Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'approche More-than-Moore constitue un facteur clé pour améliorer les performances du système, l'intégration et la diversification des applications. Dans le domaine des systèmes RF/hyperfréquences, il est essentiel de développer des fonctionnalités optimisées pour diverses exigences comme la linéarité, les pertes, la sensibilité, etc. Bien que la technologie silicium-sur-isolant (SOI) offre des solutions concurrentielles pour le marché des radiofréquences et des hyperfréquences, il a été démontré dans des études antérieures que l'ingénierie des substrats SOI permet d'améliorer encore les performances. Dans ce contexte, l'objet spécifique de ce travail de thèse a été d'étudier le traitement des substrats porteurs de tranches SOI (Silicium-sur-Isolant). L'objectif a consisté à enlever le substrat de silicium sous la zone active des fonctions RF pour obtenir des membranes SOI menant à des pertes RF réduites et une amélioration de la linéarité. Nous avons donc développé le procédé de micro-usinage et de gravure assistée par laser femtoseconde FLAME (Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch) pour suspendre en membrane les fonctions RF intégrées sur un substrat SOI. Un taux d'ablation spécifique élevé de 8,5 x 106 µm3 s-1 a été obtenu pour produire des membranes dont la surface varie de quelques centaines de µm2 à plusieurs mm2. La caractérisation RF a été réalisée sur différentes fonctions RF suspendues : commutateurs, inductances et amplificateurs à faible bruit (LNA). Une comparaison avec des substrats SOI à haute résistivité montre des performances supérieures pour les fonctions RF intégrées en membranes. Pour le commutateur, les mesures de distorsion harmonique ont montré une amélioration de 23 dB et 6 dB des secondes et troisièmes harmoniques, respectivement. Des mesures en régime petit signal d'inductance sur membranes ont révélé un quasi-doublement du facteur de qualité Q jusqu'à 3,2 nH. L'élimination du substrat de l'inductance d'adaptation d'entrée des LNA entraine une réduction du facteur de bruit de ~0,1 dB. Ces résultats mettent en évidence le potentiel important que constitue l’ingénierie des substrats pour l'amélioration des performances RF des technologies CMOS. De plus, pour les besoins d'analyse en boucle courte, la méthode FLAME permet de quantifier très rapidement l'influence du substrat sur les pertes et la linéarité sans avoir recours à des techniques d’élimination complète. Un autre avantage distinctif de cette méthode est la possibilité de quantifier l'effet du substrat sur un circuit complet en suspendant un composant spécifique sans affecter les autres. Les méthodes de fabrication développées sont également applicables aux capteurs en technologie SOI, ce qui apporte une valeur ajoutée globale en ligne avec le paradigme More-than-Moore. / In semiconductor industry, the More-than-Moore approach is a key enabler for enhanced system performance, better integration and improved diversity of applications. Within the focus area of RF/microwave systems, it is essential to develop different functionalities which are optimized for various requirements like linearity, losses, sensitivity etc. While Silicon-on-Insulator (SOI) technology offers competitive solutions for RF/microwave market, it has been demonstrated in previous studies that SOI substrate engineering results in further performance gains. In this context, the specific goal of our work is the investigation of substrate processing of SOI RF functions using femtosecond laser ablation. The objective is to remove silicon handler substrate under the active area of the RF functions to obtain SOI membranes which have reduced RF losses and improved linearity. In this work, we have developed the Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch (FLAME) process to suspend RF functions integrated on a SOI substrate. A high specific ablation rate of 8.5 x 106 µm3 s-1 has been achieved to produce membranes with a surface area ranging from few hundreds µm2 to several mm2. RF characterization has been performed on different suspended RF functions: switches, inductors and low noise amplifiers (LNA). A comparison with high-resistivity SOI substrates shows superior performance of RF functions integrated in suspended membranes. For the SP9T switch, harmonic distortion measurements showed an improvement of 23 dB and 6 dB of the second and third harmonic, respectively. Small signal measurements of inductors on membranes revealed a near doubling of the quality factor of inductors up to 3.2 nH. Substrate removal of input matching inductor on LNA resulted in reduction of noise figure by ~0.1 dB. These results highlight the great potential for use of substrate processing for improvement of RF performance in CMOS technology. In addition, for short loop analysis needs, the FLAME method allows to quantify the influence of the substrate on losses and linearity very quickly without the need for total substrate removal. Another distinctive advantage of this methodology is the ability to quantify the substrate effect on a full circuit by suspending a specific component while keeping other components unaffected. The developed fabrication methods are equally usable for sensor applications on SOI technology, which provides an overall added value in line with the More-than-Moore paradigm.

