Les circuits VLSI (”Very Large Scale Integration”) et ULSI (”Ultra Large Scale Integration”) occupent une grande place dans le monde des semi-conducteurs. Leur complexi?cation croissante est due à la demande de plus en plus fortes des grands domaines d’application, de la micro-informatique au spatial. Cependant, la complexité engendre de nombreux défauts que l’on doit prévoir ou détecter et analyser de manière à ne pas les voir se multiplier. De nombreuses techniques d’analyse de défaillance ont été développées et sont toujours largement utilisées dans les laboratoires. Cependant, nous nous sommes attachés à intégrer une nouvelle approche au processus de défaillance : la simulation de fautes dans les circuits VLSI et ULSI de technologie CMOS. Ce type d’approche permet d’aborder une analyse plus rapidement plus facilement, mais joue également un rôle prédictif de défaut dans les structures de transistors MOS. / VLSI (”Very Large Scale Integration”) et ULSI (”Ultra Large Scale Integration”) take the most important place in semi-conductor domain. Their complexi?cation is growing and is due to the bigger and bigger request from the manufacturers such as automotive domain or space application. However, this complexicity generates a lot of defects inside the components. We need to predict or to detect and analyze these defects in order to stop these phenomena. Lot of failure analyzis techniques were developped inside the laboratories and are still used. Nevertheless, we developped a new approach for failure analysis process : the faults simulation for CMOS integrated circuits. This particular kind of approach allows us to reach the analysis in more e?ective and easier way than usual. But the simulations play a predictive role for structures of MOS transistors.

La spintronique dans les semiconducteurs vise à utiliser le spin de l’électron comme degré de liberté supplémentaire (en plus de la charge électrique) afin de véhiculer l’information, ce qui permettrait la mise au point de composants intégrant de nouvelles fonctionnalités. Ce travail de thèse porte sur deux étapes importantes qui doivent être maîtrisées : l’injection électrique de porteurs polarisés en spin dans les semiconducteurs III-V, et la manipulation du spin de l’électron (par champ magnétique) dans ces matériaux optimisés. Dans un premier temps, la grande efficacité des injecteurs de spin à base de CoFeB/MgO/GaAs est démontrée dans des dispositifs de type Diodes Electroluminescentes polarisées en spin (SpinLEDs). La comparaison entre des injecteurs comprenant une barrière tunnel fabriquée soit par pulvérisation cathodique, soit par épitaxie par jets moléculaires (MBE), permet de montrer que ces deux techniques donnent des résultats comparables. Dans les deux cas, l’efficacité de l’injection est améliorée par un recuit de l’échantillon autour de 300−350◦C. Le recuit induit une amélioration de la qualité de l’interface CoFeB/MgO. De plus, l’efficacité de l’injection de spin n’est stable en fonction du courant injecté que lorsque la barrière tunnel est fabriquée par pulvérisation cathodique. Ceci est dˆu aux caractéristiques de l’interface MgO/GaAs qui diffèrent selon la technique de croissance de la barrière. Dans un deuxième temps, l’injection de spin en l’absence de champ magnétique externe appliqué est réaliséegrâce à un nouveau type d’injecteur constitué d’une électrode de CoFeB ultrafine présentant une aimantation rémanente de la couche le long de l’axe de croissance de l’échantillon. Pour la première fois des taux de polarisation circulaire de l’électroluminescence de l’ordre de 20% sont mesurés à 25 K à champ magnétique nul. Ensuite, la problématique de la relaxation de spin des porteurs injectés dans les vallées L de haute énergie dans GaAs (phénomène non négligeable sous injection électrique) est également traitée. Nous observons qu’une fraction de la mémoire du spin photogénéré en L est conservée lorsque les électrons sont diffusés vers la vallée Γ, malgré une relaxation d’énergie de plusieurs centaines de meV. Le temps de relaxation de spin dans les vallées L est estimé autour de 200 fs. Enfin, nous avons exploré le matériau GaAsBi dilué (x ∼ 2.2%) dont la perturbation de la matrice par l’élément Bi permet d’attendre des propriétés électroniques et de spin fortement modifiées. Des mesures de photoluminescence ont mis en évidence une diminution de l’énergie de bande interdite de l’ordre de 85meV/%Bi. De plus, par la mesure directe des battements quantiques de la polarisation de photoluminescence nous avons déterminé un facteur de Landé des électrons de conduction de l’ordre de deux fois supérieur à celui de GaAs. Ces résultats témoignent de la forte perturbation des états de valences et de l’augmentation de l’interaction spin-orbite / Spintronics of semiconductors aims at using carrier spins as supplementary means of information transport. Thiswould lead to components showing extended functionalities. This thesis work is dedicated to the study of injectionand manipulation of electron spin in semiconductors, which are the basis of any spintronic application. In a first stepwe demonstrate the high efficiency of CoFeB/MgO/GaAs - based spin injectors. Circular polarization degrees of electroluminescence over 20% are measured on spin polarized LEDs (SpinLEDs) at 0.8 T and 25 K. Comparison betweensputtering- and MBE- grown spin injectors has shown similar results. In both case, spin injection efficiency is increasedby thermal annealing of the sample, in the range 300 − 350◦C. Indeed, annealing improves the quality of CoFeB/MgOinterface, and induces the crystallization of CoFeB above 300◦C. A higher stability of spin injection with current injectionis found when the tunnel barrier is grown by sputtering. This is due to the MgO/GaAs interface characteristicswhich is related to the growth technique. In a second step, we demonstrate spin injection without external appliedmagnetic field, through an ultra-thin (a few atomic layers) CoFeB electrode, taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy of the layer which leads to a remanant magnetization along the growth axis. For the first time in this configuration, circular polarization degrees of electroluminescence of about 20% are measured at 25 K at zero magnetic field. In a third step, due to the crucial role it may play in electrical injection, electron spin dynamics in high energy L-valleys is investigated. Using polarization resolved excitation photoluminescence in the range 2.8-3.4 eV, we observe that a fraction of photogenerated spin polarization is preserved when electrons are scattered hundreds of meV down to Γ valley. Spin relaxation time in L valleys is estimated to 200 fs. Finally we investigate electron and spin properties of GaAsBi dilute bismide alloy. We observe that the bandgap energy is reduced by 85meV/%Bi when Bi element is introduced into GaAs matrix. Moreover, the electron Land´e factor is about twice the one in GaAs for a 2.2% Bi composition. These features are evidence of the strong perturbation of host states and spin-orbit interaction enhancement

