfaces, le débats reste ouvert…).Ce travail de thèse a pour objectif de comprendre les phénomènes physique régissant le bruit 1/f dans les photodiodes CdHgTe à travers la variation d'un bon nombre de paramètres physique et géométriques en vue de mettre en évidence la ou les corrélations de ce bruit avec ces variantes. / The IR sensor makes quantum conventionally involves the absorption of photons in the semiconductor CdHgTe II -VI material . This alloy has a feature to allow an adjustment of the gap of the semiconductor at wavelengths covering the whole IR range by simply varying the composition of the alloy, which makes it a material of choice . However, small gaps at stake here impose a focal cooling to cryogenic temperatures generally planes ( typically hundred Kelvins ) . This cooling naturally represents an important limitation in the operation , the size and cost of such detectors .One of the great challenges ahead in the field of quantum IR detection is the detection at higher temperatures . A figure of merit for popular review the operation of these sensors is the dark current , which reflects its sound , in the case of a noise-limited current ( shot noise) detector. However, because the electrical properties of the semiconductor material used , the dark current increases sharply with the heating of the detector and makes it impossible to use at high temperature . In addition, another phenomenon also appears to limit the functionality of our photo-detectors: high temperature appears on the 1 / f noise whose origin is not fully understood today ( or bulk material interfaces , the debate remains open ... ) .To understand the physical phenomena governing the 1 / f noise in HgCdTe photodiodes through the variation this thesis aims to lots of physical and geometrical parameters in order to highlight the correlations or noise with these variants .

Depuis quelques décennies, la technologie de contrôle de la fréquence a été au coeur de l'électronique des tempsmodernes grâce à son vaste domaine d'applications dans les systèmes de communication, les ordinateurs, les systèmesde navigation ou de défense militaire. Les dispositifs temps-fréquence fournissent des stabilités de fréquence et despuretés spectrales élevées dans le domaine de la stabilité court-terme. L'amélioration de la performance de cesdispositifs reste un grand défi pour les chercheurs. La réduction du bruit afin d'augmenter cette stabilité court-terme etd'éviter les commutations non souhaitées entre les canaux est donc très souhaitable. Il est communément admis que lalimitation fondamentale à cette stabilité court-terme est due au bruit flicker de fréquence des résonateurs. Dans cemanuscrit, un premier chapitre rappelle quelques faits de base sur l’acoustique, la cristallographie et les définitions dudomaine temps-fréquence nécessaires à l’étude des résonateurs et oscillateurs ultra-stables. Le deuxième chapitre estconsacré à un résumé de la littérature sur le bruit de fréquence en 1/f. Ensuite, le troisième chapitre concerne nos étudessur le modèle quantique de bruit en 1/f du Pr. Handel, qui, bien que critiqué par beaucoup, est encore le seul qui fournitune estimation de l'amplitude de plancher de bruit en 1/f et qui n'est pas infirmé par les données expérimentales. Dans lequatrième chapitre, une autre approche, basée sur le théorème de fluctuation-dissipation, est utilisée afin de mettre descontraintes numériques sur un modèle de bruit en 1/f causé par une dissipation interne (ou de structure) proportionnelleà l'amplitude, et non à la vitesse. Le dernier chapitre est consacré aux résultats expérimentaux. Le design et lesparamètres du résonateur ultra-stable utilisé lors de cette étude sont décrits. Les mesures de bruit de phase sur plusieurslots de résonateurs sont données. Les mesures des paramètres de résonateur ont été effectuées à basse température afinde les corréler avec les résultats de bruit. Afin d'évaluer rapidement la qualité des différents résonateurs, une autreapproche dans le domaine temporel a été testée. Elle utilise des oscillations pseudo-périodiques transitoires mettant lesoscilloscopes numériques actuellement disponibles à leurs limites de capacité. Enfin, les conclusions et perspectivessont présentées. / Since a few decades, frequency control technology has been at the heart of modern day electronics due to its huge areaof applications in communication systems, computers, navigation systems or military defense. Frequency controldevices provide high frequency stabilities and spectral purities in the short term domain. However, improvement of theperformance of these devices, in terms of frequency stability, remains a big challenge for researchers. Reducing noise inorder to increase the short term stability and avoid unwanted switching between channels is thus very desirable. It iscommonly admitted that the fundamental limitation to this short-term stability is due to flicker frequency noise in theresonators. In this manuscript, a first chapter recalls some basic facts about acoustic, crystallography and definitions oftime and frequency domain needed to explore ultra-stable resonators and oscillators. The second chapter is devoted to asummary of the literature on flicker frequency noise. Then, the third chapter concerns our studies on Handel’s quantum1/f noise model, which although criticized by many, is still the only one that provides an estimation of the flooramplitude of 1/f noise that is not invalidated by experimental data. In the fourth chapter, another approach, based on thefluctuation-dissipation theorem, is used in order to put numerical constraints on a model of 1/f noise caused by aninternal (or structural) dissipation proportional to the amplitude and not to the speed. The last chapter is devoted toexperimental results. An ultra-stable resonator used during this study is described. Phase noise measurements on severalbatches of resonators are given. Measurements of resonator parameters have been done at low temperature in order tocorrelate them with noise results. Another approach with a procedure that use transient pseudo periodic oscillations andput to their limits the capacities of presently available digital oscilloscopes, is presented, in order to assess rapidly thequality of various resonators. Finally, conclusions and perspectives are given.

