Th. doct.-ing.--Grenoble, I.N.P.G., 1979. N°: DI 88.

Ce manuscrit présente l'étude d'une nouvelle méthode de détection électronique différentielle de l'hybridation entre nucléotides, utilisant des réseaux de transistors à effet de champ et une fixation des ADN sondes de type polylysine. Les structures employées sont des réseaux d'EOSFETs, possédant une interface du type électrolyte/oxyde/semi-conducteur (EOS), qui peuvent être immergés dans un électrolyte de mesure dans lequel est plongée une électrode de référence. <br />La première partie de ce travail détaille les expériences nous ayant permis de montrer le faisabilité d'une détection électronique d'abord de polylysine, puis d'ADN sur une réseau d'EOSFETs. Des micro- ou macro-gouttelettes de solutions contenant ces bio-polymères chargés ont été déposées en des endroits prédéfinis sur les réseaux de capteurs. Ces dépots locaux induisent des variations des caractéristiques courant-tension des transistors exposés, pouvant être corrélées à un apport de charges soit positives dans le cas de la polylysine, soit négatives en ce qui concerne l'ADN. Le signal électronique est proportionnel au nombre moyen d'oligonucléotides de 20 bases par unité de surface, tant que celui-ci reste inférieur à 1000-10000 molécules par µm², avec une variation de 10 mV pour 100 à 1000 molécules déposées par µm². Une saturation du signal électronique est observée au delà. La détection de micro-dépots de faibles concentrations en bio-polymères est limitée par l'existence de signaux électroniques parasites observés avec des solutions servant aux dilutions. La variations des signaux électroniques en fonction de la concentration en sel a également été caractérisée.<br />L'utilisation d'un protocole d'hybridation sur fixation polylysine, sans étape de blocage visant à limiter l'adsorption non spécifique de cibles a conduit à la mise en évidence d'un signal différentiel de l'ordre de 5 mV lors d'hybridations et de mesures dans un électrolyte de KCl 20 mM. L'hybridation à haut sel et la détection à bas sel permettent d'obtenir des différences d'environ 15 mV. Aucun signal électronique significatif d'appariement n'a été observé en utilisant un bloqueur. La sensibilité de détection électronique de l'hybridation, estimée à 100-1000 double-brins de 20 paires de bases par µm² est proche de celle associée à la technique classique de fluorescence (0,5 à 80 double-brins par µm²).

Nous présentons dans ce mémoire une étude sur l'influence de la texture de la couche organique sur le transport des porteurs. Pour mesurer la mobilité des porteurs, deux techniques ont été mises en place : le temps de vol et la réalisation de transistors à effet de champ. La première partie de ce mémoire est consacrée au fluorène. La synthèse d'un copolymère fluorène-fluorénone a permis d'améliorer l'empilement p-p, et donc la formation d'excimères. Cela nous a permis de comprendre l'origine du décalage vers le jaune de la luminescence du fluorène, mais aussi d'obtenir un nouveau composé présentant de très bonnes propriétés de luminescence dans le jaune. Une analogie avec les poly(alkylthiophènes) nous a permis de comprendre les limitations du transport dans les polymères de la famille du fluorène. Nous avons finalement étudié la relation texture-transport dans deux familles dérivées du thiophène : des copolymères thiophène-bipyridine et des fractions solubles de gels de polythiophène.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de dérivés du pérylène-3,4:9,10-tétracarboxylique acide diimide comme semi-conducteurs pour l'électronique organique, et plus particulièrement pour la réalisation de transistors organiques à effet de champs. Les objectifs de ce travail sont la synthèse de dérivés du pérylène à l'aide entre autres de réactions d'halogénation ou de couplage de Suzuki-Miyaura, et la fabrication de transistors organiques à effet de champs. Dans un premier temps, une large gamme de dérivés du pérylène a été synthétisée et caractérisée. Des études spectroscopiques et électrochimiques ont pu être menées, notamment afin de déterminer les énergies des orbitales frontières de nos molécules. Puis dans un second temps, la réalisation de transistors organiques à effet de champs a été mise en oeuvre, en commençant par un gros travail d'optimisation des conditions de formulation des encres, de dépôt et de traitement du film. Puis ces transistors ont été caractérisés en mesurant les courants drain-source. Mots-clés : semi-conducteur, pérylène, transistor organique à effet de champs, couplage de Suzuki-Miyaura, impression jet d'encre. / This study deals with the synthesis of perylene-3,4:9,10-tetracarboxylic acid bisimide derivatives and their use as semi-conductors for organic electronics, and more specifically for the realization of organic field-effect transistors. The goals of this study are the synthesis of perylene derivatives, using halogenation reactions or Suzuki-Miyaura coupling, and the fabrication of organic field-effect transistors.In the first part of the work, a wide variety of perylene derivatives has been obtained and fully characterized. Spectroscopic and electrochemical studies have been performed to determine energy levels of the frontier orbitals.In the second part, the making of organic field-effect transistors was realized, beginning with the research of optimal conditions for ink formulation, deposition and annealing of the film. Then those devices have been characterized by measuring the source-drain current.Keywords: semi-conductor, perylene, organic field-effect transistor, Suzuki-Miyaura coupling, ink jet printing.

