Les travaux de these s’inscrivent dans le cadre de deux projets: ReAGaN et ExtremeGaN avec des industriels (UMS, Serma Technologies, Thales TRT) et des laboratoires derecherche (LEPMI, LAAS et l’université de Bristol).Les deux technologies GaN (GH50 et GH25) étudiées dans cette thèse sont fournies parla société United Monolithic Semiconductors (UMS) et elles ont été qualifiées durant cettethèse. Plusieurs composants ont subi des tests de vieillissement accéléré en températureréalisés par UMS, ensuite une campagne de caractérisation électrique approfondie a étéréalisée au laboratoire IMS afin d’étudier les effets parasites et les mécanismes de dégradationqui limitent la fiabilté de cette filière.Le premier chapitre traite les bases du transistor HEMT à base de GaN. Les avantagesdu matériau nitrure de gallium ainsi que les substrats adaptés au HEMT à base de GaN sontprésentés. Une brève description du marché europeen des composants GaN est donnée.Ensuite, la structure ainsi que le fonctionnement du HEMT AlGaN/GaN sont décrit ainsi queles deux technologies d’UMS.Le deuxième chapitre présente les tests de vieillissement utilisés pour l’analyse defiabilité. Ensuite, un état de l’art des effets parasites et des mécanismes de dégradation desHEMTs AlGaN/GaN est donné. Le projet ReAGaN est décrit et les différentes techniques decaractérisation utilisées durant les travaux de cette thèse sont présentées.Le troisième chapitre est divisé en quatre études de cas ; les trois premières sont dans lecadre du projet ReAGaN et la quatrième dans le cadre du projet Extreme GaN. Dans lapremière étude de cas, les mécanismes de conduction qui augmentent les courants de fuitesdes HEMTs AlGaN/GaN issus de la technologie GH50 ont été étudiés. La deuxième étude decas est dédiée à l’étude d’un effet parasite électrique qui apparait après un vieillissementaccéléré en température sur la caractéristique de la diode Schottky en polarisation directe.Dans la troisième étude de cas, l’influence de la variation de la fraction molaire des HEMTsAlGaN/GaN sur les paramètres électriques a été analysée. La dernière étude de cas consiste enla détermination des limites de fonctionnement et l’aire de sécurité de la technologie GH25d’UMS en réalisant les mesures des lieux de claquage en mode diode et en mode transistor. / This thesis is in the framework of two projects: ReAGaN and Extreme GaN withindustrials (UMS, Serma Technologies, Thales TRT) and academics (LEPMI, LAAS andUniversity of Bristol).The studied AlGaN/GaN HEMTs are provided by the society United MonolithicSemiconductors (UMS) from the GH50 and GH25 GaN processes that were qualified duringthis thesis. Many devices were submitted to high temperature accelerated life tests by UMSand characterized at IMS laboratory to study the parasitic effects and degradationsmechanisms that are limiting the electrical reliability of GaN based HEMTs technology.The first chapter gives an overview of the basics of GaN based high electron mobilitytransistors (HEMTs). Gallium Nitride material features are reviewed as well as substratessuited for GaN based devices. GaN market in Europe and the main industrial actors are listed.Furthermore, the structure and operation of GaN based HEMTs are described. In the last part,the two UMS GaN processes are described.The second chapter presents the life tests that are used for reliability studies. State of theart of parasitic effects and degradation mechanisms of AlGaN/GaN HEMTs is given.Furthermore, the ReAGaN project in which the main part of this thesis is involved isdescribed. The electrical characterization techniques used at IMS during this thesis arepresented.The third chapter is divided into four case studies; three case studies are in theframework of ReAGaN project and the fourth one in the Extreme GaN project. In the firstcase study, we investigate the conduction mechanisms inducing the leakage current inAlGaN/GaN HEMTs issued from GH50 process. The second case study is dedicated to thestudy of an electrical parasitic effect that appears on the Schottky diode forward characteristicafter temperature accelerated life tests. In the third case study, we study the influence of Almole fraction on the DC electrical parameters of AlGaN/GaN HEMTs. The last case studyconsists in the determination of the limits and safe operating area (SOA) of UMS GH25 GaNHEMTs by carrying out the two and three terminal breakdown voltages measurements.

