L'interaction d'échange dans l'3He liquide dégénéré est à l'origine d'effets cohérents comme les ondes de spin ou l'effet Leggett-Rice. Ces effets sont bien décrits à basse polarisation par les équations de Leggett et ne sont visibles qu'à très basse température et dans des champs magnétiques assez forts. La question se pose si à forte polarisation l'espace de phase entre les niveaux de Fermi « up » et « down » est disponible pour des collisions amortissant la cohérence de spin, même à température nulle. Dans ce cas, le temps de collision pour ces effets cohérents varie comme 1/(T2+TA2) où TA est proportionnel à la polarisation et induit la dissipation à T = 0 K. Il y a eu un grand débat à la fois théorique et expérimental sur l'existence de cette dissipation et, jusqu'à présent, seule l'expérience sur l'effet Leggett-Rice de Akimoto et al. permet de trancher en faveur d'un modèle théorique (celui qui prédit TA>0). Nous avons travaillé entre 10 et 30 mK sous 11,3 Tesla, la différence par rapport aux autres groupes étant que nous travaillons hors-équilibre, avec un gain en polarisation pouvant dépasser 3 (ce qui équivaut à un champ magnétique effectif de plus de 30 Tesla). Dans ces conditions nous mesurons TA/Beff ~ 0,3 mK/Tesla, ce qui est compatible avec le même modèle théorique.<br /> L'étalonnage en température des viscosimètres à fil vibrant a mis en évidence un effet surprenant. En dessous de 100 mK et pour tous les fils étudiés (diamètres compris entre 25 et 115 μm), les mélanges 3He-4He se comportent comme des liquides normaux en volume, mais comme des superfluides en surface : le transfert d'impulsion parallèle à l'interface entre le fil<br />et le liquide est presque nul. Le départ de l'hydrodynamique est paramétré par une longueur de<br />glissement qui est d'habitude de l'ordre du libre parcours moyen. Nous avons vu une augmentation de cette longueur d'un facteur 1000 à cause de la présence d'un film d'4He superfluide sur les parois. En dessous de 10 mK, quand le libre parcours moyen devient de l'ordre du diamètre du fil, nous observons également un glissement perpendiculaire à la surface du fil. Le modèle microscopique de Bowley et Owers-Bradley est en très bon accord avec nos données et permet d'extraire la viscosité du mélange, que nous convertissons en température pour les mesures d'ondes de spin.

Alors que la miniaturisation des transistors suivant la loi de Moore semble ralentir dû à des limites physique, technologique et économique, il devient essentiel de trouver des alternatives afin de répondre à la demande croissante en électronique : informatique et télécommunication, objets intelligents et interconnectés, domaine médical et biologique… En cela, l’utilisation de la troisième dimension, par opposition à la fabrication planaire de composants électrique, semble être une option prometteuse. L’intégration 3D permet en effet d’incorporer plus de composants sur une même surface en les empilant à un coût technologique et économique plus faibles que celui de la miniaturisation. En particulier, l’intégration séquentielle ou CoolCubeTM au CEA-Leti permet de profiter pleinement de la troisième dimension en fabriquant successivement les uns sur les autres chaque étage d’une puce, permettant un alignement optimal des transistors unitaires à chaque niveau. Néanmoins, plusieurs verrous technologiques particuliers à l’intégration 3D Séquentielle doivent alors être levés.Dans ce manuscrit, nous nous intéresserons à la réduction du budget thermique pour la fabrication des transistors supérieurs, nécessaire afin de ne pas endommager les étages inférieurs lors de la réalisation des composants sus-jacents. Nous commencerons par définir le budget thermique maximal afin de ne pas dégrader les couches inférieures avant d’identifier les briques technologiques impactées lors de la fabrication d’un transistor. Nous verrons alors dans ce manuscrit qu’il sera non seulement nécessaire d’étudier de nouveaux matériaux, mais aussi de nouveaux procédés voire de nouvelles techniques de recuit. Plus particulièrement, nous évaluerons tout d’abord l’utilisation des diélectriques low-k comme espaceurs de grille permettant notamment d’améliorer les performances dynamiques des composants. Ensuite, nous présenterons différentes stratégies de préparation de surface et de croissance épitaxiale à basse température pour la réalisation des sources et drains surélevés. Enfin, nous étudierons l’impact d’un budget thermique faible ainsi que de nouvelles techniques de recuits micro-onde et laser sur les propriétés de l’empilement de grille. Nous verrons en particulier que la difficulté principale d’une intégration à bas budget thermique est l’obtention d’une bonne fiabilité des transistors. Toute cette étude nous permettra alors de proposer des solutions à l’intégration d’un transistor à un bas budget thermique compatible avec l’intégration 3D Séquentielle. / As the scaling of transistors following Moore’s law seems to slow down due to physical, technological and economical barriers, it becomes