Ce mémoire présente une étude des propriétés de conduction électrique et de la dynamique temporelle des porteurs de charges dans des nanofils de silicium sondés par rayonnement térahertz. Les cas de nanofils de silicium non intentionnellement dopés et dopés type n sont comparés pour différentes configurations du montage expérimental. Les mesures de spectroscopie térahertz en transmission montre qu'il est possible de détecter la présence de dopants dans les nanofils via leur absorption du rayonnement térahertz 1 — 12 meV). Les difficultés de modélisation de la transmission d'une impulsion électromagnétique dans un système de nanofils sont également discutées. La détection différentielle, une modification au système de spectroscopie térahertz, est testée et ses performances sont comparées au montage de caractérisation standard. Les instructions et des recommandations pour la mise en place de ce type de mesure sont incluses. Les résultats d'une expérience de pompe optique-sonde térahertz sont également présentés. Dans cette expérience, les porteurs de charge temporairement créés suite à l'absorption de la pompe optique (À N 800 nm) dans les nanofils (les photoporteurs) s'ajoutent aux porteurs initialement présents et augmentent donc l'absorption du rayonnement térahertz. Premièrement, l'anisotropie de l'absorption térahertz et de la pompe optique par les nanofils est démontrée. Deuxièmement, le temps de recombinaison des photoporteurs est étudié en fonction du nombre de photoporteurs injectés. Une hypothèse expliquant les comportements observés pour les nanofils non-dopés et dopés-n est présentée. Deuxièmement, la photoconductivité est extraite pour les nanofils non-dopés et dopés-n sur une plage de 0.5 à 2 THz. Un lissage sur la photoconductivité permet d'estimer le nombre de dopants dans les nanofils dopés-n. [symboles non conformes]

Le dopage des nanofils de semiconducteurs est un paramètre essentiel gouvernant leurs propriétés optiques et de transport. Alors que dans les nanofils d'une centaine de nanomètres de diamètre les impuretés servant au dopage se comportent certainement comme dans le matériau massif, les confinements quantique et diélectrique influent fortement sur leur structure électronique pour des dimensions de l'ordre de la dizaine de nanomètres ou en dessous. Les récentes techniques de croissance des nanofils semiconducteurs ouvrent de grandes opportunités pour des applications à l'échelle nanométrique. Ils restent semiconducteurs indépendamment de leur diamètre et de leur orientation, donnant la possibilité de contrôler leurs propriétés par dopage. Alors qu'il n'y a pas de doute que des nanofils de type p et n peuvent être produits, la question sur « comment leur conductivité électrique dépend du dopage ? » reste largement ouverte. En fait, la plupart des travaux montrant de bonnes propriétés de transport concernent des nanofils dopés avec une forte concentration de dopants (près de la densité de Mott ou au dessus). Dans ce cadre, notre travail présentera les résultats de calculs de structure électronique d'impuretés hydrogénoïdes dans des nanofils de silicium. L'évolution de l'énergie de liaison des donneurs et accepteurs sera présentée en fonction de la taille des nanofils. Des simulations de l'efficacité de dopage à température ambiante permettront de prédire des caractéristiques essentielles du transport électronique dans les nanofils. Nous montrons que l'énergie de liaison croit, dû aux confinements. Le confinement quantique pour les petites tailles de nanofils (diamètre < 5 nm) et le confinement dit « diélectrique » qui se produit quand il y a une importante discontinuité entre la constante diélectrique dans le nanofil et celle de son environnement. Pour les nanofils dans un environnement avec une faible constante diélectrique, nous montrons que les impuretés ne peuvent être ionisées à température ambiante même pour des diamètres jusqu'à quelques dizaines de nanomètres. Nous expliquons l'origine de ce comportement en considérant l'effet du potentiel de l'impureté et de la self-énergie des porteurs, nous donnons l'énergie d'ionisation dans différentes configurations. Ces résultats nous permettent de conclure qu'un fort dopage est nécessaire pour obtenir de bonnes propriétés électriques dans le nanofil.

