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Current technologies see an exponential increase in the number of connected objects. These objects are integrated in every domain and come along with an important challenge: their energy supply. In this thesis, we propose a new Silicon solar cell architecture that is easy to integrate in a chip design. This solar cell is composed of several subcells connected in series by vertical tunnel junctions. We study the tunnel junction from an analytical point of view and develop two new models on the I(V) characteristic. Then, we develop a new process flow to fabricate auto-aligned vertical tunnel junctions. With this process flow, a first prototype shows 200 mV output voltage for an 18 µm wide cell. We could also demonstrate the impact of series connection on cells containing up to 10 tunnel junctions. Several optimisations solutions have been proposed and investigated, notably on the resistance sources. This thesis studies physical phenomena interacting in a vertical tunnel junction solar cell from an analytical point of view, with optical, physical and electrical simulations along with experiments., Les technologies actuelles sont marquées par une augmentation exponentielle du nombre d’objets connectés. Ceux-ci sont intégrés dans tous les domaines et s’accompagnent d’un enjeu de taille : leur approvisionnement en énergie. Dans cette thèse, on propose une nouvelle architecture de cellule solaire en Silicium pouvant s’intégrer facilement dans le design d’un objet connecté. Cette cellule est constituée de plusieurs sous-cellules mises en série par des jonctions tunnels verticales. La jonction tunnel a été étudiée analytiquement par le développement de deux nouveaux modèles sur sa caractéristique I(V). Par la suite, un procédé de fabrication a été mis en place pour la réalisation de jonctions tunnels verticales auto-alignées. Un premier démonstrateur de cellule solaire a été réalisé et a produit 200 mV de tension de sortie pour une cellule de 18 µm de large. L’effet de cascade de sous-cellules a également pu être montré sur des cellules contenant jusqu’à 10 jonctions tunnels. Par ailleurs, des options d’améliorations ont été proposées ainsi que des études sur la diminution des sources de résistance dans la cellule. Cette thèse étudie les phénomènes physiques interagissant dans une cellule à jonctions tunnels verticales de manière analytique, par simulation optique, physique et électrique ainsi que de manière expérimentale.

New actors have emerged in the aerospace sector recently, renewing the interest in space exploration and bringing growth to space activities. As such, to rise to the challenges that will come in the future, developing adequate technologies is needed. Energy storage systems for Space missions are widely dominated by the Li-ion technology, which has not evolved much in the past years. This work, co-financed by CNES and Région Occitanie, is aimed at developing a material able to raise significantly the specific capacity of Li-ion batteries.Silicon have been studied for several decades as replacement for graphite at the negative electrodes of such systems. Its low potential and impressive specific capacity, more than ten times that of graphite, make silicon one of the most promising material. However, the volumetric expansion linked to the alloying reaction with Lithium, and the different issues related, strictly limit the use of silicon in commercial electrodes. In fact, silicon is currently only used as an additive to boost carbon capacity. In this work, the use of a natural compound, dopamine, is suggested as a solution to restrain the impact of the expansion on the electrode life expectancy. Dopamine is able to self-polymerize in easy-to-obtain condition, covering nearly any substrate. Three types of core-shell particles have been realized: Si@C, Si@C@Li3PO4 and Si@C-Metal. In each cases, the structure was studied by several methods (XRD, Raman, TEM,…), before the effects of the shell on the electrochemical properties were evaluated in half-cell versus lithium. The particles studied in this work show the versatility of poly-dopamine and the core-shell structure, hinting at a bright future., L’arrivée de nouveaux acteurs dans le domaine de l’aérospatial a entrainé un regain d’engouement et d’activité autour de l’Espace. Alors, pour relever les nouveaux défis qui s’annoncent, l’avancement des technologies actuelles est nécessaire. Pour le stockage de l’énergie, les batteries Li-ion dominent fortement le secteur, mais ont peu évoluée ces dernières années. Cette thèse, co-financée par le CNES et la région Occitanie, à dans l’optique de développer un matériau pouvant augmenter nettement la capacité spécifique du système Li-ion.Le silicium est étudié depuis plusieurs décennies comme remplacement du carbone à l’anode des batteries Li-ion. Son bas potentiel et surtout sa capacité spécifique exceptionnelle, plus de dix fois celle du carbone, font du silicium le matériau le plus prometteur. Cependant l’expansion volumique qui accompagne la réaction d’alliage avec le lithium et les problèmes qui en découlent limitent encore son utilisation en haute proportion dans une électrode commerciale. Dans ces travaux, l’utilisation d’une molécule naturelle, la dopamine est proposée pour réduire l’impact des expansions volumiques du silicium sur la durée de vie de l’électrode. La dopamine polymérise en solution au tour d’un substrat, dans des conditions simples d’obtention. Trois types de particules core-shell ont été synthétisés à l’aide des propriétés de la dopamine : Si@C, Si@C@Li3PO4 et Si@C-Métal. Dans chaque cas, la structure a été analysée par différentes méthodes (DRX, Raman, TEM,…) puis les effets des coquilles sur les propriétés électrochimiques ont été évalués en demi-pile face au lithium. Ces différentes particules ont ainsi permis de montrer toutes la polyvalence de la poly-dopamine et de la structure core-shell, laissant entrevoir un futur prometteur.

Inspirés des technologies microélectroniques CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), les capteurs d’images CMOS sont largement utilisés dans de nombreuses applications grand public et prédominent sur le marché commercial des caméras intégrées. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses avancées technologiques ont permis au capteur d’image CMOS d’atteindre d’excellentes performances ainsi qu’une faible consommation d’énergie. Par conséquent, ces imageurs deviennent des candidats essentiels pour un nombre croissant d’applications spatiales et nucléaires. Cependant, le comportement de ces dispositifs microélectroniques dans les environnements radiatifs nucléaires et spatiaux est encore mal compris. Par conséquent, il est nécessaire d’étudier les différents mécanismes qui conduisent à la dégradation des performances des capteurs d’images CMOS et en particulier à l’augmentation du courant d’obscurité, un signal parasite qui augmente avec les doses de radiations.Parmi ces doses de radiations, la dose dite de déplacement, relative à l’altération de la structure cristalline du silicium, reste peu étudiée par rapport à la dose dite ionisante. Dans les dernières technologies de capteurs d’images CMOS utilisant des photodiodes pincées, la dose ionisante n’est plus le mécanisme de dégradation dominant dès lors que la dose de déplacement est mise en jeu. La dose de déplacement devient le mécanisme de dégradation principal qui conduit à l’augmentation du courant d’obscurité. Ce travail se concentre principalement sur le rôle des défauts cristallins, créés par la dose de déplacement induits par les radiations, dans l’augmentation du courant d’obscurité des capteurs d’images CMOS. Un intérêt particulier est accordé aux défauts métastables qui sont probablement la cause des fluctuations discrètes et aléatoires du courant d’obscurité appelé : signal des télégraphistes. Cette étude présente un double enjeu :Le premier vise à contribuer à l’amélioration des connaissances des principes physiques mis en jeu dans le silicium cristallin face aux radiations. Les interactions particule-matière,associées à l’architecture spécifique des capteurs d’images, visent à fournir des outils fiables pour l’analyse des défauts induits par les radiations dans le silicium. Ces observations et résultats peuvent être étendus à tous les dispositifs à base de silicium et plus généralement aux autres dispositifs à semi conducteurs.Le second vise à identifier les différents mécanismes conduisant à l’augmentation du courant d’obscurité des capteurs d’images CMOS lorsqu’ils fonctionnent dans des environnements radiatifs. L’étude vise à identifier et à améliorer la connaissance des comportements des sources de courant d’obscurité dans le but d’optimiser les capteurs d’images CMOS pour les futures applications spatiales et nucléaires. Inspired by the microelectronic Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technologies, CMOS image sensors are widely used in many consumer-grade applications and are predominant in the commercial market for embedded cameras. Over the past decade,numerous technological advances allowed state-of-the-art CMOS image sensors to achieve excellent performances as well as low-power consumption. Therefore, CMOS image sensors are becoming essential candidates for a growing number of high-end applications such as space and nuclear applications. However, the behavior of these microelectronic devices inspace and nuclear radiative environments is still under understanding. Hence, studies still investigate the different mechanisms that lead to the degradation of CMOS image sensor performances including the radiation-induced dark current increase, a parasitic signal that increases with radiation doses. Among these radiation doses, the so-called displacement dose,relative to the alteration of the crystalline structure of the silicon, remains poorly studied compared to the so-called ionizing dose. In the latest CMOS image sensor technologies using pinned photodiodes, the ionizing dose is no longer the main degradation mechanism when the displacement dose is at stake. From then on, the displacement dose becomes the principal degradation mechanism that leads to the dark current increase. This work mainly focuses onthe role of the crystalline defects, created by radiation-induced displacement damage, in the CMOS image sensor dark current increase. Particular interest is given to metastable defects,which are probably the cause of discrete and random fluctuations of the dark current called : Dark Current Random Telegraph Signal (DC-RTS). This study presents a double objective :The first aims to contribute to improving knowledge of the physical principles involved in crystalline silicon when facing radiations. Particle-matter interactions, combined with the specific architecture of image sensors, aim to provide reliable tools to analyze the radiation induced defects in silicon. Observations and findings can be extended to all silicon-based devices and more generally to other semiconductor-based devices.The second seeks to identify the different mechanisms leading to CMOS image sensor dark current increase when operating in radiative environments. The study aims to identify and improve knowledge on the behavior of dark current sources aiming to optimize CMOS image sensors for future space and nuclear applications.

This thesis focuses on the characterisation of electrical properties of photovoltaic devices by using two scanning probe techniques: conductive atomic force microscopy (c-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM). It starts with a study on crystalline silicon (c-Si), and in particular the influence of surface states on the KPFM measurement. The latter was performed in the dark and under light to extract the surface photovoltage (SPV). This study was completed by numerical simulations that allow to extract surface state densities. A second study was focused on nanowire PV devices. These were PIN radial junctions based on hydrogenated amorphous silicon deposited on highly doped c-Si nanowires. We have shown that on nanowire devices that are covered with ITO,SPV measurements could mirror the value of open-circuit voltage (Voc), while the same measurements performed on single nanowires without ITO top coverage are strongly affected by the shadowing of the AFM tip and by the surface states of the amorphous silicon layer. Finally, we were interested in passivating contacts for c-Si solar cells and analysed poly-Si/SiOx/c-Si structures. When the SiOx interlayer is absent, the KPFM scans exhibit very homogeneous surface potential while numerous areas (with diameter less than 1 micron) of lower surface potential are revealed, when the SiOx buffer layer is introduced. These results seem compatible with the presence of nanometric structural inhomogeneities (pinholes) in the SiOx layer that were revealed by other studies.; Cette thèse s’intéresse à la caractérisation des propriétés électriques des dispositifs photovoltaïques (PV) par deux techniques de microscopie à sonde locale : la microscopie à force atomique à pointe conductrice (c-AFM) et la microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). Elle commence par une étude sur le silicium cristallin, et plus spécifiquement sur l’influence des états de surface sur la mesure KPFM. Cette dernière a été réalisée à l’obscurité et sous éclairement dans le but d’extraire le photovoltage de surface (SPV). Cette étude expérimentale a été complétée avec de la simulation numérique. Dans une deuxième étude nous avons caractérisé des dispositifs PV à nanofils. Il s’agit de jonctions radiales PIN en silicium amorphe hydrogéné réalisées sur des nanofils de silicium cristallin fortement dopé qui ont été étudiées par KPFM et SPV. Nous avons ainsi pu montrer que sur des dispositifs à nanofils recouverts d’ITO, la mesure de SPV permet de mesurer la tension de circuit-ouvert (Voc). Cette même mesure appliquée sur des nanofils uniques (sans contact ITO en face avant) est fortement influencée par l’ombrage de la pointe AFM et par les états de surface de la couche en silicium amorphe. Enfin nous nous sommes intéressés aux contacts passivants (poly-Si/SiOx/c-Si). Les caractérisations KPFM ont révélé des cartographies de potentiel de surface très homogènes en l’absence de la couche enterrée de SiOx, alors que de nombreuses zones de diamètre inférieur au micron présentent des valeurs de potentiel de surface plus faibles lorsque la couche de SiOx est incorporée dans la structure. Ces résultats semblent compatibles avec la présence d’inhomogénéités structurelles de taille nanométrique (pinholes) dans la couche de SiOx.

