Cette thèse se place dans le cadre du projet Diamonix, qui vise à établir une filière diamant en France. La thèse porte sur des travaux de dimensionnement de protection périphérique, structure nécessaire au bon fonctionnement des composants d'électronique de puissance. Le développement de protections périphériques applicables aux diodes Schottky sur diamant monocristallin nécessite plusieurs étapes. Après un premier chapitre détaillant l'état de l'art de l'utilisation de diamant en électronique de puissance, nous nous attardons sur la conception de protection périphérique basée sur une plaque de champ à l'aide de divers diélectriques et ensuite à l'aide d'un matériau semi-résistif. Ces simulations sont réalisées à l'aide du logiciel SENTAURUS TCAD. Le troisième chapitre essaie de répondre aux problèmes technologiques posés par le chapitre 2. Nous avons ainsi développé une nouvelle technique de gravure basée sur une succession d'étapes utilisant Ar/O2 puis CF4/O2. Puis, dans un deuxième temps, nous avons réalisé des capacités Métal/Diélectrique/Diamant afin de qualifier le comportement des diélectriques sur le matériau diamant. Leur comportement est problématique mais il s'agit à notre connaissance de la première étude poussée de capacités sur diamant. Le chapitre 4 revient sur la fabrication et la caractérisation de diodes Schottky protégées à l'aide de plaque de champ sur divers diélectriques, les résultats obtenus étant mitigés. Enfin, la conclusion revient sur les résultats importants de simulation, de gravure, de caractérisation des capacités et des diodes Schottky pour ensuite s'élargir et donner des perspectives de travail.

Les matériaux polymères sont à l'heure actuelle peu considérés dans le vaste domaine des micro et nano technologies. Ils présentent toutefois certaines propriétés remarquables en comparaison des matériaux traditionnels de la microélectronique. Par exemple leur déformabilité et leur légèreté permettent d'envisager des fonctions de supports flexibles pour des composants électroniques. Par ailleurs, ils offrent des solutions d'assemblage de matériaux de diverses natures. Cette étude porte précisément sur ces deux thématiques. En premier lieu, nous avons étudié les mécanismes de collage impliqués dans l'assemblage de substrats de type silicium par une couche de polymère. D'autre part, nous avons proposé des modèles de mécanisme de transfert de films monocristallins sur polymère. Les propriétés mécaniques des matériaux considérés, principalement du silicium monocristallin et des polymères de type vitreux et caoutchoutique, ainsi que leurs épaisseurs, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur selon la configuration considérée. L'originalité de l'étude est de déterminer et d'aborder des configurations expérimentalement favorables, par des modèles mécaniques simples, élaborés à partir de lois d'échelle. Nous avons proposé, dans un premier temps, ces modèles pour expliquer des résultats liés à des configurations particulières et ainsi démontrer la pertinence de cette approche. Le cœur de notre étude porte sur le transfert de films monocristallins, aussi fins qu'une centaine de nanomètres d'épaisseur, sur polymère par adaptation du procédé Smart-CutTM (transfert par implantation ionique et fracture). En comparaison d'une configuration standard de cette technologie, nous avons notamment étudié l'impact des propriétés mécaniques propres aux polymères (de types vitreux ou caoutchoutique). Les méthodes en loi d'échelle nous ont ainsi permis de proposer des mécanismes de transfert, de l'échelle du nanomètre jusqu'à la fracture macroscopique. Nous avons également exposé un exemple d'application concret par la réalisation d'objets microélectroniques modèles sur et dans un film monocristallin de silicium. La structure, composée d'un film de quelques micromètres d'épaisseur supporté par un polymère, constitue ainsi une structure flexible d'un point de vue mécanique.

