The following dissertation addresses a novel low cost process developed to fabricate a Vertical Organic Field Effect Transistor (VOFET). The solution processable VOFET is designed, fabricated and tested in the context of bioengineering domains. The scope of distinct biomedical applications has also been explored. Organic thin-film transistors are gathering industrial attention as a potential candidate for future electronics analogous to silicon technology. Low fabrication cost, structural miniaturization and low operational voltage are the challenges for fabricating an Organic Field Effect Transistor (OFET). To create these devices, OFETs require new design paradigms and wet processing routes. However, conventional lateral OFET geometry cannot satisfy these demands because of process complexities and the high cost to achieve sub-micron channel length. Despite these barriers, solvent sensitivity towards organic semiconductors, electrode patterning and masking make this process more challenging than are associated with current technologies. Therefore, the need for production of a low cost high efficiency OFET is of high importance. The soluble organic semiconductor exhibits promising device properties. The growing demand of organic electronics poses great difficulty in adapting standard photolithography patterning for fabrication. The main issue is incompatibility in handling organic materials. To circumvent these challenges, a novel fabrication process has been developed to build OFETs in vertical geometry. The novelty of this process allows for creation of sub-micron channel devices at very low cost. Solution processed VOFET devices are fabricated using a 13,6-N-sulfinylacetamidopentacene (NSFAAP) precursor. Low cost fabrication techniques such as spin coating and drop casting are employed for achieving submicron channel length. Nanoscale devices, i.e. channel lengths, L=265nm, 300nm and 535nm, are respectively fabricated using the spin coating technique. Output characteristics are recorded at an operational voltage of 1volt. Short channel effects dominate the device performance, resulting in a linearity effect in I-V characteristics. Strategies, such as perforated source electrode design and drop casting techniques, are evolved and employed to minimize the short channel effects. Space Charge Limited Current (SCLC) effects, better known as short channel effects, are observed during I-V characterizations at high longitudinal fields. The drop casting technique is used over Patterned Electrode (PE) for reducing these SCLC effects. Thick channel devices, i.e. L=2µm, are fabricated to minimize the SCLC effects. Low cost polyimide 3M kapton tape is used as masking material in between the stacked layers. Time-temperature balance is optimized during the precursor to pentacene growth process. Metrological characterizations such as TEM, SEM, AFM, Raman Spectroscopy and X-RD are performed to confirm the precursor to pentacene conversion. AFM scanning illustrates dendritic pentacene molecular growth at 170°C annealing. Consequently, the conversion temperature is optimized around 200°C. In life sciences, there is always striving for translational technology development that can mimic, integrate and manipulate the biological system. Electrical signals enhance the capabilities of electronics to interact and understand the signaling pathways in a biological system. Keeping this in view, the potential applications into biomedical areas, such as flexible sensors and biomedical imagers, are proposed. VOFET has been proposed as a mainstay for flexible cardiac sensors and as imagers. OFET sensors could be designed to cover highly stretchy and arbitrary cardiac tissue. Sensor web integration with pacemakers and Implantable Cardioverter Defibrillator (ICD) device systems has been proposed. The OFET imaging sensor holds potential for early detection of cancer by detecting nuclear level changes in breast cancer images. Nuclear pleomorphic (shape and size distortion of cancerous nuclei) feature detection and analysis could be a step forward in the direction of digital pathology. The conventional analysis approach is time-consuming and error prone as it depends on visual inspection by pathologists. The proposed approach is parallel in nature and supports the existing method of cancer detection.

