Une technologie d'élaboration de micro et nanosystèmes idéale devrait permettre l'intégration de différents matériaux (magnétiques, piézoélectriques, polymères, etc.) ou structures (composants optiques, mécaniques, optoélectroniques, etc.) de nature fortement hétérogène dans le but d'obtenir des systèmes multifonctionnels complexes éventuellement encapsulés. Un moyen de contourner les différents problèmes d'incompatibilité, liés aux mélanges des technologies de fabrication, est de transférer les différents films de matériaux ou composants d'un substrat donneur, sur lequel ils ont été préalablement élaborés, vers le substrat comportant le système visé Dans cette optique, un procédé de transfert de film à basse température a été développé. Ce procédé repose sur le contrôle de l'adhésion d'un film mince de nickel préformé, à partir d'un substrat dit " donneur ", sur une couche à adhésion contrôlée de nature carbonée ou fluorocarbonée. La libération mécanique du film, sur un substrat dit " cible ", est assurée par une soudure adhésive via des cordons de scellement en BCB. Grâce à sa facilité de mise en œuvre et aux faibles températures requises pour le scellement des substrats, ce procédé a permis de transférer des microstructures en nickel sur des substrats de silicium, de verre ainsi que sur des substrats Kapton souples. L'emploi d'une soudure BCB assure l'isolation thermique et électrique des microstructures sur le substrat cible. La versatilité du procédé a été prouvée par l'empilement de microstructures suspendues et par le transfert de divers matériaux. Ce procédé est très prometteur pour de nombreuses applications et apporte de nouvelles perspectives quant à l'intégration hétérogène 3D de micro et nanosystèmes.

Les systèmes haptiques, ou systèmes de simulation de textures, sont aujourd'hui en plein essor et représentent le prochain challenge pour les appareils mobiles. L'une des solutions les plus prometteuses est celle à base de réduction de friction par vibrations ultrasoniques. L'objectif de cette thèse est de développer une solution haptique répondant au critère d’intégration de la téléphonie mobile en termes d’intégration et de consommation électrique. Plus précisément, il est de proposer une solution à base de couches minces piézoélectriques déposées sur une plaque transparente de la taille d’un écran de smartphone. Après avoir identifié les phénomènes de perception tactile, nous avons établi les spécifications du cahier des charges permettant obtenir un stimulateur haptique. Un modèle théorique de vibration, basé sur la réflexion des ondes de Lamb, nous a permis de déterminer les modes de vibration répondant à ce cahier des charges pour une plaque de la taille d’un smartphone d'écran 5 pouces libre de toutes contraintes. Des transducteurs piézoélectriques en nitrure d’aluminium sont utilisés pour la mise en vibration du système haptique. Déposés sur une face de la plaque, leur position et leur dimensionnement ont été optimisés grâce à des simulations par éléments finis. Le dispositif tactile final sera conçu de façon à laisser un espace central transparent de 4 pouces de diagonal permettant l’ajout d’un écran LCD. Le prototype ainsi déterminé, il est fabriqué grâce à des techniques de dépôt et de gravure en salle blanche. Le dispositif réalisé est caractérisé électriquement et mécaniquement. On détermine alors la puissance nécessaire pour la mise en vibration de la plaque avec des amplitudes correspondant au cahier des charges. Une optimisation de l’électronique de commande permet de réduire la puissance d’actionnement de ce système. Des transducteurs, utilisés en capteurs, sont caractérisés. Ces derniers seront utilisés pour asservir le système dans le cas d’un appui simulant le doigt sur la plaque. / Haptic rendering systems, or textural recreated systems, are nowaday in constant expension and represent the next challenge for the mobile devices. One of the promising solution is based on the friction reduction generated by ultrasonic waves. The aim of this PhD is to develop an haptic rendering solution taking into account the issues of integration into mobile devices in terms of power consumption. More precisely, a solution based on piezoelectric thin films deposited onto a smartphone-sized transparent plate is proposed. Understanding the tactile perception phenomenons, the physical specifications are established in order to obtain an haptic stimulator. A theoretical model based on the Lamb wave reflections determined the vibration modes corresponding to the specifications for a constrain-free 5-inch smartphone size plate.The plate is put into vibration by Aluminum Nitrite thin-film piezoelectric transducers. Processed on one side of the plate, their dimension and position have been optimized thanks to finite element simulations. The final tactile prototype is designed allowing a 4-inch clear centrale space for positioning a futur LCD screen. After this design, the prototype is fabricated with cleanroom processes. The device is then electrically and mechanically characterized. The minimum power necessary to put in vibration the plate is determined, with the minimum specified vibration amplitude. The electronic for the actuation is optimized in order to reduce the power consumption of the system. Transducers, used as sensors, are characterized in order to create a feedback loop. A user case is finally studied to compensate the influence of the finger.

