L'intégration de composants passifs sur silicium constitue l'une des voies envisagées pour répondre aux préoccupations de miniaturisation des systèmes électroniques radiofréquences. Une autre réponse à cette évolution est apportée par l'introduction de microsystèmes électromécaniques pour remplacer des fonctions électroniques. Ce projet explore une approche mixte afin d'intégrer simultanément les composants passifs et un MEMS résonant. Le procédé de fabrication des puces passives est le point de départ pour réaliser des résonateurs susceptibles de remplacer les quartz. Les travaux concernant trois types de structures sont détaillés dans cette thèse : des anneaux en aluminium avec des vibrations hors-plan, une géométrie tubulaire en silicium vibrant sur un mode de contour et des résonateurs carrés et circulaires en silicium monocristalIin fonctionnant sur un mode extensionnel. Le principe de fonctionnement y est expliqué, ainsi que le moyen de les réaliser sans avoir recours à un substrat SOI. La confrontation des mesures électriques avec différents modèles analytiques ou numériques a orienté les travaux vers une solution offrant de bonnes performances. Avec un facteur de qualité dépassant 50000 à une fréquence de 24 MHz, une résistance motionnelle de 2 kiloohms. et une puissance dissipée de 16 µ W pour une polarisation de 5 V, les derniers prototypes montrent le potentiel d'une telle approche / The integration of passive components on silicon is one of the solutions to meet the concerns of miniaturization of electronic radio frequency systems. Another response to these evolution is provided by the introduction of microelectromechanical systems to replace electronic functions. This project explores a mixed approach to simultaneously integrate passive components and MEMS resonant. The manufacturing process of passive chips is the starting point for making resonators as an alternative to quartz. Work on three types of structures are detailed in this thesis: aluminum rings with out-of-plan vibrations, a tubular geometry made of silicon vibranting on a contour mode and single-crystal silicon contour-mode resonators. The operating principle is explained, as weIl as the means to achieve them without resorting to a SOI substrate. The comparison between electrical measurements and various analytical or numerical models has guided the work towards a solution with good performance. With quality factor exceeding 50000 at a frequency of 24 MHz, motional resistance of 2 kiloohms. and power dissipation of 16 µW for a polarization of 5 V the latest prototypes show the potential of such an approach.

L'objectif de ce travail est la réalisation de nouveaux microactionneurs à base depolymère conducteur électronique pouvant être envisagés pour une application denanodrone à ailes battantes.Deux réseaux interpénétrés de polymères (RIPs) POE/PTHF (poly(oxyded'éthylène)/polytétrahydrofurane) et POE/NBR (poly(oxyde d'éthylène/Nitrile Butadiene Rubber) ont été synthétisés et caractérisés. Par le contrôle de la synthèse de ces RIPs,une co-continuité de phase des deux réseaux partenaires a pu être obtenue. Ce travail a ainsi permis l'obtention de matériaux combinant les propriétés propres de chaque réseau, une bonne conductivité ionique (POE) et de bonnes propriétés mécaniques (PTHF et NBR). Les propriétés mécaniques du matériau ont permis de réaliser des matériaux polymères support d'électrolyte manipulables avec des épaisseurs inférieures à 10 μm.Des RIPs conducteurs ont pu être élaborés à partir de ces matériaux en incorporant le polymère conducteur électronique (poly(3,4-éthylènedioxythiophène) - PEDOT), par une dispersion non homogène à partir de la surface vers l'intérieur du film. Après incorporation d'un liquide ionique (le 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis-(trifluorométhylsulfonyl)imide ou EMImTFSI), ces matériaux électroactifs ont été caractérisés et ont montré qu'ils pouvaient actionner à des fréquences élevées (100Hz) par rapport aux autres dispositifs de ce type.La mise en forme micrométrique de ces matériaux a ensuite été réalisée par un procédé propre aux microsystèmes. Les techniques de photolithographie et de gravure ionique réactive ont été adaptées et étudiées pour l'élaboration de ces microactionneurs. Un mécanisme de dégradation chimique du matériau a été proposé afin d'expliquer l'étape de gravure. Enfin, la caractérisation des microactionneurs a ensuite aussi été réalisée.La force développée par ces microactionneurs est de l'ordre du μN et le pourcentage de déformation est de 1,8 %.