Un nanotube de carbone est une molécule tubulaire dont les propriétés électroniques et quantiques sont tout à fait remarquables. Lorsqu'il est utilisé en tant que canal de conduction d'un transistor à effet de champ, il est possible de détecter électriquement la présence de charges stockées à proximité de celui-ci, permettant ainsi la création d'une mémoire non-volatile ultime. Dans cette thèse, nous présentons les travaux réalisés sur des transistors à nanotubes (CNTFETs) utilisés pour la détection de charges, le tout imagé par microscopie à force de Kelvin (KFM). Le calibrage de la sonde KFM sur des CNTFETs y est egalement présenté. Les mesures de transport sont ainsi couplées à la cartographie des potentiels de surface du nanodispositif. Les charges électriques sont injectées à proximité d'un nanotube de carbone à l'aide d'une pointe métalisée d'un microscope à force atomique (AFM) et directement stockées dans la surface de SiO2. Les mesures électriques du CNTFET montrent un effet de grille inverse à celui attendu par le signe des charges injectées. L'explication est donnée par la détection KFM qui permet l'observation de charges stockées dans l'environnement du nanotube et de signe opposé à celles injectées. Dans une dernière partie, une étude phénoménologique est effectuée sur l'apparition de résonances périodiques dans les caractéristiques de transfert des nanotubes. Par la connaissance du bras de levier du CNTFET déterminé par le KFM, ces résonances sont quantitativement évaluées à l'énergie des phonons optiques longitudinaux des nanotubes de carbone et du SiO2. Une statistique de type Franck Condon en considérant la présence de N sites diffuseurs est appliquée sur ces résonances et permettent, dans une première approximation, d'évaluer l'intéraction électron-phonon de notre dispositif.

Des avancées significatives dans la synthèse des matériaux semiconducteurs à large bande interdite de la famille de GaN permettent aujourd'hui la réalisation de dispositifs optoélectroniques (diodes, lasers) mais aussi celle de dispositifs électroniques (transistor). L'absence de substrat natif GaN ou AlN a pour conséquence le recours à l'hétéroépitaxie sur des substrats de nature différente comme le silicium qui présente un grand intérêt de par son prix très compétitif, la taille des substrats disponibles et sa conductivité thermique. L'orientation (111) du silicium est préférée en raison d'une symétrie de surface hexagonale, compatible avec la phase wurtzite du GaN. Néanmoins, les différences de paramètres de maille et de coefficients d'expansion thermique génèrent des défauts cristallins et des contraintes dans les matériaux élaborés qui peuvent, s'ils ne sont pas maîtrisés, dégrader les performances des dispositifs. Ce travail de thèse a porté sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) d'hétérostructures à base de GaN sur substrat Si(111) en vue de la réalisation de transistors à haute mobilité d'électrons (Al,Ga)N/GaN. Ce travail avait pour objectif l'identification des paramètres de croissance susceptibles d'avoir un impact notable sur la qualité structurale et électrique de la structure HEMT (High Electron Mobility Transistor), et notamment sur l'isolation électrique des couches tampon et le transport des électrons dans le canal. Nous montrerons l'impact notable de certains paramètres de la croissance sur la qualité structurale et électrique de la structure HEMT. Nous verrons comment la relaxation des contraintes est liée au dessin d'empilement des couches, à leurs conditions d'élaboration et à la densité de défauts.

Les composants actifs des convertisseurs de puissance empoyés pour la traction ferroviaire 1200 volts sont actuellement des IGBTs. Ceux-ci sont handicapés par leurs pertes en commutation et leur emballement thermique. L'utilisation de transistors MOS de puissance permettrait de pallier ces inconvénients. Néanmoins, à ces niveaux de tension, les transistors MOS sont pénalisés par leur compromis "tenue en tension/résistance passante spécifique". Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons étudié différents principes pour concevoir une nouvelle structure MOS performante. Nous avons arrêté notre choix sur une structure se basant sur le concept de la superjonction, réalisé par gravure profonde et diffusion de bore. Théoriquement, cette structure atteint 13 mOcm2 pour 1200 V. Une grande partie des travaux de recherche a consisté à optimiser cette structure. Pour cela, nous avons étudié l'influence des paramètres technologiques et géométriques sur le compromis "tenue en tension/résistence passante spécifique". Nous avons également développé une terminaison innovante afin d'assurer la tenue en tension du composant. Il a ensuite fallu identifier les étapes critiques du procédé de fabrication. A partir de ces résultats, nous avons réalisé une diode 1200 V qui nous a permis de valider certaines briques technologiques.