Une technologie d’élaboration de micro et nanosystèmes idéale devrait permettre l’intégration de différents matériaux (magnétiques, piézoélectriques, polymères, etc.) ou structures (composants optiques, mécaniques, optoélectroniques, etc.) de nature fortement hétérogène dans le but d’obtenir des systèmes multifonctionnels complexes éventuellement encapsulés. Un moyen de contourner les différents problèmes d’incompatibilité, liés aux mélanges des technologies de fabrication, est de transférer les différents films de matériaux ou composants d’un substrat donneur, sur lequel ils ont été préalablement élaborés, vers le substrat comportant le système visé Dans cette optique, un procédé de transfert de film à basse température a été développé. Ce procédé repose sur le contrôle de l’adhésion d’un film mince de nickel préformé, à partir d’un substrat dit « donneur », sur une couche à adhésion contrôlée de nature carbonée ou fluorocarbonée. La libération mécanique du film, sur un substrat dit « cible », est assurée par une soudure adhésive via des cordons de scellement en BCB. Grâce à sa facilité de mise en œuvre et aux faibles températures requises pour le scellement des substrats, ce procédé a permis de transférer des microstructures en nickel sur des substrats de silicium, de verre ainsi que sur des substrats Kapton souples. L’emploi d’une soudure BCB assure l’isolation thermique et électrique des microstructures sur le substrat cible. La versatilité du procédé a été prouvée par l’empilement de microstructures suspendues et par le transfert de divers matériaux. Ce procédé est très prometteur pour de nombreuses applications et apporte de nouvelles perspectives quant à l’intégration hétérogène 3D de micro et nanosystèmes. / Nowadays, micro and nano systems fabrication technologies should allow the integration of any passive or active materials (magnetic, piezoelectric, polymers, etc.) in various forms (films, micro/nanostructures, etc.) to build and/or package highly integrated multi-functional systems. A generic technology able to solve incompatibility issues related to the mixing of different technologies is pattern or device transfer by wafer bonding from a donor wafer to the target substrate. Ideally, such a process should be versatile, low cost, selective and over all should involve minimum interaction and processing steps on the target wafer. From this perspective, a low cost and low temperature MEMS transfer process has been developed. The process is based on adhesion control of molded electroplated Ni microstructures on the donor wafer by using plasma deposited fluorocarbon films and sputtered carbon films (for high temperature materials). Adhesive bonding of the microstructures on the target wafer using BCB sealing enables mechanical tearing off from the donor wafer. This proposed process has allowed us to realize various Ni patterns on Si, Pyrex glass wafers and Kapton foils. Furthermore, BCB sealing leads to freestanding microstructures which are thermally and electrically isolated from the target substrate. Thanks to multiple transfers, Ni stacked microstructures have been achieved. The transfer of various materials has been demonstrated for simple and complex structures. This transfer process is very promising for numerous applications and brings new perspectives towards 3D microfabrication and heterogeneous integration of MEMS/NEMS.

