Les transistors organiques à effet de champ (OFETs) ont aujourd’hui des performances qui permettent d’envisager la réalisation de circuits électroniques plus ou moins complexes. Cependant, ces dispositifs doivent encore être améliorés en termes de performance et de stabilité sous air avant d’être commercialisés. Le premier objectif de cette thèse est de réaliser des OFETs stables à l’air avec des performances atteignant l’état de l’art, tout en simplifiant leur procédé de fabrication. Le dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene (DNTT),petite molécule référence, a été choisie comme couche active des dispositifs pour chaque étude. En insérant une couche interfaciale d’oxyde entre le matériau de contact et le SCO de nos OFETs, une étude a été menée sur la réduction de la résistance de contact, qui affecte la mobilité effective des porteurs de charge mais peut également compliquer l’élaboration de circuits. Dans le but de réaliser des OFETs sur substrats flexibles opérant à de faibles tensions,un travail a été réalisé sur le dépôt d’un diélectrique à forte capacité dont la surface a ensuite été passivée et lissée par un polymère. Les transistors de type p obtenus présentent des performances hautes en termes de mobilité (2,4 cm2.V-1.s-1) et de ratio des courant On/Off (>106) avec une faible tension de seuil et aucune hystérésis. Le second objectif a été de réaliser des simulations sur ces OFETs optimisés avec le logiciel GoldenGate dans l’environnement Cadence Virtuoso®, pour obtenir les paramètres nécessaires à l’élaboration d’un circuit amplificateur. Enfin, des composants passifs (résistances) ont été développés et un circuit détecteur d’amplitude sur substrat flexible a été élaboré et testé. / Organic field effect transistors (OFETs) have huge potential in the applications of future electronics, such as flexible circuits and displays or medical application. However, stability and performances of OFETs need to be improved, so as to reach the real market applications.First objective of this work is to realize air stable OFETs with state of the art performance. To that end, several approaches have been applied with special focus on process simplification. Small molecule, dinaphtho[2,3-b:2',3‘-f]thieno[3,2-b]thiophene (DNTT) has been chosen as the active layer for all devices studies. Metal electrodes in combination with oxide interfacial layers were investigated to decrease the contact resistance, which not only affects eventual mobility that can be achieved but also complicates circuit design. A systematic study was carried out to fabricate high capacitance dielectric layer and passivating the surface with proper interfacial layers. These approaches allowed to obtain high performance OFET on plastic substrate with high mobility (2.4cm2.V-1.s-1), high current on/off ratio (> 106), low threshold voltage and no hysteresis As the second objective, OFET devices were simulated using GoldenGate (with Cadence Virtuoso® environment) to derive relevant parameters, which helped to design amplifier circuit. Finally, passive component (resistance) has been developed and final circuit was realized and characterized.

Un connecteur électrique automobile est le siège de points de contact électriques soumis à des échauffements supplémentaires par effet Joule provoqués par leurs résistances de contact. La dégradation d’une résistance de contact peut provoquer des échauffements critiques au niveau des points de contact. La présente étude propose deux approches pour détecter les variations anormales des résistances de contact. La première, appliquée à un connecteur de boîtier électronique automobile, repose sur un diagnostic à base de modèle afin de détecter les variations anormales de la résistance de contact par rapport à sa valeur nominale. La seconde approche,appliquée à un connecteur de recharge de véhicule électrique, consiste d’abord à estimer un flux de chaleur lié à l’effet Joule provoqué par la résistance de contact. La valeur de cette dernière est ensuite estimée grâce à la méthode des moindres carrés. Ces deux approches reposent sur des modèles électrothermiques des connecteurs considérés et de leurs environnements. Cette étude présente également le développement de ces modèles, et notamment l’optimisation du maillage d’un fil électrique basée sur la minimisation de la norme H2 de l’erreur entre un modèle maillé d’ordre entier et un modèle analytique de référence d’ordre non entier. / An automotive electrical connector contains electrical contact points subject to additional temperature rises by Joule effect caused by their contact resistances. The deterioration of a contact resistance can cause critical overheating at the contact points. This study proposes two approaches to detect abnormal changes in contact resistance. The first one, applied to an automotive electric case connector, relies on a model-based diagnosis to detect an abnormal variation in the contact resistance with respect to its nominal value. The second one, applied toan electric vehicle charging connector, consists in estimating a heat flow related to the Joule effect caused by the contact resistance. The value of the latter is then estimated using the least squares.These approaches rely on electrothermal models considered connectors and their environments.This study also presents the development of these models, including the optimization of the mesh of an electrical wire based on the minimization of the H2-norm of the error between ameshed integer order model and a reference analytical fractional order model.

