La demande croissante de dispositifs photoniques dans la gamme térahertz (THz) a conduit au développement des Lasers à Cascade Quantique (LCQ). Réalisés en 1994 dans l'infrarouge moyen, ces lasers unipolaires à semiconducteurs comptent désormais parmi les sources les plus prometteuses pour l'émission THz. Néanmoins, de nombreux phénomènes de pertes optiques limitent leurs performances et l'optimisation de ces dispositifs demeure d'actualité. Parmi les sources de pertes, l'absorption par porteurs libres, qui résulte de transitions intra- et inter-sousbande obliques activées par toute source de désordre brisant l'invariance par translation dans le plan des couches, doit être précisément modélisée. Ce processus est bien documenté pour les matériaux massifs où le modèle semi-classique de Drude peut être appliqué. En revanche, pour les LCQ, celui-ci prédit des coefficients d'absorption supérieurs aux réels gains laser. Ce travail de thèse expose un modèle quantique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique suivant deux approches théoriques différentes : un développement perturbatif au premier ordre du potentiel de désordre et une diagonalisation numérique du Hamiltonien du système désordonné. Ces travaux montrent que l'absorption par porteurs libres est très faible et diffère radicalement du résultat semi-classique. Ils font également l'analyse des différentes contributions au spectre d'absorption ainsi que la possibilité d'ajuster la forme et la largeur de raie par ingénierie de dopage. D'importants effets de localisation spatiale des états électroniques par le désordre et leur influence sur les taux de diffusion ont également été étudiés. / The demand to produce reliable THz detectors and emitters has lead to a signicant improvement of the Quantum Cascade Lasers (QCLs). First demonstrated in 1994 in the mid-infrared range, these unipolar semiconductor lasers are one of the most promising photonic sources for THz emission. Nevertheless, various optical loss phenomena limit their performances and the improvement of these devices is intensively researched. Among the possible loss sources, the Free Carrier Absorption (FCA), that arises from intra- and inter-subband oblique transitions activated by any disorder source destroying the translational invariance in the layer plane, has to be accurately modeled. FCA is well documented for bulk materials where the semiclassical Drude model can be used. For QCLs, this model predicts FCA coefficients that are comparable or larger than the actual QCL gains. This work presents a quantum modeling of FCA in quantum cascade structures following two theoretical approaches : a perturbative expansion at the first order in the disorder potential and a numerical diagonalization of Hamiltonian in presence of disorder. These calculations show that FCA is very small in QCLs and radically differs from the semiclassical Drude result. Moreover, they point out the different contributions to the absorption spectrum and the possibility of ajusting the absorption linewidth and lineshape by dopant engineering. Important disorder-induced localization effects have been identified as well as their non negligible influence on the electronic scattering rates.

Les travaux effectués dans le cadre de la thèse de doctorat, ont porté sur la mesure de la mobilité des porteurs de charge dans des semi-conducteurs organiques. La thèse de doctorat a été réalisée en "cotutelle" dans le cadre du programme franco-polonais entre le Département de Chimie de l'Université de Technologie de Wroclaw et les Laboratoire de Chimie des Polymères de l'Université Pierre et Marie Curie, Paris. Certains des résultats présentés ont été obtenus dans le cadre d'un stage scientifique dans la groupe du prof. Jeong Weon Wu à l'Ewha Womans University, Séoul, Corée du Sud. Cette thèse se compose de deux parties principales, une théoriques et expérimentales. Dans le premier, je décris matériaux semi-conducteurs organiques et les techniques de mesure, que je utilisé au cours de la thèse. La partie expérimentale est composé de cinq chapitres. En raison du fait que les molécules recherchées diffèrent fortement dans leurs structures et leurs propriétés, je décidai de présenter chaque chapitre dans la forme d'un article scientifique. La caractéristique commune de toutes les molécules étudiées est la possibilité de l'auto-organisation supramoléculaire dans les structures de cristaux liquides. Je étudié composés accepteurs-donneurs, qui peut être comprise comme matériaux de type p et n semi-conducteur. Au cours de ma thèse j'ai utilisé la technique de temps de vol et mesuré les caractéristiques courant-tension de transistor à effet de champ organique pour déterminer la mobilité des porteurs des charges dans semi-conducteurs organiques. Enfin, je payé beaucoup d'attention aux techniques spectroscopiques, y compris d'absorption femtoseconde résolue en temps. / I have carried out my PhD Thesis within the framework of a Polish-French “cotutelle” program, between Chemistry Department of Wroclaw University of Technology and Laboratoire de Chimie des Polymères of Université Pierre et Marie Curie. The Polish advisor of this work was Prof. Marek Samoć and the French advisor was Prof. André Jean Attias. A part of results described in this Thesis was obtained during a research internship in a group of Prof. Jeong Weon Wu from Ewha Womans University in South Korea. This Thesis