Aujourd’hui, les applications de stockage de données utilisent principalement deux types de matériaux : les chalcogénures pour le stockage optique (e.g. Blu-Ray) et le silicium pour le stockage électronique (e.g. mémoires Flash). Malgré le fait qu’ils se soient avérés les plus efficaces pour des applications répandues, ces matériaux ont des limitations. Récemment, avec la montée en puissance du graphene, les allotropes du carbone ont été étudiés à la fois pour leurs propriétés intrinsèques et pour des applications ; ils ont des propriétés électroniques, thermiques et mécaniques très intéressantes qui peuvent rendre ces matériaux plus efficaces que les chalcogénures ou le silicium pour certaines applications. Dans cette thèse, nous étudions la faisabilité et le potentiel du carbone comme matériau pour le stockage de données.Nous nous concentrons d’abord sur le développement de stockage optique. Nous découvrons que les lasers continus et pulsés peuvent être utilisés pour induire des changements de phase réversibles dans des couches minces de carbone, confirmant la possibilité d’utiliser le carbone comme un matériau pour le stockage optique. De plus, nous découvrons plusieurs nouveaux phénomènes, que nous expliquons en utilisant des techniques de caractérisation avancées et de la modélisation par ordinateur de la propagation thermique dans le carbone.Ensuite, nous nous concentrons sur le stockage de données électronique en développant des mémoires à base de graphene qui peuvent être dans deux états de résistance bien séparés pour un grand nombre de cycles. Pour évaluer le potentiel de cette technologie, on caractérise le mécanisme de changement de résistance et on développe un modèle électromécanique qui permet de prédire les meilleures performances atteignables : ces mémoires ont le potentiel de commuter bien plus rapidement que les mémoires Flash tout en étant non-volatiles. / Today, data storage applications rely mainly on two types of materials: chalcogenides for optical storage (e.g. Blu-Ray) and silicon for electronic storage (e.g. Flash memory). While these materials have proven to be the most efficient for widespread applications, both have limitations. Recently, with the rise of graphene, carbon allotropes have been studied both for their intrinsic properties and for applications; graphene and other carbon allotropes have very interesting electronic, thermal and mechanical properties that can make these materials more efficient than either chalcogenides or silicon for certain applications. In this thesis, we study the feasibility and potential of the usage of carbon as a data storage material.Firstly, we focus on developing optical data storage. It is found that both continuous-wave and pulsed lasers can be used to induce reversible phase changes in carbon thin films, thus opening the way toward carbon-based data storage. Along the way, several phenomena are discovered, shown and explained by using advanced characterization techniques and thermal modelling.Secondly, we focus on electronic data storage by developing graphene-based memories that are found to switch reliably between two well-separated resistance states for a large number of cycles. To assess the potential of this new technology, we characterize the switching mechanism and develop an electro-mechanical model enabling to predict the best performances attainable: these memories would potentially be much faster than Flash memories while playing the same role (non-volatile storage).

La portabilité des mémoires Flash embarquées sur les nœuds CMOS technologiques avancés tel que le 28nm pose de nombreux problèmes de compatibilité avec les nouvelles étapes de fabrication telles que le diélectrique de grille haute permittivité, l’utilisation de grille métallique, les stresseurs et tenseurs utilisés pour piloter la performance du transistor élémentaire. L’ajout d’un dispositif à double grille classique tel que celui de la Flash apparait comme très couteux en termes de nombre de masques et d’étapes de fabrication additionnelles. De nombreuses alternatives ont vu le jour : les mémoires à changement de phase, les mémoires magnétiques et les mémoires resistives. Ce dernier type de mémoire est particulièrement attrayant pour une intégration en tant que mémoire « embarquée » sur technologie CMOS. Les matériaux utilisés (diélectrique à base d’oxyde métallique tel que le HfO₂ ou le Ta₂O₅) sont compatibles avec le procédé de fabrication CMOS comparés à ceux utilisés pour les mémoires magnétiques (risques de contamination). Les mémoires résistives sont par ailleurs basées sur une conduction filamentaire qui s’avère également particulièrement économe en énergie et adaptée aux faibles géométries quand elles sont comparées aux mémoires à changement de phase (changement d’état volumique du matériau). De nombreux industriels ont focalisé leurs efforts sur les matériaux de type HfO₂ et Ta₂O₅. Le sujet proposé fait suite à trois années de collaboration intensive entre ST