Les HEMT AlGaN/GaN sont en passe de devenir incontournables dans le monde de l'amplification de puissance radiofréquence, grâce à leurs performances exceptionnelles. Cependant,en raison de la relative jeunesse de cette technologie, des études de fiabilité dans plusieurs modes de fonctionnement sont toujours nécessaires pour comprendre les mécanismes de défaillance propres à ces composants et responsables de leur vieillissement. Cette étude porte sur l'analyse des défaillances dans les transistors HEMT AlGaN/GaN de puissance,en régime de fonctionnement de type RADAR (pulsé et saturé). Elle s'appuie sur la conception d'amplificateurs de test, leur caractérisation et leur épreuve sur bancs de vieillissement. La mise en place d'une méthodologie visant à discriminer les mécanismes de dégradation prépondérants, conjointement à une analyse micro-structurale des composants vieillis, permet d'établir le lien entre l'évolution des performances électriques et l'origine physique de ces défauts.

Le travail réalisé dans cette thèse concerne la mise au point de procédés de fabrication de microbobines essentiellement sur support souple. Deux applications sont spécifiquement visées : le contrôle non-destructif (CND) des matériaux et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire. Dans le cas des supports souples, la flexibilité du substrat permet de placer le capteur au plus près de l'élément à caractériser lorsque la surface de celui-ci n'est pas plane et d'augmenter ainsi la sensibilité du dispositif de mesure. L'impact de la technologie sur les performances des microdispositifs élaborés est étudié pour deux types de microbobines : des microbobines planaires et tridimensionnelles. Le procédé de fabrication utilisé met en oeuvre le micromoulage de cuivre. Pour améliorer l'adhérence cuivre/substrat de polymère (Peek ou Kapton), un traitement plasma est effectué avant la croissance de la couche d'amorçage. Les bobines 3D sont obtenues en 2 étapes de micromoulage en utilisant un moule tridimensionnel réalisé en lithographie à niveaux de gris. La réalisation de via par ablation laser et leur remplissage par croissance électrolytique permet d'obtenir des connexions électriques par la face arrière des supports et de diminuer la distance échantillon/capteur. Pour le CND, des microbobines planaires de 40 tours (L ≈ 1 µH ; largeur des pistes : 5 µm) et des microsolénoïdes de 13 tours (L < 1nH) sont réalisés et caractérisés. Les performances électriques obtenues (facteur de qualité Q ≈ 25) sont excellentes et nettement supérieures à celles des dispositifs réalisés sur silicium oxydé (Q ≈ 5). Dans le cadre de l'IRM, les antennes réalisées présentent des diamètres variant de 3 à 15 mm. A 64MHz, les antennes de 15 mm présentent un Q de 80 ce qui constitue un excellent résultat. Une première image au monde utilisant une micro-antenne déformée d'une tumeur implantée chez la souris a été obtenue.

La miniaturisation des transistors CMOS permet d'améliorer les performances, la densité d'intégration et le coût des circuits intégrés. Cependant, de nos jours, le transistor se heurte à des limitations physiques. Afin de perpétuer l'accroissement des performances, l'intégration de nouveaux matériaux devient incontournable. En particulier, l'oxyde d'hafnium, du fait de sa haute permittivité et de sa large bande interdite est largement étudié afin de remplacer l'oxyde de grille standard. L'utilisation du HfO2 vise ainsi à améliorer le compromis épaisseur d'oxyde/ courant de fuite. Dans ce contexte, ce travail porte sur l'élaboration, la caractérisation et l'intégration de films de HfO2 déposé par la technique MOCVD en phase liquide pulsée. La présence du système d'injection et l'utilisation d'une large fenêtre de procédé favorisent la croissance de films selon différentes phases cristallines. Selon la phase en présence, des constantes diélectriques de l'ordre de 20 et d'autres de l'ordre de 30 sont obtenues. Cette étude met aussi en évidence la présence d'une épaisseur de transition cristalline ainsi que la nature nano-cristallisée des films de HfO2. Ces différentes analyses ouvrent la voie à l'emploi de techniques de caractérisations non destructives qui peuvent être employées dans l'environnement salle blanche. L'ensemble de ces travaux ont permis la mise en place d'un procédé de référence, avec une EOT de 1,1 nm et une densité de courant de fuite de 0,84 A/cm², résultats en accord avec l'ITRS pour les applications haute performance