Le mémoire de thèse propose une méthode de modélisation multi physique capable de quantifier l’influence des paramètres des processus d’écrouissage, le câblage et le compactage, sur le comportement mécanique et électrique des câbles électriques. Les propriétés électriques d’un câble dépendent de la nature du matériau utilisé, de son état métallurgique, des contraintes mécaniques exercées et de la conductance électrique des aires de contact inter-fils. De nombreuses mesures ont permis de définir les caractéristiques des câbles mais aussi des matériaux utilisés, comme par exemple la variation de la conductivité électrique d’un fil de cuivre en fonction de l’écrouissage. La modélisation mécanicoélectrique, réalisée avec le logiciel Abaqus®, est utilisée pour étudier les différents paramètres impliqués dans les processus de câblage et de compactage. Cela a permis de déterminer les déformations géométriques des fils ainsi que les contraintes mécaniques dans le câble. Les résultats de simulation sont comparés aux mesures afin de valider la précision des modèles numériques développés.Un couplage faible entre les modèles mécanique et électrique permet de mettre en évidence la distribution non-homogène de la conductivité électrique à l’intérieur d’un conducteur après qu’il ait subi des contraintes mécaniques dues au processus de déformation à froid, le câblage et le compactage. Ensuite, en appliquant une procédure d’optimisation, nous avons identifié les paramètres capables de réduire de 2 % la masse du matériau conducteur utilisés dans les processus de fabrication, tout en conservant des propriétés mécaniques et électrique répondant aux exigences normatives des constructeurs de câbles. / The presented PhD thesis propose multi-physics modeling method able to predict the impact of stranding and compacting processes parameters on the mechanical and electrical behavior of stranded conductors. The electrical properties of stranded conductors depend on the nature of the material, on its metallurgical state, on the mechanical pressure within the conductor and on the electrical conductance of contact areas between wires. A wide range of measurements has allowed us to define the characteristics of structures and materials, such as for example the resistivity as a function of the stresses due to material hardening. The electromechanical modeling with Abaqus and Vector Fields software are used to study different parameters involved in the stranding and compacting processes to determine actual wires shapes, induced deformations and actual stresses between wires within the conductor. The results obtained by simulation were compared with experimental measurements to analyze the accuracy of the model. By coupling mechanical and electrical simulations, we pointed out the non-homogeneous distribution of the electrical conductivity along conductor cross sections resulting from the hardness of each single wire. Applying the optimization procedure, we have identified the parameters able to reduce the mass of conducting material by 2 % while maintaining mechanical and electrical properties that meet the prescriptive requirements of cables manufacturers and standards.

Les micro- et nanotechnologies (MNT) connaissent aujourd'hui un essor important dans des domaines très variés. On observe en particulier un développement des filières de micro-interrupteurs. En effet, les interrupteurs MEMS ont démontré un gain de performances significatif en comparaison avec les systèmes de commutation actuels. Ces composants sont donc devenus très attractifs pour de nombreuses applications grand public et haute fiabilité, notamment en raison de la facilité d'intégration des microsystèmes à d'autres composants passifs ou issus de la filière microélectronique. L'énorme potentiel de cette technologie a poussé la communauté scientifique à envisager les micro-interrupteurs comme technologie de substitution aux systèmes de commutation actuels pour les applications faibles à moyennes puissances. Cependant, ces interrupteurs MEMS n'ont pas encore atteint un niveau de fiabilité convenable pour entrer en phase d'industrialisation poussée. L'une des principales défaillances observées durant le fonctionnement du composant se traduit soit par l'augmentation de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles, allant jusqu'à atteindre une résistance infinie, soit par le collage irrémédiable des deux électrodes de contact au cours des cycles de commutations, annihilant la commande du composant. Ces deux phénomènes limitent de manière drastique la durée de vie du micro-interrupteur. La fiabilité du microcontact électrique, demeure ainsi le point critique dans ce type de composant, en raison des forces de contact bien souvent très faibles, entrainant des aires de contact effectives extrêmement réduites et des températures à l'interface de contact relativement élevées. C'est pourquoi de nouvelles techniques de caractérisation du microcontact ont été développées pendant cette thèse afin d'étudier l'évolution de la résistance de contact en fonction du nombre de cycles et de la force appliquée. Ces bancs de test nous permettent d'analyser le comportement électromécanique et électrothermique du microcontact, afin de comprendre l'origine des mécanismes de défaillance à travers une approche physique. L'originalité des travaux réalisés dans cette thèse réside dans l'étude de la température à l'interface de contact, considérée ici comme le principal vecteur de défaillance des contacts dans les interrupteurs MEMS ohmiques. En effet, la hausse de la température de contact engendre les principaux mécanismes de défaillance du microcontact, à savoir l'adhésion, le transfert de matière et la croissance de films isolants en surface du contact. Plusieurs types de contact seront étudiés afin d'accroitre la compréhension des phénomènes physiques à l'origine des défaillances pour finalement proposer une configuration fiable, fonctionnant malgré les contraintes thermiques à l'interface de contact.