Les transistors ayant un faible niveau de bruit à basse fréquence, une faible puissance de dissipation et fonctionnant à basse température (≤ 4.2 K) sont actuellement inexistants alors qu’ils sont très demandés pour la réalisation de préamplificateurs à installer au plus près des détecteurs ou des dispositifs à la température de quelques dizaines de mK, dans le domaine de l’astrophysique, de la physique mésoscopique et de l’électronique spatiale. Une recherche menée depuis de nombreuses années au LPN vise à réaliser une nouvelle génération de HEMTs (High Electron Mobility Transistors) cryogéniques à haute performance pour répondre à ces demandes. Cette thèse, dans le cadre d’une collaboration entre le CNRS/LPN et le CEA/IRFU, a pour but la réalisation de préamplificateurs cryogéniques pour des microcalorimètres à 50 mK.Les travaux de cette thèse consistent en des caractérisations systématiques des paramètres électriques et des bruits des HEMTs (fabriqués au LPN) à basse température. En se basant sur les résultats expérimentaux, l’une des sources de bruit à basse fréquence dans les HEMTs a pu être identifiée, c’est-à-dire la part du courant tunnel séquentiel dans le courant de fuite de grille. Grâce à ce résultat, les hétérostructures ont été optimisées pour minimiser le courant de fuite de grille ainsi que le niveau de bruit à basse fréquence. Au cours de cette thèse, différentes méthodes spécifiques ont été développées pour mesurer de très faibles valeurs de courant de fuite de grille, les capacités du transistor et le bruit 1/f du transistor avec une très haute impédance d’entrée. Deux relations expérimentales ont été observées, l’une sur le bruit 1/f et l’autre sur le bruit blanc dans ces HEMTs à 4.2 K. Des avancées notables ont été réalisées, à titre d’indication, les HEMTs avec une capacité de grille de 92 pF et une consommation de 100 µW peuvent atteindre un niveau de bruit en tension de 6.3 nV/√Hz à 1 Hz, un niveau de bruit blanc de 0.2 nV/√Hz et un niveau de bruit en courant de 50 aA/√Hz à 10 Hz. Enfin, une série de 400 HEMTs, qui répondent pleinement aux spécifications demandées pour la réalisation de préamplificateurs au CEA/IRFU, a été réalisée. Les résultats de cette thèse constitueront une base solide pour une meilleure compréhension du bruit 1/f et du bruit blanc dans les HEMTs cryogéniques afin de les améliorer pour les diverses applications envisagées. / Transistors with low noise level at low frequency, low-power dissipation and operating at low temperature (≤ 4.2 K) are currently non-existent, however, they are widely required for realizing cryogenic preamplifiers which can be installed close to sensors or devices at a temperature of few tens of mK, in astrophysics, mesoscopic physics and space electronics. Research conducted over many years at LPN aims to a new generation of high-performance cryogenic HEMTs (High Electron Mobility Transistors) to meet these needs. This thesis, through the collaboration between the CNRS/LPN and the CEA/IRFU, aims for the realization of cryogenic preamplifiers for microcalorimeters at 50 mK.The work of this thesis consists of systematic characterizations of electrical and noise parameters of the HEMTs (fabricated at LPN) at low temperatures. Based on the experimental results, one of the low-frequency-noise sources in the HEMTs has been identified, i.e., the sequential tunneling part in the gate leakage current. Thanks to this result, heterostructures have been optimized to minimize the gate leakage current and the low frequency noise. During this thesis, specific methods have been developed to measure very low-gate-leakage-current values, transistor’s capacitances and the 1/f noise with a very high input impedance. Two experimental relationships have been observed, one for the 1/f noise and other for the white noise in these HEMTs at 4.2 K. Significant advances have been made, for information, the HEMTs with a gate capacitance of 92 pF and a consumption of 100 µW can reach a noise voltage of 6.3 nV/√ Hz at 1 Hz, a white noise voltage of 0.2 nV/√ Hz, and a noise current of 50 aA/√Hz at 10 Hz. Finally, a series of 400 HEMTs has been realized which fully meet the specifications required for realizing preamplifiers at CEA/IRFU. The results of this thesis will provide a solid base for a better understanding of 1/f noise and white noise in cryogenic HEMTs with the objective to improve them for various considered applications.

