Ce travail de thèse traite des différents phénomènes de dégradation que peuvent subir les transistors MOS suivant leurs applications sur les technologies CMOS avec mémoires non-volatiles embarquées. Les transistors MOS pour application aux mémoires non volatiles à stockage de charge qui sont enclins à des mécanismes de dégradation spécifiques liés à l’utilisation de la haute tension, ont été étudiés. De plus, des variations de procédés de fabrication ou d’architectures, peuvent avoir un impact sur les mécanismes de dégradation des transistors MOS. En effet, plusieurs modifications des étapes de fabrication peuvent être apportées dans le but d’améliorer les performances des MOSFETs. Le cas des transistors digitaux pour application faible consommation a été considéré ici avec comme objectif principal d’augmenter la mobilité des porteurs dans le canal des transistors MOS. Aussi, suite à certaines limites de l’architecture conventionnelle des transistors MOS, des études ont été menées sur les transistors analogiques et digitaux présentant de nouvelles architectures ayant pour but la suppression de l’effet « hump » ou la réduction de l’aire totale du transistor en déplaçant le contact de grille au-dessus de la zone active. / This thesis focuses on various degradation phenomena that can impact MOS transistors according to their applications on CMOS technologies with embedded non-volatile memories. The transistors used in order to apply potentials greater than 10V in programming and erasing steps of charge storage non-volatile memories have been studied. These transistors are impacted by specific degradation mechanisms due to the use of high voltage. Moreover, manufacturing processes can be modified in order to improve MOSFETs performances, and thus, these variations may have an impact on the degradation mechanisms of MOS transistors. Therefore, several process steps of digital transistor for low power application were changed in order to increase carrier mobility. Furthermore, due to limitations of MOS transistors conventional architecture, new architectures have been proposed for analog and digital transistors in order to remove the "hump" effect or reduce the total area of transistor by moving the gate contact over active area.

Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet ANR "CAPTIF" (CAPTeurs innovants Intégrés et logiciels au coeur d’un dispositif d’électronique de puissance). Ce projet s’intéresse aux solutions de suivi de vieillissement en temps réel de modules d’électronique de puissance pour réduire les coûts de maintenance et augmenter la fiabilité des systèmes de conversion d’énergie.Les limitations des modèles de fiabilité actuels sont mises en évidence et conduisent à la recherche d’une approche plus représentative des mécanismes entraînant la défaillance des modules de puissance et à une remise en question du traditionnel nombre de cycles moyens avant défaillance en tant qu’outil de gestion de la fiabilité. À partir de l’identification des mécanismes de vieillissement des assemblages de puissance, une nouvelle méthodologie de modélisation est proposée pour caractériser la durée de vie résiduelle d’un module, en s’appuyant sur un indicateur d’endommagement énergétique. La fonction de corrélation entre cet indicateur de vieillissement et les données issues de capteurs embarqués est alors construite à l’aide de méthodes de régression numérique. Une mise en application sur un assemblage représentatif illustre l’intérêt de la méthodologie. / This work is part of the french Research National Agency project called "CAPTIF" (meaning"Innovative embedded sensors and software for power electronics devices"). This research project deals with power electronics health monitoring solutions in order to increase electric conversion devices reliability and decrease maintenance costs.Traditionnal reliability models limitations led to a reconsideration of life prediction methodsand mean time to failure as a reliability management tool for power electronics devices.An investigation to develop an approach more representative of failure mechanisms observed in power electronics devices was conducted. Based on ageing mechanisms of power electronics assemblies, an ageing indicator was proposed and used with a modelling methodology to characterise the residual life of a device exposed to thermal loads. The functional link between this ageing indicator and data provided by embedded sensors is approache dusing a numerical design of experiment and a response surface methodology. This modelling process is illustrated by an application to a simplified power assembly.

