Les couches minces du silicium présentent de nombreux avantages dans la course à la production de modules solaires à grande échelle de part leur consommation très réduite de matière, leur faible coût de production et leur pertinence dans la technologie solaire flexible. Le silicium microcristallin hydrogéné (c-Si:H), préparé par dépôt chimique en phase vapeur (PECVD), a suscité un intérêt croissant grâce à sa stabilité contre la dégradation induite par la lumière et sa meilleure absorption comparées à celles du silicium amorphe. La structure mixte de ce matériau constituée du silicium amorphe et de grains cristallins arrangés sous forme d'agrégats coniques ou colonnaires influe sur les mécanismes du transport électrique.Dans cette thèse, un modèle tridimensionnel de croissance du c-Si:H est utilisé pour reproduire les principales caractéristiques de la dynamique de croissance et la microstructure du c-Si:H : une forme conique ou colonnaire des grains, une zone de transition amorphe nanocristalline, une rugosité de surface et une fraction cristalline qui évoluent avec l'épaisseur.Un modèle de transport électrique tridimensionnel utilisant les matériaux générés est développé. Ce modèle met en jeu des paramètres électriques correspondant au transport dans la phase amorphe, cristalline et au travers des joints de grains. Les résultats de la simulation sont comparés aux mesures de conductivité électrique montrant un excellent accord et permettant d'extraire les caractéristiques de la barrière de potentiel formée entre les grains. Cette modélisation numérique, à la fois du processus de la croissance et du comportement électrique permet de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de transport dans ces matériaux fortement hétérogènes.Une caractérisation en bruit basse fréquence des couches microcristallines ayant différentes fractions cristallines est menée dans le but de mieux appréhender les mécanismes de transport. Le comportement en bruit trouvé est typique d'un phénomène de percolation.Les contacts métalliques utilisés lors des caractérisations électriques sont étudiés par la méthode TLM. La modélisation numérique de la structure de test a permis d'extraire la résistivité de contact et la résistance carrée des couches. Nos résultats suggèrent un processus de percolation à l'interface métal/c-Si:H. / Silicon thin films present many advantages in the production of large scale solar cells due to their very low material consumption, low production cost and their relevance in the flexible solar technology. The hydrogenated microcrystalline silicon (c-Si:H) prepared by chemical vapor deposition (PECVD ), has attracted increasing interest due to its stability against degradation induced by light and its better absorption compared to amorphous silicon . The mixed structure of this material consisting of amorphous silicon and crystalline grains arranged in the form of conical or columnar aggregates affects the electrical transport mechanisms. In this thesis, a three-dimensional model is used to reproduce the main features of the growth dynamics and the microstructure of c-Si:H: conical or columnar grains, an amorphous/nanocrystalline transition zone, a surface roughness and a crystalline fraction evolving with the thickness. A three-dimensional model of the electrical transport using the generated structures is developed. This model involves electrical parameters corresponding to the transport in the amorphous phase, crystalline phase and through the grain boundaries. The simulation results are compared to the electrical conductivity measurements showing an excellent agreement and allowing to extract the characteristics of the potential barrier formed between the grains. The numerical modeling of both the process of growth and the electrical behavior contributes to a better understanding of transport phenomena in these highly heterogeneous materials.A low frequency noise characterization of microcrystalline silicon layers with different crystalline fractions has been performed in order to understand the transport mechanism. The noise behavior is found to be typical of a percolation phenomenon.The metallic contacts used in the electrical characterizations are studied by the TLM method. Numerical modeling of the test structure allows extracting the contact resistivity and the sheet resistance of the films. Our results suggest a percolation process on the metal / c-Si:H interface.