L’objectif de cette thèse est d’étudier les apports et les limitations des dispositifs double grille à grilles indépendantes (IDGMOS) dans la conception de circuits analogiques fonctionnant à basses fréquences. Ce dispositif compte parmi les structures à l’étude pour le remplacement des transistors MOS à substrat massif. Ce remplacement deviendra nécessaire dès lors que ceux-ci auront atteint leurs limites physiques suite à la diminution géométrique dictée par les besoins de l’industrie du semiconducteur. Bien que cette technologie soit conçue pour ses potentialités quant à la réalisation de circuits numériques et RF, le fait de pouvoir déconnecter les deux grilles et de les contrôler séparément ouvre également la voie à de nouvelles solutions pour la conception des systèmes analogiques futurs. Ce travail se focalise tout d’abord sur l’étude du comportement de l’IDGMOS et notamment sur les effets du couplage existant entre les deux interfaces du composant. Cette étude s’appuie sur les caractéristiques du transistor ainsi que sur son modèle. Celui-ci est ensuite simplifié afin d’extraire des lois élémentaires régissant le fonctionnement dynamique de l’IDGMOS. Dans un second temps, ce manuscrit précise l’environnement futur du transistor ainsi que les solutions existantes, conçues à base de dispositifs à substrat massif et permettant de palier les détériorations fonctionnelles futures. Une brève étude comparative est présentée ensuite entre une technologie MOS standard avancée et un modèle IDGMOS ajusté sur les prévisions de l’ITRS. Néanmoins, les paramètres ajustés sont à ce point idéaux qu’il est difficile de conclure. Il reste donc préférable de se cantonner aux considérations analogiques données par la suite du chapitre, celles-ci se basant principalement sur les équations du modèle de l’IDGMOS ainsi que sur sa structure. La troisième partie de se chapitre met en œuvre le transistor IDGMOS au sein de circuits représentant les blocs de base de l’électronique analogique. Chacun de ces blocs est étudié afin de mettre en valeur un apport fonctionnel particulier du composant. Cette étude se termine par une comparaison entre les résultats simulés d’un amplificateur complet IDGMOS et ceux d’un autre circuit réalisé quant à lui en utilisant l’accès substrat de transistors MOS standard, tous deux fonctionnant sous une tension d’alimentation de 0; 5V. / The aim of this thesis is to study the contributions and the limitations of Independently Driven Double Gate MOS transistors in regard of the low frequency analog design. This device is one of the candidates for the replacement of the current bulk MOS technology since the gate length of the transistors cannot be efficiently decreased under 30nm. Even if the IDGMOS technology is mainly designed for digital and radio frequency applications, the independent drive of the gates should also improve the design of analog circuits ant it would provide solutions to the future circuits issues. First, this work focuses upon the IDGMOS’s behaviour, going a little deeper into the effects of the coupling that exists between its interfaces. Using the electrical characteristics of the transistor and simplifying its model, this report then reviews the static and dynamic laws of the component in order to extract a simple description of its operation modes. Secondly, a state of the art concerning both the future environment and issues is presented, followed by the solutions which currently exist using the standard MOS technology. A brief comparison between an advanced MOS technology and an IDGMOS model fitted on the ITRS parameters is given. However, these ideal parameters prevent this work from establishing a practical conclusion whereas the aforementioned theoretical studies can be used for providing a better understanding of the IDGMOS contributions. Those are reviewed just before the last part of the report which presents some basic analog circuits and their enhancement using double gate transistors. This chapter first emphasizes each important aspect of the device operating within the circuits and it thus concludes on an interesting comparison between two complete low supply voltage amplifiers, the first one designed using IDGMOS transistors and the other one based on bulk driven MOS devices.

