Biomechanics, an emerging science, refers to the mechanical characterization of biological tissues. Recent work published in this field demonstrate the role of mechanical processes and properties on the biological tissues functionalities, and especially at the microscopic scale (cell biomechanics). Biomechanical data acquisition is however quite challenging. This requires appropriate measurement tools (for forces, strain, ...) to cope with the biological sample and environment constraints (biocompatibility, size, anisotropy, ...). In parallel, the fast developments observed these last years in microtechnologies lead to interesting research possibilities. The family of MEMS [MicroElectroMechanical Systems] devices for instance introduces a new potential of interaction with the microscopic world. The integration of this technology in the field of cellular biomechanics is thus a natural choice. In that context, this work aims to design a 3-axis microforce sensor to measure biological tissues deformations at the microscopic scale. The MEMS device, fabricated on SOI [Silicon on Insulator] wafers, is based on piezoresistive and capacitive force transductions. It can be used as an actuator at least in one direction. This thesis describes the design, fabrication and test of the 3-axis system. A 1-axis prototype, exclusively capacitive, is first realized and acts as the foundation of the 3-axis device. The 1-axis force sensor, tested on the [0 ? 350[mu]N ] range shows a sensitivity in the order of 4.85mV/[mu]N (G=2000) and a resolution of 1.24[mu]N (linearity until 100[mu]N ). A new 3-axis geometry is then proposed to improve the direction decoupling efficiency of 2-axis capacitive sensors presented in publications and add a third detection axis. The decoupling is achieved using a"two frames" geometry and piezoresistors implanted in a configuration only sensitive to an out-of-plane loading. The three transducers performances are analysed individually. Tested on a range of 250? N , the sensors show a linear behaviour on the whole forces domain in the out-of-plane axis (piezoresistors) and until 100[mu]N in the in-plane direction (electrostatic combs). The piezoresistive and capacitive transducers are characterized by sensitivities of 0.93mV/[mu]N (g=400) and 6.35mV/[mu]N (G=500) respectively (on the linear part), with resolutions of 7[mu]N and 0.161[mu]N. The dynamical behaviour of the sensor allows its use above the kHz. The cross-talk sensitivities of each transducer are evaluated to 1-5% of their axis sensitivity (decoupling). The work presented in this thesis demonstrates the feasability of a 3-axis MEMS force sensor based on capacitive (in-plane sensing) and piezoresistive (out-of-plane sensing) detection. The proof of concept refers to the fabrication and performances (sensitivity, resolution, decoupling) of the proposed design.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude expérimentale des mécanismes de démouillage de films solides d’épaisseur nanométrique conduisant à la transformation d’un film mince en une assemblée d’îlots tridimensionnels. L’utilisation de la microscopie à électrons lents (LEEM) nous a permis d’étudier la morphologie et la cinétique in situ et en temps réel du démouillage de films de Si/SiO2 (SOI) et de Ge/SiO2 (GOI) obtenus par collage moléculaire (procédé Smart Cut™). Ces mesures expérimentales ont été complétées par des analyses par diffusion centrale des rayons X en incidence rasante (GISAXS) et des observations ex situ par microscopie à force atomique (AFM). Les mécanismes de démouillage de SOI et GOI sont thermodynamiquement pilotés par la capillarité et cinétiquement contrôlés par la diffusion de surface. L’étude complémentaire du démouillage à partir de fronts cristallographiquement orientés obtenus par lithographie nous a permis d’analyser le rôle central du facettage, de l’anisotropie cristalline et des processus de formation du bourrelet de démouillage. En particulier, le rôle de la nucléation 2D sur la cinétique d’épaississement (couche par couche) du bourrelet a pu être mis en évidence. Les résultats expérimentaux ont pu être confrontés à des modèles analytiques et des simulations de type Monte Carlo cinétique. Nous en avons déduit les valeurs des paramètres physiques pertinents et avons attribué les différences de morphologies entre SOI et GOI à la présence de facettes spécifiques. / This work is devoted to the experimental study of the dewetting mechanisms of ultrathin solid films by which a metastable film transforms into an assembly of tridimensional crystallites. Using low energy Electron Microscopy (LEEM) we analyse, in situ and in real time, the morphology and the kinetics of the dewetting of Si/SiO2 (SOI) and Ge/SiO2 (GOI) systems obtained by molecular bonding (Smart Cut™ process). Further information has been obtained by Grazing Incidence Small Angle X–ray Scattering (GISAXS) and Atomic Force Microscopy (AFM) measurements. We show that the dewetting is driven by surface free energy minimization and mediated by surface diffusion. A complementary study of artificial well-oriented dewetting fronts obtained by lithography enables us to analyze the important role played by facets, the crystal anisotropy and the rim thickening mechanism. We show that the rim thickening proceeds in a layer-by-layer mode and is limited by 2D nucleation. Thanks to analytical models and Kinetics Monte Carlo simulations, numerical values of the pertinent physical parameters involved in the dewetting process are obtained and the morphological differences between SOI and GOI are attributed to the presence of specific facets.