L’intégration du GaAs sur Si est un des défis majeurs des 40 dernières années puisqu’elle permettrait de combiner les nombreux avantages du Si, dont notamment son bas coût, avec les propriétés de haute mobilité et de gap direct du GaAs. Les cellules photovoltaïques multi-jonctions à base de matériau III-V permettent d’obtenir les plus hauts rendements de conversion photovoltaïque. Cependant, leur coût de fabrication élevé est un aspect limitatif de leur utilisation. Nous nous sommes intéressés ici à une étude préliminaire visant à réaliser leur intégration sur substrat Si. In fine, l’objectif sera la réalisation de cellules tandems GaAs/Si et GaAs/Ge sur substrat Si. L’intégration du GaAs et du Ge sur Si conduit cependant à la formation de dislocations et de fissures du fait de leurs désaccords de maille et de leurs différences de coefficient d’expansion thermique respectifs. De plus, du fait de la différence de polarité entre le GaAs et le Si, cette intégration conduit également à la formation de domaine d’anti-phase. Nous présentons dans cette étude un procédé d’intégration permettant à la fois l’élimination de ces défauts et le passage du courant entre le matériau épitaxié et le Si. Ce procédé est basé sur l’utilisation d’ouvertures de tailles nanométriques dans une silice fine, qui nous permet ainsi de réaliser la croissance du GaAs sur Si sous forme de cristaux, par épitaxie latérale à partir de nano-germes de GaAs ou de Ge. Pour ce faire, nous utilisons l’épitaxie par jet chimique sans gaz vecteur qui est une technique de croissance permettant une bonne sélectivité. La croissance sera tout d’abord étudiée dans des ouvertures aléatoires, facilement réalisées in-situ sous ultravide, puis dans des ouvertures localisées de tailles fixées. Ces dernières sont obtenues suite à une procédure longue et complexe qui repose sur des étapes de nettoyage chimique, d’enrésinement, de lithographie électronique, de développement et de gravure ionique réactive. Nous présenterons les résultats de la croissance directe de cristaux de GaAs dans les ouvertures sur Si (001) et Si (111), et également à partir de nano-germes de Ge. Ce procédé d’intégration a permis l’élimination des trois types de défauts précédemment indiqués, et nous avons obtenu de très bons résultats notamment lors de l’intégration dans les ouvertures localisées sur Si (111). Nous verrons que la morphologie des nano-germes de Ge peut toutefois être problématique lors de la reprise d’épitaxie du GaAs. La possibilité de passage du courant par effet tunnel à travers la silice fine sera ensuite vérifiée et le dopage des cristaux de GaAs avec du Si sera également présenté. / GaAs on Si integration is one of the major challenges of the last 40 years as it would allow to combine Si advantages, like its low cost, with GaAs high mobility and direct bandgap. Multi-junction photovoltaic cells based on III-V materials have the highest photovoltaic conversion efficiencies. However, their high manufacturing cost is a limiting aspect of their use. This is why we have made a preliminary study aiming at realizing their integration on Si substrate. In fine, the objective will be the realization of tandem solar cells made of GaAs/Si and GaAs/Ge on Si substrate. However, GaAs and Ge integrations on Si lead to dislocations and cracks formations because of their respective differences of lattices parameters and thermal expansion coefficients. Moreover, because of the difference of polarity between GaAs and Si, this integration also leads to anti-phase domain formation. We present in this study an integration process allowing both these defects elimination and current passage between the epitaxial material and Si. This process is based on the use of nanoscale openings in a thin silica, which allows us to carry out GaAs crystals growth on Si by lateral epitaxy from GaAs or Ge nano-seeds. To do this, we use chemical beam epitaxy which is a growth technique allowing good selectivity. Firstly, the growth will be studied inside randomly dispersed openings, which are easily made in situ under ultra-high vacuum, and then inside localized openings with fixed sizes. These are obtained after a long and complex procedure including chemical cleaning, resist spin-coating, electronic lithography, development and reactive ion etching. We will present GaAs crystals direct growth inside openings on Si (001) and (111), and also from Ge nano-seeds. This integration process allowed the elimination of the three types of defects previously mentioned, and we have obtained very good results especially for the integration inside localized openings on Si (111). We will see that Ge nano-seeds morphology can however be problematic during the GaAs lateral epitaxy. In addition, the current passage by tunnel effect through the thin silica will be verified and the GaAs crystals doping with Si will also be presented.

