Des nanostructures basées sur des différences de cristallinité ont été insérées dans des cellules test en silicium par des techniques d’amorphisation innovantes. Un nouveau mécanisme de multiplication de porteurs a ainsi été observé. Cet effet peut provenir des niveaux d’énergie électronique introduits par de grandes densités locales de bi-lacunes. Un principe de fonctionnement impliquant des mécanismes à niveaux d’énergie multiples et un transport électronique rapide au sein de la bande d’énergie des atomes de phosphore non-ionisés a également été proposé. Cela conduit à une asymétrie favorable entre la génération et la recombinaison des porteurs libres.L’énergie nécessaire à un photon pour enclencher le procédé s’est révélée plus petite que deux fois celle de la bande interdite. L’amélioration du rendement photovoltaïque devient donc concevable et une nouvelle génération de cellules solaires à haute efficacité pourrait ainsi émerger de cet effet de multiplication à faible-énergie. / Nanostructures based on differences of crystallinity have been embedded into all-silicon test devices by innovative amorphization techniques and a new carrier multiplication mechanism was observed. This effect can indeed originate from the electron energy levels resulting from the high densities of divacancies localized at the crystalline/amorphous interfaces.An operating principle involving multiple energy level mechanisms and fast electronic transport within the unionized phosphorus energy band was also advanced. It led to a favourable asymmetry between generation and recombination of free carriers.Besides, contrary to other carrier multiplication effects, photon energy lower than twice the band gap was found sufficient to initiate the process. The enhancement of photovoltaic yields becomes therefore conceivable and propositions of prototypes are made. A new generation of high efficiency solar cells may then emerge from this Low-Energy Electron Multiplication effect.

La cellule photovoltaïque à porteurs chauds est un dispositif de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique dont les rendements théoriques approchent les 86%. Additionnellement à une cellule photovoltaïque standard, ce dispositif permet de convertir l’excédent d’énergie cinétique des porteurs photogénérés, en énergie électrique. Pour cela, le phénomène de thermalisation doit être réduit et des contacts électriques sélectifs en énergie ajoutés. Afin de déterminer les performances potentielles des absorbeurs, tout en surmontant le défi de fabrication des contacts électriques sélectifs, un montage et une méthode de cartographie d’intensité absolue de photoluminescence résolue spectralement ont été utilisés. Ceci a permis d’obtenir la température d’émission et la séparation des quasi-niveaux de Fermi, les deux grandeurs thermodynamiques caractéristiques de la performance des absorbeurs. Dans cette étude, des absorbeurs à base de puits quantiques d’InGaAsP sur substrat d’InP sont utilisés. Les grandeurs thermodynamiques sont estimées et la technique de caractérisation utilisée permet l’accès à des grandeurs tel que le facteur de thermalisation mais aussi un coefficient thermoélectrique, appelé photo-Seebeck. L’analyse quantitative de porteurs chauds dans des conditions pertinentes pour le photovoltaïque est une première ; le dispositif étudié permettrait de dépasser la limite de Schockley-Queisser. Enfin, le dispositif étant muni de contacts des caractérisations électriques sont faites et comparé aux mesures optiques. Afin de mieux comprendre l’évolution des grandeurs thermodynamiques étudiées, une première simulation est proposée. / The hot carrier solar cell is an energy conversion device where theoretical conversion efficiencies reach almost 86%. Additionally to a standard photovoltaic cell, the device allows the conversion of kinetic energy excess of photogenerated carriers into electrical energy. To achieve this, the thermalisation process must be limited and electrical energy selective contacts added. In order to determine potential absorber performances and overcome the fabrication challenge of energy selective contacts, a set-up and the related method of mapping absolute photoluminescence spectra were used. This technique allows getting quasi-Fermi levels splitting and temperature of emission, both thermodynamic quantities characteristic of the performance of the absorbers. In this study, absorbers based on InGaAsP multiquantum wells on InP substrate were used. The thermodynamic quantities are determined and allow to access at quantities such as thermalisation rate but also a thermoelectric coefficient, so-called Photo-Seebeck. The quantitative analysis of the hot carriers regime, in relevant conditions for photovoltaic is a first: the analysed device indicates a potential photovoltaic conversion over the Schockley-Queisser limit. At last, as the device is supplied with electrical contacts, electrical characterization are made and compared to optical measurements. A first simulation is proposed to better understand the thermodynamic quantities evolution as a function of the electrical bias.

