Les travaux présentés ci-après reprennent mes activités depuis le début de ma thèse en 1986. Ils ont été entièrement réalisés dans le centre de recherche d'Alcatel à Marcoussis dans le but de concevoir, réaliser et tester des composants optoélectroniques à semi-conducteurs pour des applications en télécommunications optiques. Ces composants sont à base de Phosphure d'Indium (InP) et sont destinés à émettre ou détecter de la lumière à des longueurs d'ondes proches de 1300 ou 1550 nm suivant l'application. J'ai pu bénéficier de toute l'infrastructure nécessaire au développement et à l'aboutissement des projets couvrant aussi bien les moyens technologiques (épitaxie et structuration des matériaux) que les moyens de caractérisation jusqu'aux expérimentations système grâce à l'utilisation de plate-formes de test disponibles à Alcatel. Les résultats présentés ici sont par conséquent le fruit d'un travail d'équipe ; je m'attacherai en fin de chaque paragraphe à préciser ma contribution personnelle aux résultats.

Durant ma première année en tant que maître de conférences, j'ai travaillé dans le domaine des microondes où j'ai appris à utiliser la TLM [35]. Cet outil permet la modélisation de la propagation de signaux électromagnétiques en 3D. Ayant fait auparavant une thèse dans le domaine de l'optique intégrée, j'ai naturellement changé d'équipe en travaillant sur la thématique de la photonique en 2000 en collaborant étroitement avec Pierre Benech. Alors que les outils commerciaux de FDTD n'étaient pas encore très développés, j'ai commencé mes recherches en appliquant la TLM sur des structures semi-conductrices tel que des réseaux de Bragg dans des guides réfractifs [36]. Il a été notamment mis en avant les problèmes de profondeur de gravure et d'adaptation de modes entre celui du réseau et celui du guide d'onde. Je me suis ensuite investi sur la modélisation de guides à cristaux photoniques. J'ai participé à des collaborations pour étudier notamment les pertes radiatives d'un guide à cristal photonique 2D sur membrane en mettant en avant que sous certaines conditions ces pertes pouvaient être faibles [38]. Suite à ce travail, j'ai participé à deux projets RMNT et ACI pour la modélisation de microdisques ainsi qu'à leur couplage avec un guide adjacent soit pour une application laser ou une application de dé/multiplexeur. Je me suis donc intéressé à ces structures cylindriques du type microdisque, microanneau ou microtore. Il a été notamment proposé une nouvelle structure de microdisque dentelé dit "microgear" simulée avec une méthode basée sur une décomposition de Fourier plus rapide et rigoureuse. Ces structures présentent de bons facteurs de qualité avec pour certaines des volumes de modes optiques faibles, compatibles avec une intégration planaire. Généralement ces structures suivent une certaine forme de symétrie. Les microdisques et les microanneaux peuvent ainsi être représentés avec des coordonnées cylindriques. Dans ce type de repère, il est alors possible dans un premier temps d'utiliser des fonctions de Bessel pour représenter les modes résonants qui parcourent ces structures. De nombreux calculs en 2D sont alors possibles pour décrire la propagation de ces modes ou leur interaction avec un guide par exemple. Les modes de galerie des sphères peuvent être décrits par des fonctions de Bessel sphériques. Dans ce cas, la description se fait complètement en 3D sans recours à des outils numériques spécifiques. Néanmoins, pour modéliser ces objets en 3D avec la possibilité de les compléxifier ou de briser leur symétrie, il est important