L'utilisation des ultrasons pour l'imagerie présente plusieurs avantages : elle est extrêmement sure car ellen'utilise pas de radiations ionisantes et ne présente pas d'effets néfastes sur la santé. D'autre part, elle donne desrésultats d'excellente qualité avec un coût relativement faible. Historiquement, les matériaux piézoélectriques et leurscomposites ont été très tôt utilisés pour la génération d'ultrasons. Les transducteurs fabriqués à partir de ces matériauxdominent actuellement le marché des sondes ultrasonores. Cependant, pour certaines applications, ils ne peuvent pasêtre utilisés pour des raisons de dimensionnement et de limitations dues aux propriétés des matériaux. Une solutionpeut être apportée par l'utilisation des transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés dits CMUTs. Ces dernierssuscitent un intérêt croissant dans le milieu de l'imagerie ultrasonore et sont considérés comme une alternativepotentielle et viable aux transducteurs piézoélectriques. Cette nouvelle technologie CMUTs est caractérisée par uneplus large bande passante, une sensibilité élevée, une facilité de fabrication et une réduction des coûts de production.Cette thèse est consacrée à la mise en place d'un certain nombre d'outils théoriques et expérimentaux permettant lamodélisation/conception, la fabrication et la caractérisation de transducteurs CMUTs à membrane circulaire pourl'émission des ultrasons. Nous commençons par développer des outils de simulation à base de calculs par élémentsfinis, permettant la compréhension et la modélisation du comportement électromécanique des CMUTs pour laconception et le dimensionnement des cellules élémentaires et des réseaux. Nous proposons par la suite un nouveauprocédé de fabrication de transducteurs CMUTs basé sur le collage anodique d'une couche de silicium monocristallind'épaisseur fixe d'une plaquette de SOI sur un substrat de verre. L'évolution du procédé de fabrication est détailléepour chaque étape technologique en soulignant à chaque fois les améliorations/modifications apportées pour unefiabilité et une répétitivité accrue associées à une connaissance des limites de faisabilité. Dans la dernière partie de cetravail, on s'intéresse à la mise en œuvre de plusieurs plateformes expérimentales permettant différentescaractérisations électromécaniques statiques et dynamiques des dispositifs CMUTs fabriqués

Une large investigation sur l'influence de plusieurs défauts métallurgiques sur les processus de diffusion et de piégeage de l'hydrogène a été conduite sur le nickel. Ce travail a été réalisé selon deux orientations scientifiques. Une première approche a consisté à évaluer l'impact des défauts intrinsèques et plus particulièrement les joints de grains et les dislocations géométriquement nécessaires sur les modes de transport et de ségrégation de l'hydrogène. Le couplage de caractérisations microstructurales avec les essais de perméation électrochimiques et de thermo-désorption a permis d'établir que les joints de grains présentant une structure ordonnée appelés " spéciaux " représentent des zones privilégiées à la ségrégation de l'hydrogène. Une seconde catégorie de joints de grains dits " généraux " ou " random " présentant un excès de volume important constituent des promoteurs à la diffusion de l'hydrogène. Ces derniers sont la principale source des phénomènes de courts-circuits de diffusion relatés dans les matériaux cubiques à faces centrées. La seconde approche de cette étude a consisté en l'étude de l'interaction de l'hydrogène avec les hétérogénéités de déformation plastique. Les essais de perméation électrochimique réalisés sur des microstructures obtenues par déformation ont montré qu'en traction monotone, les cellules équiaxes et les murs de dislocations représentent des pièges pour l'hydrogène. Celles-ci ralentissent son transport. Ce dernier est essentiellement assuré par le mécanisme de diffusion interstitielle. Par ailleurs, pour la microstructure de déformation résultant de l'essai en fatigue, une accélération de la diffusivité de l'hydrogène a été enregistrée ce qui suggère qu'un phénomène comparable au court-circuit de diffusion intervient dans le transport de l'hydrogène. Concernant les deux approches, les résultats obtenus suggèrent une contribution de l'hydrogène dans la formation de lacunes.

