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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.

Metals and high refractive index dielectrics are the two main families of materials used in nano-optics. Nanostructures made from these materials give rise to optical resonances, i.e. an exaltation of the light-matter interaction. For metals, the resonance comes from plasmonic properties, whereas for dielectrics, they are Mie-type resonances, due to their high index. By adjusting the dimensions of the nanostructures, these resonances can be tuned down to the near infrared range for very large objects. For the last fifteen years, doped semiconducting materials have been considered, due to their low density of free carriers, to obtain plasmonic resonances in the mid-infrared, even for small objects. During this thesis, we studied model systems made of an assembly of hyperdoped silicon nanostructures, obtained from the top layer of silicon-on-insulator (SOI) substrate, by a top-down technique. The nanostructures of the metasurface thus all have the same size and the same amount of dopants. The response of the single structure was simulated using the Green Dyadic Method (GDM), which is based on the volume discretization of the nanostructure, that we adapted to the case of doped semiconductors. In parallel to this work, we have developed an effective polarizability model to approximate a complex shaped structure by a single dipole. This approximation allows us to couple a large number of nanostructures , so that we can simulate an assembly of objects in its entirety. Finally, we used a deep learning approach, coupled with a model of dressed polarizabilities, for a fast prediction of the optical coupling within an aperiodic plasmonic metasurface, in order to overcome current computational limitations and simulate the optical response of very large metasurfaces.; Les métaux et les diélectriques à fort indice optique constituent les deux principales familles de matériaux utilisées en nano-optique. Les nanostructures fabriquées à partir de ces matériaux donnent lieu à des résonances optiques, c'est-à-dire une exaltation de l'interaction rayonnement-matière. Pour les métaux, la résonance provient de propriétés plasmoniques, alors que pour les diélectriques, les résonances sont de type Mie, dû à leur indice élevé. En jouant sur les dimensions des nanostructures, ces résonances peuvent être ajustées jusque dans la gamme proche infrarouge pour des objets de grandes tailles. Depuis une quinzaine d'années, les matériaux semiconducteurs dopés ont été envisagés, du fait de leur plus faible densité de porteurs libres, pour obtenir des résonances plasmoniques dans l'infrarouge moyen, et cela, même pour de petits objets. Durant cette thèse, nous avons étudié des systèmes modèles constitués d'une assemblée de nanostructures de silicium hyperdopé, obtenues à partir de la couche supérieure d'un substrat de silicium sur isolant (SOI) par une technique top-down. Les nanostructures de la métasurface ont ainsi toutes la même taille et la même quantité de dopants. La réponse plasmonique de la structure unique a été simulée à l'aide de la méthode dyadique de Green (GDM), qui repose sur la discrétisation en volume de la nanostructure, que nous avons adaptée au cas des semiconducteurs dopés. Nous avons confronté nos simulations avec des mesures expérimentales réalisées à l'aide d'un dispositif de spectroscopie infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR). En parallèle à ces travaux nous avons développé un modèle de polarisabilité effective pour approximer une structure de forme complexe par un dipôle unique. Cette approximation nous permet de coupler un grand nombre de nanostructures entre elles, afin de simuler l'assemblée d'objets dans son ensemble. Pour finir nous avons utilisé une approche de deep learning, couplée à un modèle de polarisabilités habillées, afin de prédire rapidement le couplage optique au sein d'une métasurface plasmonique apériodique et dépasser les limites actuelles de calcul pour simuler la réponse optique de métasurfaces de très grandes tailles.

Due to the direct band gap, semiconductors based on the germanium-tin alloy (GeSn) are the subject of special care for opto-electronic devices. Unlike pure germanium, unstrained GeSn alloys have a direct inter-band energy transition from a concentration of around 6 %, providing an optical gain necessary to observe the laser effect at low temperatures. The operating temperature of the laser effect is increasing with the tin content. However, alloying tin in germanium faces technological issues in terms of material growth for a concentration higher than 16 %. The application of a tensile strain can be an alternative approach to modify the band diagram and amplify the material gain in order to consider applications at room temperature.In a first chapter, useful quantities and effects of the deformation on the band structure are introduced.GeSn alloys under bi-axial tensile strain are studied in micro-disk cavites stressed by tensor layer, and then in suspended cross-like membranes using strain management. The strain is estimated by FEM simulation, Raman spectroscopy and photoluminescence. The laser effect is also shown.In a final chapter, [100] uni-axial tensile strain is presented in micro-bridge structures, demonstrating the laser effect up to 273 K. Thanks to micro-laue diffraction, a tensile strain measurement is also carried out., En raison de leur bande interdite à caractère direct, les semi-conducteurs à base de l'alliage germanium-étain (GeSn) font l'objet d'une attention particulière pour des dispositifs optoélectroniques. Contrairement au germanium pur, l'alliage GeSn possède une transition énergétique interbandes directe à partir d'une concentration d'environ 6 % à l'état relaxé, lui conférant du gain optique nécessaire pour observer l'effet laser à basse température. La température de fonctionnement de l'effet laser est d'autant plus élevée que la couche optiquement active est riche en étain. Toutefois, l'incorporation d'étain dans l'alliage se heurte à l'heure actuelle à des limites technologiques en termes de croissance du matériau à partir d'une concentration supérieure à 16 %. L'application d'une déformation en tension se présente donc comme une approche alternative pour modifier le diagramme de bande et amplifier le gain du matériau pour envisager des applications à température ambiante.Dans un premier chapitre, les grandeurs utiles et les effets de la déformation sur la structure de bande ont été introduits.Le cas d'une déformation bi-axiale de l'alliage GeSn est ensuite abordée dans des structures micro-disques contraints par couche tenseur, puis par des membranes croix suspendues. La déformation est estimée par simulation FEM, spectroscopie Raman et Photoluminescence. L'effet Laser est également étudié.Dans un dernier chapitre, la déformation uni-axiale selon [100] est présentée via des structures micro-ponts, montrant l'effet laser jusqu'à 273 K. A l'aide de la diffraction micro-laue, une étude de la déformation est également menée.

A study on Integrated gate-commutated thyristors (IGCT) di/dt limiting inductance and RCD-clamp reduction/suppression using plastic module silicon (Si) fast recovery diodes and silicon carbide (SiC) diodes, in Modular Multilevel Converters (MMC). This PhD contains:- Analysis of existing HVDC MMC Submodules.- Assessment of the interest of the IGCT in HVDC MMC Submodules and losses comparison with IGBTs, using MMC-specific figures-of-merit created in this thesis.- Double pulse test with fast recovery diode in plastic module to attempt to reduce and suppress the limiting di/dt inductor.- Packaging of High-Voltage High-Current SiC PiN diode dies, test with IGCT in the same setup to attempt to reduce and suppress the limiting di/dt inductor and analyze the specificities of the SiC diode in this setup., Une étude sur la réduction/suppression de l'inductance de limitation di/dt pour IGCTs et du clamp RCD en utilisant des diodes rapides en silicium (Si) et des diodes en carbure de silicium (SiC) dans les convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC). Cette thèse contient :- Analyse des sous-modules de MMC HVDC existants.- Évaluation de l'intérêt des IGCTs dans les sous-modules MMC HVDC et comparaison des pertes avec les IGBT, en utilisant des facteurs de mérite spécifiques aux MMC créés dans cette thèse.- Test de double pulse avec diode à récupération rapide dans un module plastique pour tenter de réduire et supprimer l'inductance limitant le di/dt.- Packaging de puces de diodes SiC PiN à haute tension et courant élevé, test avec IGCT dans le même montage, pour tenter de réduire et supprimer l'inductance limite di/dt, et analyser les spécificités de la diode SiC dans ce montage.

At the nanoscale, thermal and vibrational properties are intimately linked and depend on the shape and composition of the material. Thanks to the nanostructuration, nanocomposites allow a better control of the heat transfer. This can be used to improve the performances of thermoelectric generators through a better insulation, but also to improve the heat management in microelectronics application. In this work, the thermal properties of some nanocomposites are studied using atomistic level simulations, thanks to molecular dynamics. In a first part, the focus is laid on nanocomposites composed of an amorphous matrix and crystalline nano-inclusions. The approach separating the propagative and diffusive contribution, developed for amorphous materials, is used. The ballistic contribution where the heat is propagated by plane waves is systematically impacted by the nanostructuration. Whereas affecting the diffusive contribution, that spreads the heat slowly at the nanoscale, is more challenging. This can be done, for instance, through pores or inclusions softer than the matrix but in variable proportions. A second part is dedicated to the study of silicon nanowires, and the impact of amorphization. For this, the transport of energy as a function of frequency in crystalline core amorphous shell nanowire is studied. An amorphous shell causes the apparition of diffusive transport and the decrease in transmission at low frequencies. Then, molecular dynamics are coupled to hydrodynamic heat equations to study the radial distribution of flux in those nanowires. This analysis suggests that the reduction of the thermal conductivity upon the addition of shell cannot be linked solely to modified interface properties, but are rather due to a global effect of the shell on the mean free path of heat carriers. Finally, it is shown that structuration of the amorphous layer in a conical shape can be used to obtain thermal rectification, that is, a spatial asymmetry in thermal transport. This rectification appears to be caused by the perturbation of transmission at low frequencies., À l'échelle nanométrique, les propriétés thermiques et vibratoires sont intimement liées et dépendent de la forme et de la composition des matériaux. Grâce à la nanostructuration, les nanocomposites permettent un meilleur contrôle du transport thermique. Ceci permet notamment d'améliorer les performances des générateurs thermoélectriques en offrant de meilleurs isolants, mais aussi une meilleure gestion de la chaleur dans les composants électroniques. Dans ce travail, les propriétés thermiques de quelques nanocomposites sont étudiées en utilisant des calculs à l'échelle atomiques, par le biais de la modélisation de Dynamique Moléculaire. Dans un premier temps, l'accent est mis sur des nanocomposites constitués d'une matrice amorphe et de nano-inclusions cristallines. L'approche développée pour les amorphes, séparant la partie balistique du transfert thermique qui prend la forme d'onde plane se propageant dans le matériau et la partie diffusive repartissant lentement l'énergie dans le matériau, est mise à profit. La séparation de ces contributions a montré que si la structuration affecte systématiquement la partie balistique, maîtriser l'impact sur le transport diffusif est plus complexe. Celui-ci peut notamment être réduit par la présence de pores ou d'inclusions plus molles que la matrice, mais dans des proportions variables. Une deuxième partie est consacrée à l'étude des nanofils de silicium, et à l'impact de l'amorphisation de ceux-ci. Pour cela, le transport d'énergie en fonction de la fréquence dans des nanofils avec une âme cristalline et une coque amorphe est étudié. La coque amorphe provoque l'apparition d'un transport diffusif et une baisse de transmission aux basses fréquences. Ensuite, la dynamique moléculaire est couplée aux équations hydrodynamiques du transport de chaleur. Ce couplage est mis à profit pour étudier la distribution radiale du flux de chaleur en régime établie dans les nanofils cylindriques avec une couche amorphe régulière. Cette analyse suggère que la réduction de la conductivité thermique due à l'ajout de la coque n'est pas uniquement liée aux changements des propriétés de l'interface, mais plutôt à un effet global de la coque amorphe sur le libre parcours moyen. Finalement, la structuration en cône de la couche amorphe est utilisée pour induire une rectification thermique, c’est-à-dire une asymétrie spatiale dans le transport thermique. Cette rectification semble être due à la perturbation de la propagation des porteurs de chaleur à basses fréquences.

