Th. 3e cycle--Phys. nucl.--Grenoble 1, 1978. N°: ISN 78. / 26.

Th.--Sci. phys.--Grenoble 1, 1978. N°: 156. / Extr. en partie du Journal de physique, 38, 1977, 1051-1059.

Lorsque des ions lourds rapides pénètrent dans la matière, ils se ralentissent principalement en déposant leur énergie sur les électrons. Ceci peut conduire à de fortes densités d'excitations électroniques dans le matériau et ainsi à des modifications structurales. Dans ce travail, le fluorure de calcium (CaF2) a été utilisé pour approfondir l'étude de l'endommagement des cristaux ioniques par irradiation avec ces ions lourds rapides. Quatre techniques ont principalement été employées pour caractériser cet endommagement. Ces techniques d'analyse sont la diffraction de rayons X aux grands angles, la profilométrie de surface, la spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en canalisation et la spectroscopie d'absorption optique UV-visible. <br />Les résultats de ce travail montrent que le CaF2 répond de manière multiple aux excitations électroniques créées par l'irradiation. Pour des pouvoirs d'arrt supérieurs à environ 5 keV/nm, un phénomène de polygonisation semble se produire. Ceci provoque un désordre structural, un gonflement de 0,27 % du matériau et la formation de fractures. Un deuxième mécanisme d'endommagement est occasionné au-dessus d'environ 13 keV/nm et se traduit par une perte de la structure cristalline d'origine. Cependant, des centres absorbants apparaissent quel que soit le pouvoir d'arrèt des ions, ce qui indique que ces défauts ne peuvent tre la cause des deux mécanismes d'endommagement précédents. L'interprétation par un modèle de pointe thermique permet d'associer les deux seuils précédents respectivement aux énergies de fusion et de sublimation du matériau.

Th. 3e cycle--Phys. nucl.--Grenoble 1, 1981. N°: 17.

Certains minéraux de la famille des apatites sont pressentis pour être utilisés comme matrices de conditionnement ou d'incinération dans l'optique d'un traitement futur des déchets nucléaires de haute activité et à vie longue. L'étude de réacteurs nucléaires naturels fossiles (Oklo) a en effet permis de mettre en lumière la forte capacité de ces minéraux à auto-guérir les dégâts d'irradiation. Afin de définir un comportement type pour ces matériaux, nous avons mené une étude fondamentale concernant l'évolution de l'endommagement après irradiation par différents ions lourds dans deux apatites : une fluoroapatite phosphocalcique naturelle (Durango) et une fluoroapatite monosilicatée synthétisée par frittage (britholite). Cet endommagement a été mesuré dans ces matériaux respectivement par spectrométrie R.B.S. canalisée et par diffraction X en déterminant un rayon efficace d'amorphisation Re. Les résultats obtenus révèlent un comportement proche pour les deux apatites en fonction du dépôt d'énergie électronique à l'entrée du matériau. Par ailleurs, l'effet d'un recuit thermique isotherme à 300°C a été quantifié sur une britholite monosilicatée préalablement irradiée avec des ions Kr. Nous avons ainsi mis en évidence un retour des paramètres de maille à leurs valeurs initiales, suivi d'une restructuration lente partielle du réseau cristallin en fonction du temps de recuit. Enfin, nous avons suivi l'évolution de la morphologie des figures de dissolution en milieu acide dans la fluoroapatite de Durango en fonction du dépôt d'énergie induit par les ions. Celle-ci révèle que l'influence de la cristallographie mène rapidement à des angles d'ouverture proches de 30°. Le calcul des vitesses d'attaque chimique au sein du matériau irradié met ainsi en évidence une gamme de dépôt d'énergie où le rapport des vitesses augmente fortement avant de devenir constant.