Les systèmes optomécaniques, dans lesquels les vibrations d'un résonateur mécanique sont couplées à un rayonnement électromagnétique, ont permis l'examen de multiples nouveaux effets physiques. Afin d'exploiter pleinement ces phénomènes dans des circuits réalistes et d'obtenir différentes fonctionnalités sur une seule puce, l'intégration des résonateurs optomécaniques est obligatoire. Ici nous proposons une nouvelle approche pour la réalisation de systèmes intégrés et hétérogènes comportant des cavités à cristaux photoniques bidimensionnels au-dessus de guides d'ondes en silicium-sur-isolant. La réponse optomécanique de ces dispositifs est étudiée et atteste d'un couplage optomécanique impliquant à la fois les mécanismes dispersifs et dissipatifs. En contrôlant le couplage optique entre le guide d'onde intégré et le cristal photonique, nous avons pu varier et comprendre la contribution relative de ces couplages. Cette plateforme évolutive permet un contrôle sans précédent sur les mécanismes de couplage optomécanique, avec un avantage potentiel dans des expériences de refroidissement et pour le développement de circuits optomécaniques multi-éléments pour des applications tels que le traitement du signal par effets optomécaniques. / Optomechanical systems, in which the vibrations of a mechanical resonator are coupled to an electromagnetic radiation, have permitted the investigation of a wealth of novel physical effects. To fully exploit these phenomena in realistic circuits and to achieve different functionalities on a single chip, the integration of optomechanical resonators is mandatory. Here, we propose a novel approach to heterogeneously integrated arrays of two-dimensional photonic crystal defect cavities on top of silicon-on-insulator waveguides. The optomechanical response of these devices is investigated and evidences an optomechanical coupling involving both dispersive and dissipative mechanisms. By controlling optical coupling between the waveguide and the photonic crystal, we were able to vary and understand the relative strength of these couplings. This scalable platform allows for unprecedented control on the optomechanical coupling mechanisms, with a potential benefit in cooling experiments, and for the development of multi-element optomechanical circuits in the frame of optomechanically-driven signal-processing applications.

Cette thèse s’intéresse à une technique de caractérisation particulièrement bien adaptée à l’étude de couches diélectriques ultra-minces sur semiconducteurs. La génération de seconde harmonique (SHG) est une méthode très prometteuse, basée sur l’optique non-linéaire. Un laser est focalisé sur l'échantillon à caractériser et le signal à deux fois la fréquence fondamentale est mesuré. Pour les matériaux centrosymétriques comme c-Si, SiO2 et Al2O3, le signal SHG est dû aux défauts et au champ électrique Edc d’interface (induit par les charges préexistantes Qox et/ou piégées au niveau des pièges d’interface Dit). La SHG donne ainsi accès à la qualité des interfaces entre diélectriques/semiconducteurs. Néanmoins, le signal SHG dépend aussi des phénomènes de propagation optique dans les structures multicouches. Pour cette raison, nous avons développé un programme de simulation qui prend en compte les phénomènes optiques et les champs électriques statiques aux interfaces. Nous avons utilisé la SHG pour analyser la qualité de passivation de structures Al2O3/Si préparées avec des procédés différents et nous avons montré une corrélation entre SHG et mesure de durée de vie des porteurs de charges. Les valeurs de Qox et Dit ont été extraites par des mesures de capacité-tension et elles ont permis de calculer le champ Edc. La simulation optique, avec les valeurs extraites de Edc a permis de reproduire les données expérimentales de SHG dans ces structures. La SHG a été utilisée également pour la caractérisation des substrats Silicium-sur-Isolant (SOI). Pour les structures SOI épaisses, la simulation et les résultats expérimentaux ont montré que la réponse SHG est dominée par les interférences optiques (faible impact de Edc). Pour les structures SOI ultraminces, les interfaces sont couplées électriquement et des valeurs de Edc sont nécessaires pour reproduire les données expérimentales par simulation. Cela implique que pour les SOI ultraminces, la SHG pourrait donner accès aux champs électriques au niveau des interfaces d’une manière non-destructive. / This PhD work was developed in the context of research for novel characterization methods for ultra-thin dielectric films on semiconductors and their interfacial quality. Second harmonic generation (SHG) is a very promising non-invasive technique based on nonlinear optics. A laser emitting at the fundamental frequency is incident upon the sample which responds through its 2nd order polarization, generating a signal at twice the fundamental frequency. For centrosymmetric materials such as c-Si, amorphous SiO2 or Al2O3, the SHG signal is mainly due to the defects and to the static electric field Edc present at the interface (due to pre-existing charges Qox and/or photo-injected charge trapping/detrapping at interface traps Dit). Thus, SHG measurement gives access to the quality of dielectric/semiconductor interfaces. Nevertheless, the SHG signal is also dependent on multilayer optical propagation phenomena. For this reason, we have developed a simulation program which accounts for the optical phenomena and the static electric fields at the interfaces. We have used SHG to monitor the passivation quality of Al2O3/Si structures prepared with different processes and showed a correlation between SHG and minority carrier lifetime measurements. Qox and Dit were extracted from capacitance-voltage measurements and helped calculating the Edc values. The optical simulation, fed with known Edc values reproduced the experimental SHG data in these structures. The SHG was also used for Silicon-on-Insulator (SOI) substrates characterization. In thick SOI structures, both simulations and experimental results show that the SHG response is mainly given by optical interferences (Edc has no impact). In ultrathin SOI, the interfaces are electrically coupled and Edc is needed as input in the simulation in order to reproduce the experimental SHG data. This implies that in ultrathin SOI, SHG can access the interface electric fields in a non-destructive way.