La technologie de piles à combustible PEM (Proton Exchange Membrane) voit encore sa commercialisation limitée du fait de son coût élevé. L'un des éléments les plus coûteux est le catalyseur, constitué de platine, métal noble, représentant 25 % du coût global. L'étude mise en place dans le cadre de cette thèse s'oriente vers l'amélioration de l'utilisation de cet élément. La voie de nanostructuration s'avère d'un intérêt majeur afin de maintenir des tailles de structure proposant des propriétés électrocatalytiques intéressantes. De plus, l'élaboration électrochimique de catalyseurs présente l'avantage majeur de remplir l'une des conditions nécessaires en pile à combustible : le contact électronique. La réunion des deux précédents points nous a permis de mettre en place un procédé d'élaboration électrochimique de nanostructures, ensuite charactérisées par méthodes électrochimiques et physiques afin d'évaluer et de comprendre leurs propriétés catalytiques.

Le travail présenté dans ce manuscrit traite de la compréhension des processus de croissance de structures colonnaires de matériaux semiconducteurs nitrures. La technique de croissance utilisée est l'épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PA-MBE). Plusieurs types d'expériences viennent étayer ce travail: des expériences de microscopie électronique à balayage et à transmission, des expériences de diffraction multi-longueurs d'onde et de spectroscopie en condition de diffraction (menées à l'ESRF sur les lignes BM2 et BM32), et des expériences de photoluminescence. Tout d'abord les mécanismes de nucléation des nanofils nitrure de gallium (GaN) réalisés sur un fin (3nm) buffer de nitrure d'aluminium (AlN) épitaxié sur un substrat de silicium (111) sont étudiés. Il est démontré que la relaxation complète des précurseurs des nanofils GaN est un élément clé du mécanisme de nucléation. Dans le cas des fils de GaN, il apparaît en outre que la morphologie granulaire du buffer AlN joue un rôle essentiel. Ensuite le développement des nanofils GaN, une fois la nucléation achevée, est analysé. Nous identifions la diffusion du gallium dans le plan de croissance ainsi que sur les facettes des nanofils comme étant le mécanisme responsable de la croissance. Nous montrons en particulier que l'In, qui joue le rôle de surfactant, active la diffusion du Ga dans le plan et permet la croissance de nanofils GaN à des températures relativement basses. Sur la base de la compréhension de la nucléation et du développement des nanofils GaN, la croissance de nanofils AlN sur 4nm de SiO2 amorphe déposé sur Si(001) est développée. C'est la première fois que ce type de nanofils est réalisé par MBE. La relaxation des contraintes au cours de la réalisation d'un super réseau AlN/GaN sur des nanofils GaN a ensuite été étudiée. Nous comparons les résultats expérimentaux à des simulations théoriques pour conclure à la relaxation élastique des contraintes. La croissance de nanofils AlGaN est finalement abordée de façon préliminaire.

En raison de leur compatibilité avec la technologie conventionnelle du silicium, les nanofils de silicium semblent très prometteurs pour être utilisés comme briques de base de composants électroniques à l'échelle. Ce travail de thèse se focalise sur la croissance épitaxiale et la caractérisation de tels nanofil. Les nanofils de silicium sont fabriqués par la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) à partir de catalyseurs d'or, en utilisant deux techniques: dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et épitaxie par jets moléculaire (MBE). Dans la première partie de cette étude, les catalyseurs d'or sont déposés sur le substrat Si(111) en ultravide pour bénéficier d'interface or-silicium de grande qualité. A partir de ces ilôts d'or, des nanofils orientés <111> sont obtenus par MBE et CVD, lorsque la pression partielle de silane est faible. En profitant de l'orientation contrôlée des fils qui favorise leur intégration dans les composants, plusieurs structures basées sur les nanofils ont donc été développées. Dans la deuxième partie de cette étude, les structures atomiques des surfaces facettées de nanofils orientés <111> ont été étudiées par microscopie à l'effet tunnel (STM) à basse température. En combinant ces observations avec des images de fils identiques en microscopie électronique, nous avons révélé la diffusion d'atomes d'or depuis le catalyseur le long des fils. Cette diffusion a plusieurs conséquences : elle conduit en partie à la forme conique des nanofils et est certainement à l'origine de l'alternance de la taille des parois des nanofils. Une troisième partie a porté sur le dopage des nanofils. Des gaz tels que la phosphine ou le diborane peuvent être utilisés pour incorporer des dopants de type n ou type p dans les nanofils pendant la croissance. La tomographie par sonde atomique (TAP) a été utilisée pour caractériser la distribution des impuretés dans le volume de nanofils de silicium dopés au bore et orientés <111>. Une distribution uniforme de bore à été observée au centre de nanofils et la concentration des impuretés mesurée correspond bien à la valeur estimée par le rapport entre le flux de silane et de diborane. Enfin, ces observations ont été comparés avec des mesures de conductivité dans des nanofils individuels.

