La réduction des dimensions des dispositifs MOSFET devient de plus en plus complexe a réalisé, et les nouvelles technologies MOSFET se confrontent à de fortes difficultés. Pour surmonter ce problème, une nouvelle technique, appelée intégration 3D VLSI, est étudiée : remplacer la structure plane conventionnelle par un empilement vertical de transistors.En particulier, l’intégration 3D séquentielle ou CoolCube™ au CEA-Leti permet de profiter pleinement de la troisième dimension en fabriquant séquentiellement les transistors. La réalisation d’une telle intégration apporte une nouvelle contrainte, celle de fabriquer le transistor du dessus avec un budget thermique faible (inférieur à 500°C), afin de préserver les performances du transistor d'en dessous. Puisque ce budget thermique est principalement influencé par l'activation des dopants, plusieurs techniques innovatrices sont actuellement investiguées au CEA-LETI, afin de fabriquer le drain et la source. Dans ce manuscrit, nous utiliserons la recristallisation en phase solide comme mécanisme pour activer les dopants (inférieures à 600 °C). L’objectif de cette thèse est donc de fabriquer et de caractériser des transistors dont l’activation des dopants est réalisée grâce à ce mécanisme, afin d’atteindre des performances similaires à des transistors réalisés avec un budget thermique standard. Ce travail est organisé autour de l’activation des dopants, et en trois chapitres, où chaque chapitre est spécifique à une intégration (« Extension Last »/ « Extension First », « Gate Last »/ « Gate First ») et à une architecture (FDSOI, FINFET) considérées. Ces chapitre permettront, grâce aux caractérisations électriques, morphologiques et aux simulations, de développer un procédé de recristallisation stable à 500°C, à la fois pour les nMOS et les pMOS, et de proposer de nouveaux schémas d’intégrations, afin de réaliser des transistors à faible budget thermique et compatibles avec l’intégration 3D Séquentielle. / The down scaling of MOSFET device is becoming harder and the development of future generation of MOSFET technology is facing some strong difficulties. To overcome this issue, the vertical stacking of MOSFET in replacement of the conventional planar structure is currently investigated. This technique, called 3D VLSI integration, attracts a lot of attention, in research and in the industry. Indeed, this sequential stacking of transistor enables to gain in density and performance without reducing transistors dimensions.More specifically, 3D sequential integration or CoolCube™ at CEA-Leti enables to fully benefit of the third dimension by sequentially manufacturing transistors. Implementing such an integration provides the new constraint of manufacturing top transistor with low thermal budget (below 500°C) in order to preserve bottom-transistor performances. As most of the thermal budget is due to the dopant activation, several innovative techniques are currently investigated at CEA-LETI.In this work, solid phase epitaxy regrowth will be used as the mechanism to activate dopants below 600°C. The aim of this thesis is thus to manufacture and to characterize transistors with low-temperature dopant activation, in order to reach the same performance as devices manufactured with standard thermal budget. The work is organized around the dopant activation, and in three chapters, according to each considered integration scheme (Extension Last/ Extension First, Gate Last/ Gate First) and architecture (FDSOI, FINFET). These chapters, assisted by relevant simulations, electrical and morphological characterizations, will enable to develop a new and stable 500°C recrystallization process for both N and P FETs, and to propose new integration schemes in order to manufacture transistors with low thermal budget and compatible with the 3D sequential integration.