Microelectronics et le CEA-LETI qui ont permis d’établir les bases d’un cellule mémoire de type Oxram fonctionnelle et facilement intégrable facilement sur une technologie CMOS. Il aura pour objectifs d’analyser les paramètres responsables des instabilités des états résistifs observés et de rechercher les différents moyens susceptibles de mieux contrôler la dispersion de ces états. Les études réalisées pourront porter sur les matériaux (diélectrique et électrodes), la technologie mise en œuvre, les conditions électriques de formation du filament [20]. La consolidation du choix du matériau et l’analyse des modes de défaillance et de la fiabilité du plan mémoire feront également partie du travail de cette première année. Ce travail sera orienté par les résultats statistiques obtenus par le biais de test à plus grande échelle (circuit de plusieurs Kbits). / Embedded Flash memories integration on advanced CMOS technological nodes such as the 28nm leads to serious compatibility problems with the new manufacturing steps such as the high-permittivity gate dielectric, the use of metal gate, etc. The addition of a conventional double-grid device such as the one for Flash appears to be very expensive in terms of number of masks and additional manufacturing steps. Many alternatives have emerged: phase change memories PCRAM, magnetic memories MRAM and resistive memories OxRAM. However, the high programming current of the PCRAM memories and the risks associated to the contamination of the materials used for the MRAM memories represent the weak points of these technologies. On the other hand, OxRAM memories are particularly attractive for integration as CMOS embedded memory. The materials used (metal oxide dielectric such as HfO₂ or Ta₂O₅) compatible with the CMOS manufacturing process and their low programming voltages due to filament conduction are an advantage for OxRAM memories.In this thesis, an in depth memory stack optimization is done to make up the OxRAM memory cell in order to be integrated into a matrix of memories. Thus, various top and bottom electrodes and various switching oxides have been studied in order to better control and improve the variability of the resistive states of the OxRAM memory cell. An evaluation of the reliability and the main memory performances in terms of Forming voltage, memory window, endurance and thermal stability were performed for each memory stack through electrical characterizations. These assessments highlighted efficient memory stacks which have been integrated into a 16Kb demonstrator. Finally, a study of the variability of the resistive states as well as their degradation mechanisms during the endurance and thermal stability were carried out through simples models and atomistic simulations (ab-initio calculations).

La mémoire NAND Flash représente une part importante dans le marché des circuits intégrés et a bénéficié de la traditionnelle miniaturisation de l’industrie des sémiconducteurs lui permettant un niveau d’intégration élevé. Toutefois, cette miniaturisation semble poser des sérieux problèmes au-delà du noeud 22 nm. Dans un souci de dépasser cette limite, des solutions mémoires alternatives sont proposées parmi lesquelles la mémoire résistive (RRAM) se pose comme un sérieux candidat pour le remplacement de NAND Flash. Ainsi, dans cette thèse nous essayons de répondre à des nombreuses questions ouvertes sur les dispositifs RRAM à base d’oxyde d’hafnium (HfO2) en particulier en adressant le manque de compréhension physique détaillée sur leur fonctionnement et leur fiabilité. L’impact de la réduction de taille des RRAM, le rôle des électrodes et le processus de formation et de diffusion des défauts sont étudiés. L’impact de l’alliage/dopage de HfO2 avec d’autres matériaux pour l’optimisation des RRAM est aussi abordé. Enfin, notre étude tente de donner quelques réponses sur la formation du filament conducteur, sa stabilité et sa possible composition. / Among non-volatile memory technologies, NAND Flash represents a significant portion in the IC market and has benefitted from the traditional scaling of semiconductor industry allowing its high density integration. However, this scaling seems to be problematic beyond the 22 nm node. In an effort to go beyond this scaling limitation, alternative memory solutions are proposed among which Resistive RAM (RRAM) stands out as a serious candidate for NAND Flash replacement. Hence, in this PhD thesis we try to respond to many open questions about RRAM devices based on hafnium oxide (HfO2), in particular, by addressing the lack of detailed physical comprehension about their operation and reliability. The impact of scaling, the role of electrodes, the process of defects formation and diffusion are investigated. The impact of alloying/doping HfO2 with other materials for improved RRAM performance is also studied. Finally, our study attempts to provide some answers on the conductive filament formation, its stability and possible composition.

