Les travaux de recherche de ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre d’une coopération scientifique avec la société STMicroelectronics de Tours concernant les interconnexions des prochaines générations de circuits intégrés. L’intégration de nanotubes de carbone comme connecteurs en microélectronique de puissance, limiterait sévèrement les effets d’échauffements dans les empilements de puces, permettant une meilleure dissipation de la chaleur. Ce travail de thèse avait pour objectif de déterminer un procédé de croissance reproductible de nanotubes de carbone d’au moins 20 dm de long, en tapis perpendiculaire au substrat, peu pollué par du carbone amorphe afin de réaliser un véhicule test permettant de mesurer les propriétés thermiques et électriques du tapis de nanotubes obtenu. Le dispositif expérimental présenté utilise l’ablation laser pour le dépôt de catalyseur (fer) la méthode de CVD assistée par plasma radiofréquence d’éthylène et d’hydrogène pour la croissance de nanotubes de carbone. Des conditions optimales d’obtention des tapis répondant aux critères de réalisation des démonstrateurs, ont été définies à la suite d’une étude paramétrée. Pour les mesures électriques, des plots d’or servant d’électrodes, sont déposés sur les tapis de nanotubes. Lors des tests électriques 4 pointes sur le démonstrateur réalisé, le comportement ohmique des tapis de nanotubes a été mis en évidence. Une puissance de 300 mW/mm2 est déposée sur les plots sans aucun dommage pour les nanotubes, et une résistivité de l’ordre de 10-3 L.m a été estimée. Pour les tests thermiques, une couche mince de titane absorbant l’énergie d’un faisceau laser UV pulsé représentant la source de chaleur, est déposée sur le tapis de nanotubes. Des valeurs de conductivité thermique apparente de 200 – 300 W/m/K et intrinsèque de 660W/m/K ont été déterminées par méthode de pyrométrie infrarouge résolue en temps. / This manuscript presents the research work done in the frame of scientific cooperation with the company STMicroelectronics in Tours concerning the interconnections for the next generation of integrated circuits. The integration of connectors based on carbon nanotubes in microelectronic would severely limits the effects of overheating in the stacks of chips, allowing a better heat dissipation. The aim of this PHD work was the determination of a reproducible carbon nanotubes carpet growth process at least 20 dm long, perpendicular to the substrate, slightly polluted by amorphous carbon in order to achieve a test vehicle for measuring thermal and electrical properties of carbon nanotubes carpet. The experimental device combines laser ablation process for the deposit of catalyst (iron) and RF plasma Enhanced CVD method with a mixture of ethylene and hydrogen gases for the growth of carbon nanotubes. Optimal conditions for obtaining carpet criteria for test vehicle realization have been defined from a parameterized study. For electrical measurements, gold layers as electrodes are deposited on nanotube carpets. Four probes electrical test is achieved and an ohmic behaviour of nanotube carpet is evidenced. A power of 300 mW/mm2 is deposited without any damage for the nanotubes and the carpet resistivity is estimated to be 2,99.10-3 L.m. For thermal testing, a titanium thin film is deposited on the carpet in order to absorb the UV pulsed laser beam representing the heating source. An apparent thermal conductivity value of 200 - 300 W/m/K and an intrinsic value of 660W/m/K were determined by time resolved infrared pyrometry method.