Les composants semi-conducteurs de puissance sont aujourd'hui au c?ur des systèmes de conversion d'énergie et sont de plus en plus employés dans le domaine des transports, notamment dans des applications critiques induites par l'émergence des véhicules hybrides et d'avions plus électriques. Durant l'exploitation des systèmes de conversion d'énergie, des contraintes significatives sont imposées aux composants semi-conducteurs de puissance, dégradant ainsi leur fonctionnement. Dans une application critique, ces dégradations peuvent activer la défaillance d'un système électrique et ainsi avoir des conséquences graves d'un point de vue économique et de sécurité. Il existe alors une forte demande concernant une compréhension des modes de défaillances et des mécanismes de vieillissement des composants semi-conducteurs de puissance. Il en est de même pour le développement de nouvelles techniques de caractérisations pour le suivi de leur vieillissement. Le suivi de l'évolution de paramètres de l'oxyde de grille de véhicules tests par le biais de la méthode Capacité-Tension ou C(V) - couramment employée en micro-électronique - et de la méthode de l'onde thermique ou MOT - développée au sein du Groupe Énergie et Matériaux de l'IES -, ainsi que leur adaptation à des composants semi-conducteurs de puissance, constituent l'essentiel du travail de cette thèse. Le couplage de la MOT à la C(V) a permis de localiser sommairement les charges injectées dans l'oxyde de grille des véhicules tests lorsqu'ils ont été soumis à des contraintes électriques similaires à celles subies dans les systèmes de conversion d'énergie. / Power semi-conductor devices are increasingly used as key parts of embedded power conversion systems in critical applications such as aerospace industry and ground transport. In such critical applications, these devices are submitted to harsh electrical, thermal and mechanical environments stresses which may significantly alter their reliability. An embedded power conversion system failure due to a power semi-conductor device breakdown may induce catastrophic results in terms of human safety, as well as economical dimensions. There is, indeed, a continuous demand on an increasing knowledge concerning the failure modes and the ageing mechanisms of power semi-conductor devices, as well as for development of new characterization techniques for ageing monitoring. The greatest part of the present work is focused on the monitoring of gate oxide properties evolutions of samples structures using the Capacitance-Voltage method (C-V method) -mainly employed in microelectronics- and the Thermal Step Method (TSM) -developed in Energy and Materials Group of IES-, as well as applying them to power semi-conductor devices. Coupling TSM and C-V method has allowed to approximately locate injected charges in the gate oxide of sample devices when submitted to electrical stresses comparable to the ones submitted to power semi-conductor devices.

Avant d'approvisionner des lots de composants pour la fabrication de systèmes orbitaux, les grandes agences du spatial (CNES, ESA, NASA, JAXA…) ainsi que les industriels du spatial (EADS, Thales,…) doivent s'assurer de la fiabilité des lots proposés par les fabricants de circuits intégrés. Dans le but d'assurer la fiabilité des composants, des tests sont réalisés suivant des recommandations afin de sélectionner et trier les composants suivant leur tenue à différents modes de défaillance. Parmi tous ces tests, certains sont typiques des applications spatiales : les tests de tenue à la dose. Cette spécificité des tests de tenue à la dose de composants destinés à des applications spatiales est due au fait que l'environnement spatial est un environnement radiatif qui provoque une ionisation dans les matériaux constituant le satellite. Suite à cette ionisation des charges sont créées dans la matière et induisent des modifications au sein des matériaux qui composent les circuits intégrés, ce qui peut provoquer des dérives de leurs caractéristiques électriques. Ces dérives des paramètres électriques en environnement spatial peuvent être perçues comme un vieillissement accéléré des composants électroniques, et des tests sont donc dédiés à prédire et s'assurer du bon fonctionnement des composants même après ce vieillissement accéléré provoqué par la dose. Dans ce travail de thèse nous nous intéressons à l'applicabilité d'une technique de test accéléré des composants bipolaires développée à l'UM2: 'La technique des Débits Commutés'. Une étude de l'effet de la polarisation pendant irradiation a été mené au cours de ce travail de thèse, afin d'appréhender l'impact de la polarisation des composants bipolaires sur les estimations obtenues de façon accélérée grâce à cette technique. / Before supplying lots of components for the manufacture of orbital systems, large space agencies (CNES, ESA, NASA, JAXA ...) and the Industrial Space (EADS, Thales, ...) should ensure the reliability lots offered by manufacturers of integrated circuits. In order to ensure reliability of components, tests are performed following recommendations to select and sort the components according to their resistance to different failure modes. Of all these tests, some are typical for space applications: tests held in the dose. The specificity of the tests held at the dose of components