Les matériaux polymères sont à l'heure actuelle peu considérés dans le vaste domaine des micro et nano technologies. Ils présentent toutefois certaines propriétés remarquables en comparaison des matériaux traditionnels de la microélectronique. Par exemple leur déformabilité et leur légèreté permettent d'envisager des fonctions de supports flexibles pour des composants électroniques. Par ailleurs, ils offrent des solutions d'assemblage de matériaux de diverses natures. Cette étude porte précisément sur ces deux thématiques. En premier lieu, nous avons étudié les mécanismes de collage impliqués dans l'assemblage de substrats de type silicium par une couche de polymère. D'autre part, nous avons proposé des modèles de mécanisme de transfert de films monocristallins sur polymère. Les propriétés mécaniques des matériaux considérés, principalement du silicium monocristallin et des polymères de type vitreux et caoutchoutique, ainsi que leurs épaisseurs, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur selon la configuration considérée. L'originalité de l'étude est de déterminer et d'aborder des configurations expérimentalement favorables, par des modèles mécaniques simples, élaborés à partir de lois d'échelle. Nous avons proposé, dans un premier temps, ces modèles pour expliquer des résultats liés à des configurations particulières et ainsi démontrer la pertinence de cette approche. Le cœur de notre étude porte sur le transfert de films monocristallins, aussi fins qu'une centaine de nanomètres d'épaisseur, sur polymère par adaptation du procédé Smart-CutTM (transfert par implantation ionique et fracture). En comparaison d'une configuration standard de cette technologie, nous avons notamment étudié l'impact des propriétés mécaniques propres aux polymères (de types vitreux ou caoutchoutique). Les méthodes en loi d'échelle nous ont ainsi permis de proposer des mécanismes de transfert, de l'échelle du nanomètre jusqu'à la fracture macroscopique. Nous avons également exposé un exemple d'application concret par la réalisation d'objets microélectroniques modèles sur et dans un film monocristallin de silicium. La structure, composée d'un film de quelques micromètres d'épaisseur supporté par un polymère, constitue ainsi une structure flexible d'un point de vue mécanique. / Polymers are little considered at the moment, in the wide domain of micro- and nano- technologies. They present however certain remarkable properties by comparison with the materials used in microelectronics. For example their flexibility and their lightness allow thinking to polymers as flexible supports for microelectronic components. Besides, they offer solutions for assembling various materials.This study concerns exactly these two items. First of all, we studied bonding mechanisms implied in the assembly of silicon wafers via polymer layers. Then we proposed models for mechanism of single-crystalline layer transfers onto polymers. The mechanical properties of the considered materials (mainly single-crystalline silicon and glassy or rubber polymers) as well as their thicknesses can vary on several orders of magnitude according to the application.The originality of the study is to determine favorable experimental configurations, by simple mechanical models developed from scale laws, and to realize demonstrators. The heart of our study concerns the transfer of single-crystalline layers as thin as about hundred nanometers onto polymers by tuning of the Smart-CutTM technology (based on ion implantation and splitting for transfer). By comparison with a standard configuration of this technology, we studied the impact of the specific mechanical properties of polymers (glassy or rubber types). The methods in scale laws allowed us proposing transfer mechanisms, from the nanometer scale up to the macroscopic one. Finally we reported on a realization of micro-technology devices, made in and on single-crystalline thin silicon membranes. The stacked structures, consisting in silicon membranes thick of a few micrometers supported by polymer films, may be considered as very flexible structures.

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour réduire le prix du watt-crête de l'énergie photovoltaïque, grâce à une très faible utilisation de silicium de haute pureté. Dans notre cas, les couches actives de silicium sont supportées par des substrats, de bas coût et compatibles avec les conditions de haute température nécessaires à une croissance cristalline rapide et de bonne qualité des couches. La société S’TILE développe ces substrats, par frittage à partir de poudres de silicium, et en recristallisant les plaquettes ainsi obtenues. Le but de cette thèse est de valoriser ce substrat pour l’industrie photovoltaïque et de démontrer qu’il est adapté à la fabrication de cellules solaires à bas coût et rendement élevé. Ces travaux utilisent le procédé d’épitaxie de silicium, qui est central pour fabriquer des cellules minces. Ils s’articulent autour de deux axes principaux. Le premier est la fabrication de cellules solaires et leur optimisation sur des substrats de référence monocristallins. Dans ce cadre, de nombreuses voies ont été explorées : l’utilisation de réflecteurs de Bragg en silicium poreux, l’optimisation du dopage de l’émetteur, la formation de gradients de dopage dans la base et l’utilisation de structures à émetteur en face arrière. Ces études ont permis d’évaluer le potentiel de ces différentes voies ; des résultats prometteurs pour l’amélioration du rendement de conversion des cellules sur couches minces ont été obtenus. Le second axe de la thèse est la fabrication de cellules sur les substrats frittés préparés par S’TILE et l’application des moyens développés dans le cadre du premier axe pour améliorer ces cellules. Les rendements encoura-geants obtenus ont ainsi démontré la faisabilité de cellules solaires sur les substrats