Les travaux précédemment réalises au sein du LPICM ont mis en évidence que le silicium microcristallin est un semi-conducteur a faible cout, possédant une mobilité importante avec malgré tout une très bonne stabilité. Ce qui en fait un matériau particulièrement intéressant pour les transistors TFTs des écrans plats OLED 2. Il nous a donc paru logique de nous intéresser, dans le cadre de cette thèse, a la conception et a la réalisation expérimentalement des structures de pixel OLED à base de transistors TFTs en silicium microcristallin. Pour ce faire, il est indispensable de posséder des modèles comportementaux performants des composants. Ainsi, notre objectif primordial a été de concevoir des modèles Spice de transistors c-Si TFT mais aussi d'OLED. D'un point de vue technologique, nous nous sommes attaches à maitriser l'ensemble de la chaine de fabrication (conception de masques et lithographie en salle blanche). La caractérisation de nos transistors a révèle des mobilités de l'ordre de 1 cm2V−1s−1, des tensions de seuil de 4 V et a montre une bonne stabilité, sous stress, de la tension de seuil et de la mobilité. La faisabilité de ces transistors sur substrats flexibles comme le polyimide a aussi été démontre dans le cadre du Projet Intégré FlexiDis. Du point de vue de la modélisation, un modèle statique et dynamique Spice de transistor en silicium microcristallin est propose. L'écriture de ce modèle dans le langage Verilog-A nous permet de garantir une bonne portabilité et de pouvoir ainsi utiliser facilement des simulateurs professionnels comme Spectre de chez Cadence. De manière complémentaire, un modèle Spice efficient de diode OLED est également propose. Grace à ces outils, nous avons pu simuler des circuits utilisant les TFTs en silicium microcristallin. Ces simulations nous permettent de prédire que ces composants sont pertinents pour la conception de pixel OLED, de drivers de lignes, mais aussi de portes logiques NMOS simples comme l'inverseur et l'oscillateur en anneau.

A l'aide d'un modèle électrique précis du réacteur plasma, la mesure avec une méthode vectorielle de l'impédance RF à l entrée du réacteur a permis, après correction de la perturbation des impédances parasites, de calculer l impédance du plasma dans une large gamme de fréquences (13,56-100 MHz) et de pressions (0,1-1 torr). Son interprétation a dégagé des lois d'échelle de variation des paramètres plasma avec la fréquence et la pression en accord avec celles déduites des modèles numériques. La résonance série du plasma a été observée à 90 MHz et 0,1 torr. Ce type de décharge a été étudié dans les années 70 dans le cassymétrique où le potentiel d auto-polarisation est nul. Dans le cas asymétrique, nous constatons que ce potentiel continu passe par unmaximum égal à la tension RF appliquée à la résonance. La comparaison de la mesure vectorielle de la puissance couplée avec la méthode soustractive montre qu il est possible d utiliser cette dernière en VHF. Un autre effet bénéfique de la VHF est l augmentation de l'efficacité du couplage de la puissance RF. Les sondes RF utilisées pour réaliser cette étude se sont révélées délicates à mettre en oeuvre. Cela a motivé la mise au point d unnouveau capteur de courant-tension RF (brevet INPI n̊ 875 304) répondant aux problèmes métrologiques se posant face à l augmentation de la fréquence et de la puissance dans l'industrie.La densité du plasma a été dans un premier temps mesurée avec des sondes de Langmuir délicates à utiliser au dessus de 0,1 torr dans l'hydrogène. Pour pallier aux limitations de celles-ci, un nouveau type de sonde à onde de surface (la sonde plasma à transmission) a été développé (brevet INPI n̊ 876 536).