L’objectif de ce travail est la réalisation de nouveaux microactionneurs à base depolymère conducteur électronique pouvant être envisagés pour une application denanodrone à ailes battantes.Deux réseaux interpénétrés de polymères (RIPs) POE/PTHF (poly(oxyded’éthylène)/polytétrahydrofurane) et POE/NBR (poly(oxyde d’éthylène/Nitrile Butadiene Rubber) ont été synthétisés et caractérisés. Par le contrôle de la synthèse de ces RIPs,une co-continuité de phase des deux réseaux partenaires a pu être obtenue. Ce travail a ainsi permis l’obtention de matériaux combinant les propriétés propres de chaque réseau, une bonne conductivité ionique (POE) et de bonnes propriétés mécaniques (PTHF et NBR). Les propriétés mécaniques du matériau ont permis de réaliser des matériaux polymères support d’électrolyte manipulables avec des épaisseurs inférieures à 10 μm.Des RIPs conducteurs ont pu être élaborés à partir de ces matériaux en incorporant le polymère conducteur électronique (poly(3,4-éthylènedioxythiophène) - PEDOT), par une dispersion non homogène à partir de la surface vers l’intérieur du film. Après incorporation d’un liquide ionique (le 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis-(trifluorométhylsulfonyl)imide ou EMImTFSI), ces matériaux électroactifs ont été caractérisés et ont montré qu’ils pouvaient actionner à des fréquences élevées (100Hz) par rapport aux autres dispositifs de ce type.La mise en forme micrométrique de ces matériaux a ensuite été réalisée par un procédé propre aux microsystèmes. Les techniques de photolithographie et de gravure ionique réactive ont été adaptées et étudiées pour l’élaboration de ces microactionneurs. Un mécanisme de dégradation chimique du matériau a été proposé afin d’expliquer l’étape de gravure. Enfin, la caractérisation des microactionneurs a ensuite aussi été réalisée.La force développée par ces microactionneurs est de l’ordre du μN et le pourcentage de déformation est de 1,8 %. / The aim of this work is the realization of new microactuators based on electronicconducting polymer (ECP) for a flapping wing nano-aerial vehicle.Two Interpenetrating Polymer Networks (IPNs) PEO/PTHF(polyethyleneoxide/polytetrahydrofurane) and PEO/NBR (polyethyleneoxide/NitrileButadiene Rubber) were synthesized and characterized. By controlling the synthesis of these IPNs, a phase co-continuity of the two networks could be obtained. This work has enabled the production of materials combining the specific properties of each network, good ionic conductivity (PEO) and good mechanical properties (PTHF and NBR). The mechanical properties of the material allowed the synthesis of solid polymer electrolyte materials that can be elaborated and manipulated with thicknesses below 10 microns.The conducting IPNs are synthesized from previous IPNs in which the conductingpolymer (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT, is non homogeneously dispersed i.e. the content decreases from the outside towards the center of the film.After incorporation of an ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide or EMImTFSI), these electroactive materials werecharacterized and showed their capacity to operate at frequency high frequency (100 Hz) compared to others systems in literature.The micrometer shaping of these materials was then carried out by processes specific to microsystems. Photolithography techniques and Reactive Ion Etching (RIE) have been adapted and designed for the development of microactuators. A chemical degradation mechanism of the material has been proposed to explain the etching step. Finally, the characterization of microactuators have been carried out. The force developed by these microactuators is in the range of N and the bending strain has reached 1.8%.