Les systèmes optomécaniques, dans lesquels les vibrations d'un résonateur mécanique sont couplées à un rayonnement électromagnétique, ont permis l'examen de multiples nouveaux effets physiques. Afin d'exploiter pleinement ces phénomènes dans des circuits réalistes et d'obtenir différentes fonctionnalités sur une seule puce, l'intégration des résonateurs optomécaniques est obligatoire. Ici nous proposons une nouvelle approche pour la réalisation de systèmes intégrés et hétérogènes comportant des cavités à cristaux photoniques bidimensionnels au-dessus de guides d'ondes en silicium-sur-isolant. La réponse optomécanique de ces dispositifs est étudiée et atteste d'un couplage optomécanique impliquant à la fois les mécanismes dispersifs et dissipatifs. En contrôlant le couplage optique entre le guide d'onde intégré et le cristal photonique, nous avons pu varier et comprendre la contribution relative de ces couplages. Cette plateforme évolutive permet un contrôle sans précédent sur les mécanismes de couplage optomécanique, avec un avantage potentiel dans des expériences de refroidissement et pour le développement de circuits optomécaniques multi-éléments pour des applications tels que le traitement du signal par effets optomécaniques. / Optomechanical systems, in which the vibrations of a mechanical resonator are coupled to an electromagnetic radiation, have permitted the investigation of a wealth of novel physical effects. To fully exploit these phenomena in realistic circuits and to achieve different functionalities on a single chip, the integration of optomechanical resonators is mandatory. Here, we propose a novel approach to heterogeneously integrated arrays of two-dimensional photonic crystal defect cavities on top of silicon-on-insulator waveguides. The optomechanical response of these devices is investigated and evidences an optomechanical coupling involving both dispersive and dissipative mechanisms. By controlling optical coupling between the waveguide and the photonic crystal, we were able to vary and understand the relative strength of these couplings. This scalable platform allows for unprecedented control on the optomechanical coupling mechanisms, with a potential benefit in cooling experiments, and for the development of multi-element optomechanical circuits in the frame of optomechanically-driven signal-processing applications.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d'une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l'intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d'onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d'obtenir un laser mono-longueur d'onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d'onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d'un laser accordable hybride III-V sur silicium.

Cette thèse fait partie des efforts de recherche pour étudier l’intégration hétérogène sur le substrat souple des nœuds de communicants pour les réseaux de capteurs sans fil dans la bande à 60GHz. Le System in Package (SiP) devrait avoir une consommation d'énergie très faible et être faible coût pour répondre aux exigences des applications telles que la Surveillance de Santé de Structure (Structure Health Monitoring - SHM en anglais) dans le domaine aéronautique par exemple. Chaque nœud est composé des nano-capteurs, des transceivers et des antennes d’émission et de réception. Les nanotechnologies ont permis le développement de nano-capteurs ultra-sensibles à base de nanoparticules. Les transceivers deviennent de plus en plus miniaturisés et donc permettre la possibilité de les reporter sur le substrat flexible. Les antennes peuvent être intégrés sur le substrat flexible avec les nano-capteurs développés et émetteurs miniaturisés, ce qui est l'approche très innovante. Dans cette thèse, nous présenterons les procédés technologiques adaptés pour réaliser les différents circuits passifs (résonateurs, antennes, rectennas, etc…) sur le substrat souple en utilisant la photolithographie conventionnelle. La technique de la puce retournée a été choisie pour l’intégration des transceivers à 60 GHz, la formation des bosses d’interconnexion en or directement sur le substrat souple par les dépôts électrolytiques est présentée ici pour la première fois. La concordance entre les mesures expérimentales et les simulations numériques démontre la fiabilité et la reproductibilité des procédés choisis. De plus, pour une application à volume élevé comme les réseaux de capteurs sans fil, le coût de fabrication par nœud peut être considérablement réduit, et devient comparable avec l’impression jet d'encre qui est un procédé à faible coût. / This thesis is part of research effort to develop a 3D heterogeneous integration of wireless sensor node on flexible substrate for the unlicensed 60GHz band. The System in Package (SiP) should have a very low power consumption and very low cost to meet the requirements of applications like Wireless Sensor Networks (WSNs) for Structure Health Monitoring (SHM). Using a flexible substrate for wireless sensor node integration can offer the advantage of being localized in areas with access difficulty especially in non-planar area. Each node is composed of nano-sensors, transceivers and TX/RX antenna. Nanotechnologies made it possible the development of ultra-sensitive nano-sensors based on nanoparticles deposition. Transceivers become more and more miniaturized and hence enable the possibility of postpone them onto flexible substrate. The antennas can be integrated on the flexible substrate along with the developed nano-sensors and miniaturized transceivers, which is the very innovative approach. In this work, we propose customized photolithography processes to manufacture the passive element circuits (resonators, antennas, rectennas, etc…) on flexible substrate. The technique of flip-chip was used for the integration of 60 GHz transceivers, a novel technique to form Au interconnection bump directly onto the flexible substrate by using electrodeposition process is also presented here for the first time. The concordance between the simulations and the measurements is observed, which proves the reliability and reproducibility of such process technique. Furthermore, for a high-volume application like the node deployment of WSNs, wafer cost reductions can significantly lower the total cost per node and became comparable to a low-cost inkjet printing process.