L’explosion de la demande en données a imposé de nouvelles exigences en terme de débit de transmission qui sont de plus en difficiles à satisfaire sans accroître considérablement les consommations énergétiques dans les centres de données, points névralgiques des réseaux de télécommunications. Dans ce contexte, la photonique silicium est considérée comme la solution la plus adaptée pour répondre de ces problématiques en remplaçant les interconnexions métalliques par des liaisons optiques à base de silicium. Le modulateur électro-optique constitue l’un des composants clés de ces liaisons optiques. Cependant, la centrosymétrie du silicium empêche l’exploitation de l’effet Pockels, un phénomène d’optique non linéaire très efficace dans la conception de modulateurs à très grande bande passante et à faible consommation énergétique. Cette limitation peut être néanmoins contournée lorsque des contraintes mécaniques sont appliquées au silicium de façon à briser sa symétrie d’inversion. Plusieurs travaux théoriques et expérimentaux ont alors été entrepris récemment pour mettre en évidence et quantifier l’effet Pockels induit par contraintes dans le silicium. Mais la nature semi-conductrice du silicium rend l’analyse de l’effet Pockels profondément complexe et cela a soulevé une controverse quant à sa réelle existence dans le silicium contraint. En effet, l’influence des porteurs libres dans le silicium et aux interfaces engendrent un fort signal de modulation, noyant la signature de l’effet Pockels. Pour enrayer les effets de porteurs, la solution apportée par le travail de thèse a été d’étudier le signal de modulation à hautes fréquences (> 5 GHz). Plusieurs études hyperfréquences de l’effet Pockels ont donc été menées dans des structures photoniques en silicium contraint et seront présentées dans ce manuscrit de thèse. Les premières études ont été réalisées sur une plate-forme SOI et les résultats expérimentaux ont permis de mettre en évidence la présence d’un signal de modulation électro-optique à hautes fréquences et dont l’intensité dépend clairement de l’orientation cristallographique du silicium et de l’amplitude de la contrainte appliquée sur celui-ci. Sur la base d’un modèle théorique décrivant le tenseur de susceptibilité électrique du second ordre χ(²), un modèle multiphysique a été développé et a permis de décrire de manière très précise à la fois les résultats expérimentaux et la distribution spatiale du χ(²) dans des guides d’onde silicium contraints. Ces travaux ont également permis de montrer que les faibles intensités des champs électriques appliqués dans les guides d’onde silicium, dues à la distribution des porteurs, sont en grande partie responsable de la faible efficacité de modulation par effet Pockels. Une seconde étude a donc été menée sur une plate-forme SOI modifiée et permettant la conception de circuits électriques plus performants avec des champs électriques générés plus intenses. Les résultats expérimentaux obtenus montrent une amélioration d’un facteur 20 de l’efficacité de modulation par effet Pockels en comparaison des premières études. De plus, le modèle multiphysique a de nouveau permis de décrire ces résultats, renforçant donc davantage sa validité. L’ensemble de ces travaux ouvrent notamment comme perspectives la possibilité d’obtenir un diagramme de l’œil électro-optique dans la mesure où une contrainte plus importante est appliquée aux guides d’onde silicium. De plus, le modèle décrivant le tenseur de susceptibilité électrique du second ordre χ(²) peut également être exploité pour décrire le phénomène de génération de seconde harmonique en optique guidée dont l’existence reste encore ambiguë à l’heure actuelle. / The explosion of data demand imposed new requirements in terms of data transmission rate that are more and more difficult to meet without greatly increasing the power consumption in data centres, hot spots of telecommunications networks. In this context, silicon photonics is considered the most adapted solution to address these complex issues by replacing metallic interconnects by silicon-based photonic links. The electro-optic modulator is one major building block in such photonic links and ensure the conversion of data carried by an electric signal to an optical one. However, silicon being a centrosymmetric material, it cannot exhibit the Pockels effect, a very valuable optical nonlinear phenomenon used in most high-speed and low power consumption modulators. This limitation is nonetheless relaxed by applying deformations to the silicon lattice by means of stress in order to break its inversion symmetry. Numerous theoretical and experimental studies were reported to demonstrate and quantify the Pockels effect. But, the semiconductor nature of silicon tremendously complicate the analysis of the Pockels effect, which existence was questioned in strained silicon and source of controversy. Indeed, free carriers in silicon waveguides and at the interfaces induce a strong modulation signal, thereby screening Pockels effect. To stem the influence of free carriers, the work done in the thesis consisted in studying high frequency-based modulation signal (> 5 GHz). Various microwave studies were then performed in strained silicon photonic structures and will be presented in the following thesis manuscript. First studies were achieved on a SOI platform and the obtained experimental results demonstrated the presence of a weak high-frequency electro-optic modulation signal which intensity clearly depends on the silicon cristallographic direction and the level of stress applied to silicon. Based on a theoretical model describing the second-order nonlinear electric susceptibility χ(²), a multiphysic model has been developed and successfully described both experimental results and the spatial distribution of χ(²) within strained silicon waveguides. These studies also showed that the weak intensity of the applied electric fields, due to the free carriers distribution, are responsible for the weak measured Pockels-based modulation efficiencies. A second study has then been carried out on a modified SOI platform allowing the design of more efficient electric circuits inducing stronger electric fields. An improvement by a factor of 20 was observed on the obtained experimental results compared to the previous ones. Moreover, the multiphysic model could again describe those results, proving its reliability. As outlooks, electro-optic eye diagram of complex electric signals could be obtained at the condition of stronger stress applied to silicon waveguides. Furthermore, the model describing the second-order nonlinear susceptibility χ(²) can also be exploited to depict the second harmonic generation in strained silicon waveguides, which existence is still not clear for the moment.