Ce travail explore l'utilisation de l'effet magnéto-optique pour étudier la dynamique de spin des électrons de conduction dans les semi-conducteurs non magnétiques lorsqu'ils sont pompés avec des photons polarisés circulairement. En général, les moments magnétiques hors-équilibre induits optiquement dans les semi-conducteurs non magnétiques sont plus petits que ceux des matériaux magnétiques. L'effet magnéto-optique en principe offre une sensibilité suffisante pour détecter ces faibles moments magnétiques via une mesure de rotation Faraday dans la limite de bruit de photons. Nous avons comparés trois méthodes de détection: les polariseurs partiellement croisés, l’interféromètre de Sagnac et le pont optique. L'interféromètre de Sagnac se révèle fonctionnellement équivalent aux polariseurs partiellement croisés, avec une sensibilité diminuée par la perte de photons à chacun des séparateurs de faisceaux nécessairement présents dans cette configuration expérimentale. Par contre, il a été démontré précédemment que les interféromètres de Sagnac permettent de faire la distinction entre les rotations dites réciproques et non réciproques, et cette thèse propose de nouvelles géométries de Sagnac pour distinguer les rotations en fonction de leurs symétries en temps et en parité. La technique du pont optique présente les meilleures performances. Elle permet une mesure de l'angle de rotation de Faraday limitée par le bruit de photons, même avec des puissances lumineuses importantes reçues par les détecteurs, ce qui permet d'obtenir la meilleure figure de mérite possible. Dans les expériences conduites sur des matériaux magnétiques, un bruit de quelques nrad/√Hz a été mesuré pour une puissance de sonde de 10 mW. Une série de mesures de rotation Faraday pompe-sonde à température ambiante a été réalisée sur GaAs pompé optiquement. Les plus grands signaux sont obtenus lorsque le moment magnétique généré et détecté est maximisé en focalisant fortement les faisceaux pompe et sonde et en choisissant une longueur d'onde de la sonde accordée à une résonance optique dans la structure électronique. Les mesures en champ magnétique transversal montrent un champ Hanle de 0.43 T, à partir duquel on déduit la durée de vie de spin de 88 ps. / This work explores the use of the magneto-optical Kerr effect to study conduction electron spin dynamics in non-magnetic semiconductors when pumped with circularly polarized photons. Typically, non-equilibrium, optically-induced magnetic moments in non-magnetic semiconductors are orders of magnitude smaller than those of magnetized materials, including both magnetic and non-magnetic materials in an external magnetic field. The magneto-optical Kerr effect in principal offers sufficient sensitivity to detect such small magnetic moment via a measurement of the Faraday rotation angle of a probe beam in the photon shot noise limit. Three detection configurations have been experimentally compared: partially crossed polarizers, a Sagnac interferometer and an optical bridge. The Sagnac interferometer is shown to be functionally equivalent to partially crossed polarizers, although its sensitivity is compromised by lost photons at each of the obligatory beam splitters present in such a geometry. On the other hand, it has previously been shown that Sagnac interferometers can distinguish between so-called reciprocal and non-reciprocal rotations, and this thesis proposes novel Sagnac geometries to distinguish rotations according to their time and parity symmetries. The optical bridge technique allows for a photon-shot noise limited measurement of the Faraday rotation angle, even with large photon intensities on the detectors, thereby yielding the best possible figure-of-merit. In demonstrations on magnetic materials, a noise floor of a few nrad//√Hz was measured for a probe power of 10 mW. A series of room-temperature, pump-probe Faraday rotation measurements is performed on optically pumped GaAs to compare and contrast this method with standard polarized photo-luminescence techniques. The largest signals are found when the locally probed moment is maximized by strongly focusing the pump and probe beams, and by choosing a probe wavelength tuned to an optical resonance in the electronic structure. Measurements in transverse magnetic field show a Hanle field of 0.43 T, from which the spin lifetime of 88 ps is deduced.

