Reproduction de : Thèse de doctorat : Électronique : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3542. Résumé. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 221-237.

Actuellement, les circuits numériques nécessitent d'être de plus en plus performants. Aussi, les produits doivent être conçus le plus rapidement possible afin de gagner les précieuses parts de marché. Les méthodes rapides de conception et l'utilisation de MPSoC ont permis de satisfaire à ces exigences, mais sans tenir compte précisément de l'impact du vieillissement des circuits sur la conception. Or les MPSoC utilisent les technologies de fabrication les plus récentes et sont de plus en plus soumis aux défaillances matérielles. De nos jours, les principaux mécanismes de défaillance observés dans les transistors des MPSoC sont le HCI et le NBTI. Des marges sont alors ajoutées pour que le circuit soit fonctionnel pendant son utilisation, en considérant le cas le plus défavorable pour chaque mécanisme. Ces marges deviennent de plus en plus importantes et diminuent les performances attendues. C'est pourquoi les futures méthodes de conception nécessitent de tenir compte des dégradations matérielles en fonction de l'utilisation du circuit. Dans cette thèse, nous proposons une méthode originale pour simuler le vieillissement des MPSoC à haut niveau d'abstraction. Cette méthode s'applique lors de la conception du système c.-à-d. entre l'étape de définition des spécifications et la mise en production. Un modèle empirique permet d'estimer les dégradations temporelles en fin de vie d'un circuit. Un exemple d'application est donné pour un processeur embarqué et les résultats pour un ensemble d'applications sont reportés. La solution proposée permet d'explorer différentes configurations d'une architecture MPSoC pour comparer le vieillissement. Aussi, l'application la plus sévère pour le vieillissement peut être identifiée.

Grâce à leurs propriétés originales de propagation de la lumière, les structures à cristal photonique présentent d’excellents atouts pour la réalisation de dispositifs de faibles dimensions et d’excellente qualité en vue du traitement classique ou quantique du signal. L’objectif de ce travail est de montrer l’exaltation des non linéarités du troisième ordre dans les structures à cristal photonique et de favoriser, grâce à des calculs théoriques et aux expériences conduites, la compréhension de ce phénomène aux multiples facettes. Nous montrons que la clé réside en la formidable capacité des cristaux photoniques à localiser la lumière en bord de bande interdite. Ce phénomène, directement relié au ralentissement de l’onde lumineuse à l’intérieur de la structure, permet de favoriser largement les processus non linéaire d’ordre trois. Au plan théorique, nous avons étudié, grâce à un formalisme matriciel étendu au cas non linéaire du mélange à quatre ondes, différentes structures 1D. Nous avons montré la forte exaltation de la réflectivité conjuguée en bord de bande interdite, celle-ci étant directement reliée à la forte localisation de la lumière à cette longueur d’onde. Les paramètres structuraux favorisant cette localisation sont également mis en évidence. Nous avons d’autre part mené différentes études spectroscopiques et résolues en temps sur des structures 1D à faible (CP II-VI) ou fort contraste (CP III-V) d’indice. Ces études ont montré que de très forts changements d’indice de réfraction sont possibles. Nous montrons également que de fortes densités de porteurs libres photo-générés par absorption multi photonique sont extrêmement favorisées en bord de bande interdite. Nous avons en outre étudié les structures 2D grâce à une décomposition en série de Fourier du réseau 2D et nous comparons les performances du cristal photonique 1D incliné et du cristal photonique 2D.

Ce travail constitue une contribution à l'étude de la synergie entre le vieillissement accéléré et l'évolution de la robustesse aux évènements singuliers pour les technologies MOS avancées. Ce manuscrit expose le travail fait autour de la Caractérisations des mécanismes de dégradation NBTI, HCI, TDDB et Electromigration sur les structures de tests conçues dans le véhicule de test NANOSPACE en technologie CMOS LP 65 nm. Il décrit aussi l'évaluation de la robustesse face aux évènements singuliers après un vieillissement de type NBTI sur les chaines de portes logiques (inverseurs, NOR, bascules D). Cette dernière partie nous a permis de démontrer que le vieillissement de type NBTI améliore la robustesse face aux SET dans ce cas d'étude.