Au vu d’une demande croissante pour un stockage d’énergie à grande échelle, il est préférable de se tourner vers des matériaux peu coûteux et répandus. De ce point de vue, le sodium, qui présente des caractéristiques très proches de celles du lithium, présente également l’avantage d’être peu coûteux, abondant et réparti uniformément dans le monde. Cette thèse porte sur l’étude d’un système complet Na-ion constitué d’un carbone dur à l’électrode négative et d’un oxyde lamellaire à l’électrode positive. Un volet sur l’électrolyte a également été abordé.Concernant l’électrode négative, l’influence de la température de pyrolyse de la cellulose sur la structure des carbones durs et sur les performances électrochimiques a été étudiée. Une graphitisation localisée, une fermeture des pores et une évolution de la porosité interne avec la température de pyrolyse ont pu être observées. Les meilleures performances électrochimiques ont été obtenues pour le matériau synthétisé à 1600 °C : une capacité réversible d’environ 300 mAh.g-1 stable sur 200 cycles est atteinte à 37,2 mA.g-1 avec une efficacité coulombique initiale de 84 %. Pour mieux comprendre les mécanismes d’insertion du sodium dans ces matériaux, des études par spectroscopie d’impédance, SAXS et EDX ont été réalisées sur des carbones durs cyclés à différents potentiels.Le matériau d’électrode positive choisi est l’oxyde lamellaire Na0,6Ni0,25Mn0,75O2. L’influence de la température de calcination a permis de faire varier le nombre de défauts d’empilement de type P3 au profit d’une phase P2 plus cristalline. Après avoir optimisé l’électrolyte à base de carbonates pour garantir la reproductibilité des tests oxyde lamellaire//sodium métal, une capacité d’oxydation de 130 mAh.g-1 a pu être atteinte au premier cycle avant de chuter fortement sur les 40 cycles suivants. Cette perte de capacité a pu être en partie expliquée par des études de DRX operando. Enfin, ces travaux ont permis d’aboutir à des systèmes complets Na-ion dont les premiers résultats sont prometteurs. / Because of the development of renewable energy and electric vehicles, the need for a large scale energy storage has increased. This type of storage requires a large amount of raw materials. Therefore low cost and abundant resources are necessary. Consequently the use of sodium batteries is of interest because sodium’s low cost, high abundance, and worldwide availability. This PhD thesis deals with the study of a full Na-ion cell containing a hard carbon negative electrode, and a layered oxide positive electrode. A shorter part concerns the electrolyte.Concerning the negative electrode, the first objective was to understand in detail the influence of the pyrolysis temperature of a hard carbon precursor, cellulose, on the final structure of the material and its consequences on the electrochemical performance. Many techniques were used to characterize the hard carbon structure as a function of the pyrolysis temperature. Localized graphitization, pore closure, and an increase in micropore size have been observed with increasing temperature. The best electrochemical performance has been reached with the hard carbon synthesized at 1600°C: a reversible capacity of around 300 mAh.g-1 stable over 200 cycles is obtained at 37.2 mA.g-1 with an initial coulombic efficiency of 84%. To deeper understand sodium insertion mechanisms in hard carbon structures impedance spectroscopy, SAXS and EDX were carried out on hard carbon electrodes cycled at different voltages.The layered oxide Na0.6Ni0.25Mn0.75O2 was investigated as the positive electrode. It was observed that with increasing calcination temperature the number of P3-type stacking faults decreases in favor of a more crystalline P2 phase. Then, the carbonate-based electrolyte has been optimized to guarantee the reproducibility of the electrochemical tests performed in a layered oxide//sodium metal configuration. A first oxidation capacity of around 130 mAh.g-1 is reached. However this value drops quickly after 40 cycles. Operando XRD analysis did partially explain the capacity decrease. Finally, the results of these investigations were used to design an optimized full cell which demonstrated promising performance during initial testing.