Deux méthodes de synthèse chimique, relevant de l'approche bottom-up, sont mises en oeuvre pour élaborer des nanocristaux (NC) de sulfure de cadmium (CdS) : les croissances (i) par source unique de précurseur et (ii) par voie micro-ondes. Ces deux techniques, complémentaires dans la gamme de tailles obtenues, permettent la réalisation de NC de petites tailles (2,8 nm - 5,2 nm) en seulement (i) 120 min et (ii) quelques minutes. Un protocole de caractérisation par techniques conjointes est mis au point pour étudier ces NC. La spectrométrie de masse (SM) couplée à des sources d'ionisation douce contrôle la pureté et la stabilité des précurseurs et permet d'estimer la taille et la distribution en taille des NC. Ces estimations sont confirmées par microscopie électronique en transmission (MET). La confrontation des résultats de SM et de MET suggère une géométrie des NC (i) sphérique et (ii) ellipsoïdale. La diffraction des rayons X montre l'état cristallin des nanoparticules en structures (i) würtzite et (ii) zinc blende. La spectrométrie optique à température ambiante (absorption et photoluminescence - PL) témoigne des effets de confinement quantique par le glissement de la réponse excitonique dans le domaine bleu proche UV en fonction de la taille des NC, s'inscrivant dans la correspondance connue énergie-taille. Dans la perspective d'applications optoélectroniques, le dépôt en couches minces de polymère (PMMA) contenant des NC de CdS est entrepris par spin coating. Le même protocole de caractérisations, enrichi de techniques adaptées aux couches minces, montre que les NC conservent leur intégrité et leurs propriétés de PL après inclusion dans la couche / Two chemical methods are developed to synthesize cadmium sulfide (CdS) nanocrystals (NC) in bottom-up approach: (i) single-source precursor methodology and (ii) microwave synthetic route. These two growth techniques are complementary in the size range obtained and allow production of small NC (2.8 nm - 5.2 nm) in only (i) 120 min and (ii) some minutes. A joint technique characterization protocol is developed to study the synthesized NC. Mass spectrometry (MS) coupled to soft ionization sources allows to control the purity and stability of the precursors and to estimate the NC size and size distribution. These estimations are confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Comparison between SM and TEM results suggests that NC have (i) spherical and (ii) prolate shapes. X-ray diffraction reveals nanoparticle crystalline structure in (i) wurtzite and (ii) zinc blende symmetries. Room temperature optical spectrometry (absorption and photoluminescence - PL) evidences quantum confinement effects by the shift of the excitonic response as a function of the NC size, in the blue-UV spectral range. These results are consistent with the well-known empirical energy-size correspondence. For optoelectronic application purpose, thin film deposition of polymer (PMMA) containing CdS NC is initiated by spin coating. The previous characterization protocol, extended to techniques dedicated to thin film studies, shows that NC maintain their integrity and PL properties after inclusion in PMMA layer

Les systèmes électrochromes, dont les propriétés optiques changent sous l’effet d’une excitation électrique, suscitent un intérêt croissant dû au fait qu’ils permettent un contrôle des propriétés optiques dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Le but, initié dans des travaux précédents, vise à optimiser la synthèse, par pulvérisation cathodique magnétron, de films minces d’une épaisseur de 300 nm pouvant être intégrés dans un futur dispositif électrochrome « tout céramique » à conduction de sodium. Dans ce travail de thèse, deux matériaux constituant ce dispositif ont été étudiés. Le premier concerné est l’oxyde de tungstène, connu pour servir de couche électrochrome dans les dispositifs. Les couches synthétisées possèdent des propriétés de conduction mixte, une structure amorphe et une morphologie poreuse permettant l’intercalation de cations de sodium Na+ en son sein. Une dégradation du film de WO3 due à une réactivité rédhibitoire vis-à-vis de l’eau a été observée. Pour éliminer cela, deux solutions ont été testées : un cyclage en milieu non aqueux ou le recouvrement du film par un électrolyte solide de type NaSICon. La stoechiométrie en oxygène des films, a permis de régler la conductivité électronique, l’absorption dans le visible et la capacité des films à échanger des ions Na+. Le second matériau étudié est un oxyde de tungstène pré-inséré en sodium NaxWOy. L’influence des conditions de synthèse et celle de la teneur en sodium sur les différentes propriétés des films a été étudiée. Ces propriétés ont ensuite été comparées à celles obtenues pour les films de WO3 et pour des bronzes de tungstène NaxWO3 reportées dans la littérature. / Electrochromic systems, whose optical properties change under the effect of an electrical excitation, see an increasing interest because they allow a control of optical properties in the visible and near infrared. The aim, initiated in previous works, is to optimize the synthesis of 300 nm thin films by magnetron sputtering to be integrated into a future electrochromic "all ceramic" device based on sodium conduction. In this PhD, two materials forming the system have been studied. The first material is the tungsten oxide, known to serve as the electrochromic layer in devices. The synthesized layers possess mixed conducting properties, an amorphous structure and a porous morphology allowing the intercalation of sodium cations. A degradation of the WO3 film due to redhibitory reactivity towards water was observed. To eliminate this reactivity, two solutions were tested: a non-aqueous cycling or covering of the initial film by depositing a solid electrolyte of the type NaSICon. The oxygen stoichiometry of the films, allowed to tune the electronic conductivity, the absorption in the visible and the ability of the film to exchange Na+ cations. The second studied material is a pre-inserted NaxWOy sodium tungsten oxide. The influence of the synthesis conditions and of the sodium content on the various properties of the films was investigated. These properties were then compared with those obtained for the WO3 films and those of NaxWO3 tungsten bronzes reported in the literature.