for space applications due to the fact that the environment is a space radiation environment which causes ionization in the materials of the satellite. Following this ionization charges are created in the material and induce changes in the materials that comprise integrated circuits, which can cause drift of their electrical characteristics. These abuses of the electrical parameters in a space environment can be viewed as accelerated aging of electronic components, and tests are dedicated to predict and verify the correct operation of the components even after the accelerated aging caused by dose. In this thesis we investigate the applicability of a technique for accelerated testing of components developed in bipolar UM2: 'The technique of Switched Flows'. A study of the effect of the polarization during irradiation was conducted during this thesis, to understand the impact of the polarization of the bipolar components on the estimates obtained in an accelerated manner using this technique.

Les réseaux ferroviaires sont sujets à des dégradations de leur voie qui impactent directement le service offert aux voyageurs. Des politiques de maintenance sont donc déployées pour en limiter les effets sur la qualité et la disponibilité du réseau. Ce mémoire propose une modélisation générique de ces politiques reposant sur la fiabilité, et ce à partir du seul formalisme des réseaux bayésiens (RB). La fiabilité du système est caractérisée par un RB dynamique particulier tenant compte des temps de séjour dans chacun de ses états (hypothèse semi-markovienne). Les outils de diagnostics et les actions et les actions de maintenance sont également modélisés, autorisant la description fine de stratégies complexes. La prise en compte de l'utilité de chaque attribut du modèle (disponibilité/sécurité/coût) permet l'évaluation des politiques de maintenance innovantes en particulier prévisionnelles. La méthodologie est appliquée au cas précis du réseau RER de la RATP relativement au problème du rail cassé. / Rail networks are prone to degradations of their railtrack that directly impact the commercial service. Therefore, maintenance policies are implemented in order to limit the loss of network quality and avaibility. This thesis proposes a generic modelling for these policies based on the reliability, using Bayesian Network (BN) formalism. The system reliability is captured by dedicated dynamic BN, allowing to take in account the sojorn-time in each system state (semi-markovian assumptiun). The diagnostic tools and the maintenance actions are also represented to accurately describe complex strategies. The consideration of the utility associated to each model ,attribute (availabiblity/security/cost) enables to evaluate innovative predictive maintenance policies. This methodology is applied to the RATP RER network to deal with the rail break prevention problem.

L'électromigration (EMG) est l'une des conséquences de la course à la miniaturisation des composants électroniques en général et la réduction des dimensions des interconnexions en particulier. Il est identifié comme l'un des phénomènes critiques de fiabilité pour les circuits intégrés en technologies submicroniques. Les méthodes de vérification de ce phénomène utilisées durant la conception de circuits sont pour la plupart basées sur des règles de densité de courants et de température. Ces règles deviennent de plus en plus difficiles à mettre en place, compte tenue de l'augmentation des densités de courant dans les réseaux d'interconnexions. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans la dynamique de recherches de moyens d'amélioration de la détection des risques d'électromigration durant la phase de conception. Le but est d'établir une relation entre violations des règles électriques et la physique de dégradation des interconnexions. Les résultats obtenus au cours des tests de vieillissement nous ont permis de repousser les limites de courant sans altérer les durées de vie des circuits. Enfin, ce projet été l'occasion de définir des règles conception basé sur l'optimisation des cellules d'horloges dans la grille d'alimentation des circuits intégrés. L'application des solutions proposées au cours de ces travaux ont permis de réaliser des circuits robustes aux effets EMG. / Electromigration (EMG) is a consequence of miniaturization of integrated circuits in general and the reduction of interconnect dimensions in particular. It is identified as one of the critical reliability phenomenon for integrated circuits designed in submicron technologies. The methods of checking this phenomenon at design level are mostly based on current density rules and temperature. These rules are becoming difficult to implement due to increasing current density in interconnection network. This thesis is based on researching for ways to improve detection of electromigration risks at design level. The goal is to establish a relation between electrical rules and interconnect degradation mechanism. Results obtained from ageing tests permit us to relax current limit without altered circuit lifetimes. Finally, this project has been instrumental to define design rules based on optimization of clock tree cells placement in integrated circuit power grid. The application of solution proposed during this work permit to design robust circuits toward EMG.

