Cette thèse porte sur l'étude de problèmes de contrôle optimal sur des réseaux (c'est-à-dire des ensembles constitués de sous-régions reliées entre elles par des jonctions), pour lesquels on autorise différentes dynamiques et différents coûts instantanés dans chaque sous-région du réseau. Comme dans les cas plus classiques, on aimerait pouvoir caractériser la fonction valeur d'un tel problème de contrôle par le biais d'une équation de Hamilton-Jacobi-Bellman. Cependant, les singularités géométriques du domaine, ainsi que les discontinuités des données ne nous permettent pas d'appliquer la théorie classique des solutions de viscosité. Dans la première partie de cette thèse nous prouvons que les fonctions valeurs de problèmes de contrôle optimal définis sur des réseaux 1-dimensionnel sont caractérisées par de telles équations. Dans la seconde partie les résultats précédents sont étendus au cas de problèmes de contrôle définis sur une jonction 2-dimensionnelle. Enfin, dans une dernière partie, nous utilisons les résultats obtenus précédemment pour traiter un problème de perturbation singulière impliquant des problèmes de contrôle optimal dans le plan pour lesquels les dynamiques et les coûts instantanés peuvent être discontinus à travers une frontière oscillante. / This thesis focuses on the study of optimal control problems defined on networks (i.e. sets consisting of sub-regions connected together through junctions), where different dynamics and different running costs are allowed in each sub-region of the network. As in classical cases, we would like to characterize the value function of such an optimal control problem through an Hamilton-Jacobi-Bellman equation. However, the geometrical singularities of the domain and the data discontinuities do not allow us to apply the classical theory of viscosity solutions. In the first part of this thesis, we prove this kind of characterization for the value functions of optimal control problems defined on 1-dimensional networks. In the second part, the previous results are extended to the case of control problems defined on a 2-dimensional junction. Finally, in the last part, we use the results obtained previously to treat a singular perturbation problem involving optimal control problems in the plane for which the dynamics and running costs can be discontinuous through an oscillating border.

La réduction des dimensions des dispositifs MOSFET devient de plus en plus complexe a réalisé, et les nouvelles technologies MOSFET se confrontent à de fortes difficultés. Pour surmonter ce problème, une nouvelle technique, appelée intégration 3D VLSI, est étudiée : remplacer la structure plane conventionnelle par un empilement vertical de transistors.En particulier, l’intégration 3D séquentielle ou CoolCube™ au CEA-Leti permet de profiter pleinement de la troisième dimension en fabriquant séquentiellement les transistors. La réalisation d’une telle intégration apporte une nouvelle contrainte, celle de fabriquer le transistor du dessus avec un budget thermique faible (inférieur à 500°C), afin de préserver les performances du transistor d'en dessous. Puisque ce budget thermique est principalement influencé par l'activation des dopants, plusieurs techniques innovatrices sont actuellement investiguées au CEA-LETI, afin de fabriquer le drain et la source. Dans ce manuscrit, nous utiliserons la recristallisation en phase solide comme mécanisme pour activer les dopants (inférieures à 600 °C). L’objectif de cette thèse est donc de fabriquer et de caractériser des transistors dont l’activation des dopants est réalisée grâce à ce mécanisme, afin d’atteindre des performances similaires à des transistors réalisés avec un budget thermique standard. Ce travail est organisé autour de l’activation des dopants, et en trois chapitres, où chaque chapitre est spécifique à une intégration (« Extension Last »/ « Extension First », « Gate Last »/ « Gate First ») et à une architecture (FDSOI, FINFET) considérées. Ces chapitre permettront, grâce aux caractérisations électriques, morphologiques et aux simulations, de développer un procédé de recristallisation stable à 500°C, à la fois pour les nMOS et les pMOS, et de proposer de nouveaux schémas d’intégrations, afin de réaliser des transistors à faible budget thermique et compatibles avec l’intégration 3D Séquentielle. / The down scaling of MOSFET device is becoming harder and the development of future generation of MOSFET technology is facing some strong difficulties. To overcome this issue, the vertical stacking of MOSFET in replacement of the conventional planar structure is currently investigated. This technique, called 3D VLSI integration, attracts a lot of attention, in