Les circuits VLSI (”Very Large Scale Integration”) et ULSI (”Ultra Large Scale Integration”) occupent une grande place dans le monde des semi-conducteurs. Leur complexi?cation croissante est due à la demande de plus en plus fortes des grands domaines d’application, de la micro-informatique au spatial. Cependant, la complexité engendre de nombreux défauts que l’on doit prévoir ou détecter et analyser de manière à ne pas les voir se multiplier. De nombreuses techniques d’analyse de défaillance ont été développées et sont toujours largement utilisées dans les laboratoires. Cependant, nous nous sommes attachés à intégrer une nouvelle approche au processus de défaillance : la simulation de fautes dans les circuits VLSI et ULSI de technologie CMOS. Ce type d’approche permet d’aborder une analyse plus rapidement plus facilement, mais joue également un rôle prédictif de défaut dans les structures de transistors MOS. / VLSI (”Very Large Scale Integration”) et ULSI (”Ultra Large Scale Integration”) take the most important place in semi-conductor domain. Their complexi?cation is growing and is due to the bigger and bigger request from the manufacturers such as automotive domain or space application. However, this complexicity generates a lot of defects inside the components. We need to predict or to detect and analyze these defects in order to stop these phenomena. Lot of failure analyzis techniques were developped inside the laboratories and are still used. Nevertheless, we developped a new approach for failure analysis process : the faults simulation for CMOS integrated circuits. This particular kind of approach allows us to reach the analysis in more e?ective and easier way than usual. But the simulations play a predictive role for structures of MOS transistors.

Les technologies VLSI (" Very large Scale Integration ") font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits " hard " apparaissant durant les phases de développement (débug) ou de vieillissement, mais aussi l'apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liées à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l'aide d'un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d'aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolue de phénomènes thermiques transitoires au sein d'un composant.

Les Diodes Electroluminescentes (DEL) à base de composés III-nitrures sont très efficaces pour les longueurs d’ondes correspondant à la couleur bleue. Ces DELs bleues sont très utilisées sur le marché car leur combinaison avec des phosphores produit une lumière blanche. Néanmoins, cette approche a plusieurs inconvénients tels que l’instabilité de la température de couleur ou les pertes liées à la conversion. Dans ce contexte la DEL blanche monolithique dont la lumière blanche est obtenue directement dans la zone active grâce à l’émission des puits quantiques à différentes longueurs d’ondes est envisagée.Pourtant, lorsque la longueur d’onde d’émission augmente, le rendement d’émission des puits quantiques InGaN/GaN diminue. Ceci est problématique pour l’application de la DEL blanche monolithique mais également pour l’application micro-display qui nécessite idéalement des DELs monochromatiques bleues, vertes et rouges fabriquées à partir de la même famille de matériaux. Ce problème est principalement du à la différence importante de paramètre de maille entre les puits quantiques InGaN et la couche GaN sur saphir utilisée comme substrat qui provoque une forte contrainte compressive. Cette contrainte est à l’origine d’un champ électrique interne dans les puits quantiques, préjudiciable au rendement d’émission, et d’un taux d’incorporation d’indium faible bien qu’originellement thermodynamiquement difficile.Cette thèse de doctorat propose de résoudre ce problème en réalisant la croissance de la DEL sur un pseudo-substrat InGaN appelé InGaNOS fabriqué par Soitec.Après avoir identifié les limitations des structures InGaN/GaN sur substrat GaN sur sapphire classique pour l’émission efficace à grande longueur d’onde, des structures « tout-InGaN » ont été crues par EPVOM sur substrats InGaNOS. Il a été démontré que la contrainte était partiellement relaxée et que l’incorporation d’indium était plus facile. Grâce à des caractérisations optiques et structurelles fines, les différentes étapes depuis la reprise de croissance InGaN jusqu’à la DEL complète ont été étudiées. En photoluminescence (PL), la longueur d’onde de 617 nm a été atteinte à température ambiante. Les performances optiques de ces structures de puits quantiques dans les régions spectrales correspondant au vert, jaune et ambre ont été mesurées et sont comparables aux meilleures valeurs de la littérature. Enfin, la croissance de la première DEL « tout InGaN » sur substrat InGaN a révélé les challenges restants qui nécessiteront des développements complémentaires. / Light emitting diodes (LEDs) based on nitride materials are very efficient in the blue range. These blue LEDs combined with phosphors are used to manufacture white LEDs widely used in the lighting market. Nonetheless, this converted approach presents some disadvantages , like an instability of the color temperature or conversion losses. In this context, the white monolithic LED which produces the white color thanks to different emission