Dans ce manuscrit, un travail hautement multidisciplinaire, de la synthèse de ligands organiques à la caractérisation de couches minces, est présenté. L'objectif principal de cette étude était d'élaborer de nouveaux précurseurs de niobium, de titane et d'alcalino-terreux adaptés au procédé de dépôt de couches minces par CBVD développé par la société 3D-OXIDES. Afin de répondre aux exigences de ce procédé, deux classes innovantes de dérivés moléculaires à base de ß-amino-alcool ou de ß-dicétone ?-modifiée ont été élaborées grâce à la synthèse organique de nouveaux ligands. Les complexes métalliques ont ensuite été entièrement caractériser et leur intérêt respectif dans le processus de dépôt par CBVD a été étudié à travers la détermination des pressions de vapeur, les taux de croissance, les caractérisations spectroscopiques et analyses des couches minces / In this manuscript, a highly multidisciplinary work from organic ligand syntheses to thin films characterizations is presented. The main objective of this study was to elaborate new suitable niobium-, titanium-, and alkaline earth-based precursors for CBVD thin film deposition process developed by 3D-OXIDES company. In order to reach the requirements for CBVD deposits applications, two innovative classes of molecular derivatives based on either ß-amino-alcohol or ?-modified ß-diketone ligand have been elaborated, starting from the organic synthesis of new ligands, and thoroughly characterized. Their respective interest in CBVD deposition process was fully analyzed through the determination of vapor pressures, growth rates and spectroscopic and thin film characterizations

Les développements récents en électronique de puissance visent à augmenter la densité de puissance totale dans les systèmes de conversion d'énergie. Cela contraint alors de plus en plus les matériaux isolants, tels que l'encapsulation dans les modules de puissance. Si les renforcements de champ électrique au sein des polymères isolants atteignent des valeurs critiques, cela peut entraîner une activité de décharges partielles, des arborescences voire la rupture totale de l'isolation. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'adaptation des propriétés diélectriques d'un polymère composite isolant afin de réduire les contraintes autour des zones de renforcements de champ électrique. Nous proposons une nouvelle approche de gradation de potentiel pour minimiser les renforcements de champ à travers une structuration locale du matériau composite sous forme d'un gradient de permittivité auto-adaptatif localisé là où les contraintes sont les plus intenses. Cette structuration est réalisée via l'application d'un champ électrique DC lors du procédé d'élaboration du matériau composite, permettant le déplacement par électrophorèse des particules. Le composite à gradient de permittivité est composé d'une matrice époxy chargée en particules à forte permittivité (titanate de strontium SrTiO3 ou titanate de baryum BaTiO3). L'action d'un champ électrique DC sur la résine liquide chargée en particules engendre leur accumulation vers l'électrode de plus fort potentiel, formant ainsi une couche fortement chargée, qui confère à cette région une permittivité plus élevée. Chaque région du composite structuré (zone de la couche accumulée et zone faiblement chargée en particules) a été caractérisée en termes de propriétés diélectriques (permittivité et pertes). Alors que la région des composites faiblement chargée en particules conserve une permittivité voisine de celle des composites homogènes, la couche accumulée présente une augmentation importante liée à l'augmentation de la densité de particules. Les concentrations en particules de chaque région du matériau structuré ont été déterminées précisément, et les valeurs de permittivités associées se corrèlent bien avec les valeurs de permittivité des matériaux composites homogènes de taux de chargement équivalent. Cela montre que la couche accumulée ne s'est pas organisée d'une façon particulière. Concernant la rigidité diélectrique de la couche accumulée, elle présente des valeurs suffisantes pour tenir les contraintes rencontrées et ses valeurs suivent la loi de puissance classique en fonction de l'épaisseur. Des simulations par éléments finis confirment l'intérêt de ces matériaux pour la minimisation des renforcements de champ électrique au niveau du point triple dans les modules de puissance. Ces résultats montrent tout le potentiel applicatif de ces nouveaux matériaux à gradient de champ. Ils pourraient permettre l'amélioration de