In this thesis, we study the formation of copper iodide (CuI) and silver copper iodide (Ag,Cu)I thin films from a two-step procedure: deposition of a metallic film by magnetron sputtering and iodination in iodine vapor. Numerous techniques have been used to determine the films properties such as: X-ray diffraction, transmission electron microscopy, Hall effect, UV-visible spectroscopy… For CuI films, we obtained transparent p-type semiconductors films crystallizing in the γ-phase with wide bandgap (Eg ≈ 3.05 eV). Copper iodide films grow with a strong preferred orientation along the [111] direction. SEM analysis of thin film morphology demonstrates that iodination conditions can affect crystal size. Transmission electron microscopy (TEM) and selected area electron diffraction (SAED) have revealed crystallographic twin domains in CuI crystals, revealing their geometry and orientation. The films are highly conductive, optically transparent and exhibit high value of figure of merit. The properties of (Ag,Cu)I thin films have been studied using the same methods as a function of the silver content. (Ag,Cu)I films can be either p-type or n-type, depending on Ag concentration. Nevertheless, no structural change has been evidenced by XRD. The optical band gap can be monitor by the progressive addition of silver. The same is true for the electrical activation energy. In addition, the PL results showed a tendency of the PL spectral features of CuI to be changed to those of AgI with the increase of the silver content. A correlation between the optical and electrical results was established and evidenced the origin of the electrical behaviour. It is proposed that presence of Ag in (Ag,Cu)I thin films promotes the formation of the I-vacancies, which act as donor type defect, and eventually, with increasing the Ag content, crossover the carriers from p-type to n-type occurs., Dans cette thèse, nous avons étudié la formation de couches minces d'iodure de cuivre (CuI) et d'iodure de cuivre argent (Ag,Cu)I à partir d'une procédure en deux étapes : dépôt d'un film métallique par pulvérisation magnétron et ioduration dans de la vapeur d'iode. De nombreuses techniques ont été utilisées pour déterminer les propriétés des films telles que : diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission, effet Hall, spectroscopie UV-visible… Pour les films CuI, nous avons obtenu des films semi- conducteurs transparents de type p cristallisant dans une structure type γ-CuI avec une large bande interdite (≈ 3,05 eV). Les films d'iodure de cuivre croissent avec une forte orientation préférentielle le long de la direction [111]. La microscopie électronique à transmission (MET) et la diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) ont révélé des mâcles dans les cristaux CuI, révélant leur géométrie et leur orientation. Les films sont hautement conducteurs, optiquement transparents et présentent une valeur élevée de facteur de mérite. Les propriétés des couches minces (Ag,Cu)I ont été étudiées selon les mêmes méthodes en fonction de la teneur en argent. Ces films peuvent être de type p ou de type n, en fonction de la concentration en Ag. Néanmoins, aucun changement structural n'a été mis en évidence par XRD. La morphologie de la surface du film dépend également fortement de la teneur en argent. Le gap optique peut être contrôlé par l'ajout progressif d'argent. Il en est de même pour l'énergie d'activation des phénomènes de conduction électrique. La photoluminescence a montré l’évolution entre les films pauvres en argent et les riches. Une corrélation entre les résultats optiques et électriques a été établie et a mis en évidence l'origine du comportement électrique. Il est proposé que la présence d'Ag dans les films minces (Ag,Cu)I favorise la formation des lacunes d’iode, qui agissent comme un défaut de type donneur, et qui éventuellement, conduisent à la changement de la nature des porteurs.

