Cette thèse porte sur l'étude du transport électronique dans des structures de faibles dimensionnalités en silicium dopé. Elle s'inscrit notamment dans le contexte de la compréhension du transport mésoscopique et de la miniaturisation des dispositifs MOS.<br />Les nanostructures sont réalisées par oxydation localisée sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), sur des substrats silicium sur isolant (SOI) ultra-minces. Cette technique a été choisie pour sa souplesse, sa résolution (10nm), l'absence d'effet de proximité. Elle permet d'obtenir des nanostructures de quelques centaines de nm2 de section.<br />Tandis qu'à température ambiante le comportement électronique est semblable à celui d'un dispositif MOS/SOI, à basse température des oscillations de courant se superposent à l'effet de champ, pour dominer le transport en dessous de 70K. Ainsi, le transport électronique est dominé par le blocage de Coulomb, qui se traduit par des oscillations de courant, une loi d'activation en température de la conductance et des structures de type « diamant de Coulomb » dans la carte de courant en fonction des tensions de grille et de drain. Nous associons le blocage de Coulomb dans ces structures aux puits de potentiel créés par la présence de dopants à l'intérieur du nanofil. Pour les faibles dopages les nanofils se comportent comme de chaînes unidimensionnelles d'îlots en série, alors que pour les forts dopages leur comportement se modélise par des chaînes bidimensionnelles.<br />La technique originale de nanofabrication utilisée permet la réalisation de nanostructures de test en vue d'explorer les mécanismes de conduction dans le silicium nanostructuré.

De nombreuses techniques d'étude ou de structuration des matériaux sont basées sur l'interaction entre la lumière et une pointe dont l'extrémité est sub-longueur d'onde (pointe nanométrique). La sonde atomique tomographique (La-APT) est une de ces techniques. Un laser à impulsions femtosecondes (1015s), focalisé sur un échantillon mis sous la forme d'une pointe nanométrique, déclenche l'évaporation par effet de champ des atomes situés à la surface de l'extrémité de la pointe. Cette technique, mise au point récemment, permet l'analyse tomographique à l'échelle nanométrique de matériaux aussi bien métalliques que semi-conducteurs voir isolants. Cependant, la nature exacte du phénomène d'évaporation par effet de champ assistée par des impulsions lasers ultracourtes était méconnue. Ce travail présente une série d'expériences et de modélisations ayant pour but de montrer et d'expliquer les différents phénomènes se produisant. Les expériences réalisées au sein d'une sonde atomique équipée d'un laser entièrement paramétrable (longueur d'onde, polarisation, énergie...) montrent qu'un phénomène thermique ultrarapide (< 50ps) est principalement impliqué dans l'évaporation par effet de champ observé en La-APT. De plus, cette technique permet d'avoir accès à la dynamique de chauffage et de refroidissement de l'extrémité d'une pointe nanométrique éclairée par des impulsions laser femtoseconde, et cela à une échelle spatiale et temporelle beaucoup plus fine que de nombreuses autres techniques. Cela permet de déduire les propriétés d'absorption d'une pointe nanométrique. Une modélisation multiphysique a été développée et permet de faire le lien entre les propriétés d'absorption et les résultats en La-APT. Cela permet d'optimiser grandement l'instrument.

Cette étude porte sur l'intégration hybride de transistors à un électron (single-electron transistor, SET) dans un noeud technologique CMOS. Les SETs présentent de forts potentiels, en particulier en termes d'économies d'énergies, mais ne peuvent complètement remplacer le CMOS dans les circuits électriques. Cependant, la combinaison des composants SETs et MOS permet de pallier à ce problème, ouvrant la voie à des circuits à très faible puissance dissipée, et à haute densité d'intégration. Cette thèse se propose d'employer pour la réalisation de SETs dans le back-end-of-line (BEOL), c'est-à-dire dans l'oxyde encapsulant les CMOS, le procédé de fabrication nanodamascène, mis au point par C. Dubuc.