wavelengths produced from quantum wells (QWs) placed in the active region is one of the considered solution.However, as emission wavelength increases the quantum efficiency of the InGaN based QWs decreases. This is problematic for the white monolithic application but also for micro-display application which both ideally requires red, green and blue monochromatic LEDs grown in the same material system. This issue is mainly due to the great lattice mismatch between the InGaN QW and the GaN layer on sapphire substrate which induces an important compressive strain. This strain is responsible for a strong internal electric field in the QWs, which is detrimental for the quantum efficiency, and for low indium incorporation rate in GaN, originally thermodynamically difficult.This PhD thesis proposes to tackle this issue by growing the LED on an InGaN pseudo-substrate called InGaNOS manufactured by Soitec.After identifying the limitations of InGaN based structures grown on regular GaN on sapphire substrate for efficient long wavelength emission, full InGaN structures were grown by MOCVD on InGaNOS substrates. It was shown that the strain was partially released and the indium incorporation was made easier. Through fine structural, optical and electrical characterizations, the different steps leading from the InGaN buffer regrowth stage to the complete processed LED were studied. PL emission wavelengths up to 617 nm were reached at room temperature. The optical performances of these MQW structures in the green, yellow and amber range were measured to be comparable to the best ones achieved in the literature. Finally, the growth of the first full InGaN LED structure on InGaN substrate revealed the remaining challenges that will require some additional developments.

Les travaux présentés concernent l'exploration des techniques de localisation utilisées en analyse de défaillance dans le but de les appliquer au domaine de la sécurité numérique des circuits et systèmes intégrés. Ces travaux contribuent, d'une part à étendre le champ d'application des techniques d'analyses de vulnérabilités, et d'autre part à apporter des éléments de réponses sur la faiblesse des implémentations cryptographiques sur circuits de type FPGA. Cette thèse s'inscrit donc dans une démarche à la fois de prévention mais aussi de veille technologique en matière d'attaque en apportant un complément d'information sur la faiblesse des implémentations matérielles de systèmes sécurisés. Dans le cadre de l'évaluation des composants de traitement de l'information par les laboratoires agréés (CESTI), l'analyse de vulnérabilité, et plus spécifiquement la cryptanalyse matérielle, a pour but d'éprouver la sécurité des systèmes d'information (composants cryptographiques, carte bancaire, systèmes de cryptage, etc..) dans le but de tester leur résistance face aux attaques connues. En parallèle, dans le cadre de l'analyse de défaillance des circuits utilisés dans le domaine spatial, la localisation de défauts consiste à collecter et analyser les données d'un circuit défaillant afin d'identifier la source du défaut à l'aide de puissants outils. La combinaison de ces deux activités nous a permis dans un premier temps, d'exploiter la lumière émise par un circuit comme un signal de fuite de type « side-channel » par le biais d'une méthode d'attaque semi-invasive par canal auxiliaire, Differential Light Emission Analysis (DLEA). Cette attaque, basée sur un traitement statistique des courbes d'émission de lumière, a permis d'extraire les sous-clés utilisées par un algorithme DES implanté sur circuit FPGA. Dans un second temps, nous avons proposé une seconde technique basée sur la stimulation laser consistant à exploiter l'effet photoélectrique afin d'améliorer les attaques par canaux auxiliaires « classiques ». Pour cela, une attaque DPA améliorée par stimulation laser a été mise en place. Ainsi nous avons démontré que le balayage du faisceau laser sur certains éléments du cryptosystème (algorithme DES implanté sur FPGA) augmente sa signature DPA permettant ainsi de diminuer sensiblement le nombre de courbes de consommation nécessaires pour extraire les sous-clés utilisées par l'algorithme. / The purpose of failure analysis is to locate the source of a defect in order to characterize it, using different techniques (laser stimulation, light emission, electromagnetic emission...). Moreover, the aim of vulnerability analysis, and particularly side-channel analysis, is to observe and collect various leakages information of an integrated circuit (power consumption, electromagnetic emission ...) in order to extract sensitive data. Although these two activities appear to be distincted, they have in common the observation and extraction of information about a circuit behavior. The purpose of this thesis is to explain how and why these activities should be combined. Firstly it is shown that the leakage due to the light emitted during normal operation of a CMOS circuit can be used to set up an attack based on the DPA/DEMA technique. Then a second method based on laser stimulation is presented, improving the “traditional” attacks by injecting a photocurrent, which results in a punctual increase of the power consumption of a circuit. These techniques are demonstrated on an FPGA device.

