Depuis le début des années 2000, une vaste classe de nanofils de nitrures d’éléments III et de ZnO peut être synthétisée avec un excellent contrôle des propriétés de dopage et de composition. La géométrie spécifique de ces nanofils permet de faire croître des hétérostructures radiales et axiales qui ont des propriétés optiques et de transport très avantageuses par rapport aux couches minces. Ces propriétés en font des candidats prometteurs pour la réalisation d’une nouvelle génération de dispositifs plus efficaces (LEDs, photodétecteurs,…). Pour cela, il est indispensable de comprendre les nouveaux effets induits par la géométrie particulière de ces nanostructures : c’est l’objet de cette thèse. Dans une première partie, je présente une étude des propriétés optiques de nanofils de semiconducteurs à grande énergie de bande interdite. J’analyse d’abord l’effet de la contrainte sur les propriétés d’émission des nanofils cœur-coquille GaN/AlGaN. En particulier, je mets en évidence le croisement des bandes de valence et son influence sur les propriétés optiques des nanofils. Ensuite, je me focalise sur l’effet du confinement quantique et les propriétés de polarisation dans les nanofils hétérostructurés de nitrures d’éléments III. Dans une seconde partie, je m’intéresse à la réalisation et à la caractérisation de dispositifs à base de nanofils de nitrures d’éléments III et de ZnO. J’expose tout d’abord la modélisation et l’étude expérimentale de photodétecteurs à ensemble de nanofils en mettant en avant l’influence des états de surface sur leur réponse. Je m’intéresse ensuite aux propriétés de transport dans des nanofils uniques de nitrures d’éléments III hétérostructurés. Je montre, en particulier, que ces hétérostructures sont le siège d’une résistance différentielle négative. Enfin, je présente la réalisation et la caractérisation de photodétecteurs et de LEDs utilisant des nanofils uniques InGaN/GaN cœur-coquille. Un modèle électrique équivalent permet de rendre compte du comportement observé. / Since the early 2000s, a large class of wide bandgap nanowires can be grown with an excellent control of doping and composition. The specific geometry of the nanowires leads to radial or axial heterostructures with better optical and transport properties compared to thin films. Due to these properties, they are promising candidates for a new generation of more efficient devices (LEDs, photodetectors, etc.). It is essential to understand the new effects induced by the particular geometry of these nanostructures.In the first part, I deal with the optical properties of wide bandgap semiconductor nanowires. First, I analyze the effect of the stress on the emission properties of core-shell GaN/AlGaN nanowires. I highlight the intersection of valence bands and its influence on the optical properties of nanowires. Then, I focus on the effect of quantum confinement and on the polarization properties of III-nitride heterostructured nanowires.In the second part, I describe the fabrication and characterization of III-nitride and ZnO nanowire-based devices. I first model and study photodetectors based on ensemble of nanowires. Then, I focus on the transport properties of single heterostructured nanowires of III-nitride heterostructures. I show in particular that these heterostructures exhibit a negative differential resistance. Finally, I present characterization of photodetectors and LEDs using single core-shell InGaN/GaN nanowires. An equivalent electrical circuit explains the observed behavior