La miniaturisation des dispositifs CMOS impose d'introduire de nouveaux matériaux dans l'empilement de grille des transistors. Ainsi, l'empilement classique poly-silicium/SiO2 est remplacé par un empilement poly- silicium/métal/matériau à haute permittivité diélectrique. L'introduction de ces nouveaux matériaux nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma.<br />L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma capable de graver une fine couche de diélectrique (HfO2 dans notre cas) sélectivement par rapport au substrat de silicium sous-jacent. Cette étude montre que les plasmas à base de BCl3 sont très prometteurs dans ce domaine. En effet, les mécanismes de gravure en BCl3 reposent sur une compétition entre gravure et formation d'un dépôt de BCl sur la surface. La transition d'un régime à l'autre est contrôlée par l'énergie des ions du plasma. Comme le seuil de gravure en énergie est plus faible pour HfO2 que pour les substrats contenant du Si, il est possible d'obtenir une sélectivité de gravure infinie en ajustant l'énergie des ions judicieusement. De plus ce travail souligne le rôle important du conditionnement des parois du réacteur de gravure dans les mécanismes mis en jeu en plasma de BCl3. Enfin, des procédés de gravure répondant aux problèmes de sélectivité et d'anisotropie de gravure sont proposés pour graver la fine couche de HfO2 de grille.

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.

Ce manuscrit présente l'étude d'une nouvelle méthode de détection électronique différentielle de l'hybridation entre nucléotides, utilisant des réseaux de transistors à effet de champ et une fixation des ADN sondes de type polylysine. Les structures employées sont des réseaux d'EOSFETs, possédant une interface du type électrolyte/oxyde/semi-conducteur (EOS), qui peuvent être immergés dans un électrolyte de mesure dans lequel est plongée une électrode de référence. <br />La première partie de ce travail détaille les expériences nous ayant permis de montrer le faisabilité d'une détection électronique d'abord de polylysine, puis d'ADN sur une réseau d'EOSFETs. Des micro- ou macro-gouttelettes de solutions contenant ces bio-polymères chargés ont été déposées en des endroits prédéfinis sur les réseaux de capteurs. Ces dépots locaux induisent des variations des caractéristiques courant-tension des transistors exposés, pouvant être corrélées à un apport de charges soit positives dans le cas de la polylysine, soit négatives en ce qui concerne l'ADN. Le signal électronique est proportionnel au nombre moyen d'oligonucléotides de 20 bases par unité de surface, tant que celui-ci reste inférieur à 1000-10000 molécules par µm², avec une variation de 10 mV pour 100 à 1000 molécules déposées par µm². Une saturation du signal électronique est observée au delà. La détection de micro-dépots de faibles concentrations en bio-polymères est limitée par l'existence de signaux électroniques parasites observés avec des solutions servant aux dilutions. La variations des signaux électroniques en fonction de la concentration en sel a également été caractérisée.<br />L'utilisation d'un protocole d'hybridation sur fixation polylysine, sans étape de blocage visant à limiter l'adsorption non spécifique de cibles a conduit à la mise en évidence d'un signal différentiel de l'ordre de 5 mV lors d'hybridations et de mesures dans un électrolyte de KCl 20 mM. L'hybridation à haut sel et la détection à bas sel permettent d'obtenir des différences d'environ 15 mV. Aucun signal électronique significatif d'appariement n'a été observé en utilisant un bloqueur. La sensibilité de détection électronique de l'hybridation, estimée à 100-1000 double-brins de 20 paires de bases par µm² est proche de celle associée à la technique classique de fluorescence (0,5 à 80 double-brins par µm²).