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur à large bande d'énergie interdite, remarquable par ses propriétés physiques situées à mi-chemin entre le silicium et le diamant. Ceci suscite actuellement un fort intérêt industriel pour son utilisation dans la fabrication de composants susceptibles de fonctionner dans des conditions extrêmes : forte puissance et haute température. Les travaux de thèse se sont focalisés sur la levée de verrous technologiques pour réaliser des composants latéraux de type JFET (Junction Field Effect Transistor) et les intégrer monolithiquement dans des substrats SiC-4H. L'objectif est de réaliser un bras d'onduleur intégré en SiC avec deux étages commande et puissance. Dans un premier temps, nous avons entamé cette thèse par une caractérisation de deux lots de composants JFET latéraux à canaux N et P réalisés dans le cadre de deux projets ANR précédents cette thèse. De cette étude nous avons extrait plusieurs points positifs, comme celui qui concerne la tenue en tension des JFET de puissance et l'intégration monolithique des JFET basse tension. Mais, nous avons aussi mis en évidence, la nécessité d'optimiser la structure de composants et d'améliorer certaines étapes technologiques, principalement, la définition des canaux par implantation ionique, le contact ohmique et la gravure profonde. Des études approfondies pour réaliser le contact ohmique sur SiC type P et des procédés pour réaliser une gravure profonde dans le SiC ont été développés. Ces études ont permis d'obtenir une faible résistance de contact comparable à l'état de l'art mondial, d'avoir des calibres en courant plus élevés et par conséquent une meilleure modulation. Pour la gravure, un masque dur à base de silicium et nickel (NiSi), nous a permis de mettre en place un procédé original qui permet des gravures profondes du SiC et réaliser les structures intégrés des JFET. L'ensemble de ces améliorations technologiques nous a permis d'obtenir des nouveaux lots de composants JFET P et N intégrés sur la même puce, avec des meilleures performances par rapport aux précédentes réalisations, notamment avec une conduction dans les canaux 10 à 100 fois plus importante. Nous avons également obtenu une modulation du courant Ids en fonction de la tension Vgs sur un nombre très important de JFET en augmentant significativement le rendement par rapport aux lots précédents.

Dans ce projet de thèse, deux voies visant l'élaboration de transistors à effet de champ en diamant ont été explorées : le delta-doping et la structure métal oxyde semi-conducteur (MOS). Plusieurs couches nanométriques delta-dopées au bore ont été épitaxiées et caractérisées par effet Hall. Un mécanisme de conduction par saut a été détecté dans les couches isolantes. Une mobilité de 3±1 cm2/Vs a été mesurée dans toutes les couches delta-dopées présentant une conduction métallique, quelque soit leur épaisseur (de 2 nm à 40 nm). Des structures MOS ont été fabriquées en utilisant de l'oxyde d'aluminium déposé par ALD (Atomic Layer Deposition) sur une surface oxygénée de diamant. Les mesures capacité tension ont montré que les régimes d'accumulation, de déplétion et de déplétion profonde pouvaient être contrôlés par la tension de grille, ouvrant ainsi la voie pour la fabrication de MOSFET en diamant.

Le carbure de silicium est pressenti comme un matériau prometteur dans plusieurs domaines de l’électroniquetels que la nano-électronique, l’électronique de puissance ou les capteurs travaillant en milieuxhostiles (hautes températures, milieux corrosifs, milieux biologiques) du fait de ses propriétés physicochimiquessupérieures à celles du silicium, notamment. Cependant, parmi les différentes méthodesd’élaboration par voie descendante ou ascendante permettant de fabriquer des nano-objets à 1D enSiC, aucune n’a pour l’instant permis d’obtenir du SiC d’excellente qualité cristalline.Le travail de cette thèse a porté sur la démonstration de l’élaboration de nanostructures 1D àbase de SiC, à savoir nanofils coeur-coquille Si-SiC, nanofils de SiC et nanotubes de SiC, par unprocédé original de carburation de nanofils de silicium, eux-mêmes élaborés par gravure plasma. Cettedémonstration a été possible grâce au contrôle de la pression de carburation, ce qui permet la maîtrisede l’exodiffusion des atomes de silicium à travers le carbure de silicium.À pression atmosphérique l’exodiffusion des atomes de silicium est restreinte ce qui permet d’élaborerdes nanofils coeur-coquille Si-SiC avec une coquille de SiC monocristalline et entièrement recouvrante.En se servant de la biocompatibilité du SiC et du bon contrôle électronique dans le silicium, ilest possible d’envisager l’utilisation de ces nanofils coeur-coquille Si-SiC pour des bio-nano-capteurs.En diminuant la pression au cours de la carburation, il est possible d’augmenter l’exodiffusion etainsi d’obtenir des nanotubes de SiC cubique de très bonne qualité cristalline avec des parois denses.Ces nanotubes de SiC sont largement modulables en termes de dimensions, et la faisabilité de leurouverture a été démontrée, permettant ainsi l’utilisation du fort rapport surface sur volume de telsnano-objets pour des capteurs électroniques notamment.Un premier pas a été franchi vers les applications des nanofils coeur-coquille Si-SiC et des nanotubesde SiC, puisque les mesures électriques réalisées sur des nano-transistors à effet de champ utilisant cesdeux types de nano-objets comme canal sont prometteurs. / Due to their superior physical and chemical properties —such as high breakdown field, high thermalconductivity and biocompatibility— compared to other semiconductors, silicon carbide is forseento be a promising materials for power electronics, bio-nano-sensors and nano-electronics in harsh environments.However, among the numerous top-down or bottom-up methods used to synthesise siliconcarbide 1D nano-objects, none has been able yet to produce SiC with a high cristalline quality.The aim of this project is to demonstrate the synthesis of silicon carbide- based 1D nanostructures—e.g. core-shell Si-SiC nanowires, SiC nanowires and SiC nanotubes— through an original processbased on the carburization of plasma-etched silicon nanowires. This demonstration is based on thecontrol of the pressure during the carburization process, which leads to the monitoring of the outdiffusionof silicon atoms through silicon carbide.Thus if the pressure is kept at the atmospheric pressure, the out-diffusion of silicon is limited andSi-SiC core-shell nanowires can be synthesized with a single-crystalline cubic SiC shell. Thanks to thebiocompatibility of the SiC shell and the good electronic transport into the Si core, bio-nano-sensorscan be considered.If the pressure is decreased during the carburization process, the outdiffusion of silicon atomsthrough SiC is enhanced, and leads to SiC nanotubes synthesis. SiC nanotubes sidewalls are dense,with an excellent crystalline quality. These original SiC nanotubes have a high surface to volume ratioand thus can be used for sensors or storage devices.The first step for direct applications has also been demonstrated since first results on electricalperformances of nano-field effect transistors, with these nano-objects as channel, are promising.