L'évolution des composants d'électronique de puissance se heurte aujourd'hui aux limites physiques du silicium. L'utilisation des semi-conducteurs à large bande interdite permettraient de dépasser ces limites. Parmi ces nouveaux matériaux, le diamant possède les propriétés les plus intéressantes pour l'électronique de puissance : champ de rupture et conductivité thermique les plus élevés parmi les solides, grandes mobilités des porteurs électriques, possibilité de fonctionnement à haute température. Les substrats de diamant synthétisés actuellement par des méthodes de dépôt en phase vapeur ont des caractéristiques cristallographiques compatibles avec l'exploitation de ces propriétés en électronique de puissance. L'utilisation technologique du diamant reste toutefois difficile ; ses propriétés de dureté et d'inertie chimique rendent son utilisation délicate. L'objet de ces travaux est dans un premier temps d'évaluer les bénéfices que pourrait apporter le diamant en électronique de puissance. Ensuite, différentes étapes technologiques nécessaires à la fabrication de composants sur diamant sont étudiées : dépôts de contacts électriques, dopage et gravure ionique. Enfin, une étude sur la fabrication de diodes Schottky est présentée. Les résultats obtenus permettent d'établir les perspectives à ces travaux et les challenges scientifiques et technologiques qu'il reste à relever. / The evolution of power electronic devices is getting more and more limited by the silicon intrinsic properties. This limitation could be overcome by using wide bandgap semiconductors. Among these materials, diamond properties are the more fitted for power electronics: the highest critical electric field and thermal conductivity amongst the solids, high carriers mobility, high temperature operation possibility. At this time, diamond samples grown by chemical vapour deposition methods exhibit crystallographic properties that are suitable for a use in power electronics. Though, the realization of diamond power devices remains difficult due to its hardness and chemical inertness, among others. First, this work aims at determining the profit that could represent diamond for power electronics. Second, different technologic steps that are necessary to the realisation of electronic devices are studied: ohmic contacts deposition, doping and ion etching. Finally, the first devices we realised, Schottky diodes, are presented. Their characterisation allows establishing new objectives for the future developments of our studies.

Ce travail porte sur l'élaboration de cellules solaires CuInSe2 (CIS) en couches minces. Différentes techniques de croissance ont été mises en œuvre pour concevoir les matériaux composant la structure photovoltaïque. Ainsi, l'absorbeur CuInSe2 a été déposé par coévaporation sous vide (PVD) sur un substrat de verre recouvert de molybdène. Un système de détection de la lumière diffusée (SLS) par l'échantillon a été développé pour permettre le suivi in situ des transitions de phases pauvres/riches en cuivre. Cela a permis la croissance de couches de CuInSe2 à larges grains ainsi que le contrôle de leurs propriétés électro-optiques. La couche tampon de CdS a été obtenue par bain chimique (CBD) et son épaiseur optimisée par un procédé original où le substrat est directement chauffé par conduction. Enfin, la couche fenêtre de ZnO a été élaborée par divers procédés de croissance tels que l'électrodéposition (ED) et le dépôt par couches atomiques (ALD). Les propriétés structurales, optiques et électriques des différentes couches minces sont étudiées et mises en relation avec les performances photovoltaïques des cellules élaborées. / The aim of this work is the design of thin film CuInSe2 solar cells. Different growth techniques have been used to elaborate the layers involved in this photovoltaic stack. Thus, the absorber CuInSe2 has been deposited by coevaporation under vacuum (PVD) onto a molybdenum coated glass substrate. A scattered light monitoring system (SLS) has been designed in order to follow in situ the copper poor/rich phases transitions. It has led to the growth of CuInSe2 layers made of large crystalline grains with both high optical and electrical properties. The CdS buffer layer has been elaborated by chemical bath deposition (CBD) and its thickness has been tuned by an original process involving a conduction heated holder. Finally, the ZnO window layer has been grown by various techniques such as electrodeposition (ED) and atomic layer deposition (ALD). Structural, optical and electrical properties of all these thin films have been studied and correlated with the photovoltaic parameters of the solar cells elaborated.