La progressivité du claquage des oxydes de grille d'épaisseurs inférieures à 20 nm permet d'envisager une prolongation de la durée de vie des circuits. Cet enjeu majeur de la fiabilité contemporaine requiert des modèles adaptés afin de contrôler la variabilité des paramètres induites par le claquage. Après avoir étudié l'impact d'une fuite de courant sur une couche chargée, nous avons mis au point un modèle bas niveau de simulation par éléments finis, capable de reproduire la dérive des paramètres mesurée sur des dispositifs du nœud 45 nm. Des lois empiriques de ces dérives ont été injectées dans un modèle compact du transistor dégradé, simplifié par nos observations originales de la dépolarisation du canal et de la répartition des courants. Finalement nous avons simulé l'impact du claquage sur le fonctionnement de circuits simples et estimés la dérive de leurs paramètres tels que l'augmentation de la consommation due au claquage.

Les nanostructures de semi-conducteurs de faibles dimensions (comme les nanofils(NFs)) sont devenues l'objet de recherches intensives pour explorer de nouveaux phénomènes émergents à l'échelle nanométrique et sonder leur possibilités d' utilisation dans l'électronique du futur. Parmi les différents nanofils semi-conducteurs, SiC a des propriétés très particulières, comme une large bande interdite, une excellente conductivité thermique, un haut champ électrique de claquage, une stabilité chimique et physique, une haute mobilité des électrons et une haute biocompatibilité.Nous proposons dans cette étude ; d'examiner une nouvelle approche pour fabriquer des nanostructures de SiC par l'approche " top-down ". Cela permet l'élaboration de nanostructures cristallines de SiC de haute qualité monocristalline avec un niveau de dopage contrôlé. Le comportement de nanostructures de SiC gravées a également été étudié en fonction de polytypes et des orientations cristallographiques.Nous avons également étudié les trois principaux sujets de SiC nano-devices pour atteindre une excellente performance. Pour répondre à ces questions, deux types de SiC nanoFET (SiC NFFET et SiC NPFET) ont été fabriqués et caractérisés par l'utilisation de nanofils de SiC et de nanopiliers de SiC préparés respectivement par les méthodes " bottom-up " et " top-down ".