Semiconductor based heterogeneous photocatalysis has important limitations due to low absorption factor and fast recombination of charge-carriers, which prevents the application of the process for environmental remediation. The use of carbon materials as additives to semiconductor has revealed an interesting alternative to enhance the photocatalytic and photoelectrocatalytic efficiency. In this context the main objective of the thesis has been to explore the potential application of semiconductor/carbon composites (ca. 2 wt.% carbon) in the formulation of photocatalytic inks for the oxidation/reduction of environmental pollutants under simulated solar light. A series of nanoporous carbon materials were incorporated with semiconductors (e.g., TiO2, Bi2WO6) by physical mixture and hydrothermal method. The effect of nature of carbons on the physicochemical characteristics (i.e., optical, textural, structural, morphological, and acidic/basic) of semiconductor/carbon were analysed. Data showed the presence of carbon enhanced the visible light absorption and textural features, particularly the specific surface area of the mixture compared to the bare semiconductor. The photoelectrochemical responses of the mixtures were examined as photoanodes for water oxidation in aqueous solution. The results showed the current intensity of semiconductor/carbon was enhanced compared to the semiconductor, indicating the presence of electron transfer at the carbon/semiconductor interface. This observation was pronounced for mixtures involving low functionalized carbon compared to those with highly functionalized ones. The photocatalytic activity of the catalytic film was evaluated for photooxidation of rhodamine B and photoreduction of CO2 in gaseous phase under simulated solar light. The photocatalytic conversion of the studied pollutants as well as their intermediates was enhanced for the semiconductor/carbon composites compared to the bare semiconductor. This trend was particularly remarkable for the decomposition of the intermediates, and it was associated to the enhanced visible light absorption of the mixed photocatalysts, to the strong interfacial interaction between the two components and the acidic surface nature of the photocatalysts. The studied photocatalyst showed good photocatalytic cycles and stability during long-term illumination., Au début des années 1970, Fujishima et Honda ont rapporté la première réaction induite par la lumière sur une électrode de TiO2 sur le dégagement d'oxygène et d'hydrogène dans une solution aqueuse. Depuis, l'application des réactions photocatalytiques s'est étendue dans différents domaines, en particulier dans l'assainissement de l'environnement en phase aqueuse et gazeuse. Les réactions photocatalytiques peuvent être utilisées pour la dégradation de polluants organiques (par exemple, COV, aromatiques, colorants) et inorganiques (par exemple, NO3-, Cr6+), pour la décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène, la réduction du dioxyde de carbone, la désactivation des micro-organismes, ces exemples étant parmi les plus représentatifs.Les photocatalyseurs les plus courants sont des matériaux semi-conducteurs tels que TiO2, ZnO, Bi2WO6, WO3, Fe2O3, SnO2, CdS, ZnS, etc. Le TiO2 est un semi-conducteur de type n avec une bande interdite optique de 3,2 eV, aujourd'hui considéré comme le matériau de référence pour les applications photocatalytiques dans l'assainissement de l'environnement. D'autre part, Bi2WO6 est également un semi-conducteur de type n qui présente de bonnes caractéristiques d'absorption de la lumière visible, avec une bande interdite de 2,9 eV, une activité photocatalytique élevée et une bonne stabilité.Malgré le fait que les processus photocatalytiques présentent de nombreuses applications, leur mise en œuvre à grande échelle est limitée en raison de la faible absorption généralement de la plupart des semi-conducteurs sous lumière visible, des taux de recombinaison des porteurs de charge élevés et des phénomènes de photocorrosion qui affectent leur stabilité sous un éclairage à long terme.Afin d'augmenter la photoefficacité des semi-conducteurs, plusieurs approches ont été proposées; parmi elles, l'incorporation de matériaux carbonés comme additifs aux semi-conducteurs s'est révélée être une alternative intéressante. Une grande variété de matériaux carbonés a été utilisée à cet effet pour plusieurs réactions photocatalytiques, avec d'excellentes performances photocatalytiques des composites semi-conducteur/carbone. Cela a été attribué à plusieurs aspects : une meilleure absorption de la lumière visible du composite quand l’additif de carbone est incorporé, l'effet bénéfique du nanoconfinement des polluants ciblés dans la porosité des matériaux en carbone, les forts effets électroniques interfaciaux entre le carbone et le semi-conducteur, une séparation électron-trou efficace en raison de la faible longueur de diffusion à travers la porosité du carbone, ou la capacité de l'additif de carbone à agir comme accepteur des porteurs de charge photogénérés, réduisant ainsi le taux de recombinaison.Plus récemment, l'activité photochimique intrinsèque des matériaux carbonés a été démontrée, en raison de leur capacité à former des espèces réactives (par exemple, des radicaux hydroxyles, des superoxydes, des radicaux centrés sur le carbone) lorsqu'ils sont exposés à une illumination dans des environnements contrôlés. Lorsque les carbones sont illuminés, il est proposé que l'excitation électronique se produise dans les transitions π-π* et σ–π* impliquant des sites en zig-zag libres et des sites de type carbène. Une telle activité photocatalytique est influencée par la structure des pores (c'est-à-dire les effets de nanoconfinement), la chimie de surface et la composition du matériau carboné (c'est-à-dire la présence de groupes chromophores).Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse était d'explorer l'application de matériaux carbonés d'origines et de caractéristiques différentes comme additifs aux semi-conducteurs pour la dégradation photocatalytique des polluants environnementaux. Une série de carbones issus de diverses sources (charbon bitumineux, polysaccharides, lignocellulosiques, nanotubes de carbone) ont été sélectionnés comme additifs en raison de leurs différentes caractéristiques. Le dioxyde de titane disponible dans le commerce et le tungstate de bismuth synthétisé en laboratoire ont été utilisés comme semi-conducteurs. Les photocatalyseurs semi-conducteur/carbone ont été préparés en incorporant une faible charge de l'additif de carbone (2% en poids) suivant deux approches: (i) mélange physique des deux composants, (ii) synthèse hydrothermale en un seul pot du semi-conducteur en présence de l'additif de carbone. Selon la nature des matériaux carbonés et la méthode de préparation, le mélange présentait des caractéristiques physico-chimiques, une réponse photoélectrochimique et une activité photocatalytique différentes.Tout d'abord, les spectres de réflectance diffuse des photocatalyseurs préparés ont été mesurés, pour étudier leurs caractéristiques optiques. Les données ont montré la présence de groupes fonctionnels optiquement actifs (c'est-à-dire impliquant des hétéroatomes O-, N-, S-) dans certains des matériaux carbonés, ce qui permet une augmentation de la capacité d'absorption de la lumière des composites dans le domaine visible. Les composites préparés par synthèse hydrothermale étaient de couleur claire et présentait une réflectance légèrement plus élevée que les composites obtenus par mélange physique des deux composants. Cette tendance était plus prononcée pour les composites impliquant des additifs de carbone hautement fonctionnalisés. La valeur énergétique de la bande interdite des mélanges déterminée par la méthode d'ajustement linéaire double est légèrement plus élevée quelle que soit la nature du carbone et la méthode de préparation que pour le semi-conducteur nu. Les valeurs de bande interdite peuvent être corrélées à la réflectance de l'échantillon: des valeurs de réflectance plus faibles représentent des bandes interdites plus élevées, et vice versa.Concernant la porosité des composites semi-conducteur/carbone, et quelles que soient les différentes caractéristiques poreuses des additifs de carbone utilisés, tous présentent des isothermes d'adsorption d'azote de type II(b), caractéristiques de matériaux à faible porosité. Ceci est associé à la faible teneur en additif carboné, comme mentionné ci-dessus. Néanmoins, la présence de l'additif de carbone a augmenté les paramètres de texture du composite semi-conducteur/carbone résultant; cet effet était plus remarquable dans le cas de ces matériaux de carbone avec une structure de pores bien développée. Concernant la dispersion des additifs de carbone dans les composites obtenus par mélange physique des deux composants, les particules des additifs se sont révélées être bien dispersées au sein des nanoparticules dominantes du semi-conducteur (typiquement de plus petites tailles), indiquant un bon contact entre le carbone et le semi-conducteur. Lorsque les composites ont été préparés par un procédé hydrothermal (par exemple, pour les composites Bi2WO6/carbone), les nanoparticules de semi-conducteur Bi2WO6 étaient plus grosses, en raison de la présence des additifs de carbone pendant la synthèse. Quoi qu'il en soit, une bonne dispersion de l'additif carboné a également été observée, suggérant un bon contact entre les deux phases. Les méthodes de préparation ont montré un effet sur la structure cristalline, avec des tailles de cristaux plus faibles des composites Bi2WO6/carbone synthétisés par méthode hydrothermale que le Bi2WO6 nu, soulignant une légère distorsion du réseau du semi-conducteur en raison de la présence de carbone lors de la synthèse. D'autre part, la nature acide/basique du carbone a également influencé la nature des composites semi-conducteur/carbone résultants. Tous les composites préparés par méthode hydrothermale présentent un caractère plus acide quelle que soit la nature du carbone, que les composés correspondants préparés par mélange physique.La réponse photoélectrochimique des matériaux semi-conducteurs/carbone a été évaluée en solution aqueuse. À cet effet, des électrodes ont été préparées sur un support conducteur (par exemple, un substrat en verre revêtu d'oxyde d'indium et d'étain) et analysées par voltamétrie cyclique, potentiel de circuit ouvert et chronoampérométrie. Les voltammogrammes des composites semi-conducteur/carbone mesurés dans le noir ont montré la forme typique du semi-conducteur, avec des densités de courant variables en fonction du type d'additif au carbone. Les densités de courant plus élevées dans toute la fenêtre électrochimique des voltammogrammes sont associées à la contribution de la double couche électrique formée dans la porosité des additifs carbonés. De plus, la méthode de préparation des composites a montré un effet sur les voltammogrammes. Les composites préparés par l’approche hydrothermale affichent des courants cathodiques plus élevés que leurs homologues obtenus par prélèvement physique mixte. Sous illumination, la photogénération de paires électron-trou dans la région de charge d'espace des composites a été confirmée par les photocourants anodiques enregistrés. L'amplitude des courants enregistrés dans le noir et du photocourant variait pour les différents matériaux. En général, les composites TiO2/carbone présentaient des valeurs de photocourant plus élevées que les composites Bi2WO6/carbone.Le potentiel de circuit ouvert des électrodes constituées de semiconducteurs uniquement a montré des résultats chargés positivement, indiquant le transfert d'électrons du semi-conducteur à la solution d'électrolyte lors de l'immersion dans l'électrolyte. Pour la plupart des électrodes à semi-conducteur/carbone, le potentiel de circuit ouvert s'est déplacé vers des valeurs négatives par rapport au semi-conducteur, indiquant le transfert d'électrons du carbone vers le semi-conducteur. Ceci était en accord avec le résultat observé dans le voltammogramme cyclique. Lorsque les électrodes ont été éclairées, le potentiel a chuté à des valeurs plus négatives en raison de l'augmentation de la population d'électrons dans la bande de conduction du semi-conducteur due à l'injection des électrons photogénérés. La goutte photopotentielle était reproductible sur plusieurs cycles marche/arrêt consécutifs. L'ampleur et la vitesse de la goutte photopotentielle dépendaient de la nature du carbone et de la méthode de préparation des composites. Toutes les électrodes TiO2/carbone présentaient une amplitude de chute photopotentielle plus élevée que le TiO2 nu, tandis que toutes les électrodes de Bi2WO6/carbone présentaient une amplitude de chute photopotentielle plus faible que le Bi2WO6 nu. En termes de séparation de charge, les semi-conducteurs seuls ont montré des valeurs de constante de vitesse plus rapides que les composites, quels que soient le type de semi-conducteur, la nature des additifs de carbone et le procédé de préparation des composites.Les transitoires de photocourant des électrodes à semi-conducteur/carbone enregistrés lors de l'éclairage marche/arrêt présentaient la forme typique des semi-conducteurs de type n, avec une augmentation du photocourant lors de l'activation de l'éclairage qui se rétractait à sa valeur d'origine lorsque la lumière était éteinte. Les amplitudes de photocourant des électrodes semi-conductrices/carbone impliquant des carbones faiblement fonctionnalisés présentaient des valeurs plus élevées que celles mesurées pour le semi-conducteur seul; en revanche, le carbone hautement fonctionnalisé a montré des valeurs inférieures ou égales à celles du semi-conducteur nu. La conductivité électrique et la mobilité électronique de la matrice de carbone se sont avérées être une force motrice pour augmenter l’amplitude du photocourant. Ceci était plus remarquable dans les composites TiO2/carbone que dans les composites Bi2WO6/carbone. Toutes les électrodes TiO2/carbone ont montré un photocourant anodique quel que soit le potentiel appliqué. D'autre part, la plupart des électrodes Bi2WO6/carbone présente un photocourant anodique pour des potentiels appliqués positifs et des photocourants cathodiques pour des potentiels appliqués négatifs. Cela suggère que les différents types de réactions photoélectrocatalytiques se sont produits à l'interface électrode/électrolyte en conditions d'éclairage, ce qui s'est avéré dépendant du potentiel appliqué pour le même matériau, en particulier pour Bi2WO6/carbone. Le photocourant anodique correspond à l'oxydation de l'eau, puisque l'eau est le seul donneur d'électrons au trou de l'électrolyte aqueux, tandis que le photocourant cathodique est attribué à la photoréduction de l'oxygène dissous dans l'électrolyte.Enfin, l'activité photocatalytique des matériaux a été évaluée pour la dégradation de la rhodamine B choisi comme polluant modèle. Le colorant a été imprégné sur les films photocatalytiques coulés sur un substrat en verre à partir de solutions aqueuses, et laissé sécher dans l'obscurité. Avant l'illumination des films photocatalytiques, leur capacité d'adsorption a été évaluée. Les données ont montré qu'une faible quantité (environ

The advent of flexible electronics has brought about rapid research towards sensors, bio implantable and wearable devices for assessment of diseases such as epilepsy, Parkinson’s and heart attacks. Memory devices are major component in any electronic circuits, only secondary to transistors, therefore many research efforts are devoted to the development of flexible memory devices. Conductive Bridge Random Access Memories (CBRAMs) based on creation/dissolution of a metallic filament within a solid electrolyte are of great research interest because of their simple Metal Insulator Metal architecture, low-voltage capabilities, and compatibility with flexible substrates. In this work, instead of a conventional metallic oxide or a chalcogenide layer, a biocompatible polymer - Polyethylene Oxide (PEO) – is employed as the solid electrolyte layer using water as solvent. Memory devices, consisting in Ag/PEO/Pt tri-layer stacks, were fabricated on both silicon and flexible substrates using a heterogeneous process combining physical vapour deposition and spin coating. To aim this, a systematic study on the effect of solution concentration and deposition speed on the PEO thickness is presented. SEM/EDX and AFM measurements were then conducted on devoted “nano-gap” planar structures and have revealed the formation of metallic Ag precipitates together with morphological changes of the polymer layer after resistance switching. The performance of the resistive memory devices is then assessed on silicon and flexible substrates. In particular programming voltage statistics, OFF/ON resistance ratio, endurance cycles and retention tests are performed and the effect of current compliance is analysed. The conduction mechanism in the HRS/LRS is studied on the Ag/PEO/Pt and Pt/PEO/Pt reference devices. Finally, the electrical characterization of devices on flexible substrate is performed under mechanical stress, showing promising results. Polymer-based CBRAM devices are therefore suggested as potential candidates for sustainable development of flexible memory devices.; L’avènement de l’électronique flexible a entraîné des recherches rapides sur des capteurs, des dispositifs bio-implantables et portables pour l’évaluation de maladies telles que l’épilepsie, la maladie de Parkinson et les crises cardiaques. Les dispositifs de mémoire sont des composants majeurs dans tous les circuits électroniques, uniquement secondaires aux transistors, par conséquent de nombreux efforts de recherche sont consacrés au développement de dispositifs de mémoire flexibles. Les mémoires à accès aléatoire à pont conducteur (CBRAM) basées sur la création / dissolution d'un filament métallique dans un électrolyte solide sont d'un grand intérêt pour la recherche en raison de leur architecture métallique isolante métallique simple, de leurs capacités basse tension et de leur compatibilité avec les substrats flexibles. Dans ce travail, au lieu d'un oxyde métallique conventionnel ou d'une couche de chalcogénure, un polymère biocompatible - l'oxyde de polyéthylène (PEO) - est utilisé comme couche d'électrolyte solide en utilisant l'eau comme solvant. Des dispositifs de mémoire, constitués d'empilements tri-couches Ag / PEO / Pt, ont été fabriqués à la fois sur du silicium et des substrats flexibles en utilisant un processus hétérogène combinant un dépôt physique en phase vapeur et un revêtement par rotation. Pour cela, une étude systématique de l'effet de la concentration de la solution et de la vitesse de dépôt sur l'épaisseur du PEO est présentée. Des mesures SEM / EDX et AFM ont ensuite été effectuées sur des structures planes dédiées à «nano-gap» et ont révélé la formation de précipités métalliques d'Ag ainsi que des changements morphologiques de la couche de polymère après commutation de résistance. Les performances des dispositifs de mémoire résistive sont ensuite évaluées sur silicium et substrats flexibles. En particulier, la programmation des statistiques de tension, le rapport de résistance OFF / ON, les cycles d'endurance et les tests de rétention sont effectués et l'effet de la conformité du courant est analysé. Le mécanisme de conduction dans le HRS / LRS est étudié sur les appareils de référence Ag / PEO / Pt et Pt / PEO / Pt. Enfin, la caractérisation électrique des dispositifs sur substrat souple est réalisée sous contrainte mécanique, donnant des résultats prometteurs. Les dispositifs CBRAM à base de polymères sont donc proposés comme candidats potentiels pour le développement durable de dispositifs de mémoire flexibles.