la fiabilité et de la robustesse des modules de puissance et autres systèmes électriques travaillant sous fort champ. / New developments in power electronics allow increasing the power density of the conversion systems. This means that the insulating materials, such as the encapsulation in power modules, are more are more stressed. If the electric field reinforcements in insulating polymers reach critical values, this can lead to a partial discharge activity, electrical treeing and eventually a complete breakdown of the insulation. The objective of this thesis is to study the appropriate matching of the dielectric properties of insulating polymer composites in order to reduce the electrical stress in the regions of field reinforcement. A new approach to minimize the reinforcements is proposed through a local structuration of the composite material allowing an auto-adaptive permittivity gradient where the largest stresses are present. This structuration is achieved thanks to the application of a DC electric field during the elaboration process of the composite material, leading to the displacement of the particles by electrophoresis. The field grading material is an epoxy matrix filled with high permittivity particles (strontium titanate SrTiO3 or barium titanate BaTiO3). Applying a DC electric field on the liquid resin containing the particles induces their accumulation on the high voltage electrode, building an accumulated layer highly concentrated in particles, conferring to this region a higher permittivity. Each region of the structured composite (accumulated layer and low concentrated region) was characterized in terms of dielectric properties (permittivity and losses). While the low concentrated region of particles keeps a permittivity close to that of homogeneous composites one, the accumulated layer exhibits a significant increase due to the increase in the local particle content. The particle concentration in each region of the structured material were precisely determined, and the related permittivity values are in good agreement with the permittivity values of the homogeneous composite materials of the same filler content. This shows that the accumulated layer was not organized in a particular way. Regarding the dielectric strength of the accumulated layer, its values are large enough for the applications and these values follow the typical power law versus thickness. Finite element methods prove that these materials are appropriate for minimizing the electric field reinforcements at the triple point, between the metal, the ceramic and the encapsulation. These results highlight the interests of these new kind of field grading materials. They could allow improving the reliability and the robustness of power modules or other electrical systems working at high field.

L’architecture FDSOI (silicium sur isolant totalement déserté) permet une amélioration significative du comportement électrostatique des transistors MOSFETs pour les technologies avancées et est employée industriellement à partir du noeud 28 nm.L’implémentation de protections contre les décharges électrostatiques (ESD pour« Electro Static Discharge ») dans ces technologies reste un défi. Alors que l’approche standard repose sur l’hybridation du substrat SOI (gravure de l’oxyde enterré : BOX)permettant de fabriquer des dispositifs de puissance verticaux, nous nous intéressons ici à des structures dans lesquelles la conduction s’effectue latéralement, dans le film de silicium. Dans ces travaux, des approches alternatives utilisant des dispositifs innovants(Z²-FET et BBC-T) sont proposées. Leurs caractéristiques statiques, quasi-statiques et transitoires sont étudiées, par le biais de simulations TCAD et de caractérisations électriques. / FDSOI architecture (Fully Depleted Silicon On Insulator) allows a significantimprovement of the electrostatic behavior of the MOSFETs transistors for the advancedtechnologies. It is industrially employed from the 28 nm node. However, theimplementation of ESD (Electrostatic Discharges) protections in these technologies isstill a challenge. While the standard approach relies on SOI substrate hybridization (byetching the BOX (buried oxide)), allowing to fabricate vertical power devices, we focushere on structures where the current flows laterally, in the silicon film. In this work,alternative approaches using innovative devices (Z²-FET and BBC-T) are proposed. Theirstatic, quasi-static and transient characteristics are studied in detail, with TCADsimulations and electrical characterizations.