Dans cette thèse, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d'interaction fluide-structure (IFS) dans le système cardiovasculaire. Nous considérons en particulier l'interaction mécanique du sang avec la paroi des grosses artères, avec des valves cardiaques et avec le myocarde. Dans les algorithmes IFS partitionnés, le couplage entre le fluide et la structure peut être imposé de manière implicite, semi-implicite ou explicite. Dans la première partie de cette thèse, nous faisons l'analyse de convergence d'un algorithme de projection semi-implicite. Puis, nous proposons une nouvelle version de ce schéma qui possède de meilleures propriétés de stabilité. La modification repose sur un couplage Robin-Robin résultant d'une ré-interprétation de la formulation de Nitsche. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à la simulation de valves cardiaques. Nous proposons une stratégie partionnée permettant la prise en compte du contact entre plusieurs structures immergées dans un fluide. Nous explorons également l'utilisation d'une technique de post-traitement récente, basée sur la notion de structures Lagrangiennes cohérentes, pour analyser qualitativement l'hémodynamique complexe en aval des valves aortiques. Dans la dernière partie, nous proposons un modèle original de valves cardiaques. Ce modèle simplifié offre un compromis entre les approches 0D classiques et les simulations complexes d'interaction fluide-structure 3D. Diverses simulations numériques sont présentées pour illustrer l'efficacité et la robustesse de ce modèle, qui permet d'envisager des simulations réalistes de l'hémodynamique cardiaque, à un coût de calcul modéré.

L'intégration de diélectriques High-k dans les empilements de grille des dispositifs MOS a fait naître de nouvelles interrogations concernant la fiabilité des futurs nœuds technologiques. La miniaturisation constante des dispositifs conduisant à l'amincissement des épaisseurs d'oxyde de grille, leur caractérisation électrique est rendue de plus en plus complexe à l'échelle du dispositif. Pour palier à ce problème, l'utilisation d'un microscope à force atomique en mode conducteur sous ultravide permet grâce à la faible surface de contact entre la pointe et l'échantillon de réduire suffisamment le courant tunnel pour pouvoir étudier la dégradation et le claquage diélectrique d'oxyde ultra fin. La comparaison systématique des résultats de fiabilité de l'empilement High-k du nœud 28nm et de la couche interfaciale seule ayant subi les mêmes étapes de développement que celles présentes dans l'empilement, obtenus par C-AFM sous ultra vide, ont permis de montrer expérimentalement que la probabilité de claquage des oxydes de grille High-k est gouvernée par la fiabilité propre des couches qui la composent, et de déduire une loi d'extrapolation de la durée de vie en tension et en surface ce qui permet de prédire la statistique de défaillance du dispositif. Les impacts d'un pré-stress en tension de l'ordre de la milliseconde sur les distributions de claquage des oxydes de grille simples et bicouches ont été rapportés. Ces résultats sont expliqués dans ce manuscrit par le déclenchement lors de l'application du stress, d'une dégradation au sein de l'oxyde, prenant naissance dans la couche interfaciale des oxydes High-k et conduisant à une réduction locale de l'épaisseur de diélectrique. Des phénomènes de résistance différentielle négative au moment de la rupture diélectrique ont été étudiés et modélisés pour différentes épaisseurs d'oxyde, par une croissance filamentaire de la dégradation. Il a été possible de donner une expression analytique reliant le temps caractéristique de croissance filamentaire et le temps moyen de claquage observé sur les distributions statistiques. Enfin, les mesures C-AFM de ce travail ont été étendues au cas des structures MIM utilisées pour le développement des futurs mémoires résistives OxRAM. Dans ce cas un effet d'auto-guérison à l'échelle nanométrique a été mis en évidence. / Integration of High-k dielectrics in gate oxides of MOS raised new issues concerning the reliability of futur technology nodes. The constant miniaturisation of devices leads to thinner gate oxides, making their electrical caracterisation more complex at the device scale. To solve this problem, an atomic force microscope in conductive mode under ultra high vacuum can be used thanks to the readuce contact area between the tip and the sample which allow a drastic decrease of the tunneling current and thus the study of the degradation and the dielectric breakdown of ultra-thin oxides. The systematic comparaison of the TDDB distributions obtained on the High-k gate oxide of the 28nm technology node on one side and obtained on the Interfacial layer alone revealed that the failure probability of High-k oxides is governed by the failure probability of each layer present in the stack. This allow to give an extrapolation law of the High-k gate oxide lifetime as a function of the applied voltage and the electrode area and to predict the failure statistic of the 28nm tehcnology node. The impact of voltage pre-stress with a microseconde range of duration on the TDDB and VBD distributions of both single layer and High-k gate oxides is given is the manuscript. The results are then interpreted by an invasive degradation nucleating from an interface during a stress and leading to a local thinned oxide. Pre-breakdown negative differential resistance have been studied and modeled for several oxide thickness, using a growing mecanism of the elctrical degradation. An analytic expression linking the growth caracteristic time of the filament and the mean time to breakdown observed on the statistical distributions has then been given. Finally, C-AFM measurements developped in this work has been extended to MIM structures used for oxide resistive random access memories (OxRAM). A self healing has been observed at the nanometric scale for these samples.

