Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux. / Carbon nanotubes are highly promising for building electronic devices because of their quasi-unidimensional nanometer-sized geometry, and their mechanical and electronic properties, including their remarkable electrical conductance. Their functionalized derivatives, in which the nanotube sidewall is chemically modified, are also interesting for their better processability and for creating a chemically active interface between the nanotube and the environment, which is essential for applications such as nanosensors or biosensors. In this thesis, we study the mechanisms governing electrical transport in carbon nanotubes and their functional derivatives. Our experimental work was performed on electronic devices made of individual single-walled or double-walled carbon nanotubes, with or without functional adducts. In the first part, we focus on the effect of reduced dimensionality on the physics of charge injection at electrical contacts. In the second part, we study the effect of covalent functionalization on carbon nanotubes electrical transport properties. We show that the impact of chemical addition is strongly dependent on graft valence, and that it is possible to produce covalently functionalized carbon nanotube devices with excellent electrical conductance. In the third part, we explore current saturation and electrical breakdown phenomena occurring at high bias. Finally, the impact of our results on the global understanding of electrical transport in highly confined systems is discussed, along with fundamental and technological perspectives unveiled by our work.

Cette thèse est une contribution aux développements de HEMTS AlGaN/GaN sur substrat de silicium pour des applications basses fréquences sous fortes tensions (typiquement 600V) comme les commutateurs pour la domotique ou les circuits de puissance des véhicules électriques. Elle a été menée en collaboration étroite avec Picogiga International qui a réalisé toutes les épitaxies. Elle est composée de trois parties : développement d'une technologie de fabrication, étude des courants de fuite, amélioration du pouvoir isolant de la barrière et recherche d'un comportement “normally off”. La réalisation de contacts ohmiques peu résistifs est l’étape cruciale de la fabrication des HEMTs AlGaN/GaN de puissance. Une optimisation de l'empilement des métaux utilisés, de la température et du temps de recuit ainsi que la recherche d'un compromis sur la distance métallisation – gaz d'électrons, nous a permis de réaliser des contacts ohmiques proches de l'état de l'art (0,5 Ohm.mm). L’origine des courants de fuite a été systématiquement étudiée sur cinq types d'épitaxies différentes. La distance grille – drain et les courants de fuites ont été identifiés comme étant les deux facteurs limitant la tension de claquage. Selon la structure, les courants de fuite ont lieu soit à travers la grille (~e-8 A/mm à 210V), soit en parallèle au canal (e-5 A/mm). Dans les deux cas, ces courants sont comparables aux courants de fuite au travers du tampon (i.e. courants mesurés entre deux mésas). Ces courants de fuite, ont été attribués aux couches de transition nécessaires à l'adaptation de l'épitaxie des couches de nitrure sur le substrat de silicium. La réalisation de HEMT AlGaN/GaN sur silicium pour les applications à haute tension passera donc par une amélioration de ces couches tampons.Nous avons démontré qu'il est possible d'améliorer l'isolation de la barrière en AlGaN grâce à une hydrogénation du matériau. En effet un traitement de surface des transistors par un plasma hydrogène permet, par diffusion, d'y incorporer de l'hydrogène qui passive les dislocations traversantes. Après traitement, les courants de fuite de grille sont réduits et la tension de claquage est repoussée à 400V avec des courants de fuite de l'ordre de e-6 A/mm. Dans ces conditions, le claquage a alors lieu en surface de