Dans les conditions réelles d’utilisation, de multiples facteurs sont à l’origine de l’évolution des propriétés mécaniques des caoutchoucs (température, oxygène, conditions de chargement mécaniques…). Les pièces en élastomère pour l’antivibratoire automobile sont généralement massives (plusieurs millimètres d’épaisseur), le vieillissement conduit alors à des évolutions de propriétés hétérogènes. Ceci peut être induit par plusieurs mécanismes de dégradation liés, par exemple, à la présence ou non d’oxygène. Pour comprendre et identifier les mécanismes de dégradation prépondérants, une campagne de vieillissement accéléré a été menée pour une large gamme de températures représentative des conditions de service rencontrées sur véhicule (de 40°C à 120°C). De nombreux échantillons de géométries différentes (films minces, éprouvettes de caractérisation et éprouvettes de structure) ont été utilisés afin, d’une part, de faciliter l’interprétation, et d’autre part, de viser la transposition des résultats à l’échelle des pièces industrielles. L’étude présentée ici vise à identifier les mécanismes physico-chimiques et/ou évolutions microstructurales à l’origine du processus de dégradation, et de quantifier les conséquences de ceux-ci sur le comportement mécanique et les propriétés en fatigue. Ces résultats permettront de fournir les éléments nécessaires à la modélisation et la prise en compte fine des effets du vieillissement dans le processus de conception de pièces antivibratoires automobiles. / Under service conditions, many factors are responsible for the evolution of the mechanical properties of rubber parts (temperature, oxygen, mechanical loadings, etc.). Automotive anti-vibration parts using rubber-like materials are usually massive and ageing can therefore lead to heterogeneous properties. To understand the degradation process and especially the effect of oxygen, aerobic and anaerobic ageing conditions have been studied for a wide range of temperatures (from 40°C to 120°C). Numerous samples have been used with different geometries (from thin films to massive structural samples) to ease the interpretation but also to remain as close as possible from the final applications. The mechanical consequences of the ageing have been investigated for both static and fatigue properties throughout a wide experimental database (about 1000 specimens tested in fatigue, for example). The study aims at identifying the physicochemical mechanisms and/or microstructural evolution that cause the processes of degradation and to quantify the consequences on the mechanical behavior and the fatigue properties. These results will provide the necessary elements needed for the integration of thermo-oxidative effects in the fatigue design loop of automotive anti-vibration parts.

La recherche et développement de dispositifs médicaux avec diverses applications en diagnostiques et en thérapie ont été réalisés. Actuellement, tous les systèmes micro-ondes disponibles d'hyperthermie proposent uniquement des traitements avec une puissance élevée de micro-ondes. Dans cette thèse, un nouveau système d'hyperthermie micro-ondes est étudié pour le bénéfice des fonctions de diagnostic et de thérapie. L'utilisation d'un applicateur avec un niveau très faible et inoffensif de puissance micro-ondes permet de faire le premier diagnostic. Le traitement thérapeutique thermique sera effectué en utilisant le même applicateur avec une puissance micro-ondes élevée et adaptée sur la partie pathologique. Des caractérisations micro-ondes large bande de cinq tissus biologiques différents ont été effectuées à différentes températures avec une méthode de sonde coaxiale ouverte et le modèle de ligne virtuelle. Les expérimentations ex vivo d'hyperthermie micro-ondes avec des puissances de quelques watts à 2,45GHz ont été réalisées sur ces tissus d'épaisseurs variées. L'évolution de la température des tissus a été mesurée en utilisant un capteur infrarouge. Les simulations électromagnétiques et thermiques pour les expérimentations ex vivo d'hyperthermie micro-ondes ont été effectuées en utilisant COMSOL Multiphysics avec la méthode des éléments finis et la symétrie axiale 2D en considérant les tissus variés de différentes épaisseurs et puissances micro-onde incidente. Les simulations du modèle correspondent bien aux mesures. Cette recherche illustre la possibilité d'avoir un câble coaxial souple et adapté à la fois au diagnostic et au traitement pour une thérapie mini invasive. / Research and development of medical devices with various diagnostic and therapeutic applications have been carried out in different countries because of the great advances in electronic and electromagnetic devices during recent decades. However, at present, all of available existing microwave hyperthermia system can just offer treatment, by using high microwave power. In this thesis, a new microwave hyperemia system is researched which could have both diagnostic and therapeutic functions. One single applicator is used to measure dielectric properties of tissue with a very low harmless microwave power for diagnosis first. Then thermal therapeutic treatment will be carried out by using the same applicator with higher and adapted microwave power. Microwave broad band characterization of five different biological tissues at different temperatures with an open–ended coaxial probe method and the virtual line model has been carried out. Ex vivo microwave hyperthermia experiments using microwave power of a few Watts at 2.45GHz have been carried out on five tissues of various thicknesses. Temperature evolution of the biological tissues has been measured by using an infra-red senor. Electromagnetic and thermal simulations for ex vivo microwave hyperthermia experiment have also been achieved by using COMSOL Multiphysics software with 2D axisymmetrical finite–element method and considering different tissues of various thicknesses and incident microwave powers. Simulation results correlate well with the experimental ones. This research, illustrates the possibility to have a flexible and feasible coaxial cable for both diagnosis and treatment for a minimally invasive therapy.

