La réduction des dimensions des transistors MOS, brique de base des circuits intégrés, ne permet plus d'augmenter efficacement leurs performances. Une des solutions envisagées actuellement consiste à remplacer le silicium par d'autres semi-conducteurs à haute mobilité (Ge, III-V) comme matériau de canal.<br />A partir de modèles analytiques originaux, calibrés sur des simulations avancées (quantique, Monte Carlo), cette thèse démontre que, à des dimensions nanométriques, les performances attendues de ces nouvelles technologies sont en fait inférieures à celles des composants silicium conventionnels. En effet, les phénomènes quantiques (confinement, fuites tunnel) pénaliseraient davantage les dispositifs à matériaux de canal alternatifs.

A partir du noeud technologique 45 nm, le remplacement de l'oxyde de grille SiO2 par un diélectrique high-κ est nécessaire pour poursuivre la loi de Moore : l'introduction d'un tel matériau permet de maintenir une capacité de grille élevée tout en limitant le courant de fuite parasite à travers la couche diélectrique. Toutefois, les mécanismes physiques à l'origine de la réduction de courant restent méconnus. Ce manuscrit présente une étude complète de la conduction électrique dans un empilement oxyde d'interface - high-κ - grille métallique. Nous présentons dans un premier temps la modélisation Poisson-Schrödinger développée pour rendre compte de l'effet de confinement à l'interface du Silicium, prenant en compte la pénétration de charge dans l'empilement et traitant de la non-parabolicité de la bande de valence. Une étude expérimentale étendue met ensuite en évidence les mécanismes physiques à l'origine de la conduction, en s'appuyant sur un ensemble de caractéristiques Ig(Vg) et C(Vg) d'empilements d'épaisseurs variables, mesurées à basse et haute température. Des approches originales pour modéliser le transport permettent également d'établir les paramètres tunnel et la structure de bande du HfO2, tout en soulignant la nature sous-stoechiométrique de l'oxyde d'interface. Enfin, ces résultats sont appliqués à l'étude de la conduction dans des empilements high-κ avec additifs Lanthane et Magnésium, et mettent en évidence la formation d'un dipôle contribuant à diminuer la tension de seuil.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations.

Dans la recherche de solutions innovantes assurant la pérennité de la micro-électronique sur silicium, qui devra faire face, dans quelques années, à des limites, tant technologiques que théoriques, les dispositifs à blocage de Coulomb à semi-conducteur ont su dévoiler des atouts plus que prometteurs. Ainsi, ces composants d'avant-garde, basés sur le caractère quantique de la charge électrique, offrent une alternative possible aux circuits CMOS, tout en restant compatibles avec les technologies actuelles. Parallèlement à leur mise au point, une étude théorique se révèle donc de première importance afin de prédire et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs de nouvelle génération. Tel est l'objet de ce mémoire consacré à l'étude des boîtes quantiques en silicium dans le cadre d'une utilisation de type "blocage de Coulomb". Après un exposé de l'état de l'art, tant théorique qu'expérimental, en matière de composants à blocage de Coulomb, le présent travail se concentre d'abord sur l'étude des boîtes quantiques semi-conductrices (polarisées ou non) entourées d'oxyde en développant une série de modèles visant à décrire leur structure électronique. En particulier, la mise en oeuvre d'un modèle unidimensionnel capable de décrire des boîtes quantiques à symétrie sphérique se révèle très avantageux d'un point de vue du temps de calcul. Les limites de l'approximation de la masse effective, clé de voûte des modèles présentés sont, en outre, évaluées à l'aide d'une description moléculaire des nanocristaux de silicium en utilisant la méthode des combinaisons linéaires d'orbitales atomiques. La deuxième partie de ce travail de thèse est plus spécifiquement axée sur le transport des électrons par effet tunnel dans le cadre du blocage de Coulomb. La description des mécanismes de transfert de charges est basée sur le concept d'hamiltonien de transfert tunnel dont l'application au cas des composants à blocage de Coulomb métalliques et semi-conducteurs (plus particulièrement à des structures du type Métal-Isolant-Métal-Isolant-Métal ou Métal-Isolant-Boîte Silicium-Isolant-Métal) a permis la mise au point d'un simulateur reposant uniquement sur la connaissance des paramètres physiques fondamentaux du système.