L'électroluminescence (EL) de isolants polymères est étudiée car elle peut permettre d'approcher les phénomènes de vieillissement électrique en fournissant la signature optique d'espèces excitées sous champ électrique. Le vieillissement et la rupture diélectrique dans les isolants polymères est d'un intérêt fondamental pour les chercheurs, concepteurs et fabricants de dispositif du génie électrique. À cet égard, les décharges partielles (DPs) sont un des principaux processus conduisant au vieillissement et à la défaillance des isolants. Cependant, avec le développement des matériaux et procédés, les DPs sont évitées dans certaines situations, par exemple, les câbles haute tension, les condensateurs, etc. Par conséquent, le besoin reste prégnant pour la compréhension des mécanismes de dégradation électrique sous forte contrainte électrique, qui peut être initiée par des porteurs énergétiques. Dans ce travail, l'EL, la cathodoluminescence (CL) excitée sous faisceau d'électrons, ainsi que d'autres techniques de luminescence ont été appliquées à la caractérisation de polyoléfines et d'autres polymères isolants. Afin de comprendre la formation d'excitons dans des films minces de Polypropylène (PP) et Polyéthylène (PE), la dépendance en champ de l'EL et du courant sous contrainte continue, et de l'EL et de sa résolution selon la phase sous contrainte AC, sont étudiées. Les spectres d'EL du PP et du PE ont le même pic principal à environ 570 nm, ce qui implique des structures et des défauts chimiques similaires pour les deux matériaux, et le même processus de dégradation. Le pic principal peut être complété par une émission à environ 750 nm dominante à faible champ. L'impact de la nature des électrodes a été étudiée sur du PEN pour comprendre l'origine de l'émission dans le rouge. A travers la dépendance en champ de l'EL et sa résolution selon la phase avec des métallisations or et ITO, on montre que l'émission dans le rouge est liée à la nature des électrodes et correspond à l'excitation de plasmons de surface ou d'états d'interface. Une étude plus approfondie est effectuée sur la cathodoluminescence d'isolants polymères. Des couches minces de PP, PE, ainsi que de Polyethylene Naphthalate (PEN) et de Polyether Ether Ketone (PEEK) ont été irradiés par faisceau d'électrons jusqu'à 5 keV. Nous avons pu reconstruire les spectres de CL et d'EL du PE et du PP à partir de quatre composants élémentaires: fluorescence, chimiluminescence, luminescence induite par recombinaison, et composante principale du spectre d'EL à 570nm décrite plus haut et considérée comme signature du vieillissement. Pour la première fois, la nature de l'EL et de la CL de polyoléfines est décomposée en quatre composantes de base avec des contributions relatives différentes. L'identification de ces composantes spectrales est utile pour interpréter la luminescence de polyoléfines et autres isolants polymères, et établir les liens entre distribution de charge d'espace et vieillissement diélectrique. A travers ces recherches sur l'EL et la CL dans plusieurs isolants polymères, i.e. polyoléfines ou polyesters, la formation d'excitons et les processus de relaxation d'énergie sous contrainte électrique et électrons énergétiques sont mis en évidence. Surtout, l'analyse en composantes spectrales et la reconstruction des spectres donne accès aux mécanismes d'excitation de la luminescence et à une corrélation avec le vieillissement électrique. A l'avenir, les mesures de luminescence peuvent devenir une méthode standard pour sonder et analyser les isolants polymères. / Electroluminescence (EL) of insulating polymers is a subject of great interest because it is associated with electrical ageing and could provide the signature of excited species under electric field. Electrical ageing and breakdown in insulating polymers is of fundamental interest to the researchers, the design engineers, the manufacturers and the customers of electrical apparatus. In this respect, Partial Discharge (PD) is a harmful process leading to ageing and failure of insulating polymers. However, with the development of the materials and apparatus, PDs can be weakened or avoided in some situations, e.g. extra high voltage cables, capacitors, etc. Therefore, there is urgent demand for understanding electrical degradation mechanisms under high electric field, which can be triggered by energetic charge carriers. In this work, Electroluminescence, EL, and cathodoluminescence, CL, excited under electron beam, along with other luminescence-family techniques are carried out for probing polyolefins and other insulating polymers. In order to uncover the excitons formation in Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE) thin films, the field dependence of EL and current under DC stress and field dependence of EL and phase-resolved EL under AC stress, are investigated. The EL spectra of both PP and PE have the same main peak at approximately 570 nm, pointing towards similar chemical structures and defects in both polyolefins, and same route to degradation. This main peak can be complemented by an emission