Dans ce travail faisant partie du projet FUI COMET (AAP9), nous avons dans un premier temps réalisé volontairement des contaminations métalliques pour différents contaminants (Ni, Mo, Cr, Fe, Au) à des doses maîtrisées soit en surface par spin coating, soit dans le volume par implantation ionique de wafers de silicium. Puis divers composants (diodes, transistor MOS ...) ont été fabriqués sur ces plaquettes contaminées.Ensuit, pour bien étudier l’impact de la contamination métallique sur des performances des composants, des caractérisations électriques ont été menées sur ces échantillons : caractéristiques Courant-Tension I(V), Capacité-Tension C(V) et ZERBST. La contamination surfacique par le nickel a présenté un impact important sur la dégradation de la durée de vie de génération des porteurs minoritaires. L’étude des caractéristiques I(V) sur des échantillons implantés par le molybdène a révélé une augmentation nette du courant inverse d’une diode Schottky avec un effet de dose cohérent. Les nombreuses mesures électriques sur les dispositifs fabriqués dans l’industrie (procédé MOS) sur des wafers contaminés volontairement par dépôt en solution sur la surface de silicium de Ni, Mo et Cr juste avant le début du procédé de grille ont montré l’absence d’influence significative de dégradation des performances des composants.Enfin, le logiciel SYNOPSYS SENTAURUS TCAD a été utilisé pour développer des modèles spécifiques permettant de reproduire l’impact des contaminants métalliques sur les caractéristiques ou la fiabilité des composants. / In this work which is part of the FUI project COMET (AAP9), intentional metallic contaminations have been realized for different contaminants (Ni, Mo, Cr, Fe, Au) either on the surface of silicon wafers by a spin-coating technique or in the bulk of silicon wafers by ion implantation. Then various devices (diodes, MOS transistor ...) were fabricated on these wafers contaminated.Secondly, in order to study the impact of metallic contamination on the performance of devices, some electrical characterizations have been carried out on these samples: Current-voltage characteristics I(V), Capacitance-Voltage C(V) and ZERBST. Surface contamination by nickel resulted in a significant impact on the degradation of the generation lifetime of minority carriers. The study of the characteristics I(V) on implanted samples by molybdenum showed that the reverse current of a Schottky diode increased with the concentration of contamination. The numerous electrical measurements on devices manufactured in the industry (MOS process) on wafers which have been contaminated intentionally by deposition solution on the silicon surface of Ni, Mo and Cr before the MOS process showed the absence of significant influence of degradation on the performances of devices.Finally, the software SYNOPSYS Sentaurus TCAD was used to develop the models to reproduce the impact of metallic contaminants on the electrical characteristics or reliability of the devices.

Un système à pile à combustible permet de convertir l'énergie d'un gaz combustible en électricité et chaleur, par le biais d'une réaction électrochimique. Il existe plusieurs types de piles à combustible et celle de notre étude a été à membrane échangeuse de protons (ou PEM), fonctionnant à des températures de l'ordre de 50°C à 100°C. A ce jour, une des principales problématiques est la durée de vie de la pile et sa gestion. Elle peut en effet être sujette à de multiples défaillances, comme l'assèchement ou l'engorgement dus à la gestion de l'eau dans la pile, les empoisonnements apportés par les gaz combustible ou comburant, les détériorations internes, etc. L'objectif de cette thèse a été de définir et de mettre en oeuvre des méthodes expérimentales et d'analyse pour caractériser ces défaillances. Ces méthodes expérimentales se basent sur des perturbations électriques de la pile ainsi que des mesures des réponses à ces perturbations. On y retrouvera notamment la spectroscopie d'impédance mieux adaptée aux systèmes instables (brevet). On peut les différencier en deux types d'essais : les essais de faible amplitude, qui peuvent être assez facilement réalisables même lorsque la pile est en train d'accomplir sa mission de fourniture d'énergie par exemple, et les essais de large amplitude qui ont un impact assez fort sur la réponse de la pile. Ces essais restent complémentaires et permettent d'évaluer un certain état de santé de la pile au moment de cette mesure. Le post traitement de ces mesures a aussi fait l'objet d'améliorations, notamment en vue d'améliorer la robustesse des résultats. Enfin, ces méthodes ont été validées pour suivre et analyser des dégradations provoquées et déterminer quels sont les paramètres clés associés à telle ou telle dégradation. / A fuel cell system transforms the fuel energy into electricity and heat with electrochemical reaction. There are many kinds of fuel cells and we study here the Proton Exchange Fuelcell (PEMFC), which operates between 50°C and 100°C. At the moment, main issues are fuel cells’ life time and its management. Multiple problems can occur such as drying or flooding due to water management, poisoning with impurities in gas, internal deterioration, etc. The objective of this thesis is to define and carry out experimental and analysing methods to characterize these problems. These experimental methods use electrical perturbation and measurements of their effects. Impedance Spectroscopy is part of these methods, but is greatly improved for instable system (patent). We used two types of tests: low amplitude signal, which can be performed during normal operation of the fuel cell, and large amplitude signal which have a strong impact on the fuel cell response. These tests are complementary and are able to evaluate the state of health of the fuel cell. The analysing process of these measurements is ameliorated, in order to improve the uniqueness of the results. At the end, some problems are generated (drying, flooding, etc) and these methods are performed to follow the variation of performance and determine which parameter is involved with the deterioration.