Les mémoires volatiles représentent aujourd'hui 30% du marché des mémoires à semi-conducteurs. La tendance générale actuelle consiste à mettre au point des produits nomades capables d'emmagasiner et de restituer une grande quantité d'informations en peu de temps et pouvant fonctionner avec une faible tension d'alimentation. Dans ce cadre, cette thèse s'intéresse à la possibilité d'augmenter les performances d'une mémoire non-volatile de type EEPROM en termes de vitesse de programmation et de baisse des tensions de programmation. Nous étudions aussi la modélisation de la fermeture de la fenêtre de programmation en fonction du nombre de cycles programmation/effacement en extrayant les paramètres Fowler-Nordheim α et β sur des capacités équivalentes soumises à une contrainte électrique dynamique égale à celle que subit l'oxyde tunnel d'une mémoire EEPROM lors d'un test en endurance. Les simulations sont effectuées à l'aide d'un modèle physique compact de cellule EEPROM basé sur le calcul du potentiel de surface et du potentiel de grille flottante. Ce modèle prend en compte la non-linéarité de la capacité de la zone tunnel due à la désertion de la grille flottante en polysilicium. Nous montrons que la durée de programmation d'une cellule EEPROM peut être réduite à 10µs tout en ayant une endurance supérieure à 50000 cycles programmation/effacement. De plus, les tensions de programmation de la cellule peuvent être divisées par deux en les répartissant entre la grille de contrôle et le drain. Ceci implique l'utilisation de tensions négatives. Enfin, l'émulation du vieillissement de l'oxyde tunnel sur des capacités équivalentes montre une fermeture de la fenêtre de programmation supérieure à celle mesurée sur une cellule EEPROM. Cette fermeture plus importante est attribuée à une dégradation additionnelle de l'oxyde tunnel due aux mesures de courant Fowler-Nordheim en vue d'extraire les paramètres Fowler-Nordheim.

Nous présentons dans ce mémoire une étude sur l'influence de la texture de la couche organique sur le transport des porteurs. Pour mesurer la mobilité des porteurs, deux techniques ont été mises en place : le temps de vol et la réalisation de transistors à effet de champ. La première partie de ce mémoire est consacrée au fluorène. La synthèse d'un copolymère fluorène-fluorénone a permis d'améliorer l'empilement p-p, et donc la formation d'excimères. Cela nous a permis de comprendre l'origine du décalage vers le jaune de la luminescence du fluorène, mais aussi d'obtenir un nouveau composé présentant de très bonnes propriétés de luminescence dans le jaune. Une analogie avec les poly(alkylthiophènes) nous a permis de comprendre les limitations du transport dans les polymères de la famille du fluorène. Nous avons finalement étudié la relation texture-transport dans deux familles dérivées du thiophène : des copolymères thiophène-bipyridine et des fractions solubles de gels de polythiophène.

Dans la course à l'intégration, l'un des paramètres les plus critiques dans la fabrication des dispositifs et leur performance est la définition des grilles des transistors et en particulier le contrôle en dimension de ces grilles de transistors. Pour le nœud technologique 45nm, la variation totale de dimension devra être inférieure à 2.8nm sur une tranche de 300mm. Cela comprend la variation intrapuce, intraplaque, plaque à plaque et lot à lot. Cette thèse porte sur l'étude des interactions plasma/matériaux lors d'un procédé industriel de gravure d'une grille polysilicium pour le nœud technologique 45nm. L'analyse dimensionnelle des motifs et la caractérisation chimique des surfaces exposées aux plasmas ont permis de caractériser et d'optimiser ce procédé de gravure. L'analyse des différents contributeurs de variabilité de la dimension critique des grilles, conjuguée à la compréhension approfondie des mécanismes de gravure par plasma, a permis de mettre en place des actions correctives afin de minimiser ces sources de variations. La gravure du polysilicium est contrôlée par la formation d'une couche fluorocarbonnée se formant en surface des flancs du polysilicium. La maitrise de cette couche passivante par les conditions du plasma (pression, puissance source débit de gaz...) a permis de développer une boucle de régulation innovante afin d'optimiser le contrôle de la dispersion des CD d'un lot à un autre. La mise en place de ce genre de boucle faisant varier plusieurs paramètres de la gravure par plasma sera la clef pour le contrôle dimensionnel des futurs nœuds technologiques en microélectronique.