Les nanocristaux semi-conducteurs sont des objets de dimensions nanométriques aux niveaux d'énergie quantifiés. Grâce à leurs propriétés de fluorescence, ils trouvent des applications dans des domaines aussi variés que la biologie, l'opto-électronique ou l'optique quantique. Pour toutes ces applications, un contrôle de leurs propriétés d'émission est primordial. Dans ce cadre, après une étude fine de leurs propriétés d'émission à température cryogénique, nous nous sommes intéressés à leur couplage avec les plasmons de couches d'or désordonnées. Nous montrons alors la possibilité de supprimer efficacement les fluctuations d'intensité d'émission, d'accélérer drastiquement l'émission de photons et de créer des cascades bi-excitoniques.

La création d 'un microsystème d'analyse biochimique, capable de livrer des diagnostics préliminaires sur la quantification d'éléments pathogènes, est un défi multidisciplinaire ayant un impact potentiel important sur la majorité des activités humaines en santé et sécurité. En effet, un dispositif intégré, peu dispendieux et livrant des résultats facilement interprétables, permettrait une vulgarisation des capacités de biodétection à travers différents domaines d'applications sociétaires et industriels. Le présent document se concentre sur l'intégration monolithique d'une méthode de biocaractérisation dans le but de générer un transducteur miniaturisé et efficace, élément central d'un microsystème de détection. Le projet de recherche ici présenté vise l'étude de l'applicabilité d'un capteur plasmonique intégré par l'entremise de nanostructures semi-conductrices aux propriétés quantiques et luminescentes. L'approche présentée est globale; c'est-à-dire qu'on vise à répondre aux questions fondamentales impliquant la compréhension des phénomènes photoniques, le développement et la fabrication des dispositifs, les méthodes de caractérisations possibles ainsi que l'application d'un transducteur SPR intégré à la biodétection. En d'autres termes : dans quelles circonstances et comment un transducteur plasmonique intégré doit-il être réalisé pour l'application à la détection délocalisée d'éléments pathogènes? Dans le but d'engendrer un instrument simple à l'échelle de l'usager, l'intégration de la connaissance à l'échelle du design est donc effectuée. Ainsi, des capteurs plasmoniques monolithiques sont conçus à l'aide de modèles théoriques ici présentés. Un instrument de mesure hyperspectrale conjuguée permettant de cartographier directement la relation de dispersion des plasmons diffractés a été construit et testé. Cet instrument est employé à la cartographie d'éléments de diffusion. Finalement, une démonstration du fonctionnement du dispositif, appliquée à la biocaractérisation d'événements simples, tels que l'albumine de sérum bovin et la détection d'une souche spécifique d'influenza A est livrée. Ceci répond donc à la question de faisabilité d'un nanosystème plasmonique applicable à la détection de pathogènes.

L'éco-conception est un processus permettant aux entreprises industrielles d'assumer leur responsabilité relative aux impacts générés par leurs produits. Les contraintes liées aux impacts environnementaux sont intégrées dans les stades avancés de la conception. Du fait de ses spécificités, tant au niveau de la structure du produit que de la complexité des processus de conception, l'industrie microélectronique s'est trouvée jusqu'alors en marge de considérations avancées sur l'impact de ses produits. L'objectif du travail de recherche est de définir une méthodologie d'éco-conception dédiée à la microélectronique permettant d'identifier les méthodes, outils et indicateurs susceptibles d'être déployés dans les départements de R&D. La stratégie associée vise à accroître la sensibilité environnementale des concepteurs et à les conduire à trouver des alternatives influant positivement sur l'environnement. Notre méthodologie repose sur une plateforme méthodologique intégrant plusieurs outils, chacun dédié à une activité indépendante de la conception de produits microélectroniques. L'évaluation environnementale est basée sur l'analyse de cycle de vie (ACV). Dans les phases préliminaires de conception, la connaissance du produit (structure, propriétés et performances) est limitée, alors la modélisation de son cycle de vie est réalisée à l'aide " d'ACV-simplifiée " : cela consiste à prédire l'impact d'un produit en développement grâce à des mécanismes d'adaptation par analogie basés sur l'étude des générations précédentes. En plus de solutions techniques appropriées, l'intégration de l'éco-conception dans une entreprise nécessite certains changements organisationnels : une modification du processus de conception a été proposée ainsi que des recommandations pour l'intégration d'un système de gestion de l'environnement orienté sur les produits.

Th.--Sci.--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 20.