L’émission de lumière est une puissante technique de localisation dans le domaine de l’analyse de défaillance des circuits intégrés. Depuis plusieurs années, elle est utilisée comme une technique capable de localiser et d’identifier des défauts émissifs, tels que les courants de fuites, en fonctionnement statique du composant. Cependant, l’augmentation d’intégration et des performances des circuits actuels implique l’apparition d’émissions de défauts dynamiques dus à l’utilisation de fréquences de fonctionnement de plus en plus élevées. Ces contraintes imposent une adaptation de la technique d’émission de lumière qui doit donc évoluer en même temps que l’évolution des circuits intégrés. C’est dans ce contexte que de nouveaux modes de détection, liés à l’émission de lumière, est apparu : PICA et TRE. Ainsi, les photons sont collectés en fonction du temps donnant ainsi une place importante à la technique par émission de lumière dynamique pour le debbug et l’analyse de défaillance en procédant à une caractérisation précise des défauts issus des circuits intégrés actuels. Pour répondre aux exigences dues à l’analyse du comportement dynamique des circuits intégrés, des méthodes ont été identifiées à travers la technique PICA et la technique d’émission en temps résolu connue sous le nom de technique mono-point TRE. Cependant, les techniques PICA et TRE sont exposées à un défi continu lié à la diminution des technologies et donc des tensions d’alimentation. Pour analyser des circuits de technologies futures à faible tension d’alimentation, il est nécessaire de considérer différentes approches afin d’améliorer le rapport signal sur bruit. Deux solutions sont présentées dans ce document : un système de détection optimisé et des méthodes de traitement de signal. / Light emission is a powerful technique for the characterization of failed integrated circuits. For years, faults have been identified in a static configuration of the device. Just by providing the power supply, abnormal current leakage could be located. With the growing complexity of devices, some fault may appear only in the middle of the test sequence. As a result the evolution of light emission was to use the same detector to acquire the image of a running circuit. A new mode of light emission came became available: PICA or picoseconds IC analysis. With this configuration, photons are collected as a function of time. This technique became mainstream for IC debug and failure analysis to precisely characterize IC. Light emission has also reached dynamic IC requirements through PICA and Single-point PICA also known as TRE. However, light emission and TRE is facing a continuous challenge with technologies shrinkage and its associated power supply voltage drop. To work with recent IC technologies with ultra low VDD voltage, it is necessary to take a different approach, to improve the signal to ratio. Two solutions are presented in this document: A best detection system and TRE and PICA signal processing development.

Au cours de ces dernières années, le réseau électrique est devenu un candidat incontournable pour la transmission de données à haut débit à l’intérieur des bâtiments. De nombreuses solutions sont actuellement à l’étude afin d’optimiser ces technologies connues sous le nom Courants Porteurs en Ligne (CPL) ou PLC (Power-Line Communications). La technique MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) a été tout récemment transposée au réseau filaire électrique pour lequel différents modes d’alimentation peuvent être envisagés entre la phase, le neutre et la terre. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons deux contributions originales à l’étude des communications numériques sur le réseau électrique à l’intérieur des bâtiments. La première contribution concerne la modélisation du canal MIMO-PLC. En repartant d’un modèle du canal paramétrique SISO (Single-Input Single-Output) connu dans la littérature, nous proposons un modèle du canal MIMO en considérant un nouveau paramètre caractérisant la corrélation spatiale. Le modèle proposé permet de représenter fidèlement la corrélation spatiale des mesures effectuées à l’échelle européenne. La deuxième contribution concerne le bruit impulsif présent sur le réseau électrique domestique qui constitue un problème majeur dans les systèmes de communications. Nous proposons une méthode basée sur la notion de capacité de coupure afin d’optimiser le débit moyen dans les systèmes OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) soumis aux bruits impulsifs. D’abord, nous étudions la capacité du système en fonction d’une marge de bruit fournie aux symboles transmis. Ensuite, nous déterminons l’expression analytique de la probabilité de coupure (outage) d’un symbole OFDM en fonction de cette marge, en étudiant de manière détaillée l’interaction entre l’impulsion de bruit et le symbole. A partir de ces deux calculs, nous déduisons la capacité de coupure. Puis, nous proposons une approche qui maximise l’espérance mathématique du débit reçu. Finalement, nous présentons les résultats obtenus dans le cas particulier d’une transmission à haut débit sur PLC en présence de bruits impulsifs. / In recent years, the electrical network has become an essential candidate for high-speed data transmission inside buildings. Many solutions are currently underway in order to optimize these technologies known under the name of in-home Power-Line Communications (PLC). Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technique has recently been transposed into power-line networks for which different signal feeding possibilities can be considered between phase, neutral and earth wires. In this thesis, we propose two original contributions to indoor broadband PLC. The first contribution concerns the MIMO-PLC channel modeling. Based on a Single-Input Single-Output (SISO) parametric channel model presented in the literature, we propose a MIMO one by considering a new parameter which characterizes the spatial correlation. The proposed model enables an accurate description of the spatial correlation of European MIMO PLC field measurements. The second contribution is related to the impulsive noise present in power-line networks which constitutes a major problem in communications systems. We propose an outage capacity approach in order to optimize the average data rate in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems affected by impulsive noise. First, we study the channel capacity as a function of a noise margin provided to the transmitted symbols. Then we determine the analytical expression of the outage probability of an OFDM symbol in terms of the noise margin, by studying in detail the interaction between the noise impulse and the symbol. Based on the two aforementioned relations, we deduce the outage capacity. Then we propose an approach that enables to maximize the average system data rate. Finally, we present the results in the particular case of indoor broadband PLC in the presence of impulsive noise.