Les couches minces épitaxiales de Ni-Mn-Ga ont attiré une attention considérable, car ils sont des candidats prometteurs pour les capteurs et actionneurs magnétiques dans des microsystèmes électromécaniques. Des informations complètes sur les caractéristiques de la microstructure et de la cristallographie des films NiMnGa et leur relation avec les contraintes du substrat sont essentielles à l'optimisation des propriétés. Dans le présent travail, les couches minces épitaxiale de Ni-Mn-Ga ont été produites par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu et ensuite caractérisées par la technique de diffraction des rayons X (XRD) et la diffraction d'électrons rétrodiffusés dans un microscope électronique à balayage équipé d’analyse EBSD (MEB-EBSD). Des couches minces épitaxiales avec NiMnGa de composition nominale Ni50Mn30Ga20 et d'épaisseur 1,5 µm ont été fabriquées avec succès sur le substrat monocristallin de MgO par pulvérisation cathodique magnétron DC, après l'optimisation des paramètres tels que la puissance de pulvérisation cathodique, la température du substrat et de la couche d'ensemencement dans le cadre du présent travail. Les mesures de diffraction DRX montrent que les couches minces épitaxiales NiMnGa sont composées de trois phases: austénite, martensite NM et martensite modulée 7M. Avec les géométries de mesure optimisées, le nombre maximum possible de pics de diffraction des phases relatives, en particulier compte tenu de la basse symétrie de la martensite 7M, sont acquis et analysés. Les constantes de réseau de l'ensemble des trois phases dans le cadre des contraintes du substrat dans les films sont entièrement déterminées. L’analyse SEM-EBSD en profondeur du film a permis en outre de vérifier la situation de coexistence de trois phases constitutives: austénite, 7M martensite et martensite NM. La martensite NM se trouve près de la surface libre du film, l'austénite au-dessus de la surface du substrat, et la martensite 7M dans les couches intermédiaires entre l'austénite et la martensite NM. La caractérisation de microstructure montre que la martensite 7M et la martensite NM ont une morphologie de plaque et sont organisées en deux zones caractéristiques décrites avec des bas et haut contraste en images d’électrons secondaires. Des plaques de martensite locales similaire en orientation morphologique sont organisées en groupes de plaques ou colonies ou variantes de colonies. Une caractérisation plus poussée en EBSD indique qu'il existe quatre plaques de martensite distinctes dans chaque colonie de variante à la fois pour la martensite NM et 7M. Chaque plaque de martensite NM est composée de variantes lamellaires majeures et mineures en termes d’épaisseurs appariées et ayant une interface interlamellaire cohérente, alors que chaque plaque de martensite 7M contient une variante d'orientation. Ainsi, il existe quatre variantes d'orientation de martensite 7M et huit variantes d’orientation de martensite NM dans une colonie de variantes. Selon l'orientation cristallographique des martensites et des calculs cristallographiques, pour la martensite NM, les interfaces inter-plaques sont constituées de macles de type composées dans des plaques adjacentes de martensite NM. La distribution symétrique des macles composées résulte dans des interfaces de plaques longues et droites dans la zone de contraste relatif faible. La répartition asymétrique conduit à la modification de l’orientation d'interface entre les plaques de la zone de contraste relativement élevé. Pour la martensite 7M, à la fois les interfaces de type I et de type II sont à peu près perpendiculaires à la surface du substrat dans les zones à faible contraste relatif. Les paires de macles de type-I apparaissent avec une fréquence beaucoup plus élevée, par comparaison avec celle des macles de type II. Cependant, il y a deux traces d’interface de macles de type II et une trace d’interface de macles de type I dans les zones de contraste relatifs élevés. [...] / Epitaxial Ni-Mn-Ga thin films have attracted considerable attention, since they are promising candidates for magnetic sensors and actuators in micro-electro-mechanical systems. Comprehensive information on the microstructural and crystallographic features of the NiMnGa films and their relationship with the constraints of the substrate is essential for further property optimization. In the present work, epitaxial Ni-Mn-Ga thin films were produced by DC magnetron sputtering and then characterized by x-ray diffraction technique (XRD) and backscatter electron diffraction equipped in scanning electron microscope (SEM-EBSD). Epitaxial NiMnGa thin films with nominal composition of Ni50Mn30Ga20 and thickness of 1.5 µm were successfully fabricated on MgO monocrystalline substrate by DC magnetron sputtering, after the optimization of sputtering parameters such as sputtering power, substrate temperature and seed layer by the present work. XRD diffraction measurements demonstrate that the epitaxial NiMnGa thin films are composed of three phases: austenite, NM martensite and 7M martensite. With the optimized measurement geometries, maximum number of diffraction peaks of the concerning phases, especially of the low symmetrical 7M martensite, are acquired and analyzed. The lattice constants of all the three phases under the constraints of the substrate in the films are fully determined. These serve as prerequisites for the subsequent EBSD crystallographic orientation characterizations. SEM-EBSD in film depth analyses further verified the co-existence situation of the three constituent phases: austenite, 7M martensite and NM martensite. NM martensite is located near the free surface of the film, austenite above the substrate surface, and 7M martensite in the intermediate layers between austenite and NM martensite. Microstructure characterization shows that both the 7M martensite and NM martensite are of plate morphology and organized into two characteristic zones featured with low and high relative second electron image contrast. Local martensite plates with similar plate morphology orientation are organized into plate groups or groups or variant colonies. Further EBSD characterization indicates that there are four distinct martensite plates in each variant groups for both NM and 7M martensite. Each NM martensite plate is composed of paired major and minor lamellar variants in terms of their thicknesses having a coherent interlamellar interface, whereas, each 7M martensite plate contains one orientation variant. Thus, there are four orientation 7M martensite variants and eight orientation NM martensite variants in one variant group. According to the crystallographic orientation of martensites and the crystallographic calculation, for NM martensite, the inter-plate interfaces are composed of compound twins in adjacent NM plates. The symmetrically distribution of compound twins results in the long and straight plate interfaces in the low relative contrast zone. The asymmetrically distribution leads to the change of inter-plate interface orientation in the high relative contrast zone. For 7M martensite, both Type-I and Type-II twin interfaces are nearly perpendicular to the substrate surface in the low relative contrast zones. The Type-I twin pairs appear with much higher frequency, as compared with that of the Type-II twin pairs. However, there are two Type-II twin interface trace orientations and one Type-I twin interface trace orientation in the high relative contrast zones. The Type-II twin pairs are more frequent than the Type-I twin pairs. The inconsistent occurrences of the different types of twins in different zones are originated from the substrate constrain. The crystallographic calculation also indicates that the martensitic transformation sequence is from Austenite to 7M martensite and then transform into NM martensite (A→7M→NM). [...]