is composed of two main parts, a theoretical and experimental. In the former I describe organic semiconducting materials and the measurement techniques, which I utilized during the PhD work. The experimental part is composed of five chapters. Due to the fact that the investigated molecules differed strongly in their structures and properties, I decided to present every chapter within a form of a scientific article. The common feature of all explored molecules is the possibility of supramolecular self organization into liquid crystalline structures, and the opportunity of utilizing these materials in organic electronics and optoelectronics. Among these molecules, both oligomers and polymers can be distinguished. I studied also donor acceptor compounds, which in terms of organic electronics can be understood as materials with p and n type semiconducting character. During my PhD Thesis I used Time-of-Flight technique and measured current voltage characteristics of organic field effect transistor (OFET) to determine charge carriers mobility in organic semiconductor. Finally, I paid a lot of attention to the spectroscopic techniques, including fs transient absorption.

L’industrie automobile est un marché en pleine croissance pour les circuits intégrés de puissance. Les circuits intégrés de puissance sont des systèmes électroniques miniatures qui apportent de nouvelles fonctionnalités aux véhicules. La robustesse et la fiabilité des produits électroniques embarqués dans les véhicules sont des enjeux majeurs. Il arrive pourtant que des défaillances dues au couplage par le bruit de substrat se produisent après la fabrication. L’origine de ce bruit de substrat vient de l’injection de porteurs majoritaires (trous) et minoritaires (électrons). Dans la première partie de cette thèse, nous étudions une nouvelle technique de modélisation proposée par un groupe de recherche à l’EPFL. Cette modélisation permet d’extraire les composants parasites du substrat en tenant compte des porteurs majoritaires et minoritaires. Un outil de CAO (AUTOMICS) a été développé par notre équipe à l’UPMC et est utilisé pour extraire le réseau des composants parasites de substrat s’appuyant sur les modèles de l’EPFL. Dans la deuxième partie de ce travail, nous introduisons une nouvelle méthodologie pour la conception des circuits intégrés de puissance et l’analyse des défaillances avec l’outil AUTOMICS. Nous mettons en évidence les défaillances dues à un couplage par les porteurs minoritaires dans le substrat (électrons). La méthodologie proposée est validée sur un cas d’étude industriel. Ce cas d’étude a été conçu par l’entreprise ams et validé par l’entreprise Valeo. Ce cas d’étude a un problème latch-up. Ce problème n’a pas été identifié par des simulations électriques SPICE classiques. Grâce à notre méthode, nous sommes parvenus à reproduire le phénomène de latch-up dans l’environnement de simulation SPICE. La troisième partie de ce travail présente le fonctionnement et la conception au niveau circuit d’un convertisseur de tension DC-DC. Le circuit a été fabriqué en utilisant la technologie HVCMOS 0.35μm. Nous avons modélisé l’effet du couplage par les courants de substrat entre l’agresseur et la victime et présentons des résultats de simulation cohérents avec les mesures. / Automotive industry is a growing market for smart power integrated circuits (ICs). The smart power ICs miniaturize the electronic systems and improve their functionality for the vehicles. Product robustness and reliability in smart power ICs are vital aspects in automotive applications. However, failures due to substrate noise coupling are still reported in tests after fabrication. The sources of this noise are the injection of majority and minority carriers in the substrate. The majority carriers’ propagation is well modeled, however, the minority carriers’ propagation cannot be modeled by the conventional modeling techniques. In the first part of this work, we explore a new modeling technique proposed by a research group in EPFL. It relies on models that are capable of maintaining the minority carriers’ concentration and gradient. It allows the substrate parasitic extraction taking into account both majority and minority carriers. A CAD tool (AUTOMICS) is developed by our team at UPMC and is used to extract the substrate parasitic network encapsulating the new modeling technique. In the second part of this work, we introduce a new methodology for smart power ICs design and failure analysis using the tool. It focuses on failures due to minority carriers coupling. The proposed methodology is validated on an industrial test case (AUTOCHIP1). This test case was designed in ams and validated by Valeo. This test case suffers from a latch-up problem. This problem is not recognized by conventional simulations. Using our methodology, we manage to reproduce the behavior in simulation environment. The third part of this work presents system and circuit level design for a DC-DC buck converter. This system is considered as a complex system to validate our proposed methodology. The circuit was fabricated using 0.35 µm HVCMOS technology. The high voltage switches serve as aggressors injecting minority carriers in the substrate. An analog sensitive circuit, which is the bandgap, is considered as a victim. The effect of the substrate coupling is studied and simulation results show acceptable consistency with the measurements.