d'utiliser un outil 3D numérique adapté. Je me suis intéressé alors à des méthodes modales. Celles-ci permettent en effet d'avoir plus d'informations sur les phénomènes physiques mis en jeu. J'ai notamment porté mon choix sur des méthodes donnant accès à une décomposition en modes propres par l'intermédiaire d'une décomposition en série de Fourier la RCWA pour Rigorous Couple Wave Analysis. Initialement, elle fut plutôt utilisé pour étudier des structures périodiques notamment des réseaux de Bragg [49, 48, 47]. Mais maintenant, cette méthode peut être aussi appliquée sur des structures apériodiques comme des guides intégrés [46]. Au vu des potentialités de la méthode, j'ai décidé de m'approprier cet outil dans le même type de système de coordonnées en 2D. Je me suis tout particulièrement intéressé à l'interaction d'un mode guidé faiblement confiné avec un nanobjet métallique. Cet exemple montre tout l'intérêt de cette méthode capable de simuler des objets avec un indice de réfraction complexe et une taille largement inférieure à la taille du mode d'excitation. J'ai ensuite proposé un nouveau type de développement de cette méthode pour décrire des modes respectant une symétrie cylindrique. Une première solution consiste à utiliser une transformation conforme de la structure pour retrouver les propriétés de l'AFMM en coordonnées cartésiennes. Puis une nouvelle solution en cours de développement est actuellement étudiée pour modéliser directement la structure dans un repère cylindrique. Cette nouvelle description a débouché sur une description 3D de la méthode permettant de modéliser des guides courbes. Une autre méthode légèrement différente a été aussi proposée calculant uniquement des modes résonants dans des structures 3D à symétrie cylindrique. En fixant l'évolution azimutale du mode, on peut aussi utiliser une variante de la méthode précédente 2D en périodisant la structure selon un axe perpendiculaire aux axes radial et azimutal. Ce travail est issu d'une collaboration entre l'INP et l'université de Ferrara. Il a été montré qu'avec cette méthode, il était possible de simuler des microdisques ou des microanneaux. Il a été aussi montré qu'avec l'ajout d'une fente d'un indice de réfraction plus faible, il était possible d'avoir des volumes de modes plus faibles en utilisant la propriété de confinement des guides à fentes. Ces différents développements ont aussi été appliqués sur des systèmes photoniques réalisés en optique intégrée sur verre. Je me suis notamment investi dans le développement de spectromètres optiques de Fourier intégrés. J'ai participé pour cela à des projets CNES et FUI pour modéliser le spectromètre SWIFTS (Stationnary Waves Interferometer Fourier Transform Spectrometer). Ce nouveau système dont la puce en verre est d'une taille d'une allumette couplée à une barrette de photodétecteurs linéaires permet d'atteindre des résolutions spectrales de 10pm sur une bande spectrale allant de 700nm à 1000nm. Une brique de base de son fonctionnement est notamment l'interaction du mode guidé avec des nanoplots métalliques. Un autre type de spectromètre moins complexe a été aussi mis en œuvre pour étudier des spectres dans le proche infra-rouge avec des résolutions spectrales de l'ordre du nanomètre. Ce système nommé LLIFTS (Leaky Loop Interferometer Fourier Transform Spectrometer) est constitué notamment de guides courbes couplés à un guide plan. La méthode AFMM cylindrique nous permet donc de simuler directement ce type de structure. Je dirige notamment un projet ANR pour utiliser ce type de composant dans un système OCT.