Les liquides ioniques sont des fluides non volatiles, constitués de cations et d’anions, qui sont conducteurs ioniques, isolants électriques, et peuvent avoir des valeurs de capacité très élevées. Ces liquides sont susceptibles non seulement de remplacer les électrolytes solides, mais également de susciter des champs électriques intenses (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) au sein d’une couche dite double couche électronique (electric double layer, EDL) à l’interface entre le liquide et le matériau sur lequel il est déposé. Ceci conduit à une injection de porteurs de charge bidimensionelle avec des densités allant jusqu’à SI{e15}{cm^{-2}}. Cet effet de grille remarquablement fort des liquides ioniques est réduit en présence d’états piégés ou de rugosité de surface. À cet égard, les dicalchogénures de métaux de transitions, de très haute qualité cristalline et atomiquement plats, font partis des semi-conducteurs les plus adaptés aux grilles EDL.Nous avons réalisé des transistors à effet de champ avec des EDL dans des nanotubes multi-couches de ce{WS2}, avec des performances comparables à celles de transistors EDL sur des ilots de ce{WS2}, et meilleurs que celles de nanotubes de ce{WS2} avec une grille solide. Nous avons obtenu des mobilités allant jusqu’à SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} pour les porteurs n et p, et des ratios de courants on/off dépassant SI{e5}{} pour les deux polarités. Pour de forts dopages de type électron, les nanotubes ont un comportement métallique jusqu’à basse température. De plus, utiliser un liquide ionique permet de créer une jonction pn de manière purement électrostatique. En prenant avantage de cet effet, nous avons pu réaliser un transistor photoluminescent dans un nanotube.La possibilité de susciter de très forte densités de charges donne la possibilité d’induire des phases métalliques ou supraconductrices dans des semi-conducteurs a large bande interdite. Nous avons ainsi réussi à induire par effet de champ une phase métallique à basse température dans du diamant intrinsèque avec une surface hydrogénée, et nous avons obtenu un effet de champ dans du silicone dopé métallique.Les liquides ioniques offrent beaucoup d’avantages, mais leur champ d’application est encore réduit par l’instabilité du liquide, ainsi que par les courants de fuites et l’absorption graduelle d’impuretés. Un moyen efficace de s’affranchir de ces inconvénients, tout en conservant la possibilité d’induire de très fortes densités de porteurs, est de gélifier le liquide ionique. Nous sommes allés plus loin en fabriquant des gels ioniques modifiés, avec les cations fixés sur une seule surface et les anions libres de se mouvoir au sein du gel. Cet outil nous a permis de réaliser une nouvelle diode à effet de champ de faible puissance. / Ionic liquids are non-volatile fluids, consisting of cations and anions, which are ionically conducting and electrically insulating and hold very high capacitances. These liquids have the ability to not only to replace solid electrolytes, but to create strongly increased electric fields (>SI{10}{megavoltpercentimetre}) in the so-called electric double layer (EDL) on the electrolyte/channel interface, which leads to the injection of 2D charge carrier densities up to SI{e15}{cm^{-2}}. The remarkably strong gate effect of ionic liquids is diminished in the presence of trapped states and roughness-induced surface disorder, which points out that atomically flat transition metal dichalcogenides of high crystal quality are some of the semiconductors best suited for EDL-gating.We realised EDL-gated field-effect transistors based on multi-walled ce{WS2} nanotubes with operation performance comparable to that of EDL-gated thin flakes of the same material and superior to the performance of backgated ce{WS2} nanotubes. For instance, we observed mobilities of up to SI{80}{squarecentimetrepervoltpersecond} for both p- and n-type charge carriers and our current on-off ratios exceed SI{e5}{} for both polarities. At high electron doping levels, the nanotubes show metallic behaviour down to low temperatures. The use of an electrolyte as topgate dielectric allows the purely electrostatic formation of a pn-junction. We successfully fabricated a light-emitting transistor