La gestion de l'énergie électrique est au cœur des enjeux environnementaux. L'éclosion de semi-conducteurs à grand gap comme le carbure de silicium (SiC) permet la réalisation de composants aux performances supérieures à celles des composants en silicium pour l'électronique de puissance. Toutefois, le comportement de ces dispositifs lors de décharges électrostatiques (ESD) ou lors de radiations est mal connu et nécessite des études spécifiques. Dans ces travaux, plusieurs composants MESFET SiC ont ainsi été testés face aux ESD et l'étude des mécanismes de défaillance a montré soit la défaillance de l'oxyde de passivation, soit la sublimation du SiC suite au déclenchement d'une structure parasite. L'intégration d'une diode Zener sur le drain du MESFET a ainsi été testée et validée comme protection ESD. La simulation démontre que la protection est inefficace par rapport à la tenue aux radiations d'ions lourds. Assurer la robustesse de ces technologies n'apparaît pas plus simple que pour les composants en silicium. Des solutions sont toutefois envisageables pour aider les concepteurs à améliorer la robustesse aux ESD, bien que des études supplémentaires restent à mener. / Power management is nowadays crucial with the global warming and the electronic needs of the society. Wideband gap semi-conductors like Silicon Carbide (SiC) are emerging in power electronic landscape because of their better properties in comparison with Silicon. Nevertheless reliability and knowledge about internal physic during electrostatic discharge (ESD) or radiation event is still missing and need specific studies. In this work, several SiC MESFET have been tested and results show two mains failure mechanism. First the passivation oxide clamping, and secondly the SiC sublimation induced by a parasitic structure in the device. An ESD protection was tested and validated. Unfortunately, this solution isn't efficient for heavy ion protection. Indeed, no impact on the radiation robustness is noticed on the MESFET during a radiation event. SiC ESD reliability doesn't look better than for Silicon devices. ESD robustness improvements are proposed in this work even if integration of this MESFET is still required to validate the improvement.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L’environnement radiatif naturel est connu pour être sévère sur les composants électroniques de puissance. Il est caractérisé par des particules chargées électriquement, notamment des ions lourds et des protons. Dans le contexte avionique, c’est maintenant essentiel d’estimer les effets de dites particules : les MOSFETs de puissance sont en fait largement utilisés pour les caractéristiques électriques et le coût. Cette étude s’occupe de la prédiction du Single Event Effect (SEB) dans les MOSFETs de puissance : sur la base d’une analyse physique à travers des simulations TCAD, lemodèle de prédiction DELPHY est construit pour calculer les taux d’occurrence du SEB généré par ions lourds et protons. Le SEB provient de la génération d’une charge dans le composant, qui évolue via un courant élevé et auto-alimenté, ayant comme conséquence la destruction thermique du composant. Le SEB a été étudié dans ses différents aspects : c’est admit qu’il dépend de plusieurs facteurs, notamment la géométrie du composant, son dopage et sa polarisation ; la nature et le LET (Linear Energy Transfer) de la particule, le lieu et l’angle d’impact. Tous ces paramètres ne peuvent pas être contrôlés, et le compromis entre le coût et la fonctionnalité limite la mise en place des solutions de durcissement. Pour cette raison, un modèle de prédiction de l’occurrence SEB est nécessaire, ce qui fait l’objet de cette étude. Le modèle DELPHY est basé sur l’analyse physique du Single Event Burnout, à travers la simulation composant 2D TCAD, afin de maîtriser les paramètres cités auparavant qui sont pertinents pour le phénomène. Deux différentes topologies de composant on été étudiées (HEXFET et STRIPFET). A partir de cette analyse, une loi empirique de déclenchement a été calculée et un critère SEB basé sur le champ électrique et la charge déposée dans la couche epitaxiée a été défini. Les sections efficaces SEB ont été calculées pour des injections d’ions lourds. En prenant en compte la probabilité différentielle de génération des particules secondaires sous impact proton, les taux SEB ont été prédis aussi pour le cas du SEB généré par les protons. Toutes les sections efficaces calculées ont été comparées avec succès aux données expérimentales : d’abord avec les caractérisations composant publiées par le CNES ; en suite dans le cadre d’une étude spécifique commune ONERA-CERN afin de caractériser la prochaine génération des convertisseurs de puissance dans le Large Hadron Collider. DELPHY propose donc d’avoir un rôle essentiel comme instrument de prédiction SEB, et trace la route pour une amélioration de l’estimation des taux SEB. / The natural radiation environment has proved to be particularly harsh on power electronics devices. It is characterized by electrically charged particles such as heavy ions and protons among others. In particular, inside the atmosphere it has now become essential to estimate the effects of these particles: power MOSFETs in fact are widely used because of their appealing electrical characteristics and costs, thus making the prediction of destructive effects one of the fundamental parts of the project. This work focuses on the prediction of Single Event Burnout (SEB) inside power MOSFETs: based on physical analysis through TCAD simulations, the predictionmodel DELPHY is built in order to calculate occurrence rates of heavy ion and proton induced SEB. SEB consists of a charge generation inside the device, which evolves into a high and self-sustained current, whose main consequence is the thermal destruction of the component. SEB has been deeply studied in several aspects: it is now established that it depends on multiple factors, such as component geometry, doping and bias; particle nature and Linear Energy Transfer, impact location and angle. A power electronics designer does not have control over all the cited parameters, and the trade-off between cost and functionality limits the application of hardness measures at circuit and device level. For this reason, a SEB rate prediction model is neededand represents the object of this work. DELPHY model moves from physical analysis of SEB, performed with TCAD 2D simulations, in order to control the aforementioned factors which are relevant for the phenomenon. Two different MOSFET topologies have been studied (HEXFET and STRIPFET). Starting from this analysis, an empirical triggering law has been calculated and a SEB criterion based on electric field and charge deposition inside the epitaxial layer has been defined. SEB cross sections have then been calculated for heavy ion impacts. Taking into account the differential probability of secondary generation by proton impact, a SEB rate has been predicted also for proton induced SEB. All the calculated cross sections have been successfully compared to experimental data: firstly from a device characterization published by CNES; and secondly in the frame of a dedicated joint study ONERA-CERN to characterize next generation of Large Hadron Collider power converters. As a general conclusion, DELPHY model leads the way as a valid SEB prediction tool and opens new roads for enhancement of SEB rates estimation.

