Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

L'objectif de ce travail est d'étudier les transistors à effet de champ à haute mobilité électronique (HEMT) réalisés en Nitrure de Gallium par des mesures en bruit basse fréquence et de réaliser un oscillateur à faible bruit de phase en bande-X. Dans la première partie, nous décrivons succinctement les propriétés du matériau, le transistor ainsi que les sources de bruit basses susceptibles d'êtres présentes dans une structure de type HEMT. La méthodologie de mesure et le banc de bruit basse fréquence sont présentés. Une étude comparative est réalisée sur les comportements en bruit basse fréquence des composants épitaxiés sur différents substrats (Si, SiC, Al2O3). Enfin, une les variations de l'index de fréquence g du bruit en 1/fg relevées sur certains composants sont corrélées au mécanisme de transport des électrons dans la structure : pour cela, nous avons confronté les mesures en bruit basse fréquence avec des simulations physiques. La seconde partie s'intéresse aux composants épitaxiés sur un substrat de Carbure de Silicium. Une méthodologie d'extraction de composantes mathématiques du spectre de bruit basse fréquence est présentée puis validée. Des études en fonction de la polarisation et de la température ont permis de découvrir l'origine des pièges et de les localiser. Enfin, une corrélation avec une étude physique (SIMS) est présentée. Dans la troisième partie, nous développons un modèle large signal afin de réaliser un démonstrateur en bande X. Les performances à l'état de l'art de l'oscillateur sont ensuite présentées (POUT=20dBm, Lf(100kHz)=-105 dBc/Hz à 10 GHz).

Ces travaux de thèse visent à aborder la fiabilité des composants RF-MEMS (commutateurs en particulier) pendant la phase de conception en utilisant différents approches de procédés de fabrication. Ça veut dire que l'intérêt est focalisé en comment éliminer ou diminuer pendant la conception les effets des mécanismes de défaillance plus importants au lieu d'étudier la physique des mécanismes. La détection des différents mécanismes de défaillance est analysée en utilisant les performances RF du dispositif et le développement d'un circuit équivalent. Cette nouvelle approche permet à l'utilisateur final savoir comment les performances vont évoluer pendant le cycle de vie. La classification des procédés de fabrication a été faite en utilisant le Technology Readiness Level du procédé qui évalue le niveau de maturité de la technologie. L'analyse de différentes approches de R&D est décrite en mettant l'accent sur les différences entre les niveaux dans la classification TRL. Cette thèse montre quelle est la stratégie optimale pour aborder la fiabilité en démarrant avec un procédé très flexible (LAAS-CNRS comme exemple de baisse TRL), en continuant avec une approche composant (CEA-Leti comme moyenne TRL) et en finissant avec un procédé standard co-intégré CMOS-MEMS (IHP comme haute TRL) dont les modifications sont impossibles.

Grâce aux avancées de la recherche de ces dix dernières années, qui ont permis l'implémentation de plus en plus de fonctions au sein d'un système microfluidique, les " laboratoires sur puce " connaissent un essor important notamment dans le domaine de la santé. Les premiers dispositifs voient le jour dans le domaine commercial, mais un verrou important reste d'identifier des éléments circulants en faible concentration dans le sang par exemple. Les techniques de séparation simples, efficaces et modulables sont la clef de cette problématique. Nous présentons dans ce travail une voie originale de séparation magnétique grâce à des bobines planaires en cuivre combinées à un système microfluidique 3D permettant une séparation verticale efficace. L'étude consiste en la conception, la modélisation, la réalisation et le test de dispositifs appliqués à des solutions tests constituées de billes magnétiques dans un premier temps, puis de composés biologiques de culture. La réalisation des laboratoires sur puce a été faite par des procédés de photolithographie et grâce à une technologie originale de laminage de film sec. De par sa très bonne robustesse, dans le temps et face aux solvants, ainsi que sa biocompatibilité, la SU-8 est un candidat de choix pour la réalisation de ces LOC. Cette technologie nous a permis de réaliser des dispositifs tout-polymère tridimensionnels et intégrant des fonctions actives dont l'actionnement magnétique. La microélectronique a depuis longtemps permis de miniaturiser tous les éléments électroniques courants tels les capteurs et les bobines. Il est alors très intéressant de voir comment nous pouvons les intégrer dans un dispositif microfluidique pour créer des fonctions plus complexes. Nous avons pu ainsi démontrer une séparation continue de monocyte THP1 de culture avec une efficacité de 82% et des voies d'amélioration prometteuses validées avec des billes magnétiques.