taking advantage of this utility.The ability of high charge carrier doping suggests an electrostatically induced metal phase or superconductivity in large gap semiconductors. We successfully induced low temperature metallic conduction into intrinsic diamond with hydrogen-terminated surface via field-effect and we observed a gate effect in doped, metallic silicon.Ionic liquids have many advantageous properties, but their applicability suffers from the instability of their liquid body, gate leakage currents and absorption of impurities. An effective way to bypass most of these problems, while keeping the ability of ultra-high charge carrier injection, is the gelation of ionic liquids. We even went one step further and fabricated modified ion gel films with the cations fixed on one surface and the anions able to move freely through the film. With this tool, we realised a novel low-power field-effect diode.

Les technologies VLSI (« Very large Scale Integration ») font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits « hard » apparaissant durant les phases de développement (débug) ou de vieillissement, mais aussi l’apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liées à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l’aide d’un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d’aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolue de phénomènes thermiques transitoires au sein d’un composant. / VLSI ("Very Large Scale Integration") technologies are part of our daily lives and our miniaturization needs are increasing. The densification of transistors not only means trouble locating the so-called "hard defects" occurring during the development phases (debug) or aging, but also the appearance of pure non-functional behaviors related to component design flaws. Techniques discussed in this document are intended to probe the microelectronic circuits using a tool called dynamic light emission (Time Resolved Imaging - TRI) in search of abnormal behavior in terms of timings and patterns involved in structures. To go further, this instrument also allows viewing thermographic time resolved thermal transients within a component.

Les progrès dans la miniaturisation des transistors permettent de réaliser des circuits toujours plus performants. En contrepartie, dans le cas où il y a défaillance, l'analyse de ces circuits est plus délicate. L'étape de localisation du défaut est la plus critique de ce processus. En effet, il s'agit de rechercher des éléments de plusieurs dizaines de nanomètres sur une surface de plusieurs centimètres carrés.Les techniques optiques telles que l'émission de lumière dynamique (TRI) sont particulièrement pertinentes dans ce contexte. Celle-ci est basée sur l'acquisition et l'exploitation des photons émis par une structure CMOS lorsqu'il y a commutation. De par son principe physique, cet outil possède donc un effet invasif limité et est adaptée à l'analyse de défauts qui se manifestent lors d'une stimulation dynamique du composant. La complexité des circuits de technologies avancées a mis en évidence certains verrous physiques et technologiques qui peuvent compromettre les analyses réalisées à l'aide de cet outil. Ainsi, le faible rapport signal sur bruit, une résolution spatiale non nécessairement adaptée aux éléments étudiés et l’énorme quantité de données/signaux générés sont autant d'éléments qui contre-indiquent une approche d'analyse des acquisitions purement manuelle.Ces travaux de thèse ont pour objectif d’explorer les possibilités offertes par un traitement post-acquisition des observations, dans le but de résoudre ou contourner les problématiques susmentionnées. Cela permettra alors à l’expert de formuler un diagnostic plus précis. En définitive, il s'agit d’une extraction et d’une synthèse d’informations à partir de signaux de tailles importantes et fortement bruités. Dans cette optique, deux approches principales originales ont été développées. La première vise à établir la cartographie d’un paramètre électrique variant dans le temps et dans l'espace. En conséquence, elle fait appelle aux outils de traitements signaux de dimension 2D et 1D. La seconde approche est fondée sur l'utilisation d'outils de statistiques exploratoires. Plus précisément, il s’agit de la combinaison d’outils