Cette thèse présente l'étude théorique et expérimentale de la génération et de la mise en forme d'impulsions térahertz (THz). Dans un premier temps, nous avons étudié la génération d'impulsions THz par redressement optique d'impulsions laser femtosecondes intenses dans des cristaux semiconducteurs de ZnTe. Nous avons mis en évidence une forte dépendance de l'efficacité de ce processus de génération avec l'intensité de l'impulsion laser génératrice. Ceci se traduit en particulier par un décalage progressif du spectre vers les basses fréquences et par une évolution anormale de l'énergie THz avec l'intensité laser. Ces comportements résultent d'une combinaison de trois phénomènes : la déplétion de l'impulsion laser au cours de sa propagation dans le cristal, l'absorption de l'onde THz par les porteurs libres créés par absorption à deux photons et une modification de la condition d'accord de phase induite par les porteurs chauds. Dans un deuxième temps, nous avons développé une approche analytique permettant de générer des impulsions THz de formes particulièrement intéressantes pour les expériences de spectroscopie cohérente ou de contrôle cohérent. Nous avons notamment généré des paires d'impulsions verrouillées en phase, des trains d'impulsions, ainsi que des impulsions THz accordables de grande finesse spectrale. Cette technique repose sur le redressement optique d'impulsions laser femtosecondes mises en forme à l'aide d'un masque à cristaux liquides placé dans le plan de Fourier d'une ligne à dispersion nulle. Afin de démontrer la validité de notre approche, nous avons également développé un programme de simulation qui donne des résultats en très bon accord avec l'expérience.

Les décharges électrostatiques (ESD) constituent un problème majeur de fiabilité pour les entreprises de semi-conducteurs. Pour enrayer les défauts générés par les ESD sur les circuits intégrés (ICs), des éléments de protection sont implantés directement dans les puces. La constante poussée de l'intégration des circuits a pour conséquence la réduction des dimensions des cellules technologiques élémentaires ainsi que l'accroissement du nombre d'applications supportées par les ICs. Les conditions restrictives imposées par les procédés technologiques et par la complexité croissante des systèmes entraînent un défi considérablement accru pour le développement de produits robustes aux ESD. Dans ce travail de recherche, le problème émergeant des défaillances des couches d'oxydes minces d'épaisseur Tox = 8 à 1.1nm sous contraintes ESD est adressé dans les technologies CMOS les plus avancées, par une contribution à la compréhension des mécanismes de dégradation de la fiabilité du diélectrique et des dispositifs sous contraintes ESD. Une nouvelle approche de caractérisation des oxydes minces sous des stress à pulses ultra-courts (20 ns) est décrite jusqu'à la modélisation complète de la dépendance temporelle du claquage du diélectrique. Basé sur un ensemble cohérent de modélisations, une nouvelle méthodologie est proposée pour ajuster la détermination de la fenêtre ESD de façon mieux adaptée aux intervalles de tension et d'épaisseur d'oxyde de grille pour l'ingénierie des concepts de protection. Ceci a permis d'améliorer la prise en compte des problèmes ESD pour une meilleure fiabilité et robustesse des produits conçus en technologies CMOS fortement sub-microniques vis-à-vis des décharges électrostatiques.

Le travail rapporté dans ce mémoire concerne la caractérisation électrique de nanocristaux de germanium (nc-Ge) élaborés par démouillage sur une couche de dioxyde de silicium. L'étude est réalisée sous deux formes : <br />En premier lieu, des mesures courant – tension (I-V) et capacité (haute fréquence ; 1 MHz) – tension (C-V) ont été effectuées pour caractériser des nanocristaux recouverts par du silicium amorphe. Les résultats ont montré l'apparition du blocage de Coulomb à température ambiante dans des nc-Ge ayant le plus petit (~3.5 nm) diamètre. Les mesures I-V et C-V ont révélé le phénomène de piégeage dans les nanocristaux. Ce dernier est conditionné par leur taille et densité moyennes, dont les effets ont été séparés grâce aux mesures en température. En conséquence, la variation en température du nombre moyen d'électrons piégés par nanocristal a permis d'accéder à une énergie d'activation thermique qui s'est révélée être dépendante de la taille moyenne (ou du gap) du nanocristal.<br />En deuxième lieu, des caractérisations par microscopie à force atomique en mode conducteur ont été effectuées sur des échantillons contenant des nc-Ge non recouverts. Là aussi, le transport et le piégeage ont été abordés en mettant en évidence l'effet de la taille et la densité moyennes des nc-Ge. Des mesures EBIC (courant induit par faisceau d'électrons) en champ proche (NF-) ont aussi été menées pour cartographier l'activité électrique en surface des échantillons. Elles ont été suivies par des mesures de la longueur effective de diffusion des porteurs minoritaires en excès. Les résultats ont montré que ce paramètre est réduit par la présence de nc-Ge et par l'augmentation de leur densité