One of the main goals of spintronics is to achieve the spin transistor operation and for this purpose, one has to successfully implement a platform where spin currents can be easily injected, detected and manipulated at room temperature. In this sense, this thesis work shows that Germanium is a very good candidate thanks to its unique spin and optical properties as well as its compatibility with Silicon-based nanotechnology.Throughout the years, several spin injection and detection schemes were achieved in Ge but the electrical manipulation of the spin orientation is still a missing part. Recently we focused on two approaches in order to tune the spin-orbit interaction (SOI) in a Ge-based platform. Both rely on the structural inversion asymmetry and the spin-orbit coupling at surfaces and interfaces with germanium (111). First, we performed the epitaxial growth of the topological insulator (TI) Bi2Se3 on Ge (111). After characterizing the structural and electrical properties of the Bi2Se3/Ge heterostructure, we developed an original method to probe the spin-to-charge conversion at the interface between Bi2Se3and Ge by taking advantage of the Ge optical properties. The results showed that the hybridization between the Ge and TI surface states could pave the way for implementing an efficient spin manipulation architecture.The latter approach is to exploit the intrinsic SOI of Ge (111). By investigating the electrical properties of a thin Ge(111) film epitaxially grown on Si(111), we found a large unidirectional Rashba magnetoresistance, which we ascribe to the interplay between the externally applied magnetic field and the current-induced pseudo-magnetic field in the spin-splitted subsurface states of Ge (111). The unusual strength and tunability of this UMR effect open the door towards spin manipulation with electric fields in an all-semiconductor technology platform.In a last step, I integrated perpendicularly magnetized (Co/Pt) multilayers-based magnetic tunnel junctions on the Ge (111) platform. I developed an original electro-optical hybrid technique to detect electrically the magnetic circular dichroism in (Co/Pt) and perform magnetic imagingThese MTJs were then used to perform spin injection and detection in a lateral spin valve device. The perpendicular magnetic anisotropy (PMA) allowed to generate spin currents with the spin oriented perpendicular to the sample plane.Finally, I assembled all these building blocks that were studied during my PhD work to build a prototypical spin transistor. The spin accumulation was generated either optically or electrically, using optical spin orientation in germanium or the injection from the magnetic tunnel junction., L'un des principaux objectifs de la spintronique est de réaliser le transistor à spin et pour y parvenir, il faut mettre en œuvre avec succès une plateforme où les courants de spin peuvent être facilement injectés, détectés et manipulés à température ambiante. Dans cette optique, ce travail de thèse montre que le germanium est un très bon candidat grâce à ses propriétés optiques et de spin ainsi qu'à sa compatibilité avec les nanotechnologies à base de silicium.Au fil des années, plusieurs schémas d'injection et de détection de spin ont été réalisés dans Ge, mais la manipulation électrique de l'orientation du spin est toujours une pièce manquante. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur deux approches afin de manipuler l'interaction spin-orbite (SOI) dans le germanium. Les deux s'appuient sur l'absence de symétrie d'inversion structurale et le couplage spin-orbite aux surfaces et aux interfaces avec le germanium (111). Tout d'abord, nous avons effectué la croissance épitaxiale de l'isolant topologique Bi2Se3 sur Ge (111). Après avoir caractérisé les propriétés structurales et électriques de l'hétérostructure Bi2Se3/ Ge, nous avons développé une méthode originale pour sonder la conversion courant de spin-courant de charge à l'interface entre Bi2Se3 et Ge en tirant profit des propriétés optiques du Ge. Les résultats ont montré que l'hybridation entre les états de surface de Bi2Se3 et du Ge pourrait permettre la manipulation électrique de l'orientation du spin dans un transistor.La seconde approche consiste à exploiter le SOI intrinsèque de Ge (111). J'ai étudié les propriétés électriques d'un film mince de Ge (111) et découvert que le passage du courant dans des états de sous-surface où l'interaction Rashba est forte, induit un effet de magnétorésistance très particulier que nous avons appelé la magnétorésistance Rashba unidirectionnelle. Elle est due à l'interaction entre le champ magnétique appliqué extérieur et le pseudo champ magnétique induit par le courant appliquée dans les états polarisés en spin du Ge (111). La forte intensité et modularité de cet effet nous mène à penser que ces états pourraient être également mis à profit dans la réalisation d'un transistor à spin tout semi-conducteur.Parallèlement, j'ai intégré des jonctions tunnel magnétiques à anisotropie perpendiculaire à base de multicouches (Co/Pt) sur la plateforme de Ge (111). J'ai développé une technique hybride électro-optique originale basée sur une détection électrique du dichroïsme magnétique circulaire du (Co/Pt) pour faire de l’imagerie magnétique. Ces jonctions tunnel magnétiques ont ensuite été utilisées pour effectuer la génération et la détection de spin dans un dispositif de type vanne de spin latérale. L'anisotropie magnétique perpendiculaire permet de générer un courant de spin avec une orientation de spin perpendiculaire au plan de l'échantillon.Enfin, j'ai rassemblé tous ces éléments développés pendant ma thèse dans un dispositif ultime: un prototype de transistor à spin où une accumulation de spin peut être générée et détectée optiquement et/ou électriquement, en utilisant l'orientation optique de spin dans le germanium ou les jonctions tunnel magnétiques.

The context of my thesis deals with infrared (IR) multispectral imaging and in particular with plasmonics, a field of electromagnetic optics whose the aim is to study and exploit surface waves existing at the interface between a metal and a dielectric. We seek to miniaturize optical functions thanks to nanotechnologies and more precisely to perform IR spectral filtering at the detection pixel level by integrating a nano-resonator. Usually we use dielectrics and metals, but the integration is complex. I am exploring the potential offered by heavily doped semiconductors to replace metals, which could allow better integration into technological processes for fabricate a photodetector or emitter. I use III-V semiconductors, compatible with the epitaxial growth of type 2 superlattice (T2SL) of long wave infrared photodetectors (LWIR). Furthermore, working with a heavily doped semiconductor offers the possibility of modifying the resonance frequency by adjusting the density of free carriers by the action of a potential difference.I study architectures of "GMR" components (Guided-Mode Resonance), usually formed by a waveguide in dielectric, where occurs the resonance, and a grating in dielectric or metal allowing the coupling between the incident or transmitted wave and the guided mode thanks to the ±1 orders diffracted by the grating in the thin layer. The current trend is to integrate these components directly at the level of the detection pixel but at the cost of numerous fabrication steps. I am studying the possibility of using exclusively semiconductors to simplify the fabrication process and allow monolithic integration of the filter into the detector. The waveguide consists of an intrinsic semiconductor and the grating of heavily doped semiconductor. The spectral range of interest is in the far infrared (8 μm - 14 μm).First, theoretical and experimental demonstrations of an all-semiconductor nano-structured spectral filter for infrared based on guided-mode resonance were carried out. I dimensioned and then fabricated a sample where the first step consists in depositing by epitaxy a layer of GaSb and a layer of highly doped InAsSb on a GaAs substrate before a photolithography step to define the mask of the etching reactive ionic etching in order to obtain the diffraction grating. An experimental work then made it possible to characterize the component (measurement under normal incidence, angular study, measurement at low temperature) with in particular the realization of an angular characterization setup.In parallel, I studied an appropriate stack of doped materials allowing, by applying an electrical voltage, to move the free electrons from doping in the grating and the guide, which then locally modifies the refractive index and therefore directly the conditions for guiding the light by phase variation. Different approaches have been presented in an attempt to adjust the resonance wavelength of the GMR spectral filter : accumulation and depletion of charges in the diffraction grating, insertion of a PN junction in the waveguide, ...Finally, a first brick for the integration of a T2SL in an optical nano-resonator to make an all-semiconductor nano-structured photodetector was studied. I proposed the theoretical design of several nano-resonators integrating a T2SL type photodetector (InAs/GaSb). I designed three architectures with distinct spectral properties, which differ in particular in the thickness of the T2SL layer; Le contexte de ma thèse se situe dans le cadre de l’imagerie multispectrale infrarouge (IR) et traite notamment de la plasmonique, domaine de l’optique électromagnétique dont le but est d’étudier et d’exploiter des ondes de surface existant à l’interface entre un métal et un diélectrique. On cherche à miniaturiser des fonctions optiques grâce aux nanotechnologies et plus précisément à réaliser du filtrage spectral IR au niveau du pixel de détection en intégrant un nano-résonateur. Usuellement, on utilise des diélectriques et des métaux mais l’intégration est complexe. J’explore le potentiel offert par les semi-conducteurs fortement dopés pour remplacer les métaux, ce qui pourrait permettre une meilleure intégration aux procédés technologiques de fabrication de photodétecteur ou d’émetteur. J’utilise des semi-conducteurs III-V, compatibles avec la croissance épitaxiale du super-réseau de type 2 (T2SL) des photodétecteurs infrarouge à ondes longues (LWIR). De plus, travailler avec un semi-conducteur fortement dopé offre la possibilité de modifier la fréquence de résonance en ajustant la densité de porteurs libres par action d’une différence de potentiel.J’étudie des architectures de composants "GMR" (Guided-mode resonance), usuellement formées d’un guide d’onde en diélectrique, siège de la résonance, et d’un réseau en diélectrique ou en métal permettant le couplage entre l’onde incidente ou transmise et le mode guidé grâce aux ordres ±1 diffractés par le réseau dans la couche mince. La tendance actuelle est d’intégrer ces composants directement au niveau du pixel de détection mais au prix de nombreuses étapes de fabrication. J’étudie la possibilité d’utiliser exclusivement des semi-conducteurs pour simplifier le procédé de fabrication et permettre une intégration monolithique du filtre au détecteur. Le guide d’onde est constitué d’un semi-conducteur intrinsèque et le réseau en semi-conducteur fortement dopé. La gamme spectrale d’intérêt se situe dans l’infrarouge lointain (8 µm - 14 µm).Dans un premier temps, les démonstrations théorique et expérimentale d’un filtre spectral nanostructuré tout semi-conducteur pour l’infrarouge fondé sur la résonance de mode guidé ont été effectuées. J’ai dimensionné puis fabriqué un échantillon dont la première étape consiste en le dépôt par épitaxie d’une couche de GaSb et d’une couche de InAsSb fortement dopé sur un substrat en GaAs avant une étape de photolithographie pour définir le masque de la gravure ionique réactive afin d’obtenir le réseau de diffraction. Un travail expérimental a ensuite permis de caractériser le composant (mesure sous incidence normale, étude angulaire, mesure à basse température) avec notamment la réalisation d’un banc de caractérisation angulaire.En parallèle, j’ai étudié un empilement approprié de matériaux dopés permettant, par application d’une tension électrique, de déplacer les électrons libres issus du dopage dans le réseau et le guide, ce qui modifie alors localement l’indice de réfraction et donc directement les conditions de guidage de la lumière par variation de phase. Différentes approches ont été présentées pour tenter d’ajuster la longueur d’onde de résonance du filtre spectral GMR : accumulation et déplétion des charges dans le réseau de diffraction, insertion d’une jonction P-N dans le guide d’onde, ...Enfin, une première brique pour l’intégration d’un T2SL dans un nano-résonateur optique pour réaliser un photodétecteur nanostructuré tout semi-conducteur a été étudiée. J’ai proposé la conception théorique de plusieurs nano-résonateurs intégrant un photodétecteur de type T2SL (filière InAs/GaSb). J’ai conçu trois architectures aux propriétés spectrales distinctes et qui diffèrent notamment par l’épaisseur de la couche de T2SL.