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν και αναπτύχθηκαν νανοδομημένα λεπτά υμένια διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) και λευκόχρυσου (Pt) για χρήση σε ευαισθητοποιημένες φωτοβολταϊκές κυψελίδες. Αφού πραγματοποιήθηκε η μελέτη των υμενίων, παρασκευάστηκαν υμένια TiO2 και Pt και βελτιστοποιήθηκαν, ώστε να έχουν τις επιθυμητές ιδιότητες. Για το χαρακτηρισμό των υμενίων TiO2 χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και περίθλαση ακτίνων X (XRD). Μάλιστα προτάθηκε η χρήση νιτρικού οξέος, ανάμεσα σε 4 διαφορετικά οξέα, για την αποτελεσματική διασπορά των σωματιδίων του TiO2 και την παρασκευή ομοιόμορφων υμενίων, χωρίς την παρουσία ρωγμών και με πάχος πάνω από 10 μm. Τα υμένια που παρασκευάστηκαν χρησιμοποιήθηκαν σε ευαισθητοποιημένες φ/β κυψελίδες και μελετήθηκε η επίδραση της δομής τους στην απόδοση των κυψελίδων. Για τα υμένια Pt αναπτύχθηκαν δυο διαφορετικοί τρόποι παρασκευής (θερμική διάσπαση αλάτων Pt, ηλεκτροαπόθεση). Τα υμένια που προέκυψαν αξιολογήθηκαν με βάση τη μορφολογία και τις καταλυτικές τους ιδιότητες ως προς την αναγωγή των ιόντων τριωδίου και προτάθηκαν τρόποι για τη βελτιστοποίησή τους. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στη σταθερότητα των υμενίων Pt κατά την παραμονή τους σε διάλυμα ηλεκτρολύτη, ίδιο με αυτό που χρησιμοποιείται στις ευαισθητοποιημένες κυψελίδες. Τέλος τα υμένια TiO2 και Pt ενσωματώθηκαν σε πρότυπες φωτοηλεκτροχρωμικές διατάξεις, στις οποίες η ενέργεια που απαιτείται για τη μεταβολή της διαπερατότητάς τους παρέχεται από την ενσωματωμένη φ/β κυψελίδα. Μάλιστα προτάθηκε και μελετήθηκε ένας νέος τύπος διάταξης. / In this PhD thesis we have studied and prepared nanostructured titanium dioxide (TiO2) and platinum (Pt) thin films, in order to use them for dye sensitized solar cells. The morphology and the structure of the TiO2 films were examined with scanning electron microscopy (SEM) and x-ray diffraction (XRD). We have proposed the use of nitric acid, among four other acids, in order to achieve a more efficient dispersion of TiO2 nanoparticles and to prepare uniform and crack free films, with thickness above 10 μm. The TiO2 films were used in dye sensitized solar cells and was examined the relation between the structure of the films and the efficiency of the cells. For the deposition of Pt films we have used two different methods (thermal decomposition of Pt salts and electrodeposition). The films were characterized according to their morphology and their catalytic activity towards triiodide ions reduction. Moreover we have proposed methods for improving the properties of Pt films and we have studied their stability, especially when the films were stored in the same electrolyte solution as that in dye sensitized solar cells. Finally the TiO2 and Pt films were used in photoelectrochromic devices, where the energy produced by the photovoltaic cell is used for the modulation of device’s transmittance. Also a new type of a photoelectrochromic device was introduced and studied.