This thesis focuses on the characterisation of electrical properties of photovoltaic devices by using two scanning probe techniques: conductive atomic force microscopy (c-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM). It starts with a study on crystalline silicon (c-Si), and in particular the influence of surface states on the KPFM measurement. The latter was performed in the dark and under light to extract the surface photovoltage (SPV). This study was completed by numerical simulations that allow to extract surface state densities. A second study was focused on nanowire PV devices. These were PIN radial junctions based on hydrogenated amorphous silicon deposited on highly doped c-Si nanowires. We have shown that on nanowire devices that are covered with ITO,SPV measurements could mirror the value of open-circuit voltage (Voc), while the same measurements performed on single nanowires without ITO top coverage are strongly affected by the shadowing of the AFM tip and by the surface states of the amorphous silicon layer. Finally, we were interested in passivating contacts for c-Si solar cells and analysed poly-Si/SiOx/c-Si structures. When the SiOx interlayer is absent, the KPFM scans exhibit very homogeneous surface potential while numerous areas (with diameter less than 1 micron) of lower surface potential are revealed, when the SiOx buffer layer is introduced. These results seem compatible with the presence of nanometric structural inhomogeneities (pinholes) in the SiOx layer that were revealed by other studies., Cette thèse s’intéresse à la caractérisation des propriétés électriques des dispositifs photovoltaïques (PV) par deux techniques de microscopie à sonde locale : la microscopie à force atomique à pointe conductrice (c-AFM) et la microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). Elle commence par une étude sur le silicium cristallin, et plus spécifiquement sur l’influence des états de surface sur la mesure KPFM. Cette dernière a été réalisée à l’obscurité et sous éclairement dans le but d’extraire le photovoltage de surface (SPV). Cette étude expérimentale a été complétée avec de la simulation numérique. Dans une deuxième étude nous avons caractérisé des dispositifs PV à nanofils. Il s’agit de jonctions radiales PIN en silicium amorphe hydrogéné réalisées sur des nanofils de silicium cristallin fortement dopé qui ont été étudiées par KPFM et SPV. Nous avons ainsi pu montrer que sur des dispositifs à nanofils recouverts d’ITO, la mesure de SPV permet de mesurer la tension de circuit-ouvert (Voc). Cette même mesure appliquée sur des nanofils uniques (sans contact ITO en face avant) est fortement influencée par l’ombrage de la pointe AFM et par les états de surface de la couche en silicium amorphe. Enfin nous nous sommes intéressés aux contacts passivants (poly-Si/SiOx/c-Si). Les caractérisations KPFM ont révélé des cartographies de potentiel de surface très homogènes en l’absence de la couche enterrée de SiOx, alors que de nombreuses zones de diamètre inférieur au micron présentent des valeurs de potentiel de surface plus faibles lorsque la couche de SiOx est incorporée dans la structure. Ces résultats semblent compatibles avec la présence d’inhomogénéités structurelles de taille nanométrique (pinholes) dans la couche de SiOx.

The aim of this thesis is to better understand the susceptibility of non-sensitized austenitic stainless steels to intergranular corrosion in a concentrated boiling nitric acid environment containing oxidizing ions. It focuses more specifically on the effect of metallurgical parameters. For this purpose, the corrosion behavior of 6 stainless steels is studied in oxidizing nitric acid, using linear voltammetry and immersion tests. Among the studied stainless steels, one grade (Uranus S1N) is resistant to intergranular corrosion but exhibits a higher surface corrosion rate. This steel differs from the others by its high silicon content (4 wt.%). The effect of silicon of surface and intergranular corrosion is confirmed thanks to the fabrication and study of experimental alloys with silicon contents varying between 1 and 4 wt.%. Among the stainless steels susceptible to intergranular corrosion, all the grain boundaries are attacked, except the majority of the twin boundaries. In addition, a higher chromium content leads to lower surface and intergranular corrosion rates.The chemical compositions of grain boundaries were studied by atomic probe tomography for two stainless steels: 304L and Uranus S1N, susceptible and resistant to intergranular corrosion, respectively. The results evidence intergranular segregation of impurities and carbon in both alloys. The enrichment factors are slightly higher in Uranus S1N than in 304L. However, silicon enrichment of the grain boundaries was evidenced in none of them. The results show that, if impurities have an effect on the susceptibility to intergranular corrosion, the effect seems inhibited by a high amount of silicon. Based on these results, several propositions are made to account for the susceptibility to intergranular corrosion of austenitic stainless steels in oxidizing nitric acid.; L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension du phénomène de corrosion intergranulaire d’aciers inoxydables austénitiques en milieu acide nitrique bouillant concentré et contenant des ions oxydants. L’accent est plus particulièrement mis sur l’étude de facteurs métallurgiques. Pour cela, le comportement en corrosion en milieu nitrique oxydant de 6 aciers inoxydables austénitiques commerciaux a été étudié par voltammétrie linéaire ainsi que par des essais d’immersion. Parmi les aciers étudiés, l’un d’entre eux, l’Uranus S1N, n’est pas sensible à la corrosion intergranulaire mais présente une cinétique de corrosion en surface plus rapide. Cet acier diffère des autres nuances par sa teneur en silicium élevée (4% massique). L’effet du silicium sur la corrosion en surface et la sensibilité à la corrosion intergranulaire est confirmé par l’élaboration d’aciers expérimentaux, contenant des teneurs en silicium comprises entre 1 et 4%. Parmi les aciers sensibles à la corrosion intergranulaire, tous les joints de grains sont attaqués, à l’exception de la majorité des joints Σ3. Une augmentation de la teneur en chrome conduit à une diminution de la vitesse de corrosion en surface et aux joints de grains. L’étude de la composition chimique de joints de grains par sonde atomique tomographique a permis de mettre en évidence la ségrégation intergranulaire des impuretés mais aussi du carbone, que ce soit dans un acier sensible ou insensible à la corrosion intergranulaire. Par contre, aucun enrichissement des joints en silicium par rapport à la matrice environnante n’a pu être détecté, quel que soit l’acier étudié. Les facteurs d’enrichissement estimés pour divers éléments sont globalement plus élevés dans l’Uranus S1N que dans un acier 304L, sensible à la corrosion intergranulaire. Cependant, les joints de grains de l’acier 304L sont plus riches en éléments légers que ceux de l’acier Uranus S1N mais plus pauvres en silicium, en accord avec leurs compositions chimiques nominales. Si les impuretés ont un effet sur la corrosion intergranulaire, cet effet semble inhibé par une teneur en silicium élevée dans l’acier. Sur la base des résultats obtenus, plusieurs pistes ont été proposées pour rendre compte de la sensibilité à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables austénitiques.

The aim of this thesis is to better understand the susceptibility of non-sensitized austenitic stainless steels to intergranular corrosion in a concentrated boiling nitric acid environment containing oxidizing ions. It focuses more specifically on the effect of metallurgical parameters. For this purpose, the corrosion behavior of 6 stainless steels is studied in oxidizing nitric acid, using linear voltammetry and immersion tests. Among the studied stainless steels, one grade (Uranus S1N) is resistant to intergranular corrosion but exhibits a higher surface corrosion rate. This steel differs from the others by its high silicon content (4 wt.%). The effect of silicon of surface and intergranular corrosion is confirmed thanks to the fabrication and study of experimental alloys with silicon contents varying between 1 and 4 wt.%. Among the stainless steels susceptible to intergranular corrosion, all the grain boundaries are attacked, except the majority of the twin boundaries. In addition, a higher chromium content leads to lower surface and intergranular corrosion rates.The chemical compositions of grain boundaries were studied by atomic probe tomography for two stainless steels: 304L and Uranus S1N, susceptible and resistant to intergranular corrosion, respectively. The results evidence intergranular segregation of impurities and carbon in both alloys. The enrichment factors are slightly higher in Uranus S1N than in 304L. However, silicon enrichment of the grain boundaries was evidenced in none of them. The results show that, if impurities have an effect on the susceptibility to intergranular corrosion, the effect seems inhibited by a high amount of silicon. Based on these results, several propositions are made to account for the susceptibility to intergranular corrosion of austenitic stainless steels in oxidizing nitric acid.; L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension du phénomène de corrosion intergranulaire d’aciers inoxydables austénitiques en milieu acide nitrique bouillant concentré et contenant des ions oxydants. L’accent est plus particulièrement mis sur l’étude de facteurs métallurgiques. Pour cela, le comportement en corrosion en milieu nitrique oxydant de 6 aciers inoxydables austénitiques commerciaux a été étudié par voltammétrie linéaire ainsi que par des essais d’immersion. Parmi les aciers étudiés, l’un d’entre eux, l’Uranus S1N, n’est pas sensible à la corrosion intergranulaire mais présente une cinétique de corrosion en surface plus rapide. Cet acier diffère des autres nuances par sa teneur en silicium élevée (4% massique). L’effet du silicium sur la corrosion en surface et la sensibilité à la corrosion intergranulaire est confirmé par l’élaboration d’aciers expérimentaux, contenant des teneurs en silicium comprises entre 1 et 4%. Parmi les aciers sensibles à la corrosion intergranulaire, tous les joints de grains sont attaqués, à l’exception de la majorité des joints Σ3. Une augmentation de la teneur en chrome conduit à une diminution de la vitesse de corrosion en surface et aux joints de grains. L’étude de la composition chimique de joints de grains par sonde atomique tomographique a permis de mettre en évidence la ségrégation intergranulaire des impuretés mais aussi du carbone, que ce soit dans un acier sensible ou insensible à la corrosion intergranulaire. Par contre, aucun enrichissement des joints en silicium par rapport à la matrice environnante n’a pu être détecté, quel que soit l’acier étudié. Les facteurs d’enrichissement estimés pour divers éléments sont globalement plus élevés dans l’Uranus S1N que dans un acier 304L, sensible à la corrosion intergranulaire. Cependant, les joints de grains de l’acier 304L sont plus riches en éléments légers que ceux de l’acier Uranus S1N mais plus pauvres en silicium, en accord avec leurs compositions chimiques nominales. Si les impuretés ont un effet sur la corrosion intergranulaire, cet effet semble inhibé par une teneur en silicium élevée dans l’acier. Sur la base des résultats obtenus, plusieurs pistes ont été proposées pour rendre compte de la sensibilité à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables austénitiques.

