L'étude de la fiabilité représente un enjeu majeur de la qualification des technologies de l'industrie de la microélectronique. Elle est traditionnellement étudiée en suivant la dégradation des paramètres des transistors au cours du temps, qui sert ensuite à construire des modèles physiques expliquant le vieillissement des transistors. Nous avons fait le choix dans ces travaux d'étudier la fiabilité des transistors à l'échelle microscopique, en nous intéressant aux mécanismes de ruptures de liaisons atomiques à l'origine de la création des défauts de l'oxyde de grille. Nous avons tout d'abord identifié la nature des défauts et modéliser leurs dynamiques de capture de charges afin de pouvoir reproduire leur impact sur des mesures électriques complexes. Cela nous a permis de développer une nouvelle méthodologie de localisation des défauts, le long de l'interface Si-SiO2, ainsi que dans le volume de l'oxyde. La mesure des dynamiques de créations de défauts pour des stress de type porteurs chauds et menant au claquage de l'oxyde de grille nous a permis de développer des modèles de dégradation de l'oxyde, prédisant les profils de défauts créés à l'interface et dans le volume de l'oxyde. Nous avons enfin établi un lien précis entre l'impact de la dégradation d'un transistor sur la perte de fonctionnalité d'un circuit représentatif du fonctionnement d'un produit digital.L'étude et la modélisation de la fiabilité à l'échelle microscopique permet d'avoir des modèles plus physiques, offrant ainsi une plus grande confiance dans les extrapolations de durées de vie des transistors et des produits. / Reliability study is a milestone of microelectronic industry technology qualification. It is usually studied by following the degradation of transistors parameters with time, used to build physical models explaining transistors aging. We decided in this work to study transistors reliability at a microscopic scale, by focusing on atomic-bond-breaking mechanisms, responsible of defects creation into the gate-oxide. First, we identified defects nature and modeled their charge capture dynamics in order to reproduce their impact on complex electrical measurements degradation. This has allowed us developing a new methodology of defects localization, along the Si/SiO2 interface, and in the volume of the gate-oxide. Defects creation dynamics measurement, for Hot Carrier stress and stress conditions leading to the gate-oxide breakdown, has allowed us developing gate-oxide degradation models, predicting generated defect profiles at the interface and into the volume of the gate-oxide. Finally, we established an accurate link between a transistor degradation impact on circuit functionality loss.Reliability study and modeling at a microscopic scale allows having more physical models, granting a better confidence in transistors and products lifetime extrapolation.

Chaque année, le nombre de demandeur d’organe augmente en France comme dans le reste du monde. Pour combattre ce fléau, il existe aujourd’hui des technologies permettant d’imprimer du vivant, telle que la Bioimpression Assistée par Laser (LAB). Robuste et précise, cette méthode s’appuie sur les propriétés d’interaction laser-matière pour éjecter une bio-encre constituée de cellules vivantes. Pour éviter l’utilisation d’une couche absorbante sacrificielle, généralement utilisée, on focalise directement un faisceau laser dans la bioencre afin de générer un plasma puis une bulle de cavitation. La position de cette bulle est essentiellement maitrisée pas la longueur d’onde, et sa taille est gérée par l’énergie et la durée d’impulsion du laser. Ce sont les facteurs clés pour maîtriser l’éjection de matière biologique. Cependant, l’inhomogénéité locale apportée par les cellules perturbe l’impact du laser et donc la reproductibilité des jets, mais une fois imprimées, ces cellules sont viables et permettent de reconstruire des tissus vivants. / Every year, the transplant waiting list gets bigger in France as in all over the world. To fight this curse, Bioprinting makes organ printing possible, especially with Laser Assisted Bioprinting (LAB). Robust and precise, this method use laser-matter interaction to eject a bioink made of living cells. To avoid the use of absorbing sacrificial layer, we directly focalize a laser beam into a living cells bioink, to create a plasma then a cavitation bubble. Its position, which is mainly driven by laser wavelength, and its size, managed by the energy and pulse duration, are the most important keys to control liquid jet ejection. However, the laser energy deposition and jet ejection is disturbed because of cells local concentration disparity, but when cells are printed, they are still viable and able to reconstruct living tissues.