Le carbure de silicium (SiC) semble être actuellement le candidat le plus viable des semi-conducteurs à large bande interdite pour remplacer le silicium (Si) dans un avenir proche. En raison de ses propriétés intrinsèques, le SiC permet de développer des dispositifs à semi-conducteurs aux caractéristiques supérieures offrant de grandes améliorations de performances, et se traduisant également par des conceptions plus efficaces et compactes dans diverses applications de l'électronique de puissance. Les MOSFET de 1,2 kV SiC, de loin les composants les plus répandus de la famille pour équiper les sources de puissance, ont rapidement été déployés pour remplacer les modules IGBT Si en raison de leur résistance à l'état passant faible et de leurs excellentes performances de commutation dans toutes les plages de température. Cependant, encore à un stade précoce de développement, les MOSFET SiC présentent leurs problèmes techniques et économiques propres, lesquels problèmes ont freiné leur expansion en électronique de puissance. La caractérisation et la modélisation, en particulier l'état de fonctionnement du MOSFET SiC, ont été examinées dans le cadre de cette thèse afin de mettre en lumière les spécificités et les conséquences qui en découlent sur la conception des convertisseurs de puissance. C’est ainsi qu’une méthodologie de caractérisation statique pour les MOSFET à haute tension a été développée. Les caractéristiques ont été mesurées par méthodes appropriées permettant à la température de la jonction de rester constante pendant la mesure. Les résultats expérimentaux ont été analysés et comparés à ceux relatifs aux dispositifs conventionnels en Si. Ensuite, un nouveau modèle compact du module MOSFET SiC a été mis au point sur le logiciel Saber pour des simulations orientées circuit. Ce modèle prend en compte les phénomènes physiques observés, notamment les effets des pièges d’interface, le comportement JFET intrinsèque, le canal court et la température. En tant que version modifiée de Shichman Hodges, le modèle utilise un nombre raisonnable de paramètres d’ajustement, lesquels sont principalement extraits par identification des courbes de données expérimentales à l’aide d’un logiciel d’optimisation, et pour les autres étant basés sur les données disponibles dans la fiche technique du composant étudié. Finalement, nous avons abordé la caractérisation électro-thermique des MOSFET de SiC. Pour remédier à la présence de pièges d'interface, des bancs de test dédiés ont été développés pour la mesure de la température MOSFET au SiC sur la base du TSEP. Une simulation par éléments finis 3D (FEM) est réalisée pour étudier la distribution thermique à l'intérieur du module. En comparant avec les expériences, le modèle électro-thermique a été validé avec une précision acceptable. / Silicon carbide (SiC) has actively been emerged as the most viable candidate of the wide band gap (WBG) semiconductors to replace silicon (Si) in the near future. Due to its inherent properties, SiC enables the development of new generation semiconductor devices that offer great performance improvements, resulting in more efficient and compact designs in various power electronics applications. The 1.2 kV SiC MOSFETs, which are by far the most important devices in the SiC family, have been quickly used as the replacement of Si IGBTs in many applications due to their superior characteristics. However, at an early stage of development, SiC MOSFETs come with their own list of technical and economic issues which have somehow limited their widespread implementation for power electronics applications. The characterization and modeling, in particular on-state of the SiC MOSFET, have been investigated in this dissertation to develop insight of the unique characteristics along with the effects on the design of power converters. In such a way, the characterization test benches for high voltage power MOSFETs have been developed. The device is characterized using appropriate methods, which allows the junction temperature to remain constant during the measurement. The characteristics are then analyzed and compared to these of Si counterpart to provide further understanding of SiC MOSFETs. Subsequently, a novel compact model has been developed for circuit simulation, taking into account physical phenomena including interface traps, short-channel, intrinsic JFET and temperature effects. As a modified version of the Shichman Hodges, the model employs a few adjustment parameters, which are mostly derived from curve fitting of experimental data, using optimization tool software. The proposed model with fairly simple current equation thus is expedient to represent the DC behavior of power MOSFET for a wide range of operation conditions. In the end, the thermal characterization of SiC MOSFETs is examined. The on-resistance has been proposed as a temperature-sensitive electrical parameter (TSEP) to estimate the junction temperature. In the presence of the interface traps, the dedicated test benches have been developed for SiC MOSFET temperature measurement based on TSEP. 3D Finite element (FEM) simulation is performed to investigate thermal distribution inside the module. By comparing with the experiments, the electro-thermal model is validated with acceptable accuracy.