La croissance démographique, l'amélioration de la qualité de vie, et l'intensification des activités énergivores influent fortement sur la demande en énergie au travers de la consommation d'électricité sur un territoire. Le recours aux énergies fossiles constitue la solution la plus adoptée dans les milieux insulaires pour satisfaire cette demande. L'envers de cette méthode réside dans la quantité d'émissions de gaz à effet de serre générée au cours de la production d'énergie et la vulnérabilité de ces territoires. Les politiques actuelles ambitionnent l'atteinte de l'autonomie énergétique dans les milieux insulaires à moyen terme, et favorisent l'utilisation des énergies renouvelables pour restreindre les émissions de gaz à effet de serre. Ces travaux ont pour objet de quantifier les impacts environnementaux liés à la production d'électricité de La Réunion afin d'établir un diagnostic territorial. À partir de l'Analyse de cycle de vie et suivant les normes ISO 14044, les centrales de production d'électricité du territoire sont évaluées sous différents impacts environnementaux. La démarche adoptée a été de mettre en place un outil d'évaluation adapté à tout territoire, permettant d'identifier les étapes et les processus fortement contributeurs pour la production de 1 kWh électrique. Les résultats de ce diagnostic servent de points de repère pour élaborer les scénarios de production, établis dans une démarche de modélisation prospective. Huit scénarios proposés ont été développés pour répondre aux contraintes environnementales, techniques, sociales et économiques. / Population growth, the raising of the standard of living and quality of life, and energy-intensive activities are key parameters affecting the territory energy demand, through electricity consumption. To meet this demand, reliance on fossil fuels is the main adopted solution, particularly in insular context. The downside of this method is the large amount of greenhouse gas emissions (GHG) emitted, and vulnerability of the territories. Current policies are now in favor of the energy self-sufficiency as a medium-term objective, and put in place measures to support the use of sustainable energy sources to mitigate GHG emissions. This work aims to assess environmental impact of electricity production in Reunion island, to establish a territorial diagnosis. Based on a life cycle assessment approach, according to ISO 14044 standards, varying environmental impacts have been evaluated from existing power plants. An evaluating tool has been developed to identify the most emissive life cycle stage from 1 kWh electricity produced. The obtained results serve as a reference point to develop prospective scenarios. Eight scenarios have been presented and aim to satisfy environmental, technical, social and economic constraints.

L’utilisation des plusieurs sources d’énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l’adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur ’énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d’un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d’exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d’explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l’adoption d’un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d’élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l’ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l’utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l’alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l’alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l’échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l’architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l’étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d’une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l’espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction. / The use of many energy sources of different kind in a electrical vehicle (EV) needs the adoption of static converters. These can have the function of either conditioning energy or driving the electrical machines of the vehicle. EV’s generally have a DC bus of some hundred volts, whose stability is ensured by a set of boost converters, since the voltage level of the several sources is as low as about some tens of volts. During frequent start/stop phases of EV’s in urban mode, energy sources can feed the motors directly without using the converters. On the basis of this consideration this thesis proposes a novel converter topology adopting a variable DC voltage level. In this approach the lowest level of the DC bus is determined as a function of the voltages available from the sources and of the required speed (back fem of the traction motor). In this way the variable step-up voltage ratio is minimal at low speeds of the EV in urban mode and maximal at higher speeds in motorway modes. This would result in an energy efficiency improvement of the sources-motors system, especially in urban mode. On the other hand the use of this EV demands some constraints as for the service continuity of the main functions of the EV, particularly the energy supply.This thesis proposes a novel power converter topology between the sources (a Fuel Cell System associated with a pack of Super-capacitors) and the loads ( traction motor and auxiliary supply system). This converter adopts a variable DC bus voltage and a redundant supply of the traction motor. After presenting the proposed converter in the framework of the state of the art, the analysis and modelling of its DC/DC part is presented, especially with simulation results of the different modes of operation. With this regard a complete simulation program has been developed down to the scale of switching pulses. Afterwards the control of the power devices has been developed by using the small signal control and the hysteresis control, triangular duty cycle and triangular sine. The simulation results of the main modes show the feasibility of the proposed power converter architecture. Finally an experimental rig has been set up, at reduced scale, for assessing the theoretical analysis. The experimental results of the DC/DC part yield satisfactory results thus proving the effectiveness of the design. Future work will focus on setting up e real scale converter, where the cooling system design will be added before realizing the mass board of the converter. This should lead up to the optimization of the volume occupied in the EV and to the improvement of the energy efficiency of the traction chain.