Les détecteurs à pixels Medipix ont été développés par la collaboration Medipix et permettent de faire de l'imagerie en temps réel. Leur surface active de près de $2\cm^2$ est divisée en 65536~pixels de $55\times 55\um^2$ chacun. Seize de ces détecteurs, les Medipix2, sont installés dans l'expérience ATLAS au CERN afin de mesurer en temps réel les champs de radiation produits par les collisions de hadrons au LHC. Ils seront prochainement remplacés par des Timepix, la plus récente version de ces détecteurs, qui permettent de mesurer directement l'énergie déposée dans chaque pixel en mode \textit{time-over-threshold} (TOT) lors du passage d'une particule dans le semi-conducteur. En vue d'améliorer l'analyse des données recueillies avec ces détecteurs Timepix dans ATLAS, un projet de simulation Geant4 a été amorcé par John Id\'rraga à l'Université de Montréal. Dans le cadre de l'expérience ATLAS, cette simulation pourra être utilisée conjointement avec Athena, le programme d'analyse d'ATLAS, et la simulation complète du détecteur ATLAS. Sous l'effet de leur propre répulsion, les porteurs de charge créés dans le semi-conducteur sont diffusés vers les pixels adjacents causant un dépôt d'énergie dans plusieurs pixels sous l'effet du partage de charges. Un modèle effectif de cette diffusion latérale a été développé pour reproduire ce phénomène sans résoudre d'équation différentielle de transport de charge. Ce modèle, ainsi que le mode TOT du Timepix, qui permet de mesurer l'énergie déposée dans le détecteur, ont été inclus dans la simulation afin de reproduire adéquatement les traces laissées par les particules dans le semi-conducteur. On a d'abord étalonné le détecteur pixel par pixel à l'aide d'une source de $\Am$ et de $\Ba$. Ensuite, on a validé la simulation à l'aide de mesures d'interactions de protons et de particules $\alpha$ produits au générateur Tandem van de Graaff du Laboratoire René-J.-A.-Lévesque de l'Université de Montréal. / The pixelated Medipix detectors have been developed by the Medipix Collaboration to perform real-time imaging. The semiconducting chip is divided into 65536 pixels of $55\times 55\um^2$ for a total active area of nearly $2\cm^2$. Because of their sensitivity to all kinds of particles, sixteen Medipix2 detectors (ATLAS-MPX) have been placed in the ATLAS detector and its cavern to measure for the radiation produced by the head-on proton collisions produced at the LHC. At the next ATLAS upgrade, the ATLAS-MPX network will be extended to include the Timepix detectors, the latest version that allows one to measure the total energy deposited in the semiconductor. To improve data analysis, a Geant4 simulation project of a Timepix detector was initiated by John Id\'arraga at the Université de Montréal. In the framework of the ATLAS experiment, this simulation could be used with Athena, the ATLAS analysis software, and the full ATLAS simulation. Due to their repulsivity, the charge carriers created by an incoming particle in the pixelated detector are spread over the surrounding pixels causing a charge sharing effect. An effective model has been developed to reproduce this effect without resolving the charge drift's differential equation. This model and the \textit{time-over-threshold} mode of the Timepix have been included in the simulation to reproduce the tracks left by the striking particles. First, one had to individually calibrate each pixel of the device with $\Am$ and $\Ba$ sources. The simulation's validation has been performed with low energy protons and $\alpha$ particles delivered by the van de Graaff Tandem at the Laboratoire René-J.-A.-Lévesque of the Université de Montréal.