Les composants semi-conducteurs à base de matériaux à grand gap (SiC et GaN) présentent des caractéristiques intéressantes pour la réalisation de convertisseurs d’électronique de puissance toujours plus intégrés. Cependant, le packaging des composants traditionnels en silicium ne semble plus adapté pour ces nouveaux composants et apparaît même comme un facteur limitant. Le développement d’un packaging adapté aux caractéristiques des composants à grand gap est alors nécessaire. Les travaux développés dans cette thèse proposent un nouveau packaging tridimensionnel basé sur un procédé de fabrication de circuit imprimé. L’architecture du module est basé sur le concept « Power Chip On Chip » dont le principe de base permet de réduire les perturbations électromagnétiques. Le procédé de fabrication des circuits imprimés offre une grande flexibilité pour le routage en trois dimensions et permet de s’affranchir de l’interconnexion par fil de bonding entre le package et la puce. La démarche de conception du module s’appuie sur une approche multi-physique afin de qualifier le comportement électromagnétique et thermique du module puis de proposer des voies d’optimisation. Un prototype d’un module implémentant quatre cellules de commutation en parallèle, à base de MOSFET SiC, a été produit avec des moyens de production industriels. Les différents tests réalisés valident l’approche retenue dans ce projet mais soulignent également les aspects technologiques à approfondir pour la réalisation d’un module de puissance industriel. / Wide-band-gap (WBG) semiconductors (SiC and Gan) offer interesting characteristics to realize high density power electronics converters. Conventional packaging used for silicon devices is no more adapted for those now components. Development of dedicated packaging for WBG devices is absolutely required. This PhD thesis presents a new 3D package based on Printed Circuit Board (PCB) industrial process. The module architecture is based on “Power Chip On Chip” concept which allows reducing electromagnetic perturbations. PCB fabrication process offers high design flexibility in three dimensions and allows removing wire bonding to interconnect power die and package. The power module design process is buit on multi-physics design tools in the aim to quantify electromagnetic and thermal behavior of the module. Furthermore, several optimization parameters are highlighted. A power module prototype, with four commutation cells in parallel based on SiC MOSFET, has been produced thanks to industrial facilities. Tests realized on new power module confirm the validity of the concept but furthermore to highlight critical technological parameters to realize an industrial power module.

Les transitions intersousbandes (ISB) sont des transitions d’énergie entre des états électroniques dans un puits quantique. Les nanostructures GaN/AlGaN sont prometteuses pour le développement de composants optoélectroniques ISB pouvant couvrir la totalité de la gamme infrarouge. Leur large décalage de bande de conduction (~1.8 eV pour les systèmes GaN/AlN) et temps de vie ISB inférieurs au picoseconde les rendent attractifs pour l’optronique ultra-rapide en régime infrarouge courte longueur d’onde (SWIR, 1-3 µm) et moyenne longueur d’onde (MWIR, 3-8 µm). De plus, la grande énergie de phonon longitudinal-optique du GaN (92 meV, 13 µm) offre la possibilité de développer des composants ISB couvrant la bande 5-10 THz, interdite au GaAs, et opérant à température ambiante.Le travail décrit dans ce manuscrit a eu pour objectif d'améliorer les performances des technologies ISB GaN/AlGaN et de contribuer à une meilleure compréhension des problématiques posées par leur extension à la gamme des THz. D’une part, la photodétection ISB nécessite le dopage n des nanostructures. Dans ce travail de thèse, on étudie le Si et le Ge en tant que dopants de type n potentiels pour le GaN. D’autre part, la présence de champs électriques internes dans la direction de confinement des hétérostructures plan c constitue l’un des principaux défis de la technologie GaN ISB. C'est pourquoi on étudie la possibilité d’utiliser des orientations cristalline non-polaires a ou m alternatives pour obtenir des systèmes opérant sans l’influence de ces champs électriques.Concernant l'étude du Ge et du Si comme dopants potentiels, on montre que l’incorporation de Ge dans des couches mince de GaN n’affecte pas leur morphologie, mosaïcité ni photoluminescence. Les