réalisés par le procédé de frittage à bas coût développé par la société S’TILE. / Crystalline silicon thin-film solar cells are promising candidates to reduce the watt-peak prices of photovoltaic energy, thanks to a much smaller use of high purity silicon. In our case, the active layers of silicon are supported by substrates. These substrates have low production costs and are compatible with the high temperature process steps, which are necessary to a rapid and high-quality crystalline growth. The company S’TILE develops these substrates, by sintering silicon powders and recrystallizing the obtained wafers. The objective of this PhD thesis is to pinpoint the relevance of this substrate for the photovoltaics industry and demonstrate that it is adapted to the fabrication of solar cells with low cost and high efficiency. This work uses the epitaxy process, which is central to fabricate these thin-film cells. It is organized in two main axes. The first one is the fabrication of solar cells and their optimization on monocrystalline reference substrates. Several optimization pathways have been tested: the use of porous silicon Bragg reflectors, the optimization of emitter doping, the base variable doping and the use of rear emitter structures. The studies permitted to unveil the potential of each pathway; promising results were obtained for the improvement of thin-film solar cell conversion efficiency. The second axis of the thesis is the cell fabrication on the substrates prepared by S’TILE and the application of the means developed in the first axis to improve these cells. Encouraging efficiencies have demonstrated the feasibility of solar cells on the substrates made by the low-cost process developed by S’TILE.

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour les développements futurs de l’industrie photovoltaïque, au travers des réductions de coûts attendues et des applications dans les modules souples. Pour devenir compétitive, la filière des couches minces de silicium monocristallin doit se différencier des filières classiques. Elle est donc généralement basée sur l’épitaxie de couches de haute qualité puis sur le transfert de ces couches vers un support mécanique pour terminer la fabrication de la cellule et réutiliser le premier substrat de croissance. Le but de cette thèse est de trouver les associations technologiques qui permettent de réaliser des cellules photovoltaïques en couches minces et ultra-minces de silicium monocristallin à haut-rendement. Les travaux présentés s’articulent selon deux axes principaux : le développement et la maîtrise de procédés technologiques pour la fabrication de cellules solaires en couches minces et l’optimisation des architectures de cellules minces haut-rendement.Dans ce cadre de travail, les développements des techniques de fabrication ont d’abord concerné la mise au point de procédés de transfert de couches minces : une technologie basse température de soudage laser et un soudage par recuit rapide haute température. Afin d’augmenter le rendement de conversion, nous avons développé des structurations de surface utilisant les concepts de la nano-photonique pour améliorer le pouvoir absorbant des couches minces. Avec une lithographie interférentielle à 266 nm et des gravures sèches par RIE et humides par TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), nous pouvons réaliser des cristaux photoniques performants sur des couches épitaxiées de silicium. Finalement, nous avons pu concevoir des architectures optimisées de cellules solaires minces à homo-jonction de silicium et à hétéro-jonction silicium amorphe / silicium cristallin plus performantes électriquement, grâce aux outils de simulation électro-optique. Notre approche théorique nous a aussi conduits à expliciter les phénomènes électriques propres aux couches minces, et à démontrer tout le potentiel des cellules photovoltaïques minces en silicium monocristallin. / Thin-film crystalline silicon solar cells are promising candidates for future developments in the photovoltaic industry, through expected costs reductions and applications in flexible modules. To be competitive, thin-film monocrystalline silicon solar cell technology must differentiate itself from conventional ones. It is generally based on the epitaxy of high-quality layers and then on the transfer of these layers onto a mechanical support to complete the manufacture of the cell and reuse the growth substrate. The aim of this thesis is to find the technological associations that make it possible to realize high-efficiency photovoltaic cells from thin and ultra-thin layers of monocrystalline silicon. The work presented focuses on two main axes: the development and control of technological processes for the fabrication of thin-film solar cells and the optimization of high-performance thin-cell architectures.In this framework, the development of manufacturing techniques began with the development of thin-film transfer processes: low temperature laser welding technology and high temperature fast annealing welding technology. In order to increase conversion efficiency, we have developed surface patterns using the nano-photonics concepts to improve the absorbency of thin films. With an interferential lithography at 266 nm and dry etching by RIE and wet etching by TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide), we can produce high-performance photonic crystals on epitaxial layers of silicon. Finally, we were able to design optimized architectures of thin solar cells with homo-junction of silicon and hetero-junction amorphous silicon / crystalline silicon more efficient electrically, thanks to electro-optical simulation tools. Our theoretical approach has also led us to explain the electrical phenomena specific to thin films, and to demonstrate the full potential of thin photovoltaic cells made of monocrystalline silicon.