La conception en vue de la fiabilité (DFR, Design for Reliability) consiste à simuler le vieillissement électrique des composants élémentaires pour évaluer la dégradation d'un circuit complet. C'est dans ce contexte de fiabilité et de simulation de cette dernière, qu'une stratégie de conception en vue de la fiabilité a été développée au cours de ses travaux. Cette stratégie, intégrant une approche « système » de la simulation, s'appuie sur l'ajout de deux étapes intermédiaires dans la phase de conception. La première étape est une étape de construction de modèles comportementaux compacts à l'aide d'une méthodologie basée sur une approche de modélisation multi niveaux (du niveau transistor au niveau circuit) des dégradations d'un circuit. La seconde étape consiste alors l'analyse descendante de la fiabilité de ce circuit, à l'aide de simulations électriques utilisant ses modèles comportementaux dits « dégradables », afin de déterminer les blocs fonctionnels et/ou les composants élémentaires critiques de l'architecture de ce dernier, vis-à-vis d'un mécanisme de défaillance et un profil de mission donnés. Cette analyse descendante permet aussi d'évaluer l'instant de défaillance de ce circuit. Les dispersions statiques, lies au procédé de fabrication utilisé, sur les performances d'un lot de CIs ont aussi été prises en compte afin d'évaluer leur impact sur la dispersion des instants de défaillance des circuits intégrés. Ces méthodes ont été appliquées à deux mécanismes de dégradation : les porteurs chauds et les radiations. / Design for reliability (DFR) consists in assessing the impact of electrical ageing of each elementary component, using electrical simulations, on performance degradations of a full device. According to DFR concept and reliability simulation, theses works present a new DFR strategy. This strategy based on the integration of two intermediate phases in the ICs and SoC design flow. The first phase is a bottom-up ageing behavioural modelling phase of a circuit (from transistor level to circuit level). The second phase is a « top-down reliability analyses » phase of this circuit, performing electrical simulations using its ageing behavioural models, in order to determine critical functional blocks and / or elementary components of its architecture according to a failure mechanism and a given mission profile. Theses analyses also allow determining the failure time of this circuit. Statistical dispersions on ICs performances, due to the used manufacturing process, have been taking into account in order to assess their impact on failure time dispersions of a ICs lot. The method has been applied on two degradation mechanisms: hot carriers and radiations.

L’avantage de cette architecture FDSOI par rapport à l’architecture Si-bulk est qu’elle possède une face arrière qui peut être utilisée comme une deuxième grille permettant de moduler la tension de seuil Vth du transistor. Pour améliorer les performances des transistors canal p (PMOS), du Germanium est introduit dans le canal (SiGe) et au niveau des sources/drain pour la technologie 14nm FDSOI. Par ailleurs, la réduction de la géométrie des transistors à ces dimensions nanométriques fait apparaître des effets de design physique qui impactent à la fois les performances et la fiabilité des transistors.Ce travail de recherche est développé sur quatre chapitres dont le sujet principal porte sur les performances et la fiabilité des dernières générations CMOS soumises aux mécanismes de dégradation BTI (Bias Temperature Instability) et par injections de porteurs chauds (HCI) dans les dernières technologies 28nm et 14nm FDSOI. Dans le chapitre I, nous nous intéressons à l’évolution de l’architecture du transistor qui a permis le passage des nœuds Low-Power 130-40nm sur substrat silicium à la technologie FDSOI (28nm et 14nm). Dans le chapitre II, les mécanismes de dégradation BTI et HCI des technologies 28nm et 14nm FDSOI sont étudiés et comparés avec les modèles standards utilisés. L’impact des effets de design physique (Layout) sur les paramètres électriques et la fiabilité du transistor sont traités dans le chapitre III en modélisant les contraintes induites par l’introduction du SiGe. Enfin le vieillissement et la dégradation des performances en fréquence ont été étudiés dans des circuits élémentaires de type oscillateurs en anneau (ROs), ce qui fait l’objet du chapitre IV. / The subject of this thesis developed on four chapters, aims the development of advanced CMOS technology nodes fabricated by STMicroelectronics in terms of speed performance and reliability. The main reliability issues as Bias Temperature Instability (BTI) and Hot-Carriers (HC) degradation mechanisms have been studied in the most recent 28nm and 14nm FDSOI technologies nodes. In the first chapter, we presents the evolution of transistor architecture from the low-power 130-40nm CMOS nodes on silicon substrate to the recent FDSOI technology for 28nm and 14nm CMOS nodes. The second chapter presents the specificity of BTI and HCI degradation mechanisms involved in 28nm and 14nm FDSOI technology nodes. In the third chapter, we have studied the impact of layout effects on device performance and reliability comparing symmetrical and asymmetrical geometries. Finally the trade-off between performance and reliability is studied in the fourth chapter using elementary circuits. The benefit of using double gate configuration with the use of back bias VB in FDSOI devices to digital cells, allows to compensate partially or totally the aging in ring oscillators (ROs) observed by the frequency reduction. This new compensation technique allows to extend device and circuit lifetime offering a new way to guaranty high frequency performance and long-term reliability.