Malgré les avantages de l'intégration 3D, le test, le rendement et la fiabilité des Through-Silicon-Vias (TSVs) restent parmi les plus grands défis pour les systèmes 3D à base de Réseaux-sur-Puce (Network-on-Chip - NoC). Dans cette thèse, une stratégie de test hors-ligne a été proposé pour les interconnections TSV des liens inter-die des NoCs 3D. Pour le TSV Interconnect Built-In Self-Test (TSV-IBIST) on propose une nouvelle stratégie pour générer des vecteurs de test qui permet la détection des fautes structuraux (open et short) et paramétriques (fautes de délaye). Des stratégies de correction des fautes transitoires et permanents sur les TSV sont aussi proposées aux plusieurs niveaux d'abstraction: data link et network. Au niveau data link, des techniques qui utilisent des codes de correction (ECC) et retransmission sont utilisées pour protégé les liens verticales. Des codes de correction sont aussi utilisés pour la protection au niveau network. Les défauts de fabrication ou vieillissement des TSVs sont réparé au niveau data link avec des stratégies à base de redondance et sérialisation. Dans le réseau, les liens inter-die défaillante ne sont pas utilisables et un algorithme de routage tolérant aux fautes est proposé. On peut implémenter des techniques de tolérance aux fautes sur plusieurs niveaux. Les résultats ont montré qu'une stratégie multi-level atteint des très hauts niveaux de fiabilité avec un cout plus bas. Malheureusement, il n'y as pas une solution unique et chaque stratégie a ses avantages et limitations. C'est très difficile d'évaluer tôt dans le design flow les couts et l'impact sur la performance. Donc, une méthodologie d'exploration de la résilience aux fautes est proposée pour les NoC 3D mesh.

L'étude du transport de particules en solution aux nano-échelles est de vaste intérêt et trouve! des applications dans des domaines aussi éloignés que la biologie ou la conversion d'énergie. Son étude comporte deux facettes, suivant que l'entité transportée est utilisée comme traceur, auquel cas l'intérêt consiste en la révélation d'un micro-environnement, soit elle constitue l'objet de l'étude, et il importe alors de caractériser sa dynamique dans un environnement contrôlé. Dynamique et transport sont intimement liés. Le premier terme est plus naturellement associé à l'objet individuel. Le second fait quant à lui référence à la masse, à une dynamique globale, une dynamique d'ensemble d'objets. Il n'existe a priori aucune frontière entre les deux, tout juste une différence d'échelle. La physique se joue de cette dualité si bien que le transport de plusieurs est aujourd'hui compris à partir de l'objet unique, et le comportement global est appréhendé via des mécanismes moléculaires.! Dans ce travail, nous souhaitons comprendre les propriétés de transport d'objets individuels dilués sous deux formes. La première concerne la dynamique d'objets parfaits pour la caractérisation d'un micro-environnement. La seconde concerne la dynamique d'objets dans un environnement maîtrisé. Nous avons mis en place lors de cette thèse une méthode innovante de caractérisation d'écoulements dans des canalisations sub-micrométriques. Ce travail a impliqué la construction d'un modèle basé sur la densité de probabilité de vitesse de nano-sphères dans des écoulements laminaires. Cette approche a ensuite été validée par dynamique brownienne et mise à l'épreuve pour l'étude d'écoulements dans des nano-fentes fabriquées au laboratoire. Cette comparaison nous a permis de mettre en avant une force de lift géante tendant à faire migrer les particules perpendiculairement aux lignes de champ, un phénomène jusqu'ici non décrit dans la littérature. La poursuite des expérimentations nous a permis de décrire les paramètres influents sur l'amplitude de cette force. Notre attention s'est alors tournée vers l'étude de la dynamique de molécules d'ADN en solution dans des structures confinées, sous un actionnement hybride, à la fois hydrodynamique et électrocinétique. L'utilisation d'un fluide non-newtonien nous a alors permis de mettre en évidence le caractère non linéaire de la superposition des modes d'actionnement. Des stratégies expérimentales ont été spécifiquement développées afin de cartographier des densités de présence inhomogène des molécules dans les canalisations. Cet effet a alors été récupéré pour permettre la séparation de biomolécules par taille sous actionnement hybride. Au demeurant, ce travail expérimental, à la frontière de la physique des fluides, de l'ingénierie de la nano-fabrication, de la physique statistique, nous a permis de construire une méthode innovante de vélocimétrie de particules, la mise en évidence de phénomène de migration transverse d'objets solides et flexibles dans des écoulements aux nano-échelles, et la construction d'un démonstrateur pour la séparation de biomolécules par taille.