Ce travail de thèse concerne l’élaboration et la caractérisation structurale de couches minces d’oxyde d’étain dopées avec des terres rares ainsi que l’étude de leurs propriétés de photoluminescence. Les couches sont dopées avec du cérium, du terbium ou de l’ytterbium. Les films sont élaborés par évaporation sous vide d’une poudre de SnO2 sur un substrat de silicium monocristallin, et nécessitent un recuit post-dépôt à 600°C à l’air pour cristalliser en phase SnO2 de type rutile. Dans une première partie du travail a consisté caractériser le matériau non dopé. La caractérisation microstructurale a révélé qu’une oxydation du substrat conduisant à une réaction entre l’oxyde d’étain et le silicium avait lieu, conduisant à une microstructure complexe. Afin de limiter les interactions chimiques, des substrats recouverts de silice thermique ont également été utilisées. Les films non dopés présentent des propriétés de luminescence, mise en évidence et discutées en lien avec la microstructure. Pour les films dopés, l’étude structurale a mis en évidence la cristallisation d’une seconde phase de SnO2 de type orthorhombique. Une étude approfondie en STEM-EELS a permis de localiser les ions de terre rare dans la couche. Enfin les propriétés de luminescence des terres rares ont été étudiées en fonction de leur concentration dans le film et de la température de recuit. Après des recuits à 700°C, les couches dopées au Tb émettent intensément dans le vert à température ambiante, ce qui pourrait être intéressant pour le développement de diodes vertes à base de SnO2 / This thesis concerns the structural characterization and the photoluminescence properties of tin oxide thin films doped with rare earths. The films are doped with cerium, terbium and ytterbium. The films were obtained by evaporation of SnO2 on silicon substrates. The as-deposited films were sub-stoichiometric and the films were then annealed in air at 600°C to reach rutile phase. The microstructural study reveals a substrate oxidation leading to a chemical reaction between tin oxide and silicon, and a complex microstructure. To limit the chemical interaction during annealing, silicon substrate coated with thermal silica were used. Undoped films show a broad luminescent band, which is discussed and linked with the microstructure. On the other hand, the structural study of doped films demonstrated the crystallization of a second phase of SnO2, which is orthorhombic. A STEM-EELS study allow to localize the rare earths ions in the films. Finally, the luminescence properties of the rare earths were study with respect to their concentration and the temperature of annealing. After annealing at 700°C, the Tb-doped films emit intensively in the green region, which might be of interest for the development of SnO2-based green light emitting diodes

Des films minces d’oxydes de cuivre (Cu2O, Cu4O3 et CuO) ont été déposés à température ambiante sur des substrats en verre et en silicium par pulvérisation magnétron réactive. Une attention particulière a été portée à l’influence des conditions de synthèse (débit d’oxygène et pression totale) sur la structure et l’orientation préférentielle des dépôts. La pression totale est le paramètre principal influençant la texture des films de Cu2O et de Cu4O3. En revanche l’orientation préférentielle des films de CuO est contrôlée par le débit d’oxygène. Pour des films de Cu2O et de Cu4O3, un phénomène de croissance épitaxique locale (CEL) a été mis en évidence. Il résulte de l’utilisation d’une première couche qui joue le rôle d’une couche de germination lors du processus de croissance. Ainsi, les films peuvent croître avec une texture donnée indépendamment de leurs conditions de synthèse. Cet effet de CEL a été mis à profit pour élaborer des films biphasés (Cu2O + Cu4O3) qui présentent une microstructure originale. L’augmentation de la transmittance optique et du gap optique de films de Cu2O a été rendue possible par des traitements thermiques dans l’air qui permettent de diminuer la densité de défauts dans les films. Finalement, les propriétés optiques et la structure électronique des oxydes de cuivre qui ont été calculées par la méthode GW sont en accord avec des résultats expérimentaux obtenus par absorption optique, photoémission et spectroscopie de perte d’énergie des électrons. / Copper oxide (Cu2O, Cu4O3 and CuO) thin films have been deposited on unmatched substrates by sputtering at room temperature. The influence of oxygen flow rate and total pressure on the film structure and preferred orientation has been studied. The total pressure is a relevant parameter to control the texture of Cu2O and Cu4O3 films, while the oxygen flow rate is effective to tune the preferred orientation of CuO films. Local epitaxial growth, where epitaxial relationship exists in columns of sputtered films, has been observed in Cu2O and Cu4O3 films by using a seed layer. The seed layer will govern the growth orientation of top layer via the local epitaxy, independently of the deposition conditions of top layer. Unusual microstructure that both phases have the vertically aligned columnar growth has been evidenced in biphase Cu2O and Cu4O3, which may relate to the local epitaxial growth of Cu2O. The lower resistivity than that in single phase films has been observed in this biphase film. Annealing in air can increase the transmittance of Cu2O films in visible region by the reduction of the impurity scattering, while the optical band gap is enlarged due to the partial removal of defect band tail. The optical properties and electronic structure of copper oxides calculated by GW approach with an empirical on-site potential for Cu d orbital, are in good accordance with experimental results from optical absorption, photoemission and electron energy loss spectroscopies