Les réseaux de capteurs ont créé un domaine de recherche très intéressant avec un champs d'applications très large. L'assistance aux personnes est notamment une des nombreux champs potentiels. Les contraintes de ce type de réseaux sont nombreuses et nécessitent des mécanismes spécifiques. Les problématiques de consommation d'énergie et de sécurité sont particulièrement importantes et ont fait l'objet de travaux spécifiques. La thématique de l'assistance aux personnes impose notamment des contraintes de robustesse et de fiabilité des communications. Le but de ces travaux de recherche est de définir diverses solutions permettant de répondre à ces problématiques. Ces travaux se décomposent en trois parties. Dans un premier temps, une plate-forme de communications basée sur les réseaux personnels PAN a été définie. Cette plate-forme a été développée et intégrée dans une station de métro Parisienne. Une modélisation de cette plate-forme ainsi qu'une analyse des observations et des résultats issus de cette intégration nous ont permis d'identifier les faiblesses de l'architecture et des technologies mises en œuvre. Dans un deuxième temps, nous avons développé diverses solutions permettant de fiabiliser cette plate-forme. En particulier, nous avons conçu un algorithme d'ordonnancement permettant de réduire la consommation d'énergie dans les réseaux capteurs par l'utilisation d'une analyse sémantique des données. Nous avons ensuite proposé une architecture de sécurité, Tiny 3-TLS, qui permet de sécurisé les communications entre un capteur et une entité située sur un réseau disjoint. Enfin, nous nous sommes intéressés aux communications entre cette plate-forme et les terminaux mobiles. L'aspect fiabilité a en particulier fait l'objet de travaux spécifiques. C'est pourquoi dans un troisième temps, nous avons proposé une solution de routage définissant une nouvelle métrique. Nous avons ensuite proposé un protocole coopératif permettant un apport de fiabilité dans les communications / Wireless Sensors Networks is a very active research area with a very large scope of possible application. In particular, assistance to person is one of the promising applications. The constraints in this kind of networks are strong and needs of specifics mechanisms. Energy consumption and security are particularly important and are subject of several works. Assistance to person set some robustness constraints and communications reliability. The goal of these works is to define several solutions to answer to these problematic. This work has been split in three different parts. First, a communication platform based on Personal Network techniques was defined. This platform was design, develop and install in a Paris metro station. We made an analytical model of our platform to perform an analysis of its performances. This analysis and the results from the platform installation itself allow us to clearly define the architecture weaknesses and the technologies drawbacks. Second, we developed several solutions to bring reliability to the platform. First, we designed a scheduling algorithm allowing to reduce the bandwidth utilization. This algorithm uses a semantic data analysis to help the data scheduling. Then, we define a solution bringing security to the communications between a sensor node and a remote monitoring terminal. This solution allows to establish a secure end-to-end tunnel between two entities in an heterogeneous network. At last, we were interested to the communications between the platform and the mobile terminal. We focus our work on the reliability aspect of the communications. So, in the last part of this thesis, we suggest a routing protocol using a metric based on the RSSI. Then, we define a cooperative protocol bringing more reliability to the communications