Les études et recherches portant sur les nanomatériaux tels que les nanofils, nanoparticules ou les nano-fibres ont connu un progrès significatif. Le développement de ces structures fut soutenu par les avancées réalisées dans le domaine des technologies de micro fabrication qui permettent de nos jours, l’intégration des nanostructures sur les puces électroniques par le biais des procédés CMOS conventionnels. Ces travaux de thèse portent sur l’étude et le développement de capteurs piézoélectriques souples à base de nanofils de Nitrure de Gallium (GaN) assemblés selon deux architectures. Ces deux géométries furent étudiées dans le cadre d’une approche globale qui traite à la fois de la croissance des fils, la fabrication des capteurs et la caractérisation électrique. En se basant sur des calculs en éléments finis, nous nous sommes d’abord penchés sur la compréhension des mécanismes de fonctionnement des dispositifs dans les deux cas de figures. Nous avons également utilisé cet outil pour établir des règles de design. Les effets des paramètres géométriques des fils et des dimensions des capteurs ont été étudiés d’un point de vue théorique afin de déduire les adaptations qu’il fallait apporter sur nos procédés de fabrication pour cibler les grandeurs optimales. Finalement, des caractérisations électriques ont été réalisées sur les capteurs fabriqués? Dans le but d’approuver les règles de design d’un point de vue expérimental. Dans ce contexte, une électronique appropriée a été développée pour la lecture des signaux piézoélectriques issus des capteurs sollicités en compression sur un banc de test automatisé. / Nanomaterials sush as nanowires, nanoparticles and nanofibers have araised in past few years as a novel solution for next generation electronics thanks to their outstanding physical properties sustained by the capability of being integrated into microchips using conventional CMOS processes. Within the frame of this thematic, piezoelectric wires are one of subjects that has been studied the most recently. They have been used as an active material for electromechanical energy harvesting or sensing applications.This work studies GaN wire-based flexible piezoelectric sensors developped into two different architec-tures. We present a complete overview of the device fabrication and design starting from wire growth by MOVPE to the final electrical characterization of the sensors. Using Finite Element Modelling, we have explored the working principles of both architectures in order to understand deeply the potential genera-tion mechanisms occuring at the wire level. This method was also used to help us establish the main de-sign rules which provided guideness for the fabrication: The effects of wire geometrical parameters and device dimensions on the electrical performances of the devices were studied from a theoritical point of view to figure out the optimal geometry to be targeted by the process and adapt it accordingly. Finally, electrical characterization has been carried out on several devices in order to approve the design rules experimentally. An appropriate automated mechanical bench has been used and a proper readout circuit was developed to be able to correctly detect the actual piezoelectric signal provided by the sensors.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la possibilité d'utiliser des membranes chargées de nanofils métalliques magnétiques comme matériau non-réciproque dans des circulateurs hyperfréquence. Ces dispositifs utilisent très largement des ferrites polarisés par des aimants permanents, ce qui les rend coûteux et encombrants. Le remplacement de ces ferrites par des membranes de polymère irradié, chargées de nanofils métalliques magnétiques orientés, a déjà donné naissance à un dispositif présentant un effet non-réciproque sans polarisation externe, mais avec des pertes d'insertion de plus de 10 dB. La réduction des pertes d'insertion des dispositifs à membranes chargées de nanofils est recherchée. Dans le cadre de cette thèse, les propriétés du matériau utiles à la conception, à la simulation et à la réalisation de dispositifs non-réciproques sont étudiées. La contribution des différents facteurs de dissipation aux pertes d'insertion est évaluée, ce qui permet d'identifier les facteurs clés et de proposer des solutions réduisant les pertes conducteurs, les pertes magnétiques, et les pertes diélectriques par rapport au dispositif pré-existant. La pertinence de ces solutions est évaluée par les simulations et mesures de dispositifs. Enfin, de nouvelles technologies à explorer sont proposées pour la fabrication du diélectrique à nanofils magnétiques, elles permettraient d'appliquer conjointement les diverses solutions de réduction de pertes présentées dans cette thèse.

Dans le cadre d'une approche bottom-up, la fabrication de nanofils par une croissance catalysée ouvre la voie à nombres d'applications: nano--transistors verticaux à grille enrobantes, heterostructures cœur--coquilles... Avec ces nouveaux objets, de nouvelles interrogations apparaissent quant à l'influence du catalyseur et de la surface sur les propriétés électroniques des nanofils. Mon travail basé sur une étude spectroscopique via des expériences de photoluminescence a mis en évidence le rôle prépondérant de la surface sur les propriétés électroniques des nanofils. La passivation des états de surface a permis d'observer la recombinaison radiative des porteurs libres d'une phase dense : le liquide électron-trou, dans des nanofils catalysés par de l'or et du cuivre. Cette phase liquide a la particularité d'être stable thermodynamiquement et sa densité est constante. Cette propriété unique dans les semiconducteurs a conduit à l'étude quantitative de l'influence de la surface via la modification du ratio surface/volume. Une méthode originale de mesure de la vitesse de recombinaison de surface (VRS) a ainsi été développée et des VRS relativement faibles ont été mesurées indiquant une excellente passivation des états de surface. Les propriétés de volume de nanofils catalysés 'or' sont très similaires à celles d'un silicium massif utilisé en micro-électronique. Enfin, l'oxydation sacrificielle du silicium a permis d'obtenir des nanofils de diamètre inférieur à 10 nm. L'oxydation progressive des nanofils a permis d'observer un décalage de la raie vers le rouge attribué à la présence de contraintes, puis l'augmentation du gap est corrélée au confinement quantique des porteurs.