Un nanonet possède des propriétés remarquables qui proviennent non seulement des propriétés intrinsèques de chaque nanostructure mais aussi de leur assemblage en réseau ce qui les rend particulièrement attractifs pour de multiples applications, notamment dans les domaines de l’optique, l’électronique ou encore le biomédical. Dans ce travail de thèse, des nanonets constitués de nanofils de silicium ont été intégrés pour la première fois sous forme de transistors à effet de champ avec une grille en face arrière. La filière technologique développée est parfaitement compatible avec une production des dispositifs en masse, à bas coût et à grande échelle pour un budget thermique n’excédant pas 400°C. Des avancées technologiques majeures ont été réalisées grâce à la maîtrise du frittage des jonctions entre nanofils, de la siliciuration des contacts et de la passivation des nanofils avec de l’alumine. Les transistors à nanonets fabriqués présentent des caractéristiques électriques excellentes, stables sous air et reproductibles qui sont capables de concurrencer celles des transistors à nanofil unique. Une étude approfondie de la percolation par des mesures expérimentales et des simulations Monte-Carlo a mis en évidence que la limitation de la conduction par les jonctions entre nanofils permet d’améliorer considérablement les performances électriques. Après une intégration des dispositifs sous forme de biocapteurs, il a été montré que les transistors sont sensibles électriquement à l’hybridation de l’ADN. Bénéficiant d’un procédé de fabrication compatible avec l’industrie de la microélectronique, une intégration 3D de ces transistors à nanonet sur un circuit de lecture peut alors être envisagée ce qui ouvre la voie à des biocapteurs portables, capables de détecter l’ADN en temps réel et sans marquage. De plus, la flexibilité mécanique et la transparence optique du nanonet offrent d’autres opportunités dans le domaine de l’électronique flexible. / A nanonet exhibits remarkable properties which arises from, not only, the intrinsic properties of each nanostructure but also from their assembly into network which makes them particularly attractive for various applications, notably in the field of optics, electronics or even biomedical. During this Ph.D. work, silicon nanowire-based nanonets were integrated for the first time into field effect transistors with a back gate configuration. The developed technological process is perfectly suitable with a large-scale and massive production of these devices at low cost without exceeding a thermal budget of 400°C. Major technological breakthroughs were achieved through the control of the sintering of nanowire junctions, the contact silicidation and the nanowire passivation with alumina. The as-fabricated nanonet transistors display outstanding, air stable and reproducible electrical characteristics which can compete with single nanowire-based devices. An in-depth study of percolation using experimental measurements and Monte-Carlo simulations highlighted that the conduction limitation by nanowire junctions allow to enhance drastically the electrical performances. After device integration into biosensors, it has been shown that transistors are electrically sensitive to DNA hybridization.Beneficiating from a fabrication process compatible with the microelectronic industry, a 3D integration of these nanonet-based transistors onto a readout circuit can therefore be envisioned which opens new avenues for portable biosensors, allowing direct and label-free detection of DNA. Furthermore, mechanical flexibility and optical transparency offer other opportunities in flexible electronic field.