Le succès de l’introduction des composants optoélectroniques dans le domaine automobile s’explique par certaines caractéristiques qu’offrent les LED. En effet, ces nouvelles sources lumineuses permettent de réduire la consommation électrique des véhicules tout en offrant une longévité bien supérieure aux sources lumineuses traditionnelles. De plus, leur encombrement réduit élargit considérablement les possibilités de style des optiques des véhicules et leur caractère électronique permet d’imaginer de nombreuses applications nouvelles.Malgré leurs performances, les LED sont à l’origine d’une part importante des problématiques de fiabilité électronique constatées et probablement futures. Il est donc nécessaire, pour les équipementiers automobile, de trouver les solutions technologiques améliorant les performances et la robustesse des LED dans leurs applications et de développer les outils permettant de maîtriser les risques liés à ces évolutions technologiques.Nous identifions dans ce manuscrit les enjeux concrets de fiabilité en soulignant l’importance de l’étude de la robustesse des LED et le moindre intérêt de l’étude de leur longévité dans le cas du domaine automobile. Nous décrivons les outils et méthodes permettant de caractériser les paramètres thermiques, optiques et électriques de ces composants. Notamment nous proposons une méthode de mesure de la température de jonction. Puis, nous exposons les résultats des caractérisations des LED employées dans des applications pulsées et proposons des solutions technologiques permettant d’améliorer leur performances et leur robustesse dans ces conditions d’utilisation. Par ailleurs, le développement d’un banc de test est décrit et les résultats obtenus à l’aide de ce dernier sont analysés. Enfin, nous proposons une méthodologie de caractérisation et d’évaluation de la fiabilité des composants OLED pour les applications automobiles / The large introduction of optoelectronics technologies in automotive applications is related to the high performances offered by LEDs. Indeed, these new light sources allow cutting down the electrical consumption and ensuring long lasting of lighting functions. Besides, their reduced size and their electronics behavior enable new styling and operating functions. Yet, reliability remains a great concern in automotive applications.We identify in this manuscript the real reliability stakes and emphasize the highest importance of robustness versus lifetime of LED for automotive applications. We then describe the methods and tools necessary to characterize the thermal, electrical and optical parameters of these components. In particular we propose a new method for junction temperature estimation. Characterizations results for LEDs used in pulsed applications are given and solutions are proposed to improve their robustness and performances under such conditions. Moreover, the development of a test bench is presented and results obtained are discussed. Finally, we propose a methodology of characterization and evaluation of the reliability of OLED used in automotive applications

L’objectif principal de cette thèse est de développer une méthodologie qui permette de définir des sollicitations simplifiées représentatives des sollicitations réelles rencontrées en exploitation, c’est-à-dire équivalentes en sévérité vis-à-vis du phénomène d’amorçage de fissure par fatigue mécanique. Cette méthodologie doit être adaptée aux problèmes multi-paramètres car les sollicitations subies par les roues ferroviaires sont multidimensionnelles (chargement vertical et latéral) et indépendantes. Enfin, la thèse vise aussi à proposer une approche fiabiliste globale du problème de fatigue des roues, qui pourra être une extension de la méthode Contrainte-Résistance aux cas des sollicitations multi-entrée. Un critère de fatigue pour l’acier des roues est identifié à partir des nouveaux essais. / The main objective of this PHD thesis is to develop a method for the definition of simplified equivalent loads representative of real loads (the severity is equivalent from fatigue phenomenon point of view). This method must be adapted to multi-input problems because loads applied on wheels are multi-dimensional (vertical and lateral loads) and independent. Finally, the thesis also aims to provide a comprehensive approach to fatigue-reliability problem of the wheels, which can be an extension of the stress-strength method for multi-input loads. A fatigue criterion for the railway will is presented and identified using a new test campaign.