The context of my thesis deals with infrared (IR) multispectral imaging and in particular with plasmonics, a field of electromagnetic optics whose the aim is to study and exploit surface waves existing at the interface between a metal and a dielectric. We seek to miniaturize optical functions thanks to nanotechnologies and more precisely to perform IR spectral filtering at the detection pixel level by integrating a nano-resonator. Usually we use dielectrics and metals, but the integration is complex. I am exploring the potential offered by heavily doped semiconductors to replace metals, which could allow better integration into technological processes for fabricate a photodetector or emitter. I use III-V semiconductors, compatible with the epitaxial growth of type 2 superlattice (T2SL) of long wave infrared photodetectors (LWIR). Furthermore, working with a heavily doped semiconductor offers the possibility of modifying the resonance frequency by adjusting the density of free carriers by the action of a potential difference.I study architectures of "GMR" components (Guided-Mode Resonance), usually formed by a waveguide in dielectric, where occurs the resonance, and a grating in dielectric or metal allowing the coupling between the incident or transmitted wave and the guided mode thanks to the ±1 orders diffracted by the grating in the thin layer. The current trend is to integrate these components directly at the level of the detection pixel but at the cost of numerous fabrication steps. I am studying the possibility of using exclusively semiconductors to simplify the fabrication process and allow monolithic integration of the filter into the detector. The waveguide consists of an intrinsic semiconductor and the grating of heavily doped semiconductor. The spectral range of interest is in the far infrared (8 μm - 14 μm).First, theoretical and experimental demonstrations of an all-semiconductor nano-structured spectral filter for infrared based on guided-mode resonance were carried out. I dimensioned and then fabricated a sample where the first step consists in depositing by epitaxy a layer of GaSb and a layer of highly doped InAsSb on a GaAs substrate before a photolithography step to define the mask of the etching reactive ionic etching in order to obtain the diffraction grating. An experimental work then made it possible to characterize the component (measurement under normal incidence, angular study, measurement at low temperature) with in particular the realization of an angular characterization setup.In parallel, I studied an appropriate stack of doped materials allowing, by applying an electrical voltage, to move the free electrons from doping in the grating and the guide, which then locally modifies the refractive index and therefore directly the conditions for guiding the light by phase variation. Different approaches have been presented in an attempt to adjust the resonance wavelength of the GMR spectral filter : accumulation and depletion of charges in the diffraction grating, insertion of a PN junction in the waveguide, ...Finally, a first brick for the integration of a T2SL in an optical nano-resonator to make an all-semiconductor nano-structured photodetector was studied. I proposed the theoretical design of several nano-resonators integrating a T2SL type photodetector (InAs/GaSb). I designed three architectures with distinct spectral properties, which differ in particular in the thickness of the T2SL layer; Le contexte de ma thèse se situe dans le cadre de l’imagerie multispectrale infrarouge (IR) et traite notamment de la plasmonique, domaine de l’optique électromagnétique dont le but est d’étudier et d’exploiter des ondes de surface existant à l’interface entre un métal et un diélectrique. On cherche à miniaturiser des fonctions optiques grâce aux nanotechnologies et plus précisément à réaliser du filtrage spectral IR au niveau du pixel de détection en intégrant un nano-résonateur. Usuellement, on utilise des diélectriques et des métaux mais l’intégration est complexe. J’explore le potentiel offert par les semi-conducteurs fortement dopés pour remplacer les métaux, ce qui pourrait permettre une meilleure intégration aux procédés technologiques de fabrication de photodétecteur ou d’émetteur. J’utilise des semi-conducteurs III-V, compatibles avec la croissance épitaxiale du super-réseau de type 2 (T2SL) des photodétecteurs infrarouge à ondes longues (LWIR). De plus, travailler avec un semi-conducteur fortement dopé offre la possibilité de modifier la fréquence de résonance en ajustant la densité de porteurs libres par action d’une différence de potentiel.J’étudie des architectures de composants "GMR" (Guided-mode resonance), usuellement formées d’un guide d’onde en diélectrique, siège de la résonance, et d’un réseau en diélectrique ou en métal permettant le couplage entre l’onde incidente ou transmise et le mode guidé grâce aux ordres ±1 diffractés par le réseau dans la couche mince. La tendance actuelle est d’intégrer ces composants directement au niveau du pixel de détection mais au prix de nombreuses étapes de fabrication. J’étudie la possibilité d’utiliser exclusivement des semi-conducteurs pour simplifier le procédé de fabrication et permettre une intégration monolithique du filtre au détecteur. Le guide d’onde est constitué d’un semi-conducteur intrinsèque et le réseau en semi-conducteur fortement dopé. La gamme spectrale d’intérêt se situe dans l’infrarouge lointain (8 µm - 14 µm).Dans un premier temps, les démonstrations théorique et expérimentale d’un filtre spectral nanostructuré tout semi-conducteur pour l’infrarouge fondé sur la résonance de mode guidé ont été effectuées. J’ai dimensionné puis fabriqué un échantillon dont la première étape consiste en le dépôt par épitaxie d’une couche de GaSb et d’une couche de InAsSb fortement dopé sur un substrat en GaAs avant une étape de photolithographie pour définir le masque de la gravure ionique réactive afin d’obtenir le réseau de diffraction. Un travail expérimental a ensuite permis de caractériser le composant (mesure sous incidence normale, étude angulaire, mesure à basse température) avec notamment la réalisation d’un banc de caractérisation angulaire.En parallèle, j’ai étudié un empilement approprié de matériaux dopés permettant, par application d’une tension électrique, de déplacer les électrons libres issus du dopage dans le réseau et le guide, ce qui modifie alors localement l’indice de réfraction et donc directement les conditions de guidage de la lumière par variation de phase. Différentes approches ont été présentées pour tenter d’ajuster la longueur d’onde de résonance du filtre spectral GMR : accumulation et déplétion des charges dans le réseau de diffraction, insertion d’une jonction P-N dans le guide d’onde, ...Enfin, une première brique pour l’intégration d’un T2SL dans un nano-résonateur optique pour réaliser un photodétecteur nanostructuré tout semi-conducteur a été étudiée. J’ai proposé la conception théorique de plusieurs nano-résonateurs intégrant un photodétecteur de type T2SL (filière InAs/GaSb). J’ai conçu trois architectures aux propriétés spectrales distinctes et qui diffèrent notamment par l’épaisseur de la couche de T2SL.

The spectacular progress in controlling the electronic properties of graphene has triggered research in alternative atomically thin two-dimensional (2D) crystals. Nowadays, 2D materials properties cover almost every phenomenon in condensed matter physics such as magnetism, superconductivity, optoelectronics, spintronics, topological insulation and many more.2D semiconductors based on Transition Metal Dichalcogenides (TMD), such as MoS2, are very promising nanostructures for optical and electronic applications. 2H-phase TMD materials have a layer thickness dependent band structure: indirect bandgap for a number of layers ≥ 2, while the monolayer form has a direct bandgap located at the K points of the 2D hexagonal Brillouin zone. The optical properties of TMD thin layers are governed by Coulomb bound electron-hole pair, i.e. exciton, with giant binding of a few hundreds of meV. In monolayers (ML), the interplay between the absence of inversion symmetry and the spin-obit interaction yields very unique optical selection rules : valley selective circular dichroism arises as a consequence of the coupling between spin and valley physics.In this thesis, we use an all-dry viscoelastic stamping method to fabricate high-qualityvan der Waals heterostuctures based on TMD materials.Thanks to the use of hexagonal boron nitride (hBN, large indirect gap semiconductor) as encapsulation layers, we show that the exciton linewidth of TMD monolayer is narrowed, approaching the homogeneous limit (1-4 meV). This improvement of optical properties allows us to explore the long-disputing exciton fine structure in Molybdenum-based TMD monolayers. We performed magneto-photoluminescence experiments up to 30 T to brighten the dark exciton states. The bright excitons are measured 1.4 meV below the dark ones in MoSe2 ML, whereas the ordering is opposite for MoS2 ML with bright states 14 meV above the dark states. Thanks to the reduction of dielectric disorder in encapsulated MoSe2 monolayers, we also demonstrate the control of exciton radiative lifetime and linewidth as a result of the Purcell effect by simply tuning the bottom hBN thickness. Finally we use various optical spectroscopy techniques to reveal the exciton excited states in MoTe2 MLs for the first time. Exciton upconversion is observed in all TMD monolayers that we have investigated : MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2. It is interpreted as a consequence of very efficient resonant interband Auger processes. These detailed studies help us better understand the physics of 2D TMD semiconductors and pave the way for future photonic and optoelectronic applications.; Les progrès spectaculaires réalisés sur le contrôle des propriétés électroniques du graphène ont stimulé la recherche de nouveaux cristaux bidimensionnels (2D). De nos jours, les propriétés des matériaux 2D couvrent presque tous les phénomènes de la physique de la matière condensée tels que le magnétisme, la supraconductivité, l'optoélectronique, la spintronique, l'isolation topologique et bien d'autres.Les semiconducteurs 2D basés sur les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), tels que MoS2, sont des nanostructures très prometteuses pour les applications optiques et électroniques. Les matériaux TMD en phase 2H ont une structure de bande dépendante de l'épaisseur : semiconducteur à bande interdite indirecte pour un nombre de couches ≥ 2, tandis que la forme monocouche a une bande interdite directe située aux points K de la zone Brillouin hexagonale 2D. Les propriétés optiques de ces couches ultra-minces à base de TMD sont régies par des excitons, paires électron-trou en interaction coulombienne, avec des énergies de liaison géante pouvant atteindre quelques centaines de meV. Dans les monocouches (ML), l'effet combiné de l'absence de symétrie d'inversion et de l'interaction spin-orbite donne des règles de sélection optique uniques: un dichroïsme circulaire sélectif en vallée résulte du couplage entre la physique du spin et la physique de vallée.Dans cette thèse, nous utilisons des méthodes d’exfoliation/transfert déterministe pour fabriquer des hétérostuctures de van der Waals de grande qualité à base de matériaux TMD. Grâce à l'utilisation de nitrure de Bore hexagonal (hBN, semi-conducteur à grande bande interdite) comme couches d'encapsulation, nous montrons que la largeur de raie excitonique de la monocouche TMD est rétrécie, s'approchant de la limite homogène (1-4 meV). Cette amélioration des propriétés optiques nous permet d'explorer la structure fine fortement débattue des excitons dans les monocouches TMD à base de molybdène. Nous avons effectué des expériences de magnéto-photoluminescence jusqu'à 30 T pour mettre en évidence les excitons noirs. Les excitons brillants sont mesurés 1,4 meV en dessous des états noirs dans MoSe2, tandis que l'ordre est opposé pour les monocouches de MoS2 avec des états brillants 14 meV au dessus des états sombres. Grâce à la réduction du désordre diélectrique dans les monocouches MoSe2 encapsulées, nous démontrons également le contrôle du temps de vie radiatif de l’exciton et de sa largeur de raie par effet Purcell, en réglant simplement l'épaisseur de la couche hBN inférieure. Enfin, nous avons mis en œuvre plusieurs techniques de spectroscopie optique pour révéler les états excitoniques excités pour la première fois dans les monocouches MoTe2. La conversion d'exciton (« up-conversion ») est observée dans toutes les monocouches TMD que nous avons étudiées: MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2. Elle est interprétée comme la conséquence de processus Auger inter-bandes résonants très efficaces. Ces études détaillées nous aident à mieux comprendre la physique des semi-conducteurs 2D à base de TMD et ouvrent la voie à de futures applications photoniques et optoélectroniques.