de classification non-supervisée et d’une étude statistique des classes résultantes dans l’optique d’une recherche d’évènements de commutation aux propriétés anormales (suggérant un lien du nœud considéré avec le défaut) ou d’émission manquante ou additionnelle (qui résultent d'une différence de comportement logique entre deux composants). Ces deux approches s'avèrent complémentaires puisque ce sont deux regards différents d’un même jeu d'observations et chacune apporte de nouvelles informations à l’expert. / Scaling progresses has the benefit of making chips always more powerful. On the other hand, when there is a failure, the analysis of such advanced devices has became more sensitive. The defect localization step of this process is the critical one. Indeed, the aim is to find transistors which dimensions range in several nanometers on a device which surface is several square centimeters.Optical techniques like dynamical photon emission, also named Time Resolved Imaging (TRI), have proved to fit in such context. The later is based on the acquisition and exploitation of photons emitted by a switching CMOS structure. Due to its physical bacground, this tool has a limited invasive effect and can be used to analyze defect generating faults during a dynamical stimulation of the device. The complexity of the chips manufactured in advanced technologies has brought out some physical and technical limitations which can jeopardize analysis performed with this tool. To be more specific, signal over noise ratio can be quite low, so as the spatial resolution compared to the studied structures. In addition, complex circuits require long test sequences, generating huge quantities of photons to analyse. As a conclusion, all of these phenomenon forbid a simple manual procedure if ones expect to extract the emission signature of the defect in such data.The work reported in this thesis aims to develop new approaches of processing at the post-acquisition level, in order to solve or workaround the various aforementioned issues. It will enable the analyst to formulate an even better and more precise diagnosis.The task consists in extracting and synthesizing the information available in large amount of noisy signals. With that superpose in mind, two main approaches have been studied and developed. The first one establish a mapping of one parameter the electrical signals varying through time and space inside the acquisition area. It is based on a mixture of signal processing tools for 2D 1D signals. The second approaches uses data mining. More precisely, it combines clustering to statistical analyses of the resulting classes in order to find an emission event which is unexpected or having unusual properties, suggesting a candidate for failure. These two processes are complementary as they bring different information to the analyst.

La complexité des systèmes de télécommunications par fibre optique évolue rapidement de façon à offrir plus de bande passante. Comme ce fut le cas pour l’industrie de la microélectronique, l’intégration de composants photoniques avancés est requise pour la production de composants de haute qualité aux fonctions multiples. C’est dans ce contexte, que s’inscrit ce travail qui consiste à contrôler la longueur d’onde d’émission des nanostructures InAs fabriquées dans deux types matrice InP. En effet, le premier volet de ce travail consiste à étudier les îlots quantiques InAs dans une matrice d’InP massif et sera dédié principalement à l’investigation de l’impact de l’interdiffusion sélective sur les propriétés optiques de bâtonnets quantiques (BaQs) élaborées par l’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Un prototype d’une source modulable en longueur a été achevé à base de ces hétérostructures. Un modèles théorique qui traite de l’activation et du transfert thermique des porteurs à travers les BaQs de différentes tailles, créés par l’implantation ionique contrôlée a été développé. Les acquits obtenues dans le premier thème nous ont permis d’aborder une deuxième thématique très concurrentielle liée à l’étude des structures à Nanofils (NFs) InP et des hétérostructures à nanofils InAs/InP allant des structures 1D cœur/coquilles aux structures contenant une BQ InAs par nanofil InP par EJM en