Le domaine des nanofils semi-conducteurs est en pleine expansion depuis ces dix dernières années grâce à leurs applications dans de nombreux domaines tels que l’électronique ou la conversion d’énergie. Dans cette étude on part d’une base de nanofil de germanium (le canal), on dépose des contacts métalliques qui seront chauffés par effet joule. Une différence de potentiel est alors appliquée au contact d’entrée (la source), le courant électrique est récupéré et mesuré par le contact de sortie (le drain). Une réaction à l’état solide permet aux atomes du métal de diffuser dans le nanofil. La propagation d'une phase métal/semi-conducteur est suivie dans un microscope électronique en transmission (MET) dont la résolution permet une observation à l’échelle atomique au niveau de la source, le drain et le canal. Les dispositifs caractérisés au cours de ce stage ont été élaborés à partir de deux types de membranes, l’une plane et l’autre avec des trous. Chacune d’entre elles sont constituées d’une couche de nitrate de silicium Si3N4 à leurs surfaces présentant l’avantage d’être transparents aux électrons et isolants au courant. / Semiconductor nanowires (NWs) are promising candidates for many device applications ranging from electronics and optoelectronics to energy conversion and spintronics. However, typical NW devices are fabricated using electron beam lithography and therefore source, drain and channel length still depend on the spatial resolution of the lithography. In this work we show fabrication of NW devices in a transmission electron microscope (TEM) where we can obtain atomic resolution on the channel length using in-situ propagation of a metallic phase in the semiconducting NW independent of the lithography resolution. We show results on semiconducting NW devices fabricated on two different electron transparent Si3N4 membranes: a planar membrane and a membrane where devices are suspended over holes. First we show the process of making lithographically defined reliable electrical contacts on individual NWs. Second we show first results on in-situ propagation of a metal-semiconductor phase in Ge NWs by joule heating, while measuring the current through the device. Two different devices are studied: one with platinum metal contacts and one with copper contacts. Different phenomena can occur in CuGe NWs during phase propagation.

Selon la feuille de route des industriels de la microélectronique (ITRS), la dimension critiqueminimum des MOSFET en 2026 ne devrait être que de 6 nm [1]. La miniaturisation du CMOS reposeessentiellement sur deux approches, à savoir la réduction des dimensions géométriques physiques etdes dimensions équivalentes. La réduction géométrique des dimensions conduit à la diminution desdimensions critiques selon la « loi » de Moore, qui définit les tendances de l’industrie dessemiconducteurs. Comme la taille des dispositifs est réduite de façon importante, davantage d’effortssont consentis pour maintenir les performances des composants en dépit des effets de canaux courts,des fluctuations induites par le nombre de dopants…. [2-4]. D’autre part, la réduction des dimensionséquivalentes devient de plus en plus importante de nos jours et de nouvelles solutions pour laminiaturisation reposant sur la conception et les procédés technologiques sont nécessaires. Pour cela,des solutions nouvelles sont nécessaires, en termes de matériaux, d’architectures de composants et detechnologies, afin d’atteindre les critères requis pour la faible consommation et les nouvellesfonctionnalités pour les composants futurs (“More than Moore” et “Beyond CMOS”). A titred’exemple, les transistors à film mince (TFT) sont des dispositifs prometteurs pour les circuitsélectroniques flexibles et transparents. / Novel advanced metal-oxide semiconductor (MOS) devices such as fully-depleted-silicon-on-insulator (FD-SOI) Tri-gate transistor, junctionless transistor, and amorphous-oxide-semiconductor thin film transistor were developed for continuing down-scaling trend and extending the functionality of CMOS technology, for example, the transparency and the flexibility. In this dissertation, the electrical characteristics and modeling of these advanced MOS devices are presented and they are analyzed. The sidewall mobility trends with temperature in multi-channel tri-gate MOSFET showed that the sidewall conduction is dominantly governed by surface roughness scattering. The degree of surface roughness scattering was evaluated with modified mobility degradation factor. With these extracted parameters, it was noted that the effect of surface roughness scattering can be