La limite théorique de rendement des cellules photovoltaïques simple-jonction est de l’ordre de 33% d’après le modèle de Shockley-Queisser, ce qui reste éloigné de la limite de Carnot, prédisant une limite maximale de conversion énergie solaire → électricité de 93%. L’écart important entre ces deux limites découle des pertes intrinsèques, essentiellement liées à la conversion inefficace du spectre solaire et à la disparité entre les angles solides d’absorption et d’émission. Pour surmonter ces pertes et se rapprocher de la limite de Carnot, trois stratégies sont envisagées dans cette thèse : les cellules multi-jonction àconcentration, la combinaison de la concentration et de la restriction angulaire et les systèmes hybrides PV/CSP. Chacune de ces stratégies est limitée par des mécanismes qui dégradent leur performance.L’objectif de cette thèse est donc de comprendre dans quelle mesure les différents mécanismes limitants sont susceptibles d’affecter les performances des différentes stratégies étudiées, et d’optimiser l’architecture des cellules dans le but d’accroitre leur efficacité de conversion. Dans ce but, un modèle détaillé de cellule solaire tenant compte des principaux mécanismes limitant a été développé. Un outil d’optimisation par algorithme génétique a également été mis au point, afin d’explorer l’espace des différents paramètres étudiés pour identifier les conditions d’opération optimales. Nous démontrons l’importance majeure que revêt l’adaptation des propriétés optoélectroniques des matériaux utilisés aux conditions opératoires, que ce soit dans le cas des cellules solaires à concentration endurant des pertes résistives significatives, ou encore dans le cas de cellules solaires fonctionnant à des niveaux de températures très supérieurs à l’ambiante. Enfin, nous avons déterminé l’effet des principaux facteurs limitant que constituent les pertes résistives et les recombinaisons non-radiatives sur les cellules solairessimultanément soumises au flux solaire concentré et à la restriction angulaire du rayonnement émis. / The maximum efficiency limit attainable with a single-junction PV cell is ~ 33% according to the detailed balance formalism (also known as Shockley-Queisser model), which remains far from the Carnot limit, predicting a solar to electricity efficiency upper value of 93%. The large gap between both limits is due to intrinsic loss mechanisms, including the inefficient conversion of the solar spectrum and the large discrepancy between the solid angles of absorption and emission. To overcome these losses and get closer to the Carnot limit, three different strategies are considered in this thesis: concentrated multi-junction solarcells, the combination of solar concentration and angular confinement, and hybrid PV/CSP systems. Each strategy is inherently limited by several loss mechanisms that degrade their performances. The objective of this thesis is, hence, to better understand the extent to which these strategies are likely to be penalized by these losses, and to tailor the cell properties toward maximizing their efficiencies. To address these questions, a detailed-balance model of PV cell accounting for the main loss mechanisms was developed. A genetic-algorithm optimization tool was also implemented, aiming at exploring the parameter space and identifying the optimal operation conditions. We demonstrate the uttermost importance of tailoring the electronic properties of the materials used with both multi-junction solar cells undergoing significant series resistance losses, and PV cells operating at temperature levels exceeding ambient temperature. We also investigate the extent to which series resistances losses and non-radiative recombination are likely to affect the ability of PV cells simultaneously submitted to concentrated sunlight and angular restriction of the light emitted by band-to-band recombination.