Spin quantum bits (qubits) are devices in which information is stored as a coherent superposition of two spin states of a particle. One of the perspectives of these devices is to exploit a massive parallelism allowed by such a superposition of solutions. The CEA Grenoble is studying in particular hole spin qubits in silicon, because their electrical manipulation is easier than electron qubits thanks to the strong spin-orbit coupling of the valence bands. This thesis thus focuses on the modeling of the electrical manipulation of these hole qubits. First of all, we introduce the k.p methods that describe the valence bands structure of silicon, and which allow to build numerical and analytical models. Then we present the experiments carried out by CEA Grenoble on these qubits derived from CMOS technologies. These experiments reveal the strong magnetic anisotropy of the Larmor and Rabi frequency, which respectively characterise the dynamic and the manipulation of the qubit. We introduce a gyromagnetic matrix formalism that completely describe these two frequencies.In addition, we show how symmetries impact the shape of this matrix, and how they explain the magnetic anisotropy of qubits. Next, we identify through numerical simulation, the microscopic mechanisms underlying the electrical manipulation of spin, which then allow us to build a minimal model for hole qubits. This model demonstrates that silicon is an ideal host material for a such qubit thanks to the strong anisotropy of its valence bands. Finally, we study numerically the impact of phonons on the lifetime of hole qubits. We show that the relaxation time is large enough to perform tens of thousand of operations despite the strong spin-orbit coupling., Les bits quantiques (qubits) de spin sont des dispositifs dans lesquels l'information est stockée comme une superposition cohérente des deux états de spin d'une particule. Une des perspectives de ces dispositifs est d'exploiter le parallélisme massif permis par une telle superposition de solutions. Le CEA Grenoble étudie notamment des qubits de spin de trou dans le silicium, car leur manipulation électrique est plus facile que les qubits d'électron grâce au couplage spin-orbite fort dans les bandes de valence. Cette thèse porte ainsi sur la modélisation de la manipulation électrique de ces qubits de trou. Tout d'abord, nous introduisons les méthodes k.p décrivant la structure des bandes de valence du silicium, et qui permettent de construire des modèles numériques et analytiques. Puis nous présentons les expériences menées au CEA Grenoble sur ces qubits dérivés des technologies CMOS. Ces expériences mettent en évidence les fortes anisotropies magnétiques des fréquences de Larmor et de Rabi, qui caractérisent respectivement la dynamique et la manipulation du qubit. Nous introduisons un formalisme de matrice gyromagnétique qui décrit complètement ces deux fréquences. De plus, nous montrons comment les symétries impactent la forme de cette matrice, et comment elles expliquent l'anisotropie magnétique des qubits. Ensuite, nous identifions grâce à la simulation numérique, les mécanismes microscopiques à l'œuvre lors de la manipulation électrique du spin, ce qui nous permet de construire un modèle minimal de qubit de trou. Ce modèle démontre que le silicium est un matériau hôte idéal pour un tel qubit grâce à la forte anisotropie de ces bandes de valence. Pour terminer, nous étudions numériquement l'impact des phonons sur le temps de vie des qubits de trou. Nous montrons que le temps de relaxation est suffisamment grand pour effectuer plusieurs dizaines de milliers d'opérations malgré le couplage spin-orbite fort.

This manuscript reports the synthesis and the physico-chemical characterization of new Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) including phosphorus, silicon and germanium atoms. The first chapter is focused on the synthesis of a novel family of PAHs incorporating seven membered ring heterocycles. The phosphorus or germanium seven membered ring insertions in PAHs have never been reported. The suitable optoelectronic properties of these phosphepines allowed an insertion in a blue-emitting Organic Light Emitting Diode (OLED). The second chapter deals with the synthesis of two families obtained from the same precursors (bromoaryl)diphenylphosphines. Both methods allow the activation of the phosphorus ortho position. As a result, Pd-catalyzed direct arylation led to the 6 membered ring and a dilithiation followed by a disubstitution led to the 9 membered rings (Phosphonines). In chapter 3, two families of diheteroatomic PAHs were synthesized. The first one includes 6-membered rings incorporating cationic phosphorus atoms (Bisphosphoniums) and the second incorporating silicons (Disilines). The multi-stage redox properties of bisphosphoniums were investigated in Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy and in spectroelectrochemistry highlighting that these compounds behave as viologens. The last chapter is about the synthesis of heterocyclic compounds incorporating phosphorus ylide. These heterocycles were obtained with a Pd-catalyzed cyclization using phosphorus ylide as nucleophilic moiety. Such compounds appeared as suitable π-systems for further incorporation into optoelectronic devices., Ce manuscrit décrit la synthèse et les caractérisations physico-chimiques de nouveaux Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAPs) incorporant des atomes de phosphore, de silicium et de germanium. Le premier chapitre est axé sur la synthèse d’une nouvelle famille de HAPs incorporant des hétérocycles à 7 chaînons. L’insertion de ce type de cycle dans un HAP, phosphoré ou germylé, n’avait jamais été décrite auparavant. Les bonnes propriétés optoélectroniques des phosphépines ont permis une insertion dans une diode électroluminescente organique (OLED) bleue. Le second chapitre traite de la synthèse de deux familles d’hétérocycles à 6 et à 9 chaînons à partir des mêmes précurseurs (bromoaryl)diphénylphosphines. Les deux méthodes permettent l’activation de la position en ortho du phosphore. En conséquence, une arylation directe palladocatalysée a mené aux cycles à 6 chaînons (Phosphaphénalènes) et une dilithiation suivie d’une disubstitution a mené aux cycles à 9 (Phosphonines). Dans le chapitre 3, deux familles d’HAPs dihétéroatomiques ont été synthétisées. La première incorpore des cycles à 6 chaînons avec des atomes de phosphore (Bisphosphoniums) et la seconde des atomes de silicium (Disilines). Pour les bisphosphoniums, les différents états d’oxydations ont été étudiés en spectroscopie de résonnance paramagnétique électronique (RPE) et en spectro-électrochimie montrant ainsi que ces composés possèdent des propriétés analogues à celles des viologènes. Les silines ont quant à elles des propriétés optoélectroniques adaptées à une insertion dans des OLEDs. Le dernier chapitre concerne la synthèse de composés hétérocycliques à 5 ou 6 chaînons incorporant un ylure de phosphore. Ces hétérocycles phosphorés ont été obtenus à l’aide d’une réaction pallado-catalysée faisant intervenir un ylure de phosphore comme nucléophile. L’étude préliminaire de leurs propriétés optiques et rédox laissent entrevoir un fort potentiel dans le domaine de l’optoélectronique.

Maintaining high electronic properties while downscaling CMOS devices requires the integration of novel architectures and novel materials. Gate all around (GAA) architectures with Si0.7Ge0.3 as stacked nanochannel have emerged as a solution. This technology requires the development of new etching processes.In this work, we have so investigated the dry and wet isotropic etching of silicon selectively to SiGe applied on the following pattern (Si 8 nm/ Si0.7Ge0.3 8 nm) ×2 with a CD of 20 nm.The dry isotropic etching of Si vs SiGe using downstream CF4/N2/O2 plasma chemistry have shown that, during the etching process, a highly reactive 8 nm SiOxFy layer is formed on silicon while a 2 nm thick passivation layer is observed on SiGe. Based on these results, Si vs SiGe etching process selectivity was improved by applying a dry oxidant treatment prior to the etching chemistry and SiGe nanowires were so demonstrated to be released with a selectivity of 20.Concerning the wet etching of Si selectively to SiGe, we have evidenced that the alkaline etchants are anisotropic. The etch rate for the crystal planes of the Si crystal is smaller than the etch rate of any other crystal plane. Thus, only devices with a CD inferior to 6 nm are possible to release using an alkaline chemistry. Aiming for larger CDs requires sacrificial layers thicknesses greater than √2 CD. Finally, we have shown that the addition of peroxide to the alkaline chemistry NH4OH reduces its anisotropy with respect to the plane of Si. Based on this, it is possible to release SiGe nanowires with a CD of 10 nm from the studied pattern., Les réductions des dimensions des dispositifs CMOS imposent d’introduire de nouvelles architectures et de nouveaux matériaux dans l’empilement des transistors. Ainsi, on envisage de remplacer le transistor classique par les dispositifs GAA (« Gate All Around ») avec des SNWs (« stacked nanowires ») en Si0.7Ge0.3 sub 10 nm. L’intégration de ces nouveaux matériaux entraine de nouvelles problématiques qui nécessitent le développement de nouveaux procédés de gravure.L’objectif de ce travail de thèse est de développer et d’optimiser les procédés de gravure isotropes par voie sèche (plasma) et par voie humide capables de graver sélectivement le silicium par rapport au SiGe dans le but de réaliser des nanocanaux en Si0.7Ge0.3 suspendus à partir de l’empilement suivant (Si 8 nm/ Si0.7Ge0.3 8 nm) ×2 avec un CD 20 nm.L’étude réalisée sur la gravure plasma à base de CF4/N2/O2 a montré la formation d’une couche réactive épaisse de 8 nm SiOxFy sur le silicium et d’une fine couche de 2 nm de passivation SiOxFy + GeOxFy sur le SiGe après gravure. A base de ces résultats, nous avons pu par la suite optimiser la sélectivité du procédé de gravure en appliquant un traitement oxydant plasma avant l’exposition à la chimie de gravure. Nous avons montré ainsi qu’il est possible de libérer des nanofils de SiGe (ayant une épaisseur de 8 nm et un CD de 20) avec une sélectivité de l’ordre de 20.Concernant l’étude portée sur la gravure humide de Si vs SiGe, nous avons montré que la gravure par chimie alcaline est anisotrope par rapport aux plans du silicium sacrificiel. Ainsi, seuls les motifs ayant un CD inférieur à 6 nm peuvent être réalisés. La libération des nanofils SiGe de CD plus grand nécessite des couches sacrificielles de Si ayant une épaisseur supérieure à environ √2 CD. Nous avons enfin montré que l’ajout du peroxyde dans la chimie alcaline NH4OH permet de réduire son anisotropie par rapport aux plans du Si et qu’il est possible, à partir de l’empilement étudié, de libérer les nanofils de SiGe ayant un CD de 10 nm.

Silicon is the most used semiconducteur in the micro-electronic industrises since the 60’s. However the ability for the silicon to emit light is limited, because of its indirect band-gap. In this respect, the G-center is one of the most promizing. We performed optical spectroscopy to characterize the G-center potoluminescence properties. The latter is created from proton irradiation of carbon-enriched silicon sample. The main results are the following : We addressed the carrier dynamics which occuring at a 6 ns time scale. We revealed the metastable state liftetime of the G-center which is 6 us. And finally we isolated a single center that emit single photons.; Le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé dans l’industrie de la micro-électronique de puis les années 60. Mais l’utilisation du silicium pour emmètre de la lumière reste limité de part la nature indirect de son gap. Dans ce contexte, le centre G est le plus prometteur… Nous avons effectué des mesures de spectroscopie optique pour caractériser les propriétés de photoluminescence des centres G. Celui ci est crée par irradiation protons d’un échantillon de silicium enrichi carbone. Les principaux résultats sont les suivants : nous avons mesuré la dynamique de recombinaison des centres G (le temps de vie) qui est de 6 ns. On a mesuré la dynamique de l’état métastable des centres G qui a un temps de vie de 6 us. Puis, nous avons pour pu isoler un centre unique dans le silicium ; et nous avons montré que celui-ci émet des photons uniques.

Silicon is the most used semiconducteur in the micro-electronic industrises since the 60’s. However the ability for the silicon to emit light is limited, because of its indirect band-gap. In this respect, the G-center is one of the most promizing. We performed optical spectroscopy to characterize the G-center potoluminescence properties. The latter is created from proton irradiation of carbon-enriched silicon sample. The main results are the following : We addressed the carrier dynamics which occuring at a 6 ns time scale. We revealed the metastable state liftetime of the G-center which is 6 us. And finally we isolated a single center that emit single photons.; Le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé dans l’industrie de la micro-électronique de puis les années 60. Mais l’utilisation du silicium pour emmètre de la lumière reste limité de part la nature indirect de son gap. Dans ce contexte, le centre G est le plus prometteur… Nous avons effectué des mesures de spectroscopie optique pour caractériser les propriétés de photoluminescence des centres G. Celui ci est crée par irradiation protons d’un échantillon de silicium enrichi carbone. Les principaux résultats sont les suivants : nous avons mesuré la dynamique de recombinaison des centres G (le temps de vie) qui est de 6 ns. On a mesuré la dynamique de l’état métastable des centres G qui a un temps de vie de 6 us. Puis, nous avons pour pu isoler un centre unique dans le silicium ; et nous avons montré que celui-ci émet des photons uniques.