research and in the industry. Indeed, this sequential stacking of transistor enables to gain in density and performance without reducing transistors dimensions.More specifically, 3D sequential integration or CoolCube™ at CEA-Leti enables to fully benefit of the third dimension by sequentially manufacturing transistors. Implementing such an integration provides the new constraint of manufacturing top transistor with low thermal budget (below 500°C) in order to preserve bottom-transistor performances. As most of the thermal budget is due to the dopant activation, several innovative techniques are currently investigated at CEA-LETI.In this work, solid phase epitaxy regrowth will be used as the mechanism to activate dopants below 600°C. The aim of this thesis is thus to manufacture and to characterize transistors with low-temperature dopant activation, in order to reach the same performance as devices manufactured with standard thermal budget. The work is organized around the dopant activation, and in three chapters, according to each considered integration scheme (Extension Last/ Extension First, Gate Last/ Gate First) and architecture (FDSOI, FINFET). These chapters, assisted by relevant simulations, electrical and morphological characterizations, will enable to develop a new and stable 500°C recrystallization process for both N and P FETs, and to propose new integration schemes in order to manufacture transistors with low thermal budget and compatible with the 3D sequential integration.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une pathologie neurodégénerative progressive se déclarant vers 50-60 ans. Elle est majoritairement de nature sporadique son incidence est estimée à 1 :1000. La SLA mène à une paralysie progressive et entraine généralement à la mort des patients de 2 à 5 ans suivant le diagnostic aux suite d’une fonte musculaire importante liée à la perte des neurones moteurs. Au cours des années, plusieurs mutations ont été identifiées autant chez les patients atteints de SLA sporadique que de SLA familiale. Ces mutations interfèrent avec la fonction de gènes variés, tels que DCTN1, codant pour la protéine dynactine1, sous-unité du complexe multimoléculaire dynactine. Ce complexe sert d’adaptateur au moteur moléculaire dynéine, chargé du transport axonal rétrograde, où sa fonction permettrait de régir l’activité du complexe moteur et sa capacité à lier divers cargos. Nous avons donc entrepris la caractérisation d’une lignée de poissons zèbre mutants pour dynactin1a (nommés mikre okom632, mokm632), plus particulière en terme du développement d’un type de neurone moteur primaire (les CaPs), afin de déterminer l’effet de la perte de fonction de ce gène sur l’axonogenèse, la formation et la stabilisation de la jonction neuromusculaire, sur le comportement de l’embryon, ainsi que sur le transport axonal.Nous suggérons que dynactin1 favorise la stabilité synaptique, où une perte de fonction de ce gène entraine des défauts de croissance, des anomalies éléctrophysiologiques et un comportement anormal. Ce rôle semble être indépendant des fonctions connues de régulateur du moteur dynéine. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an adult-onset neurodegenerative disease, which is mainly sporadic in nature. This progressive pathology has an estimated incidence of 1:1000 and generally leads to death within 2-5 years of diagnosis due to muscle wasting and severe motor neuron loss. Over the last years, mutations have been identified in both sporadic and familial ALS patients, interfering with the function of many genes, including DCTN1, which encodes for a subunit of the motor protein complex subunit dynactin. The dynactin complex serves as an adaptor for the dynein motor complex, responsible for retrograde axonal transport, and it is believed to regulate dynein activity and the binding capacity for cargos. We set out to characterize a mutant zebrafish line for dynactn1a (named mikre okom632, mokm632), looking specifically at caudal primary motor neurons (CaPs), with regard to axonal development, formation and stability of the neuromuscular junction (NMJ) and the behavioral phenotype produced in embryos, as well as axonal transport metrics. We suggest a role for dynactin1 in synapse stability, where the loss-of-function of this gene leads to growth defects, electrophysiological abnormalities and behavioral deficits. This role appears to be independent of its known function as a regulator of dynein, its implication in axonal transport, or its regulation of microtubule dynamics. With this study, we hope to elucidate key molecular mechanisms in ALS etiology by revealing the role of dynactin1 in NMJ development and maintenance.