Cette thèse s'intéresse aux fondements du comportement des usagers face à la congestion dans les transports publics. Elle se compose de trois essais distincts. Les deux premiers essais examinent l'adaptation des usagers au manque de ponctualité et à l'inconfort. Le troisième essai offre une analyse empirique de l'effet « foule ». Dans le premier chapitre, je présente un modèle de compétition bimodale entre une ligne de transport public sujette aux retards, et un mode alternatif. A l'équilibre du marché, le niveau de fiabilité choisi par la firme en charge des transports publics augmente avec le prix du mode alternatif via un effet « demande » évoquant l'effet Mohring. L'étude de la qualité de service optimale montre que souvent, la fiabilité des transports publics et donc leur fréquentation à l'équilibre sont inférieurs à ce qu'ils seraient à l'optimum social. Dans le second chapitre, afin d'étudier le coût de l'inconfort et ses implications quant au choix de l'heure de déplacement, je développe un modèle structurel dans lequel les usagers des transports public choisissent entre voyager dans un véhicule bondé et arriver à destination à l'heure désirée ou alors voyager plus tard ou plus tôt pour éviter la foule. J'établis la distribution des usagers parmi les véhicules à l'équilibre et à l'optimum social, et montre que l'optimum social peut être décentralisé par une tarification fine par véhicule. Les propriétés du modèle sont comparées avec celles du modèle du « bottleneck » et des modèles de congestion routière. Dans le troisième chapitre, j'analyse l'influence de la densité d'usagers sur la satisfaction liée au confort durant un déplacement en transport public. De plus, je décris l'anatomie de l'effet « foule » en testant différents aspects (odeur, bruit, position debout...) comme des causes d'inconfort lorsque la densité d'usagers augmente. J'identifie un net effet « foule » : en moyenne, un usager supplémentaire par mètre carré diminue de 1 la satisfaction liée au confort qui est mesurée sur une échelle de 0 à 10. Je ne trouve pas de corrélation entre temps de transport et l'effet « foule ». Cependant, cet effet augmente avec le revenu des usagers. Trois causes de désutilité liée à la foule sont identifiées : une plus grande probabilité de devoir voyager debout, un usage limité du temps, et des conditions de déplacement plus bruyantes. Ces désagréments sont plus importants chez les femmes et les usagers les plus aisés. / This dissertation addresses the foundations of user’s behavior with respect to the congestion in public transport. It is made of three distinct essays. The two first essays investigate how users get used to lack of punctuality and crowding. The third essay presents an empirical analysis of the crowding effect. In the first chapter, I consider the modeling of a bi-modal competitive network involving a public transport mode, which may be unreliable, and an alternative mode. The public transport reliability set by the public transport firm at the competitive equilibrium increases with the alternative mode fare, via a demand effect. This is reminiscent of the Mohring Effect. The study of the optimal service quality shows that often, public transport reliability and thereby patronage are lower at equilibrium compared to first-best social optimum. In the second chapter, to study the behavioral implications and costs of crowding, I develop a structural model in which public transport users face a choice between traveling in a crowded train and arriving when they want, and traveling earlier or later to avoid crowding but arriving at an inconvenient time. I derive the user equilibrium and socially optimal distribution of passengers across trains, show how the optimum can be decentralized using train-specific fares, and characterize the welfare gains from optimal pricing. Properties of the model are compared with those obtained from the bottleneck and flow congestion models of road traffic. In the third chapter, I investigate the influence of in-vehicle crowding on the comfort satisfaction experienced during a public transport journey. Moreover, I describe the anatomy of the crowding effect by testing various nuisance factors (Smell, Noise, Standing...) as channels through which crowding may decrease the comfort satisfaction. I find a clear crowding effect: on average, an extra-user per square meter decreases by one the expected 0 to 10 scale individual well-being. I do not find any empirical evidence of this effect being intensified by the travel time. However, the crowding effect increases with the income of users. I find three causes of crowding disutility: a higher probability to stand for all or part of the journey, a poorer use of the time during the journey, and noisier travel conditions. These features of discomfort matter more for women and wealthy individuals.