Les supercondensateurs présentent un intérêt grandissant pour des applications embarquées. De récentes études (Supercapacitors USA, 2013) montrent que leur intégration dans un véhicule hybridé électriquement peut contribuer à multiplier par deux la durée de vie des batteries. Cependant, leur vieillissement n’est pas totalement maîtrisé et suscite encore de nombreuses interrogations.L’étude menée dans le cadre de cette thèse aborde la problématique du vieillissement du supercondensateur, et sa mise en application dans une chaîne de propulsion électrique haute tension. Les travaux ont porté sur les modes de vieillissements accéléré par floating (tension et température constantes) et par cyclage (charge décharge à courant constant), et ont permis l’élaboration d’un protocole d’essai fiable et répétitif permettant de minimiser les perturbations lors des mesures en modes fréquentiel et continu dites respectivement AC et DC. Les études faites sur le vieillissement par floating ont permis non seulement d’aboutir à une estimation de la durée de vie des supercondensateurs mais aussi d’analyser certaines causes du vieillissement de ces éléments.Durant cette étude nous avons également intégré un pack de supercondensateurs dans une plateforme d’un véhicule électrique équipé d’un pack de batteries au lithium fer phosphate. Cette étude a permis de mettre expérimentalement en évidence l’apport des supercondensateurs lors de phases transitoires (accélération, freinage, sollicitations brusques) et la réduction induite des sollicitations dynamiques sur la batterie. / Ultracapacitors present a growing interesting in at various the embedded applications. Recently published studies show that different integrations of ultracapacitor in the Hybrid Electric Vehicle (HEV) permits to increase the battery’s lifetime up to twice. In the meantime, the aging of ultracapacitor is not fully known and still waits many questions have to be responded.This thesis is studying the aging of the ultracapacitor and their integration in a HEV. The work focused on the accelerated aging in floating mode such as constant voltage and temperature and also in cycling mode such as charge-discharge for a constant current. This study permits us to find a reliable and a repeatable test protocol in order to minimize the noise during the measurement of a frequencial and a continuous mode. In the meantime, the floating mode allows to estimate the supercapacitors’ lifespan and also to determine some reasons of the aging.Besides, we have also included a pack of ultracapacitors in an EV platform based on a pack of lithium iron phosphate. The experimental test demonstrated clearly a contribution of the ultracapacitors during a transient phase (acceleration, braking, sudden stress) and the dynamic strain reduction on the battery.

La convergence des thèmes de recherche abordés au Laboratoire d'Analyse Spectroscopique et d'Energétique des Plasmas (LASEP) de Bourges et dans l'équipe PHOTONIC de l'Université Jagellonne de Cracovie (Pologne) a favorisé le rapprochement de nos activités sur l'étude et le diagnostic des plasmas d'arcs. Les activités présentées dans le cadre de cette habilitation à diriger des recherches, sont orientées vers l'études des interactions arc-électrode, avec une ouverture vers les décharges à pression atmosphérique. Elles couvrent • Les sources de plasma de type arc électrique, avec l'étude de la zone cathodique d'un plasma d'arc éclatant dans l'argon à pression atmosphérique, des phénomènes liés aux effets anodiques (et cathodiques) en soudage MIG-MAG et des processus mis en jeu dans les plasmas d'électro-érosion ; • L'étude de décharges froides hors d'équilibre à pression atmophérique, qu'elles soient - glissantes, avec leurs éventuelles applications à la destruction des composés organiques volatils ou à la génération de radicaux hydrogène; - fixes entre deux pointes, pour l'étude des ondes d'ionisation. • La mise en oeuvre et l'élaboration de nouvelles méthodes de diagnostic de ces sources, par spectroscopies atomique et moléculaire, en émission ou laser, et leur application à la métrologie fine. Elles se situent à l'interface de la recherche fondamentale (développement de méthode de diagnostic laser de milieux plasmagènes et application à la détermination des constantes spectroscopiques fondamentales nécessaires à l'étude des milieux plasmagènes complexes) et de la recherche appliquée (contrôle en ligne des milieux hors d'équilibre utilisés en dépollution, et des plasmas thermiques pour la soudure ou la découpe). Les différents thèmes de recherche développés à ce jour ont été réalisés au GREMI, puis au LASEP (Université d'Orléans), en collaboration avec l'équipe de Cracovie. La spectroscopie constitue certainement le trait d'union principal de ces travaux, tant il est vrai que le diagnostic spectroscopique se révèle essentiel pour l'étude des différents milieux plasmagènes développés au laboratoire.

