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International audience; Integration of photonic structures in nanocrystal-based photodetectors has been demonstrated to improve device performances. Furthermore, bias-dependent photoresponse can be observed in such devices as a result of the interplay between hopping transport and inhomogeneous electromagnetic field. Here, we investigate the main physical concepts leading to a voltage-dependent photoresponse. We first bring evidence of bias-dependent carrier mobilities in a nanocrystal array over a wide range of temperatures. Then, we realize an infrared sensing device using HgTe nanocrystals, where the electrodes also play the role of a grating, inducing a spatially inhomogeneous absorption. The obtained device exhibits a significant bias-dependent photoresponse while possessing a competitive detection performance in the extended shortwave and mid-wave infrared, with detectivity reaching 7x10 10 Jones at 80 K and a fast response time of around 70 ns. This work provides the foundation for further advancements in nanocrystal-basedactive photonics devices.

An attractive approach for the energy industry's transition to sustainable and clean energy is the use of solar radiation to produce H2. Among the different artificial photocatalytic processes, H2 production through water splitting is probably the most intensely studied as the molecular gas exhibits a high volumetric energy density, no carbon footprint and can be either directly burned or used in fuel cells to produce electricity. In this process, light irradiation drives the redox reactions, as the photon excitation causes electronic transitions, that generate electron-hole pairs. Holes decompose water into protons (H+), while the electrons reduce the absorbed H+ to H2. Among various transition metal oxides, TiO2 is widely used as a photocatalyst due to its low cost, high chemical stability, good optical activity and non-toxic nature. Although great strides have been made over the last decades on the development of TiO2 based nanomaterials, identifying the factors that govern the kinetics of photocatalytic processes and understand their role is currently a subject of fundamental research. In this context, this dissertation explores technological solutions, and discusses the principal mechanisms that yield the H2 production under UV and Visible light irradiation on thin films TiO2-based photocatalysts which were fabricated at the clean room facility of LAAS-CNRS. The manuscript is composed of five chapters where three specific studies are addressed. The first study presents the fabrication of hybrid TiO2/Au nanoparticle structures. Multiple characterization evidenced improvement on the charge carrier transport thanks to the synergistic mechanisms involving the Schottky barrier formation and plasmonic effects. In the second study, a technological approach is developed for the fabrication of 3D photocatalysts based on a silicon micromachining process, where TiO2/Au and Pd nanoparticles are further integrated. The influence of the enlarged surface on the morphology, quality, and catalytic performance is thoroughly investigated and correlated to the H2 production. In the third study, the type and nature of defects, being oxygen vacancies and Ti interstitials are induced through thermal annealing on TiO2 thin films, which are analyzed from the viewpoint of the electronic structure. The formation of intrinsic intermediate states in the band gap was correlated to the presence of these defects, which play a decisive role in the charge carrier kinetics. Discussion about promising results and challenges are also covered. Hence, these results give new directions for the fabrication of robust and light-driven photocatalysts for a broad range of applications from photocatalysis, electronics, sensing elements, to 3D metamaterials.; Une approche importante pour assurer une transition industrielle s'appuyant sur une énergie durable et propre est l'utilisation du rayonnement solaire pour la production d'H2. Parmi les différents processus photocatalytiques artificiels, la production de H2 par craquage de molécules d'eau est probablement la plus étudiée car le gaz moléculaire présente une densité d'énergie volumétrique élevée, une empreinte zéro carbone, et peut être directement brûlé ou utilisé dans des piles à combustible pour produire de l'électricité. Dans ce processus, l'irradiation lumineuse entraîne des réactions redox, car l'excitation photonique provoque des transitions électroniques qui génèrent des paires électron-trou. Les trous permettent de décomposer l'eau pour générer des protons (H+), tandis que les électrons réduisent les protons adsorbés en H2. Parmi divers oxydes s métaux de transition, le TiO2 est largement utilisé comme photocatalyseur en raison de son faible coût, de sa stabilité chimique élevée, de sa bonne activité optique et de sa nature non toxique. Bien que de grands progrès aient été réalisés au cours des dernières décennies pour le développement de nanomatériaux à base de TiO2, les facteurs qui régissent la cinétique des processus photocatalytiques demeurent encore aujourd'hui mal compris et caractérisés. Ils font ainsi actuellement l'objet de recherches fondamentales. Cette