propriétés bande-à-bande des nanostructures GaN/AlGaN plan c étudiées sont indifférentes à la nature du dopant, mais les structures à grand désaccord de maille voient leur qualité structurale améliorée par le dopage Ge. Concernant l’alternative non-polaire, on compare des structures à multi-puits quantiques GaN/AlN plan a et plan m. Les meilleurs résultats en termes de performances structurales et optiques (bande-à-bande et ISB) sont obtenues pour les structures plan m. Elles montrent de l’absorption ISB à température ambiante couvrant la fenêtre SWIR, avec des performances comparables aux structures plan c, mais avec une qualité structurale trop faible pour envisager la fabrication de composants. En incorporant du Ga dans les barrières d’AlN, on réduit de désaccord de maille et donc la densité de fissures. Ces structures plan m montrent de l’absorption ISB à température ambiante dans la gamme MWIR 4.0-4.8 µm, mais présentent toujours des défauts de structure. Finalement, on a étendu l’étude à la gamme lointain infrarouge, en utilisant des barrières d’AlGaN avec une composition bien plus basse en Al. Les structures plan m étudiées présentent une excellente qualité cristalline, sans défauts de structures, et présentent de l’absorption intersousbande à basse température entre 6.3 et 37.4 meV (1.5 et 9 THz). Ce résultat constitue une démonstration expérimentale de la faisabilité de composants GaN opérant dans la bande 5-10 THz, interdite aux technologies GaAs. / Intersubband (ISB) transitions are energy transitions between electronic states in a quantum well. GaN/AlGaN nanostructures have emerged as promising materials for new ISB optoelectronics devices, with the potential to cover the whole infrared spectrum. Their large conduction band offset (~1.8 eV for GaN/AlN) and sub-picosecond ISB recovery times make them appealing for ultrafast photonics devices in the short-wavelength infrared (SWIR, 1-3 µm), and mid-wavelength infrared (MWIR, 3-8 µm) regions. Moreover, the large energy of GaN longitudinal-optical phonon (92 meV, 13 µm) opens prospects for room-temperature ISB devices covering the 5-10 THz band, inaccessible to GaAs.The work described in this thesis has aimed at improving the performance and understanding of the material issues involved in the extension of the GaN/AlGaN ISB technology to the THz range. On the one hand, ISB photodetection requires n-type doping of the active nanostructures. In this work, we explore Si and Ge as potential n-type dopants for GaN. On the other hand, the presence of internal electric fields in the confinement direction of polar c-plane heterostructures constitutes one of the main challenges of the GaN-based ISB technology. In this thesis, we address the use of nonpolar a or m crystallographic orientations as an alternative to operate without the influence of these electric fields.Regarding the use of Si and Ge as n-type dopants for GaN, we show that the use of Ge as a dopant does not affect the morphology, mosaicity and photoluminescence properties of the doped GaN thin films. In the c-plane GaN/AlGaN heterostructures, no effect on the band-to-band properties was observed, but the structures with high lattice mismatch showed better mosaicity when doped with Ge. Regarding the alternative of nonpolar GaN, we compared GaN/AlN multi-quantum wells grown on a and m nonpolar free-standing GaN substrates. The best results in terms of structural and optical (both band-to-band and ISB) performance were obtained for m-plane structures. They showed room-temperature ISB absorption covering the whole SWIR spectrum, with optical performance comparable to polar c-plane structures, in spite of a too low structural quality to consider device processing. By introducing Ga in the AlN barriers, the lattice mismatch of the structure is reduced, leading to lower densities of cracks. Such m-plane structures showed room-temperature ISB absorption tunable in the 4.0-5.8 µm MWIR range, but still with structural defects. Finally, we extended the study to the far-infrared range, using AlGaN barriers with much lower Al content. As a result, the studied m-plane structures displayed an excellent crystalline quality, without extended defects, and showed low-temperature ISB absorption in the 6.3 to 37.4 meV (1.5 to 9 THz) range. This result constitutes an experimental demonstration of the feasibility of GaN devices for the 5-10 THz band, forbidden to GaAs-based technologies.