In the age of artificial intelligence, Big Data and the Internet of Things, the development of NoCs has become a priority. As part of the BBC project, we have opted for WiNoC interconnects, which provide efficient communication requirements at the intra-chip level (low latency, high throughput, minimal energy efficiency, compatibility with CMOS technology, adaptability for broadcast).This thesis focuses on the electromagnetic study the physical layer of WiNoC, and particularly on the characterization of propagation channels on silicon substrates.In this context, we highlight, through simulations and measurements in Ka and V bands, the problems of propagation in Si structures at very high frequency (cavities, surface waves and multiple paths).Subsequently, we propose a solution to limit these problems (due to reflections on the Si / Air interfaces) by adding an absorbing layer around the substrate. Using simulations and measurements in Q and V bands, we show improved transmission with a large bandwidth (>16 GHz).In order to reduce the size of the antennas and to increase the data rate, we study in the Sub-THz band, networks of monopoles embedded in a Si substrate placed between two metal plates.Finally, we estimate the performance and we show the possibility of transmitting at least 12 Gbps over a range of 21.2 mm and with an energy efficiency of the order of 4.5 pJ / bit. These results are comparable with competing solutions (WiNoC, RF interconnects, optical interconnects).; À l'ère de l'intelligence artificielle, de Big Data et de l'Internet des Objets, le développement des NoC est devenu une priorité. Dans le cadre du projet BBC, nous avons opté pour les interconnexions WiNoC, qui assurent les besoins de communications efficaces au niveau intra-puce (latence faible, débit élevé, efficacité énergétique minimale, compatibilité avec la technologie CMOS, adaptabilité pour le broadcast).Cette thèse se concentre sur l’étude électromagnétique la couche physique de WiNoC, et particulièrement sur la caractérisation des canaux de propagation sur des substrats silicium. Dans ce contexte, nous mettons en évidence au travers de simulations et de mesures en bandes Ka et V, les problèmes de la propagation à très hautes fréquences dans des structures sur Si (cavités, ondes de surface et trajets multiples). Par la suite, nous proposons une solution permettant de limiter ces problèmes dus aux réflexions sur les interfaces Si/Air en ajoutant une couche absorbante autour du substrat. Nous montrons à l’aide de simulations et de mesures en bandes Q et V, l’amélioration de la transmission et l’élargissement des bandes passantes. Dans le but de réduire la taille des antennes et d'augmenter le débit, nous étudions dans la bande Sub-THz des réseaux de monopoles intégrés dans un substrat Si placé entre deux plaques métalliques.Finalement, nous estimons les performances et nous montrons la possibilité de transmettre au moins 12 Gbps sur une portée de 21,2 mm et avec une efficacité énergétique de l’ordre de 4,5 pJ/bit. Ces résultats sont comparables avec les solutions concurrentes (WiNoC, RF guidées, optiques).

In the age of artificial intelligence, Big Data and the Internet of Things, the development of NoCs has become a priority. As part of the BBC project, we have opted for WiNoC interconnects, which provide efficient communication requirements at the intra-chip level (low latency, high throughput, minimal energy efficiency, compatibility with CMOS technology, adaptability for broadcast).This thesis focuses on the electromagnetic study the physical layer of WiNoC, and particularly on the characterization of propagation channels on silicon substrates.In this context, we highlight, through simulations and measurements in Ka and V bands, the problems of propagation in Si structures at very high frequency (cavities, surface waves and multiple paths).Subsequently, we propose a solution to limit these problems (due to reflections on the Si / Air interfaces) by adding an absorbing layer around the substrate. Using simulations and measurements in Q and V bands, we show improved transmission with a large bandwidth (>16 GHz).In order to reduce the size of the antennas and to increase the data rate, we study in the Sub-THz band, networks of monopoles embedded in a Si substrate placed between two metal plates.Finally, we estimate the performance and we show the possibility of transmitting at least 12 Gbps over a range of 21.2 mm and with an energy efficiency of the order of 4.5 pJ / bit. These results are comparable with competing solutions (WiNoC, RF interconnects, optical interconnects).; À l'ère de l'intelligence artificielle, de Big Data et de l'Internet des Objets, le développement des NoC est devenu une priorité. Dans le cadre du projet BBC, nous avons opté pour les interconnexions WiNoC, qui assurent les besoins de communications efficaces au niveau intra-puce (latence faible, débit élevé, efficacité énergétique minimale, compatibilité avec la technologie CMOS, adaptabilité pour le broadcast).Cette thèse se concentre sur l’étude électromagnétique la couche physique de WiNoC, et particulièrement sur la caractérisation des canaux de propagation sur des substrats silicium. Dans ce contexte, nous mettons en évidence au travers de simulations et de mesures en bandes Ka et V, les problèmes de la propagation à très hautes fréquences dans des structures sur Si (cavités, ondes de surface et trajets multiples). Par la suite, nous proposons une solution permettant de limiter ces problèmes dus aux réflexions sur les interfaces Si/Air en ajoutant une couche absorbante autour du substrat. Nous montrons à l’aide de simulations et de mesures en bandes Q et V, l’amélioration de la transmission et l’élargissement des bandes passantes. Dans le but de réduire la taille des antennes et d'augmenter le débit, nous étudions dans la bande Sub-THz des réseaux de monopoles intégrés dans un substrat Si placé entre deux plaques métalliques.Finalement, nous estimons les performances et nous montrons la possibilité de transmettre au moins 12 Gbps sur une portée de 21,2 mm et avec une efficacité énergétique de l’ordre de 4,5 pJ/bit. Ces résultats sont comparables avec les solutions concurrentes (WiNoC, RF guidées, optiques).

The reduction of photovoltaic cells cost and the increase of their efficiency is probably one of the best solution to tacle the climate change issues. The mean of this thesis is to study the innovative processes to produce ultra-thin monocrystalline silicon layers without loss of raw material (with thicknesses ranging from several hundred nanometers to several micrometers), by using thermal stress and low energy hydrogen implantation. The use of such kerf-free processes leads to a significant reduction of the silicon consumption, in order to produce of low-cost photovoltaic solar cells.In this work, by using analytical and numerical modeling, we first determined the thermal stresses needed for the detachment of silicon by stress-induced spalling process and predicts the detached thickness of silicon foils. These models depend on thermals and elastics parameters of metal used as well as the applied thermal loading. A good agreement between the theoretical and experimental results was obtained. Furthermore, different optimal parameters leading to the detachment of silicon foils with desired thicknesses using SIS process were investigated such as the thickness of the stressor layer, the nature of stressor layer and the thickness of glue. In a second part, thin silicon layers were transferred as a function of thermal annealing using the stress-induced spalling process guided by hydrogen implantation-induced defects. Then, the use of experimental characterizations and FEM simulations of the thermal stresses induced in implanted silicon we explain the mechanisms involved when combining the two processes. Characterization of silicon foils was performed by various technique in order to validate and optimized the process.; La réduction des coûts de production des cellules photovoltaïques et l'augmentation de leur rendement de conversion présentent aujourd’hui un fort intérêt technologique et écologique pour répondre aux problèmes de changement climatique engendrés par les énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel). La motivation de cette thèse est l’étude des procédés innovants de production de couches ultra-minces de silicium monocristallin de plusieurs centaines de nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres d’épaisseur, basés sur les contraintes thermiques et l’implantation d’hydrogène à basse énergie. Le détachement des couches ultra-minces de silicium se fait sans perte de matière première, permettant ainsi de réduire la consommation du silicium afin de produire des cellules photovoltaïques à bas-coûts.Dans ce travail, nous avons tout d’abord déterminé par modélisation analytique et numérique les contraintes permettant le détachement du silicium par contraintes induites « Controlled-Spalling » et prédit l’épaisseur détachée des couches minces de silicium. Les modèles proposés dépendent des paramètres thermiques et élastiques des matériaux utilisés et de chargement thermique appliqué. Un bon accord entre les résultats théoriques et expérimentaux a été obtenu. Nous avons ensuite étudié les paramètres optimaux conduisant au détachement des films de silicium, à savoir l’épaisseur et la nature du substrat contraignant ainsi que l’épaisseur de la colle. Par la suite, des essais de détachement du silicium par contraintes induites guidé par l’implantation d’hydrogène ont été réalisés. Des caractérisations expérimentales et des simulations FEM des contraintes thermiques induites dans le silicium implanté à différents stades de recuits ont été faites permettant de comprendre les mécanismes mis en jeu lors du détachement du silicium fragilisé. Ensuite, des mesures par différentes techniques (Spectroscopie Raman, Profilomètre optique, MEB, Microscope optique numérique) des contraintes résiduelles et de la rugosité des films détachés par le procédé « Controlled-Spalling » ont été réalisées pour explorer les pistes conduisant à l’amélioration de la qualité de ces films.

The reduction of photovoltaic cells cost and the increase of their efficiency is probably one of the best solution to tacle the climate change issues. The mean of this thesis is to study the innovative processes to produce ultra-thin monocrystalline silicon layers without loss of raw material (with thicknesses ranging from several hundred nanometers to several micrometers), by using thermal stress and low energy hydrogen implantation. The use of such kerf-free processes leads to a significant reduction of the silicon consumption, in order to produce of low-cost photovoltaic solar cells.In this work, by using analytical and numerical modeling, we first determined the thermal stresses needed for the detachment of silicon by stress-induced spalling process and predicts the detached thickness of silicon foils. These models depend on thermals and elastics parameters of metal used as well as the applied thermal loading. A good agreement between the theoretical and experimental results was obtained. Furthermore, different optimal parameters leading to the detachment of silicon foils with desired thicknesses using SIS process were investigated such as the thickness of the stressor layer, the nature of stressor layer and the thickness of glue. In a second part, thin silicon layers were transferred as a function of thermal annealing using the stress-induced spalling process guided by hydrogen implantation-induced defects. Then, the use of experimental characterizations and FEM simulations of the thermal stresses induced in implanted silicon we explain the mechanisms involved when combining the two processes. Characterization of silicon foils was performed by various technique in order to validate and optimized the process.; La réduction des coûts de production des cellules photovoltaïques et l'augmentation de leur rendement de conversion présentent aujourd’hui un fort intérêt technologique et écologique pour répondre aux problèmes de changement climatique engendrés par les énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel). La motivation de cette thèse est l’étude des procédés innovants de production de couches ultra-minces de silicium monocristallin de plusieurs centaines de nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres d’épaisseur, basés sur les contraintes thermiques et l’implantation d’hydrogène à basse énergie. Le détachement des couches ultra-minces de silicium se fait sans perte de matière première, permettant ainsi de réduire la consommation du silicium afin de produire des cellules photovoltaïques à bas-coûts.Dans ce travail, nous avons tout d’abord déterminé par modélisation analytique et numérique les contraintes permettant le détachement du silicium par contraintes induites « Controlled-Spalling » et prédit l’épaisseur détachée des couches minces de silicium. Les modèles proposés dépendent des paramètres thermiques et élastiques des matériaux utilisés et de chargement thermique appliqué. Un bon accord entre les résultats théoriques et expérimentaux a été obtenu. Nous avons ensuite étudié les paramètres optimaux conduisant au détachement des films de silicium, à savoir l’épaisseur et la nature du substrat contraignant ainsi que l’épaisseur de la colle. Par la suite, des essais de détachement du silicium par contraintes induites guidé par l’implantation d’hydrogène ont été réalisés. Des caractérisations expérimentales et des simulations FEM des contraintes thermiques induites dans le silicium implanté à différents stades de recuits ont été faites permettant de comprendre les mécanismes mis en jeu lors du détachement du silicium fragilisé. Ensuite, des mesures par différentes techniques (Spectroscopie Raman, Profilomètre optique, MEB, Microscope optique numérique) des contraintes résiduelles et de la rugosité des films détachés par le procédé « Controlled-Spalling » ont été réalisées pour explorer les pistes conduisant à l’amélioration de la qualité de ces films.