L’objectif général de ce projet de thèse est le développement industriel de source lasers accordables de haute cohérence à base de technologies III-V dans les gammes spectrales 0.95-1.1µm, et 2-2.5µm. Ce travail est le fruit d'un partenariat entre les laboratoires IES et C2N, avec la société INNOPTICS spécialisée dans l'intégration de composant opto-électronique.Il s'agit ici de tirer profit des nombreux avantages des composants VeCSELs (Vertical external Cavity Surface Emitting Laser) pour atteindre une combinaison des performances cohérence - puissance - accordabilité - compacité, inaccessible avec les technologies laser commerciales d'aujourd'hui. Pour atteindre cet objectif le travail est scindé en deux grandes parties :- L'étude physique de la dynamique non linéaire d'un laser VECSEL en régime continu et en présence de dispersion de phase. Nous montrons l'existence d'une dynamique déterministe du champ laser qui donne naissance à un régime multimode longitudinal non stationnaire régulier ou à un régime mono-fréquence stable. Ce résultat permet alors la conception de source de haute cohérence à forte puissance sans élément intracavité sélectif en longueur d'ondes.- Le développement de nouvelles sources monofréquences compact largement accordables bas bruit avec une largeur de raie étroite. Cette partie comporte l’étude physique des composants, depuis l’optimisation du milieu à gain jusqu'à l'émission laser en terme de cohérence spatiale et temporelle, ainsi qu'un travail sur l'environnement du laser (mécanique et thermique optimisée pour la stabilité de la fréquence laser). / The main goal of this thesis is the industrial development of highly coherent tunable laser sources based on III-V technologies in the 0.95-1.1μm and 2-2.5μm spectral ranges.This work is the result of a partnership between the IES and C2N laboratory together with the company INNOPTICS, specialized in the packaging of optoelectronics devices.We take advantage of the Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL) technology to achieve a combination of coherence - power -tunability -compactness, overcoming the performances of today's commercial laser technologies. To achieve this goal the work is divided into two main parts:- The physical study of the non-linear dynamics of a VECSEL laser in continuous wave operation and in the presence of cavity phase dispersion. We show the existence of a deterministic dynamics of the laser field that gives rise to a regular non-stationary longitudinal multimode regime or a stable single-frequency regime. This result then makes it possible to design a source of high coherence with high power without any intracavity wavelength selective element.- The development of new low noise compact single frequency sources with a narrow linewidth. This part involves the physical study of the components, from optimization of the gain medium to the laser emission in terms of spatial and temporal coherence, as well as a work on the environment of the laser (optimization of the thermal mechanical properties of the packaging for the stability of the laser frequency).

La photoluminescence d'un monocristal de semiconducteur semignétique Cd0.8Mn0.2Te est étudiée en fonction de la température, du champ magnétique, de la puissance et de l'énergie d'excitation. L'analyse de la forme de raie montre que la luminescence sous excitation bande-à-bande contient deux composantes: le polaron magnétique de l'exciton et de l'exciton lié à un accepteur neutre. On déduit une intégrale d'échange de 0.35 eV pour le trou lié à un accepteur profond. La luminescence anti-Stokes observée sous excitation à basse énergie est attribuée à un processus d'absorption à deux étapes. Ses propriétés s'expliquent grâce à la réabsorption. Les puits quantiques semimagnétiques sont utilisés pour l'imagerie du flux magnétique dans des films supraconducteurs de type I. Alors que la croissance des lamelles de flux obéit aux prédictions théoriques, celle des tubes de flux est bloquée. Le diamètre moyen des tubes de flux est déterminé par l'énergie d'interface et la self-énergie magnétique.