In this study, I focused on semiconductor barium disilicide BaSi2. Since BaSi2 is constituted of less toxic and earth-abundant elements, this environmental-friendly material takes advantage in terms of elemental strategies compared to other materials. Our previous researches found its potentials for solar cell applications. For instance, BaSi2 shows a large absorption coefficient because of its characteristic band structure.So far, we have successfully demonstrated Si-based hetero- and homo-junction solar cells. In order to design further better devices, I investigated intrinsic defects in undoped-BaSi2 in this study. For, the defects promote for photogenerated carriers to recombine each other during travel to electrodes. As a result, photogenerated currents decrease. Therefore, defect control is indispensable to realize the devices with high conversion efficiency. My previous researches found such films grown by molecular beam epitaxy method contained the defects while their origins are unknown yet. EPR enables me to access microscopic information such as identification of paramagnetic defects, determination of local structures, etc.First, I performed electron paramagnetic resonance (EPR) measurements on a-axis orientated BaSi2 epitaxial films. Assessing the observed g value carefully, I succeeded in the detection of EPR active defects for the first time in this material. In addition, it was confirmed that the EPR line observed from the film (anisotropic g value: 2.003-2.010) decreased by the introduction of atomic hydrogens (H). In our previous study, the BaSi2 film contained atomic H showed significant improvements in photoresponsivity, indicating that this defect can affect optical properties.Second, I revealed some different types of defects were formed depending on composition ratios through the EPR measurements of powder and single crystal of BaSi2. To accomplish this identification, I adopted a variety of EPR techniques from the multi-frequency cw-EPR to the advanced pulse-EPR. In Si-rich samples, I observed at least two different defects with averaged g values (gav) > 2. Each defect exhibited different behavior on temperature dependence and relaxation time. On the other hand, in Ba-rich samples, other EPR lines (gav < 2) appeared. One of the defects had a narrow linewidth and hyperfine structures which may stem from 29Si (I = 1/2), 135Ba (I = 3/2), or 137Ba (I = 3/2). I performed further identification by adopting hyperfine spectroscopy such as ELDOR-detected NMR (ED-NMR). ED-NMR is a technique that has been attracted attention in recent years as a new technique for measuring hyperfine coupling constants. The hyperfine coupling constant of |A| ~ 70 and 80 MHz was successfully observed in ED-NMR spectra of Si-rich and Ba-rich, respectively. These values seemed to correspond to those observed in single crystals. The density functional theory (DFT) calculation was also carried out to get a picture of possible defect models. Through simulations of the EPR spectra using the obtained parameters, I suppose that at least and VSi were formed as a paramagnetic defect in the Ba-rich sample.At last, I also conducted photoluminescence (PL) measurements, which is very powerful for determining defect levels. Four PL peaks were observed at the almost same photon energy in each of the thin film samples and the polycrystalline sample. These results suggest that similar defects are formed in the thin film and the polycrystalline sample. Also, I compared with the results measured by other methods (the deep level transient spectroscopy and temperature dependence of electronic resistivity), resulting in a suggestion for a radiative defect model in BaSi2.In summary, I revealed the details of some of the defects in BaSi2. Combining the EPR result with that of PL, I concluded that the definitive defect affected its photoresponsivity originated from VSi with 0.8 or 0.9 eV of the PL peak in the BaSi2 epitaxial films.; Cette étude porte sur le siliciure de barium. Puisque ce composé est constitué d’éléments peu toxiques et abondants, il peut être utilisé comme alternative écologique pour remplacer d’autres matériaux. Des études préliminaires ont montré son potentiel pour la fabrication de cellules photovoltaïques. Par exemple, le siliciure de barium possède un fort coefficient d’absorption à cause de sa structure de bande originale.Jusqu’à présent, nous avons développé des cellules photovoltaïques à homo et hétéro jonctions. Afin de mettre au point des meilleurs systèmes, j’ai étudié les défauts intrinsèques dans le siliciure de barium non dopé. En effet, les défauts provoquent la recombinaison des porteurs photogénérés et abaissent en conséquence le rendement. Le contrôle de ces défauts est donc indispensable pour réaliser des cellules avec une grande efficacité de conversion. Bien que détectés lors d’études précédentes, leur nature est encore inconnue pour le moment. La RPE permet d’obtenir des informations sur la structure locale de ces défauts paramagnétiques.En premier lieu, j’ai réalisé des mesures de RPE sur des couches minces de BaSi2 épitaxiées et orientées selon l’axe a. Après étude des valeurs de g, j’ai pu pour la première fois confirmer la détection par RPE de défauts paramagnétiques dans ce matériau. De plus, j’ai pu observer que le signal RPE (valeur de g 2,003- 2,010) décroissait lors du traitement par de l’hydrogène atomique (H). C’est d’autant plus intéressant que, dans des études préliminaires, un film traité par l’hydrogène a montré des améliorations significatives de la photoréponse, ce qui indique que ce défaut peut affecter les propriétés optiques.J’ai ensuite pu montrer par RPE d’échantillons en poudre ou en monocristaux que différent défauts étaient présents dans le siliciure de barium en fonction de la stœchiométrie. Différentes techniques ont été utilisées allant de la RPE multifréquence en continue jusqu’à l’utilisation de séquences de RPE impulsionnelle. Dans les échantillons riches en silicium, au moins deux défauts ont été détectés (valeur de g moyenne > 2) avec des comportements différents en fonction de la température et des temps de relaxation. Dans les matériaux riches en barium, des défauts avec des valeurs de g moyenne < 2 ont été observés. Un possède une largeur de raie faible et une structure hyperfine qui peut provenir du couplage avec le 29Si (I = 1/2), le 135Ba (I = 3/2), ou le 137Ba (I = 3/2). Des informations supplémentaires ont été obtenues par ELDOR detected NMR (ED-NMR). Il s’agit d’une spectroscopie développée récemment pour détecter efficacement des couplages hyperfins. Des couplages hyperfins de 70 à 80 MHz ont pu être ainsi observés. Ils semblent compatibles avec les données obtenues à partir de monocristaux. Des calculs de théorie de la fonctionnelle densité (DFT) ont aussi été réalisés pour pouvoir identifier les différents défauts observés. Après simulation et comparaison avec l’expérience, au moins un défaut (lacune de silicium) a été identifié dans les systèmes riches en barium.Enfin, j’ai aussi réalisé des expériences de photoluminescence(PL) qui sont très efficaces pour obtenir les niveaux d’énergie des défauts. Quatre pics ont été observés approximativement à la même énergie à la fois dans les films minces et dans les échantillons polycristallins. Ces résultats suggèrent que des défauts similaires existent dans les deux systèmes. En outre, ces données peuvent être utilisées avec celles tirées d’autres méthodes pour proposer un modèle des défauts radiatifs dans le siliciure de barium. En combinant ces résultats avec ceux obtenus en RPE, j’ai pu obtenir la preuve que la vacance de Si (pic à 0.8-0.9 eV en PL) affectait la photoréponse de film minces de siliciure de barium.

The advent of flexible electronics has brought about rapid research towards sensors, bio implantable and wearable devices for assessment of diseases such as epilepsy, Parkinson’s and heart attacks. Memory devices are major component in any electronic circuits, only secondary to transistors, therefore many research efforts are devoted to the development of flexible memory devices. Conductive Bridge Random Access Memories (CBRAMs) based on creation/dissolution of a metallic filament within a solid electrolyte are of great research interest because of their simple Metal Insulator Metal architecture, low-voltage capabilities, and compatibility with flexible substrates. In this work, instead of a conventional metallic oxide or a chalcogenide layer, a biocompatible polymer - Polyethylene Oxide (PEO) – is employed as the solid electrolyte layer using water as solvent. Memory devices, consisting in Ag/PEO/Pt tri-layer stacks, were fabricated on both silicon and flexible substrates using a heterogeneous process combining physical vapour deposition and spin coating. To aim this, a systematic study on the effect of solution concentration and deposition speed on the PEO thickness is presented. SEM/EDX and AFM measurements were then conducted on devoted “nano-gap” planar structures and have revealed the formation of metallic Ag precipitates together with morphological changes of the polymer layer after resistance switching. The performance of the resistive memory devices is then assessed on silicon and flexible substrates. In particular programming voltage statistics, OFF/ON resistance ratio, endurance cycles and retention tests are performed and the effect of current compliance is analysed. The conduction mechanism in the HRS/LRS is studied on the Ag/PEO/Pt and Pt/PEO/Pt reference devices. Finally, the electrical characterization of devices on flexible substrate is performed under mechanical stress, showing promising results. Polymer-based CBRAM devices are therefore suggested as potential candidates for sustainable development of flexible memory devices., L’avènement de l’électronique flexible a entraîné des recherches rapides sur des capteurs, des dispositifs bio-implantables et portables pour l’évaluation de maladies telles que l’épilepsie, la maladie de Parkinson et les crises cardiaques. Les dispositifs de mémoire sont des composants majeurs dans tous les circuits électroniques, uniquement secondaires aux transistors, par conséquent de nombreux efforts de recherche sont consacrés au développement de dispositifs de mémoire flexibles. Les mémoires à accès aléatoire à pont conducteur (CBRAM) basées sur la création / dissolution d'un filament métallique dans un électrolyte solide sont d'un grand intérêt pour la recherche en raison de leur architecture métallique isolante métallique simple, de leurs capacités basse tension et de leur compatibilité avec les substrats flexibles. Dans ce travail, au lieu d'un oxyde métallique conventionnel ou d'une couche de chalcogénure, un polymère biocompatible - l'oxyde de polyéthylène (PEO) - est utilisé comme couche d'électrolyte solide en utilisant l'eau comme solvant. Des dispositifs de mémoire, constitués d'empilements tri-couches Ag / PEO / Pt, ont été fabriqués à la fois sur du silicium et des substrats flexibles en utilisant un processus hétérogène combinant un dépôt physique en phase vapeur et un revêtement par rotation. Pour cela, une étude systématique de l'effet de la concentration de la solution et de la vitesse de dépôt sur l'épaisseur du PEO est présentée. Des mesures SEM / EDX et AFM ont ensuite été effectuées sur des structures planes dédiées à «nano-gap» et ont révélé la formation de précipités métalliques d'Ag ainsi que des changements morphologiques de la couche de polymère après commutation de résistance. Les performances des dispositifs de mémoire résistive sont ensuite évaluées sur silicium et substrats flexibles. En particulier, la programmation des statistiques de tension, le rapport de résistance OFF / ON, les cycles d'endurance et les tests de rétention sont effectués et l'effet de la conformité du courant est analysé. Le mécanisme de conduction dans le HRS / LRS est étudié sur les appareils de référence Ag / PEO / Pt et Pt / PEO / Pt. Enfin, la caractérisation électrique des dispositifs sur substrat souple est réalisée sous contrainte mécanique, donnant des résultats prometteurs. Les dispositifs CBRAM à base de polymères sont donc proposés comme candidats potentiels pour le développement durable de dispositifs de mémoire flexibles.