Les besoins en dispositifs opto/hyperfréquences, pour moduler les informations en transit sur les réseaux de télécommunications fibrés et hertziens, ont conduit au développement de matériaux organiques actifs en optique non linéaire, prometteurs en terme de performance mais limités par une faible stabilité dans le temps de leurs propriétés.<br />L'objectif de ce travail était de caractériser les propriétés optiques du polymère PGMA-DR1 (PIII), ainsi que d'étudier sa mise en forme et son intégration dans une structure guidante en vue de la réalisation d'un modulateur électro-optique.<br />La caractérisation de l'orientation des chromophores du PIII par génération de seconde harmonique a mis en évidence la capacité du matériau, après réticulation, à conserver ses propriétés sur une durée de plus d'un an. La structuration du polymère d'étude sous la forme d'un guide d'onde canal monomode, par un procédé de photolithographie et de gravure ionique réactive, nous a permis d'étudier ses propriétés de guidage, conduisant à des atténuations linéiques comprises entre 10 dB/cm et 3 dB/cm à 1,55 µm. De plus, des techniques alternatives de structuration du polymère par impression ont été étudiées. Les procédés d'emboutissage à chaud et de réplique par moulage permettent de simplifier la technologie de réalisation des guides. Finalement, la possibilité de réaliser in-situ l'étape d'orientation des chromophores, par procédé de poling en géométrie plan-plan, lors de la mise en forme du matériau a été démontrée.

Dans le cadre de cette thèse, nous présentons un aperçu général des surfaces du silicium micro et nano structurées, appelées silicium noir (BSi), et obtenues par la gravure ionique réactive cryogénique (cryo-DRIE). Ces surfaces auto-générées peuvent être fabriquées dans un procédé en une seule étape fournissant de grandes surfaces à faible réflectivité sur une large gamme de longueurs d'onde et d'angles d'incidence. Nous examinons plusieurs aspects des surfaces du BSi, incluant les méthodes de fabrication, les applications, les méthodes de caractérisation de sa topographie, les techniques de modélisation pour les simulations optiques, et les mécanismes de croissance. Nous développons ensuite trois principales contributions que cette thèse apporte à l'état de l'art : une meilleure compréhension de la topographie du BSi, la modélisation de son comportement optique et un aperçu de ses mécanismes de formation. Nous développons une nouvelle technique de caractérisation topographique du BSi, utilisant un faisceau ionique localisé dans le plan de l'échantillon pour réaliser une nanotomographie qui reproduit les détails de structure avec une précision inférieure au micron. Nous présentons ensuite différentes méthodes de modélisation de cellules unitaires du BSi basées soit sur la topographie de la surface réelle obtenue, ou sur des formes géométriques équivalentes qui sont statistiquement représentatives de la topographie du BSi. Nous sommes capables d'obtenir une excellente concordance entre les simulations et les données expérimentales. Nous présentons également un modèle capable de simuler toute l'évolution de la surface du BSi allant d'un substrat plat jusqu'à sa topographie entièrement développée, en concordance avec des données obtenues expérimentalement. On produit un diagramme de phase qui saisit les combinaisons de paramètres responsables de la formation du BSi. Nous sommes en mesure de reproduire dans notre modèle, un certain nombre d'effets subtils qui mènent à la densification du motif observé, responsable de la formation du BSi pendant cryo-DRIE / In this thesis, we present a general overview of silicon micro and nanostructured surfaces, known as black silicon (BSi), fabricated with cryogenic deep reactive ion etching (cryo-DRIE). These self-generated surfaces can be fabricated in a single step procedure and provide large surfaces with reduced reflectance over a broad range of wavelengths and angles of incidence. We review several aspects of BSi surfaces, such as its fabrication methods, applications, topography characterization methods, modelling techniques for optical simulations, and growth mechanisms. We then develop three main contributions that this thesis brings to the state of the art: a better understanding of BSi topography, modelling of its optical behaviour and insights into its formation mechanism. We develop a novel BSi topographical characterisation technique which is based on in-plane focused ion beam nanotomography and can reproduce sample details with submicron accuracy. We then present different methods of modelling BSi unit cells, based either on real surface topography obtained using the aforementioned technique, or on equivalent geometric shapes that are statistically representative for BSi topography. We are capable to obtain excellent matching between simulations and experimental data. Finally, we present an experimentally-backed phenomenological model that is capable of simulating the entire evolution of a surface from a planar substrate to fully developed BSi topography. We produce a phase diagram which captures the parameter combinations responsible for BSi formation. We also observe experimentally, and are able to reproduce within our model, a number of subtle effects that lead to the observed pattern densification that is responsible for BSi formation during cryo-DRIE

Les nanofils (NFs), de par leur propriétés opto et nanoélectroniques sont devenus des éléments indispensable à la fabrication des dispositifs de la nanoélectronique. Le problème principal reste la reproductibilité en terme de densité de NFs, de diamètre... Cette thèse a pour but de développer grâce à la technologie FIB, un procédé permettant l'élaboration de NFs organisés et homogène en taille. / Due to their ease of fabrication and unique physical properties, semiconductor nanowires (NWs) have been proposed as building blocks for new nanoelectronic and photonic devices. Various processes have been developed to obtain large density of ultra-small NWs but naturally forms nanowires often lack reproducibility. We propose to develop a bottom-up (B-U)processes which is based on naturally formed NWs grown on a patterned substrate resulting from self-assembly of metallic clusters or exposition to a focused ion beam (FIB). The major goal consist to obtain organized and homogeneous NWs.