Le diagnostic de l'occlusion dentaire reste actuellement un défi majeur pour les chirurgiens-dentistes. Des outils dédiés existent, comme le papier à articuler et le T-Scan®, mais sont limités pour diverses raisons. L'objectif de cette thèse est alors de développer un nouvel outil sous forme de matrice de capteurs de pression sur substrat flexible alliant les avantages des outils nommés précédemment, à savoir un produit électronique, informatisé et de faible épaisseur pour ne pas être intrusif. Nous avons choisi une technologie piézorésistive et l'utilisation de jauges de contrainte en silicium microcristallin. Ce matériau est déposé à basse température (< 200°C) directement sur substrat Kapton® par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) dans une perspective de faible coût. Ces jauges ont d'abord été caractérisées mécaniquement et électriquement lors de tests de courbure. Les facteurs de jauge longitudinaux et transversaux du silicium microcristallin ont été étudiés afin de maîtriser son comportement sous déformation. Les dispositifs restent fonctionnels jusqu'à des contraintes de 0,6 %, à partir de laquelle des dégradations apparaissent. Ces valeurs de contraintes permettent d'atteindre des rayons de courbure de l'ordre du millimètre pour des substrats de 25 µm d'épaisseur. Deux types de matrices ont ensuite été développées : une première de 800 jauges pour l'étude de la surface occlusale d'une dent puis une seconde de 6400 jauges pour l'étude d'une moitié de mâchoire. Dans les deux cas, des corrélations intéressantes entre le papier à articuler et nos réponses électriques ont été observées lors de caractérisations en conditions « semi-réelles » à l'aide d'un articulateur dentaire. Ces deux prototypes ont ainsi permis une preuve de concept fonctionnelle de l'objectif visé en utilisant des jauges en silicium microcristallin. / Dental occlusion diagnosis is still a major challenge for dentists. A couple of tools are dedicated to occlusal analysis, such as articulating papers and the T-Scan® system, but they are limited for various reasons. That's why, the goal of this thesis is to develop a novel system consisting in pressure sensor arrays on flexible substrates combining the positive aspects of both previously cited tools: an electronic and computerized system, on a very thin non-invasive flexible substrate. We chose a piezoresistive technology based on microcrystalline silicon strain gauges and 25-µm- or 50-µm-thick Kapton® substrates. Microcrystalline silicon is deposited directly on plastic at low temperature (< 200°C) using PECVD technique (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) in a cost-effective solution perspective. Strain gauges have firstly been characterized using bending tests. Longitudinal and transversal gauge factors have been studied in order to understand the behavior of our deposited materials under bending. Those gauges remained functional until strains up to 0.6 % and degradations appeared for higher values. These values correspond to bending radius on the order of 1 mm for 25-µm-thick substrates. Then, those gauges have been integrated in arrays with two different designs: one was an 800-element array to study the occlusal surface of one tooth, and the second was a 6400-element array to study the occlusal surface of a hemiarcade. Those prototypes have showed interesting correlations between articulating paper marks and our electrical responses during characterizations using a dental articulator to simulate a human jaw. Thus, we have developed in this work a proof-of-concept of a flexible strain sensor using microcrystalline silicon dedicated to dental occlusion diagnosis.

Le travail de cette thèse porte sur le développement de transistors en couche mince (Thin Film Transistors, TFTs) à base de silicium microcristallin fabriqués sur un substrat flexible à très basse température (T< 180 °C). La première partie de ce travail a consisté à étudier la stabilité électrique de ces TFTs. L'étude de la stabilité électrique des TFTs de type N fabriqués sur verre a montré que ces TFTs sont assez stables, la tension de seuil VTH ne se décale que de 1.2 V au bout de 4 heures de stress sous une tension de grille VGSstress= +50V et à une température T=50 °C. L'instabilité électrique de ces TFTs est principalement causée par le piégeage des porteurs dans l'isolant de grille. La deuxième étape de ce travail s'est concentrée sur l'étude du comportement de ces TFTs sous déformation mécanique. Ces TFTs sont soumis à un stress mécanique en tension et en compression. Le rayon de courbure minimum que les TFTs pouvaient supporter est r=1.5 mm en tension et en compression. La limitation de la déformation mécanique de ces TFTs est principalement due à la contrainte mécanique du nitrure de silicium utilisé comme