l'échantillon, il n'est plus limité que par la distance grille-drain. Ce résultat ouvre la voie à la réalisation de HEMT à forte tension de claquage (V~600V).L’effet du plasma fluoré SF6 sur les caractéristiques électriques des HEMT (AlN/GaN)/GaN (la barrière est en super-réseaux AlN/GaN) a été étudié pour la première fois dans cette thèse. Les ions fluor incorporés dans cette barrière agissent comme des donneurs qui font augmenter la densité du gaz bi-dimensionnel d'électrons et décaler la tension de pincement vers les tensions négatives. Cet effet est à l'opposé de celui observé dans les HEMT à barrière en AlGaN. Ce résultat élimine la possibilité de réaliser les HEMT (AlN/GaN)/GaN “normally off” par un dopage au fluor, une technique simple et efficace qui donne de bons résultats sur les HEMT à barrière AlGaN. D’autre part, il apporte quelques réponses expérimentales aux prévisions théoriques d'utiliser le fluor pour les dopages de type n ou p dans les nitrures d'éléments III. / This thesis is a contribution to the development of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrates for low frequency and applications under high voltages (typically 600V) as switches for home automation or power circuits of electric vehicles. It was conducted in close collaboration with Picogiga who made all epitaxy. It is composed of three parts: development of manufacturing technology, study of leakage currents, improving the insulating barrier and search behavior “normally”.The realization of low resistivity ohmic contacts is the crucial step in the manufacture of AlGaN / GaN HEMTs power. Optimization of the stack of metal used, the temperature and annealing time and the search for a compromise on the distance metallization - electron gas, has allowed us to achieve ohmic contacts around the state s (0.5 Ohm. mm).The origin of the leakage current has been systematically studied in five different kinds epitaxy. The distance gate - drain and leakage currents were both identified as being factors limiting the breakdown voltage. According to the structure, the leakage currents take place either through the grid (~ e-8 A/mm at 210V), or in parallel to the channel (e-5A/mm). In both cases, these currents are comparable to leakage currents through the buffer (ie current measured between two mesas). These leakage currents were attributed to transition layers required for the adaptation of the epitaxial nitride layers on the silicon substrate. Achieving AlGaN HEMT / GaN on silicon for high voltage applications pass through to an improvement in these buffer layers.We have demonstrated that it is possible to improve the insulation of the AlGaN barrier through hydrogenation of the material. In effect a surface treatment by a hydrogen plasma allows, by diffusion, to incorporate hydrogen which passivates the through dislocations. After treatment, the gate leakage current is reduced and the breakdown voltage of 400V is pushed with leakage currents of the order e-6A/mm. Under these conditions, when the breakdown occurs at the surface of the sample, is no longer limited by the gate-drain distance. This result opens the way for the realization of HEMT with high breakdown voltage (V ~ 600V).The effect of plasma fluorinated SF6 on the electrical characteristics of the HEMT (AlN/GaN)/GaN (barrier is AlN/GaN superlattices) was studied for the first time in this thesis. The fluorine ions incorporated in the barrier act as donors that increase the density of the two-dimensional gas of electrons and the shifting to the voltage clamping negative voltages. This effect is opposite to that observed in the HEMT in AlGaN barrier. This result eliminates the possibility of the HEMT (AlN/GaN)/GaN "normally off" by fluorine doping, a simple and effective technique that gives good results on AlGaN HEMT barrier. On the other hand, it brings some experimental answers to theoretical predictions using fluorine doping for n-type or p in III nitrides.