Les sources cohérentes dans l'infrarouge proche sont très prometteuses pour de nombreuses applications, que ce soit en spectroscopie d'absorption pour la détection de gaz ou en imagerie médicale. Actuellement le Cr:ZnSe est un excellent matériau laser utilisé par pompage optique qui peut émettre de façon accordable entre 2 et 3 μm. Nous présentons ici nos résultats sur le phénomène d'électroluminescence infrarouge dans le Cr:ZnSe monocristallin. Obtenir une émission infrarouge par pompage électrique constitue en effet le premier pas vers la réalisation d'un laser pompé électriquement à base de Cr:ZnSe Dans cet objectif, nous avons exploré les mécanismes d'excitation électro-optique dans un cristal massif, couplée à une étude phénoménologique des propriétés mécaniques et chimiques du matériau. Nos résultats de photoconductivité résolue spectralement (visible et proche ultra-violet) et de photoluminescence infrarouge exaltée par un champ électrique montrent l'intérêt d'une double excitation optique et électrique pour atteindre une émission efficace.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale des propriétés de stabilité et d'écoulement d'empilements granulaires confinés.<br />Nous avons tout d'abord étudié la stabilité d'un empilement granulaire confiné entre deux parois latérales et vu comment il était possible de modifier l'angle de repos d'un tel empilement en modifiant les propriétés de contact bille/paroi, notamment en utilisant un champ électrique extérieur. Nous avons ensuite étudié les propriétés générales d'écoulements stabilisés dynamiquement (SSH) , l'angle d'écoulement, leur taux de cisaillement et leur compacité en fonction des paramètres de contrôle (l'écart entre les parois latérales et le débit imposé).<br />Dans un deuxième temps nous avons réalisé une étude plus fine d'écoulement de type SSH. En combinant deux méthodes de mesure nous avons pu obtenir un profil de vitesse moyen d'écoulement sur plus de 10 décades. Les grains situés dans la phase quasi-statique d'écoulements SSH ont un mouvement intermittent de type « cage ». Ceci nous a permis de donner une interprétation de la décroissance exponentielle de la vitesse avec la profondeur ainsi que de la diminution du coefficient de frottement effectif aux parois obtenus numériquement.<br />Dans un dernier temps nous avons abordé l'érosion d'un empilement confiné lorsque l'on cesse de l'alimenter.

La méthode du potentiel spontané est l'une des seules méthodes géophysiques (avec les mesures de température) à être directement sensible aux écoulements en milieu poreux. En effet, un écoulement de fluide en milieu poreux génère un champ électrique qu'il est possible de mesurer en surface (on parle de phénomène électrocinétique). L'objectif de ce travail de thèse est de montrer l'intérêt et l'utilité de cette méthode dans la détection des fuites ainsi que dans l'estimation des débits de fuite au sein des ouvrages hydrauliques que constituent les digues et les barrages. La simplicité de mise en oeuvre de cette méthode permet une investigation rapide des ouvrages hydrauliques et un diagnostic direct de la présence de fuites. Le travail présenté ici met en application cette méthode de potentiel spontané, aussi bien sur des ouvrages longs (les digues) que sur des ouvrages plus petits en termes d'extension horizontale (les barrages). Dans le cadre de ce travail, différentes investigations ont été réalisées, et de nouvelles techniques ont été développées, basées sur le principe de la mesure de potentiel électrique issu du phénomène électrocinétique, ont été développées dans le but de faciliter la détection, la quantification de zones de fuites éventuelles, ainsi que le rendement des mesures. Nous avons pu, par ailleurs, estimer le débit de fuite d'une digue en terre par méthode inverse à l'aide d'un couplage entre informations sur le potentiel spontané (cartographie) et sur la résistivité électrique (coupe). Le développement de la méthode inverse pour les digues s'est finalisé par l'élaboration d'un système d'inversion automatisé des signaux de potentiel spontané. Les résultats obtenus au cours de cette thèse permettent de valider l'intérêt de la méthode de potentiel spontané pour la localisation et de la détection des zones d'écoulements préférentiels dans les digues et les barrages.