Un modèle de commutation de mémoires résistives (ReRAM) est présenté. Celui-ci est basé sur deux hypothèses : (1) la commutation résistive est causée par des changements qui se produisent dans la zone étroite (région active) du filament conducteur sous l'influence du champ électrique et (2) la commutation résistive est un processus stochastique, donc régi par une probabilité. La région active est représentée par un réseau de connexions verticales, chacune composée de trois éléments électriques : deux d'entre eux sont de faible résistance tandis que le troisième agit comme un disjoncteur et peut être soit de résistance faible (LR) ou élevée (HR). Dans ce modèle, le changement d'état du disjoncteur est régi par une probabilité de commutation (P$_{s}$) qui est comparée à un nombre aléatoire « p ». P$_{s}$ dépend de la chute de tension le long du disjoncteur et de la tension de seuil, V$_{set}$ ou V$_{reset}$, pour définir les processus de « set » (HR à LR) et « reset » (LR à HR). Deux mécanismes de conduction ont été envisagés : ohmique pour un état LR et pour un état de résistance élevée l'effet tunnel facilité par un piège (TAT). Le modèle a été implémenté avec le langage de programmation Python et fonctionne avec une bibliothèque C externe qui optimise les calculs et le temps de traitement. Les résultats de la simulation ont été validés avec succès en les comparant avec des courbes courant-tension (IV) mesurées sur dispositifs ReRAM réels dont l'oxyde était fait de HfO$_{2}$ et pour neuf aires différentes. La flexibilité et la facilité de mise en œuvre de ce modèle de commutation résistive en font un outil puissant pour l'étude des ReRAM / A model for the switching of resistive random-access memories (ReRAM) is presented. This model is based on two hypotheses: (1) the resistive switching is caused by changes that occur in the narrow zone (active region) of the conductive filament under the influence of the electric field and (2) the resistive switching is a stochastic process governed by a switching probability. The active region is represented by a net of vertical connections, each one composed of three electrical elements: two of them are always low resistive (LR) while the third one acts as a breaker and can be low or high resistive (HR). In the model, the change of the breaker's state is governed by a switching probability (P$_{s}$) that is compared with a random number $p$. P$_{s}$ depend on the voltage drop along the breaker and the threshold voltage, V$_{set}$ or V$_{reset}$ for set (HR to LR) or reset (LR to HR) processes. Two conduction mechanism has been proposed: ohmic for the low resistive state and trap-assisted tunneling (TAT) for the high resistive state. The model has been implemented in Python and works with an external C-library that optimizes calculations and processing time. The simulation results have been successfully validated by comparing measured and modeled IV curves of HfO$_{2}$-based ReRAM devices of nine different areas. It is important to note that the flexibility and easy implementation of this resistive switching model allow it to be a powerful tool for the design and study of ReRAM memories

La gestion, la manipulation et le stockage de données sont aujourd’hui de réels challenges. Pour supporter cette réalité, le besoin de technologies mémoires plus efficaces, moins énergivores, moins coûteuses à fabriquer et plus denses que les technologies actuelles s’intensifie. Parmi les technologies mémoires émergentes se trouve la technologie mémoire résistive, dans laquelle l’information est stockée sous forme de résistance électrique au sein d’une couche d’oxyde entre deux électrodes conductrices. Le plus gros frein à l’émergence de tels dispositifs mémoires résistives en matrices passives à deux terminaux est l’existence d’importants courants de fuites (ou sneak paths) venant perturber l’adressage individuel de chaque point de la matrice. Les dispositifs complementary resistive switching (CRS), consistant en deux dispositifs OxRRAM agencés dos à dos, constituent une solution performante à ces courants de fuites et sont facilement intégrables dans le back-end-of-line (BEOL) de la technologie CMOS. Cette thèse a permis d’apporter la preuve de concept de la fabrication et de l’intégration de dispositifs CRS de façon 3D monolithique dans le BEOL du CMOS. / In our digital era, management, manipulation and data storage are real challenges. To support this reality the need for more efficient, less energy and money consuming memory technologies is drastically increasing. Among those emerging memory technologies we find the oxide resistive memory technology (OxRRAM), where the information is stored as the electrical resistance of a switching oxide in sandwich between two metallic electrodes. Resistive memories are really interested if used inside passive memory matrix. However the main drawback of this architecture remains related to sneak path currents occurring when addressing any point in the passive matrix. To face this problem complementary resistive switching devices (CRS), consisting in two OxRRAM back to back, have been proposed as efficient and costless BEOL CMOS compatible solution. This thesis brought the proof of concept of fabrication and 3D monolithic integration of CRS devices in CMOS BEOL.