Les cellules β des îlots de Langerhans jouent un rôle central dans l’homéostasie glucidique car elles seules sécrètent l’insuline, unique hormone hypoglycémiante de l’organisme. La cellule β est un détecteur du glucose qui couple sa réponse sécrétoire et son expression génique aux niveaux ambiants de glucose. Le couplage entre le métabolisme du glucose et l’exocytose des granules d’insuline implique la génération d’une activité électrique. Son étude est importante pour déchiffrer la façon dont la cellule β encode la demande en insuline de l’organisme. Afin de contourner les limites des approches électrophysiologiques classiques incompatibles avec les études à long-terme, les enregistrements extracellulaires par matrice de microélectrodes (MEA) ont été mis en place.L’objectif de ma thèse était de mieux comprendre les signaux complexes enregistrés par MEAs. Cette étude a révélé l’existence d’une nouvelle signature électrique des cellules des îlots, les slow potentials (SP), qui reflète la fonction de couplage des cellules β. Les SP jouent un rôle important dans l’homéostasie du glucose et représentent un biomarqueur de la fonction normale des îlots. La réponse en hystérèse des îlots au glucose suggère l’existence d’un algorithme d’encodage de la demande en insuline intégrée au niveau du micro-organe. De plus, ce nouveau signal a été exploité pour le phénotypage d’îlots de souris invalidées pour le gène GluK2, que nous avons utilisées comme modèle d’interaction entre les cellules α et β. La caractérisation de ce nouveau type de signal constitue aussi une avancée importante pour le développement d’un biocapteur destiné à être intégré dans le futur à un pancréas artificiel. / Pancreatic β cells are central to glucose homeostasis because they are the only cell that secretes insulin, the sole hypoglycemic hormone in the organism. The β cell is a glucose sensor that regulates its secretory response and gene expression according to ambient glucose levels. The coupling between glucose metabolism and insulin granule exocytosis involves the generation of electrical activity. An investigation of this activity is important to decipher how β cells encode the organism’s insulin demand. In order to overcome the limits of classically used electrophysiological approaches that are not compatible with long-term studies, extracellular recordings using multielectrode arrays (MEA) have been set-up.My thesis aim was to better understand the complex signals recorded with MEA. This study revealed the existence of a new electrical signature of islet cells: slow potentials (SP) that reflect the coupling function of β cells. SP play an important role in glucose homeostasis and represent a biomarker of normal functioning of islets. The observed hysteretic response of islets to glucose suggests the existence of an algorithm encoding the insulin demand embedded at the microorgan level. Moreover, this new signal was used for the phenotyping of GluK2 deficient mouse islets that were employed as an α-to-β cell interaction model. The characterization of this new signal is an important progress in the development of a biosensor intended to be integrated in an artificial pancreas in the future.

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Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l'expérience à la théorie de l'effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l'objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d'établir expérimentalement l'existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s'expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d'un excès d'oxygène à l'interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d'un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d'une barrière additionnelle à l'interface pour les états de symétrie Δ1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d'oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l'électrode sous-jacente. L'emploi d'alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes Δ et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO.