The epitaxial growth of III-N semiconductors in non-or semi-polar orientations avoids the effects associated with the existence of internal fields in GaN-based hetero-structures usually epitaxial in the cdirection. The thesis work that we will present is part of the search for ways to optimize the crystalline structure of the epitaxial layers in semi polar directions on silicon substrates disoriented by 7 ° with respect to the direction . Proper structuring of these substrates of particular orientation makes it possible to reveal facets inclined on which the GaN epitaxies in the direction c. The number of emergent dislocations, created at nucleation, is then directly proportional to the surface of these facets of Si . Reducing the density of dislocations to low levels as obtained on sapphire substrate therefore requires reducing the size of the nucleation facets. The original solution we have developed is to use SOI substrates for which the upper layer of Si (above the BOX) is disoriented by 7 ° with respect to the direction and is as thin as possible, reducing by makes the impression of the substrate. Optimization of both the substrate structuring process and the growth stages allowed us to reduce the emerging dislocation density in GaN semipolar layers by a factor of 10 compared to state of the art on Si substrate. The residual stress, in tension when on Si, is here almost zero. Reduction of the nucleation surface has also resulted in the elimination of the "melt-back etching" phenomenon, usually impossible to prevent for semi-polar epitaxial layers on Si substrates. We will also show that the use of the so-called "Aspect Ratio Trapping", implemented for cubic symmetry materials is directly applicable to the case of semi-polar nitrides (which are of hexagonal symmetry) when epitaxied on SOI, causing another factor 10 in the reduction of the density of dislocations. Lastly, we used these semi-polar low-density dislocation layers to make metamorphic InGaN layers, that is to say elastically relaxed and whose misfit dislocations are aligned along the interface. Stress relaxation allows for greater incorporation of indium for the purpose of producing longer wavelength diodes. In this sense, we demonstrate the realization of the first semi-polar LED made on SOI substrates.; La croissance épitaxiale des semi-conducteurs III- N dans des orientations non - ou semi-polaires, permet d’éviter les effets associés à l’existence de champs internes dans les hétéro-structures à base de GaN usuellement épitaxiées dans la direction c. Le travail de thèse que nous présenterons s’inscrit dans la recherche de voies d’optimisation de la structure cristalline des couches épitaxiées dans des directions semi polaires sur des substrats du type Silicium désorientés de 7° par rapport à la direction . Une structuration adéquate de ces substrats d’orientation particulière permet de faire apparaitre des facettes inclinées d’orientation sur lesquelles le GaN s’épitaxie dans la direction c. Le nombre de dislocations émergentes, créées à la nucléation, est alors directement proportionnel à la surface de ces facettes de Si . Réduire la densité de dislocations à des niveaux faibles tels qu’obtenus sur substrat saphir nécessite donc de réduire la taille des facettes de nucléation. La solution originale que nous avons développée consiste à utiliser des substrats SOI pour lesquels la couche supérieure de Si (au-dessus du BOX) est désorientée de 7° par rapport à la direction et est la plus fine possible, réduisant de ce fait l’empreinte du substrat. L’optimisation à la fois des procédés de structuration du substrat et des étapes de la croissance nous a permis de réduire d’un facteur 10 la densité de dislocations émergentes dans les couches de GaN semi polaire par rapport à l’état de l’art sur substrat Si. La contrainte résiduelle, en tension lorsque sur Si, est ici quasi nulle. La réduction de la surface de nucléation a également entraîné l’élimination du phénomène de « melt-back etching », habituellement impossible à prévenir pour des couches semi-polaires épitaxiées sur des substrats Si. Nous montrerons également que l’utilisation de la technique dite «Aspect Ratio Trapping », mise en œuvre pour les matériaux de symétrie cubique est directement applicable au cas des nitrures (qui sont de symétrie hexagonale) semi-polaires lorsqu’épitaxiés sur SOI, entraînant un autre facteur 10 dans la réduction de la densité de dislocations. Dans un dernier temps, nous avons utilisé ces couches semi-polaires à basse densité de dislocations pour réaliser des couches d’InGaN métamorphiques, c’est-à-dire relaxée élastiquement et dont les dislocations de misfit sont alignées le long de l’interface. La relaxation des contraintes permet une plus grande incorporation d’indium dans le but de réaliser des diodes à plus grande longueur d’onde. Dans ce sens, nous démontrons la réalisation de la première LED semi polaire faite sur des substrats SOI.

The epitaxial growth of III-N semiconductors in non-or semi-polar orientations avoids the effects associated with the existence of internal fields in GaN-based hetero-structures usually epitaxial in the cdirection. The thesis work that we will present is part of the search for ways to optimize the crystalline structure of the epitaxial layers in semi polar directions on silicon substrates disoriented by 7 ° with respect to the direction . Proper structuring of these substrates of particular orientation makes it possible to reveal facets inclined on which the GaN epitaxies in the direction c. The number of emergent dislocations, created at nucleation, is then directly proportional to the surface of these facets of Si . Reducing the density of dislocations to low levels as obtained on sapphire substrate therefore requires reducing the size of the nucleation facets. The original solution we have developed is to use SOI substrates for which the upper layer of Si (above the BOX) is disoriented by 7 ° with respect to the direction and is as thin as possible, reducing by makes the impression of the substrate. Optimization of both the substrate structuring process and the growth stages allowed us to reduce the emerging dislocation density in GaN semipolar layers by a factor of 10 compared to state of the art on Si substrate. The residual stress, in tension when on Si, is here almost zero. Reduction of the nucleation surface has also resulted in the elimination of the "melt-back etching" phenomenon, usually impossible to prevent for semi-polar epitaxial layers on Si substrates. We will also show that the use of the so-called "Aspect Ratio Trapping", implemented for cubic symmetry materials is directly applicable to the case of semi-polar nitrides (which are of hexagonal symmetry) when epitaxied on SOI, causing another factor 10 in the reduction of the density of dislocations. Lastly, we used these semi-polar low-density dislocation layers to make metamorphic InGaN layers, that is to say elastically relaxed and whose misfit dislocations are aligned along the interface. Stress relaxation allows for greater incorporation of indium for the purpose of producing longer wavelength diodes. In this sense, we demonstrate the realization of the first semi-polar LED made on SOI substrates.; La croissance épitaxiale des semi-conducteurs III- N dans des orientations non - ou semi-polaires, permet d’éviter les effets associés à l’existence de champs internes dans les hétéro-structures à base de GaN usuellement épitaxiées dans la direction c. Le travail de thèse que nous présenterons s’inscrit dans la recherche de voies d’optimisation de la structure cristalline des couches épitaxiées dans des directions semi polaires sur des substrats du type Silicium désorientés de 7° par rapport à la direction . Une structuration adéquate de ces substrats d’orientation particulière permet de faire apparaitre des facettes inclinées d’orientation sur lesquelles le GaN s’épitaxie dans la direction c. Le nombre de dislocations émergentes, créées à la nucléation, est alors directement proportionnel à la surface de ces facettes de Si . Réduire la densité de dislocations à des niveaux faibles tels qu’obtenus sur substrat saphir nécessite donc de réduire la taille des facettes de nucléation. La solution originale que nous avons développée consiste à utiliser des substrats SOI pour lesquels la couche supérieure de Si (au-dessus du BOX) est désorientée de 7° par rapport à la direction et est la plus fine possible, réduisant de ce fait l’empreinte du substrat. L’optimisation à la fois des procédés de structuration du substrat et des étapes de la croissance nous a permis de réduire d’un facteur 10 la densité de dislocations émergentes dans les couches de GaN semi polaire par rapport à l’état de l’art sur substrat Si. La contrainte résiduelle, en tension lorsque sur Si, est ici quasi nulle. La réduction de la surface de nucléation a également entraîné l’élimination du phénomène de « melt-back etching », habituellement impossible à prévenir pour des couches semi-polaires épitaxiées sur des substrats Si. Nous montrerons également que l’utilisation de la technique dite «Aspect Ratio Trapping », mise en œuvre pour les matériaux de symétrie cubique est directement applicable au cas des nitrures (qui sont de symétrie hexagonale) semi-polaires lorsqu’épitaxiés sur SOI, entraînant un autre facteur 10 dans la réduction de la densité de dislocations. Dans un dernier temps, nous avons utilisé ces couches semi-polaires à basse densité de dislocations pour réaliser des couches d’InGaN métamorphiques, c’est-à-dire relaxée élastiquement et dont les dislocations de misfit sont alignées le long de l’interface. La relaxation des contraintes permet une plus grande incorporation d’indium dans le but de réaliser des diodes à plus grande longueur d’onde. Dans ce sens, nous démontrons la réalisation de la première LED semi polaire faite sur des substrats SOI.

My thesis work presented in this doctoral dissertation has started a new research axis within the Carnot Interdisciplinary Laboratory of Burgundy, and is part of the "Information processing devices" program of the Labex ACTION. This research consortium aims to optimize all the steps of an information processing system, using nano-structured materials and non-linear functionalities. In this context, this thesis focuses on the generation of optical signals in the near infrared, with the main objective of hybridizing integrated photonics with fiber laser cavities. These innovative hybrid LASERs offer, by design, many advantages that are particularly sought-after in the field of telecommunications, such as a high repetition rate, greater than 100 GHz, and ultra-short pulses, of the order of 100 fs.The fundamental element of the approach developed during my thesis is the use of on-chip fabricated micro-resonators. The material constituting these structures is the site of non-linear phenomena that can be exalted to generate new frequencies. In addition, by inserting the microstructure into a fiber LASER cavity, it can ensure mode locking and thus pulse generation. Filter driven-four wave mixing is then the mechanism involved.In order to successfully carry out this new project, a full characterization bench was designed. The latter includes a near-field microscope to analyze the electromagnetic field propagating in the on-chip fabricated structure, and more particularly the non-linear propagation of guided modes. In addition, the development and analysis of microstructures were carried out in order to optimize the desired linear and non-linear properties. To do this, several materials such as silicon-on-insulator, chalcogenide glasses and silicon nitrides were tested on about thirty samples.In addition, intra- and inter-laboratory collaborations give this multidisciplinary study subject a great richness. They allowed the demonstration of hybrid LASERs generating pulses with a repetition rate of 250 GHz, as well as the imaging by near-field microscopy of an octave spectral widening in a spiral-folded silicon nitride guide., Mon travail de thèse présenté dans ce mémoire a démarré un nouvel axe de recherche au sein du laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, et s'inscrit dans le programme "Dispositifs pour le traitement de l'information" du Labex ACTION. Ce consortium de recherche vise l'optimisation de toutes les étapes d'un système de traitement d'information, en s'appuyant sur des matériaux nano-structurés et sur des fonctionnalités non-linéaires. Dans ce contexte, cette thèse relève de la génération de signaux optiques dans le proche infrarouge, puisque l'objectif principal est d'hybrider la photonique intégrée à l'optique des LASER en cavité fibrée. Ces LASER innovants hybridant photonique et optique fibrée offrent, de par leur conception, de nombreux avantages particulièrement recherchés dans le domaine des télécommunications, comme par exemple un taux de répétition élevé, supérieur à la centaine de gigahertz, et des impulsions ultracourtes, de l'ordre de la centaine de femtosecondes.L'élément fondamental de l'approche développée durant ma thèse réside dans l'utilisation de micro-résonateurs gravés sur puce. Le matériau constituant ces structures est le siège de phénomènes non-linéaires qu'il est possible d'exalter afin de générer de nouvelles fréquences. De plus, en insérant la microstructure dans une cavité LASER fibrée, elle peut assurer un verrouillage de mode et donc la génération d'impulsions. Le filtrage par mélange à quatre ondes est alors le mécanisme mis en jeu.Ainsi, pour mener à bien ce nouveau projet, un montage de caractérisation a été conçu. Ce dernier comporte un microscope en champ proche dans le but d'analyser le champ électromagnétique se propageant dans la structure gravée sur puce, et plus particulièrement la propagation non-linéaire des modes guidés. En outre, le développement et l'analyse de microstructures ont été réalisés afin d'optimiser les propriétés linéaires et non-linéaires souhaitées. Pour ce faire plusieurs matériaux tels que le silicium-sur-isolant, les verres de chalogénures et les nitrures de silicium ont été expérimentés au travers d'une trentaine d'échantillons.De surcroît des collaborations intra et inter-laboratoires donnent à ce sujet d'étude pluridisciplinaire une grande richesse. Elles ont permis la démonstration de LASER hybrides générant des impulsions avec un taux de répétition de 250 GHz, ainsi que d'imager par microscopie champ proche un élargissement spectral d'une octave dans un guide de nitrure de silicium replié en spirale.