La Sonde Atomique Tomographique (SAT) assistée par laser (La-APT) est un outil puissant pour étudier la distribution atomique 3D des espèces chimiques dans une grande variété de matériaux semi-conducteurs. Cependant, des biais de composition importants affectent les analyses de sondes atomiques révélant une composition non stœchiométrique. Dans cette thèse, une étude systématique de certains semi-conducteurs binaires (GaN, GaAs, ZnO) et ternaires (AlGaN, MgZnO) a été menée afin de: (i) obtenir une description cohérente des biais de composition en APT; (ii) identifier les mécanismes physiques à l'origine de ces biais; (iii) évaluer les conditions expérimentales pour lesquelles l'analyse compositionnelle est fiable. Afin d’interpréter les résultats, l’hypothèse de l’évaporation préférentielle d’espèces métalliques (Ga, Al, Zn, Mg) à haut champ et d’émission de molécules neutres non métalliques (N2, O2) à champ bas a été proposée. Un autre objectif important de cette thèse est orienté vers la physique des matériaux. L’étude de la composition et la morphologie de certains dispositifs d’intérêt technologique, tels que les systèmes à multi-puits quantiques, est très important. Dans cette perspective, la connaissance du champ de composition 3D et de la morphologie de ces systèmes est essentielle car ces caractéristiques déterminent leurs propriétés optiques et électriques. Pour ce faire, une approche par microscopie corrélative peut être adoptée. Cette approche a été appliquée avec succès à l'étude des multi-puits quantiques ZnO/MgZnO conçus pour les lasers à cascade quantique. Les propriétés structurales, compositionnelles et optiques ont été étudiées en effectuant la tomographie par électrons (ET) - micro-photoluminescence (µ-PL) corrélative sur les mêmes échantillons de sonde atomique. Les analyses complémentaires APT et ET donnent une image claire de la structure et de la composition du système étudié, révélant d'importants phénomènes de décomposition dans l'alliage MgZnO. En particulier, La SAT s’est révélé une technique unique pour une évaluation directe de la composition locale. De plus, la µ-PL apparait extrêmement utile pour obtenir des informations relatives à la composition, en lien avec les résultats de La-APT. Enfin, nous présentons une nouvelle approche in-situ corrélative dans laquelle les mesures APT et µ-PL sont exécutées simultanément. Grâce au développement d'une sonde atomique tomographique spécialement conçue, on démontre que la µ-PL peut être mesurée avec succès sur une pointe de sonde atomique Zn :/MgZnO pendant nos analyse. Ceci est extrêmement attrayant car cela permet de corréler strictement le signal de photoluminescence avec les volumes explorés à l'échelle nanométrique. En principe, émission depuis des d'émetteurs de lumière quantiques uniques (c'est-à-dire un seul QW ou QD) peut être révélée. La nouvelle approche présentée peut être étendue à un large éventail de matériaux, ouvrant de nouvelles perspectives pour les études corrélatives. / Laser-assisted Atom Probe Tomography (La-APT) is a powerful tool for investigating the 3D atomic distribution of the chemical species in a wide variety of semiconductor materials. However, important compositional biases affect atom probe analyses revealing a non-stoichiometric composition. In the thesis a systematic study of selected binary (GaN, GaAs, ZnO) and ternary (AlGaN, MgZnO) semiconductors of high technological interest was developed in order to: (i) obtain a coherent description of the compositional biases in APT; (ii) identify the physical mechanisms leading to these biases; (iii) assess the experimental conditions for which the compositional analysis is reliable. In order to interpret the results, the hypothesis of preferential evaporation of metallic species (Ga, Al, Zn, Mg) at high field and emission of neutral non-metallic molecules (N2, O2) at low field has been proposed. Another important aim of this thesis is materials physics-oriented. It is indeed of utmost importance to study both composition and morphology of some devices of technological interest, such as in multi-quantum-well systems. In this perspective, the knowledge of 3D composition field and morphology is essential because these features determine the optical and electrical properties of the systems. In order to do it, a correlative microscopy approach can be adopted. This approach was successfully applied to the study of ZnO/MgZnO multi-quantum wells designed for quantum cascade lasers. Structural, compositional and optical properties were investigated performing correlative La-APT - Electron Tomography (ET) - micro-PhotoLuminescence (µ-PL) on the same atom probe tip specimens. The complementary APT and ET analyses yield a clear picture of the structure and composition of the system investigated, revealing important decomposition phenomena in the MgZnO alloy. In particular, La-APT proved to be a unique technique for a direct assessment of local composition. Moreover, µ-PL also proved to be extremely useful in order to get information related the composition, supporting La-APT results. Finally, a new correlative in-situ approach in which La-APT and µ-PL are simultaneously performed is presented. Thanks to the development of a specially designed tomographic atom probe, it is shown that µ-PL can be successfully performed on a single Zno/MgZnO atom probe tip during La-APT. This is extremely attractive and challenging because allows to strictly correlating the variation photoluminescence signal with nano-metric scale volumes of the tip evaporated during APT. In principle, the emission of single quantum light emitters (i.e. single QW or QD) can be revealed. The new approach presented can be extended to a wide range of materials, opening new perspectives for correlative studies of single atom probe tips.