Cette thèse propose, décrit et utilise un ensemble de techniques basées sur la microscopie à force atomique sous ultravide pour la cartographie simultanée, à l'échelle nanométrique, de la topographie de surface et des dynamiques temporelles des photo-porteurs. Ainsi, en contrôlant la dépendance du photo-potentiel de surface moyen mesuré par microscopie à force de sonde Kelvin en fonction de la fréquence de répétition d'une source lumineuse externe d'excitation, le dispositif expérimental permet d’accéder aux dynamiques temporelles du photo-potentiel de surface qui, à leur tour, permettent d'étudier les dynamiques des photo-porteurs sur une large gamme d'échantillons. Afin de permettre le processus de nano-imagerie bidimensionnelle, ces mesures sont acquises de manière répétée en enregistrant des courbes spectroscopiques en chaque point d’une grille prédéfinie. En utilisant une procédure d'ajustement mathématique automatique, les dynamiques temporelles des photo-porteurs sont extraites à partir des données expérimentales.Cet ensemble de nouvelles méthodes est utilisé pour l’étude de plusieurs types d'échantillons issus de différentes technologies photovoltaïques telles que des couches minces en silicium poly-cristallin à petits grains, des cellules de troisième génération à nano cristaux de silicium, des cellules photovoltaïques organiques et des cellules à base de matériaux de structure pérovskite. Dans chaque cas, on décrit les processus de recombinaison des photo-porteurs ainsi que leur lien avec la morphologie et la structuration du matériau. Enfin, les aspects techniques de ces nouvelles méthodes d’analyse sont présentés, ainsi que leurs limites, notamment celles concernant l'interprétation des résultats. / This thesis is directed towards the proposition and demonstration of a set of novel advanced atomic force microscopy based techniques under ultra-high vacuum conditions, enabling to map simultaneously the surface topography and the photo-carrier dynamics at the nanometre scale. In fact, by monitoring the dependence of the average surface photo-voltage measured with Kelvin probe force microscopy, as a function of the repetition frequency of a modulated excitation source, we will access the built-up and decay dynamics of the surface photo-voltage response which in turn will allows us to study the photo-carrier dynamics over a wide range of samples. In order to enable the 2-dimensional nano-imaging process, Kelvin probe force microscopy under modulated illumination measurements are acquired repeatedly over each point of a predefined grid area over the sample acquiring a set of spectroscopy curves. Then, using an automatic mathematical fit procedure, spectroscopy curves are translated into pixels of the photo-carrier dynamic time-constant images.Moreover, these set of novel techniques will be used to investigate the surface photo-voltage dynamics in several kinds of photovoltaic samples from different technological branches such as small grain polycrystalline silicon thin films, silicon nanocrystal-based third generation cells, bulk heterojunction donor-acceptor organic photovoltaics and organic-inorganic hybrid perovskite single crystal cells, discussing in each case the photo-carrier recombination process and its relation with the material’s structuration/morphology. Finally, technical aspects of these novel techniques will be discussed as well as their limitations and remaining open question regarding results interpretation.