As demonstrated by porous silicon, the key element for multifunctionality, which allows to access to new properties, is surface/volume nanostructuring. Numerous applications far behind microelectronics are related but require the development of low cost, simple and large scale compatible structuration techniques. This thesis focused on the development of nanostructured silicon by two complementary pathways, a bottom-up approach based mainly on templated silicon deposition by electrochemistry in collaboration with the LRN and a top-down approach, combining two techniques, laser interferential lithography and plasma etching. Using the first approach it was possible to produce mesostructures ranging from 200 nm to 1 micron. An original template fabrication technique using resins of different solubilities has been developed and validated. As for the second approach, it was made possible to obtain micro, meso and nanostructured silicon using a new type of hard mask, which fabrication and application was developed during this thesis. This new patented technology is based on the chemical dissolution of zinc oxide and its use as a hard mask. A selectivity of up to 100 could be obtained on silicon. Several functional validations have been realized based on the structured silicon developed in this thesis. This part includes the control of both the optical emission properties (grafting of lanthanide complexes), the thermal properties of bulk silicon by surface structuring in collaboration with the American University of Beirut and finally wettability., Comme parfaitement illustré par le silicium poreaux, le caractère multifonctionnel d’un matériau réside dans la capacité à le (nano)structurer et ce par des techniques de structuration à la fois simples, peu couteuses et adaptées aux grandes surfaces. Cette thèse a porté sur le développement du silicium nanostructuré par deux voies complémentaires, une voie ascendante basée principalement sur la réalisation de matrices (template) pour le dépôt de silicium par électrochimie en collaboration avec le LRN et une voie descendante combinant deux techniques, la lithographie interférentielle et la gravure plasma. La première voie a permis de réaliser des mesostructures de taille entre 200 nm et 1 micron. Une technique originale de fabrication de matrice à partir de résines de solubilité différente a été mise au point et validée. La deuxième voie, a permis la réalisation de silicium micro, meso et nanostructuré sur la base d’un nouveau type de masque dur. Cette nouvelle technologie brevetée repose sur la dissolution chimique de l’oxyde de Zinc et son utilisation comme masque dur. Une sélectivité allant jusqu’à 100 a pu être obtenue sur le Silicium. Plusieurs validations fonctionnelles ont pu être réalisées à partir du silicium structuré obtenu, cela inclut le contrôle à la fois des propriétés optiques d’émission (greffage de complexes de lanthanide), des propriétés thermiques du silicium massif par structuration de surface en collaboration avec l’université américaine de Beyrouth et enfin la mouillabilité.

Minority carrier lifetime measurement is essential to optimize PV solar cells. The OCVD method allows it into p-n junction. Compare to other technics widely used like PCD or TRPL, it is really simple and cheap. However it has been scarcely used for III-V materials mainly due to their low lifetime (, Mesurer la durée de vie des porteurs minoritaires est indispensable pour optimiser les cellules PV. La méthode OCVD le permet dans une jonction p-n. C'est une technique relativement simple à mettre en place et peu coûteuse comparée à d'autres largement utilisées comme la PCD ou la TRPL. Cependant elle a rarement été employée pour les matériaux III-V puisque les durées de vie sont généralement très faibles (

This thesis is devoted to the study of helium bubbles in silicon. First, molecular dynamics (MD) simulations were performed in order to study the physical properties of a nanobubble: helium density and pressure as a function of the bubble diameter and of the initial helium quantity introduced in the bubble. A maximum value of the helium density in the bubble is reached due to the plastic deformation of the matrix; this value is significantly lower than the experimental results. By modelling a more realistic system, an excellent agreement with the experimental measurements is found. Moreover, the choice of the interatomic potential is essential to model the properties of bubbles under high pressure. Further, the Laplace-Young law is not appropriate to predict the pressure in helium bubbles in silicon. In addition, the investigation of the helium configuration in the bubble indicates that helium can be in the solid state at 300 K. In a second part, a cluster dynamics (CD) approach was employed to understand the early stages of bubble evolution. A helium in silicon interaction model to be used in CD was built by means of a large number of MD calculations. A parametric study was then performed taking into account the influence of helium and the presence or not of a continuous source of defects and allowing for the study of the mechanisms of bubble growth.; Cette thèse est consacrée à l’étude des bulles d’hélium dans le silicium. Dans un premier temps, des simulations atomistiques de type dynamique moléculaire (DM) ont été réalisées afin d’étudier les propriétés physiques d’une bulle nanométrique : densité et pression d’hélium en fonction du diamètre de la bulle et de la quantité d’hélium initialement introduite dans la bulle. Nos calculs ont montré que la déformation plastique de la matrice ne permettait pas de dépasser une valeur de densité d’hélium nettement inférieure aux résultats expérimentaux. En modélisant un système plus réaliste, un excellent accord avec les mesures expérimentales a été retrouvé. Nous avons aussi montré que le choix du potentiel interatomique était capital afin de modéliser des bulles sous fortes pressions. En outre, nos résultats ont montré que la loi de Laplace-Young n’était pas adaptée pour prédire la pression dans les bulles d’hélium dans du silicium. Enfin, l’étude de l’état de l’hélium dans la bulle indique que l’hélium peut être sous forme solide à 300 K, du fait des pressions élevées. Dans un second temps, une approche de type dynamique d’amas (DA) a été employée afin de comprendre les premiers stades d’évolution des bulles. Nous avons construit un modèle applicable à la DA à l’aide d’un grand nombre de calculs DM. Une étude paramétrique a ensuite été réalisée. Ceci nous a permis d’étudier les mécanismes de croissance des bulles, en prenant en compte l’influence de l’hélium et la présence ou non d’une source continue de défauts.

Rapeseed (Brassica napus L.) is a crop that requires high nitrogen inputs and has a low Nitrogen Utilization Efficiency (NUE) mainly due to a low remobilization efficiency during leaf senescence. Currently, an improvement of the agro-environmental balance of rapeseed, requires the development of new cultural practices to maintain (or even improve) its yield in response to low nitrogen inputs. In this context, the use of beneficial element such as silicon (Si) with previously demonstrated effects on tolerance to some nutritional stress (phosphorus and potassium), constitutes an interesting alternative. The objectives of this study are to investigate the effect of Si on the progression of leaf senescence, nitrogen uptake and remobilization but also on agronomic performances of rapeseed grown in hydroponics or in field conditions and submitted or not to a limitation or deprivation of nitrogen inputs. Our work shows that despite being considered as a low Si accumulator, rapeseed takes up and stores Si mainly in its roots. In addition, a Si supply for a short time (7 days; 1.7 mM) to young plants deprived of nitrogen leads to a delay of senescence of mature leaves associated with a maintenance of their chlorophyll content and their photosynthetic activity. In addition, in field conditions, a supply of Si (12 kg ha-1) to plants grown with 160 kg N ha-1 leads to an increase of yield (+4.2 quintals ha-1). Furthermore, calculation of the "Agronomic Nitrogen Recovery (ANR)" combined with the expression of genes encoding nitrogen transporters (BnaNRT1.1, BnaNRT2.1, and BnaAMT1.1) shows that Si increases the nitrogen uptake. Finally, a differential analysis by RNAseq of roots transcriptomes from young plants treated or not with Si for a short time (7 days; 1.7 mM), shows that Si modulates the expression of 1079 genes, 334 being induced and 745 repressed. This result indicates that in addition to its mechanical role, Si acts also a signal, a role very poorly demonstrated in the literature., Le colza (Brassica napus L.) est une plante de grande culture nécessitant de forts intrants azotés et présentant une faible Efficience d’Utilisation de l’Azote (EUA) principalement due à une faible efficience de remobilisation cet élément durant la sénescence foliaire. Actuellement, une amélioration du bilan agroenvironnemental de la culture du colza, nécessite la mise au point de nouvelles pratiques culturales permettant de maintenir (voire d’améliorer) son rendement tout en limitant les doses d’intrants azotés. Dans ce contexte, l’utilisation d’éléments bénéfiques tels que le silicium (Si) dont les effets ont déjà été démontrés dans la tolérance à certains stress nutritionnels (phosphore et potassium) constitue une alternative intéressante. Les objectifs de cette étude visent à étudier l’effet du Si (i) sur la progression de la sénescence foliaire, l’absorption et la remobilisation de l’azote et les performances agronomiques du colza cultivé en hydroponie ou en conditions de plein champ et soumis ou non à une limitation ou une privation en azote. Nos travaux montrent, qu’en dépit de son caractère faiblement accumulateur en Si, le colza absorbe le Si puis le stocke essentiellement au niveau racinaire. Par ailleurs, un apport de Si de courte durée (7 jours ; 1,7 mM) à des jeunes plantes privées en azote provoque un retard de sénescence des feuilles matures associé un maintien de leur teneur en chlorophylles et de leur activité photosynthétique. De plus, au champ, un apport de Si (12 kg ha-1) à des plantes cultivées avec 160 kg N ha-1 s’accompagne d’une augmentation du rendement grainier (+4,2 quintaux ha-1). L'utilisation de l’indice agronomique «Agronomic Nitrogen Recovery (ANR)» combinée à l’étude de l’expression de gènes codant des transporteurs d’azote (BnaNRT1.1, BnaNRT2.1, BnaAMT1.1) montrent que le Si agit notamment en stimulant l’absorption de l’azote chez le colza. Enfin, une analyse différentielle par RNAseq des transcriptomes racinaires de jeunes plantes traitées ou non avec du Si pendant une courte durée (7 jours ; 1,7 mM), montre que le Si module l’expression de 1079 gènes, 334 étant induits et 745 réprimés. Ce résultat indique qu’en plus de son rôle mécanique, le Si exerce également un rôle signalétique.

Miniaturization of micro- and opto-electronics devices has led to the development of nanotechnologies. At this scale, the density of interfaces drastically increases explaining their critical role in the device performances. In this thesis, interest has been focused on interactions at the interfaces between heterogeneous materials during their first growth stages by molecular beam epitaxy. Each chapter studies a specific interface with the objective of monolithically integrating III-V semiconductors (GaAs) on silicon substrate, which is a main goal of the INL’s Heteroepitaxy and Nanostructures team. Two complementary approaches have been considered: GaAs nanowires on Si (111) substrate and the research of a Zintl phase as a buffer layer adequate for the two-dimensional (2D) growth of GaAs on a SrTiO3 / Si (100) substrate. In the context of growing GaAs nanowires on Si(111) with gallium as catalyst, the role played by a silica overlayer has been studied by X-Ray Photoelectron Spectroscopy. It has been shown that an oxido-reduction reaction takes place at the interface, reaction which is strongly dependent on the temperature during the process. Besides, the real-time evolution of an As capping/decapping mechanism, which is needed for the protection of GaAs nanowires during transfers, has been studied thanks to electron transmission microscopy. Finally, the growth of a metal half-shell on GaAs nanowires has been investigated by in situ grazing incidence X-ray diffraction using synchrotron radiation. This exploratory study has shown that obtaining a partially epitaxial growth of gold and aluminum on nanowires facets is possible. In the context of obtaining a 2D growth of GaAs on SrTiO3/Si(100) substrate, the growth of the theoretically-suggested Zintl phase SrAl2 was tried by MBE and probed by photoemission, along with an alternative, BaGe2, which appeared more suitable for chemical reasons., La recherche d’une miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs en micro- et opto- électronique a participé au développement des nanotechnologies. A l’échelle nanométrique, la densité des interfaces augmente énormément leur conférant un rôle crucial dans les performances des dispositifs. Dans cette thèse, l’intérêt a été porté sur les interactions aux interfaces entre matériaux hétérogènes lors des premiers stades de leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Chaque chapitre est dédié à l’étude d’une interface spécifique dans le cadre des recherches menées par l’équipe Hétéroépitaxie et Nanostructures de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon. Deux approches complémentaires pour l’intégration monolithique du semiconducteur III-V GaAs sur silicium ont été étudiées: les nanofils de GaAs sur Si(111) et la recherche d’une phase Zintl pour la croissance bidimensionnelle (2D) de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100). Pour ce qui concerne la croissance des nanofils de GaAs, l’étude par spectroscopie de photoémission de l’interface entre le gallium, en tant que catalyseur, et le substrat de silicium (111) recouvert de silice a montré qu’une réaction d’oxydoréduction entre les deux matériaux a lieu et est dépendante de la température pendant la croissance. Ensuite, le mécanisme d’encapsulation / désencapsulation par l’arsenic nécessaire à la protection des nanofils de GaAs lors des transferts, a été étudié structurellement en temps réel grâce à la microscopie électronique en transmission. Enfin, la croissance d'une demi-coquille métallique sur les nanofils de GaAs a été analysée in situ par diffraction et diffusion des rayons X en incidence rasante en utilisant un rayonnement synchrotron. Cette étude exploratoire a montré qu’il était possible d’obtenir une croissance partiellement épitaxiée d’or et d’aluminium sur les facettes des nanofils. Pour ce qui concerne la croissance 2D de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100), la croissance de la phase SrAl2 proposée théoriquement dans la littérature a été tentée et examinée par photoémission. Une alternative, BaGe2, permettant de mieux pallier aux problèmes d’hétérogénéité chimique a finalement été proposée.