Les données industrielles offrent un matériau pour la prise de décision. Les travaux présentés concernent la transformation de données brutes en connaissances, pour contribuer au système de connaissances d’une organisation et améliorer son système décisionnel. Un processus d’aide à la décision est proposé. Il implique les acteurs de l’organisation et l’emploi de méthodes formelles. D’abord, il analyse et formalise les problématiques décisionnelles. Ensuite, il construit une aide la décision quantitative. Cette méthodologie est appliquée à un problème particulier : la gestion des capacités des TI d’une usine de STMicroelectronics. En effet, les managers doivent assurer un équilibre entre le coût de l’infrastructure TI et le niveau de service offert. Notre processus offre une aide pertinente. Il permet de surmonter deux enjeux, fréquents lors de la gestion des capacités : la complexité des systèmes IT et la prise en compte de l’activité métier. Situant ces travaux dans le cadre du référentiel ITIL, l’application du processus permet de constituer des modèles prédictifs, mettant en relation l’activité des serveurs informatiques et l’activité industrielle. Cette application permet aussi de contrôler dynamiquement la validité des modèles, ainsi que l’activité quotidienne du SI. Nos travaux formalisent quantitativement des connaissances, en favorisent l’utilisation dans les processus décisionnels, et en assurent l’évolution dans le temps. Nos recherches posent des fondations pour un plus large recours plus à l’exploitation des données issues des systèmes de production, dans le cadre du développement de systèmes de support à la décision et de perspectives Big Data. / A proper analysis of industrial data can provide material for decision making. The research work presented deals with the question: how can one convert raw data into useable information, to contribute to the knowledge management of an organization and improve its dynamic decision making? A decision-aid process is proposed. It implies actors of the organization and use of formal methods. Firstly, it analyses and formalizes decisional problems. Then, it develops an appropriate decision-aid on the basis of statistics. Our methodology is applied to a specific issue: capacity management of IT of a STMicroelectronics plant. This application raises a decision issue: managers have to ensure the right balance between infrastructure cost and service level offered. We demonstrate that the process may provide relevant support. This negates two managerial dilemmas, usually encountered when managing capacity: complexity of IT systems and incorporation of the business activity. Our application has been developed in the scope of the ITIL framework. It will be shown how the process builds predictive models, which link the activity of hardware servers to the industrial activity. Methods are also proposed, to monitor daily the quality of these models, as well as the overall activity of the IS. This work helps at formalizing quantitatively organizational knowledge, facilitating its use in decisional processes, but also ensuring its positive change over time. We hope this research is laying some foundations for a broader exploitation of the data stored in modern manufacturing systems, through future development of decision-support systems and Big Data initiatives.

La miniaturisation des circuits intégrés numériques tend à augmenter leur sensibilité aux radiations. Ainsi le rayonnement naturel peut induire des événements singuliers et porter atteinte à la fiabilité des circuits.Cette thèse porte sur la modélisation des mécanismes à l'origine de ces événements singuliers et sur le développement de solutions de durcissement par conception permettant de limiter l'impact des radiations sur le taux d'erreur.Dans une première partie, nous avons notamment développé une approche dénommée RWDD (Random-Walk Drift- Diffusion) modélisant le transport et la collection de charges au sein d'un circuit, sur la base d'équations physiques sans paramètre d'ajustement. Ce modèle particulaire et sa résolution numérique transitoire permettent de coupler le transport des charges avec un simulateur circuit, tenant ainsi compte de l'évolution temporelle des champs électriques dans la structure. Le modèle RWDD a été intégré avec succès dans une plateforme de simulation capable d'estimer la réponse d'un circuit suite à l'impact d'une particule ionisante.Dans une seconde partie, des solutions de durcissement permettant de limiter l'impact des radiations sur la fiabilité des circuits ont été développées. A l'échelle des cellules élémentaires, de nouvelles bascules robustes aux radiations ont été proposées, en limitant leur impact les performances. Au niveau système, une méthodologie de duplication de l'arbre d'horloge a été développée. Enfin, un flot de triplication a été conçu pour les systèmes dont la fiabilité est critique. L'ensemble de ces solutions a été implémenté en technologie 65 nm et UTBB-FDSOI 28 nm et leur efficacité vérifiée expérimentalement. / The extreme technology scaling of digital circuits leads to increase their sensitivity to ionizing radiation, whether in spatial or terrestrial environments. Natural radiation can now induce single event effects in deca-nanometer circuits and impact their reliability.This thesis focuses on the modeling of single event mechanisms and the development of hardening by design solutions that mitigate radiation threat on the circuit error rate.In a first part of this work, we have developed a physical model for both the transport and collection of radiation-induced charges in a biased circuit, derived from pure physics-based equations without any fitting parameter. This model is called Random-Walk Drift-Diffusion (RWDD). This particle-level model and its numerical transient solving allows the coupling of the charge collection process with a circuit simulator, taking into account the time variations of the electrical fields in the structure. The RWDD model is able to simulate the behavior of a circuit following a radiation impact, independently of the implemented function and the considered technology.In a second part of our work, hardening solutions that limit radiation impacts on circuit reliability have been developed. At elementary cell level, new radiation-hardened latch architectures have been proposed, with a limited impact on performances. At system level, a clock tree duplication methodology has been proposed, leaning on specific latches. Finally, a triplication flow has been design for critical applications. All these solutions have been implemented in 65 nm and UTBB-FDSOI 28nm technologies and radiation test have been performed to measure their hardening efficiency.