L'objectif de la thèse est de développer et optimiser un banc de test pour la caractérisation mécanique des matériaux déposés en film minces. Les MEMS qui comportent des parties mécaniques mobiles doivent atteindre des performances maîtrisées. Ces parties mobiles sont soumises à des forces, à des différences de températures, à des contraintes, des déformations... les caractéristiques des matériaux qui les composent doivent être bien connues comme dans tout système mécanique. Ces principales caractéristiques sont : le module d'Young, les contraintes résiduelles de fabrication, la limite élastique et bien d'autres liées à la fiabilité. A l'échelle des microsystèmes elles dépendent étroitement du processus de fabrication et n'ont souvent rien à voir avec celles du même matériau pris à l'échelle macroscopique, de telle sorte qu'il est quasiment obligatoire d'effectuer des mesures à chaque nouvelle fabrication. Parmi les tests possibles, le gonflement de membrane présente des avantages décisifs : il donne des résultats suffisamment précis pour la conception des MEMS, il est non destructif, il donne en même temps le module d'Young et les contraintes résiduelles. Lié à un modèle de comportement aux éléments finis il permet d'atteindre quasiment toutes les caractéristiques d'élasticité, de plasticité et de rupture. Le test de gonflement consiste à appliquer une pression hydrostatique sur une face de la membrane dans le but de la faire fléchir. Les relevés de mesure de la pression en fonction de la déflexion sont utilisés pour extraire les propriétés mécaniques du matériau moyennant un modèle mathématique ou numérique approprié qui traduit le comportement de la membrane. Si le principe de cette technique est relativement simple, la mise en œuvre, quant à elle, est source de beaucoup de difficultés. Celles-ci concernent aussi bien la mise en place d'un appareillage performant capable de mesurer avec précision la pression et la déflexion à l'échelle des microstructures, que l' interprétation de la théorie elle-même décrivant l'évolution de la pression en fonction de la déflexion au centre de la membrane. Nous avons mis en place un protocole d'essai fiable qui permet de tirer le maximum de précision de la mesure tout en ayant un processus largement automatisé de sorte que ce banc est désormais utilisable par un industriel pour un coût de main d'œuvre raisonnable. Nos travaux de recherches s'articulent autour de trois thématiques : La première est consacrée à la mise en place d'un mode opératoire optimisé qui permet de caractériser mécaniquement des matériaux déposés en couches minces. Dans la deuxième nous avons développé des techniques basées sur les calculs par éléments finis pour caractériser des membranes rectangulaires avec un rapport géométrique quelconque et qui manquaient jusque-là. La troisième est une application de la technique de gonflement à certains matériaux utilisés dans la fabrication des MEMS.