Dans ce mémoire, nous présentons le développement de détecteurs thermiques non refroidis de type pyroélectrique à base de films minces amorphes d'YBaCuO semi-conducteur pour des applications en imagerie infrarouge et térahertz. En première partie, nous étudions la composition et les propriétés optiques des films d'YBaCuO semi-conducteur. Nous avons montré par XPS l'existence d'un mélange entre plusieurs phases et nous avons déterminé la composition de la couche de contamination en surface d'YBaCuO, ainsi que le travail de sortie d'YBaCuO par UPS. Nous avons extrait l'indice de réfraction et le coefficient d'absorption sur une gamme de longueur d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge proche ; nous avons aussi déterminé les valeurs des gaps optiques que nous avons corrélés à la structure granulaire des films d'YBaCuO. En seconde partie, nous étudions le comportement en transport électrique et la réponse optique de détecteurs pyroélectriques fabriqués à partir de ces films d'YBaCuO semi-conducteur. Le contact électrique entre YBaCuO et les plots métalliques peut être ohmique ou redresseur. Des mesures de résistivité en fonction de la température ont montré que la conduction électrique s'opère préférentiellement par sauts à distance variable des porteurs autour du niveau de Fermi. Les réponses à température ambiante des détecteurs dans l'infrarouge proche ont révélé - en fonction de la fréquence de modulation - un comportement de type passe-bande attribué à l'effet pyroélectrique, qui a pu être interprété par un modèle analytique. Les performances en termes de détectivité (1E9 cm.Hz^0,5/W) et de constante de temps (quelques microsecondes) se situent à l'état de l'art. / In this manuscript, we are presenting the development of uncooled thermal sensors of the pyroelectric type, based on thin films of amorphous YBaCuO semiconductor, for applications in terahertz and infrared imaging. In a first part, we discuss the composition and optical properties of the YBaCuO semiconducting films. By X-ray photoelectron spectroscopy, we show the existence of a mixture of several phases and deduce the composition of the YBaCuO surface contamination layer; by ultraviolet photoelectron spectroscopy, we determine the YBaCuO work function. By optical spectroscopy, we then extract the refractive index and the absorption coefficient over a range of wavelengths spanning from ultraviolet to the near infrared. We also determine the values of optical gaps that we have correlated with the granular structure of the YBaCuO films at the micro and nanoscales. In a second part, we study the electrical transport behavior and optical response of pyroelectric detectors made from these amorphous YBaCuO thin films. The electrical contact between YBaCuO and the metal connections can be ohmic as well as rectifying. Resistivity measurements as a function of temperature show that the electric conduction is preferentially dominated by variable distance hopping of the carriers around the Fermi level. The response of the sensors in the near infrared - as a function of the modulation frequency of the source - reveal at room temperature a band-pass type behavior attributed to the pyroelectric effect, which could be interpreted by an analytical model. The device performance in terms of detectivity (1E9 cm.Hz^0.5/W) and time constant (a few microseconds) are at the state of the art.

Les matériaux semi-conducteurs sont très utilisés, notamment dans le domaine de l'électronique. Pourtant leur fonctionnement intime reste mal connu du fait du manque de techniques de mesures directes de leur distributions de charges. Les distributions de charges, qui sont à la base des propriétés électriques du matériau, sont en effet encore déterminées à l'aide de modèles et de mesures électriques globales ou destructives. Ainsi les nouveaux matériaux, sans modèle éprouvé, sont difficiles à analyser.L'utilisation d'un couplage élasto-électrique local (méthode de l'onde de pression) permettrait de palier à ce problème et ainsi de faciliter l'analyse des nouveaux matériaux pour la micro-électronique. Ce couplage agit en effet directement sur les charges à mesurer de manière non destructive.Dans ce mémoire de thèse le couplage élasto-électrique est modélisé dans des structures à semi-conducteurs et des métaux. Le signal induit par la propagation d'une onde élastique est calculé analytiquement ou numériquement selon la situation de la structure testée. Les résultats analytiques et numériques sont validés par des mesures expérimentatales avec la méthode de l'onde de pression appliquée à différentes structures contenant des matériaux semi-conducteurs et des métaux en variant les paramètres de mesure. / Semiconductor materials are widely used in electronic industry but their electrical behaviour remains elusive due to a lack of direct space charge distribution measurement methods. Charge measurements in those materials are indeed still indirectly estimated through a model of the studied materials or destructively obtained. Therefore new semiconductor materials, without a good model, are very complex to analyse. This problem may be solved by using an elasto-electric coupling (pressure wave propagation method) to directly and non-destructively characterize electrical properties of semi-conductor structures. This coupling acts directly and non-destructively on the charges to be measured. In this thesis the elasto-electric coupling is modelled in semiconductor structures and metals. The signal induced by the propagation of an elastic wave in the structure is calculated analytically or numerically depending on the studied structure. Analytical and numerical results are validated by experimental results of the pressure wave propagation method applied to various semiconductor structures and metals by varying the measurement conditions.