Ce travail apporte une meilleure compréhension des propriétés diélectriques des gels isolants dans le contexte particulier de son utilisation en électronique de puissance. Différentes techniques de mesures qui, pour la plupart ont été développées dans la caractérisation des liquides isolants (visualisation de streamers, détection optique des décharges, mesure de la charge apparente) ont été utilisées. Une méthode optique permettant des mesures de décharges partielles sous tension nonsinusoïdale (ondes à front raide) a été développée. Des décharges dans des cavités et les décharges attribuées à l'effet couronne ont été identifiées. Un régime de décharges réversibles et un régime de dégradation où les propriétés d'auto-cicatrisation du matériau sont réduites ont été mis en évidence. La fréquence des décharges augmente considérablement avec la température. Elles pourraient contribuer à l'accélération du vieillissement des assemblages à long terme. Les décharges partielles apparaissent plus facilement sous tension impulsionnelle qu'en alternatif. La visualisation des phénomènes générés sous champ élevé (génération et propagation de “streamers”) permet de mieux caractériser les mécanismes mis en jeu. Les mesures conventionnelles de décharges partielles en alternatif selon la norme CEI ne sont pas pertinentes dans le cas de la caractérisation du gel sous contraintes impulsionnelle. Une étude du claquage du gel silicone dans diverses configurations d'électrodes (tailles, formes) en fonction de la température et de la forme de l'onde de tension montre qu'il dépend de la surface des électrodes. Le gel se rapproche beaucoup plus d'un liquide non polaire que d'un solide.

Ce travail de thèse traite de la conception, de l'optimisation et de la modélisation électrique d'une nouvelle génération de composants MOS de puissance, appelés FLIMOS (FLoating Islands MOSFET). La structure FLIMOS permet une nette amélioration de la résistance à l'état passant des transistors MOS de puissance. Comparée à la structure à Superjonction, la structure FLIMOS est très intéressante pour les faibles et moyennes tensions de claquage. Dans un premier temps, nous avons proposé une approche analytique permettant d'estimer la tension de claquage, la résistance passante spécifique et les capacités inter-électrodes de la structure FLIMOS. Par conséquent, nous avons défini la plage des dopages "utiles" de la zone de drift pour laquelle la structure FLIMOS était optimisée. Ensuite, nous avons démontré que le concept des îlots flottants ne dégradait pas les performances dynamiques des composants MOS de puissance. Dans un deuxième temps, un nouveau modèle SPICE des transistors MOS de puissance basse tension à canal court, a été proposé pour la première fois. Ce modèle décrit d'une façon plus exacte la zone de transition entre la zone linéaire et la zone de saturation du transistor MOS de puissance et tient compte, en plus, des effets du canal court sur la tension de seuil et la mobilité. Les paramètres de ce nouveau modèle sont les mêmes que ceux du modèle SPICE niveau 3. Enfin, le modèle a été validé en comparant les résultats des simulations SPICE aux valeurs mesurées.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des plasmas générés par interaction laser-matière en régime confiné, et plus particulièrement à leur application au traitement des matériaux par choc laser. <br />Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce régime d'interaction particulier, une modélisation originale du procédé a été développée. Un code numérique traitant les processus de claquage dans l'eau de confinement permet dans un premier temps de déterminer les caractéristiques (intensité crête et durée à mi-hauteur) de l'impulsion laser transmise à travers la fenêtre de confinement. Un modèle hydrodynamique auto-consistant traitant les plasmas confinés (plasmas froids et denses, corrélés et partiellement dégénérés) utilise ensuite ces paramètres pour calculer les chargements mécaniques et thermiques induits à la surface de la cible traitée. Pour terminer, ces chargements sont utilisés en entrée du code aux éléments finis ABAQUS afin de simuler les contraintes résiduelles d'origine mécanique et thermique induites par le traitement. <br />Les résultats de ces simulations ont été validés par comparaison avec différentes mesures expérimentales réalisées pour des conditions d'irradiation laser (longueurs d'ondes de 1064 nm et de 532 nm, durées d'impulsion de 3 ns et 10 ns) typiques des conditions opératoires réelles utilisées au niveau industriel. <br />Ces résultats montrent que les petites taches focales permettent de limiter fortement le chauffage de la cible par le plasma confiné, et donc de s'affranchir des effets thermiques induits par le traitement. Ils ouvrent donc de nouvelles perspectives quant à la réalisation du traitement par choc laser sans utiliser de revêtement thermo-protecteur. Par ailleurs, ils permettant d'expliquer les résultats obtenus avec la configuration de traitement développée par Toshiba (très petites taches focales, haute cadence, pas de revêtement protecteur), qui demeuraient incompris jusqu'alors.