L'objectif de la thèse est l'élaboration de lois de commande de haute performance et leur validation en temps réel sur une plateforme expérimentale 3D de nano-positionnement à base de courant à effet tunnel, développée au laboratoire GIPSA-lab. Elle s'inscrit donc dans le cadre des systèmes micro-/nano-mécatronique (MEMS), et de la commande. Plus précisément, le principal enjeu considéré est de positionner la pointe métallique à effet tunnel (comme en microscopie à effet tunnel STM) contre la surface métallique en utilisant des actionneurs piézoélectriques en X, Y et Z et un micro-levier (comme en microscopie à force atomique AFM) actionné électrostatiquement en Z avec une grande précision et une bande passante élevée. Cependant, la présence de différents effets indésirables apparaissant à cette petite échelle (comme le bruit de mesure, des non-linéarités de natures différentes, les couplages, les vibrations) affectent fortement la performance globale du système 3D. En conséquence, une commande de haute performance est nécessaire. Pour cela, un nouveau modèle 3D du système a été développé et des méthodes de contrôle appropriées pour un tel système ont été élaborées. Tout d'abord l'accent est mis sur de positionnement selon les axes X et Y. Les effets d'hystérésis et de fluage non linéaires présents dans les actionneurs piézoélectriques ont été compensés et une comparaison entre les différentes méthodes de compensation est effectuée. Des techniques modernes de commande robuste SISO et MIMO sont ensuite utilisées pour réduire les effets des vibrations piézoélectriques et des couplages entre les axes X et Y. Le mouvement horizontal est alors combiné avec le mouvement vertical (Axe Z) et une commande du courant tunnel et du micro-levier. Des résultats expérimentaux illustrent le nano positionnement 3D de la pointe, et des résultats de simulation pour la reconstruction de la topographie de la surface ainsi que le positionnement du micro-levier à base d'un modèle multi-modes. / The objective of this thesis was to elaborate high performance control strategies and their real-time validation on a tunneling current-based 3D nanopositioning system developed in GIPSA-lab. The thesis lies in the domain of micro-/nano mechatronic systems (MEMS) focused on applications of fast and precise positioning and scanning tunneling microscopy (STM). More precisely, the aim is to position the metallic tunneling tip (like in STM) over the metallic surface using piezoelectric actuators in X, Y and Z directions and actuated micro-cantilever (like in Atomic Force Microscope AFM), electrostatically driven in Z direction, with high precision, over possibly high bandwidth. However, the presence of different adverse effects appearing at such small scale (e.g. measurement noise, nonlinearities of different nature, cross-couplings, vibrations) strongly affect the overall performance of the 3D system. Therefore a high performance control is needed. To that end, a novel 3D model of the system has been developed and appropriate control methods for such a system have been elaborated. First the focus is on horizontal X and Y directions. The nonlinear hysteresis and creep effects exhibited by piezoelectric actuators have been compensated and a comparison between different compensation methods is provided. Modern SISO and MIMO robust control methods are next used to reduce high frequency effects of piezo vibration and cross-couplings between X and Y axes. Next, the horizontal motion is combined with the vertical one (Z axis) with tunneling current and micro-cantilever control. Illustrative experimental results for 3D nanopositioning of tunneling tip, as well as simulation results for surface topography reconstruction and multi-mode cantilever positioning, are finally given.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations.