La technologie MEMS pour les applications hyperfréquences, s'est développée depuis quelques années<br />avec pour objectif d'améliorer les performances des circuits et dispositifs microondes. De nombreux composants<br />ont été développés, démontrant alors une importante réduction des pertes et une plus grande linéarité que leurs<br />principaux concurrents: les composants semi-conducteurs. Notre étude a porté donc sur la conception d'un<br />micro-commutateur et son intégration dans des circuits microondes reconfigurables.<br />Dans un premier temps, nous présentons dans le manuscrit un état de l'art de la technologie MEMS et<br />des composants hyperfréquences qui en résultent. Le fonctionnement de commutateurs micromécaniques y est<br />plus particulièrement étudié. Les principaux atouts et limitations sont également présentés avec quelques<br />domaines d'application où ces composants peuvent contribuer à une amélioration de performances.<br />La seconde partie de ces travaux est dédiée à la conception mécanique et électromagnétique d'un microcommutateur<br />à contact ohmique. L'objectif de cette étude était de réaliser un composant fiable avec de bonnes<br />performances. L'optimisation de ce composant y est présentée, validée par des performances mécaniques et<br />électriques des dispositifs réalisés.<br />La dernière partie de ces travaux concerne le développement de nouvelles topologies de circuits<br />hyperfréquences reconfigurables équipés de micro-commutateurs à contact ohmique. Nous y présentons trois<br />applications dont la conception de filtres passe-bande avec un accord discret sur une large plage de fréquences<br />(20% et 44% d'accord). Nous montrons également comment maintenir les pertes de ces dispositifs à un faible<br />niveau, en conservant les facteurs de qualité de ces composants reconfigurables à une valeur élevée.

Ce travail théorique est consacré à l'étude du transport électronique dans les nanostructures. Nous nous sommes placés dans le cadre des approches de Landauer et post-Landauer. Dans celles-ci, la bonne description du problème de transport réside dans le calcul des self-énergies, censées décrire les effets de résistance de contact ainsi que les interations dans le dispositif. Dans ce travail, nous nous sommes tour à tour intéressés à ces deux aspects. Afin de décrire les mécanismes de résistance de contact, nous avons développé une méthode basée sur la notion de canaux effectifs de conduction. Le calcul de ces canaux par récursion matricielle, associé à la dérivation d'une nouvelle formule de la conductance, permet la détermination exacte des effets des contacts. Nous avons de plus mis au point une méthodologie \textit{ab initio}, permettant d'inclure les interactions électron-électron dans le transport quantique, au travers de l'approximation $GW$ d'Hedin sur la self-énergie. La seconde partie de ce travail porte sur l'analyse des propriétés de transport du graphène. Nous avons tout d'abord expliqué les caractéristiques expérimentales de magnéto-résistance du graphène épitaxié par un mécanisme consécutif à la juxtaposition de plans. Enfin, nous avons calculé la conductance de dispositifs composés de nanostructures de graphène. Nous avons montré que de telles structures présentent de forts effets de résistance de contact, pouvant s'interpréter en termes de diffraction d'électrons. Nous avons alors introduit la notion de barrière de diffraction, qui permet d'extraire les caractéristiques de conductance, sans procéder à un calcul de structure électronique.