Ces dernières années, la fiabilité et la continuité de service des chaînes de traction sont devenus des défis majeurs afin que les véhicules électriques puissent accéder au marché grand public de l’automobile. En effet, la présence de défauts dans les chaînes de traction peut conduire à des dysfonctionnements dans les véhicules et ainsi réduire ses performances par rapport aux véhicules conventionnels. Dans l’hypothèse où des défauts électriques se produisaient, les chaînes de traction des véhicules électriques à pile à combustible devraient inclure des topologies et/ou contrôles tolérants aux défauts pour les différents convertisseurs DC/DC et DC/AC. Dans le cadre de ce travail de recherche, un focus est fait sur le convertisseur DC/DC associé à la pile à combustible de la chaine de traction. Ce dernier doit répondre aux problématiques majeures des applications véhicule électrique à pile à combustible à savoir : faible masse et petit volume, haute efficacité énergétique, réduction de l’ondulation de courant d’entrée et fiabilité. A la base d’une recherche bibliographique poussée sur les structures non-isolées et isolées appropriées pour des applications PàC, une topologie de convertisseur DC/DC entrelacé a été choisie permettant de respecter les contraintes des véhicules électriques à pile à combustible.Ce travail de thèse a ensuite consisté à dimensionner et contrôler la structure de convertisseur DC/DC tolérante aux défauts choisie pour les véhicules à PàC. Des algorithmes de gestion des modes dégradés de ce convertisseur ont été développés et implémentés expérimentalement. A ce titre, l’interaction PàC-convertisseur DC/DC a été étudiée. Une approche théorique, de simulation et expérimentale a été mise en oeuvre pour mener à bien ce travail. / Over the last years, reliability and continuity of service of powertrains have become major challenge so that the fuel cell electric vehicles (CFEV) can access to the mass automotive market. Indeed, the presence of faults in powertrains can lead up to malfunctions in the vehicle and consequently reduce its performances compared with conventional vehicles. In the case of electrical faults, powertrains of FCEV have to include fault tolerant topology and/or control for the different DC/DC and DC/AC converters. Within the framework of this research work, the study is focused on DC/DC converter combined with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). The DC/DC converter must respond to challenging issues in FCEV applications such as: low weight and small volume, high energy efficiency, fuel cell current ripple reduction and reliability. Basing on a thorough bibliographical study on non-isolated and isolated DC/DC converter topologies, an interleaved DC/DC boost converter has been chosen, meeting the FCEV requirements.The purpose of this thesis has then consisted in sizing and controlling the chosen fault-tolerant DC/DC converter topology for FCEVs. Algorithms for degraded mode management of this converter have been developed and implemented experimentally. As such, the interaction between PEMFC and interleaved DC/DC boost converter has been investigated. A theoretical approach, simulation and experimental results have been carried out to complete this work.

Les performances électriques des cellules photovoltaïques à base de silicium sont fortement dégradées lorsque leur température augmente. Cette problématique, pourtant bien connue, n’est pas suffisamment prise en considération dans l’industrie du photovoltaïque. Pour parer à cette dégradation, deux voies d’améliorations peuvent être explorées : diminuer la température de fonctionnement des cellules ou réduire leurs coefficients de dégradation en température. Cette étude est d’autant plus importante pour les applications sous concentrations, un éclairement élevé favorisant l’échauffement des cellules. Pour les facteurs de concentration élevés, l’utilisation de systèmes de refroidissement actifs réduit drastiquement la température de fonctionnement. Pour les faibles éclairements, le refroidissement passif est préféré, bien moins coûteux en énergie. Ce travail de thèse est focalisé sur l’étude du comportement thermo-électrique des cellules sous faible concentration du rayonnement incident. Un banc de caractérisation innovant développé dans cette thèse a rendu possible la quantification des variations de la température de la cellule avec la tension de polarisation sous différents facteurs de concentration. Avec l’augmentation de la polarisation, une évolution du facteur d’émission thermique est observée du fait des variations de la concentration de porteurs de charge minoritaires. Le refroidissement radiatif est minimal au courant de court-circuit et est maximal à la tension de circuit ouvert : la température atteinte au point de court-circuit est supérieure à celle atteinte en circuit ouvert. Pour une cellule donnée, sous un éclairement de 3 soleils, un écart de température de 6.2 °C a pu être mesuré entre ces deux points. La fabrication de cellules avec des propriétés différentes nous a permis de confirmer l’importance du dopage de la base et de l’architecture sur l’augmentation du refroidissement radiatif avec la polarisation. De plus, la comparaison du comportement thermo-électrique des cellules de type de dopages différents a mis en avant de plus faibles coefficients de dégradation en température de la tension en circuit ouvert pour les cellules ayant un substrat de type n. Par exemple, pour une température de et sous un éclairement de 1 soleil, un coefficient de dégradation en température du Voc de −0.45% %·°C-1 a été mesuré sur une cellule de type n contre −0.49%·°C-1 pour une cellule de type p. / The electrical performances of silicon based solar cells strongly degrade when increasing their temperature. However, such a well-known issue is too scarcely considered in the phovoltaic industry. To prevent the degradation of silicon based solar cells, two ways of improvement can be explored : one can either decrease the cells’ functionning temperature or either reduce the temperature degradation coefficient. As light intensity tends to favor cell heating, the study is even more important under concentrated sunlight. Regarding high light intensities, active cooling systems can be used to drastically reduce the cell temperature. For low light intensities, passive cooling systems, such as radiative cooling, are more energetically savy. The thesis aims at studying the electro-thermal behavior of cells under low light intensities. An innovative experimental set-up has been developped during this thesis to quantify the variation of the cell temperature with the applied bias voltage. When increasing the bias, an evolution of the cell emissivity is observed because of a variation of the minorities carrier concentration. The radiative cooling is at its lowest at the short circuit current and peaks its highest value at the open circuit voltage : as a result, the reached temperature is higher at the short circuit current than at the open circuit voltage. For a given solar cell, under 3 suns, a temperature shift of 6.2 °C was measured between these two points. The control of the fabrication process gives the opportunity to analyse the influence of the base doping and cell architecture on the evolution of the radiative cooling with the applied bias. Furthermore, the comparison between the electro-thermal behaviors of solar cells, which are related to their type of doping, has shown a lower thermal degradation coefficient of the open circuit voltage for n-type based dope solar cells. For example, at 60°C and under 1 sun, we measured a thermal degradation coefficient BVoc = −0.45% %·°C-1 for a n type solar cell whereas the p type solar cell recorded BVoc = −0.49% %·°C-1.