Les transistors organiques sont la base de nombreuses applications de l'électronique organique mais leur rendement électrique ainsi que leur stabilité dans le temps sont encore des verrous technologiques devant être levés. De plus, le phénomène de transport de charges dans ces dispositifs reste une notion encore à l'étude même si différents modèles sont utilisés afin d'expliquer l'effet de champ des transistors organiques. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette étude portant sur la caractérisation par spectroscopie d'admittance de jonctions Métal/oxyde/semi conducteur organique/métal. Elle a pour but d'analyser le comportement électrostatique du semi conducteur organique. Les mesures de spectroscopie d'admittance ont été réalisées sur une large bande de fréquence (0.1Hz à 1Mhz) dans laquelle les pertes diélectriques mesurées peuvent être associées à des phénomènes d'orientation (oscillation) de dipôles présents dans la structure. Les réponses en fréquences montrent trois types de comportements dynamiques. A basses fréquences, nous avons observé une diffusion ionique, liée au déplacement d'ions H+ à travers la structure. A hautes fréquences, la réponse est due aux imperfections de l'oxyde. Enfin, aux fréquences intermédiaires, la réponse du semi-conducteur organique est identifiée et attribuée à des dipôles permanents. A partir de ces différentes réponses, un modèle analytique est établi et permet de décrire l'ensemble des réponses dynamiques. Le comportement du semi-conducteur est décrit par la somme d'une fonction de type Debye et de type Cole-Cole. L'analyse des paramètres de ce modèle a permis de mettre en évidence l'influence des dipôles permanents sur la permittivité du film de semi-conducteur organique. Enfin, ce modèle a été validé sur différents échantillons à base de pentacène et a été ensuite appliqué au Poly-3-hexylthiophène. / Organic transistors are vital in many applications of organic electronics but the electrical performance and time stability are technological limitation in order to make this technology reliable. Moreover, in these devices, the charge transport phenomenon has not to be clearly understood even if different models are commonly used to explain the field effect in organic transistors. In this context, this thesis talks about the admittance spectroscopy characterization of metal / oxide / organic semiconductor / metal junctions and analysis the organic semiconductor electrostatic behavior.The admittance spectroscopy measurements were performed on a wide frequency range (0.1Hz to 1MHz) in which the measured dielectric loss may be associated with the orientation phenomenon (as oscillation) of dipoles present in the structure.The frequency responses show three dynamic behaviors. At low frequencies (<10Hz), we observed an ionic diffusion, which is related to the ions movement of H+ through the structure. At high frequencies, (>10kHz) the response is due to defects into the oxide. Finally, at intermediate frequencies, the organic semiconductor response is identified and assigned to the permanent dipoles into the bulk. From these responses, an analytical model is developed and used to describe the dynamic responses. The semi-conductor behavior is described by the sum of a Debye and Cole-Cole function type. The analysis of the model parameters has highlighted the influence of permanent dipoles on the organic semiconductor permittivity. Finally, this model has been agreed on different samples based on pentacene and was applied to the Poly-3-hexylthiophene.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de dérivés du pérylène-3,4:9,10-tétracarboxylique acide diimide comme semi-conducteurs pour l'électronique organique, et plus particulièrement pour la réalisation de transistors organiques à effet de champs. Les objectifs de ce travail sont la synthèse de dérivés du pérylène à l'aide entre autres de réactions d'halogénation ou de couplage de Suzuki-Miyaura, et la fabrication de transistors organiques à effet de champs. Dans un premier temps, une large gamme de dérivés du pérylène a été synthétisée et caractérisée. Des études spectroscopiques et électrochimiques ont pu être menées, notamment afin de déterminer les énergies des orbitales frontières de nos molécules. Puis dans un second temps, la réalisation de transistors organiques à effet de champs a été mise en oeuvre, en commençant par un gros travail d'optimisation des conditions de formulation des encres, de dépôt et de traitement du film. Puis ces transistors ont été caractérisés en mesurant les courants drain-source. Mots-clés : semi-conducteur, pérylène, transistor organique à effet de champs, couplage de Suzuki-Miyaura, impression jet d'encre. / This study deals with the synthesis of perylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid bisimide derivatives and their use as semi-conductors for organic electronics, and more specifically for the realization of organic field-effect transistors. The goals of this study are the synthesis of perylene derivatives, using halogenation reactions or Suzuki-Miyaura coupling, and the fabrication of organic field-effect transistors.In the first part of the work, a wide variety of perylene derivatives has been obtained and fully characterized. Spectroscopic and electrochemical studies have been performed to determine energy levels of the frontier orbitals.In the second part, the making of organic field-effect transistors was realized, beginning with the research of optimal conditions for ink formulation, deposition and annealing of the film. Then those devices have been characterized by measuring the source-drain current.Keywords: semi-conductor, perylene, organic field-effect transistor, Suzuki-Miyaura coupling, ink jet printing.