La réalisation des transistors MOS de taille "ultime" nécessite la fabrication de jonctions source et drain ultra-minces (quelques dizaines de nanomètres), abruptes et fortement dopées. L'optimisation du procédé de fabrication de ces jonctions nécessite la compréhension des phénomènes physiques qui interviennent lors des différentes étapes de fabrication, en particulier l'impact des défauts cristallins sur leurs paramètres électriques. Dans ce travail, nous avons étudié l'impact des précipités de bore (BICs, Boron-Interstitial Clusters) mais aussi des défauts EOR (End-Of-Range), sur la mobilité des porteurs et l'activation des dopants (principalement le bore dans le silicium). Tout d'abord, nous avons développé un modèle d'analyse mathématique basé sur le profil de concentration des dopants mesuré par SIMS et sur les valeurs " standards " de mobilité des porteurs. Ce modèle permet de déterminer par le calcul les trois paramètres électriques mesurés par effet Hall : la résistance carrée, la dose active de dopants et la mobilité des porteurs. A partir de l'utilisation de ce modèle, nous démontrons qu'en présence de BICs, il s'avère nécessaire de modifier la valeur d'un facteur correctif, le facteur de scattering, essentiel pour les mesures par effet Hall, et nous déterminons sa valeur. Nous mettons ensuite en évidence la dégradation de la mobilité des porteurs par les BICs, puis étudions de manière plus quantitative l'évolution de cette dégradation en fonction de la quantité de BICs. Par la suite, une étude sur l'activation du bore en présence de défauts EOR est menée. Enfin, nous élargissons notre étude sur ces mêmes paramètres électriques au cas de nouveaux matériaux tels que le SOI (Silicon-On-Insulator) ou le SiGe (alliage silicium/germanium), matériaux utilisés pour les dernières générations de transistors.

EDELWEISS est une expérience de détection directe de matière noire froide non-baryonique sous forme de particules massives et faiblement interagissantes (connues sous l'acronyme de WIMPs), qui constituent actuellement les candidats les plus populaires pour rendre compte de la masse manquante de l'Univers. Dans ce but, EDELWEISS utilise des bolomètres de germanium opérés à température cryogénique (20 mK environ) dans le Laboratoire Souterrain de Modane (LSM) à la frontière franco-italienne. En particulier, depuis 2008, un nouveau type de détecteur est en fonctionnement, équipé d'électrodes concentriques pour optimiser le rejet des évènements de surface (détecteurs à grilles coplanaires). Cette thèse se décompose en plusieurs axes de recherche. Tout d'abord, nous avons réalisé des mesures concernant la collecte des charges dans les cristaux. Les lois de vitesse des porteurs (électrons et trous) ont été déterminées dans le germanium à 20 mK dans la direction <100>, et une étude complète de la répartition des charges a été menée, avec une évaluation de l'anisotropie du transport et de la diffusion transverse des porteurs. Ces résultats permettent d'avoir une meilleure compréhension du fonctionnement interne des détecteurs d'Edelweiss. Ensuite, des études portant sur l'amélioration des performances ont été effectuées. Nous avons en particulier permis d'optimiser la procédure de régénération des cristaux et améliorer le rejet passif des évènements de surface (β). Le volume utile de détection des détecteurs a été évalué en utilisant les raies de deux radio-isotopes activés cosmiquement, le 68Ge et le 65Zn. Enfin, une étude exhaustive portant sur l'étude des spectres à basse énergie a été menée, ce qui permet de mettre au point une méthode d'analyse systématique pour la recherche de WIMPs de basse masse dans EDELWEISS.

Nous proposons un modèle compact du transistor MOS double-grille silicium sur isolant (SOI) en mode de fonctionnement symétrique. Le modèle est basé sur le formalisme EKV et offre les caractéristiques suivantes : une expression analytique simple décrivant le comportement statique et dynamique du dispositif, des relations « directes » entre charges–tensions et tensions–courant, une méthode de calcul numérique robuste et rapide, une implémentation aisée du modèle dans un langage de haut niveau tel que VHDL-AMS permettant ainsi une simulation rapide et précise des caractéristiques électriques.<br />Le modèle prend en compte non seulement les effets de petites géométries tels que l'abaissement de la barrière de potentiel induit par le drain, le partage de charge, la dégradation de la pente sous le seuil ainsi que la réduction de la mobilité des porteurs, mais également les effets dynamiques extrinsèques.<br />Il a été validé pour des dispositifs de longueur de canal de 60nm. Sa validation a été effectuée par comparaison de ses résultats avec ceux obtenus sur le simulateur de composants Atlas/SILVACO.