Cette thèse porte sur l'étude de nanofils silicium réalisés par approche top-down. Elle s'inscrit dans le contexte de la miniaturisation des composants et la compréhension du transport dans les systèmes 1D.<br /><br />Deux voies de fabrication sont envisagées : la lithographie par AFM (Microscope à Force Atomique) et la lithographie électronique. Cette dernière étant plus reproductible, les dispositifs finaux sont fabriqués par cette technique, à partir d'un substrat SOI et plusieurs étapes de gravure et métallisation.<br /><br />L'étude des nanofils par mesures I(V) nous permet de mettre en évidence une zone déplétée à l'interface Si/SiO2 natif. Grâce à l'utilisation de nanofils de largeurs et de longueurs différentes, nous sommes capables de déterminer la largeur de la zone déplétée, la densité d'états d'interface ainsi que le niveau de dopage des nanofils. L'évolution de la résistance des nanofils avec la température est également étudiée et montre une dépendance associée à la diffusion des phonons de surface.<br /><br />Trois applications sont ensuite décrites : un décodeur, un commutateur de courant et un capteur biologique. En effet, la gravure locale des nanofils conduit à une modulation de la bande de conduction, rendant possible la réalisation d'un décodeur. D'autre part, la fabrication de croix à base de nanofils et de grilles latérales à proximité des croix qui contrôlent le passage du courant dans les différentes branches permet de former un commutateur de courant. Enfin, grâce au rapport important de la surface par rapport au volume des nanofils et leur bonne fonctionnalisation chimique, ceux-ci sont utilisés pour détecter électriquement des interactions biologiques (détection de l'ovalbumine).

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d'une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l'intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d'onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d'obtenir un laser mono-longueur d'onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d'onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d'un laser accordable hybride III-V sur silicium.

Ces travaux portent sur l'étude et la réalisation d'un synthétiseur de fréquence pour objets communicants multistandards. A partir d'une horloge de référence de 50 MHz, le circuit fournit deux signaux de sortie en quadrature de phase dont la plage de fréquences de travail varie de manière continue entre 900 MHz et 5,8 GHz. Il est construit à partir d'une architecture originale de boucle à verrouillage de délai reprogrammable dite factorisée. Le flot de conception adopté suit une méthodologie de type descendante. Aussi la première étape est-elle la détermination de l'architecture en ayant recours à une étude comportementale. Cette dernière se réalise au moyen du langage VHDL-AMS et du logiciel ADVanceMS de Mentor Graphics. Puis, vient alors la phase de conception qui s'effectue à partir du logiciel Cadence et du simulateur SpectreRF. Celle-ci conduit à la réalisation de deux versions du système qui diffèrent dans la technique utilisée pour générer la quadrature de phase. L'une génère celle-ci de manière indirecte en divisant par deux la fréquence du signal synthétisé, l'autre crée le déphasage directement au niveau de sa ligne de retard. Ces circuits sont réalisés à l'aide des technologies 130nm CMOS SOI et BULK de STMicroelectronics. La dernière étape consiste donc en la caractérisation de ces circuits par des mesures temporelles et fréquentielles. Celles-ci permettent, d'une part de valider la fonctionnalité de l'architecture présentée dans ces travaux, d'autre part de confirmer l'apport de la technologie SOI pour les circuits radiofréquences en termes d'augmentation de la fréquence de fonctionnement de ces derniers et de diminution de leur consommation.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Électronique : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3451. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre. Liste des publications.