Dans ce travail, nous avons étudié les plasmas inductifs en chimie chlorée, leurs interactions avec la surface du réacteur et l'impact de celles-ci lors de la gravure avancée en micro-électronique. Nous avons utilisé principalement deux diagnostics plasma in-situ et non perturbants : la sonde électrostatique et la spectrométrie d'absorption U.V. La sonde électrostatique plane permet de mesurer le flux ionique sur les parois du réacteur. Grâce à un couplage capacitif, elle est tolérante aux dépôts sur sa surface. Elle fonctionne aussi avec les plasmas électronégatifs, mais à fortes pressions, les inhomogénéités de ces plasmas font que le flux ionique localisé sur les parois peut différé du flux ionique sur les plaques gravées. Avec l'absorption U.V., la concentration absolue de Cl2 a été mesurée et le taux de dissociation en a été déduit. En se basant sur le modèle global de Lieberman qui suppose la température électronique indépendante de la puissance source injectée, un modèle théorique a été élaboré pour calculer le taux de dissociation. La dissociation de Cl2 dépend principalement de la puissance source injectée mais n'atteint jamais 100% à cause des recombinaisons rapide et diminue lorsque la pression augmente. Les concentrations des produits de gravure SiCl, SiCl2 et AlCl ont également été déterminées. Couplées aux mesures de flux ionique, Ils apparaît que ces produits sont produits directement par la gravure ionique. L'addition de CF4 dans un plasma de chlore provoque une baisse progressive des concentrations des produits chlorés jusqu'à un état stationnaire. Le retour à des plasmas en chlore pur provoque une hausse également progressive des concentrations de produits chloré. Le changement de chimie perturbe l'état des surfaces du réacteur ce qui modifie la composition chimique et le flux ionique des plasmas. L'historique du réacteur à une grande importance sur les dérives des procédés.

Cette étude s'inscrit dans le cadre de la caractérisation électrique par sonde locale de dispositifs Métal-Oxyde-Semiconducteur et Métal-Isolant-Métal. L'enjeu est de comparer les caractéristiques de conduction et de rigidité diélectrique aux échelles nanométrique et macroscopique, dans le but d'évaluer ces caractéristiques sans la réalisation coûteuses de structures intégrées. Un microscope à force atomique en mode de conduction (C-AFM) fonctionnant sous ultravide a été utilisé, et un protocole expérimental couplant des mesures électriques standards de la microélectronique industrielle et les mesures à l'échelle nanométrique a été mis en oeuvre. La méthode a été appliquée aux jonctions Silicium / oxyde de Silicium ainsi que Nitrure de Titane / oxydes d'Hafnium, de Zirconium et silicate d'Hafnium. La comparaison systématique des mesures s'avère fiable si l'on considère une surface de contact entre la pointe et le diélectrique de l'ordre du nm². Il a été démontré que l'ensemble des mesures des tensions de claquage suivait la même loi de probabilité de Weibull, impliquant une densité de défauts responsables du claquage proche de la densité atomique d'un solide. Les champs électriques de claquage mesurés qui sont de deux à trois fois supérieurs aux mesures standards sont alors voisins du champ de claquage intrinsèque de l'oxyde. Le C-AFM a également permis de mettre en évidence un courant après claquage à la caractéristique non ohmique, possédant la propriété d'être quasi-indépendant de l'épaisseur d'oxyde et partiellement réversible. Ce courant inaccessible à l'échelle standard a été interprété à l'aide de deux modèles reposant sur l'hypothèse d'un courant filamentaire en accord avec nos expériences. La topographie après claquage est en accord avec une épitaxie du substrat assistée par claquage (DBIE), due à la densité de courant élevée dans le filament.