Ces travaux de recherche portent sur l'évaluation de la fiabilité des Transistors Bipolaires à Hétérojonction sur substrat InP au moyen de la mise en place de techniques spécifiques adaptées. Avant tout, les procédés de fabrication de ces composants sont décrits et les caractéristiques électriques statiques sont calculées au moyen de la simulation physique. Ensuite, la caractérisation électrique statique et la modélisation associée permet l'extraction des paramètres du modèle avant les vieillissements accélérés puis leur étude statistique. Puis deux mécanismes électriques spécifiques qualifiés de parasites en relation directe avec la fiabilité de ces composants sont analysés en détail : le claquage de la jonction base-collecteur et le bruit basse-fréquence. Finalement, l'étude des mécanismes de dégradation effectuée à l'issue des vieillissements accélérés sous les différentes contraintes retenues en tension et en température met en évidence une stabilité de la technologie de ces composants.

La progressivité du claquage des oxydes de grille d'épaisseurs inférieures à 20 nm permet d'envisager une prolongation de la durée de vie des circuits. Cet enjeu majeur de la fiabilité contemporaine requiert des modèles adaptés afin de contrôler la variabilité des paramètres induites par le claquage. Après avoir étudié l'impact d'une fuite de courant sur une couche chargée, nous avons mis au point un modèle bas niveau de simulation par éléments finis, capable de reproduire la dérive des paramètres mesurée sur des dispositifs du nœud 45 nm. Des lois empiriques de ces dérives ont été injectées dans un modèle compact du transistor dégradé, simplifié par nos observations originales de la dépolarisation du canal et de la répartition des courants. Finalement nous avons simulé l'impact du claquage sur le fonctionnement de circuits simples et estimés la dérive de leurs paramètres tels que l'augmentation de la consommation due au claquage.

Pour des raisons autant écologiques qu'économiques ou techniques, des huiles de base d'esters naturels ont été utilisées pour remplacer de l'huile minérale dans les appareillages basse et moyenne tensions. Ce travail consiste en étude de caractérisation d'un mélange des esters naturels de faible viscosité (RS50) basant sur l'huile de colza pour les applications dans les transformateurs haute tension. L'influence des facteurs humidité, température, teneur en particules ainsi que vieillissement thermique sur ses propriétés diélectriques telles que : permittivité, conductivité, pertes et rigidité électrique sous tension alternative a été mise en évidence. La RS50 présente une solubilité de l'eau élevée, la conductivité, la permittivité et les pertes plus élevées que celles de l'huile minérale mais ces différences sont réduites dans des huiles vieillies. Sa rigidité électrique en tension alternative est similaire à l'huile minérale, même après le vieillissement. Pourtant, une analyse des phénomènes de préclaquage et de claquage dans des configurations particulières ont montré que les esters naturels sont moins favorables pour les applications à haute tension que l'huile minérale. Parallèlement, des études méthodologiques ont été effectuées. L'intérêt d'une application de la méthode de mesure spectroscopique fréquentielle à la caractérisation des isolants liquides est la mise en évidence et la validité des conditions de mesure de la rigidité électrique du liquide isolant, ce qui est traditionnellement imposé suivant les normes, a été discutée.