Dans le domaine aéronautique, les systèmes électriques remplacement progressivement les systèmes de contrôle mécaniques ou hydrauliques. Les bénéfices immédiats sont la réduction de la masse embarquée et des performances accrues à condition que l'électronique supporte l'absence de système de refroidissement. Si la haute température de fonctionnement n'empêche pas d'atteindre une fiabilité suffisante, il y aura réduction des coûts opérationnels. Des étapes clefs ont été franchies en introduisant des systèmes à commande électriques dans les aéronefs en lieu et place de systèmes conventionnels : freins électriques, inverseur de poussée, vérins électriques de commandes de vol... Toutes ces avancées se sont accélérées ces dernières années grâce entre autre à l'utilisation de nouveaux matériaux semiconducteurs, dit à grand gap (SiC, GaN...), opérant à haute température et palliant ainsi une faiblesse des dispositifs classiques en silicium (Si). Des composants de puissance haute température, diode Schottky ou transistor JFET SiC, sont ainsi disponibles commercialement et peuvent supporter des ambiantes de plus de 220°C. Des modules de puissances (onduleur) à base de transistor JFET SiC ont été réalisés et validés à haute température. Finalement la partie " commande " de ces modules de puissance reste à concevoir pour les environnements sévères pour permettre leur introduction dans le module de puissance. C'est dans ce contexte de faiblesse concernant l'étage de commande rapprochée qu'a été construit le projet FNRAE COTECH, et où s'inscrivent les travaux de cette thèse, Dans un premier temps, un état de l'art sur les drivers et leurs technologies nous a permis de souligner le lien complexe entre électronique et température ainsi que le potentiel de la technologie CMOS sur Silicium sur Isolant (SOI) pour des applications hautes températures. La caractérisation en température de drivers SOI disponibles dans le commerce nous a fourni des données d'entrée sur le comportement de tels dispositifs. Ces caractérisations sont essentielles pour visualiser et interpréter l'effet de la température sur les caractéristiques du dispositif. Ces mesures mettent aussi en avant les limites pratiques des technologies employées. La partie principale de cette thèse concerne la conception et la caractérisation de blocs ou IPs pour le cœur d'un driver haute température de JFET SiC. Elle est articulée autour de deux runs SOI (TFSmart1). Les blocs développés incluent entre autres des étages de sortie et leurs buffers associés et des fonctions de protection. Les drivers ainsi constitués ont été testés sur un intervalle de température allant de -50°C à plus de 250°C sans défaillance constatée. Une fonction originale de protection des JFETs contre les courts-circuits a été démontrée. Cette fonction permet de surmonter la principale limitation de ces transistors normalement passant (Normaly-ON). Finalement, un module de bras d'onduleur a été conçu pour tester ces driver in-situ.

Des spécificités de la technologie SOI partiellement désertée (PD-SOI), comme son gain en vitesse, et l'isolation diélectrique des transistors, sont intéressantes pour la conception d'interfaces entrées/sorties. Toutefois, l'emploi de cette technologie conduit à des phénomènes indésirables tels que l'effet d'histoire, une consommation statique accrue et l'effet d'auto-échauffement. Dans ce travail, une analyse de ces effets a été menée. L'influence de l'auto-échauffement s'est révélée négligeable. Un schéma électrique employant un mécanisme de polarisation active a été proposé afin de supprimer l'effet d'histoire et de contrôler la consommation statique tout en conservant un gain en vitesse. Le circuit de test, en 65nm PDSOI de STMicroelectronics, montre que la solution proposée permet d'améliorer la gigue du temps de propagation lors d'une transmission. La deuxième partie de ce travail s'intéresse à la technologie SOI totalement désertée (FDSOI). Cette dernière apporte un meilleur contrôle électrostatique des transistors et un degré de liberté supplémentaire en conception par le contrôle de leurs tensions de seuil via la face arrière. Dans un premier temps, cette caractéristique a été validée pour les entrées/sorties sur un circuit fabriqué en 28nm FDSOI de STMicroelectronics. Elle a été ensuite exploitée pour la calibration de l'impédance de sortie d'une interface LPDDR2 et la compensation des fluctuations environnementales. La solution proposée dans ce travail tire profit de la modulation par face arrière pour réaliser la calibration durant la transmission, contrairement à l'état de l'art, ce qui a pour effet d'augmenter la bande passante.