mandatory to find alternatives to cope with the increasing demand in electronics: computing and telecommunication, smart and interconnected objects, medical and biological fields… To that end, the use of the third dimension, in opposition to the planar processing of electronical devices, appears to be a promising option. Indeed, 3D integration allows incorporating more devices per area by stacking them at a lower technological and economical cost than scaling. More specifically, 3D sequential or CoolCubeTM at CEA-Leti allows benefiting fully from the third dimension by processing successively one on top of each other each level of a die, allowing an optimal alignment of single transistors at each layer. However, several technological barriers specific to 3D Sequential Integration need then to be alleviated.In this work, we will study the reduction of thermal budget for the transistors fabrication, which is required to not damage bottom levels during the processing of top devices. First, we will define the maximal thermal budget in order not to degrade bottom layers prior to identifying the technological modules impacted during the fabrication of a transistor. We will then see in this work that not only new materials need to be studied, but also new processes and new annealing techniques. Specifically, we will first evaluate the use of low-k dielectrics as gate offset spacers, allowing the improvement of devices dynamic performance. Then we will present different strategies of surface preparation and epitaxial growth at low temperature for the formation of raised sources and drains. Finally, we will study the impact of a low thermal budget process flow along with novel microwaves and laser annealing techniques on the gate stack properties. In particular, we will see that the biggest challenge in a low thermal budget integration is to get a good reliability of transistors. This study leads to a proposed low thermal budget process flow for transistor fabrication compatible with 3D Sequential Integration.

Ce travail porte sur la caractérisation structurale et optique d'échantillons de SiC. Les échantillons étudiés ont été répartis en trois groupes : des échantillons massifs, des couches épitaxiales épaisses et enfin des couches minces. La croissance des échantillons massifs a été réalisée avec la technique CF-PVT, utilisant une géométrie « d'étranglement ». L'objectif était de filtrer les défauts afin de créer des germes de 3C de haute pureté. La croissance de des couches épaisses par sublimation avait comme objectif la maitrise d'un dopage résiduel faible de type n et p pour des applications composants. Enfin, dans le but de réaliser des composants de type LED blanche des impuretés Ga ont été introduites dans des couches minces épitaxiées par VLS afin de créer des échantillons fortement dopé de type p. Tous ces échantillons ont été étudiés par photoluminescence, micro-Raman, SIMS et microscopie électronique à transmission. Il a été possible de déterminer la concentration d'impuretés et d'identifier le caractère n ou p de ces échantillons. L'analyse des échantillons a été faite en utilisant à la fois l'observation des défauts structurels et les informations obtenues à partir des techniques de caractérisation optique. Nous avons pu obtenir des informations sur les paramètres physiques de 3C-SiC, comme l'énergie de liaison de Ga et Al, la structure fine des excitons liés à l'Al et celle des paires donneurs accepteurs Al-N et Ga-N. Enfin l'apparition d'un nouveau défaut de structure appelée le « fourfold twin » a été observée. / The main topic of this thesis is the structural and optical characterization of SiC samples. The samples were divided in three groups: bulk, thick and thin epilayers. The bulk samples were grown with the CF-PVT technique and used a modified crystal holder geometry. The objective was to filter the defects to and create high purity and quality seeds of 3C-SiC. The thick epilayers were grown with the sublimation epitaxy technique, trying to demonstrate the creation of low impurity n and p type layers for device applications. Finally the thin epilayers were grown with the vapour-liquid-solid technique and doped with Ga impurities in an effort to create either heavily p-type doped samples and components for white LED applications. The samples were studied with low temperature photoluminescence, micro-Raman, SIMS and transmission electron microscopy. With the help of these techniques it was possible to determine the impurity concentration and identif y the n or p character of these samples. A qualitative analysis of the quality of the samples was done using both the observation of the structural defects and the information from the optical characterization techniques. We were able to acquire information about physical parameters of 3C-SiC like the binding energy of Ga and Al, the Al bound exciton fine structure and the Al-N and Ga-N donor acceptor pair fine structure. The appearance of a new structural defect called the fourfold twin was observed and presented.