at approximately 750 nm dominating at low field. Electrode effect on the EL of Polyethylene Naphthalte (PEN) was investigated to understand the origin of the red emission at 750 nm. Through field dependence of EL and phase-resolved EL of Au or ITO electrodes, we proved the red component is due to the nature of electrode, more precisely Surface Plasmons and/or interface states. Further thorough study was carried out on cathodoluminescence of insulating polymers. Thin films of PP, PE, along with Polyethylene Naphthalate (PEN) and Polyether Ether Ketone (PEEK) were irradiated under electron beam up to 5 keV to be excited. We could reconstruct EL and CL spectra of both PE and PP using four elementary components: i.e. Fluorescence, Chemiluminescence, Recombination-induced Luminescence, and main component of the EL spectrum at 570 nm reported above and constituting an ageing marker. For the first time the nature of both EL and CL in polyolefins is uncovered, containing four basic components with different relative contributions. Identification of these spectral components is helpful to interpret the nature of light emission from polyolefins and other insulating polymers and to bridge the gap between space charge distribution and electrical ageing or breakdown. Through researches on EL and CL in several insulating polymers, i.e. polyolefins and a polyester, excitons formation and relaxation processes under electric stress and kinetic electrons are evidenced. More importantly, the spectral components analyses and reconstruction uncovers the nature of luminescence and its correlation to electrical ageing. In the future, luminescence measurement can be developed to be a standard method to probe and analyze insulating polymers.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais

L'objectif de la thèse est de mesurer comment et combien la société bisontine a été touchée par le processus de décolonisation. L'étude d'une communauté urbaine est à la confluence de plusieurs champs historiographiques (histoire politique, culturelle, de la colonisation et de la décolonisation, de la guerre froide). Dans le cadre de cette histoire vue d'en bas, il s'agit de comprendre comment les habitants vivent (comprennent, ressentent, interprètent) la décolonisation. Ce travail englobe la période qui court de 1945 aux années 1960. Une double démarche a été poursuivie l'une comparant échelon local et national, l'autre envisageant la compréhension du milieu bisontin pour lui-même. La diversité des sources (officielles, groupes constitués, presse, entretiens) et leur confrontation ont permis d'établir une double conclusion. D'une part, l'exemple bisontin démontre que le processus de décolonisation a concerné la société française, y compris dans un espace qui pouvait apparaître périphérique. Il s'agit moins d'une reproduction d'un vécu national sous direction parisienne que d'un partage d'expériences communes au territoire métropolitain. D'autre part, ces similitudes n'empêchent pas des variations, sans doute non exclusives à l'espace bisontin, qui reflètent certaines caractéristiques locales : force du catholicisme social, construction d'une lutte commune entre catholiques de gauche et communistes, radicalité des choix de certains acteurs (procès Rapiné). Enfin, dans ce processus, la guerre d'Algérie a profondément marqué le vécu bisontin au point de produire parfois une histoire particulière et différente du récit national. / This doctoral thesis aims at assessing the impact of the decolonisation process on the population of Besançon. The study of an urban community involves taking an interest in various historiographical fields (such as the political and cultural history of both colonisation and decolonisation, as well as the Cold War). From a people's history perspective, our purpose is to grasp how people experienced decolonisation (how they understood, felt, thought, acted). This research covers the period from 1945 up to the 1960s. A two-angled approach has been applied, including comparisons on local and national levels and a thorough investigation of Besançon's social environment in and of itself. The diversity of sources (official sources, organised groups, press articles, interviews) and their comparison have allowed us to draw several conclusions. The example of Besançon demonstrates that the decolonisation process affected French society, even in areas that could be considered peripheral. It was actually less the replica of the nation's reality following a Parisian leadership than the sharing of a series of collective experiences on a nation-wide scale. These shared experiences may allow for variations, undoubtedly not restricted to the area of Besançon, which do indeed reflect local characteristics: the strength of social Catholicism, left-wing Catholics joining forces with Communists, the radical choices of key protagonists (e.g. the Rapiné trial). Finally, the Algerian War so dramatically influenced Besançon's experience of decolonisation that it created a singular history, different from the national narrative on some specific points.