Les objectifs de la thèse concernent l’optimisation du rendement énergétique, la minimisation de l’empreinte et du coût de l’alimentation en tension d’amplificateurs audio pour l’application casque des plateformes mobiles. Après une présentation du contexte des plateformes mobiles et des caractéristiques principales des amplificateurs audio dédiés, l’introduction conclut sur la nécessité d’une alimentation en tensions bipolaires, symétriques et donne les spécifications principales d’une telle alimentation en énergie électrique. Le chapitre d’état de l’art présente dans un premier temps les architeture les plus compétitves permettant de générer deux tensions symétriques. Une figure de mérite englobe le rendement énergétique, l’empreinte sur la plateforme et le coût en composants passifs externes de chacune des solutions présentées. Une architecture de convertisseur utilisant une seule inductance pour obtenir des tensions régulées symétriques se révelle etre un candidat interessant pour l’alimentation des amplificateurs dédiés aux casques audio. Cette architecture à été démontrée mais cependant loin des spécifications de l’application casque audio. Basée sur cette architecture, le chapitre troisième présente un étage de puissance et ses modes de conduction correspondant aux spécifications de l’application casque audio. Des détails concernent en particulier la conception des interrupteurs ainsi que la stratégie d’asservissement et de régulation. Des premières estimations de rendement sont évaluées dans les pires cas de fonctionnement. Très tôt dans le déroulement de la thèse, il y a eu une opportunité de tester l’étage de puissance en technologie CMOS 130nm. Le chapitre 4 présente l’implémentation du convertisseur sur un circuit de test. Le convertisseur est embarqué notamment à côté d’un amplificateur audio dédié, autorisant des tests plus proches de la réalité d’usage. Les campagnes de mesures ont concerné les aspects fonctionnels et les valeurs de rendement. Les résultats sont encourageants mais confirment les éléments non optimaux du dispositif. Dans l’idée d’un second silicium, le chapitre cinquième décrit plus théoriquement l’approche d’asservissement et de régulation et met en évidence des cas critiques, peu probables mais concrets, liés à l’évaluation sur des profils de charge réelle du convertisseur. Des simulations permettent de transformer un flux audio en courbe de courant absorbé par l’amplificateur audio, c’est-à-dire la charge réelle vue par le convertisseur de tensions symétriques. Le chapitre sixième décrit des améliorations à propos des modes de conduction, à savoir l’introduction des modes discontinu ou d’élimination d’impulsion (pulse skipping). Malheureusement une crise économique a barré l’accès à un silicium de validation finale. Le manuscrit est conclu par un rappel des résultats principaux et des perspectives. Les travaux ont fait l’objet de publications à des conférences internationales. / The objectives of this thesis were the optimization of the power efficiency and the minimization of the footprint area and cost of the integrated power supply of headset audio amplifiers on mobile platforms (fig. 1). The thesis took place in the Analog System Design group at ST Ericsson in strong collaboration with Ampere laboratory at INSA de Lyon. The french agency ANRT provided part of the project funding. The first chapter presents the current mobile platform context as well as the main characteristics of audio amplifiers driving headphones. This chapter concludes giving the need of a symmetrical power supply for the headset audio amplifiers and giving a set of electrical specifications for this power supply. The second chapter presents the state-of-the-art in terms of symmetrical power supply architectures able to fit the previously given characteristics and specifications. A set of key parameters based on the power efficiency, the relative silicon area, the relative external bill of material, the number of Input/Output pins and the external passive components area, is employed to benchmark all existing architectures to supply such audio amplifiers. This benchmark reveals the novel Single Inductor Bipolar Output (SIBO) converter as very promising. The similar existing circuits are also detailed and pros and cons of each one of them are discussed to define the most suited architecture. The third chapter proposes a dedicated power stage architecture and related conduction schemes. The design of the power stage is described as well as its dedicated control strategy. Some ideal efficiency estimations are given. The fourth chapter presents the realization of a first prototype, designed in a 130 nm ST Microelectronics CMOS process to be an early demonstrator of the architecture in chapter 3. Measurements on efficiency, control and transient