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes de luminescence de nanocristaux de silicium (nc-Si) de taille contrôlée. Les matériaux étudiés sont des couches minces de SiO2 contenant des nc-Si confinés. La structure des films est caractérisée par spectroscopie d'absorption infrarouge, diffraction de rayons X et microscopie électronique à transmission. La distribution en taille des nc-Si est mesurée, montrant que la taille est contrôlée avec une faible dispersion.<br />Les mécanismes de luminescence sont étudiés par spectroscopie de photoluminescence continue et résolue en temps de 4 K à 300 K. Corrélés à l'étude de structure, les résultats de photoluminescence montrent que la qualité de la matrice et la taille des nc-Si contrôlent les propriétés de luminescence des nc-Si. Les mécanismes de recombinaison des porteurs sont étudiés. Enfin, le transport électrique dans les couches est caractérisé. L'électroluminescence est observée et montre le rôle joué par les nc-Si sur la luminescence.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la propagation des courants porteurs en ligne dans le réseau de distribution d'énergie électrique. Pour simuler les phénomènes, des modèles HF des éléments ont été élaborés, principalement pour le transformateur MT/BT. Une grande partie est constituée par l'identification en HF du transformateur de puissance MT/BT, élément majeur et complexe du réseau de distribution. Après une étude bibliographique des modèles du transformateur en HF, nous avons réalisé de nombreuses mesures externes sur deux transformateurs réels 20/0,4 kV de moyenne puissance afin d'obtenir leurs impédances de transfert dans la gamme 100Hz – 10MHz. Des schémas équivalents ont été proposés, un en MF et un autre en HF. Les mesures et les méthodes nécessaires pour déterminer les caractéristiques de transfert de signaux MF-HF à travers le transformateur ont été synthétisées et présentées. Afin de valider ces modèles, les caractéristiques de transfert de signaux à travers le transformateur sont mesurées et puis comparées avec des simulations. Ensuite, les modèles HF des autres éléments principaux rencontrés dans le réseau de distribution sont analysés. Finalement, nous avons mis en oeuvre l'ensemble des modèles pour simuler avec ATP/EMTP la propagation des signaux HF dans un réseau de distribution réel. Plusieurs schémas sont exploités afin de rechercher les paramètres topologiques qui influent sur la qualité de transmission des CPL.

Ces travaux sont consacrés à l'étude de la dégradation des transistors MOSFETs de la génération 130nm-2nm, soumis aux injections de porteurs énergétiques générés par les champs électriques élevés. D'une manière générale, les conséquences de ces mécanismes de dégradation se retrouvent dans une dérive temporelle significative des paramètres électriques représentatifs des performances des transistors. Ces dérives sont liées au piégeage de charges dans l'oxyde et à la génération d'états électroniques à l'interface Oxyde-Silicium (SiO2-Si).<br />Cette étude présente dans un premier lieu le principe de fonctionnement de la structure MOS et l'influence de la présence d'états d'interface et de charges dans l'oxyde. Les effets dits parasites, liés à la miniaturisation des géométries, ainsi que les méthodes qui permettent de les caractériser sont présentées. Par la suite nous exposons les moyens expérimentaux qui permettent de mettre en évidence les dégradations et d'en distinguer la nature et la localisation. Ces techniques sont de type courant tension, ou par pompages de charges, et ont été adaptées et paramétrées pour répondre au spécificité de ces dispositifs à oxydes de Grille ultraminces. Ces dispositifs, ainsi que d'autres échantillons, représentatifs de technologies plus anciennes (500nm-12nm), ont été soumis à des stress statiques. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'évolution des pires cas de dégradation, mais également des mécanismes de dégradation et donc du type de défauts induits, à l'aide des techniques présentées. Enfin nous décrivons les méthodes d'extrapolation basée sur l'expression des courants de porteurs chauds dans la structure. Ces modèles ne tiennent pas compte des courants tunnels directs imposés par la finesse des oxydes (2nm), qui s'avèrent fortement dégradant dans le PMOS. Nous proposons un modèle simple qui permet de séparer les quantités de porteurs chauds d'une part, et de porteurs injectés en mode tunnel d'autre part.