thèse explore des solutions technologiques et discute des principaux mécanismes qui conduisent à la production d'H2 sous irradiation UV via l'utilisation de photocatalyseurs à base de TiO2 déposé en couches minces dans la salle blanche du LAAS-CNRS. Le manuscrit est composé de cinq chapitres incluant trois études distinctes. La première étude présente la fabrication de structures hybrides films mioncesTiO2/nanoparticule d'Au. Nous démontrons l'amélioration du transport des porteurs de charge grâce aux mécanismes synergiques impliquant la formation de barrières Schottky et des effets plasmoniques. Dans la deuxième étude, une approche technologique est développée pour la fabrication de photocatalyseurs 3D basée sur un procédé de micro-usinage silicium, où le photocatalyseur hybride TiO2/Au et TiO2/Pd sont davantage intégrées. L'influence de l'augmentation de surface sur la morphologie, la qualité et les performances catalytiques du photocatalyseur est détaillé et corrélé à la production d'H2. Dans la troisième étude, le type et la nature des défauts, à savoir des lacunes d'oxygène et des interstitiels de Ti, sont induits par recuits thermiques et caractérisés du point de vue de la structure électronique des surfaces photocatalytiques. La formation d'états intermédiaires intrinsèques dans la bande interdite est bien corrélée à la présence de défauts qui jouent un rôle déterminant dans la cinétique des porteurs de charge. Nous discutons l'ensemble de ces résultats et les défis qu'ils soulèvent. De nouvelles orientations pour la fabrication de photocatalyseurs robustese pour un large éventail d'applications allant de la photocatalyse, de l'électronique, des éléments de détection, aux métamatériaux 3D.

The objective of this thesis, funded as a CIFRE contract with STMicroelectronics Crolles, is to develop methodologies and decision support tools that allow the efficient management of production flows in the Crolles300 plant by detecting, as early as possible, any slowdowns or even delays in an automated production line for all products. In this work, we first describe how semiconductor factories operate, how planning is performed on complex production lines and how planning softwares actually create production plans. This industrial business is subject to a strong variability and the analysis of this variability has led us to assert that the detection of time drifts between the real production flow and the plan could be only achieved by comparing flows at the elementary operational level of the production line. To solve this problem, we propose to define a set of formal model-based diagnostic methods over systems that can modeled as Timed Event Graph (TEG) in order to detect and localize time drifts. TEGs are a subclass of time Petri nets that graphically represent (max,+)-linear systems. Two detection methods are then proposed. The first one is based on (max,+) observers that estimate the current state of the system facing time disturbances. This method can also be used to localize time drifts in (max,+)-linear systems. The second proposed method applies to linear (max,+)-systems with bounded uncertain time, i.e. systems whose waiting time in state is no longer punctual but belongs to a time interval. Finally, the use of both methods is illustrated on an example using real data from the production line., L’objectif de cette thèse en contrat CIFRE avec STMicroelectronics Crolles est de développer des méthodologies et des outils d’aide à la décision permettant de gérer efficacement les flux de production de l'usine Crolles300 en détectant au plus tôt les ralentissements voire les retards d’une ligne automatisée de production sur l’ensemble des produits. Dans ces travaux, on décrit dans un premier temps le fonctionnement des usines de semi-conducteurs, les principes de planification sur des chaînes de production complexes et en particulier le fonctionnement des outils de planification. Ce contexte industriel est sujet à une forte variabilité et son analyse a permis d’identifier que la détection des retards entre la production et la planification ne pouvait se faire par comparaison qu’au niveau élémentaire des opérations sur la chaîne de production. Pour résoudre ce problème, on propose de définir un ensemble de méthodes formelles de diagnostic à base de modèle en s’appuyant sur la modélisation du système à l’aide du formalisme des Graphes d’Événements Temporisés (GET) en vue de détecter et de localiser des dérives temporelles. Les GET sont une sous-classe des réseaux de Petri temporels qui permet de représenter graphiquement des systèmes (max,+)-linéaires. Deux méthodes de détection sont proposées. La première est définie à l’aide d’observateurs (max,+) permettant d’estimer l’état courant du système faisant face à des perturbations. Cette méthode peut également être exploitée pour localiser la dérive temporelle dans le système (max,+)-linéaire. La seconde méthode proposée s’applique sur des systèmes (max,+) linéaires à temps incertain borné, c’est-à-dire des systèmes dont les temps d’attente dans les états ne sont plus fixes mais appartenant à des intervalles. Enfin, l’utilisation de ces deux méthodes est illustrée sur un exemple en s’appuyant sur des données réelles de la chaîne de production.