Les progrès rapides de la microélectronique sont liées à la miniaturisation du transistor MOS. Pour limiter les courants de fuite, SiO2 a déjà été remplacé par HfO2.mais de nouveaux diélectriques de grande constante diélectrique (high-k) devront être intégrés pour poursuivre cette progression. Le microscope à force atomique (AFM) en mode Conductive-AFM (C-AFM) est aujourd'hui un outil incontournable pour la caractérisation électrique des diélectriques en couche mince à l'échelle nanométrique. Dans nos travaux, nous avons cherché à étudier les limites du C-AM. Le C-AFM consiste à utiliser une pointe AFM comme électrode supérieure afin de faire des mesures de type I(V) ou des cartographies de courant. Nous avons cherché à identifier le phénomène qui conduit à la dégradation de la couche diélectrique par l'application d'une tension de pointe positive, matérialisée par la déformation de la surface. Nous avons montré qu'il s'agissait d'un effet thermique due à la forte densité de courant, ne s'apparentant pas à la DBIE observée sur dispositif, et pouvant aller jusqu'à la détérioration du substrat à l'interface. Ce phénomène, sans en être la conséquence, est largement favorisé par la présence d'eau. Ceci confirme qu'il est préférable de réaliser les caractérisations électriques sous ultra-vide malgré les contraintes expérimentales. Les études du diélectriques sont ainsi compromises puisque le mode de dégradation est en partie propre à la technique AFM et ne permet pas aisément d'extrapoler le comportement du matériau intégré dans un dispositif. De plus, l'étude statistique la dégradation de la couche (Weibull), couramment utilisée, est affectée par un biais d'interdépendance. De la même façon, la modélisation de la conduction à travers la couche doit être utilisée avec précaution, car la surface du contact électrique pointe-diélectrique demeure un paramètre incertain. La technique de pompage de charges permet de caractériser les pièges à l'interface oxyde/semi- conducteur en les sollicitant par l'application d'une tension de grille périodique. Elle permet d'extraire la densité d'état Dit(E) les sections efficaces de capture (σ(E)), mais ne donne pas d'information sur leur répartition spatiale. Nous avons donc adapté cette technique à la microscopie champ proche, la pointe AFM conductrice faisant office de grille. Sur des transistors dépourvus de grille spécialement préparés pour l’occasion, nous avons pu montrer la faisabilité de la technique, en accord satisfaisant avec les mesures macroscopiques. Nous mesurons un signal que nous associons à un courant pompé. Cependant, le signal est déformé comparativement aux mesures macroscopiques. Un modèle physique reste à développer puisque dans notre cas, les charges minoritaires doivent traverser depuis la source et le drain un espace non polarisé par la grille. Par la suite, un dispositif de cartographie des défauts d'interface, éventuellement résolue en énergie, pourra être développé. / The rapid progress of the microelectronic is obtained by the strong reduction of the dimensions of the MOS transistor. In order to reduce the leakage currents SiO2 is nox replaced by HfO2, but new dielectrics with a high permittivity (high-k) will have to be integrated in the future so that the progession continues. The atomic force microscope (AFM) in Conductive-AFM (C-AFM) mode is an ideal tools for the electrical characterization of thin oxide films at the nanometric scale. In our work, we have tried to study the limits of the C-AFM. C-AFM consists in using an AFM tip as a top electrode in order to perform Intensity-Current (I-V) curves or mapping the current. We have tried and identify the phenomenon which lead to the degradation of the dielectric layer during the application of the positive voltage bias on the tip, which results in a deformation of the surface under study. We have shown that it is a thermal effect due to a large density of current, which is different from dielectric induced breakdown epitaxy (DBIE) observed on the devices, and which may even lead to the degradation of the susbstrate at the interface. This phenomon is favored by the presence of water on the surface although it is not its consequence. This confirms that such electrical measurements should be performed in ultra-high vacuum in spite of the consequences in terms of complexity of the measurement setup. As a consequence, the study of the dielectric material are questionned since the degradation process is partly due to the AFM technique itself and does not allow to extrapolate easily the behaviour of the integrated device. Moreover, the statistical study of the degradation of the layer (Weibull), commonly used, is affected by a bias (measurements are interdependent). In the same way, the modeling of the conduction through the layer must be questionned because the surface of the electrical contact between the tip and the dielectric layer remains a very variable parameter. The charge pumping technique, which consists in caracterizing the traps at the semiconductor / dielectric interface by filling/emptying them with the application of an alternating gate voltage. It allows to extract the states density (Dit(E) and the capture cross section (σ(E)) but does not provide any information about their repartition on the interface. So, we have adapted this technique to the scanning probe microscopy with the conducting AFM probe as a gate. Using gate-less transistors fabricated in the frame of this work, we have demonstrated the feasability of this technique with a satisfying agreement with macroscopic measurements. We are able to measure a signal that can be related to charge pumping. However, the signal is distorted compared to macroscopic measurements. Modeling is needed because in our case, minority carriers must travel from source to drain via a non polarised area. As a perspective, an energetically resolved method to map the interfacial defects might be developed.