Miniaturization of micro- and opto-electronics devices has led to the development of nanotechnologies. At this scale, the density of interfaces drastically increases explaining their critical role in the device performances. In this thesis, interest has been focused on interactions at the interfaces between heterogeneous materials during their first growth stages by molecular beam epitaxy. Each chapter studies a specific interface with the objective of monolithically integrating III-V semiconductors (GaAs) on silicon substrate, which is a main goal of the INL’s Heteroepitaxy and Nanostructures team. Two complementary approaches have been considered: GaAs nanowires on Si (111) substrate and the research of a Zintl phase as a buffer layer adequate for the two-dimensional (2D) growth of GaAs on a SrTiO3 / Si (100) substrate. In the context of growing GaAs nanowires on Si(111) with gallium as catalyst, the role played by a silica overlayer has been studied by X-Ray Photoelectron Spectroscopy. It has been shown that an oxido-reduction reaction takes place at the interface, reaction which is strongly dependent on the temperature during the process. Besides, the real-time evolution of an As capping/decapping mechanism, which is needed for the protection of GaAs nanowires during transfers, has been studied thanks to electron transmission microscopy. Finally, the growth of a metal half-shell on GaAs nanowires has been investigated by in situ grazing incidence X-ray diffraction using synchrotron radiation. This exploratory study has shown that obtaining a partially epitaxial growth of gold and aluminum on nanowires facets is possible. In the context of obtaining a 2D growth of GaAs on SrTiO3/Si(100) substrate, the growth of the theoretically-suggested Zintl phase SrAl2 was tried by MBE and probed by photoemission, along with an alternative, BaGe2, which appeared more suitable for chemical reasons.; La recherche d’une miniaturisation toujours plus poussée des dispositifs en micro- et opto- électronique a participé au développement des nanotechnologies. A l’échelle nanométrique, la densité des interfaces augmente énormément leur conférant un rôle crucial dans les performances des dispositifs. Dans cette thèse, l’intérêt a été porté sur les interactions aux interfaces entre matériaux hétérogènes lors des premiers stades de leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Chaque chapitre est dédié à l’étude d’une interface spécifique dans le cadre des recherches menées par l’équipe Hétéroépitaxie et Nanostructures de l’Institut des Nanotechnologies de Lyon. Deux approches complémentaires pour l’intégration monolithique du semiconducteur III-V GaAs sur silicium ont été étudiées: les nanofils de GaAs sur Si(111) et la recherche d’une phase Zintl pour la croissance bidimensionnelle (2D) de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100). Pour ce qui concerne la croissance des nanofils de GaAs, l’étude par spectroscopie de photoémission de l’interface entre le gallium, en tant que catalyseur, et le substrat de silicium (111) recouvert de silice a montré qu’une réaction d’oxydoréduction entre les deux matériaux a lieu et est dépendante de la température pendant la croissance. Ensuite, le mécanisme d’encapsulation / désencapsulation par l’arsenic nécessaire à la protection des nanofils de GaAs lors des transferts, a été étudié structurellement en temps réel grâce à la microscopie électronique en transmission. Enfin, la croissance d'une demi-coquille métallique sur les nanofils de GaAs a été analysée in situ par diffraction et diffusion des rayons X en incidence rasante en utilisant un rayonnement synchrotron. Cette étude exploratoire a montré qu’il était possible d’obtenir une croissance partiellement épitaxiée d’or et d’aluminium sur les facettes des nanofils. Pour ce qui concerne la croissance 2D de GaAs sur un substrat SrTiO3/Si(100), la croissance de la phase SrAl2 proposée théoriquement dans la littérature a été tentée et examinée par photoémission. Une alternative, BaGe2, permettant de mieux pallier aux problèmes d’hétérogénéité chimique a finalement été proposée.

Metallurgical silicon is produced by carbothermic reduction of quartz in electric arc furnaces using carbon reducers, mostly of fossil origin. The use of charcoal is a relevant alternative to reduce the environmental impact of the metallurgical process. The coal also makes it possible to limit the presence of certain impurities in the silicon and to reduce the overall energy consumption of the process. The main obstacles to its use are its low mechanical strength as well as its cost of production which, in certain contexts, make it difficult to compete with fossil reducers. The aim of this work was to determine the interest properties of a reducing carbon, and to study the influence of the nature of the wood and the operating conditions of the pyrolysis on these properties.A fixed bed pyrolysis pilot reactor, designed specifically for this thesis, has produced charcoal in conditions similar to those encountered in industry. The coals were then characterized according to their yields and physicochemical characteristics. Characterization tests of the mechanical behavior in coal bed - resistance to compression and friability - have been developed. In addition, the CO2 reactivity of the coals was measured by means of a macro-thermogravimetric reactor. The coals were produced from two species of wood of different types, Eucalyptus globulus and Picea abies for three final pyrolysis temperatures - 500, 650 and 800 ° C - and two residence times at the final temperature - 0 and 90 min. -. The influence of the nature of the raw material was also studied through the production of charcoal with four additional species at the temperature of 700 ° C without residence time at the final pyrolysis temperature.Our results show that the nature of wood has a much greater impact on its properties as a reducing agent than the operating conditions of pyrolysis. The apparent density of wood is not a good indicator of the mechanical behavior of charcoal, as is often considered. When the final pyrolysis temperature was increased, the mechanical strength increased and the CO2 reactivity decreased. The impact of residence time at the final pyrolysis temperature on coal properties was negligible, with the exception of coal yield and CO2 reactivity, which decreased with increasing residence time. The work carried out made it possible to determine the optimal pyrolysis operating conditions as well as the most suitable gasoline for the production of a reducing charcoal for the silicon industry.; Le silicium métallurgique est produit par réduction carbothermique du quartz dans des fours à arcs électriques à l’aide de réducteurs carbonés, le plus souvent d’origine fossile. L'utilisation de charbon de bois est une alternative pertinente pour réduire l'impact environnemental du procédé métallurgique. Le charbon permet par ailleurs de limiter la présence de certaines impuretés dans le silicium et de diminuer la consommation globale d’énergie du procédé. Les principaux freins à son utilisation sont sa faible résistance mécanique ainsi que son coût de production qui, dans certains contextes, le rendent difficilement compétitif avec les réducteurs fossiles. L’objectif de ce travail de thèse était de déterminer les propriétés d'intérêts d’un charbon réducteur, et d'étudier l'influence de la nature du bois et des conditions de la pyrolyse sur ces propriétés.Un réacteur pilote de pyrolyse en lit fixe, conçu spécifiquement dans le cadre de cette thèse, a permis de produire des charbons de bois dans des conditions proches de celles rencontrées dans l’industrie. Les charbons ont ensuite étaient caractérisés selon leurs rendements et leurs caractéristiques physico-chimiques. Des tests de caractérisation du comportement mécanique en lit du charbon – résistance à la compression et friabilité - ont été développés. Par ailleurs, la réactivité au CO2 des charbons a été mesurée au moyen d’un réacteur macro-thermogravimétrique. Les charbons ont été produits à partir de deux essences de bois de nature différente, pour trois températures finales de pyrolyse - 500, 650 et 800 °C- et deux temps de séjour à la température finale - 0 et 90 min –. L’influence de la nature de la matière première a également été étudiée à travers la production de charbon à partir de quatre essences supplémentaires à la température de 700 °C sans temps de séjour.Nos résultats montrent que la nature du bois a un impact beaucoup plus important sur ses propriétés comme agent réducteur que les conditions opératoires de la pyrolyse. La densité apparente du bois n'est pas toujours un bon indicateur du comportement mécanique du charbon, comme cela est souvent considéré. Lorsque la température de pyrolyse finale a été augmentée, la résistance mécanique a augmenté et la réactivité au CO2 a diminué. L'impact du temps de séjour à la température finale de pyrolyse sur les propriétés du charbon était négligeable, à l'exception du rendement en charbon et de la réactivité au CO2, qui diminuait avec l'augmentation du temps de séjour. Les travaux menés ont permis de déterminer les conditions opératoires de pyrolyse optimales ainsi que l’essence la plus adéquate pour la production d’un charbon de bois réducteur pour l’industrie du silicium.