La technologie de piles à combustible PEM (Proton Exchange Membrane) voit encore sa commercialisation limitée du fait de son coût élevé. L'un des éléments les plus coûteux est le catalyseur, constitué de platine, métal noble, représentant 25 % du coût global. L'étude mise en place dans le cadre de cette thèse s'oriente vers l'amélioration de l'utilisation de cet élément. La voie de nanostructuration s'avère d'un intérêt majeur afin de maintenir des tailles de structure proposant des propriétés électrocatalytiques intéressantes. De plus, l'élaboration électrochimique de catalyseurs présente l'avantage majeur de remplir l'une des conditions nécessaires en pile à combustible : le contact électronique. La réunion des deux précédents points nous a permis de mettre en place un procédé d'élaboration électrochimique de nanostructures, ensuite charactérisées par méthodes électrochimiques et physiques afin d'évaluer et de comprendre leurs propriétés catalytiques. / A key point for the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) improvement and commercialization is the enhancement of mass specific electroactivity of platinum to reduce the cost (about 25% of the overall cost). The study set up as part of this thesis is directed towards improving the use of this element. Nanostructuration is of major interest to maintain the size structure offering interesting electrocatalytic properties. In addition, the development of electrochemical catalysts has the major advantage of satisfying the necessary conditions in fuel cell: the electronic contact. We propose an innovative process to elaborate a metal nanowires array on microporous substrate which allows gas diffusion by a simple electrodeposition method. As-made structures had been physically and electrochemically characterized to evaluate and understand their electrocatalytic activity.

Les nanofils nitrures présentent des propriétés optoélectroniques extraordinaires et sont considérés comme des matériaux prometteurs pour des diodes électroluminescentes (LEDs), grâce à leur haute qualité cristalline, leurs surfaces non-polaires, leur bonne flexibilité mécanique, leur rapport d’aspect élevé, etc.Cette thèse adresse la croissance, la fabrication, les caractérisations optiques et électriques et la simulation optique des dispositifs à base de nanofils nitrures, avec un accent particulier sur les LEDs à nanofils.Premièrement, cette thèse présente la croissance par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques de nanofils nitrures cœur-coquille auto-assemblés contenant des puits quantiques InGaN/GaN sur les facettes plan m avec différentes concentrations d’In. Puis est décrite la fabrication de LEDs utilisant ces nanofils suivant deux différentes stratégies d’intégration (intégrations planaires et verticales).L’intégration planaire est basée sur des nanofils uniques dispersés horizontalement. J’ai proposé une plateforme photonique intégrée composée d’une LED à nanofil, d’un guide d’onde optimisé et d’un photodétecteur à nanofil. J’ai également développé un système d’alignement des nanofils.L’intégration verticale a pour objectif la réalisation de LEDs flexibles reposant sur une assemblée de nanofils verticaux encapsulées dans des polymères. Je montre que ceci permet la fabrication de LEDs flexibles monochromatiques, bi-couleurs ou blanches.Les nanofils épitaxiés sur des matériaux 2D par épitaxie de van de Waals sont faciles à décoller de leur substrat natif. Avec cette motivation, dans la dernière partie de cette thèse, j’ai étudié la croissance organisée des nanofils GaN sur du graphène micro et nano-structuré utilisant l’épitaxie par jets moléculaires. / Nitride nanowires exhibit outstanding opto-electronic and mechanical properties and are considered as promising materials for light-emitting diodes (LEDs), thanks to their high crystalline quality, non-polar facets, good mechanical flexibility, high aspect ratio, etc.This Ph.D. thesis addresses the growth, the device fabrication, the optical and electrical characterizations and the optical simulations of III-nitride NW devices, with a special emphasis on the LED applications.First, this thesis presents the growth of m-plane InGaN/GaN quantum wells with different In concentrations in self-assembled core-shell nanowires by metal-organic chemical vapor deposition. Then, by using these nanowires, LED devices based on two different integration strategies (namely, in-plane and vertical integration) are demonstrated.The in-plane integration is based on the horizontally dispersed single nanowires. I have proposed a basic integrated photonic platform consisting of a nanowire LED, an optimized waveguide and a nanowire photodetector. I have also developed a nanowire alignment system using dielectrophoresis.The vertical integration targets the fabrication of flexible LEDs based on vertical nanowire arrays embedded in polymer membranes. Flexible monochromatic, bi-color, white LEDs have been demonstrated. Their thermal properties have been analyzed.The nanowires grown on 2D materials by van der Waals epitaxy are easy to be lifted-off from their native substrate, which should facilitate the fabrication of flexible nanowire devices. With this motivation, in the last part of this thesis, I have investigated the selective area growth of GaN NWs on micro- and nano- scale graphene by molecular beam epitaxy.