L'influence de l'épaisseur et de la durée de vie des porteurs sur l'efficacité de la mise en résonance d'une membrane clipsée de silicium excitée par effet photo-thermo-acoustique a été étudiée. Pour cela, nous avons modélisé les phénomènes physiques spécifiques aux semi conducteurs mis en jeu afin de connaître leur influence sur la vibration créée pour augmenter l'efficacité de la conversion photo-acoustique. Un modèle analytique du mode d'encastrement de la membrane a également été développé. Puis, un banc expérimental utilisant une diode laser pour l'excitation lumineuse et un vibromètre optique pour la détection des déplacements induits a été conçu pour obtenir la réponse en fréquence de membranes de différentes épaisseurs (de 100 à 3000µm) et durées de vie de porteurs (de 1 à 45µs). Ces essais ont montré un décalage vers les basses fréquences d'environ 1kHz de la fréquence du premier mode de résonance et une faible valeur du facteur de qualité de l'ordre de la dizaine dus au choix de l'encastrement par serrage des wafers de silicium à l'aide de joints toriques en nitrile dans l'air. Cette étude a permis de montrer que, dans nos conditions expérimentales, le facteur de qualité était optimal pour une valeur particulière de l'épaisseur de membrane de l'ordre de 300µm par l'effet combiné de la pression extérieure de l'air ambiant et des pertes dans ce type d'encastrement. L'augmentation de la durée de vie des porteurs n'a pas d'effet sur le facteur de qualité alors qu'il semble faire augmenter légèrement l'amplitude de la résonance. / The influence of mechanical housing conditions and electronic properties of clamped silicon wafers in resonance configuration induced by photo-thermal-acoustic effect is studied. First, we have modelised the specific physical phenomena involved in semiconductors in order to increase the efficiency of the photo-acoustic conversion. A simplified model of clamped membrane has also been developed. Next,, an experimental set up to observe this phenomenon and to obtain the frequency response of the membrane has been built to test numerous silicon wafers with thickness from 100 to 3000µm and carrier life time between 1and 45µs. These tests showed a shift to lower frequency of about 1 kHz of the first resonance mode frequency and a low quality factor value of the order of ten due to our choice of soft clamping of silicon wafers using Nitrile O-ring in air. With our experimental conditions, the quality factor was found optimal for a thickness value of about 300µm due to the combined effects of mounting and air losses. The increase of carrier lifetime does not change the quality factor but seems to slightly increase the resonance amplitude.

La cellule solaire à porteurs chauds est un dispositif à haut rendement de conversion qui permettrait de réduire significativement le coût de l’énergie qu’il génère. Ces cellules fonctionnent avec des électrons et des trous en non-équilibre thermique avec le réseau cristallin du materiau grâce à la réduction des pertes d’énergie des porteurs, nécessitant le développement de contacts électriques sélectifs en énergie des porteurs en non-équilibre. La conception des contacts sélectifs nécessite une bonne connaissance des propriétés des porteurs dans le matériau considéré. Une méthode permettant de séparer les propriétés de chaque porteur par l’analyse de spectres de photoluminescence du matériau est proposée. Disposant de mesures de photoluminescence résolues spatialement, une seconde méthode a été développée pour approcher les coefficients de transport de chaque porteur dans le matériau : ces coefficients sont mesurés en une seule fois, par une méthode optique sans contacts. Ensuite le fonctionnement des contacts sélectifs est détaillé, démontrant la difficulté d’une stabilité électrique du système en courant continu, contrairement aux dispositifs photovoltaïques classiques. Quelques pistes de fabrication expérimentales avec des molécules et des boîtes quantiques colloïdales ont également été étudiées. Enfin, en combinant les résultats de ces travaux sur le semiconducteur photosensible et sur les contacts, un modèle de simulation a été développé. Il intègre les principaux mécanismes de pertes des porteurs, résultant ainsi en une généralisation de différents modèles précédemment étudiés dans la littérature. Un lien entre le dispositif étudié et les machines thermiques est proposé. / The hot carrier solar cell is a high conversion yield device that could enable to significantly reduce thecost of the energy it generates. Unlike classical photovoltaic devices, these cells work with electronsand holes in thermal non-equilibrium