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d’une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l’intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d’onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d’obtenir un laser mono-longueur d’onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d’onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d’un laser accordable hybride III-V sur silicium. / Silicon photonics knew an impressive development in the last ten years. Almost all the fundamental building blocks have been demonstrated and reveal competitive performances. However, the lack of an efficient silicon integrated laser source has led the researchers to develop heterogeneous integration of III-V materials on silicon.In this thesis I describe the design, the fabrication and the performances of these hybrid III-V on silicon lasers. I propose the use of an adiabatic coupler that totally transfers the optical mode between the III-V and the silicon waveguides. The active waveguide on III-V materials at the center of the device provides the optical gain, while, on both side, adiabatic couplers allow a loss-less transfer of the optical mode to the silicon waveguide. Single wavelength emitting lasers are fundamental elements for high bandwidth optical links. I review all the effective solutions enabling single waveguide hybrid III-V on SOI lasers. DBR, microring based, DFB and AWG laser solutions were analysed. Single wavelength operating lasers have been fabricated and characterized. A laser threshold of only 21 mA, an output power of more than 10 mW and tunability over 45 nm with a SMSR of 45 dB have been measured. These devices represent the first demonstration of a monolithically integrated hybrid III-V/Si tunable laser made by wafer bonding technique.

La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l'information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d'assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s'avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l'internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l'intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l'impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d'architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique.

Le recuit photonique est une technologie émergente basée sur la conversion instantanée del’énergie lumineuse absorbée par les nanoparticules (NPs) en chaleur. Dans ces travaux, il estdéployé sur des pistes d’interconnexions imprimées sur support souple par jet de matière, àpartir d’une encre de NPs d’argent (Ø=25nm).Une étude des paramètres du procédé a permis d’établir le lien entre ces derniers (énergie,fréquence) et la résistance carrée (120m!/ ) induite. Celui-ci a été confirmé grâce à unemodélisation thermique multicouches et au développement d’une instrumentation inéditemesurant, toutes les 4μs, les variations de la résistance pendant le recuit photonique (quelquesms). La stabilisation de la résistance corrélée avec les propriétés optiques du film est optimalepour une exposition de 2-3J/cm² induisant un échauffement à environ 200°C.L’analyse de la microstructure des films par diffraction des rayons X met en évidence le lienentre la croissance des cristallites et la résorption des défauts. La minimisation de la résistanceélectrique est corrélée à la croissance du collet entre les nanoparticules par diffusion atomiquede surface. De plus, une meilleure cohésion des NPs améliore la dureté par rapport au recuit àl’étuve.La résistance électrique de contact (200m!) entre les plots d’interconnexion d’une puce ensilicium et les pistes imprimées a été mesurée grâce à un montage dédié de mesure électriqueau nano-indendeur. Les forces à appliquer (300mN par bump) / Photonic sintering is an emerging technology based on the instantaneous conversion ofabsorbed light energy by nanoparticles (NPs) into heat. In this work, it is used oninterconnections printed on flexible substrates by inkjet printing of a metal silver nanoinkwith particle mean diameter of Ø=25nm.A process parameters study has allowed us to link them (energy, frequency) with theinduced sheet resistance (120m!/ ). This has been confirmed through thermal modeling ofthe multilayer system, and also by monitoring the resistance variations in-situ duringphotonic sintering (a few ms) using an innovative characterization tool, allowingmeasurements every 4 μs. The electrical resistance stabilization correlated with the opticalproperties of the film was found to be optimal for an exposition of 2-3J/cm², whichcorresponds to heating up to approximately 200°C.Films microstructure analysis with X-ray diffraction enlightens the link between crystallitescoarsening and defaults density reduction. The minimization of electrical resistivity iscorrelated with neck growth between nanoparticles trigged by surface atomic diffusion.Moreover, a stronger cohesion between NPs improves the mechanical hardness compared toclassical oven curing.The electrical contact resistance (200m!) between a silicon chip interconnection bumpand printed tracks is measured thanks to an in-house setting for electrical measurement withthe nanoindenter. The level of forces to apply (300mN per bump) is optimized and transferredto a thermocompression by industrial equipment. A set of prototypes are fabricated andconfirm the compatibility of these technologies with a future industrial integration.