Le carbure de silicium est un semiconducteur prometteur pour les applications en électronique de température et de haute puissance. La croissance de SiC a été améliorée continuellement pendant les derniers années mais la connaissance des processus à la surface pendant la croissance est encore faible. Dans cette thèse ces processus sont étudiés par l’analyse de la croissance initiale de cristaux non désorientés. Le processus qui limite la vitesse de croissance est déterminé. L’étude des germes observés occasionnellement permet d’avoir un aperçu des barrières Ehrlich-Schwoebel existantes et, de plus, d’estimer l’ordre de grandeur de la longueur de diffusion à la surface. Pour la première fois les lois de croissance de spirales sont systématiquement analysées sur la face silicium et la face carbone du SiC. L’influence d’un domaine limité et du chevauchement de champs de diffusion sur la forme des spirales et les lois de croissance sont analysées par des simulations. Sur les spirales de la face carbone, une nouvelle structure de marches est observée. La bicouche supérieure se dissocie à certaines conditions définies et reproductibles. Les conditions expérimentales sont clairement identifiées et une analyse de cette nouvelle structure est effectuée. / Silicon carbide is a promising semiconductor for high temperature and power electronics. Its growth process has been refined continuously in the last years but there is still little knowledge on the surface processes taking place during growth. This thesis is dealing with these processes by analysing the initial growth of on-axis crystals. The growth rate limiting step of the physical vapour transport technique is determined. The study of nuclei occasionally observed gives insight on the present Ehrlich-Schwoebel barriers and allows furthermore to estimate the order of magnitude of the surface diffusion length. For the first time the growth laws of spirals on both Si- and C- face SiC surfaces are systematically analysed. Simulations are performed in order to check the influence of a limited domain size and overlapping diffusion fields on the spiral shapes and growth laws. A novel spiral step structure is observed on C-face spirals. The top bilayer dissociates under certain and reproducible conditions. The experimental parameters are reported and further analysis of this new step structure is performed.

Cette thèse s’intègre dans le cadre d’un projet FUI « Plug InNano » dont l’objectif est de proposer des solutions de remplacement de l’or comme conducteur dans les domaines tels que la connectique hyperfréquence HF et l’automobile. Les nouveaux matériaux susceptibles de remplacer l’or sont des conducteurs composites. Une modélisation analytique du comportement du signal micro-ondes dans les matériaux conducteurs composites en fonction de leur microstructure a été réalisée notamment dans le cas d’une structure multicouche. Une caractérisation micro-ondes a été effectuée, par lamesure de facteurs de qualité de résonateurs coplanaires hyperfréquences (ligne demi longueur d’onde, anneau), réalisés au laboratoire, pour déterminer la conductivité effective des nouveaux conducteurs. En parallèle, des simulations 3D éléments finis ont été réalisées et des modèles analytiques ont été développés pour comparer les résultats théoriques et expérimentaux. Deux méthodes d’extraction de la valeur de la conductivité électrique telles que la méthode de l’abaque du facteur de qualité et la méthode de calcul inverse par les modèles analytiques des pertes. Une structure de fretting (cylindres croisés) innovante, adaptée aux hyperfréquences, a été mise en oeuvre pour la caractérisation des revêtementsconducteurs en situation vibratoire. Plusieurs matériaux nobles (Or, Ag) et non nobles (étain, bronze blanc et laiton) ont été mesurés et caractérisés. La variation de la résistance de contact hyperfréquence en fonction des cycles de fretting est mesurée en parallèle avec la résistance DC. Un critère d’endommagement d’un contact traversé par un signal HF est défini à 0,1 dB d’atténuation / This thesis is part of a project FUI ”Plug InNano”. Objective of the project is offering a new composite conductor, instead of Gold used as a coating conductor in microwave and automotive connectors. An analytical model of the microwave signal behavior has been achieved in composite conductive materials according to their microstructure, especially the case of a multilayer structure. A microwave characterization was performed by measuring the quality factors of microwave coplanarresonators (half-wavelength line and ring), made in the laboratory, to determine the effective electrical conductivity of this new conductor. In parallel, 3D finite element simulations were conducted, and analytical models for losses calculation have been developed to compare the theoretical and experimental results. Value of the electrical conductivity is extracted using the following methods: abacus of quality factors, and inverse calculation by losses analytical models. A new fretting structure (crossed cylinder), suitable for microwave, has been implemented for the characterization of conductor coatingsin fretting environment. Several materials were measured and characterized: noble as Gold and Silver, and non-noble as Tin, white Bronze and Brass. Variation of the microwave contact resistance, as a function of fretting cycles, is measured in the same time with the DC resistance. A damage criterion of a contact for RF signal is defined by 0.1 dB of attenuation