De manière ultime, l'électronique moléculaire aspire à utiliser une molécule unique comme partie active d'un composant. Une telle réalisation fusionnerait l'énorme potentiel de la chimie aux technologies les plus avancées des nanosciences. Cependant, les propriétés de transport électronique d'une seule molécule restent, aujourd'hui, l'enjeu de débats animés qui s'appuient sur des calculs et sur de trop rares expériences. Les expériences sont, en effet, difficiles car elles nécessitent de pouvoir fabriquer des électrodes de contact dont l'écartement correspond à la taille de la molécule. Notre travail contribue au développement de telles techniques instrumentales dont l'intérêt dépasse celui de l'électronique moléculaire et englobe, plus généralement, le transport électronique à l'échelle nanométrique. Dans la première partie, nous décrivons d'abord la technique. Elle fait appel à un microscope à effet tunnel modifié pour fabriquer des électrodes nanométriques (technique des jonctions brisées). Cette approche combine en fait deux domaines de recherche qui sont d'une part, les mesures de conductance moléculaire et, d'autre part, les contacts atomiques ponctuels. Plus précisément, la physique de la formation et du transport d'électrons dans ces derniers est particulièrement étudiée. Après avoir décrit l'instrumentation développée, nous présentons donc des résultats à la fois sur des contacts atomiques ponctuels (jonction Au-Au) et sur des contacts moléculaires (jonction Au-molécule-Au). Notamment, la quantification de la conductance et le transport balistique sont mis en évidence. Cela montre que la présence d'une seule molécule peut être décelée électriquement. Nous soulignons qu'en dépit des énormes progrès apportés par cette technique à la détermination de la conductance d'une molécule, la disparité des résultats expérimentaux reportés reste importante. Nous clôturons la première partie en insistant sur l'impérieuse nécessité d'études statistiques rigoureuses à partir des nombreuses données expérimentales. Nous effectuons ce travail pour les jonctions Au-Au. Dans la seconde partie nous développons des outils d'analyse statistique. Ils permettent d'extraire de chaque mesure de conductance d'une nanojonction d'Au les paramètres indispensables à leur étude (le temps de vie par exemple). La statistique de ces paramètres sur des dizaines de milliers de mesures dans différentes conditions expérimentales est discutée et, outre les aspects de transport, donne des informations sur la mécanique de ces nanosystèmes (i.e. sur des mécanismes de rupture de la nanojonction). Les outils développés permettent d'observer des effets fins. Il est montré qu'une petite fraction des électrons échappe au transport balistique. Enfin, nous montrons l'existence de fluctuations bistables et discutons de leur effet sur le transport balistique et de leur rapport avec les mouvements atomiques.

Au cours des dernières anneés, le refroidissement des électrons par effet tunnel dans des jonctions hybrides composés de métal Normal - Isolant - Supraconducteur (N-I-S) a suscité de plus en plus l'attention. Son principe repose sur un effet tunnel sélectif en énergie en raison de la présence d'une bande interdite Delta dans la densité d'états du supraconducteur. Avec une tension de polarisation inférieure à l'énergie du gap, seuls les électrons de plus haute énergie peuvent traverser l'interface du métal normal par effet tunnel, laissant derrière eux les électrons de moindre énergie. Nous avons mesuré la conductance différentielle de jonctions S-I-N-I-S avec une grande résolution. Son analyse nous renseigne sur la température électronique du métal normal en fonction de la tension. Un modèle quantitatif est proposé qui inclut le couplage électron-phonon et la résistance dite de Kapitza, à l'interface avec le substrat. Avec ce modèle, nous avons réalisé une description détailleé du courant électronique et du flux de chaleur. Nous avons également montré que la température des phonons dans le métal normal baisse sensiblement au-dessous de la température du substrat. A très basse température (T < 200 mK) et à faible tension de polarisation, le courant d'Andreev cohérent en phase domine le courant des quasi-particules. En analysant quantitativement l'équilibre thermique dans la jonction S-I-N-I-S, nous avons démontré que le courant d'Andreev transporte de la chaleur. Cette contribution thermique chauffe les électrons du métal normal. Le refroidissement électronique à la tension de polarisation optimum (V ~ 2Delta/e) dans la jonction S-I-N-I-S est un problème bien connu mais qui reste en suspens. L'effet de refroidissement dans la jonction S-I-N-I-S est accompagné par l'injection de quasi- particules dans les électrodes supraconductrices. Nous avons proposé un modèle simple pour la diffusion de l'excès des quasi-particules dans l'électrode supraconductrice possédant un piège métallique. Le modèle de diffusion a une solution analytique qui prédit la température minimum de refroidissement susceptible d'e^tre atteinte.