International audience; Planification de maintenance avec impact sur les temps de fabrication avec des contraintes de production

Electro-thermal and thermo-mechanical aging of topside metallic components of semiconductor power devices are the main reasons behind shortening their lifetimes. This study has been conducted to focus on the aging processes at such metallic contacts, composed of metallization layers connected to bonding wires. The approach followed in this study is not like the previous traditional ones, by which the fatigue problem is studied here in a physicochemical way, through interpreting the microstructural changes occurring, and relating them to the degradation processes. The effects of the evolutions in the microstructure and materials properties on aging processes were reviewed from the literature and after applying experimental analysis. Therefore, a correlation was thought about between the device failure's driving force, the crack propagation, and the main physicochemical-microstructural properties affecting the aging processes. Consequently, relationships linking these physicochemical-microstructural aspects to the parameters of the damage-based cohesive zone model were found.As a result, this model combines both finite element Multiphysics modeling and physicochemical-microstructural concepts. When the combination was built, a two-dimensional geometrical model of an IGBT module was constructed using the ANSYS APDL software. Hexagons were integrated at the metallic interconnection positions to represent metallic grains. Cohesive zone models were afterward implemented at the edges of the hexagons in order to interpret the crack evolution microstructurally. This results in hexagons associated with different properties in accordance with the characteristics of the local microstructure. Two separate simulations were subsequently applied. The first one is electrothermal to obtain the thermal distribution among the different components of IGBT upon cycling. Thereafter, a mechanical simulation was applied using the thermal data of the electrothermal simulation to see the distribution of constraints at the metallic contact zone and simulate the crack evolution taking place at the hexagonal edges. The results of these simulations were then compared to some experimental data to see the compatibility of this physicochemical-microstructural model., Le vieillissement électro-thermique et thermo-mécanique des interconnexions métalliques supérieures des composants de puissance à semi-conducteurs est une de leurs causes de défaillances principales. L'étude s'est concentrée sur le processus de vieillissement du contact métallique entre le film de métallisation des puces et des fils de connexions en aluminium. L'approche suivie dans cette étude est différente des approches traditionnelles précédentes, le problème de la fatigue est étudié ici par un point de vue physico-chimique, en interprétant les changements microstructuraux qui se produisent, et en les reliant aux processus de dégradation. A partir de la littérature et après une analyse de résultats expérimentaux, les effets des évolutions microstructurales et des changements de propriétés des matériaux sur les processus de vieillissement ont été examinés. Ainsi, il est proposé et investigué ici l'hypothèse d'une corrélation entre la cause de la défaillance du dispositif, c-à-d la propagation de fissure, et les principales propriétés physico-chimiques et microstructurales affectant les processus de vieillissement. Des relations reliant les propriétés physicochimiques et de microstructures aux paramètres d'un modèle de zone cohésive (CZM), basé sur l'endommagement, ont été établies. Ce modèle combine à la fois la modélisation multiphysique par éléments finis et les concepts physicochimiques-microstructuraux.Lors de l'élaboration de cette combinaison, un modèle géométrique bidimensionnel d'un module IGBT a été construit. Des éléments de forme hexagonales ont été répartis dans le modèle géométrique au niveau des extrémités du contact du fil/métallisation afin de représenter la structure granulaire. Des modèles distribués de zones cohésives (CZM) ont ensuite été mis en œuvre à l'interface des hexagones afin de simuler la fissuration à travers la décohésion entre grains d'un point de vue microstructurel. Les paramètres CZM sont distribués selon les propriétés et caractéristiques locales observées de la microstructure. Des simulations électro-thermique puis thermomécanique ont été réalisées pour reproduire l'effet d'un cyclage thermique actif. La simulation thermo-mécanique permet d'estimer les distribution de stress et déformations au niveau de la zone de contact métallique et simuler l'évolution de la fissure qui a lieu au niveau des interfaces entre les éléments hexagonaux. Les résultats de ces simulations ont ensuite été confrontés à des données expérimentales pour voir la validité de ce modèle physico-chimique-microstructural.