Le nanomagnétisme est actuellement un champ d'investigation très actif grâce aux développements de méthodes de synthèse et d'investigation originales. Cette thèse s'attache à sonder le magnétisme de nanofils magnétiques synthétisés par un procédé polyol. Ce procédé présente l'avantage de fournir un large éventail d'objets magnétiques anisotropes présentant une très bonne qualité cristalline. Les nanofils ainsi synthétisés présentent des diamètres variant de 7nm à 20nm, leur conférant un mode de renversement de l'aimantation cohérent. Cette thèse montre que les nanofils ainsi synthétisés ont des coercivités élevées comparées à celles de nanofils synthétisés par d'autres voies. Par ailleurs, les effets de l'oxydation de ces nanofils sur leurs propriétés magnétiques ont été étudiés. Les mesures magnétiques ont révélé une dépendance en température des champs d'échange et coercitif non reportée jusqu'à présent dans la littérature. Cela a permis de mettre en lumière le rôle prépondérant des fluctuations superparamagnétiques des grains antiferromagnétiques d'oxyde de cobalt dans le phénomène d'Exchange Bias. Enfin, cette thèse a aussi eu pour objectif de développer la technique de Diffusion de Neutrons Polarisés aux Petits Angles pour sonder le magnétisme de nanofils. Jusqu'à présent, cette technique a été surtout réservée à l'étude d'objets magnétiques isotropes. En effet, l'alignement des nanofils est crucial pour extraire des informations quantitatives d'une telle étude. C'est pour cela, qu'outre les nanofils synthétisés par procédé polyol, des nanofils inclus dans des matrices d'alumine poreuse ont aussi été étudiés par cette technique. Cette étude a ainsi montré la nécessité de prendre en compte le champ dipolaire- habituellement négligé- dans l'analyse des figures de diffusion.

Dans le contexte actuel d'optimisation des performances des dispositifs de microélectronique, le transistor MOSFET, brique de base, est soumis à des contraintes géométriques telles que son architecture même est remise en cause. L'augmentation du nombre de grille afin d'accentuer le contrôle électrostatique de la grille sur le canal a mis en avant des architectures ultimes telles que le nanofil dont la grille enrobe totalement le canal. Dans ce travail, une étude du nanofil de silicium a été réalisée afin d'estimer les potentialités de cette architecture au niveau transistor jusqu'à l'étude de petits circuits. Pour cela, un modèle analytique en courant a été mis en place et implémenté en Verilog-A afin de simuler des petits circuits dans un environnement de type ELDO. Toutefois, les paramètres du modèle telles que les masses effectives de transport (ou de confinement) ou le transport dans le film sont la clé de la prédictibilité au niveau circuit. C'est pourquoi des simulations avancées de type liaisons fortes ou Kubo-Greenwood ont été développées afin d'étudier finement l'évolution des caractéristiques du nanofil notamment vis-à-vis de son intégration géométriques. Issues de ces approches numériques, des expressions analytiques ont été établies afin d'inclure dans le modèle toute la physique observée en amont. Des effets comme l'évolution de la structure de bande ou l'impact des mécanismes d'interaction ont ainsi pu être apportés jusqu'au niveau circuit. Les résultats en courant acquièrent une certaine pertinence en créant un lien entre simulations numériques et données expérimentales.

Les propriétés électro-thermo-mécaniques remarquables qui peuvent apparaître dans les nanofils de silicium font l'objet d'un nombre croissant de travaux de recherche. Ces travaux de thèse de nature fortement expérimentale, visent à donner une meilleure connaissance de ces propriétés dans le cas de nanofils, en silicium monocristallin, fabriqués par approche descendante. Pour caractériser la piézorésistivité, deux méthodes de chargement mécaniques ont été développées : la flexion 4 points de puce et la traction/compression in situ avec un actionneur MEMS. La méthode 3ω a été choisie pour des mesures de conductivité thermiques. Ces propriétés ont été étudiées en fonction de la température et la contrainte dans une station sous pointes cryogénique.Les résultats montrent que les nanofils fabriqués à partir de substrats SOI amincis peuvent, de manière inattendue, être fortement contraints en compression après fabrication. Les nanofils de type p présentent, même en régime de mesure dynamique, des coefficients piézorésistifs élevés qui décroissent fortement avec la température et permettent une détection intégrée de mouvement de MEMS avec une limite de détection inférieure à l'Angström. Les mesures thermiques confirment l'effet d'échelle attendu de la conductivité thermique, la décroissance avec la température est compatible avec les résultats théoriques et expérimentaux précédemment publiés.