La Multifragmentation du système nucléaire formé dans les collisions centrales Xe+Sn entre 32 et 50 MeV/A est étudiée avec le multidétecteur INDRA. Une analyse tensorielle permet la sélection des collisions centrales. Une proportion importante de la charge (environ 85 %) est émise isotropiquement, ce qui indique qu'un degré d'équilibration élevé est atteint. Les partitions de charges sont caractéristiques d'un régime de production multiple de fragments. La forme des distributions en énergie cinétique des fragments, ainsi que celle des fonctions de corrélation en vitesse réduite indiquent que la fragmentation est simultanée et se produit à une densité plus faible que la densité de saturation. La comparaison des données expérimentales avec les prédictions du modèle de multifragmentation statistique de Copenhague (SMM), permet de montrer que les partitions de charges sont compatibles avec l'hypothèse d'un équilibre thermodynamique, alors que les variables cinématiques sont plus contraignantes et difficiles à reproduire conjointement. Les fonctions de corrélations entre fragments permettent de contraindre le volume de freeze-out et d'estimer la part de l'énergie emmagasinée sous forme collective radiale. A 50 MeV/A, le volume de freeze-out est estimé à 2 .7 fois le volume correspondant à la densité de saturation. Il diminue avec l'énergie incidente et peut atteindre des valeurs de l'ordre de 2 fois le volume de saturation à 32 MeV/A. L'énergie collective varie de 0 à 1.3 MeV/A quand l'énergie incidente augmente. Elle n'est pas purement thermique et est probablement due à une phase de compression développée lors des premiers instants de la collision.