La spintronique moléculaire et la photocatalyse sont deux domaines en constante évolution. Le premier s'attache à exploiter la possibilité de coupler deux phénomènes physiques, à savoir le transport d'un flux de porteurs de charges et le spin de l'électron, tandis que le second se concentre sur l'exaltation des propriétés chimiques de transfert d'électrons d'une espèce donnée grâce au phénomène physique d'irradiation lumineuse. Depuis quelques années, les nanotubes de carbone ont suscité un grand intérêt à la fois en tant que composant pour la spintronique moléculaire, en raison de leur grande cohérence de spin, et en tant que support idéal pour la catalyse moléculaire, grâce à leurs exceptionnelles propriétés électroniques de surface. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes attachés à concevoir des complexes inorganiques possédant des propriétés physiques, (magnétiques ou optiques) et des propriétés chimiques (permettant leur assemblage non-covalent sur des nanotubes de carbone monoparoi) de manière à former des adduits complexes inorganiques-nanotubes aux propriétés exploitables en spintronique moléculaire et en photocatalyse. Les propriétés des complexes synthétisés ont été extensivement caractérisées (Chapitre 2), et les plus prometteurs de ces composés ont été assemblés avec succès sur les nanotubes de carbone (Chapitre 3), comme en attestent les mesures spectroscopiques réalisées. Enfin, les deux domaines d'applications concernés par nos travaux faisant intervenir des phénomènes de transport électronique, des études spécifiques sur des dispositifs électriques de type transistor à effet de champ dont le canal de conduction est constitué de nanotubes de carbone ont été réalisées (Chapitre 4). Celles-ci mettent à chaque fois en évidence l'existence d'une communication électronique entre les complexes inorganique et les nanotubes de carbone sur lesquels ils sont assemblés au sein des dispositifs. Bien qu'au final un couplage entre les propriétés magnétiques des complexes synthétisés et les propriétés de transport des nanotubes n'ait pas pu être mis en évidence, de nombreux phénomènes inattendus et extrêmement intéressants tels que des effets ambipolaires, des transferts de charge ou des ruptures de liaisons ont été observés. Par contre, un fort couplage opto-électronique a pu être obtenu entre un complexe et le flux de porteurs de charge des dispositifs, ce qui s'avère être de très bon augure pour des futures applications en photocatalyse.

Comprendre le transport électronique dans les cristaux bidimensionnels est un enjeu conceptuel majeur pour la nanoélectornique de demain. Dans cette thèse, on dévelloppe des méthodes ab initio pour étudier l'interaction électron-phonon, l'écrantage et le transport dans le graphène. Pour surpasser les limites des méthodes ab initio en ondes planes, à l'origine destinées aux matériaux périodiques en trois dimensions, on tronque l'interaction coulombienne dans la troisième dimension, isolant ainsi le système bidimensionnel de ses images périodiques. Ceci est réalisé au sein de la théorie de la fonctionnelle de la densité en perturbation, afin de calculer la réponse de la densité de charge et le spectre des phonons dans un cadre bidimensionnel. On utilise ces méthodes pour obtenir un modèle quantitatif du couplage électron-phonon dans le graphène pour une configuration de type transistor à effet de champ. Le couplage aux phonons acoustiques est dominé par le champ de jauge non-écranté, que nous calculons en incluant l'effet des interactions électron-électron au niveau GW. Nos simulations des propriétés d'écrantage statiques du graphene valident les modèles analytiques et montrent que le potentiel de déformation est fortement écranté, de sorte que sa contribution à la diffusion des électrons par les phonons acoustiques est négligeable. On montre également que le couplage avec les phonons hors-plan est faible mais fini. On obtient la contribution de la diffusion par les phonons à la résistivité en résolvant l'équation de Boltzmann pour le transport. En dessous de la température ambiante, nos résultats confirment le rôle des phonons acoustiques et une augmentation de 15% du paramètre de jauge it ab initio permet un excellent accord avec l'expérience. Au dessus de la température ambiante, on dénote l'importance des phonons optiques intrinsèques. / Understanding the transport properties of two-dimensional crystals doped by field effect is a conceptual milestone for tomorrow's nanoelectronics. In this thesis we develop first-principles methods to investigate electron-phonon interactions, screening and phonon-limited transport in graphene. To overcome the limitations of existing plane-wave ab initio packages, originally devised for three-dimensional periodic solids, we truncate the Coulomb interaction in the third direction and isolate the 2D system from its periodic images. This is implemented in density-functional perturbation theory to calculate charge density responses and phonon spectra in a two-dimensional framework. We use those methods to develop a quantitative model of electron-phonon coupling for graphene in the field effect transistor configuration. We find that the coupling of electrons to acoustic phonons is dominated by the unscreened gauge field, which we compute with full inclusion of electron-electron interactions at the GW level. Our simulations of the static screening properties of graphene validate analytical models and reveal that the deformation potential is strongly screened, such that its contribution to acoustic phonon scattering is negligible. We find a small but finite linear coupling with out-of-plane phonons. By solving the Boltzmann transport equation we obtain the phonon-limited resistivity. Below room temperature, our results confirm the role of acoustic phonons and a 15% increase of the ab initio gauge field parameter leads to an excellent quantitative agreement with experiment. Above room-temperature, we point to the importance of the coupling with intrinsic optical phonons.