Les cellules à hétérojonctions de silicium fabriquées par croissance de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) à basse température sur des substrats de silicium cristallin (c-Si) peuvent atteindre des rendements de conversion photovoltaïque élevés (η=23 % démontré). Les efforts de recherche ayant principalement été orientés vers le cristallin de type p jusqu'à présent en France, ce travail s'attache à l'étude du type n pour d'une part déterminer les performances auxquelles s'attendre avec cette nouvelle filière et d'autre part les améliorer. Pour cela, nous avons mis en œuvre des techniques de caractérisation des matériaux composant la structure et de l’interface (a-Si :H/c-Si) couplées à des outils de simulations numériques afin mieux comprendre les phénomènes de transport électronique. Nous nous sommes également intéressés aux cellules à hétérojonctions avec substrats de silicium multicristallin de type n, le silicium multicristallin étant le matériau le plus répandu actuellement dans la fabrication des cellules photovoltaïques. / In this thesis we focus on the silicon heterostructure combining thin films amorphous silicon (a-Si :H) deposited at low temperature on crystalline silicon (c-Si) substrates. We study the different materials and the interface between them through both characterizations, modelling and numerical simulations. The goal is to better understand the influence of the different parameters (doping level, defects density, band offset, ...) on the photovoltaic solar cell's performances in order to get them improved. Structures with multicrystalline silicon substrates are also studied.

La miniaturisation depuis 50 ans des composants, transistors MOSFET à base de silicium, dans les technologies CMOS est de plus en plus limité par l'apparition de phénomènes quantiques dans les dispositifs de taille sub-0,1 µm. L'épaisseur requise pour l'isolant de grille devenant trop faible, cela induit une très forte augmentation des courants de fuites à travers le diélectrique. Une solution pour résoudre ce problème est de remplacer la silice (SiO2), qui est l'isolant naturel du substrat de Si, par un autre matériau qui a une constante diélectrique plus élevée que celle de la silice. Avec ces oxydes « high-κ » on peut viser une épaisseur physique d'isolant plus élevée et donc diminuer les courants de fuites tout en maintenant la capacité surfacique du transistor constante. <br />Les solutions industrielles actuelles développées sont à base d'oxydes « high-κ » amorphes. Une alternative serait l'utilisation d'oxydes monocristallins épitaxiés directement sur silicium qui permettrait de retrouver les propriétés de l'oxyde massif et d'obtenir des interfaces abruptes sans présence de couches interfaciales. Cependant le choix du matériau est limité par le désaccord de maille avec le substrat et aussi par la compatibilité et la stabilité thermodynamique des oxydes vis-à-vis du Si. Les matériaux explorés dans cette thèse ont été LaAlO3 et Gd2O3 choisis pour leurs propriétés électroniques (constante diélectrique et discontinuités de bandes) et γ-Al2O3 choisi pour ses qualités thermodynamiques vis-à-vis du Si. La méthode d'élaboration utilisée a été l'épitaxie par jets moléculaires (EJM).