Cette thèse a pour objet l'étude et la réalisation de transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGeC à très hautes performances pour les applications de télécommunications et de détection radar (> 50 GHz). Le premier chapitre rappelle la théorie du fonctionnement du transistor bipolaire, aussi bien en régime statique que dynamique. Nous présentons ensuite dans un second chapitre un historique des technologies de fabrication des TBH SiGe, spécifiquement dans un cadre de compatibilité BiCMOS, en expliquant les choix pris en faveur d'un auto-alignement complet et d'une épitaxie sélective de la base. Les résultats obtenus dans cette thèse sont comparés aux performances de l'état de l'art. Nous étudions ensuite l'optimisation classique du TBH, et nous démontrons comment, par différentes optimisations du profil vertical et des dimensions latérales du composant, nous avons pu augmenter les fréquences fT et fMAX de 200 GHz au début de la thèse jusqu'à environ 300 GHz. La possibilité d'optimiser la tenue en tension collecteur est démontrée par des procédés technologiques en rupture avec l'optimisation classique du transistor, tels que l'émetteur métallique, l'insertion de Ge dans l'émetteur et la recombinaison en base neutre. Des améliorations significatives de BVCEO ont pu être démontrées grâce à ces procédés, ce qui permet d'obtenir des produits fT × BVCEO à l'état de l'art (> 400 GHz.V). La dernière partie de la thèse vise à étudier le comportement du TBH en fonction de la température : Nous décrivons tout d'abord l'auto-échauffement du transistor, et son impact sur les performances dynamiques. Des variantes technologiques permettant de réduire l'auto-échauffement sont étudiées (profondeur des DTI et fragmentation de l'émetteur), et un modèle simple de calcul de RTh est développé. Nous terminons par l'étude du TBH aux températures cryogéniques. fT et fMAX étant fortement améliorées à basse température (plus de 400 GHz), nous en tirons, grâce à l'extraction des différents temps de transit, des perspectives intéressantes pour l'amélioration ultérieure du composant, avec pour objectif d'atteindre des fréquences de transition de l'ordre du THz.

Ce travail est dédié aux phénomènes de préclaquage et de claquage dans les diélectriques liquides. Il est montré que dans un système d'électrodes pointe - plan, la génération des streamers est précédée par la formation d'une phase gazeuse (bulle) au voisinage de la pointe, résultant de l'injection d'une impulsion de courant dès que la tension appliquée atteint ou dépasse une certaine valeur seuil Us. Us augmente quasi-linéairement avec la pression. L'addition d'une certaine concentration de composés capteurs d'électrons augmente Us, preuve que les mécanismes électroniques sont également présents. L'analyse de la dynamique de la bulle montre que deux types de déformation de la surface de la bulle sont possibles: (i) une expansion ou une implosion et (ii) des mouvements alternatifs d'expansion et/ou implosion. Selon les modes de perturbation de l'interface, différents types de streamers peuvent prendre naissance. D'autre part, la tension de claquage d'un diélectrique liquide augmente en présence d'une concentration optimale donnée d'additifs capteurs d'électrons (Iodobenzène ou tétrachlorure de carbone). Par conséquent, en agissant sur la tension de génération des streamers, on peut améliorer la tenue diélectrique du liquide même si la vitesse des streamers est augmentée. En augmentant la pression, on peut aussi relever la tenue diélectrique d'un liquide. Une modélisation des streamers par des circuits électriques équivalents et leur résolution par le calcul de réseaux a permis de déterminer la structure des streamers ainsi que leurs paramètres caractéristiques : courants, charges, puissances et énergies injectés, champs électriques et différences de potentiel à leurs têtes, vitesse et mobilité des porteurs de charge dans le streamer, viscosité et température locales.