Depuis la découverte des polymères conducteurs, de nombreuses études ont été menées afin d’utiliser ces nouveaux matériaux semiconducteurs en tant que couche active de composants électroniques. Dans cette thèse nous nous intéressons à deux composants clés de l’électronique organique : Les transistors à effet de champs et les mémoires à nano-grille flottante seront réalisés à la fois sur des substrats rigides et flexibles. Pour l’optimisation de nos dispositifs, nous avons choisi de travailler sur les interfaces.Tout d’abord, des monocouches auto-assemblées SAMs ont été utilisés pour optimiser les interfaces électrode/SCO et diélectrique/SCO de l’OFET : des mobilités de 0.68 cm2V-1S-1 et des rapports on/off ˃106 ont été obtenus. Par la suite, nous avons fabriqué des dispositifs de mémoire à simple grille flottante SFG en utilisant les en nanoparticules (NP) d’or et à double grille flottante DFG en utilisant les NP d’or et des feuillets de graphène comme couches de piégeage de charges. En particulier, les DFG avec PFBT présentent en effet d'excellentes performances (une large fenêtre mémoire de 51 V et un temps de rétention stable et de plus de 108s).Ensuite, nous avons fabriqué tous les dispositifs sur des substrats souples en kapton avec des processus de fabrication simples et à basse température. Ces NFGM flexibles ont été caractérisés et leurs performances mesurées (fenêtre mémoire de 23V). Nous avons également mis en évidence un piégeage multi-niveaux dans les NP. De plus, ces composants ont montré une bonne résistance aux tests de flexibilité et de pliage et une stabilité très satisfaisante (supérieure à 500 cycles). / Organic field effect transistor (OFET) and organic based nano-floating gate memory (NFGM) devices are essentially expected to meet emerging technological demands that realizing flexible and wearable electronic devices. The objective of this thesis is to develop and optimize the pentacene OFET and NFGM based on rigid and flexible substrates. First, self-assembled monolayers (SAMs) were used to optimize the OFET, a high mobility of 0.68 cm2V-1S-1 and current on/off ratio ˃106 were obtained. Then, we fabricated single floating gate (SFG) and double floating gate (DFG) memory devices by using gold nanoparticles (Au NPs) and reduced graphene oxide (rGO) sheets as charge trapping layers. In particular, the DFG with PFBT exhibits excellent memory performances, including the large memory window of 51 V, and the stable retention property more than 108 s. Third, we fabricated all organics based OFET and NFGM on kapton flexible substrates with simple fabrication process under low temperature. The large memory window of 23 V was obtained, and the multi-level data storage performance was observed for our flexible NFGM devices. In addition, the bending stability/mechanical stability test present high current on /off ratio ˃105, retention time ˃104, as well as cycling exceed 500 cycles. Based on the experiments results of this work, we highlight the efficient ways to optimize the OFET and fabricate the high performances of flexible NFGM by simple fabrication process.

Le marché des mémoires non volatiles à grille flottante connaît actuellement un essor considérable du fait de leur utilisation croissante dans tous les domaines d'applications de l'électronique et par conséquent dans de très nombreux secteurs industriels. Cependant ces dispositifs mémoires se heurtent aujourd'hui à une limite technologique liée à l'impossibilité de réduire l'épaisseur de la couche d'oxyde tunnel SiO$_{2}$ qui isole la grille flottante contenant l'information. En effet, en deçà d'une épaisseur critique de l'ordre de $7\,nm$, l'oxyde tunnel est le siège de courants de fuite induits par les cycles répétés de programmation, qui engendrent des pertes de charge diminuant drastiquement le temps de rétention et la durée de vie des cellules mémoires. Ces courants de fuite sont communément appelés courants SILC (Stress Induced Leakage Current).<br /><br />Durant cette thèse, dans l'objectif d'obtenir des mesures fiables des courants SILC, nous avons mis en \oe uvre un banc de mesure très bas niveau permettant d'atteindre la résolution ($10^{-15}\,A$) des appareillages de mesures les plus performants du marché. Nous avons ensuite implémenté la technique dite "de la grille flottante" qui permet d'atteindre de façon indirecte des niveaux de courant inférieurs à $10^{-16}\,A$. À partir de nombreuses mesures expérimentales réalisées sur des oxydes tunnel de $7 - 8\,nm$ issus d'une technologie FLOTOX\ EEPROM, un modèle de conduction tunnel assisté par pièges a été développé permettant, à l'aide d'une nouvelle méthodologie, d'extraire les profils de distributions spatiale et énergétique des défauts dans l'oxyde. Le chargement stable de ces défauts permet de rendre compte de la dérive de la loi Fowler-Nordheim responsable de la fermeture de fenêtre de programmation des cellules mémoires. Le modèle développé conduit finalement à une bonne simulation des caractéristiques de conduction de l'oxyde tunnel dans tous les domaines de champ électrique et en fonction du niveau de dégradation.<br /><br />Finalement, les structures à grille flottante ont été modélisées d'un point de vue dynamique. L'influence des pulses de programmation sur les différentes grandeurs électriques dans les cellules mémoire a été analysée ainsi que les cinétiques de perte de charge en fonction du courant de fuite dans l'oxyde tunnel. A partir des mesures réalisées sur des structures de test grille flottante, les temps de rétention sur cellule élémentaire ont été extrapolés.