Depuis quelques années, avec les progrès en électronique de puissance et pour améliorer les performances, le confort et la sécurité des utilisateurs, l'électricité devient le vecteur énergétique principal en remplacement de l'hydraulique et du pneumatique dans les domaines de l'automobile, du naval et de l'aéronautique.<br /> Airbus ne se situe pas en dehors de cette évolution. Son objectif à moyen terme est de rationaliser l'énergie à bord pour aller vers un avion de plus en plus électrique : les systèmes alimentés par l'énergie hydraulique et pneumatique (commande de vol, conditionnement d'air...) seront remplacés par l'énergie électrique, plus facile à acheminer. Ainsi, la puissance électrique installée augmente rapidement : 275 kVA pour l'Airbus A320, 900 kVA pour l'Airbus 380, autour de 1 MVA pour le futur Airbus A30X de type «bleedless ». Pour répondre aux enjeux posés par cette montée en puissance, une nouvelle architecture du système électrique est nécessaire. <br /> L'objectif de cette thèse est d'étudier et de créer des méthodes et des outils pour l'optimisation du dimensionnement d'un système électrique embarqué de manière à répondre à un certain nombre de critères (masse, coût, fiabilité) tout en respectant un certain nombre de contraintes (qualité réseau, stabilité). Ces méthodes et outils sont ici utilisés pour traiter le problème de la conception : un canal de puissance d'un réseau du bord de la nouvelle génération d'avion Airbus (type «bleddless »).

Ces travaux portent sur la micromanipulation, manipulation des objets dont la taille est comprise entre 1 micron et 1 mm. Le comportement de ces objets est fortement perturbé par les forces d'adhésion et les forces surfaciques, rendant les tâches de manipulation complexes et peu répétables. Nous démontrons que l'immersion des micro-objets artificiels dans l'eau permet de réduire sensiblement ces forces par rapport à l'air ou le vide.<br />Dans ce contexte, nous proposons un principe innovant de micromanipulation immergée par changement de phase. Le micro-objet est saisi à l'aide d'un microvolume de glace créé dans l'eau et relâché par fonte de la glace sans effets perturbateurs dus aux forces d'adhésion. Le prototype expérimental réalisé a permis de valider ce principe sur des objets d'une taille typique de 600 microns. L'étude du fonctionnement du système, basé sur deux modules à effet Peltier, nécessite une modélisation thermique que nous proposons de mener en utilisant l'analogie électrique. La modélisation de géométries de type élancée, semblable à celle d'un radiateur de notre système et également couramment utilisée dans les micro-actionneurs thermiques, a été effectuée. Cette étude originale dépasse notre cadre applicatif, pouvant être utilisée plus généralement dans les microsystèmes thermiques. Cet outil de modélisation thermique a aussi conduit à la modélisation du prototype, validée expérimentalement. <br />Ces travaux ont permis la production d'un outil de simulation thermique pour les microsystèmes et d'une méthode de micromanipulation originale et prometteuse. Les perspectives portent sur l'étude de la commande du système afin d'être implanté dans un contexte applicatif.

Cette étude s'intéresse à l'aspect de la non-unifromité de la distribution de la pollution sur la tension de contournement des isolateurs des réseaux électriques

Dans des hétérostructures semiconductrices à basse température, il est possible de réaliser des systèmes d'électrons purement bidimensionnels de densité électronique variable. A basse densité, la théorie prédit que les corrélations entre électrons dominent les fluctuations quantiques, conduisant à un état collectif tel le cristal de Wigner. Dans les systèmes réels, la présence de désordre rend la situation plus complexe : l'observation récente d'une transition métal-isolant, non prévue par les théories d'électrons indépendants, pose la question de la compétition entre les interactions et le désordre en dimension deux. Ce travail présente des mesures de transport en fonction du champ électrique, et des mesures de fluctuations de résistance, à très basse température dans des gaz bidimensionnels de trous formés dans des puits quantiques SiGe et GaAs. Dans ces systèmes, la masse effective élevée des porteurs et la faible densité permettent d'atteindre un régime pour lequel les interactions ne sont plus négligeables. Dans les échantillons désordonnés (SiGe), pour lesquels les lois de transport peuvent être expliquées dans le cadre de particules indépendantes, les effets de champ électrique sont dus au chauffage des porteurs. Par contre, dans les échantillons moins désordonnés (GaAs), les lois de transport en température et en champ électrique à très faible densité sont en accord avec l'existence d'une phase collective. Dans les échantillons GaAs, les mesures de fluctuations de résistance, ou bruit en 1/f, montrent l'existence d'une transition de phase à basse densité. Ces résultats sont compatibles avec les scénarios de formation d'une phase collective en présence de désordre par l'intermédiaire d'une transition de percolation.