<br />Nous avons tout d'abord commencé par étudier le système LaAlO3/Si. Après avoir défini les conditions optimales de croissance (température, pression d'oxygène et vitesse de croissance), par homoépitaxie (sur un substrat de LaAlO3(001)) et hétéroépitaxie (sur un substrat de SrTiO3(001)), nous avons exploré les possibilités de faire croître cet oxyde directement sur Si(001). N'ayant pas pu trouver de fenêtre de croissance compatible, une solution a été d'utiliser une fine couche interfaciale de SrO ou de SrTiO3 pour obtenir une phase solide de LaAlO3 sur Si. Cependant les limitations thermodynamiques de l'interface à base d'alcalino-terreux (Sr) rendent incompatible la réalisation de transistors CMOS. <br />Le deuxième oxyde étudié a été l'oxyde de gadolinium (Gd2O3). Si la croissance s'est révélée monodomaine et de très bonne qualité sur Si(111), nous avons observé une croissance bidomaine sur substrat de Si(001). Ceci provient de l'alignement des plans (110) de l'oxyde sur les plans (001) du Si, tournés de 90° à chaque marche de silicium, Nous avons alors montré que l'utilisation d'un substrat vicinal de Si(001) désorienté de 6° permet de favoriser qu'un seul domaine de Gd2O3. Malgré ses limitations (formation de silicate interfacial à hautes températures) le système Gd2O3/Si est actuellement considéré comme un des plus intéressants pour l'intégration dans les technologies CMOS.<br />Afin d'obtenir des interfaces abruptes et stables thermodynamiquement, nous avons exploré les possibilités offertes par l'oxyde γ-Al2O3. Après avoir mis en évidence la possibilité de faire croître un film fin de γ-Al2O3(001) pseudomorphe avec une interface cohérente, nous avons défini différents assemblages possibles combinant γ-Al2O3 et un oxyde « high-κ ». Une solution originale qui permet d'intégrer un oxyde « high-κ » cristallin sur Si avec une interface abrupte et stable a été proposée.

Cette thèse se situe dans un des axes principaux de l'INL qui a pour objectif de développer des procédés de fabrication de films minces d'oxydes monocristallins, épitaxiés sur silicium. Ces oxydes pourraient remplacer les oxydes de grille amorphes de type SiOxNy ou HfSixOyNz et répondre au cahier des charges de la « Road Map » de l'ITRS dans les futures filières CMOS sub 22nm. L'intérêt de maîtriser l'épitaxie d'oxydes sur silicium va bien au-delà de l'application au CMOS. Un tel savoir faire serait une brique technologique essentielle pour pouvoir développer des filières d'intégration monolithique sur silicium.<br /><br />Dans ce contexte, l'objectif principal de ma thèse a été de mener une étude approfondie des propriétés physicochimiques et structurales de couches fines d'oxydes élaborées par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) sur substrat silicium ou oxyde, en utilisant la spectroscopie de photoélectrons (XPS) et la diffraction de photoélectrons (XPD).<br /><br />Nous avons étudié dans un premier temps la relaxation de films minces de LaAlO3 et de BaTiO3 épitaxiés sur des substrats de SrTiO3(001). Nous avons montré qu'au-dessous d'une certaine épaisseur critique ces deux oxydes sont contraints de façon pseudomorphiques sur SrTiO3(001). De plus nous avons clairement mis en évidence une forte augmentation de la déformation ferroélectrique pour une couche contrainte de BaTiO3.<br /><br />Dans un deuxième temps, nous avons aussi étudié la croissance de LaAlO3 sur Si(001). LaAlO3 est amorphe pour des températures de croissance en dessous de 500°C. Pour des températures supérieures il y a formation de silicates à l'interface qui empêche la cristallisation. Pour surmonter cette difficulté, des procédés d'ingénierie d'interface ont été développés pour limiter les réactions interfaciales et réussir la croissance épitaxiale. Ils sont basés sur l'utilisation de couches tampons interfaciales d'oxydes comme SrO, SrTiO3 et Al2O3.<br /><br />Enfin, nous avons comparé les modes de croissance et la stabilité d'interface d'Al2O3 et de Gd2O3 épitaxiés sur Si(111) et Si(001). Les résultats prouvent que la croissance de ces deux oxydes sur Si(111) a une orientation suivant [111]. Par contre sur Si(001) le mécanisme de croissance est plus complexe avec des relations d'épitaxie et des orientations inhabituelles.