La paroi de domaine magnétique est un concept essentiel à la compréhension du renversement d'aimantation dans un film ou une nanostructure magnétique, et peut être mise en jeu dans les processus d'écriture et de transmission d'une information dans un nano-dispositif. Théoriquement, nous avons mis en évidence, dans une nanostructure magnétique sans défauts, des effets de confinement sur la propagation d'une paroi sous champ magnétique et/ou sous courant polarisé en spin. Ceci a été illustré par l'étude, par microscopie magnéto-optique, de la propagation de paroi dans des films ultraminces Pt/Co/Pt à anisotropie perpendiculaire. Dans ces films, nous avons réalisé des nano-pistes lithographiées et irradiées à très faible dose par des ions hélium. Ces dispositifs se sont révélés être des systèmes modèles, idéaux pour étudier la propagation de paroi sous champ, et nous ont paru prometteurs pour l'étude de la propagation induite par transfert de spin. Pourtant, pour toute la gamme des impulsions de courant injectées dans ces pistes, aucun des effets de propagation observés expérimentalement n'a pu être attribué au transfert de spin. Au vu de l'évaluation quantitative du courant et de sa polarisation dans la couche de cobalt, ceci est justifié par un rapport défavorable entre l'échauffement par effet Joule et le transfert de spin.<br /><br />Nous avons également construit un magnétomètre Kerr polaire à haute résolution, utilisant un faisceau laser hautement focalisé, dont la résolution, la stabilité et la sensibilité exceptionnelles sont bien adaptées à l'étude de nanostructures magnétiques ultraminces à anisotropie perpendiculaire, et ce jusqu'à des dimensions largement sub-microniques.<br /><br />Enfin, nous avons étudié le renversement de l'aimantation sous champ magnétique dans un empilement de type jonction tunnel magnétique à anisotropie planaire, destiné au développement industriel de mémoires magnétiques à accès aléatoires. L'effet d'un recuit à haute température sur les propriétés magnétiques de cet empilement a été testé. En outre, dans la couche magnétique douce de la jonction tunnel, soumise à un couplage magnétique dipolaire à travers la barrière tunnel, nous avons mis en évidence une asymétrie des processus de nucléation de domaines et de propagation de parois en fonction du sens de balayage du champ, que nous avons associée à de légères inhomogénéités du champ de couplage dipolaire.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le contexte du problème d'isolation par jonction dans les circuits intégrés de puissance. Certains modes de fonctionnement du bloc de puissance induisent une injection conséquente de courant parasite dans le substrat. La plus contraignante est l'injection de porteurs minoritaires. Nous en détaillons l'origine ainsi que ses conséquences dangereuses sur les circuits intégrés. Nous présentons les solutions de protection existantes destinées à réduire ce courant parasite. Avec la réduction des dimensions des nouvelles technologies, ces solutions de protection ne sont plus adaptées en raison de leur dimension. Nous proposons donc une méthodologie de conception basée sur la simulation physique 3D et la simulation électrique pour créer ou adapter des structures de protections selon la filière technologique utilisée. Avant de les développer, nous proposons d'étudier les mécanismes d'injection de ces porteurs minoritaires selon la nature du substrat utilisé. Ainsi, dans un substrat P+, des techniques de protection simples, c'est-à-dire les protections passives par anneaux de garde, peuvent réduire considérablement le courant parasite. Dans un substrat P-, des techniques de protection plus complexes doivent être développées. Nous avons proposé des structures de protections actives. Son efficacité contre le courant parasite est validée par la caractérisation de structures de test spécifiques. Une solution de protection intégrée dans le composant de puissance améliorant également la robustesse vis-à-vis des décharges électrostatiques, a été validée sur silicium et a fait l'objet d'un brevet.