Dans une première partie, nous avons élaboré des couches épitaxiées de cobalt d'épaisseur variant de 10 à 500 nm et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons optimisé leur croissance pour obtenir du cobalt dans sa phase cristalline hexagonale (0001) car elle présente la plus forte anisotropie magnétocristalline perpendiculaire. Puis, nous avons montré que l'aimantation de ces couches passe d'une configuration en domaines d'aimantation planaire à perpendiculaire lorsque l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Pour des épaisseurs supérieures à 50 nm, la structure en domaines est alors composée de bulles, de bandes ou d'un labyrinthe selon l'histoire magnétique. La topologie des domaines est indépendante de leur épaisseur tandis que leur largeur varie entre 50 et 200 nm comme la racine carrée de l'épaisseur. Puis, nous avons montré que ces couches de cobalt étaient de très bons candidats pour l'étude de la magnétorésistance et résonance de paroi. Dans une seconde partie, nous avons élaboré des réseaux de 5x5 mm2 de plots de 0.5 µm de côté à partir de ces couches et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons montré que la réorientation de l'aimantation en fonction de l'épaisseur est conservée pour les mêmes épaisseurs et que la nanostructuration avait un effet sur la structure en domaines. Pour les plus fortes épaisseurs, la taille des domaines est de l'ordre de grandeur de celle des plots entraînant la contrainte de la composante perpendiculaire d'aimantation. Pour les plots de 25 nm d'épaisseur, la contrainte géométrique de la composante planaire d'aimantation permet de stabiliser une structure vortex en anneaux concentriques. La courbe d'aimantation mesurée sur cet échantillon présente un saut d'aimantation attribué à la disparition de domaines de la structure vortex. Nous avons pu mettre en évidence la réorientation de l'aimantation dans chaque domaine en fonction de la température transformant le vortex en domaines à aimantation perpendiculaire.

Le transistor bipolaire a hétérojonction gaas/gaalas (tbh) présente de fortes potentialités pour l'amplification hyperfréquence de puissance. Ce mémoire constitue une contribution à l'optimisation d'un processus technologique de fabrication de ce transistor pour ce domaine d'application. Dans la première partie, une étude théorique du comportement électrique du T.B.H nous a permis d'établir un modèle électrique en régime statique et dynamique petit signal. A partir de ce modèle, nous avons étudié les phénomènes limitatifs des performances, en insistant sur la focalisation longitudinale du courant le long de l'émetteur et sur les phénomènes thermiques. Dans la seconde partie, nous dressons notre avant-projet de structure de puissance à partir de l'état de l'art publié dans la littérature et des moyens technologiques à notre disposition. Le troisième chapitre décrit de façon détaillée les travaux menés pour la mise en oeuvre et l'optimisation de chacune des étapes technologiques nécessaires a la réalisation de T.B.H de puissance: épitaxie des couches, réalisation des contacts, gravure ionique réactive des mesas, prise des contacts par des ponts a air. Dans la dernière partie, une caractérisation électrique précise tant en régime statique que dynamique, nous a permis d'extraire les paramètres du modèle électrique du T.B.H. Les performances fréquentielles atteintes par un transistor a un doigt d'émetteur de 10x2001#2 sont une fréquence de transition de 20 ghz et une fréquence maximale d'oscillation de 13 ghz. A 2 et 4 ghz, nous avons relevé une puissance dissipée en sortie de 650 mw avec un rendement en puissance ajoutée de 60%.