Dans la course à la miniaturisation des dispositifs de la microélectronique, les alliages SiGe sont des matériaux remarquables pour poursuivre l'amélioration des performances des composants de type CMOS, le Silicium atteignant aujourd'hui ses limites physiques. En effet, une méthode originale pour appliquer une contrainte de compression uniaxiale au canal de conduction Silicium, afin d'augmenter la mobilité des trous des transistors pMOS, consiste à remplacer le Silicium dans les régions Source et Drain par des couches SiGe pseudomorphiques. L'utilisation de sources solides sacrificielles de Germanium peut être une solution pour la fabrication de telles structures. Dans ce travail, nous avons ainsi étudié l'interdiffusion Ge-Si, induite par recuit thermique à haute température, à partir d'hétérostructures Ge/Si dont la couche de Germanium est déposée par CVD. Le développement de la méthodologie SIMS MCs2+, que nous réalisons dans cette thèse, assure la caractérisation chimique de couches graduelles Si1-xGex dans la gamme complète de concentrations (0 d x d 1). Nous montrons que l'interdiffusion Ge-Si est fortement dépendante de la composition en Germanium mais également des défauts structuraux formés aux interfaces Ge-Si. Nous avons alors développé un modèle qui permet de reproduire fidèlement les profils expérimentaux. L'effet du dopage Bore tend à réduire légèrement l'interdiffusivité. Finalement, nous montrons que l'utilisation de couches de Germanium polycristallin est prometteuse pour la fabrication de couches graduelles Si1-xGex. En effet, elle permet de réduire la densité de défauts structuraux initialement présents dans les films monocristallins.

De par ses extraordinaires propriétés physiques, on s'attend à ce que le graphène devienne un matériau de nouvelle génération, susceptible de compléter les semi-conducteurs traditionnels dans les technologies de dispositifs électroniques. Depuis sa découverte expérimentale en 2004, de nombreux travaux ont cherché à en évaluer les potentialités. Toutefois, en vue d'applications en électronique, le graphène souffre d'un inconvénient majeur : l'absence de bande interdite dans sa structure de bandes. Ainsi, il est très difficile de moduler et couper le courant dans un transistor de graphène, ce qui restreint considérablement son champ d'applications. Du point de vue des propriétés thermoélectriques, l'absence de bande interdite empêche la séparation des contributions opposées des électrons et des trous au coefficient Seebeck, qui reste donc faible dans le graphène parfait. Aussi, l'ouverture d'une bande interdite (gap) dans le graphène est une nécessité pour contourner les inconvénients de ce matériau et bénéficier pleinement de ses excellentes propriétés de conduction. Il a été montré que de nombreuses approches de nanostructuration peuvent être utilisées dans ce but : découpage de nanorubans de graphène, bicouche de graphène avec application d'un champ électrique transverse, percement d'un réseau périodique de nano-trous (nanomesh), structures mixtes de graphène et de nitrure de bore, dopage du graphène à l'azote. Cependant, toutes ces approches ont leurs propres difficultés de fabrication et/ou restent encore à confirmer expérimentalement. Dans ce travail, je me suis focalisée sur une autre approche : l'ingénierie de contrainte, qui offre un large éventail de possibilités pour moduler les propriétés électroniques des nanostructures de graphène. Pour ce travail théorique, tous les calculs ont été faits en utilisant essentiellement deux méthodes : un modèle atomistique de Hamiltonien de liaisons fortes pour décrire les propriétés électroniques du matériau et l'approche des fonctions de Green hors-équilibre pour le calcul du transport quantique. Après une introduction du contexte général de ce travail et des techniques de calcul développées dans ce but, j'ai d'abord analysé les effets de contrainte. En fait, une contrainte d'amplitude supérieure à 23% est nécessaire pour ouvrir un gap dans la structure de bande du graphène. Mais je montre qu'avec une contrainte de quelques pourcents, le décalage du point de dirac induit par la contrainte peut suffire à ouvrir un gap de conduction très significatif (500 meV ou plus) dans des hétérostructures de graphène constituées de jonctions graphène contraint/graphène non contraint, alors que chacun des matériaux reste semi-métallique. Après l'analyse détaillée de cette propriété en fonction de l'amplitude de la contrainte, de sa direction et de la direction du transport, j'exploite cet effet dans des jonctions appropriées pour améliore le comportement et les performances de différents types de dispositifs. En particulier, je montre qu'avec une contrainte de seulement 5% il