higher in inversion-mode nanowire-like transistor than that of FinFET. The series resistance of multi-channel tri-gate MOSFET was also compared to planar device having same channel length and channel width of multi-channel device. The higher series resistance was observed in multi-channel tri-gate MOSFET. It was identified, through low temperature measurement and 2-D numerical simulation, that it could be attributed to the variation of doping concentration in the source/drain extension region in the device. The impact of channel width on back biasing effect in n-type tri-gate MOSFET on SOI material was also investigated. The suppressed back bias effects was shown in narrow device (Wtop_eff = 20 nm) due to higher control of front gate on overall channel, compared to the planar device (Wtop_eff = 170 nm). The variation of effective mobility in both devices was analyzed with different channel interface of the front channel and the back channel. In addition, 2-D numerical simulation of the the gate-to-channel capacitance and the effective mobility successfully reconstructed the experimental observation. The model for the effective mobility was inherited from two kinds of mobility degradations, i.e. different mobility attenuation along lateral and vertical directions of channel and additional mobility degradation in narrow device due to the effect of sidewall mobility. With comparison to inversion-mode (IM) transistors, the back bias effect on tri-gate junctionless transistors (JLTs) also has been investigated using experimental results and 2-D numerical simulations. Owing to the different conduction mechanisms, the planar JLT shows more sensitive variation on the performance by back biasing than that of planar IM transistors. However, the back biasing effect is significantly suppressed in nanowire-like JLTs, like in extremely narrow IM transistors, due to the small portion of bulk neutral channel and strong sidewall gate controls. Finally, the characterization method was comprehensively applied to a-InHfZnO (IHZO) thin film transistor (TFT). The series resistance and the variation of channel length were extracted from the transfer curve. And mobility values extracted with different methods such as split C-V method and modified Y-function were compared. The static characteristic evaluated as a function of temperature shows the degenerate behavior of a-IHZO TFT inversion layer. Using subthreshold slope and noise characteristics, the trap information in a-IHZO TFT was also obtained. Based on experimental results, a numerical model for a-IHZO TFT was proposed, including band-tail states conduction and interface traps. The simulated electrical characteristics were well-consistent to the experimental observations. For the practical applications of novel devices, the electrical characterization and proper modeling are essential. These attempts shown in the dissertation will provides physical understanding for conduction of these novel devices.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die ortsaufgelöste Untersuchung der Schichtdicke und der elektrischen Eigenschaften von Funktionsschichten in gedruckten Polymersolarzellen. Die massendrucktechnische Realisierung der großflächigen Polymersolarzellen mit dem Schichtaufbau Zink/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS erfolgt im Tief- und Siebdruckverfahren auf einem papierbasierten Bedruckstoff. Die gedruckten Funktionsschichten werden mit verschieden optischen und elektrischen Messverfahren charakterisiert und die Eignung der Verfahren wird diskutiert. Abschließend wird die gesamte Polymersolarzelle mit einer Kombination aus spektraler und elektrischer Messung positionsgenau untersucht. Dadurch kann ein Zusammenhang zwischen den Solarzelleneigenschaften und den ortsaufgelösten Messwerten aufgezeigt werden. / The aim of this work is the space-resolved investigation of the layer thickness and the electrical properties of functional layers in printed polymer solar cells. The realization of the large-area polymer solar cells with a layer structure of zinc/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS occurs by gravure and screen printing on a paper-based substrate. The printed functional layers are characterized by different optical and electrical measurement methods and the suitability of these methods is discussed. Finally, the complete polymer solar cell is examined dependent on a position by using a combination of spectral and electrical measurement techniques. With this analysis a correlation between the solar cell characteristics and the space-resolved measurements can be shown.