Les techniques d'élaboration du matériau SiN[x], par LPCVD à partir du mélange disilane/ammoniac et par RTCVD à partir du mélange silane/ammoniac, ont été étudiées. L'obtention de films de stoechiométrie SiN[x] quelconque, uniformes en épaisseur et en composition, a ainsi été démontrée et un nouveau matériau, le silicium dopé azote baptisé NIDOS a été mis en évidence. L'étude de l'oxydation thermique du NIDOS a montré un effet de ralentissement de l'oxydation dû à la teneur en azote du film. Nous avons mis en évidence l'interférence des diffusions des espèces oxydantes et des atomes d'azote au cours de l'oxydation. Nous en avons déduit deux méthodes d'obtention d'oxynitrure SiO[x]N[y]: soit par oxydation thermique du NIDOS, soit par recuit de NIDOS déposé sur une couche d'oxyde enterrée. Nous avons enfin étudié la compatibilité du NIDOS avec les impératifs de la technologie silicium (rugosité, résistivité, propriétés de barrière à la diffusion des dopants), puis nous avons démontré la faisabilité de structures métal/oxynitrure/semi-conducteur utilisant une couche isolante oxynitrurée obtenue par oxydation ou recuit de NIDOS. La caractérisation électrique de ces structures a montré d'excellentes qualités isolantes: des champs électriques de claquage de 20 MV/cm et des charges stockées au claquage de 150C/cm[2] ont été mis en évidence

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux. / Carbon nanotubes are highly promising for building electronic devices because of their quasi-unidimensional nanometer-sized geometry, and their mechanical and electronic properties, including their remarkable electrical conductance. Their functionalized derivatives, in which the nanotube sidewall is chemically modified, are also interesting for their better processability and for creating a chemically active interface between the nanotube and the environment, which is essential for applications such as nanosensors or biosensors. In this thesis, we study the mechanisms governing electrical transport in carbon nanotubes and their functional derivatives. Our experimental work was performed on electronic devices made of individual single-walled or double-walled carbon nanotubes, with or without functional adducts. In the first part, we focus on the effect of reduced dimensionality on the physics of charge injection at electrical contacts. In the second part, we study the effect of covalent functionalization on carbon nanotubes electrical transport properties. We show that the impact of chemical addition is strongly dependent on graft valence, and that it is possible to produce covalently functionalized carbon nanotube devices with excellent electrical conductance. In the third part, we explore current saturation and electrical breakdown phenomena occurring at high bias. Finally, the impact of our results on the global understanding of electrical transport in highly confined systems is discussed, along with fundamental and technological perspectives unveiled by our work.

Nous étudions de façon expérimentale les mécanismes d'excitation et de relaxation électroniques, sous irradiation par impulsion laser (UV et IR) ultracourte (60 fs - 1 ps), dans les matériaux diélectriques à large bande interdite. Les régimes explorés vont de l'ionisation sans modification permanente (quelques TW/cm²) jusqu'au régime ablatif (dizaines de TW/cm²). L'objectif de ce travail à caractère fondamental est la compréhension du processus d'endommagement laser dans nos conditions d'irradiation. D'abord, la connaissance de la densité électronique du matériau irradié aux différents stades d'excitation permet la quantification de cette interaction. La technique d'interférométrie résolue en temps est utilisée pour mesurer de façon directe cette quantité d'excitation. Cette mesure, effectuée au seuil de claquage pour différentes durées d'impulsion remet en question l'utilisation de densité d'excitation critique comme critère universel d'endommagement. Un nouveau critère, lié à l'énergie échangée est proposé. D'autre part, l'utilisation d'un schéma expérimental à deux impulsions " pompes " a permis la distinction des mécanismes d'excitation intervenant à l'échelle temporelle de l'ordre de la durée des impulsions utilisées. Nos résultats indiquent des comportements différents selon les matériaux utilisés. L'existence d'une avalanche électronique est observée dans certains matériaux (SiO2, NaCl) alors que ceci n'est pas le cas pour d'autres (Al2O3, MgO). Ces différences seront discutées en détail. Ensuite, nous mesurons le spectre en énergie des électrons excités par une technique complémentaire : la spectroscopie de photoémission. Ces résultats ont permis d'une part de montrer l'existence d'un effet croisé entre deux impulsions " pompes " qui se traduit par une augmentation de l'énergie des photoélectrons et d'autre part la mesure des temps caractéristiques de relaxation des électrons selon leur énergie cinétique. Enfin, une étude morphologique des cratères résultants de l'ablation a été effectuée et ce pour différents paramètres d'irradiation avec une seule impulsion (nombre de tirs, énergie et durée de l'impulsion) ainsi que pour le cas de l'association de deux impulsions en fonction de leur délai.