Les innovations actuelles en électronique allient à la fois des critères de coût, de performance et de taille. Or à l'ère du tout numérique, les technologies CMOS sont confrontées à la stagnation de leurs performances électriques. Parallèlement, les systèmes hétérogènes multifonctions s'orientent vers une complexification extrême de leurs architectures, augmentant leur coût de conception. Les problématiques de performance électrique et d'hétérogénéité convergent vers un objectif commun. Une solution industriellement viable pour atteindre cet objectif d'architecture ultime est l'intégration tridimensionnelle de circuits intégrés. En empilant verticalement des circuits classiques aux fonctionnalités diverses, cette architecture ouvre la voie à des systèmes multifonctions miniaturisés dont les performances électriques sont meilleures que l'existant. Néanmoins, les technologies CMOS ne sont pas conçues pour être intégrées dans une architecture 3D. Cette thèse de doctorat s'intéresse à évaluer toute forme d'impact engendré par les technologies d'intégration 3D sur les performances électriques des composants CMOS. Ces impacts sont classifiés en deux familles d'origine thermomécanique et électrique. Une étude exploratoire réalisée par modélisation TCAD a permis de montrer l'existence d'un couplage électrique par le substrat provoqué par les structures d'intégration 3D dont l'influence s'avère non négligeable pour les technologies CMOS. La seconde partie de l'étude porte sur la mise en œuvre et le test de circuits conçus pour quantifier ces phénomènes d'interaction thermomécanique et électrique, et leur impact sur les performances de transistors et d'oscillateurs en anneau.

La stimulation cérébrale profonde (SCP) du globus pallidus interne (GPi) est une technique neurochirurgicale établie pour le traitement des mouvements anormaux. Malgré l'effet bénéfique de la SCP du GPi chez les patients porteurs d'un syndrome dystono-dyskinétique (SDD) primaire généralisé, le degré d'amélioration varie d'un patient à l'autre. Nous proposons un modèle anatomique computationnel basé sur l'IRM stéréotaxique mis en concordance avec un modèle de la distribution électrique du système de SCP qui peut être appliqué en pré- et postopératoire sur des patients déjà implantés. Le but de ce modèle est d'optimiser la localisation de la cible au moment de la planification chirurgicale, permettant une localisation des contacts de l'électrode après la chirurgie et d'ajuster les paramètres électriques en routine clinique et pour chaque patient. Nous avons appliqué le modèle à des données cliniques enregistrées de patients avec un SDD primaire généralisé qui ont été traités par l'implantation bilatérale d'électrode dans le GPi. Cette thèse discute les effets des variables liniques, anatomiques (volume du GPi) et électriques (volume stimulé) sur le score moteur postopératoire de l'échelle Burke-Fahn-Marden Dystonia rating scale (BFMDRS) afin d'identifier les facteurs pouvant prédire le degré d'amélioration. En utilisant ces résultats, nous avons modélisé une nouvelle électrode théorique pour optimiser la délivrance du courant, améliorer le bénéfice thérapeutique, minimiser les effets de bord de la SCP et obtenir une distribution du champ électrique plus homogène.

La qualité de l'énergie électrique concerne tous les acteurs<br />du domaine énergétique, qu'ils soient gestionnaires de<br />réseaux, fournisseurs, producteurs, ou consommateurs d'électricité. <br />Le travail de recherche présenté dans ce <br />mémoire de Doctorat s'inscrit dans le domaine du monitoring de la qualité de l'énergie électrique. <br />Il a pour objectif d'introduire de nouvelles techniques dans <br />l'analyse des problèmes de la qualité de l'énergie électrique. <br />Trois méthodes différentes destinées à l'analyse des perturbations électriques ont été développées et testées.<br />La méthode du vecteur d'espace est dédiée à l'analyse automatique des perturbations électriques. <br />Elle donne detrès bonnes performances dans l'analyse des creux de tension, <br />car elle permet d'isoler, classifier de manière précise et caractériser ce type de perturbations.<br />La méthode des systèmes périodiques permet d'étudier <br />théoriquement la génération et la propagation des perturbations harmoniques au sein d'un réseau électrique.<br />Enfin, la méthode statistique matricielle a pour objectif <br />de représenter statistiquementn des signaux électriques<br />sans perte importante d'information à l'aide de matrices statistiques.