with the lattice of the material, due to the reduction of thelosses by thermalization. This specific feature require the development of energy selective contacts fornon-equilibrium carriers. The design of energy selective contacts require a good knowledge of the carrier properties in the considered material. A method enabling to separate the properties of each carrier with the analysis of photoluminescence spectra of the material is proposed. Having spatially resolved photoluminescence measurements, a second method has been developed to estimate the transport coefficients of each carrier in the material: these coefficients are measured with a one-probe optical contactless technique. Then the working principle of the energy selective contacts is studied, showing thereby the challenge of a direct current electrical stability of the system, unlike classical photovoltaïc devices. Some experimental manufacturing with molecules and colloidal quantum dots have also been studied. Last, combining the obtained results on the semiconductor and on the contacts, a modeling tool breaking the symmetry between carriers has been developed. The model takes two principal loss mechanisms of the carrier into account, leading thereby to a generalization of different models previously studied in the literature. More global thermodynamic aspects also show the link between the studied device and the heat engines.

La demande croissante de dispositifs photoniques dans la gamme térahertz (THz) a conduit au développement des Lasers à Cascade Quantique (LCQ). Réalisés en 1994 dans l'infrarouge moyen, ces lasers unipolaires à semiconducteurs comptent désormais parmi les sources les plus prometteuses pour l'émission THz. Néanmoins, de nombreux phénomènes de pertes optiques limitent leurs performances et l'optimisation de ces dispositifs demeure d'actualité. Parmi les sources de pertes, l'absorption par porteurs libres, qui résulte de transitions intra- et inter-sousbande obliques activées par toute source de désordre brisant l'invariance par translation dans le plan des couches, doit être précisément modélisée. Ce processus est bien documenté pour les matériaux massifs où le modèle semi-classique de Drude peut être appliqué. En revanche, pour les LCQ, celui-ci prédit des coefficients d'absorption supérieurs aux réels gains laser. Ce travail de thèse expose un modèle quantique de l'absorption par porteurs libres dans les structures à cascade quantique suivant deux approches théoriques différentes : un développement perturbatif au premier ordre du potentiel de désordre et une diagonalisation numérique du Hamiltonien du système désordonné. Ces travaux montrent que l'absorption par porteurs libres est très faible et diffère radicalement du résultat semi-classique. Ils font également l'analyse des différentes contributions au spectre d'absorption ainsi que la possibilité d'ajuster la forme et la largeur de raie par ingénierie de dopage. D'importants effets de localisation spatiale des états électroniques par le désordre et leur influence sur les taux de diffusion ont également été étudiés. / The demand to produce reliable THz detectors and emitters has lead to a signicant improvement of the Quantum Cascade Lasers (QCLs). First demonstrated in 1994 in the mid-infrared range, these unipolar semiconductor lasers are one of the most promising photonic sources for THz emission. Nevertheless, various optical loss phenomena limit their performances and the improvement of these devices is intensively researched. Among the possible loss sources, the Free Carrier Absorption (FCA), that arises from intra- and inter-subband oblique transitions activated by any disorder source destroying the translational invariance in the layer plane, has to be accurately modeled. FCA is well documented for bulk materials where the semiclassical Drude model can be used. For QCLs, this model predicts FCA coefficients that are comparable or larger than the actual QCL gains. This work presents a quantum modeling of FCA in quantum cascade structures following two theoretical approaches : a perturbative expansion at the first order in the disorder potential and a numerical diagonalization of Hamiltonian in presence of disorder. These calculations show that FCA is very small in QCLs and radically differs from the semiclassical Drude result. Moreover, they point out the different contributions to the absorption spectrum and the possibility of ajusting the absorption linewidth and lineshape by dopant engineering. Important disorder-induced localization effects have been identified as well as their non negligible influence on the electronic scattering rates.