La thèse porte sur les propriétés thermodynamiques, de transport, de diffusion de rayonnement, et diélectriques des mélanges CO2-N2 contaminés par du cuivre, pour des températures de 300 - 30,000 K et des pressions 0.1 - 16 bar. Les motivations de ce travail ainsi qu'un état de l'art sur le remplacement du SF6 et l'influence des vapeurs métalliques dans de tels dispositifs sont présentés dans le chapitre 1. Le chapitre 2 étudie les compositions à l'équilibre calculées à partir de la méthode de minimisation de l'énergie libre de Gibbs, en considérant la présence de phases condensées dans le plasma. A partir de ces compositions, nous présentons les propriétés thermodynamiques comme la densité de masse, l'enthalpie et la chaleur spécifiques à pressions constante. Les corrections de Virial et Debye-Hückel sont prises en compte pour tenir compte de l'effet des ions et des hautes pressions. Dans le chapitre 3, les coefficients de transport (conductivité électrique, viscosité, et conductivité thermique) et les coefficients de diffusion combinés (coefficients de diffusion ordinaires combinés, ceux liés au champ électrique, aux gradients de pression et de température) sont calculés selon la théorie de Chapman-Enskog. Les intégrales de collision nécessaires au calcul de ces coefficients sont obtenues pour les interactions neutre-neutre et neutre-ion à partir d'un potentiel de Lennard-Jones modifié. Dans le chapitre 4, les coefficients d'émission nette (CEN) sont calculés en considérant le rayonnement des raies atomiques, du continuum atomique, des raies moléculaires et du continuum moléculaire. Les élargissements en pression des raies (élargissements de Van der Waals et de résonance), les élargissements Stark, et l'élargissement sont pris en compte dans la détermination d'un facteur de fuite qui permet de simplifier le calcul du coefficient d'émission des raies. Le rayonnement du continuum atomique tient compte de l'attachement radiatif, de la recombinaison radiative et du Bremsstrahlung. Dans le chapitre 5, les propriétés diélectriques de claquage (incluant la fonction de distribution d'énergie des EEDF), le coefficient réduit d'ionisation réduit, le coefficient réduit d'attachement électronique, le coefficient effectif réduit d'ionisation, et le champ critique réduit) du gaz chaud ont été calculés sur la base de l'approximation à deux termes de l'équation de Boltzmann. Les interactions, incluant les collisions élastiques, excitation, ionisation et attachement entre électrons et espèces neutres sont pris en compte dans la résolution de l'équation de Boltzmann. Les sections efficaces d'ionisation de Cu2 et CuO non disponibles dans la littérature ont été calcules selon la méthode DM. La conclusion des travaux et leurs perspectives sont présentés dans le chapitre. / Sulfur hexafluoride (SF6) is a greenhouse gas designated by the Kyoto Protocol because of its extremely high global warming potential (GWP). CO2, N2, and their mixtures have the potential to replace SF6 in certain applications, such as circuit breakers. In these electric apparatus, copper vapour resulting from the heating of electrodes can modify the characteristics of arc plasmas, which must be taken into account when setting up physical models. This dissertation, therefore, investigates the thermodynamic, transport, diffusion, radiation, and dielectric breakdown properties of CO2-N2 mixtures contaminated by copper at temperatures of 300 - 30,000 K and pressures of 0.1 - 16 bar. The equilibrium compositions are calculated using the minimization of Gibbs free energy with consideration of condensed species. Copper vapour is found to condense at temperatures below 3000 K. Based on the compositions, the thermodynamic properties, including mass density, specific enthalpy, and specific heat at constant enthalpy, are determined according to their definitions. The Debye-Hückel corrections are also considered in the calculation of compositions and thermodynamic properties. The transport coefficients (including electrical conductivity, viscosity, thermal conductivity) and combined diffusion coefficients (including the combined ordinary diffusion coefficient, combined electric field diffusion coefficient, combined temperature diffusion coefficient and combined pressure diffusion coefficient) are calculated based on the Chapman-Enskog theory. The newly developed Lennard-Jones like phenomenological model potential is adopted to describe the neutral-neutral and neutral-ion interactions in determining collision integrals. The net emission coefficients (NEC) of gas mixtures are calculated with considering atomic lines and continuum and molecular bands and continuum. The pressure broadening (Van der Waals broadening and the resonance broadening), Stark broadening, and Doppler broadening are taken into account in the determination of escape factors. The continuum radiation of atoms is described by radiative attachment, radiative recombination, and Bremsstrahlung. The dielectric breakdown properties (including EEDF, reduced