L'objet de la thèse était la commande d'un système de nano-positionnement par couranttunnel, avec application sur la plateforme expérimentale développée au laboratoire Gipsa-lab.Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la commande des systèmes micro et nano-mécatronique,pour des applications en microscopie en champ proche ou dans des systèmes depositionnement ultra-précis. A l'échelle nanométrique, des problèmes de bruits de différentesnatures, vibrations, non-linéarités et instabilité influencent la précision et la qualité de mesuredu système. L'objectif était donc de pouvoir faire face à ces contraintes en utilisant destechniques modernes de commande robuste. Dans cette thèse, un système de mesure à couranttunnel a été modélisé et le problème de contrôle lié aux performances de mesure souhaitées aété formulé. Les performances souhaitées, à savoir la précision de la mesure et le rejet decertaines perturbations avec la robustesse adéquate, ont été atteints en utilisant des lois decommande robuste. Ces lois de commande ont été validées expérimentalement (àl'atmosphère ambiante) sur une plateforme du Gipsa-lab. À la fin de cette thèse, pour uneapplication de scanner de surface à l'échelle atomique, une modélisation dynamique MIMOdu système a été proposée et un régulateur MIMO afin de réduire l'erreur de positionnementdûe au couplage a été validé en simulations. / The objective of this thesis was to control the nano-positioning system using tunneling current with the real-time validation over an experimental platform developed in Gipsa-lab. This thesis lies in the domain of control for micro and nano-mechatronics systems for the applications of scanning probe microscopy and ultra-precise positioning. At nanometer scale, the problems of noise, vibrations, nonlinearity and instability influence the precision of the measurement. The objective was to deal with these constraints by using the modern techniques of robust control. In this thesis, a system of tunneling current measurement has been modelled and the control problem has been formulated in terms of desired measurement performances. Then, robust control design laws are analyzed in order to achieve better performances in terms of measurement precision and rejection of certain disturbances with robustness. These control laws are experimentally validated (at ambient atmosphere) for a platform of Gipsa-lab. At the end of this thesis, a dynamic modelling of MIMO system for an application of scanning the surface with an atomic resolution has been proposed and a MIMO controller in order to reduce the positioning error due to coupling has been validated in simulations.

Les modèles théoriques qui prônent l’existence d’un filtrage en symétrie dans les électrodes ferromagnétiques n’ont jamais souffert d’autre justification que leur potentiel à éclairer les résultats expérimentaux. En la matière, les jonctions tunnel magnétiques Fe/MgO/Fe(001) apparaissent être un outil approprié pour confronter expérience et théorie de par leur haute qualité cristalline, cette dernière étant essentielle pour se rapprocher au plus près des considérations théoriques. Les premières mesures de bruit basse fréquence réalisées sur ce système en démontrent la qualité remarquable, paramètres primordiaux au bon déroulement des mécanismes de transport tunnel. L’étude de la dynamique du courant a permis de montrer l’existence d’un mode de transport tunnel direct d’une électrode à l’autre et d’invalider un mode de transport séquentiel via des défauts dans la barrière. L’intégration de films minces de Cr(001) dans ce système idéal a permis de valider de façon non ambigüe l’existence effective du filtrage en symétrie suite à l’apparition d’états de puits quantiques pour une seule symétrie électronique dans des jonctions Fe/Cr/Fe/MgO/Fe. Ce résultat phare met aussi en évidence un mode de transport tunnel cohérent et balistique. La validation de ces concepts autorise l’étude de l’injection de spin dépendant des symétries dans des matériaux plus complexes, comme des films minces de Fe3O4(001). Ces derniers ont fait l’objet d’une étude structurale approfondie et ont amené à des résultats de magnéto-transport encourageants suite à leur intégration dans des dispositifs tunnel à base de MgO(001). / The symmetry-filtering into the ferromagnets as predicted by the theoreticians has never suffered of any other justification than its ability to shed the light on the experimental observations. Fe/MgO/Fe(001) junctions are then an appropriate tool to test its validity thanks to their high crystallinity. The first performed low frequency noise measurements have proved the well-suited quality of this kind of junctions and the study of the current’s dynamic through the system, its pure direct tunneling. By using Cr(001) thin films, the symmetry-filtering has been unambiguously highlighted with the occurrence of quantum-well states only for one specific electronic symmetry in Fe/Cr/Fe/MgO/Fe(001). Thus, the validity of the theoretical concepts allows investigating the symmetry-dependent spin-injection into more complex systems such as Fe3O4(001) thin films which have revealed theirselves as promising to integrate into MgO(001)-based tunnel devices.