Un microgyromètre 3 axes permet avec une structure unique de mesurer la vitesse de rotation d’un objet autour des trois axes de l’espace. Les micro-gyromètres 3 axes existants sont peu nombreux et typiquement résonants, fabriqués en technologie silicium par micro-usinage de surface, à transductions électro-statiques, et conçus pour des applications de fort volume ou la taille et le coût sont des critères majeurs. Dans cette thèse nous avons étudié la transduction et le procédé de fabrication d’un gyromètre résonant 3 axes à actionnement et détection piézoélectriques, fabriqué par micro-usinage de volume dans du GaAs semi-isolant, et dont les performances sont potentiellement très supérieures à l’état de l’art tout en conservant une taille et un coût limité. Ce microgyromètre nécessite une transduction piézoélectrique 3D et un routage des connexions électriques qui ont été modélisés et optimisés pour réduire les couplages parasites entre les modes de détection et le mode pilote. Un procédé original de fabrication collective du microgyromètre a été développé, modélisé et caractérisé. Ce procédé utilise notamment une gravure ionique réactive très profonde et traversante du GaAs dans un plasma BCl3-Cl2. Il est démontré pour la première fois qu’une gravure anisotrope traversante de tranchées de 450 μm de profondeur peut être réalisée grâce à une optimisation des paramètres de gravure et à l’utilisation d’un masque en résine. Un procédé original de dépôt et de délimitation d’électrodes Au/Cr sur les flancs verticaux d’une structure gravée par évaporation sous incidence oblique avec rotation du substrat et à travers un masque pochoir en film sec photosensible a aussi été étudié en détail. Une caractérisation fine de la structure cristalline, de la résistivité et des contraintes mécaniques avant, pendant et après recuit des couches Au/Cr poreuses évaporées sous incidence oblique a été menée. Des micro-gyromètres complets avec tout le système de transduction 3D ont été réalisés. Des premières caractérisations par vibrométrie optique hors du plan et dans le plan des gyromètres réalisés démontrent des résultats encourageants. Enfin, différentes voies d’amélioration de la conception et du procédé sont proposées. / A 3 axis gyroscope allows, with a single mechanical structure, the measurement of rotation rates of an object around 3 perpendicular spatial axes. Existing 3 axis microgyroscopes are scarce and typically resonating, made in silicon technology by surface micromachining, use electrostatic transductions and are designed for high volume applications where size and cost are major characteristics. In this thesis we investigated the transduction and fabrication process of a resonating 3 axis microgyroscope having piezoelectric actuation and detection, made in semi-insulating GaAs by bulk micromachining, and with performances potentially much higher than state of the art while limiting the size and cost. This microgyroscope requires a 3D piezoelectric transduction and circuitry which were modelled and optimized to reduce cross-talks effects. An original batch fabrication process was developed, modelled and characterized. This process notably makes use of very deep through wafer reactive ion etching of GaAs in a BCl3-Cl2 plasma. It is demonstrated for the first time that a through wafer highly anisotropic etching of 450 μm deep trenches can be realized owing to etching parameters optimization and the use of a resist masking layer. An original deposition and patterning process of Au/Cr electrodes on the vertical walls of an etched structure by oblique evaporation on rotated substrate through a dry film shadow mask has also been investigated in details. A fine characterization of the crystallographic structure, resistivity and mechanical stress before, during and after annealing of Au/Cr films evaporated under oblique incidence has been performed. Full microgyroscopes with the whole 3D tranduction system were realized. Preliminary characterizations of realized gyroscopes by out-of-plane and in-plane optical vibrometry demonstrated promising results. Finally, different ways to improve the design and fabrication process are proposed.