ionization coefficient, reduced electron attachment coefficient, reduced effective ionization coefficient, and reduced critical electric field strength) of hot gas mixtures are calculated based on the two-term approximation of the Boltzmann equation. The interactions, including elastic, excitation, ionization and attachment collisions, between electrons and neutral species are taken into account in solving the Boltzmann equation. The ionization cross sections of Cu2 and CuO which are unavailable in literatures are calculated using the DM method. Compared with SF6-Cu mixtures, CO2-N2-Cu mixtures present much different thermophysical, radiation, and dielectric breakdown properties. As an arc quenching gas, CO2-N2-Cu mixtures have lower ??Cp and thermal conductivity at low temperatures but present higher ??Cp, thermal conductivity, and NEC in the medium temperature range. As an insulating medium, the hot CO2-N2-Cu mixtures have much poorer dielectric strength below 2000 K, whereas above 2000 K, they present better dielectric breakdown performance than SF6-Cu mixtures.

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. / Breakdown (BD) progressivity for oxides thicker than 20nm may allow circuit lifetime extension; for design purpose and reliability questions, it is now very important to include soft BD failure in compact models in order to predict circuit's parameters variability. After studying the impact of current leakage on a charged layer, we set up a low level simulation model, able to reproduce parameters deviation measured on MOSFET from the 45nm node. Empirical laws of parameter's variability due to this degradation have been used to build up a compact model of damaged device. Our observations have allowed several improvements of BD understanding and led to major simplifications in BD compact modelling. Our simulations of small circuits show a good agreement with published measures and allow an estimation of BD impact on circuits, such as circuit's parameters deviation and power consumption increase estimation.

Une baisse constatée de la résistivité de l'isolation en PVC de certains câbles haute tension unipolaires conduit à s'interroger sur leur aptitude à assurer leur fonction. Cette étude avait pour objectif de fournir des éléments de réponse concernant en particulier l'origine de cette variation de résistivité et ses conséquences sur la tenue diélectrique. Les caractérisations ont porté sur des câbles usagés dont les propriétés avaient évolué au cours de leur utilisation. Les caractérisations physico-chimiques (spectroscopie et microscopie IR, spectroscopie UV, MEB-EDX et coulométrie) ont mis en évidence que le vieillissement du câble résultait d'un mécanisme de déshydrochloruration. La présence de deux modes de conduction dans le matériau a été observée : une conduction électronique à basse température (< -10°C) et une conduction ionique à température ambiante et au-delà. La présence de ces deux modes de conduction est compatible avec le mécanisme de déshydrochloruration. Au contraire d'une loi d'Arrhénius, les vieillissements artificiels ont mis en évidence un effet de seuil de température dans l'activation du mécanisme à l'origine de la chute de résistivité. La tenue diélectrique des câbles a été confortée par des essais à des tensions ou à des températures bien au-delà des valeurs nominales. Les mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont mis en évidence des surchauffes ponctuelles plus ou moins prononcées qui se corrèlent aux chutes de résistivités constatées, et peuvent donc être considérées comme étant à l'origine des évolutions constatées. / The observed decrease in the resistivity of the PVC insulation of some high voltage unipolar cables led to question their ability to perform their function. Provide answers concerning in particular the origin of the variation in resistivity and the impact on the dielectric strength were the objectives of this study. The characterizations were carried on cables withdrawn from service whose properties had changed during their use. Physico-chemical characterization (IR microscopy, UV spectroscopy, SEM - EDX and coulometry) showed that aging of the cable resulted from a mechanism of dehydrochlorination. The presence of two modes of electric conduction in the material was observed: electronic conduction at a low temperature (< -10 ° C) and ionic conduction at room temperature and beyond. The presence of these two modes of conduction is consistent with the mechanism of dehydrochlorination. In contrast to an Arrhenius law, artificial aging showed a threshold effect in the thermal activation of the mechanism at the origin of the resistivity drop. The dielectric strength of the cable has been confirmed by tests at voltages or temperatures well beyond the nominal values. Measurements of differential scanning calorimetry (DSC) showed occasional more or less pronounced overheatings that correlate with the resistivity drops, and can therefore be considered as being at the origin of the observed evolutions.