International audience; We present a theoretical and experimental study of a nanostructured guided-mode resonant (GMR) spectral filter operating in the long-wave infrared (LWIR) wavelength range. The component is made of III-V semiconductors: heavily n-doped InAsSb for the grating and GaSb for the waveguide of the GMR resonator. Angular and temperature dependencies are also presented with the relative experimental setups.; Nous présentons l'étude théorique et expérimentale d'un filtre GMR nanostructuré, constitué d'un réseau en InAsSb fortement dopé et d'un guide d'onde en GaSb.

Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) are a family of layered materials with potential applications in optics and electronics. Following the discovery of graphene, TMDs were characterized and extraordinary physical properties were discovered: when thinned down to a monolayer, TMDs become direct band gap materials, therefore strongly facilitating light emission. The direct bandgap of these semiconductors is situated on the edge of the Brillouin zone, at the K-point. This is different from standard semiconductors for optoelectronics like GaAs where the bandgap is in the centre of the Brillouin zone. The optical properties are dominated by excitons, and light-matter interaction is extremely strong with up to 20% of light absorption per monolayer. In addition to a bandgap, TMDs present strong spin-orbit coupling and broken inversion symmetry. As a result, the optical transitions across the bandgap have chiral selection rules. The spin states in the valence and conduction bands are well separated in energy by the spin-orbit interaction. This makes it possible to optically address specific spin and valley states in momentum space and monitor their dynamics. As a result monolayer TMDs are exciting model systems for spin and valley physics: these research fields are termed spintronics and valleytronics. This motivated our work on the exact understanding of the optical transitions, their polarization selections rules and the different exciton states.; : Les dichalcogénures de métaux de transition (TMDs) constituent une famille de matériaux lamellaires riches de potentialités en optique et en électronique. La caractérisation des TMDs a permis la découverte de leurs propriétés physiques exceptionnelles : amincis à l’état de mono-feuillets, les TMDs semi-conducteurs deviennent des matériaux à bande interdite directe, donc très efficaces pour l’absorption ou l’émission de lumière. Le gap direct de ces semi-conducteurs est situé aux points K, à la frontière de la zone de Brillouin. Les propriétés optiques sont dominées par les excitons paires électron-trou liées par l’attraction de Coulomb et l’interaction lumière-matière y est extrêmement forte, l’absorption d’un faisceau lumineux pouvant atteindre 20% par monocouche. Outre l’existence du gap, les TMDs se différencient du graphène par leur fort couplage spin-orbite, ainsi que par la rupture de la symétrie d’inversion. En conséquence, les règles de sélection pour les transitions optiques à travers le gap ont un caractère chiral. Les états de spin opposés dans les bandes de valence et de conduction sont significativement clivés en énergie du fait de l’interaction spin-orbite. Cette propriété permet d’exciter optiquement des états de spin et de vallée spécifiques dans l’espace réciproque et de suivre leur comportement dynamique. Ainsi, les TMDs mono-feuillets constituent-ils des systèmes modèles très attractifs pour l’étude de la physique des états de spin et de vallée.

International audience; We present a theoretical and experimental study of guided-mode resonant (GMR) spectral filters made of III-V semiconductors and operating in the long-wave infrared (LWIR) wavelength range. In the scope of the colorization of infrared photodetectors, we used materials fully compatible with the epitaxial growth of Type 2 super lattice LWIR photodetectors: heavily n-doped InAsSb for the grating and GaSb for the waveguide of the GMR resonator.; Nous présentons une étude théorique et expérimentale de filtres spectraux à base de résonance de mode guidé (GMR - guided mode resonance), réalisés en semiconducteurs III-V et fonctionnant dans l'infrarouge lointain. Nous utilisons de l'InAsSb fortement dopé n pour le réseau et du GaSb pour le guide d'onde du résonateur GMR. Nous présentons une démonstration expérimentale de ce filtre spectral GMR en semiconducteurs III-V compatibles d'une croissance epitaxiale de photodétecteurs à super-réseaux de type 2 pour l'infrarouge lointain. Nous présentons une simplification drastique du procédé de fabrication et du principe de colorisation de photodétecteurs IR, c'est-à-dire la sélection d'une gamme spectrale dans l'infrarouge lointain.

International audience; We present theoretical and experimental study of nanostructured guided-mode resonant filter, made of a highly doped InAsSb grating and a GaSb waveguide.

This thesis focuse on the realisation and the caracterisation of infrared emitters. They are based on the use of III-V, heavly doped, semiconductor layer. When the thickness of the semiconductor layer is less than the wavelenght of the plasmon inside the material, the plasmon is confined and strongly couple with the radiation. The absorption spectrums show a single resonance in the mid-infrared for our structure. The spontaneous emission rate of the plasmon is proportional to the electronic density of the semiconductor layer. The Spontaneous emission is therefore a cooperative phenomena : the confined plasmon is superradiant. In this thesis I use the equality between emissivity and absorptivity (kirchohoff law of emissivity), together with the strong coupling of the plasmon with the radiation, in order to realized thermal emitters in the mid-infrared. This emitters are narrow and directive. In the devices that I realized, the plasmon is thermally excited thanks to the injection of a current in the plane of the highly doped layer. The study and the imporvement of the emission properties of this device are the heart of this work. The main result that I obtain is the realisation of a thermal emitter that can be modulated up tu 50 MHz, which is two order of magnitude higher than the state of the art.; Cette thèse porte sur la réalisation et la caractérisation d’émetteurs infrarouges, basés sur l’utilisation de couches semi-conductrices III-V fortement dopées. Quand l’épaisseur des couches est inférieure à la longueur d’onde du plasmon dans le matériau, le plasmon est confiné et se couple très fortement au rayonnement. Son spectre d’absorption présente une unique résonance se trouvant dans l’infrarouge moyen pour nos structures. Le taux d’émission spontanée du plasmon est proportionnel à la densité électronique de la couche semi-conductrice fortement dopée. L’émission spontanée est donc un phénomène coopératif : en d’autres termes, le plasmon confiné est superradiant. Dans cette thèse j’ai exploité l’égalité qui existe entre l’émissivité et l’absorptivité d’une structure (loi de Kirchhoff de l’émissivité), ainsi que le fort couplage des plasmons au rayonnement, pour réaliser des émetteurs thermiques dans l’infrarouge moyen, à spectre étroit et directifs. Dans les dispositifs que j’ai réalisés le plasmon est excité thermiquement en injectant un courant dans le plan des couches semiconductrices. L’étude et l’amélioration de leurs propriétés d’émission sont au cœur de mon travail de thèse. Le résultat principal que j’ai obtenu est la réalisation d’émetteurs thermiques modulables en fréquence jusqu’à 50 MHz, soit deux ordres de grandeur au-dessus de l’état de l’art.

The purpose of this work is to pursue the miniaturization of MOS transistors since the emergence of harmful effects (short channel effects) over the electrical response of devices has motivated the research about non planar architecture as well as some innovative materials. This PhD introduces a 3D architecture based on III-V vertical nanowires for the making of MOS transistors which overcomes several materials and architectural challenges. To begin, the realization of vertical nanowire on Si substrates is presented using two kinds of techniques. Firstly, the top-down approach using ebeam lithography and plasma etching is a reproducible way to obtain vertical GaAs nanowires with diameter down to 30 nm. Secondly, InAs vertical nanowires were obtained using a bottom-up approach. Surface structuration prior to the molecular beam epitaxy allows to localize precisely the nanowires over the surface which is necessary for device processing. Two detailed studies were conducted to address technological challenges linked to III-V channels. The first one focus on the quality of the gate oxide/semiconductor interface. It has naturally a high density of states leading to Fermi level pinning. Unpinning has been achieved by surface preparation and atomic layer deposition of Al2O3. Structural and electronical characterizations showed an abrupt interface with reduction of density of states close to the state of the art values (10 12 eV-1.cm-2). The second study aims to develop CMOS compatible low resistivity source-drain contacts. Those were achieved by the use of ternary alloy formed by thermal diffusion of a metal. Crystallographic study and electrical characterizations revealed that nickel-based alloy was suited to create optimal low resistive contacts on GaAs and InAs. Finally, the integration of those solutions was demonstrated on vertical nanowires. Lastly, a fabrication process with respect to industrial practices has been designed. Vertical nanowires followed by the deposition of dielectric gate and formation of alloyed contacts has been successfully integrated. A novel technique was developed to planarize a spacer in order to position the gate level at middle height. To conclude the process, a way to etch the metal gate and to contact the transistor remains to be demonstrated., Ce sujet de thèse s'inscrit dans la course à la miniaturisation des technologies CMOS, où l'apparition d'effets néfastes (canaux courts) sur le comportement électrique des dispositifs a poussé l'exploration, ces dernières années, d'architectures non planaires de transistors ainsi que d'autres innovations au niveau matériau. Cette thèse propose une architecture 3D à base de nanofils verticaux III-V pour la réalisation de transistors MOS, présentant ainsi des challenges tant architecturaux qu'au niveau du matériau de canal. La thèse débute par la réalisation de nanofils verticaux sur plateforme Si suivant deux approches différentes. Une première voie descendante a permis, en combinant lithographie électronique et gravure plasma, d'obtenir de manière reproductible des nanofils verticaux de GaAs dont les diamètres atteignent 30 nm. Des nanofils verticaux d'InAs ont également été obtenus par voie ascendante. Une structuration de surface a permis de faire croître ces nanofils par MBE de manière localisée, permettant de contrôler leur positionnement pour la réalisation d'un dispositif. Deux études détaillées ont été effectuées afin de traiter les verrous liés aux matériaux III-V. La première a pour sujet la qualité de l'interface oxyde de grille/semiconducteur. Celle-ci possède naturellement une forte densité d'état d'interface menant au verrouillage du niveau de Fermi. Pour diminuer cet effet, la combinaison d'une préparation de surface et du dépôt de l'Al2O3 par ALD a été mise en place. Les caractérisations structurelles et électriques démontrent une interface atomiquement abrupte associée à une densité de défauts du même ordre de grandeur que l'état de l'art (10 12 eV-1.cm-2). La seconde porte sur l'obtention de contacts Source-Drain faiblement résistifs compatibles avec les technologies CMOS. Ceux-ci ont été réalisés par la formation d'un alliage ternaire avec un métal par diffusion thermique. A l'aide de l'étude cristallographique et des caractérisations électriques, l'alliage ternaire à base de nickel a été retenu pour la réalisation de contacts optimaux. Enfin, l'implémentation de ces solutions sur les nanofils verticaux a été réalisée avec succès. Finalement, un procédé de fabrication respectant les approches technologiques industrielles a été mis en place. La réalisation des nanofils verticaux suivie par l'intégration de l'oxyde de grille et des contacts alliés démontré avec succès. Une technique de planarisation du matériau isolant permettant le positionnement vertical du niveau de grille a également été développée. Afin de terminer le procédé, une méthode de gravure de la grille ainsi que la prise des contacts aux 3 bornes du transistor restent à démontrer.