Les potentialités du nitrure de gallium (GaN), semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer les briques technologiques nécessaires à la réalisation de transistors MOS de puissance en nitrure de gallium (GaN). Après avoir évalué, dans premier temps, les bénéfices que pourrait apporter le nitrure de gallium en électronique de puissance, nous avons en effet opté pour la réalisation d'un interrupteur MOS normally-off en GaN, interrupteur indispensable dans de nombreuses applications de l'électronique de puissance. La réalisation d'un tel dispositif passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, qui constitue la démarche universelle pour stabiliser et améliorer les performances d'un transistor. Le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/GaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, la formation de la couche interfaciale et le dépôt du diélectrique. Nous montrons qu'une étape d'oxydation du GaN sous UV, combinée à une oxydation plasma avant le dépôt du diélectrique, permet d'optimiser l'état de surface et de minimiser les contaminations à l'interface. Les mesures électriques, réalisées pour déterminer la densité de charges piégées à l'interface diélectrique/GaN ou dans le diélectrique, montrent des différences significatives liées au type de croissance du GaN (MBE ou MOCVD) et en particulier au type de dopage N ou P du substrat GaN. Des corrélations entre la physico-chimie d'interface et les propriétés électriques des structures sont illustrées. De plus, d'autres étapes technologiques nécessaires à la fabrication d'un MOSFET sur GaN ont été étudiées, en particulier les implantations ioniques de type N et P et la gravure ionique. Les résultats obtenus sur ces différentes briques technologiques permettront, dans un futur proche, la conception de transistors MOS de puissance en GaN, bien qu'il reste encore des défis scientifiques et technologiques à relever avant d'obtenir l'interrupteur de puissance idéal, c'est-à-dire un interrupteur normalement ouvert (normally-off), faibles pertes, forte puissance, haute fréquence et haute température.

Une nouvelle méthodologie d'extraction de modèles thermiques compacts (CTMs) pour les composants électroniques est proposée dans cette thèse. L'originalité de cette méthodologie réside dans la prise en compte du comportement thermique des composants comportant plusieurs puces ou sources de chaleur, plusieurs surfaces de refroidissement et des matériaux à propriétés non-linéaires, tout en gardant une structure simple et récurrente des modèles générés. Cette méthodologie concerne aussi les modèles thermiques dynamiques, ceci est rendu possible par l'utilisation d'un réseau simple de type " étoile ". La précision du réseau en étoile est améliorée en utilisant des résistances variables liées aux flux thermiques afin que le modèle compact puisse s'adapter à toutes les conditions aux limites possibles. De plus, la méthode choisie permet d'obtenir ceci avec un nombre limité de mesures ou de simulations thermiques 3D. Par ailleurs, tout au long du travail effectué, nous avons choisi de maintenir le lien avec la physique de façon à pouvoir toujours faire les analyses et les interprétations des phénomènes mis en jeu. Ainsi, une étude basée sur les phénomènes de répartition 3D du flux thermique a abouti à des solutions argumentées et validées pour rendre les modèles générés plus précis. L'extension des modèles thermiques compacts au régime dynamique, rendue possible par la méthodologie choisie, est proposée par le biais de trois techniques différentes. L'ajout d'un modèle électrique compatible avec les modèles thermiques développés, rendra aisée la modélisation électrothermique.

Le fil rouge guidant nos travaux de recherche correspond à la convergence des techniques hyperfréquences, des micro- et nano-technologies et plus récemment de la fluidique, amenant le développement de microsystèmes hyperfréquences innovants pour des applications en télécommunication et en biologie. Nous retraçons, au travers de notre habilitation à diriger des recherches, nos travaux sur les approches multidisciplinaires permettant le développement de microsystèmes hyperfréquences communicants pour lesquels notre leitmotiv fut de tirer au mieux partie des potentialités des micro et nano-technologies. Des composants et circuits RF-MEMS (RadioFrequency MicroElectroMechanical Systems), à l'intégration des nanotechnologies au sein de microsystèmes hyperfréquences, à la miniaturisation de fonctions passives ainsi qu'à leur co-intégration avec des circuits actifs au sein de microsystèmes. Nous présentons de plus notre projet de recherche visant à explorer l'alliance des microsystèmes hyperfréquences avec d'autres disciplines telles que la fluidique et la biologie pour de nouvelles fonctionnalités et applications. Nous tenterons de répondre aux questions scientifiques : "comment les microsystèmes hyperfréquences peuvent aller au delà des fonctionnalités et applications traditionnelles, quelles sont les opportunités ainsi ouvertes ?"