Cette thèse développe la synthèse contrôlée et la purification de nanoparticules d’or hybrides, AuNPs stabilisées par des thiols organiques modulant leurs propriétés de surface. Les applications visent la catalyse et le domaine biomédical, impliquant un contrôle poussé des nanoobjets introduits. Les synthèses des AuNPs organiques sont développées à partir de la méthode de Brust, avec le 4-hydroxythiophénol et le 4-méthylthiophénol. Elles conduisent à des nanoparticules hybrides stables d’environ 2 nm. Les fractions de purifications sont analysées par MET, UV-visible, RMN et ATG, caractérisant le cœur d’or, la couche de ligands et leurs interactions. Il apparaît que les AuNPs hybrides présentent un assemblage de thiols en monocouche ou en multicouche. Une nouvelle voie de synthèse directe en phase aqueuse d’AuNPs d’environ 4 nm, stabilisées par le 4-hydroxythiophénol, est ensuite développée. Ces AuNPs sont purifiées par dialyse et caractérisées par MET, UV-visible, RMN et ATG. Les fractions d’AuNPs organiques, présentant différents états de surface, sont imprégnées dans la silice mésoporeuse SBA-15. Les isothermes d’adsorption et la manométrie sous diazote indiquent une bonne dispersion des AuNPs et une insertion dans les canaux. Nous introduisons l’exploration d’applications ciblées. L’utilisation des AuNPs organiques lors de l'oxydation d’alcènes tend à améliorer la sélectivité du sel de manganèse catalytique. Pour le domaine biomédical, les AuNPs aqueuses présentent une bonne dispersibilité en milieux aqueux biocompatibles. Les premiers tests in-vitro sur des cellules de sarcomes humains montrent une faible cytotoxicité et une bonne pénétration intracellulaire. / This Ph.D. work developed the controlled synthesis and purification of hybrid gold nanoparticles AuNPs, stabilized by organic thiols that are tuning their surface properties. The targeted applications are the catalysis and in the biomedical field, requiring a thorough control of the introduced nanoobjects. Syntheses of the organic AuNPs were developed from the Brust method, using 4-hydroxymercaptophenol or 4-methylmercaptophenol, leading to stable hybrid gold nanoparticles of size 2 nm. Purified fractions were characterized using TEM, UV-visible, NMR and TG analysis, issuing key data about the gold core, the organic layer and their interactions. Among the different fractions of AuNPs, the organic thiol ligands appeared to be assembled either as a monolayer or a multilayer pattern. A new direct route for synthesis of aqueous AuNPs of size 4 nm, stabilized by 4-hydroxymercaptophenol, has been developed. The AuNPs were purified using dialysis and characterized by TEM, UV-visible, NMR and TG analysis. Organic AuNPs, exhibiting different surface properties, were impregnated into SBA-15 mesoporous silica. Adsorption isotherms and nitrogen adsorption/desorption studies were in good agreement with the homogeneous distribution of AuNPs and the significant incorporation into the porosity. Finally, exploration of the targeted applications was started. The use of organic AuNPs for alkene oxidation tends to improve the selectivity of manganese salt catalyst. In the biomedical field, the aqueous AuNPs exhibited good dispersibility into biocompatible aqueous solvents. First in-vitro assays involving human sarcoma cells line showed limited cytotoxicity and good cellular uptake.