performances are presented and discussed. This circuit embedded on the same die as an audio amplifier proves its effectiveness in supplying such a circuit. The fifth chapter presents a theoretical analysis of the feedback control of this SIBO converter. Mathematical linear model of the converter is derived to obtain its transfer function matrix, then the feedback structure design is defined thanks to dedicated mathematical tools. A set of classical PID controllers is proposed and validated with piecewise linear model while playing different audio popular songs. The sixth chapter describes the design of improvements of the first test chip as well as simulation results about these improvements. The main improvements presented in this chapter are a Discontinuous Conduction Mode (DCM) as well as a Pulse Skipping Mode (PSM). No silicon result can be presented here due to a budget restriction that impacted the course of the thesis. The final chapter is a discussion about the proposed solutions and some perspectives to the present work.

En biologie synthétique, il existe plusieurs manières d’adresser les problèmes soulevés dans plusieurs domaines comme la thérapeutique, les biofuels, les biomatériaux ou encore les biocapteurs. Nous avons choisi de nous concentrer sur l’une d’entre elles : les réseaux de régulation génétique (RRG). Un constat peut être fait : la diversité des problèmes résolus grâce aux RRGs est bridée par la complexité de ces RRGs, qui a atteint une limite. Quelles solutions s’offrent aux biologistes, pour repousser cette limite et continuer d’augmenter la complexité de leur système ? Cette thèse a pour but de fournir aux biologistes les outils nécessaires à la conception et à la simulation de RRGs complexes. Un examen de l’état de l’art en la matière nous a mené à adapter les outils de la micro-électronique à la biologie ainsi qu’à créer un algorithme de programmation génétique pour la conception des RRGs. D’une part, nous avons élaboré les modèles Verilog A de différents systèmes biologiques (passe-bande, proie-prédateur, repressilator, XOR) ainsi que de la diffusion spatiotemporelle d’une molécule. Ces modèles fonctionnent très bien avec plusieurs simulateurs électroniques (Spectre et NgSpice). D’autre part, les premières marches vers l’automatisation de la conception de RRGs ont été gravies. En effet, nous avons développé un algorithme capable d’optimiser les paramètres d’un RRG pour remplir un cahier des charges donné. De plus, la programmation génétique a été utilisée pour optimiser non seulement les paramètres d’un RRG mais aussi sa topologie. Ces outils ont su prouver leur utilité en apportant des réponses pertinentes à des problèmes soulevés lors du développement de systèmes biologiques. Ce travail a permis de montrer que notre approche, à savoir adapter les outils de la micro-électronique et utiliser des algorithmes de programmation génétique, est valide dans le contexte de la biologie synthétique. L’assistance que notre environnement de développement fournit au biologiste devrait encourager l’émergence de systèmes plus complexes. / In synthetic biology, Gene Regulatory Networks (GRN) are one of the main ways to create new biological functions to solve problems in various areas (therapeutics, biofuels, biomaterials, biosensing). However, the complexity of the designed networks has reached a limit, thereby restraining the variety of problems they can address. How can biologists overcome this limit and further increase the complexity of their systems? The goal of this thesis is to provide the biologists with tools to assist them in the design and simulation of complex GRNs. To this aim, the current state of the art was examined and it was decided to adapt tools from the micro-electronic field to biology, as well as to create a Genetic Programming algorithm for GRN design. On the one hand, models of diffusion and of other various systems (band-pass, prey-predator, repressilator, XOR) were created and written in Verilog A. They are already implemented and well-functioning on the Spectre solver as well as a free solver, namely NgSpice. On the other hand, the first steps of automatic GRN design were achieved. Indeed, an algorithm able to optimize the parameters of a given GRN according to a specification was developed. Moreover, Genetic Programming was applied to GRN design, allowing the optimization of both the topology and the parameters of a GRN. These tools proved their usefulness for the biologists’ community by efficiently answering relevant biological questions arising in the development of a system. With this work, we were able to show that adapting microelectronics and Genetic Programming tools to biology is doable and useful. By assisting design and simulation, such tools should promote the emergence of more complex systems.