Durant ces dernières années, l’apparition de nouvelles architectures (FDSOI, FinFETs ou NW-FETs) et l’utilisation de nouveaux matériaux (notamment SiGe) ont permis de repousser les limites des performances des dispositifs MOS et de contourner l’effet canal court inhérent à la miniaturisation des composants. Cependant, pour toutes ces nouvelles architectures, la résistance de contact se dégrade au fil des nœuds technologiques. Celle-ci dépend fortement de deux paramètres physiques : la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur et de la hauteur de barrière Schottky du contact siliciuré. De multiples procédés avancés ont été proposé pour améliorer ces deux paramètres physiques (pré-amorphisation, recuit laser, ségrégation de dopants, etc…). Afin d’optimiser les conditions expérimentales de ces nouvelles techniques de fabrication, il est primordial de pouvoir caractériser avec fiabilité leur impact sur les deux grandeurs physiques citées. Dans le cadre de cette thèse, deux thématiques dédiées à l’étude de chacun des paramètres sont abordées, explicitant les méthodes de caractérisation développées ainsi que des exemples concrets d’applications. La première partie concerne l’étude de la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur. Dans cet axe, nous avons mis en place une méthode d’Effet Hall Différentiel (DHE). Cette technique combine gravures successives et mesures par effet Hall conventionnel afin d’obtenir le profil de concentration de dopants actifs en fonction de la profondeur. Nous avons développé et validé une méthode de gravure chimique et de mesure électrique pour des couches ultra-minces de SiGe et de Si dopées. Les profils de concentration générés ont une résolution en profondeur inférieure à 1 nm et ont permis d’étudier de façon approfondie dans les premiers nanomètres proches de la surface de couches fabriquées grâce à des techniques d’implantation et de recuit avancées comme par exemple, la croissance en phase solide activée par recuit laser. La deuxième partie porte sur la mesure de hauteurs de barrière Schottky pour des contacts siliciurés. Durant cette étude, nous avons transféré une technique se basant sur des diodes en tête bêche pour caractériser l’impact de la ségrégation de différentes espèces à l’interface siliciure/semi-conducteur sur la hauteur de barrière Schottky d’un contact en siliciure de platine. Cette méthode de mesure associée à des simulations physiques a permis d’une part, d’extrairer avec fiabilité des hauteurs de barrières avec une précision de 10meV et d’autre part, d’effectuer une sélection des meilleures conditions de ségrégation de dopants pour la réduction de la hauteur de barrière Schottky. Pour conclure, ce projet a rendu possible le développement de méthodes de caractérisation pour l’étude de matériaux utilisés en nanoélectronique. De plus, nous avons pu apporter des éclaircissements concernant l’impact de techniques d’implantation ionique alternatives sur des couches de Si et SiGe ultrafines, et ce, dans le but de réduire la résistance de contact entre siliciure et semi-conducteur dans le module source-drain de transistors ultimes. / During the past few decades, the emergence of new architectures (FDSOI, FinFETs or NW-FETs) and the use of new materials (like silicon/germanium alloys) allowed to go further in MOS devices scaling by solving short channel effect issues. However, new architectures suffer from contact resistance degradation with size reduction. This resistance strongly depends on two parameters: the active dopant concentration close to the semi-conductor surface and the Schottky barrier height of the silicide contact. Many solutions have been proposed to improve both of these physical parameters: pre-amorphisation, laser annealing, dopant segregation and others. In order to optimize the experimental conditions of these fabrication techniques, it is mandatory to measure precisely and reliably their impact on cited parameters.Within the scope of this thesis, two parts are dedicated to each lever of the contact resistance, each time precising the developed characterization method and concrete application studies. The first part concerns the study of the active dopant concentration close to the semi-conductor surface. In this axis, we developed a Differential Hall Effet method (DHE) which can provide accurate depth profiles of active dopant concentration combining successive etching processes and conventional Hall Effect measurements. To do so, we validated layer chemical etching and precise electrical characterization method for doped Si and SiGe. Obtained generated profiles have a sub-1nm resolution and allowed to scan the first few nanometers of layers fabricated by advanced ion implantation and annealing techniques, like solid-phase epitaxy regrowth activated by laser annealing. In the second part, we focused on the measurement of Schottky barrier height of platinum silicide contact. We transferred a characterization method based on back-to-back diodes structure to measure platinum silicide contacts with different dopant segregation conditions. The electrical measurements were then fitted with physical models to extract Schottky barrier height with a precision of about 10meV. This combination between measurements and simulations allowed to point out the best ion implantation and annealing conditions for Schottky barrier height reduction.To conclude, thanks to this project, we developed highly sensitive characterization methods for nanoelectronics application. Moreover, we brought several clarifications on the impact of alternative ion implantation and annealing processes on Si and SiGe ultra-thin layers in the perspective of contact resistance reduction in FDSOI source-drain module.