Les progrès récents des nanotechnologies permettent d'envisager de nouvelles générations de diodes laser. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apport des cristaux photoniques bidimensionnels pour explorer la faisabilité d'un réseau monolithique de diodes laser tout cristal photonique émettant au voisinage de 2,3 µm en filière GaSb. Chaque laser doit répondre à un certain nombre de critères : une émission monomode à une longueur d'onde stable et précise, une émission fine spectralement avec une puissance de sortie élevée, une longueur d'onde accordable, présentant aucun saut de mode sur la gamme d'accordabilité, un fonctionnement à température ambiante, sous pompage électrique et en régime continu. Ces critères répondent au cahier des charges de la technique de spectroscopie d'absorption à diodes laser accordables multiplexées (MTDLAS : Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy). La technique de MTDLAS est ici mise en œuvre pour les applications de détection de gaz dans le moyen infra-rouge (MIR), soit la gamme de longueur d'onde allant de 2 à 5 µm. Cette gamme de longueur d'onde présente plusieurs fenêtres de transparence (autour de 2,3 µm et de 3,4 à 4 µm) où l'absorption par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone est très faible. L'existence de ces fenêtres est mise à profit pour la détection de molécules gazeuses de l'atmosphère, telles que le monoxyde de carbone ou le méthane. Pour mes travaux de thèse, la longueur d'onde d'émission laser retenue est de 2,3 µm. Cette longueur d'onde correspond à la fenêtre de transparence pour la détection notamment du CH4, du CO et du HF. Ainsi, ce mémoire présente la conception de diodes laser tout cristal photonique, et le développement d'un procédé de fabrication de ces diodes lasers, qui a mené à la réalisation d'une série de composants. Nous montrons qu'une déformation de la maille photonique, associée à une optimisation de la largeur du guide, permet d'obtenir un fonctionnement monomode stable. Se basant sur ce principe, plusieurs géométries de mailles de cristaux photoniques ont été étudiées. Puis, nous nous attachons à lever le verrou technologique de la gravure profonde à fort rapport d'aspect dans les alliages AlGaAsSb. Pour cela, nous présentons des études paramétriques de gravure, conduisant à la mise au point d'un procédé optimisé de gravure profonde. Des profondeurs de gravure de 3,4 µm pour des trous de 370 nm de diamètre, soit un rapport d'aspect de plus de 9, ont ainsi pu être atteintes. Cette étape critique de gravure a été insérée dans un procédé technologique de fabrication de diodes laser tout cristal photonique, que nous avons mis au point. Cela a mené à la réalisation d'une série de composants. / Recent advances in nanotechnology allow considering new generations of laser diodes. The purpose of this thesis is to study the contribution of two-dimensional photonic crystals to design and fabricate a monolithic array of laser diodes emitting near 2.3 µm in GaSb system. Each laser in the array has to respond to stringent criteria : a stable and precisely predefined single-mode emission wavelength, high output power, tunable wavelength with no mode hopping over the tunability range. Moreover, such device should operate at room temperature, under electrical pumping and continuous regime. These criteria respond to the specifications of the technique of Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (MTDLAS). The MTDLAS technique is here implemented for gas sensing applications in the Mid-wavelength infrared (MidIR), corresponding to the wavelength range from 2 to 5 microns. This wavelength range contains two transparency windows (around 2.3 µm and from 3.4 to 4 µm), where the absorption by water vapor and carbon dioxide is reduced. The existence of these windows is harnessed for the detection of gaseous molecules in the atmosphere, such as carbon monoxide or methane. For my thesis work, the chosen wavelength of laser emission is 2.3 µm. This wavelength corresponds to a transparency window allowing detection of CH4, CO and HF. This dissertation presents the design of all photonic crystal laser diode, and the development of a manufacturing process of such device, which led to the production of a set of components. We show that the engineering of the photonic lattice combined with an optimization of the width of the laser waveguide provide stable, single-mode emission operation. Based on this principle, several geometries for photonic crystal lattice were studied. Then we tackle the technological challenge of deep etching with high aspect ratio in AlGaAsSb alloys. For this, we present parametric studies of etching, leading to the development of an optimized process for deep etching. We succeed to etch holes of 370 nm diameter and 3.4 µm depths, corresponding at an aspect ratio in excess of 9. We have developed a technological manufacturing process of all photonic crystal laser diodes, where this critical etching step has been successful inserted. This led to the realization of a set of components.