A la différence de la conception numérique, la conception analogique souffre d’un réel retard au niveau de la solution logicielle qui permet une conception à la fois rapide et fiable. Le dimensionnement de circuits analogiques exige en effet un nombre assez élevé de simulations et de vérifications et dépend beaucoup de l’expertise du concepteur. Pour pallier à ce retard, des outils de conception automatique basés sur des algorithmes d’optimisation locale et globale sont développés. Ces outils restent encore immatures car ils n’offrent que des réponses partielles aux questions du dimensionnement, alors que l’obtention d’un dimensionnement optimal d’un circuit analogique en un temps raisonnable reste toujours un enjeu majeur. La réduction du temps de conception de circuits analogiques intégrés nécessite la mise en place de méthodologies permettant une conception systématique et automatisable sur certaines étapes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé suivant trois approches. Il s’agit d’abord de l’approche méthodologique. A ce niveau nous préconisons une approche hiérarchique descendante « top-down ». Cette dernière consiste à partitionner le système à dimensionner en sous blocs de fonctions élémentaires dont les spécifications sont directement héritées des spécifications du niveau système. Ensuite, nous avons cherché à réduire le temps de conception à travers l’exploration de solutions optimales à l’aide des algorithmes hybrides. Nous avons cherché à profiter de la rapidité de la recherche globale et de la précision de la recherche locale. L’intérêt des algorithmes de recherche hybride réside dans le fait qu’ils permettent d’effectuer une exploration efficace de l’espace de conception du circuit sans avoir besoin d’une connaissance préalable d’un dimensionnement initial. Ce qui peut être très intéressant pour un concepteur débutant. Enfin, nous avons travaillé sur l’accélération du temps des simulations en proposant l’utilisation des méta-modèles. Ceux-ci présentent un temps de simulation beaucoup plus réduit que celui des simulations des modèles électriques. Les méta-modèles sont obtenus automatiquement depuis une extraction des résultats des simulations électriques. / Contrary to digital design, analog design suffers from a real delay in the software solution that enables fast and reliable design. In this PhD, three approaches are proposed. The first is the methodological approach. At this level we recommend a "top-down" hierarchical approach. It consists of partitioning the system to size into sub-blocks of elementary functions whose specifications are directly inherited from the system level specification. Next, we aimed to reduce design time through the exploration of optimal solutions using hybrid algorithms. We attempted to take advantage of the rapid global search and local search accuracy. The interest of hybrid search algorithms is that they allow to conduct effective exploration of the design space of the circuit without the need for prior knowledge of an initial design. This can be very useful for a beginner designer. Finally, we worked on the acceleration of time simulations proposing the use of meta-models which present a more reduced time than electrical simulation models. Meta-models are obtained automatically from extracting results of electrical simulations.

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.