La progressivité du claquage des oxydes de grille d'épaisseurs inférieures à 20 nm permet d'envisager une prolongation de la durée de vie des circuits. Cet enjeu majeur de la fiabilité contemporaine requiert des modèles adaptés afin de contrôler la variabilité des paramètres induites par le claquage. Après avoir étudié l'impact d'une fuite de courant sur une couche chargée, nous avons mis au point un modèle bas niveau de simulation par éléments finis, capable de reproduire la dérive des paramètres mesurée sur des dispositifs du nœud 45 nm. Des lois empiriques de ces dérives ont été injectées dans un modèle compact du transistor dégradé, simplifié par nos observations originales de la dépolarisation du canal et de la répartition des courants. Finalement nous avons simulé l'impact du claquage sur le fonctionnement de circuits simples et estimés la dérive de leurs paramètres tels que l'augmentation de la consommation due au claquage. / Breakdown (BD) progressivity for oxides thicker than 20nm may allow circuit lifetime extension; for design purpose and reliability questions, it is now very important to include soft BD failure in compact models in order to predict circuit's parameters variability. After studying the impact of current leakage on a charged layer, we set up a low level simulation model, able to reproduce parameters deviation measured on MOSFET from the 45nm node. Empirical laws of parameter's variability due to this degradation have been used to build up a compact model of damaged device. Our observations have allowed several improvements of BD understanding and led to major simplifications in BD compact modelling. Our simulations of small circuits show a good agreement with published measures and allow an estimation of BD impact on circuits, such as circuit's parameters deviation and power consumption increase estimation.

Alors que la demande en électronique haute puissance et haute fréquence ne fait qu’augmenter, les semi-conducteurs classiques montrent leurs limites. Des approches basées soit sur des nouvelles architectures ou sur des matériaux à large bande interdite devraient permettre de les dépasser. Le diamant, avec ses propriétés exceptionnelles, semble être le semi-conducteur ultime pour répondre à ces attentes. Néanmoins, il souffre aussi de certaines limitations, en particulier d’une forte énergie d’ionisation du dopant de type p (bore) qui se traduit par une faible concentration de porteurs libres à la température ambiante. Des solutions innovantes s'appuyant sur un gaz 2D et /ou l’effet de champ ont été imaginées pour résoudre ce problème. Ce travail est axé sur deux de ces solutions : i) le diamant delta dopé au bore qui consiste en une couche fortement dopée entre deux couches intrinsèques, afin d’obtenir une conduction combinant une grande mobilité avec une grande concentration de porteurs et ii) le transistor à effet de champ métal oxide semiconducteur( MOSFET ), où l’état « on » et l’état « off » du canal sont obtenus grâce au contrôle électrostatique de la courbure de bandes à l' interface de diamant/oxyde. Pour ces deux structures, beaucoup de défis technologiques doivent être surmontés avant de pouvoir fabriquer un transistor. La dépendance en température de la densité surfacique de trous et de la mobilité de plusieurs couche de diamant delta dopées au bore a été étudiée expérimentalement et théoriquement sur une large gamme de température (6 K <T < 500 K). Deux types de conduction ont été détectés: métallique et non métallique. Une mobilité constante comprise entre 2 et 4 cm2/Vs a été mesurée pour toutes les couches delta métalliques quelle que soient leurs épaisseurs ou le substrat utilisé pour la croissance. Cette valeur particulière est discutée en comparaison à d'autres valeurs expérimentales reportées dans la littérature et aussi de calculs théoriques. Une conduction parallèle à travers les régions faiblement dopées qui encapsule la couche delta, a également été mise en évidence dans certains échantillons. Une très faible mobilité a été mesurée pour les couches delta non métalliques et a été attribuée à un mécanisme de conduction par saut. Des structures métal oxyde semi-conducteur utilisant de l'oxyde d'aluminium comme isolant et du diamant monocristallin (100) de type p en tant que semi-conducteur ont été fabriquées et étudiées par des mesures capacité tension C(V) et courant tension I(V). L'oxyde d'aluminium a été déposé en utilisant un dépôt par couche atomique (Atomic Layer Deposition : ALD) à basse température sur une surface oxygénée de diamant. Les mesures C(V) démontrent que les régimes d'accumulation , de déplétion et de déplétion profonde peuvent être contrôlés grâce à la tension de polarisation appliquée sur la grille. Un diagramme de bande est proposée et discutée pour expliquer le courant de fuite étonnamment élevé circulant en régime d’accumulation. Aucune amélioration significative de la mobilité n’a été observée dans les structures delta, même pour les plus fines d’entre elles (2 nm). Cependant, la démonstration du contrôle de l’état du canal de la structure MOS ouvre la voie pour la fabrication d’un MOSFET en diamant, même si un certain nombre de verrous technologiques subsistent. / As the demand in high power and high frequency electronics is still growing, standard semiconductors show their limits. Approaches based either on new archi- tectures or wide band gap materials should allow to overcome these limits. Diamond, with its outstanding properties, seems to be the ultimate semiconductor. Neverthe- less, it also suffers from limitations, especially the high ionization energy of the boron p-type dopant that results in a low carrier concentration at room temperature. In- novative solutions relying on 2D gas or/and field effect ionization has been imagined to overcome this problem. This work is focused on two of these solutions: i) boron delta-doping consisting in highly doped layer between two intrinsic layers, resulting in a conduction combining a high mobility with a large carrier concentration and ii) metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) where the conducting or insulating behavior of the channel is based on the electrostatic control of the band curvature at the oxide/semiconducting diamond interface. For both structures, a lot of technological challenges need to be surmounted before fabricating the related transistor. On one hand, the temperature dependence of the hole sheet density and mobility of several nano-metric scaled delta boron doped has been investigated experimentally and theoretically over a large temperature range (6 K <T< 500 K). Two types of conduction behaviors were detected : metallic and non metallic. A constant mobility between 2 and 4 cm2/V.s was found for all the metallic degenerated delta layers whatever its thickness or the substrate used for the growth. This particular value is discussed in comparison of other experimental values reported in literature and theoretical calculations. A parallel conduction through the low doped regions, in which the delta is embedded, has also been brought to light in certain cases. A very low mobility was measured for non metallic conduction delta layers and has been attributed to an hopping conduction mechanism which is discussed. On the other hand, metal-oxide-semiconductor structures with aluminum oxide as insulator and p−type (100) mono-crystalline diamond as semiconductor have been fabricated and investigated by capacitance versus voltage C(V) and current versus voltage I(V) measurements. The aluminum oxide dielectric was deposited using low temperature atomic layer deposition on an oxygenated diamond surface. The C(V) measurements demonstrate that accumulation, depletion and deep depletion regimes can be controlled by the bias voltage. A band diagram is proposed and discussed to explain the surprisingly high leakage current flowing in accumulation regimes. To sum up, no significant improvement of mobility has been observed in delta structures even for the thinnest one (2 nm). However, the MOS channel control demonstration opens the route for diamond MOSFET even if technological chal- lenges remain.