La réduction de taille des dispositifs électroniques apporte de nouvelles exigences scientifiques et techniques. De nouveaux phénomènes apparaissent aux petites échelles et, par ailleurs, l'exploration des propriétés électroniques à l'échelle locale nécessite le développement d'instruments adaptés. Ces deux demandes sont devenues cruciales pour le développement de la " nano-électronique ".<br /><br />L'objectif de cette thèse est double : augmenter la sensibilité de détection de charges déposées sur des surfaces et l'imagerie dans l'espace réel des fonctions d'onde électroniques dans des nano-dispositifs enterrés sous la surface libre. Pour atteindre ces objectifs, nous avons conçu un microscope à force atomique (AFM) idoine. Ce microscope est décrit dans le premier chapitre de ce mémoire.<br /><br />Dans un deuxième chapitre, nous décrivons une méthode d'amplification paramétrique pour augmenter la sensibilité de détection de charges déposées sur une surface. Le mouvement du micro-levier AFM est déterminé analytiquement et est confirmé tant par une approche numérique que par l'expérience. Nous concluons qu'avec notre méthode, la limite de bruit thermique peut être dépassée. Dans le même chapitre, nous faisons une remarque sur une variante très répandue de la microscopie à force électrique (EFM) : la microscopie à force de Kelvin (KFM). Nous montrons que, même si elle n'est pas volontairement provoquée, l'amplification paramétrique du mouvement du micro-levier est toujours présente et qu'elle peut notablement modifier la résolution du microscope telle qu'anticipée à travers les approches usuelles.<br /><br />Dans le dernier chapitre, nous nous intéressons au transport électronique dans des systèmes mésoscopiques fabriqués à partir de gaz électroniques 2D. Traditionnellement, l'étude de ce transport est appréhendée par des mesures de conductance à 4 points en fonction de la température. Cette approche procure une information moyennée sur toute la taille du dispositif et, donc, perd l'information locale. Ici, nous complétons cette approche par des mesures dans lesquelles la pointe du microscope AFM est polarisée électriquement de sorte à perturber localement le potentiel vu par les porteurs de charge. Le balayage de cette pointe au dessus du dispositif permet d'en construire une image de sa conductance. Cette technique est appelée " microscopie locale à grille ajustable " et est désignée par son acronyme anglo-saxon : SGM. Nous avons ici étudié un système modèle, siège d'interférences quantiques de type Aharonov-Bohm : des anneaux quantiques fabriqués à partir d'hérérostructures à base de GaInAs. Nous couplons nos expériences à des simulations en mécanique quantique et montrons comment la microscopie SGM permet de sonder le transport cohérent et d'imager les fonctions d'onde dans ces anneaux.