Ce travail porte sur la caractérisation physico-chimique de l'huile de Jatropha Curcas et sa capacité à remplacer l'huile minérale dans les transformateurs de puissance. Ce produit présente plusieurs avantages sur les autres huiles végétales comme l'huile de palme ou l'huile de colza, qui recommandent sa production et son utilisation. En effet, la plante de Jatropha Curcas peut être cultivée sur des sols pauvres à faibles précipitations, évitant ainsi d'utiliser des sols plus fertiles pour sa culture permettant ainsi aux petits exploitants de réserver leurs terres aux cultures de base. Cette plante peut pousser facilement dans des zones où les niveaux de précipitations annuelles sont nettement inférieures à celles requises par d'autres espèces telles que le colza, le tournesol, le soja, le maïs, le palmier à huile et d'autres. Elle peut être cultivée sur tous les types de sol en Indonésie, même sur des terres arides, dans de nombreuses régions de l'Indonésie orientale, inexploitées en raison des difficultés à planter d'autres cultures. En outre, l'huile de Jatropha Curcas est un produit non alimentaire. En faisant subir à l’huile de Jatropha Curcas brute une estérification à base alcaline avec de l'hydroxyde de potassium (KOH), on obtient de l’huile de méthylester de Jatropha Curcas (JMEO) dont la viscosité et l’acidité sont acceptables pour les équipements à haute tension en particulier pour les transformateurs de puissance. Les propriétés physico-chimiques et électriques de JMEO ont été mesurées ainsi que celles de l'huile minérale (MO) pour la comparaison. Pour les propriétés physico-chimiques, il s’agit de la densité relative, la teneur en eau, la viscosité, l'acidité, l'indice d'iode, la corrosivité, le point d'éclair, le point d'écoulement, la couleur, l'examen visuel, et la teneur en ester méthylique. Quant aux propriétés électriques, elles concernent la rigidité diélectrique sous différentes formes de tension (alternative, continu et choc de foudre), les phénomènes de pré-claquage et de claquage sous choc de foudre, les décharges glissantes sur les surfaces de carton comprimé, immergé dans JMEO et MO. Les résultats obtenus montrent que les tensions de claquage moyennes en continu et en choc de foudre des huiles JMEO et MO sont très proches ; la tension de claquage moyenne de JMEO est même plus élevée que celle de l'huile minérale (de type naphténique). La mesure des tensions de claquage des mélanges d'huiles «80% JMEO + 20% MO» et «50% JMEO et 50% MO» montrent que la tension de claquage du mélange «80% JMEO + 20% MO» est toujours supérieure à celle de l'huile minérale sous tensions alternative et continue. Cela indique que le mélange d'huile minérale et de JMEO avec un rapport de 20:80 ne dégrade pas ses performances. Le mélange d'huiles peut se produire lors du remplacement de l'huile minérale par JMEO dans les transformateurs installés et en exploitation. L'analyse des caractéristiques des streamers (la forme, le temps d'arrêt, le courant associé et la charge électrique) se développant dans les huiles JMEO et MO sous tension impulsionnelle de foudre, montre une grande similitude. Aussi, la longueur finale (Lf) et la densité des branches des décharges surfaciques se propageant sur le carton comprimé immergé dans l'huile de Jatropha Curcas de méthylester (JMEO) et de l'huile minérale (MO), sous tensions de choc de foudre positif et négatif (1,2/50 μs), pour deux configurations d'électrodes divergentes (électrode pointe haute tension perpendiculaire et tangente au carton, respectivement), sont fortement influencées par l'épaisseur du carton comprimé. Pour une épaisseur donnée, Lf augmente avec la tension et décroît lorsque l'épaisseur augmente. Lf est plus long lorsque la pointe est positive que lorsque