Ce travail de thèse porte sur l'étude du transport dépendant du spin dans le silicium en utilisant une barrière tunnel et un métal ferromagnétique comme élément polarisant. Différentes études ont été menées pour concevoir, réaliser et caractériser le transport des électrons polarisés. La première partie de cette étude porte sur la conception et la réalisation d'électrodes ferromagnétiques submicroniques utilisées pour l'injection de spin. La seconde partie du manuscrit décrit les méthodes de caractérisations électriques utilisées pour mesurer les propriétés des structures Métal/Isolant/Silicium. La troisième étude expose les différentes mesures de magnéto-transport réalisé pour tenter de mettre en évidence un effet dépendant du spin dans différents dispositifs. Il a été ainsi montré que l'absence de signal mesurable peut être expliquée par des défauts de conception des dispositifs testés et par les défauts induits par la présence des métaux ferromagnétiques. Finalement, des améliorations des dispositifs de test et des conditions expérimentales ont été proposées pour palier à ces défauts.

Cette thèse est consacrée à l'étude par Résonance Ferromagnétique (RFM) de l'influence des contraintes et des concentrations en trous et en Mn, sur les propriétés magnétiques de films nanométriques de Ga_1-xMn_xAs.<br />L'influence des contraintes a été étudié dans des films contenant 7% de Mn déposés sur GaAs ou GaInAs et contraints en compression ou en extension respectivement. Les axes de facile aimantation, le type d'anisotropie, le facteur de Landé, la température de Curie et les constantes d'anisotropie on été déterminés par RFM. <br />La passivation par l'hydrogène de l'activité électrique des Mn a permis l'étude de l'influence de la concentration en trous dans ces systèmes. Différents régimes de conductivité ont pu être atteints: isolant, conduction par bande d'impureté et métallique. Les facteurs g dépendent à la concentration de trous et la température. La relation théorique entre ces facteurs et la polarisation de trous est présentée. Les variations des constantes d'anisotropie magnétocrystallines sont comparées aux modèles théoriques. <br />La plus faible concentration en trous permettant d'atteindre un état ferromagnétique est estimée à 10¹⁹cm^-3. La structure des domaines a été étudiée par microscopie magnéto-optique pour cette concentration. L'influence du niveau de dopage en Mn a été étudiée dans la plage de 7% à 21%. Les résultats montrent que, contrairement aux prédictions du modèle de champ moyen, la température de Curie ne dépasse pas 180K même pour les forts dopages, ce qui est attribué à un haut niveau de compensation magnétique. Enfin, la relaxation de l'aimantation est étudiée et des facteurs de damping anisotropes sont mis en évidence.

Nous avons élaboré dans ce travail des dispositifs semiconducteurs pompés électriquement (1/2VCSEL) qui représentent la partie semiconductrice d'un laser en cavité verticale externe (VECSEL). Ces structures comportent un miroir de Bragg, une zone active à base de puits quantiques et une jonction tunnel. Elles sont épitaxiées sur un substrat d'InP afin de pouvoir s'accorder avec une zone active émettant à une longueur d'onde de 1,55µm. Le confinement du courant d'injection est assuré par l'implantation protonique ou par la gravure latérale de la jonction tunnel. Nous avons observé pour la première fois à notre connaissance l'effet laser sous pompage électrique continu et à température ambiante d'un VECSEL opérant à 1,55µm pour des diamètres de surface d'injection allant jusqu'à 50µm dans une cavité de géométrie plan-concave. Nous avons montré une émission monomode transverse (TEM00) et multimode longitudinale dans une cavité de 10 mm de longueur, les densités de courant de seuil sont de l'ordre de 1,8 kA/cm2 la puissance maximale récoltée en sortie est de 0,3mW à une température ambiante. Nous avons également montré une émission laser sur un seul mode longitudinal avec une accordabilité de la longueur d'onde émise grâce à l'ajustement de la longueur de la cavité sur 15nm en régime d'injection continu et de 25nm en régime pulsé. La puissance de sortie reste limitée par une mauvaise dissipation thermique dans le 1/2 VCSEL du fait de l'utilisation de matériaux quaternaires dans le miroir de Bragg. L'amélioration de ces dispositifs en terme de puissance de sortie passe inévitablement par l'utilisation de miroirs de Bragg de meilleures conductivités thermiques.