Les appareils de haute technologie (ordinateurs, télévisions, téléphones, …) sont fabriqués à partir de composants relativement simples (transistors, diiodes électroluminescentes, …) qui utilisent du silicium comme semiconducteur. En électronique moléculaire, les composés organiques π- conjugués qui ont un écart HOMO-LUMO faible peuvent présenter cette propriété. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié la synthèse de nouveaux semiconducteurs organiques parpolymérisation par métathèse d’alcynes. Pour cela, des composés de type dialcynylaromatique ont été préparés. Leur étude en polymérisation ainsi que leurs propriétés électroniques ont été réalisées dans des laboratoires collaborateurs d’un projet ANR (CADISCOM). Dans une seconde partie, indépendante de la première, les couplages croisés catalysés par le palladium sont d’une importance capitale dans la chimie organique de synthèse actuelle. De nombreux travaux ont été menés sur le partenaire organométallique de la réaction, mais très peu en ce qui concerne le partenaire électrophile. Lors de ce travail, nous avons élaboré un nouveau groupe partant à partir de précurseurs très peu onéreux que nous avons pu appliquer dans les quatre "grands couplages" les plus utilisés (Suzuki, Stille, Sonogashira et Heck). / High-technology devices (computers, TV, mobile phones, …) are manufactured from simple components (transistors, LED, …) which use silicium as semiconductor. In organic electronics, π- conjugated organic compounds with low HOMO-LUMO gap can show this property. This work is dealing with the synthesis of new organic semiconductors via alkyne metathesis polymerization.Dialkynyl compounds were synthetized. Their polymerization studies as well as electronic characterization were conducted by collaborating groups in an ANR project (CADISCOM). In an independent second part, palladium-catalyzed cross-coupling are of great importance in actual organic synthesis. Many studies have been focused on the organometallic partner of the reaction,but the electrophilic partner have received much less attention. In this work, we developed a new leaving group from cheap precursors that we applied in the four most well-known couplings (Suzuki, Stille, Sonogashira, Heck).