Les mémoires à nanocristaux de silicium sont considérées comme l'une des solutions les plus intéressantes pour remplacer les grilles flottantes dans les mémoires Flash pour des applications de mémoires non-volatiles embarquées. Ces nanocristaux sont intéressants pour leur compatibilité avec les technologies de procédé CMOS, et la réduction des coûts de fabrication. De plus, la taille des nanocristaux garantie un faible couplage entre les cellules et la robustesse contre les effets de SILC. L'un des principaux challenges pour les mémoires embarquées dans des applications mobiles et sans contact est l'amélioration de la consommation d'énergie afin de réduire les contraintes de design de cellules. Dans cette étude, nous présentons l'état de l'art des mémoires Flash à grille flottante et à nanocristaux de silicium. Sur ce dernier type de mémoire une optimisation des principaux paramètres technologiques a été effectuée pour permettre l'obtention d'une fenêtre de programmation compatible avec les applications à faible consommation d'énergie. L'étude s'attache à l'optimisation de la fiabilité de la cellule à nanocristaux de silicium. On présente pour la première fois une cellule fonctionnelle après un million de cycles d'écriture et effacement dans une large gamme de températures [-40°C;150°C], et qui est capable de retenir l'information pendant dix ans à 150°C. Enfin, une analyse de la consommation de courant et d'énergie durant la programmation montre l'adaptabilité de la cellule pour des applications à faible consommation. Toutes les données expérimentales ont été comparées avec les résultats d'une cellule standard à grille flottante pour montrer les améliorations apportées. / The silicon nanocrystal memories are one of the most attractive solutions to replace the Flash floating gate for nonvolatile memory embedded applications, especially for their high compatibility with CMOS process and the lower manufacturing cost. Moreover, the nanocrystal size guarantees a weak device-to-device coupling in an array configuration and, in addition, for this technology it has been shown the robustness against SILC. One of the main challenges for embedded memories in portable and contactless applications is to improve the energy consumption in order to reduce the design constraints. Today the application request is to use the Flash memories with both low voltage biases and fast programming operation. In this study, we present the state of the art of Flash floating gate memory cell and silicon nanocrystal memories. Concerning this latter device, we studied the effect of main technological parameters in order to optimize the cell performance. The aim was to achieve a satisfactory programming window for low energy applications. Furthermore, the silicon nanocrystal cell reliability has been investigated. We present for the first time a silicon nanocrystal memory cell with a good functioning after one million write/erase cycles, working on a wide range of temperature [-40°C; 150°C]. Moreover, ten years data retention at 150°C is extrapolated. Finally, the analysis concerning the current and energy consumption during the programming operation shows the opportunity to use the silicon nanocrystal cell for low power applications. All the experimental data have been compared with the results achieved on Flash floating gate memory, to show the performance improvement.

Depuis une vingtaine d'années, l'industrie de la microélectronique et en particulier le marché des mémoires non-volatiles connaît une évolution considérable, en termes d'augmentation de la capacité d'intégration et de diminution du prix de revient. Ceci a permis au grand public d'accéder aux produits électroniques (téléphones portables, baladeurs MP3, clés USB, appareils photos numériques...) qui connaissent actuellement un énorme succès. Cependant, la miniaturisation des mémoires Flash risque de rencontrer des limitations. C'est pourquoi les industriels et les laboratoires recherchent actuellement de nouvelles voies qui permettraient de prolonger la durée de vie de ces dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif premier de cette thèse est l'étude expérimentale et théorique des mémoires non-volatiles à nanocristaux de silicium. Nous avons montré les différentes possibilités d'intégration des nanocristaux de silicium à partir d'un procédé de fabrication standard. Un démonstrateur Flash NOR 32 Mb à nanocristaux de silicium a été réalisé à partir d'un produit ATMEL. Nous nous sommes ensuite intéressés à la caractérisation électrique des cellules et matrices mémoires. Une étude exhaustive de l'influence des conditions de programmation ainsi que des paramètres technologiques sur les performances électriques a été menée. La modélisation de l'effacement Fowler-Nordheim et du « gate disturb » a permis de comprendre l'influence de certains de ces paramètres. Concernant l'écriture par porteurs chauds, nous avons étudié l'influence des conditions d'écriture sur la localisation de la charge à l'aide de simulations TCAD et d'un modèle analytique couplé à des mesures expérimentales.