Depuis le début des années 2000, une vaste classe de nanofils de nitrures d'éléments III et de ZnO peut être synthétisée avec un excellent contrôle des propriétés de dopage et de composition. La géométrie spécifique de ces nanofils permet de faire croître des hétérostructures radiales et axiales qui ont des propriétés optiques et de transport très avantageuses par rapport aux couches minces. Ces propriétés en font des candidats prometteurs pour la réalisation d'une nouvelle génération de dispositifs plus efficaces (LEDs, photodétecteurs,...). Pour cela, il est indispensable de comprendre les nouveaux effets induits par la géométrie particulière de ces nanostructures : c'est l'objet de cette thèse. Dans une première partie, je présente une étude des propriétés optiques de nanofils de semiconducteurs à grande énergie de bande interdite. J'analyse d'abord l'effet de la contrainte sur les propriétés d'émission des nanofils cœur-coquille GaN/AlGaN. En particulier, je mets en évidence le croisement des bandes de valence et son influence sur les propriétés optiques des nanofils. Ensuite, je me focalise sur l'effet du confinement quantique et les propriétés de polarisation dans les nanofils hétérostructurés de nitrures d'éléments III. Dans une seconde partie, je m'intéresse à la réalisation et à la caractérisation de dispositifs à base de nanofils de nitrures d'éléments III et de ZnO. J'expose tout d'abord la modélisation et l'étude expérimentale de photodétecteurs à ensemble de nanofils en mettant en avant l'influence des états de surface sur leur réponse. Je m'intéresse ensuite aux propriétés de transport dans des nanofils uniques de nitrures d'éléments III hétérostructurés. Je montre, en particulier, que ces hétérostructures sont le siège d'une résistance différentielle négative. Enfin, je présente la réalisation et la caractérisation de photodétecteurs et de LEDs utilisant des nanofils uniques InGaN/GaN cœur-coquille. Un modèle électrique équivalent permet de rendre compte du comportement observé.

Les nombreuses modifications de la structure du transistor bulk ont permis de poursuivre la miniaturisation jusqu'à sa limite aux nœuds 32/28nm. Les technologies actuelles répondent au besoin d'un meilleur contrôle électrostatique en s'ouvrant vers l'industrialisation de transistors complètement dépletés, avec les architectures sur film mince (FDSOI) ou non planaires (TriGate FinFET bulk). Dans ce dernier cas, le substrat bulk reste limitant pour des applications à basse consommation. La combinaison de la technologie SOI et d'une architecture non-planaire conduit aux transistors TriGate sur SOI (ou TGSOI). Nous verrons l'intérêt de ces dispositifs et démontrerons qu'ils sont compatibles avec les techniques de contrainte. On montrera en particulier les améliorations de mobilité et de courants obtenus sur ces dispositifs de largeur inférieure à 15nm. Des simulations montrent également qu'un dispositif TGSOI peut être compatible avec les techniques de modulation de VT. Enfin, nous démontrons la possibilité de fabriquer des dispositifs ultimes à nanofils empilés avec une grille enrobante par une technique innovante de lithographie tridimensionnelle. La conception, la caractérisation physique et les premiers résultats électriques obtenus seront présentés. Ces solutions peuvent répondre aux besoins des nœuds sub-10nm.

L'évolution de la microélectronique est rythmée par l'augmentation constante du nombre de transistors intégrés dans chaque circuit grâce à la miniaturisation des dispositifs. Face à des coûts de fabrication et de développement de plus en plus élevés d'une part et à l'apparition de phénomènes parasites de plus en plus importants dans les dispositifs miniaturisés d'autre part, l'industrie se tourne progressivement vers l'intégration tridimensionnelle où les circuits sont empilés. La phase suivante de cette évolution pourra consister en la fabrication de circuits eux-mêmes tridimensionnels avec des composants répartis sur plusieurs niveaux. Dans ce contexte, la croissance catalysée de nanofils par CVD permet d'obtenir des structures cristallines en silicium sans relation d'épitaxie et de dimensions nanométriques sans photolithographie agressive. Nous avons utilisé ces propriétés pour la réalisation de démonstrateurs de capacités MOS et MIM ultra-denses de respectivement 22 µF/cm² et de 9 µF/cm² grâce à l'importante surface déployée par une assemblée de nanofils. Ces valeurs correspondent à des gains en surface appotée par les nanofils de 27,5 et de 16 pour les capacités MOS et MIM. Nous présentons dans ce travail de thèse, le dimensionnement, la fabrication et la caractérisation de ces dispositifs, depuis la croissance des nanofils jusqu'à l'obtention du démonstrateur complet. Nous nous sommes également intéressés aux principales briques technologiques de la fabrication de transistors verticaux à base de nanofils pour les niveaux d'interconnexion. Nous avons pour cela mis au point une technologie de croissance guidée de nanofils et étudié les qualités d'interface de l'empilement d'une grille déposé à basse température sur les nanofils. Cette étude s'appuie sur la comparaison des propriétés électriques de capacités MOS à base de nanofils obtenus par croissance catalysée avec les mêmes nanostructures obtenues par épitaxie sélective. Les nanofils catalysés présentent une très bonne qualité d'interface avec un empilement à base d'alumine et de nitrure de titane. Les technologies mises au point dans cette thèse ouvrent de nouvelles opportunités pour l'intégration tridimensionnelle au sein d'une même puce.