Metallurgical silicon is produced by carbothermic reduction of quartz in electric arc furnaces using carbon reducers, mostly of fossil origin. The use of charcoal is a relevant alternative to reduce the environmental impact of the metallurgical process. The coal also makes it possible to limit the presence of certain impurities in the silicon and to reduce the overall energy consumption of the process. The main obstacles to its use are its low mechanical strength as well as its cost of production which, in certain contexts, make it difficult to compete with fossil reducers. The aim of this work was to determine the interest properties of a reducing carbon, and to study the influence of the nature of the wood and the operating conditions of the pyrolysis on these properties.A fixed bed pyrolysis pilot reactor, designed specifically for this thesis, has produced charcoal in conditions similar to those encountered in industry. The coals were then characterized according to their yields and physicochemical characteristics. Characterization tests of the mechanical behavior in coal bed - resistance to compression and friability - have been developed. In addition, the CO2 reactivity of the coals was measured by means of a macro-thermogravimetric reactor. The coals were produced from two species of wood of different types, Eucalyptus globulus and Picea abies for three final pyrolysis temperatures - 500, 650 and 800 ° C - and two residence times at the final temperature - 0 and 90 min. -. The influence of the nature of the raw material was also studied through the production of charcoal with four additional species at the temperature of 700 ° C without residence time at the final pyrolysis temperature.Our results show that the nature of wood has a much greater impact on its properties as a reducing agent than the operating conditions of pyrolysis. The apparent density of wood is not a good indicator of the mechanical behavior of charcoal, as is often considered. When the final pyrolysis temperature was increased, the mechanical strength increased and the CO2 reactivity decreased. The impact of residence time at the final pyrolysis temperature on coal properties was negligible, with the exception of coal yield and CO2 reactivity, which decreased with increasing residence time. The work carried out made it possible to determine the optimal pyrolysis operating conditions as well as the most suitable gasoline for the production of a reducing charcoal for the silicon industry.; Le silicium métallurgique est produit par réduction carbothermique du quartz dans des fours à arcs électriques à l’aide de réducteurs carbonés, le plus souvent d’origine fossile. L'utilisation de charbon de bois est une alternative pertinente pour réduire l'impact environnemental du procédé métallurgique. Le charbon permet par ailleurs de limiter la présence de certaines impuretés dans le silicium et de diminuer la consommation globale d’énergie du procédé. Les principaux freins à son utilisation sont sa faible résistance mécanique ainsi que son coût de production qui, dans certains contextes, le rendent difficilement compétitif avec les réducteurs fossiles. L’objectif de ce travail de thèse était de déterminer les propriétés d'intérêts d’un charbon réducteur, et d'étudier l'influence de la nature du bois et des conditions de la pyrolyse sur ces propriétés.Un réacteur pilote de pyrolyse en lit fixe, conçu spécifiquement dans le cadre de cette thèse, a permis de produire des charbons de bois dans des conditions proches de celles rencontrées dans l’industrie. Les charbons ont ensuite étaient caractérisés selon leurs rendements et leurs caractéristiques physico-chimiques. Des tests de caractérisation du comportement mécanique en lit du charbon – résistance à la compression et friabilité - ont été développés. Par ailleurs, la réactivité au CO2 des charbons a été mesurée au moyen d’un réacteur macro-thermogravimétrique. Les charbons ont été produits à partir de deux essences de bois de nature différente, pour trois températures finales de pyrolyse - 500, 650 et 800 °C- et deux temps de séjour à la température finale - 0 et 90 min –. L’influence de la nature de la matière première a également été étudiée à travers la production de charbon à partir de quatre essences supplémentaires à la température de 700 °C sans temps de séjour.Nos résultats montrent que la nature du bois a un impact beaucoup plus important sur ses propriétés comme agent réducteur que les conditions opératoires de la pyrolyse. La densité apparente du bois n'est pas toujours un bon indicateur du comportement mécanique du charbon, comme cela est souvent considéré. Lorsque la température de pyrolyse finale a été augmentée, la résistance mécanique a augmenté et la réactivité au CO2 a diminué. L'impact du temps de séjour à la température finale de pyrolyse sur les propriétés du charbon était négligeable, à l'exception du rendement en charbon et de la réactivité au CO2, qui diminuait avec l'augmentation du temps de séjour. Les travaux menés ont permis de déterminer les conditions opératoires de pyrolyse optimales ainsi que l’essence la plus adéquate pour la production d’un charbon de bois réducteur pour l’industrie du silicium.

During the past few decades, the emergence of new architectures (FDSOI, FinFETs or NW-FETs) and the use of new materials (like silicon/germanium alloys) allowed to go further in MOS devices scaling by solving short channel effect issues. However, new architectures suffer from contact resistance degradation with size reduction. This resistance strongly depends on two parameters: the active dopant concentration close to the semi-conductor surface and the Schottky barrier height of the silicide contact. Many solutions have been proposed to improve both of these physical parameters: pre-amorphisation, laser annealing, dopant segregation and others. In order to optimize the experimental conditions of these fabrication techniques, it is mandatory to measure precisely and reliably their impact on cited parameters.Within the scope of this thesis, two parts are dedicated to each lever of the contact resistance, each time precising the developed characterization method and concrete application studies. The first part concerns the study of the active dopant concentration close to the semi-conductor surface. In this axis, we developed a Differential Hall Effet method (DHE) which can provide accurate depth profiles of active dopant concentration combining successive etching processes and conventional Hall Effect measurements. To do so, we validated layer chemical etching and precise electrical characterization method for doped Si and SiGe. Obtained generated profiles have a sub-1nm resolution and allowed to scan the first few nanometers of layers fabricated by advanced ion implantation and annealing techniques, like solid-phase epitaxy regrowth activated by laser annealing. In the second part, we focused on the measurement of Schottky barrier height of platinum silicide contact. We transferred a characterization method based on back-to-back diodes structure to measure platinum silicide contacts with different dopant segregation conditions. The electrical measurements were then fitted with physical models to extract Schottky barrier height with a precision of about 10meV. This combination between measurements and simulations allowed to point out the best ion implantation and annealing conditions for Schottky barrier height reduction.To conclude, thanks to this project, we developed highly sensitive characterization methods for nanoelectronics application. Moreover, we brought several clarifications on the impact of alternative ion implantation and annealing processes on Si and SiGe ultra-thin layers in the perspective of contact resistance reduction in FDSOI source-drain module.; Durant ces dernières années, l’apparition de nouvelles architectures (FDSOI, FinFETs ou NW-FETs) et l’utilisation de nouveaux matériaux (notamment SiGe) ont permis de repousser les limites des performances des dispositifs MOS et de contourner l’effet canal court inhérent à la miniaturisation des composants. Cependant, pour toutes ces nouvelles architectures, la résistance de contact se dégrade au fil des nœuds technologiques. Celle-ci dépend fortement de deux paramètres physiques : la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur et de la hauteur de barrière Schottky du contact siliciuré. De multiples procédés avancés ont été proposé pour améliorer ces deux paramètres physiques (pré-amorphisation, recuit laser, ségrégation de dopants, etc…). Afin d’optimiser les conditions expérimentales de ces nouvelles techniques de fabrication, il est primordial de pouvoir caractériser avec fiabilité leur impact sur les deux grandeurs physiques citées. Dans le cadre de cette thèse, deux thématiques dédiées à l’étude de chacun des paramètres sont abordées, explicitant les méthodes de caractérisation développées ainsi que des exemples concrets d’applications. La première partie concerne l’étude de la concentration de dopants actifs proches de la surface du semi-conducteur. Dans cet axe, nous avons mis en place une méthode d’Effet Hall Différentiel (DHE). Cette technique combine gravures successives et mesures par effet Hall conventionnel afin d’obtenir le profil de concentration de dopants actifs en fonction de la profondeur. Nous avons développé et validé une méthode de gravure chimique et de mesure électrique pour des couches ultra-minces de SiGe et de Si dopées. Les profils de concentration générés ont une résolution en profondeur inférieure à 1 nm et ont permis d’étudier de façon approfondie dans les premiers nanomètres proches de la surface de couches fabriquées grâce à des techniques d’implantation et de recuit avancées comme par exemple, la croissance en phase solide activée par recuit laser. La deuxième partie porte sur la mesure de hauteurs de barrière Schottky pour des contacts siliciurés. Durant cette étude, nous avons transféré une technique se basant sur des diodes en tête bêche pour caractériser l’impact de la ségrégation de différentes espèces à l’interface siliciure/semi-conducteur sur la hauteur de barrière Schottky d’un contact en siliciure de platine. Cette méthode de mesure associée à des simulations physiques a permis d’une part, d’extrairer avec fiabilité des hauteurs de barrières avec une précision de 10meV et d’autre part, d’effectuer une sélection des meilleures conditions de ségrégation de dopants pour la réduction de la hauteur de barrière Schottky. Pour conclure, ce projet a rendu possible le développement de méthodes de caractérisation pour l’étude de matériaux utilisés en nanoélectronique. De plus, nous avons pu apporter des éclaircissements concernant l’impact de techniques d’implantation ionique alternatives sur des couches de Si et SiGe ultrafines, et ce, dans le but de réduire la résistance de contact entre siliciure et semi-conducteur dans le module source-drain de transistors ultimes.

National audience; During the past few decades, the emergence of new architectures (FDSOI, FinFETs or NW-FETs) and the use of new materials (like silicon/germanium alloys) allowed to go further in MOS devices scaling by solving short channel effect issues. However, new architectures suffer from contact resistance degradation with size reduction. This resistance strongly depends on two parameters: the active dopant concentration close to the semi-conductor surface and the Schottky barrier height of the silicide contact. Many solutions have been proposed to improve both of these physical parameters: pre-amorphisation, laser annealing, dopant segregation and others. In order to optimize the experimental conditions of these fabrication techniques, it is mandatory to measure precisely and reliably their impact on cited parameters. Within the scope of this thesis, two parts are dedicated to each lever of the contact resistance, each time precising the developed characterization method and concrete application studies. The first part concerns the study of the active dopant concentration close to the semi-conductor surface. In this axis, we developed a Differential Hall Effet method (DHE) which can provide accurate depth profiles of active dopant concentration combining successive etching processes and conventional Hall Effect measurements. To do so, we validated layer chemical etching and precise electrical characterization method for doped Si and SiGe. Obtained generated profiles have a sub-1nm resolution and allowed to scan the first few nanometers of layers fabricated by advanced ion implantation and annealing techniques, like solid-phase epitaxy regrowth activated by laser annealing. In the second part, we focused on the measurement of Schottky barrier height of platinum silicide contact. We transferred a characterization method based on back-to-back diodes structure to measure platinum silicide contacts with different dopant segregation conditions. The electrical measurements were then fitted with physical models to extract Schottky barrier height with a precision of about 10meV. This combination between measurements and simulations allowed to point out the best ion implantation and annealing conditions for Schottky barrier height reduction. To conclude, thanks to this project, we developed highly sensitive characterization methods for nanoelectronics application. Moreover, we brought several clarifications on the impact of alternative ion implantation and annealing processes on Si and SiGe ultra-thin layers in the perspective of contact resistance reduction in FDSOI source-drain module.; Durant ces dernières années, l’apparition de nouvelles architectures (FDSOI, FinFETs ou NW-FETs) et l’utilisation de nouveaux matériaux (notamment SiGe) ont permis de repousser les limites des performances des dispositifs MOS et de contourner l’effet canal court inhérent à la miniaturisation des composants. Cependant, pour toutes ces nouvelles architectures, la résistance de contact se dégrade au fil des noeuds technologiques. Celle-ci dépend fortement de deux paramètres physiques : la concentration de dopants actifs proches de la surface du semiconducteur et de la hauteur de barrière Schottky du contact siliciuré. De multiples procédés avancés ont été proposé pour améliorer ces deux paramètres physiques (pré-amorphisation, recuit laser, ségrégation de dopants, etc…). Afin d’optimiser les conditions expérimentales de ces nouvelles techniques de fabrication, il est primordial de pouvoir caractériser avec fiabilité leur impact sur les deux grandeurs physiques citées. Dans le cadre de cette thèse, deux thématiques dédiées à l’étude de chacun des paramètres sont abordées, explicitant les méthodes de caractérisation développées ainsi que des exemples concrets d’applications. La première partie concerne l’étude de la concentration de dopants actifs proches de la surface du semiconducteur. Dans cet axe, nous avons mis en place une méthode d’Effet Hall Différentiel (DHE). Cette technique combine gravures successives et mesures par effet Hall conventionnel afin d’obtenir le profil de concentration de dopants actifs en fonction de la profondeur. Nous avons développé et validé une méthode de gravure chimique et de mesure électrique pour des couches ultra-minces de SiGe et de Si dopées. Les profils de concentration générés ont une résolution en profondeur inférieure à 1 nm et ont permis d’étudier de façon approfondie dans les premiers nanomètres proches de la surface de couches fabriquées grâce à des techniques d’implantation et de recuit avancées comme par exemple, la croissance en phase solide activée par recuit laser. La deuxième partie porte sur la mesure de hauteurs de barrière Schottky pour des contacts siliciurés. Durant cette étude, nous avons transféré une technique se basant sur des diodes en tête bêche pour caractériser l’impact de la ségrégation de différentes espèces à l’interface siliciure/semi-conducteur sur la hauteur de barrière Schottky d’un contact en siliciure de platine. Cette méthode de mesure associée à des simulations physiques a permis d’une part, d’extrairer avec fiabilité des hauteurs de barrières avec une précision de 10meV et d’autre part, d’effectuer une sélection des meilleures conditions de ségrégation de dopants pour la réduction de la hauteur de barrière Schottky. Pour conclure, ce projet a rendu possible le développement de méthodes de caractérisation pour l’étude de matériaux utilisés en nanoélectronique. De plus, nous avons pu apporter des éclaircissements concernant l’impact de techniques d’implantation ionique alternatives sur des couches de Si et SiGe ultrafines, et ce, dans le but de réduire la résistance de contact entre siliciure et semi-conducteur dans le module source-drain de transistors ultimes