mode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) sur substrat silicium. Nous avons révélé par différentes techniques spectroscopiques (PL, excitation de PL, microPL, PLRT) des propriétés optiques très spécifiques et particulièrement intéressantes : fort rapport surface/volume impactant sur les durées de vie des porteurs photocrés, présence de différentes phases cristallines (Wurtzite et Zinc-blende) au sein d’un même nanofil en fonction des conditions de croissance. Nous avons pu réaliser des couches actives des émetteurs à base de NFs dans lesquels nous avons privilégié la formation de segments d’InAs assimilables à des boîtes quantiques avec une forte localisation spatiale des porteurs et un très fort maintient de la luminescence en fonction de la température. Les mesures de PL montrent que les segments d’InAs émettent dans la gamme 1.3-1.55 µm ce qui montre le potentiel d’applications de ce type de nanofils dans une technologie des télécommunications par fibres optiques. / La complexité des systèmes de télécommunications par fibre optique évolue rapidement de façon à offrir plus de bande passante. Comme ce fut le cas pour l’industrie de la microélectronique, l’intégration de composants photoniques avancés est requise pour la production de composants de haute qualité aux fonctions multiples. C’est dans ce contexte, que s’inscrit ce travail qui consiste à contrôler la longueur d’onde d’émission des nanostructures InAs fabriquées dans deux types matrice InP. En effet, le premier volet de ce travail consiste à étudier les îlots quantiques InAs dans une matrice d’InP massif et sera dédié principalement à l’investigation de l’impact de l’interdiffusion sélective sur les propriétés optiques de bâtonnets quantiques (BaQs) élaborées par l’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Un prototype d’une source modulable en longueur a été achevé à base de ces hétérostructures. Un modèles théorique qui traite de l’activation et du transfert thermique des porteurs à travers les BaQs de différentes tailles, créés par l’implantation ionique contrôlée a été développé. Les acquits obtenues dans le premier thème nous ont permis d’aborder une deuxième thématique très concurrentielle liée à l’étude des structures à Nanofils (NFs) InP et des hétérostructures à nanofils InAs/InP allant des structures 1D cœur/coquilles aux structures contenant une BQ InAs par nanofil InP par EJM en mode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) sur substrat silicium. Nous avons révélé par différentes techniques spectroscopiques (PL, excitation de PL, microPL, PLRT) des propriétés optiques très spécifiques et particulièrement intéressantes : fort rapport surface/volume impactant sur les durées de vie des porteurs photocrés, présence de différentes phases cristallines (Wurtzite et Zinc-blende) au sein d’un même nanofil en fonction des conditions de croissance. Nous avons pu réaliser des couches actives des émetteurs à base de NFs dans lesquels nous avons privilégié la formation de segments d’InAs assimilables à des boîtes quantiques avec une forte localisation spatiale des porteurs et un très fort maintient de la luminescence en fonction de la température. Les mesures de PL montrent que les segments d’InAs émettent dans la gamme 1.3-1.55 µm ce qui montre le potentiel d’applications de ce type de nanofils dans une technologie des télécommunications par fibres optiques.

Les technologies VLSI (" Very large Scale Integration ") font partie de notre quotidien et nos besoins en miniaturisation sont croissants. La densification des transistors occasionne non seulement des difficultés à localiser les défauts dits " hard " apparaissant durant les phases de développement (débug) ou de vieillissement, mais aussi l'apparition de comportements non fonctionnels purs du composant liées à des défauts de conception. Les techniques abordées dans ce document sont destinées à sonder les circuits microélectroniques à l'aide d'un outil appelé émission de lumière dynamique (Time Resolved Imaging - TRI) à la recherche de comportements anormaux au niveau des timings et des patterns en jeu dans les structures. Afin d'aller plus loin, cet instrument permet également la visualisation thermographique en temps résolue de phénomènes thermiques transitoires au sein d'un composant.