La thèse intitulée "Conception, caractérisation et optimisation d’un transistor à effet de champ haute tension en Carbure de Silicium (SiC) et de leur diode associée", s’est déroulée au sein du laboratoire AMPERE sous la direction du Prof. D. PLANSON. Des premiers démonstrateurs de JFET ont été réalisés. Le blocage du JFET n'est pas efficace, ceci étant lié aux difficultés de réalisation technologique. Le premier travail a consisté en leur caractérisation précise puis en leur simulation, en tenant compte des erreurs de processus de fabrication. Ensuite, un nouveau masque a été dessiné en tenant en compte des problèmes technologiques identifiés. Les performances électriques de la nouvelle génération du composant ont ainsi démontré une amélioration importante au niveau de la tenue en tension. Dans le même temps, de nouveaux problèmes se sont révélés, qu’il sera nécessaire de résoudre dans le cadre de travaux futurs. Par ailleurs, les aspects de tenue en court-circuit des JFETs en SiC commercialement disponibles ont été étudiés finement. Les simulations électrothermiques par TCAD ont révélé les modes de défaillances. Ceci a permis d'établir finalement des modèles physiques valables pour les JFETs en SiC. / Silicon carbide (SiC) has higher critical electric field for breakdown and lower intrinsic carrier concentration than silicon, which are very attractive for high power and high temperature power electric applications. In this thesis, a new 3.3kV/20A SiC-4H JFET is designed and fabricated for motor drive (330kW). This breakdown voltage is beyond the state of art of the commercial unipolar SiC devices. The first characterization shows that the breakdown voltage is lower (2.5kV) than its theoretical value. Also the on-state resistance is more important than expected. By means of finite element simulation the origins of the failure are identified and then verified by optical analysis. Hence, a new layout is designed followed by a new generation of SiC-4H JFET is fabricated. Test results show the 3.3kV JFET is developed successfully. Meanwhile, the electro-thermal mechanism in the SiC JFETs under short circuit is studied by means of TCAD simulation. The commercial 1200V SIT (USCi) and LV-JFET (Infineon) are used as sample. A hotspot inside the structures is observed. And the impact the bulk thickness and the canal doping on the short circuit capability of the devices are shown. The physical models validated by this study will be used on our 3.3kV once it is packaged.

Alors que la demande en électronique haute puissance et haute fréquence ne fait qu'augmenter, les semi-conducteurs classiques montrent leurs limites. Des approches basées soit sur des nouvelles architectures ou sur des matériaux à large bande interdite devraient permettre de les dépasser. Le diamant, avec ses propriétés exceptionnelles, semble être le semi-conducteur ultime pour répondre à ces attentes. Néanmoins, il souffre aussi de certaines limitations, en particulier d'une forte énergie d'ionisation du dopant de type p (bore) qui se traduit par une faible concentration de porteurs libres à la température ambiante. Des solutions innovantes s'appuyant sur un gaz 2D et /ou l'effet de champ ont été imaginées pour résoudre ce problème. Ce travail est axé sur deux de ces solutions : i) le diamant delta dopé au bore qui consiste en une couche fortement dopée entre deux couches intrinsèques, afin d'obtenir une conduction combinant une grande mobilité avec une grande concentration de porteurs et ii) le transistor à effet de champ métal oxide semiconducteur( MOSFET ), où l'état " on " et l'état " off " du canal sont obtenus grâce au contrôle électrostatique de la courbure de bandes à l' interface de diamant/oxyde. Pour ces deux structures, beaucoup de défis technologiques doivent être surmontés avant de pouvoir fabriquer un transistor. La dépendance en température de la densité surfacique de trous et de la mobilité de plusieurs couche de diamant delta dopées au bore a été étudiée expérimentalement et théoriquement sur une large gamme de température (6 K