Les biocapteurs ont pour objectif de détecter de faible quantité de biomolécules afin d'améliorer laqualité et la précocité des diagnostics médicaux. Parmi eux, les transistors à nanofils sont desdispositifs prometteurs, car ils permettent la détection électrique de biomolécules sans marquage avecune grande sensibilité et un temps de réponse court. Actuellement, la plupart de ces dispositifs utilisedes nanofils de silicium, qui peuvent être limités par une faible résistance chimique, ce qui entrainedes variations du signal en présence de solutions biologiques. Pour palier ces inconvénients, le carburede silicium (SiC) est un matériau prometteur déjà utilisé dans le domaine biomédical pour lafabrication ou le recouvrement de prothèses ou de vis médicales. Outre ses propriétés semiconductrices,ce matériau est biocompatible et montre une forte inertie chimique. Par conséquent, ilouvre une voie à l'intégration in-vivo des capteurs.L'objectif de cette thèse est d'élaborer des biocapteurs SiC à l'échelle nanométrique pour détecter desmolécules d'ADN. La première étape est la fabrication des transistors à base de nanofils SiC à grillearrière. Un procédé original de fonctionnalisation combiné avec la lithographie et aboutissant augreffage covalent de molécules sondes d'ADN a été mis au point. Finalement, la réponse des capteursa été mesurée entre chaque étape du protocole de fonctionnalisation. Les variations du signal lors desétapes de greffage et d'hybridation des molécules d'ADN démontrent la capacité de ces dispositifs àdétecter des molécules d'ADN. Des mesures complémentaires ont aussi montré la stabilité, lasélectivité et la réversibilité du dispositif. / Biosensors are designed to detect small quantities of biomolecules in order to improve the accuracyand earliness of medical diagnosis. Among them, nanowire transistors are promising devices, as theyallow the electrical detection of biomolecules without labeling with high sensitivity and a shortresponse time. Currently, most of these devices use silicon nanowires, which can be limited by a lowchemical resistance, which leads to signal variations in the presence of biological solutions. Toovercome these limitations, silicon carbide (SiC) is a promising material already used in thebiomedical field for the coating of prosthesis or bone screws. In addition to its semiconductingproperties, this material is biocompatible and shows a high chemical inertness. Therefore, it opens theway for in vivo integration of sensors.The goal of this thesis is to develop SiC biosensors at the nanoscale to detect DNA molecules. Thefirst step is the fabrication of SiC nanowire-based back gate transistors. A novel process combiningfunctionalization and lithography leading to the covalent grafting of DNA probe molecules has beendeveloped. Finally, the sensor response was measured between each step of the functionalizationprocess. The variations of the signal during the steps of grafting and hybridization of DNA moleculesdemonstrate the ability of these devices to detect DNA molecules. Additional steps have also shownthe stability, selectivity and reversibility of the device.