En microélectronique, plusieurs tendances telles que l'empilement 3D et l'amincissement de puces amènent des défis thermiques grandissants. Ces défis sont exacerbés lorsqu'appliqués aux appareils mobiles où l'espace et la puissance disponibles pour le refroidissement sont limités. Le but de cette thèse est de développer des outils de conception et méthodes d'implémentation de microcanaux pour le refroidissement microfluidique de puces 2D et 3D avec points chauds destinés aux appareils mobiles.Une méthode de conception pour optimiser la configuration des microcanaux refroidissant une puce est développée utilisant un plan d'expériences numériques. La configuration optimisée propose le refroidissement à une température maximale de 89 °C d'un point chaud de 2 W par un écoulement où la perte de charge est plus petit que 1 kPa. Des prototypes avec différents empilements et distributions de microcanaux sont fabriqués par gravure profonde et apposés par pick-and-place. Un banc de caractérisation et une puce thermique test sont fabriqués pour caractériser expérimentalement les prototypes de refroidissement avec différentes configurations. Un prototype avec microcanaux limités aux alentours des points chauds et reportés sur la face arrière de la puce test atteint une résistance thermique de 2.8 °C/W. Cela est réalisé avec un débit de 9.4 ml/min et des pertes de charges de 19.2 kPa, soit une puissance hydraulique de 3 mW. Ce refroidissement extrait 7.3 W générés sur un seul serpentin à un flux thermique de 1 185 W/cm² pour un coefficient de performance de 2 430. Les résultats de l'optimisation suggèrent que la dissipation thermique soit exploitée en ajoutant des microcanaux en parallèle, plutôt qu'en allongeant les microcanaux. On observe expérimentalement comme numériquement que la résistance liée à la hausse de température du fluide domine la résistance totale. Enfin, il apparaît que les différents empilements ont un effet plus important sur la résistance thermique que les distributions de microcanaux dans les plages observées. / In microelectronics, trends such as 3D stacking and die thinning bring major thermal challenges. Those challenges are exacerbated when applied to mobile devices where the available space and power for cooling are limited. This thesis aims at developing design tools and implementation techniques for microchannels cooling on 2D and 3D chips with hot spots for mobile devices. A design technique to optimize the microchannel configuration for chip cooling is developed using numerical experimentation plans. The optimized configuration suggests a cooling configuration reaching a maximum temperature of 89 °C on a 2 W hot spot, using a flow at a pressure drop plus petit que 1 kPa. Prototypes with different stacking and microchannel distributions are fabricated using deep reactive ion etching process and stacked using pick-and-place technique. A characterization bench and a thermal test chip are fabricated for experimental characterization of the cooling prototypes from various configurations. A prototype with microchannel zones limited to the hot spot vicinity and installed on the backside of the test chip reached a thermal resistance of 2.8 °C/W. This performance is achieved using a flow rate of 9.4 ml/min with a pressure drop of 19.2 kPa, representing a hydraulic power of 3 mW. Such cooling removes 7.3 W generated on a single heat source, representing a heat flux of 1 185 W/cm² for a coefficient of performance of 2 430. The optimization results suggest that the heat spreading is better exploited using parallel microchannels, rather than lengthen microchannels. It is both observed experimentally and numerically that the thermal resistance related to the fluid temperature rise is the major contribution to the total thermal resistance. Finally, it appears that the different stacking effects on thermal resistance are more important than the microchannels distributions in the observed ranges.

Les nanofibres et nanotubes de carbone constituent des matériaux très prometteurs pour les applications microélectronique, stockage ou encore récupération d'énergie, en termes de caractéristiques électriques. Néanmoins leur intégration industrielle à court terme n'est toujours pas d'actualité, à cause de divers verrous technologiques et en particulier celui de la résistance de contact. Ces travaux de thèse se sont intéressés à la problématique du contact électrique entre électrode et nanotubes, lorsque ceux-ci sont intégrés dans des dispositifs par CVD et que le contact se forme durant la croissance. La réalisation et la caractérisation de dispositifs à nanofibres dans un premier temps a permis de mettre en évidence l'importance de la rugosité et de l'oxydation de surface de l'électrode en termes de qualité de contact. Par la suite la fabrication et les caractérisations électrique et physique de dispositifs à nanotubes essentiellement mono-paroi nous ont permis de constater que des barrières de potentiel sont également présentes aux interfaces, liées à la présence d'oxydes natifs ou issus de réactions thermodynamiquement favorables. La modélisation des caractéristiques I-V suggère également l'importance de la cristallinité des électrodes sur les paramètres des barrières. Enfin, nous avons positionné nos résultats par rapport à l'état de l'art, et discuté sur la base de nos travaux et de certains issus de la littérature des différents points-clés permettant de réduire les résistances de contact.