L'objet de ce mémoire est de présenter le travail effectué au cours de cette thèse qui était de caractériser électriquement et de modéliser le transport électrique de trois architectures de transistors MOS pour des filières 50nm et en deçà : CMOS Si à oxyde ultrafin, nMOS Si:C et pMOS SiGe. Afin d'étudier les effets de canaux courts sur ces dispositifs nous avons proposé et/ou optimisé plusieurs procédures d'extraction de paramètres ainsi que plusieurs modèles physiques analytiques décrivant le comportement des principaux paramètres électriques de ce type de transistors aux longueurs de grille décananométriques. Ainsi, une méthode expérimentale complète et un modèle pour la partition du courant de grille ont été validés pour les transistors à oxyde ultrafin. Une optimisation de la méthode Split C-V pour les canaux courts a été validée donnant de précieux renseignements sur la mobilité des transistors MOS ultracourts. Un modèle a été validé pour le bruit 1/f des transistors à canal enterré SiGe sub-0,1μm. Toutes ces méthodes nous ont permis de montrer que les transistors à oxyde ultrafins gardaient de très bonne propriétés de transport électrique jusqu'à 30nm de longueur de grille, que les nMOS Si:C était une alternative fiable au fort dopage canal pour contrôler les effets de canaux courts des nMOS sub-0,1μm et que les pMOS SiGe avaient un niveau de bruit 1/f plus faible en forte inversion même aux longueurs de grille décanamométriques

La thèse de Giovanni BETTI BENEVENTI portes sur la caractérisation électrique et la modélisationphysique de dispositifs de mémoire non-volatile à changement de phase. Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’une cotutelle avec l’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia (Italie).Le manuscrit en anglais comporte quatre chapitres précédés d’une introduction et terminés par uneconclusion générale.Le premier chapitre présent un résumé concernant l’état de l’art des mémoires a changement de phase. Le deuxième chapitre est consacré aux résultats de caractérisation matériau et électrique obtenus sur déposition blanket et dispositifs de mémoire à changement de phase (PCM) basées sur le nouveau matériau GeTe dopé carbone (GeTeC).Le chapitre trois s’intéresse à l’implémentation et à la caractérisation expérimentale d’un setup demesure de bruit a basse fréquence sur dispositifs électroniques a deux terminaux développé auxlaboratoires de l’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia en Italie.Enfin, dans le dernier chapitre est présentée une analyse rigoureuse de l’effet d’auto-chauffage Joulesur la caractéristique I-V des mémoires a changement de phase intégrant le matériau dans la phase polycristalline. / Within this Ph.D. thesis work new topics in the field of Non-Volatile Memories technologies have been investigated, with special emphasis on the study of novel materials to be integrated in Phase-Change Memory (PCM) devices, namely:(a) Investigation of new phase-change materialsWe have fabricated PCM devices integrating a novel chalcogenide material: Carbon-doped GeTe (or simply, GeTeC). We have shown that C doping leads to very good data retention performances: PCM cells integrating GeTeC10% can guarantee a 10 years fail temperature of about 127°C, compared to the 85°C of GST. Furthermore, C doping reduces also fail time dispersion. Then our analysis has pointed out the reduction of both RESET current and power for increasing carbon content. In particular, GeTeC10% PCM devices yield about a 30% of RESET current reduction in comparison to GST and GeTe ones, corresponding to about 50% of RESET energy decrease.Then, resistance window and programming time of GeTeC devices are comparable to those of GST.(b) Advanced electrical characterization techniquesWe have implemented, characterized and modeled a measurement setup for low-frequency noise characterization on two-terminal semiconductor devices.(c) Modeling for comprehension of physical phenomenaWe have studied the impact of Self-induced Joule-Heating (SJH) effect on the I-V characteristics of fcc polycrystalline-GST-based PCM cells in the memory readout region. The investigation has been carried out by means of electrical characterization and electro-thermal simulations.