la pointe est négative. Pour une tension et une épaisseur du carton comprimé donnée, les valeurs de Lf dans l’huile minérale et l’huile JMEO sont très proches. [...] / This work is aimed at the investigation of the physicochemical characterization of Jatropha Curcas seeds oil and its capacity to be an alternative option to replace mineral oil in power transformers. This product presents several advantages that recommend both its production and usage over those of other vegetable oils as crude palm oil and rapeseeds oil. Indeed, it may be grown on marginal or degraded soils avoiding thus the need to utilize those more fertile soils currently being used by smallholders to grow their staple crops; and it will readily grow in areas where annual rainfall levels are significantly lower than those required by other species such as palm oil, rape-seeds oil, sunflower oil, soybeans oil, corn oil and others. For instance, these plants can grow on all soil types in Indonesia, even on barren soil. The barren soil types can be found in many parts of eastern Indonesia that remain untapped because of the difficulty planted with other crops. Moreover, jatropha curcas oil is nonfood crops. Jatropha Curcas oil was processed by alkali base catalyzed esterification process using potassium hydroxide (KOH) to produce Jatropha Curcas methyl ester oil (JMEO) has a viscosity and a acidity that are acceptable for high voltage equipment especially in power transformer. The physicochemical and electrical properties of JMEO were measured as well as those of mineral oil (MO) for comparison. The physicochemical properties cover relative density, water content, viscosity, acidity, iodine number, corrosivity, flash point, pour point, color, visual examination, and methyl ester content. Meanwhile the electrical properties cover dielectric strength under AC, DC and lightning impulse voltages, pre-breakdown / streamers under lightning impulse voltage, creeping discharge over pressboard immersed in JMEO and MO. The obtained results show that the average DC and lightning impulse breakdown voltages of JMEO and MO are too close, even the average AC breakdown voltage of JMEO are higher than that of mineral oil (napthenic type). The measurement of breakdown voltages of two oil mixtures namely “80% JMEO + 20% MO” and “50% JMEO and 50% MO” shows that the breakdown voltage of the first mixture (i.e., “80%JMEO+20%MO”) is always higher than that of mineral oil under both AC and DC voltages. This indicates that mixing 20:80 mineral oil to JMEO ratio does not degrade its performance. The mixing of oils can occur when replacing mineral oil by JMEO in installed transformers. The analysis of the streamers characteristics (namely; shape, stopping length, associated current and electrical charge) developing in JMEO and MO under lightning impulse voltages, shows that these are too close (similar). It is also shown that the stopping (final) length Lf and the density of branches of creeping discharges propagating over pressboard immersed in Jatropha Curcas methyl ester oil (JMEO) and mineral oil (MO), under positive and negative lightning impulse voltages (1.2/50 μs), using two divergent electrode configurations (electrode point perpendicular and tangential to pressboard), are significantly influenced by the thickness of pressboard. For a given thickness, Lf increases with the voltage and decreases when the thickness increases. Lf is longer when the point is positive than with a negative point. For a given voltage and thickness of pressboard, the values of Lf in mineral oil and JMEO are very close. It appears from this work that JMEO could constitute a potential substitute for mineral oil for electrical insulation and especially in high voltage power transformers.