L’objectif de cette étude était d’obtenir un capteur à bas coût, fonctionnant à température ambiante, et permettant d’obtenir une information sur la concentration d’ammoniac d’une atmosphère, sans tenir compte de l’humidité. Cela implique une très faible sensibilité à l’humidité et une faible synergie entre l’eau et l’ammoniac.Au terme d’une étude sur la mise en forme de films hybrides hydrophiles, par un procédé « propre » dans l’eau, un capteur a été développé, par un assemblage en couche par couche de polyélectrolytes hydrophiles, la polyaniline et la phtalocyanine tétrasulfonée de cuivre : PANI/TsPcCu. Ce capteur présente une limite de détection d’ammoniac inférieure au ppm et une très faible sensibilité à l’eau, permettant de détecter l’ammoniac sans informations sur l’humidité de l’air.De nouveaux dispositifs, basés sur un mode de transduction breveté, ont été étudiés : les heterojonctions MSDIs (Molecular Semiconductor-Doped Insulator). Ces dispositifs sont formés de deux couches superposées, une sous-couche isolante de type n, F16PcCu ou le PTCDA, et une couche supérieure semi-conductrice de type p, Pc2Lu. L’importance de la jonction entre les deux matériaux, mais aussi de la jonction entre les électrodes et la sous-couche, a été démontrée à l’aide de mesures d’impédances. Les propriétés capteurs des dispositifs MSDI ont été étudiées par exposition à l’ammoniac sur une large gamme d’humidité. Ils présentent une très faible sensibilité à l’eau et permettent de détecter des concentrations d’ammoniac inférieures au ppm. Suite au développement d’un banc de mesures spécifique permettant l’affinage de fromages, celui-ci a pu être suivi par des mesures capteur avec un résistor de PcCo et par GC-MS. Ces mesures ont mis en évidence l’intérêt de tels capteurs pour suivre l’évolution de la maturation des fromages. / The aim of this study was to obtain a low cost sensor, working at room temperature, capable to obtain an information about the ammonia concentration without any information about the humidity. These characteristics imply a very low sensitivity to humidity and a low cross sensitivity between humidity and ammonia.After a study on material processing of hydrophilic films using water as solvent, a sensors has been developed by using layer by layer assembly of polyelectrolytes, such as polyaniline and the tetrasulfonated copper phthalocyanine: PANI/TsCuPc. This sensor is able to detect sub ppm ammonia concentration, with a very low cross sensitivity between ammonia and water which allow ammonia sensing without any information about the humidity.New devices based on a patented transduction method were studied: the MSDIs heterojunctions (Molecular Semiconductor-Doped Insulator). This kind of device is prepared with two different layers, a sub layer of an n-type insulator, F16CuPc or PTCDA, and an upper layer of a p-type semiconductor, LuPc2. The importance of the junction between both materials and between the sub layer and the electrodes were studied by using ammonia exposure on a large humidity range. They exhibit a very low sensitivity to humidity and allow sub ppm ammonia sensing whatever the humidity is.A specific workbench has been developed and tested in the laboratory, to follow cheese ripening by using CoPc gas sensors and gas chromatography. These measurements showed readiness to the use of the kind of gas sensors for the follow up of dairy products.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die ortsaufgelöste Untersuchung der Schichtdicke und der elektrischen Eigenschaften von Funktionsschichten in gedruckten Polymersolarzellen. Die massendrucktechnische Realisierung der großflächigen Polymersolarzellen mit dem Schichtaufbau Zink/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS erfolgt im Tief- und Siebdruckverfahren auf einem papierbasierten Bedruckstoff. Die gedruckten Funktionsschichten werden mit verschieden optischen und elektrischen Messverfahren charakterisiert und die Eignung der Verfahren wird diskutiert. Abschließend wird die gesamte Polymersolarzelle mit einer Kombination aus spektraler und elektrischer Messung positionsgenau untersucht. Dadurch kann ein Zusammenhang zwischen den Solarzelleneigenschaften und den ortsaufgelösten Messwerten aufgezeigt werden. / The aim of this work is the space-resolved investigation of the layer thickness and the electrical properties of functional layers in printed polymer solar cells. The realization of the large-area polymer solar cells with a layer structure of zinc/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS occurs by gravure and screen printing on a paper-based substrate. The printed functional layers are characterized by different optical and electrical measurement methods and the suitability of these methods is discussed. Finally, the complete polymer solar cell is examined dependent on a position by using a combination of spectral and electrical measurement techniques. With this analysis a correlation between the solar cell characteristics and the space-resolved measurements can be shown.