Le transistor MOSFET atteint aujourd'hui des dimensions déca nanométriques pour lesquelles les effets de balisticité ne peuvent plus être négligés. Le challenge actuel est d'être capable d'introduire le transport (quasi-)balistique dans la modélisation des dispositifs innovants et d'évaluer son impact au niveau système. Dans ce contexte, notre travail porte sur l'introduction du transport (quasi-)balistique dans une modélisation analytique des transistors MOS multigrilles pour la simulation d'éléments de circuit. Dans un premier temps, la redécouverte de la méthode de McKelvey appliquée au transistor MOSFET a permis de synthétiser l'ensemble des travaux concernant la modélisation analytique du transport balistique/quasi-balistique. Nous avons alors construit une modélisation appelée « mobilité quasi-balistique » (à partir des travaux de Rhew et al), issue du rapprochement entre la méthode des moments et la méthode de McKelvey permettant de décrire le transport (quasi-)balistique de façon macroscopique dans un environnement TCAD. L'ensemble des résultats issus de cette première modélisation nous a dirigé dans la construction de notre modèle analytique de courant (quasi-)balistique en adaptant ou en créant de nouvelles approches pour prendre en compte les divers effets des dispositifs nanométriques : les effets de canal court, le confinement quantique et la description des interactions. Nous avons donc pu quantifier l'impact des propriétés de transport électronique sur le fonctionnement d'éléments de circuit et cela en fonction du type d'architecture.

Dans le contexte actuel d'optimisation des performances des dispositifs de microélectronique, le transistor MOSFET, brique de base, est soumis à des contraintes géométriques telles que son architecture même est remise en cause. L'augmentation du nombre de grille afin d'accentuer le contrôle électrostatique de la grille sur le canal a mis en avant des architectures ultimes telles que le nanofil dont la grille enrobe totalement le canal. Dans ce travail, une étude du nanofil de silicium a été réalisée afin d'estimer les potentialités de cette architecture au niveau transistor jusqu'à l'étude de petits circuits. Pour cela, un modèle analytique en courant a été mis en place et implémenté en Verilog-A afin de simuler des petits circuits dans un environnement de type ELDO. Toutefois, les paramètres du modèle telles que les masses effectives de transport (ou de confinement) ou le transport dans le film sont la clé de la prédictibilité au niveau circuit. C'est pourquoi des simulations avancées de type liaisons fortes ou Kubo-Greenwood ont été développées afin d'étudier finement l'évolution des caractéristiques du nanofil notamment vis-à-vis de son intégration géométriques. Issues de ces approches numériques, des expressions analytiques ont été établies afin d'inclure dans le modèle toute la physique observée en amont. Des effets comme l'évolution de la structure de bande ou l'impact des mécanismes d'interaction ont ainsi pu être apportés jusqu'au niveau circuit. Les résultats en courant acquièrent une certaine pertinence en créant un lien entre simulations numériques et données expérimentales. / The microelectronics industry is extremely competitive in the increase of performances for devices or circuits. Nanowire architectures are now considered for the integration of strongly scaled devices as predicted for advanced technology nodes. The particular shape of nanowires combined to the reduction of geometrical dimensions (diameter of several atomic layers) leads to the emergence of physical phenomena on the MOSFET electrostatics characteristics such as quantum confinement (2D effects), short channel or band structure effects as well as the electronic transport with quasi-ballistic effect. In this work, we propose an analytical model including these last mechanisms for silicon GAA nanowires. In order to guarantee the pertinence of the model, numerical code have been developed such as a Schrödinger-Poisson solver for the band structure and a mobility calculation based on the Kubo-Greenwood formula including phonons, surface roughness and remote Coulomb scattering. The different results have been gathered in a continuous model, validated on numerical simulations and experimental data. Finally, a complete chain has been built to study the impact of last phenomena from the atomistic study, the MOSFET device characteristics up to small circuit performances.