Dans le cadre d'une étude sur les dispositifs à nanocristaux (NC) de silicium, tels que les mémoires flash à nanocristaux et le transistor à un électron, ce travail de thèse a pour objectif de modéliser avec précision le transport d'électrons par effet tunnel entre deux nanocristaux ; cela impose de tenir compte de l'élargissement des niveaux d'énergie électronique dans les NC induit par le couplage entre les électrons et les phonons. Les modes de vibration des NC de silicium de tailles variables ont dans un premier temps été calculés en utilisant l'Adiabatic Bond Charge Model (ABCM). Les résultats obtenus présentent une très bonne concordance avec les spectres Raman expérimentaux. Les densités d'états (DOS) des nanocristaux de grande taille ont été comparées avec la DOS du silicium massif. Il apparaît que les DOS sont globalement très proches, excepté dans des gammes de fréquences spécifiques où des modes de surface, inexistants dans le cristal massif, ont été identifiés. L'interaction électron-phonon a alors été prise en compte par un calcul de fonctions spectrales. Les fréquences d'interaction électron-phonon obtenues sont très grandes par rapport aux fréquences de transfert tunnel : l'interaction avec les phonons suffit donc à garantir un transport séquentiel. Le transfert tunnel d'un nanocristal à l'autre a été modélisé grâce à ces fonctions spectrales. Le courant à travers un dispositif comprenant deux nanocristaux a été calculé. L'étude de l'influence des différents paramètres sur ce courant à travers le dispositif montre une évolution conforme aux résultats attendus.

Ces travaux sont consacrés à l'étude de la dégradation des transistors MOSFETs de la génération 130nm-2nm, soumis aux injections de porteurs énergétiques générés par les champs électriques élevés. D'une manière générale, les conséquences de ces mécanismes de dégradation se retrouvent dans une dérive temporelle significative des paramètres électriques représentatifs des performances des transistors. Ces dérives sont liées au piégeage de charges dans l'oxyde et à la génération d'états électroniques à l'interface Oxyde-Silicium (SiO2-Si).<br />Cette étude présente dans un premier lieu le principe de fonctionnement de la structure MOS et l'influence de la présence d'états d'interface et de charges dans l'oxyde. Les effets dits parasites, liés à la miniaturisation des géométries, ainsi que les méthodes qui permettent de les caractériser sont présentées. Par la suite nous exposons les moyens expérimentaux qui permettent de mettre en évidence les dégradations et d'en distinguer la nature et la localisation. Ces techniques sont de type courant tension, ou par pompages de charges, et ont été adaptées et paramétrées pour répondre au spécificité de ces dispositifs à oxydes de Grille ultraminces. Ces dispositifs, ainsi que d'autres échantillons, représentatifs de technologies plus anciennes (500nm-12nm), ont été soumis à des stress statiques. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'évolution des pires cas de dégradation, mais également des mécanismes de dégradation et donc du type de défauts induits, à l'aide des techniques présentées. Enfin nous décrivons les méthodes d'extrapolation basée sur l'expression des courants de porteurs chauds dans la structure. Ces modèles ne tiennent pas compte des courants tunnels directs imposés par la finesse des oxydes (2nm), qui s'avèrent fortement dégradant dans le PMOS. Nous proposons un modèle simple qui permet de séparer les quantités de porteurs chauds d'une part, et de porteurs injectés en mode tunnel d'autre part.