est possible de couper efficacement le courant dans les transistors, de sorte que le rapport ON/OFF peut atteindre 100000, ce qui constitue une très forte amélioration par rapport aux transistors de graphène pristine où ce rapport ne peut pas excéder 10. Puis, nous montrons qu'en combinant ingénieries de contrainte et de dopage dans de telles jonctions, le coefficient Seebeck peut atteindre des valeurs aussi fortes que 1.4 mV/K, ce qui est 17 fois plus élevé que dans le graphène sans gap. Cela peut contribuer à faire du graphène un excellent matériau thermoélectrique. Enfin, j'ai étudié l'effet de conductance différentielle négative (CDE) dans des diodes de graphène, constituées soit d'une simple-barrière contrainte contrôlée par une grille, soit d'une jonction PN. Je montre qu'une ingénierie de contrainte appropriée peut induire de forts effets de CDE, avec un rapport pic/vallée de quelques centaines à température ambiante. / Due to its outstanding physical properties, graphene is expected to become a new generation material, able to replace or complement traditional semiconductors in device technology. Hence, many studies have been led to explore the potential of this material immediately after the successful fabrication of a single layer of graphene in 2004. However, applications of graphene in electronic devices are still questionable due to the gapless character of this material. In particular, regarding electronic applications, the absence of energy bandgap in the band structure makes it difficult to switch off the current in graphene devices like transistors. Regarding thermoelectric properties, the gapless character is also a strong drawback since it prevents the separation of the opposite contributions of electrons and holes to the Seebeck coefficient. Thus, a sizable band gap in graphene is a requirement to overcome the disadvantages of graphene and to fully benefit from its excellent conduction properties. It has been shown that many Nano structuring techniques can be used to open such a bandgap in graphene, e.g., graphene nanoribbons, graphene bilayer with a perpendicular electric field, graphene nanotech lattices, channels based on vertical stack of graphene layers, mixed graphene/hexagonal boron nitride structures, nitrogen doped graphene, and so on. However, each of these methods has its own fabrication issues and/or need to be further confirmed by experiments. In this work, we focus on strain engineering, which offers a wide range of opportunities for modulating the electronic properties of graphene nanostructures. For this theoretical work, all calculations were performed using essentially two main methods, i.e., an atomistic tight binding Hamiltonian model to describe the electronic structure and the non-equilibrium Green's function approach of quantum transport. The main aim is to analyze in details the strain effects in graphene and to provide strategies of strain engineering to improve the performance of both electronic (transistors and diodes) and thermoelectric devices. After introducing the general context if this work and the numerical techniques developed for this purpose, we first analyze the only effect of strain. Actually, if uniformly applied, a strain of large amplitude (> 23%) is required to open a bandgap in the band structure of graphene. However, we show that with a strain of only a few percent, the strain-induced shift of the Dirac point in k-space may be enough to open a sizable conduction gap (500 meV or more) in graphene heterojunctions made of unstrained/strained junctions, though the strained material remains gapless. After analyzing in details this property according the amplitude and direction of strain and the direction of transport, we exploit this effect using appropriate strain junctions to improve the behavior and performance of several types of devices. In particular, we show that with a strain of only 5%, it is possible to switch-off transistors efficiently, so that the ON/OFF current ratio can reach 100000, which is a strong improvement with respect to pristine graphene transistors where this ratio cannot exceed 10. Then we show that by combining strain and doping engineering in such strain junctions the Seebeck coefficient can reach values higher than 1.4 mV/K, which is 17 times higher than in gapless pristine graphene. It can contribute to make graphene an excellent thermoelectric material. Finally, we study the effect of negative differential conductance (NDC) in graphene diodes made of either as single gate-induced strained barrier or a p-n junction. We show that appropriate strain engineering in these devices can lead to very strong NDC effects with peak-to-valley ratios of a few hundred at room temperature.