L’intégration 3D séquentielle représente une alternative potentielle à la réduction des dimensions afin de gagner encore en densité d’une génération à la suivante. Le principal défi concerne la fabrication du transistor de l’étage supérieur avec un faible budget thermique; ceci afin d’éviter la dégradation du niveau inférieur. L’étape de fabrication la plus critique pour la réalisation du niveau supérieur est l’activation des dopants. Celle-ci est généralement effectuée par recuit à une température supérieure à 1000 °C. Dans ce contexte, cette thèse propose des solutions pour activer les dopants à des températures inférieures à 600 °C par la technique dite de recristallisation en phase solide. Les conditions de dopage ont été optimisées pour améliorer le niveau d’activation et le temps de recuit tout en réduisant la température d’activation jusqu’à 450°C. Les avancées obtenues ont été implémentées sur des dispositifs avancés FDSOI et TriGate générant des dispositifs avec des performances inférieures aux références fabriquées à hautes températures (supérieures à 1000 °C). En utilisant des simulations TCAD et en les comparant aux mesures électriques, nous avons montré que la région la plus critique en termes d’activation se trouve sous les espaceurs de la grille. Nous montrons alors qu’une intégration dite « extension first » est le meilleur compromis pour obtenir de bonnes performances sur des dispositifs fabriqués à faible température. En effet, l’implantation des dopants avant l’épitaxie qui vise à surélever les sources et drains compense l’absence de diffusion à basse température. Ces résultats ont par la suite été étendus pour des dispositifs TriGate et FinFETs sur isolants. Pour la première fois, l’intégration « extension first » a été démontrée pour des N et PFETs d’une technologie 14 nm FDSOI avec des résultats prometteurs en termes de performances. Les résultats obtenus montrent notamment qu’il est possible d’amorphiser partiellement un film très mince avant d’effectuer une recroissance épitaxiale sur une couche dopée. Finalement, une implantation ionique à relativement haute température (jusqu’à 500 °C) a été étudiée afin de doper les accès sans amorphiser totalement le film mince, ce qui est critique dans le cas des dispositifs FDSOI et FinFET. Nous montrons que les niveaux d’activation après implantation sont trop faibles pour obtenir des bonnes performances et que l’implantation ionique « chaude » est prometteuse à condition d’être utilisée avec un autre mécanisme d’activation comme le recuit laser. / 3D sequential integration is a promising candidate for the scaling sustainability for technological nodes beyond 14 nm. The main challenge is the development of a low temperature process for the top transistor level that enables to avoid the degradation of the bottom transistor level. The most critical process step for the top transistor level fabrication is the dopant activation that is usually performed at temperature higher than 1000 °C. In the frame of this Ph.D. work, different solutions for the dopant activation optimization at low temperature (below 600 °C) are proposed and integrated in FDSOI and TriGate devices. The technique chosen for the dopant activation at low temperature is the solid phase epitaxial regrowth. First, doping conditions have been optimized in terms of activation level and process time for low temperatures (down to 450 °C) anneals. The obtained conditions have been implemented in FDSOI and TriGate devices leading to degraded electrical results compared to the high temperature process of reference (above 1000 °C). By means of TCAD simulation and electrical measurements comparison, the critical region of the transistor in terms of activation appears to be below the offset spacer. The extension first integration scheme is then shown to be the best candidate to obtain high performance low temperature devices. Indeed, by performing the doping implantation before the raised source and drain epitaxial growth, the absence of diffusion at low temperature can be compensated. This conclusion can be extrapolated for TriGate and FinFET on insulator devices. Extension first integration scheme has been demonstrated for the first time on N and PFETs in 14 nm FDSOI technology showing promising results in terms of performance. This demonstration evidences that the two challenges of this integration i.e. the partial amorphization of very thin films and the epitaxy regrowth on implanted access are feasible. Finally, heated implantation has been investigated as a solution to dope thin access regions without full amorphization, which is particularly critical for FDSOI and FinFET devices. The as-implanted activation levels are shown to be too low to obtain high performance devices and the heated implantation appears a promising candidate for low temperature devices if used in combination with an alternative activation mechanism.

Cette étude révèle le comportement d'une matrice de détection infrarouge portée à la température de l'hélium liquide (4.2K). La Société Anonyme de Télécommunications (France) réalise la matrice de détection 32x32 éléments senseurs, à lecture CID (Charge Injected Devices) sur susbtrat InSb (antimoniure d'indium). Son utilisation à la température de l'hélium liquide est différente de celle prévue par son fabricant (77 K). En particulier, le comportement du courant d'obscurité varie fortement entre ces deux valeurs de T. Seul le courant tunnel est encore actif à la température de l'hélium liquide (les courants d'origine thermique s'annulent). Sensible au potentiel de surface du semiconducteur, le courant tunnel de la structure MIS-InSb ne sature pas les puits de potentiel de la matrice InSbCID. La recherche du temps d'intégration maximum, la contrainte liée à la linéarité de la réponse photonique (spécialement sous faible flux de photons), l'optimisation du rendement quantique et la réduction du bruit de lecture constituent les points fondamentaux de cette étude. Cependant, les mesures expérimentales de la caméra ont révélé des effets secondaires liés au détecteur (dérive, réponse inertielle) ou au cablage électrique (diaphonie). Un chapitre spécial est réservé au comportement des matrices CID SAT en envîronement y. Le résultat de cette phase d'études est la réalisation de la caméra infrarouge CIRCUS (Caméra Infra-Rouge Courte longueur d'onde pour Utilisation au Sol).