isolant de grille des TFTs. Autrement dit, ces TFTs sont mécaniquement fiables et présentes une faible variation du courant ION, de l'ordre de 1%, même après 200 cycles de déformation mécanique. Ces résultats obtenus laissent entrevoir la possibilité de concevoir une électronique flexible pouvant être pliée en 2. Enfin, les TFTs sont fabriqués avec différents isolants de grille afin d'augmenter la mobilité d'effet de champ. Malheureusement, aucun isolant de grille utilisé dans ces études n'a permis d'augmenter la mobilité d'effet de champ sans dégrader la stabilité électrique des TFTs. Des études plus détaillées et des optimisations complémentaires sur ces isolants de grille sont nécessaires. / This work deals with the development of microcrystalline silicon thin film transistors (TFTs) fabricated on flexible substrate at low temperature (T=180 °C). The first step of this work consists in studying the electrical stability of TFTs. The N-type TFTs fabricated on glass substrate are electrically stable under gate bias stress VGStress= +50V at T=50 °C. The threshold voltage shift (ΔVTH) was only 1.2 V during 4 hours. This electrical instability of TFTs is mainly due to carrier trapping inside the silicon nitride gate insulator. The second step of this work lies in the study of the mechanical behavior of the TFTs. Both tensile and compressive strains were applied on TFTs. The minimum curvature radius is r=1.5 mm for both tension and compression. The main limitation of TFTs comes from the mechanical strain εlimit of silicon nitride used as gate insulator of TFTs. Also, these TFTs are mechanically reliable: the variation of ION current was only 1% after 200 cycles mechanical bending. These results obtained open the way to the development of flexible electronics that can be folded in half.Finally, TFTs have been fabricated using different gate insulators in order to improve the mobility. Unfortunately, all the gate insulators used couldn’t improve mobility without sacrificing electrical stability of TFT. More detailed studies and complementary optimization of these gate insulators are necessary.

Cette thèse porte sur la modélisation de TFTs à base de silicium microcristallin fabriqués à basse température. L'enjeu est de produire un modèle de TFT valide qui nous permettra d'apporter des explications sur les phénomènes observés expérimentalement et qui pourrait servir de base à un modèle compact. Tout d'abord, une étude expérimentale, dans laquelle il est montré l'effet bénéfique de l'utilisation de fines couches actives pour les TFTs, a été effectuée. En effet, plus la couche active des TFTs est fine, plus les TFTs sont stables, et meilleures sont leurs caractéristiques électriques. La croissance colonnaire de la structure du silicium microcristallin et le mauvais état de surface pour les grandes épaisseurs de couche active jouent un rôle important sur la détérioration de la qualité des TFTs. Par la suite, une simulation (sous SILVACO) du comportement des TFTs ayant des couches actives de différentes épaisseurs a été effectuée, pour essayer d'apporter des explications d'ordre électrostatique. Les mêmes effets observés sont surtout causés par une augmentation du champ électrique latéral lorsque l'épaisseur de la couche active diminue pour un matériau défectueux, favorisant ainsi la formation rapide du canal. La mauvaise qualité des interfaces avant et arrière a aussi une forte influence sur la détérioration des caractéristiques électriques de TFTs. Cette influence est réduite en utilisant une très fine couche active. / This thesis focuses on the modeling of TFTs based on microcrystalline silicon fabricated at low temperature. The challenge is to produce a valid model of TFT which enable us to provide an explanation of the phenomena observed experimentally and that could be the basis for a compact model. Firstly, an experimental study, in which it is shown the beneficial effect for the use of thin active layers for TFTs, has been performed. Indeed, the TFTs performances are better, when their active layers are more thin. The columnar growth of microcrystalline silicon structure and the bad interfaces state for thick active layer have an important part in the deterioration of the quality of TFTs. Thereafter , a simulation (on SILVACO ) of the behavior of TFTs with active layers of different thicknesses were made to try to provide electrostatic explanations. The same effects are caused mainly by an increase of the lateral electric field when the thickness of the active layer decreases for a defective material, promoting thereby the rapid formation of the channel. The bad quality of the front and rear interfaces has also a strong influence on the deterioration of electrical characteristics of TFTs. This influence is reduced by using a very thin active layer.