Nous presentons une description theorique du role joue par les effets a N-corps dans le phenomene d'absorption dans les heterojonctions (puits quantiques) a basse temperature. Les proprietes optiques des semiconducteurs et leur connection aux proprietes thermodynamiques du plasma electron-trou quasi-2D sont etudiees dans les regimes a l'equilibre et hors d'equilibre. Ce travail a ete motive par une serie d'experiences pompe-sonde avec excitation selective des etats de spin, realisees a Heriot-Watt University. L'interpretation des resultats experimentaux est toutefois extremement difficile a cause de l'influence des effets a N-corps coulombiens et quantiques donnant naissance a une riche variete d'elargissements de et de renormalisation des etats d'energie des resonances excitoniques.<br /><br />Nous avons construit un modele simple permettant de decrire la thermodynamique hors d'equilibre du plasma electron-trou chaud. Nous avons considere plusieurs processus dynamiques tels que la relaxation des fonctions de distribution des porteurs de charge, la thermalisation, le refroidissement du plasma, le spin-flip des porteurs, les recombinaisons (radiative et nonradiative) ainsi que la diffusion des trous legers vers la bande des trous lourds. Un traitement microscopique complet de ce probleme a N-corps etant irrealisable numeriquement, nous avons utilise une approche phenomenologique avec les temps caracteristiques associes pour chacun des processus inclus dans notre analyse. Nous avons ainsi calcule l'evolution temporelle de la renormalisation de l'energie et de l'attenuation des resonances excitoniques, en resolvant numeriquement les equations de Bloch pour les semiconducteurs (potentiel coulombien ecrante et approximation de Hartree-Fock) couplees aux equations phenomenologiques. Nous obtenons un bon accord qualitatif avec les resultats experimentaux et une comprehension plus profonde du role joue par les divers processus hors d'equilibre, en variant les temps caracteristiques. En particulier nous trouvons que le spin-flip de l'electron se produit sur une echelle de temps (plusieurs dizaines de picosecondes) superieure a la thermalisation et a la relaxation des distributions de porteurs (une picoseconde ou moins). Nous avons aussi etudie l'evolution temporelle de la densite, energie et temperature du plasma chaud. L'evaluation de l'ecrantage coulombien a ete faite dans la limite des grandes longueurs d'onde de dans l'approximation du pole plasmonique statique.<br /><br />Dans cette these, nous avons aussi etudie la photoluminescence (PL) dans les puits quantiques II-VI a temperature ambiante. Nous avons construit un modele mathematique pour prendre en compte les correlations coulombiennes dont on attend qu'elles influencent le taux d'emission spontanee dans ces materiaux. Nous avons suppose que la diffusion d'un exciton 1s avec un electron du continuum est le processus dominant amenant un exciton sur la photon line avant la recombinaison. Les fonctions d'ondes excitoniques a 2D ont ete calculee avec un potentiel coulombien ecrante en utilisant la methode de la phase variable. Une fois les elements de matrice de diffusion calcules, nous avons utilise la regle d'or de Fermi pour evaluer la contribution de la diffusion d'un exciton 1s avec un electron du continuum pour le taux d'emission spontanee. Les spectres de PL ont ete calcules pour differentes densites, pour les materiaux a grand gap comme ZnSe, et a moyen gap pour GaAs, afin de comparer les materiaux II-VI et III-V. Le spectre de PL pour ZnSe exhibe une resonance excitonique qui n'apparait pas pour GaAs.