Hybrid heterojunctions composed of semiconductors and metallic nanostructures have perceived as a sustainable technology, due to their perfect effectiveness in improving, renovating, and enriching the properties of the integrated components. The cooperative coupling results in the variation of the system’s functional properties, by which the metal-generated surface plasmon resonance can enhance the charge separation, light absorption, as well as luminescence of the semiconductor. This phenomenon enables strong interactions with other photonic elements such as quantum emitters. These multifaceted functionalities arise from the synergic exciton-plasmon interaction between the linked units. Thereby, hybrid systems become suitable for various applications including: solar energy conversion, optoelectronic devices, light-emitting diodes (LED), photocatalysis, biomedical sensing, etc. Au-ZnO nanostructures have received growing interest in these applications, where the deposition of gold nanoparticles (GNPs) promotes the system’s response towards the visible region of the light spectrum through their surface plasmon resonance (SPR). Based on a specific size and purity of ZnO nanostructures, as well as the GNPs, and a definite inter-distance between the nanoparticles, the properties of the ZnO nanostructures are varied, especially the photoemission and photocatalytic ones. In this context, we have focused on the construction of size-tunable ZnO nanocrystals (NCs), then incorporated into GNPs solutions using a simple chemical way. This work is divided into two parts: the first is to perform synthesis of pure ZnO NCs having excellent UV photoluminescence. This was achieved through a low-temperature aqueous synthesis, resulting in rough and amorphous structures. The synthesis was followed by a post-thermal treatment in order to crystallize the obtained particles. The synthesis was followed by structural and optical studies (SEM, TEM, XRD, photoluminescence). The photocatalytic activities of ZnO NCs were studied through tailoring their ability to degrade the methylene blue (MB) dye. In addition, the relationship between ZnO structures, luminescence, and photocatalytic properties was explored in details. In the second step, the obtained ZnO NCs were added to gold nanoparticles of various sizes and volume fractions. The effective role of GNPs concerning their size, amount, and their capping molecule on the photoemission of the ZnO nanostructures was emphasized through the charge and/or energy transfer between the constituents in the hybrid system. In the same way, the systems photocatalytic activities were examined after coupling ZnO to GNPs. Further advancement in the integration of the ZnO NCs into PMMA polymer layers was featured in order to obtain large area template of homogenous ZnO properties. The PMMA-assembled ZnO nanoparticles could be promising substrates as catalysts for growing ZnO nanowires, metallic nanoparticles and hybrid nanomaterials., L’ingénierie de nanomatériaux hybrides semi-conducteurs/plasmoniques représente une technologie durable en raison de l’efficacité parfaite du couplage pour améliorer, rénover et enrichir les propriétés des composants intégrés. Ce couplage a pour résultat la variation des propriétés fonctionnelles du système, grâce auquel les plasmons de surface générés par les métaux peuvent améliorer la séparation des charges, l’absorption de la lumière et la luminescence du semi-conducteur. Ce phénomène permet de fortes interactions avec d'autres éléments photoniques tels que les émetteurs quantiques. Ces fonctionnalités aux multiples facettes découlent de l'interaction synergique exciton-plasmon entre les unités liées. Ainsi, les nanomatériaux hybrides conviennent à diverses applications, notamment : conversion de l'énergie solaire, dispositifs optoélectroniques, diodes électroluminescentes (LED), photocatalyse, détection biomédicale, etc. Les nanostructures Au-ZnO suscitent un intérêt croissant dans ces applications où le couplage de ZnO à de nanoparticules d’or (GNPs) favorise la réponse du système dans le domaine du visible grâce à leur résonance plasmon de surface (SPR). En fonction de la taille de deux nanomatériaux, de la distance qui les sépare et leurs rapports massiques dans un échantillon, les propriétés des particules hybrides peuvent varier. Dans ce contexte, nous nous sommes concentrés sur la construction de nano-cristaux (NCs) de ZnO purs de dimensions contrôlables, puis incorporés dans des solutions de GNPs par une simple voie chimique. Ce travail est divisé en deux parties : la première consiste à effectuer une synthèse de nanocristaux de ZnO (NCs) purs présentant d'excellentes propriétés de photoluminescence dans l’UV. Ceci a été réalisé par une synthèse à basse température, aboutissant à des structures rugueuses et amorphes. La synthèse a été suivie d'un traitement post-thermique afin de cristalliser les nanoparticules obtenues. Une étude structurale et optique poussée a été établie à la suite de la synthèse (SEM, TEM, DRX, photoluminescence). Les activités photocatalytiques des ZnO NCs ont été étudiées en mesurant leur capacité à dégrader le bleu de méthylène (MB). De plus, la relation entre les structures en ZnO, la luminescence et les propriétés photocatalytiques a été explorée en détail. Dans la deuxième étape, les ZnO NCs obtenus ont été couplés ajoutés à des nanoparticules d'or de tailles et fractions volumiques variables. Le rôle effectif des GNPs concernant leur morphologie, leur contenu et leur effet SPR sur la photoémission des nanostructures de ZnO est souligné par le transfert de charge et / ou d'énergie entre les constituants du système hybride. De plus, l’activité photocatalytique du système hybride a été examinée. Comme débouché et perspective de ce travail de thèse, l'intégration des ZnO NC dans une couche nanoporeuse de polymère (PMMA) a été réalisée et caractérisée afin d'obtenir un substrat de large surface à base de ZnO. Les ZnO NCs assemblés dans du PMMA pourraient être des substrats prometteurs en tant que catalyseurs pour la croissance de nanofils de ZnO, de nanomatériaux métalliques et de matériaux hybrides.

Hybrid heterojunctions composed of semiconductors and metallic nanostructures have perceived as a sustainable technology, due to their perfect effectiveness in improving, renovating, and enriching the properties of the integrated components. The cooperative coupling results in the variation of the system’s functional properties, by which the metal-generated surface plasmon resonance can enhance the charge separation, light absorption, as well as luminescence of the semiconductor. This phenomenon enables strong interactions with other photonic elements such as quantum emitters. These multifaceted functionalities arise from the synergic exciton-plasmon interaction between the linked units. Thereby, hybrid systems become suitable for various applications including: solar energy conversion, optoelectronic devices, light-emitting diodes (LED), photocatalysis, biomedical sensing, etc. Au-ZnO nanostructures have received growing interest in these applications, where the deposition of gold nanoparticles (GNPs) promotes the system’s response towards the visible region of the light spectrum through their surface plasmon resonance (SPR). Based on a specific size and purity of ZnO nanostructures, as well as the GNPs, and a definite inter-distance between the nanoparticles, the properties of the ZnO nanostructures are varied, especially the photoemission and photocatalytic ones. In this context, we have focused on the construction of size-tunable ZnO nanocrystals (NCs), then incorporated into GNPs solutions using a simple chemical way. This work is divided into two parts: the first is to perform synthesis of pure ZnO NCs having excellent UV photoluminescence. This was achieved through a low-temperature aqueous synthesis, resulting in rough and amorphous structures. The synthesis was followed by a post-thermal treatment in order to crystallize the obtained particles. The synthesis was followed by structural and optical studies (SEM, TEM, XRD, photoluminescence). The photocatalytic activities of ZnO NCs were studied through tailoring their ability to degrade the methylene blue (MB) dye. In addition, the relationship between ZnO structures, luminescence, and photocatalytic properties was explored in details. In the second step, the obtained ZnO NCs were added to gold nanoparticles of various sizes and volume fractions. The effective role of GNPs concerning their size, amount, and their capping molecule on the photoemission of the ZnO nanostructures was emphasized through the charge and/or energy transfer between the constituents in the hybrid system. In the same way, the systems photocatalytic activities were examined after coupling ZnO to GNPs. Further advancement in the integration of the ZnO NCs into PMMA polymer layers was featured in order to obtain large area template of homogenous ZnO properties. The PMMA-assembled ZnO nanoparticles could be promising substrates as catalysts for growing ZnO nanowires, metallic nanoparticles and hybrid nanomaterials., L’ingénierie de nanomatériaux hybrides semi-conducteurs/plasmoniques représente une technologie durable en raison de l’efficacité parfaite du couplage pour améliorer, rénover et enrichir les propriétés des composants intégrés. Ce couplage a pour résultat la variation des propriétés fonctionnelles du système, grâce auquel les plasmons de surface générés par les métaux peuvent améliorer la séparation des charges, l’absorption de la lumière et la luminescence du semi-conducteur. Ce phénomène permet de fortes interactions avec d'autres éléments photoniques tels que les émetteurs quantiques. Ces fonctionnalités aux multiples facettes découlent de l'interaction synergique exciton-plasmon entre les unités liées. Ainsi, les nanomatériaux hybrides conviennent à diverses applications, notamment : conversion de l'énergie solaire, dispositifs optoélectroniques, diodes électroluminescentes (LED), photocatalyse, détection biomédicale, etc. Les nanostructures Au-ZnO suscitent un intérêt croissant dans ces applications où le couplage de ZnO à de nanoparticules d’or (GNPs) favorise la réponse du système dans le domaine du visible grâce à leur résonance plasmon de surface (SPR). En fonction de la taille de deux nanomatériaux, de la distance qui les sépare et leurs rapports massiques dans un échantillon, les propriétés des particules hybrides peuvent varier. Dans ce contexte, nous nous sommes concentrés sur la construction de nano-cristaux (NCs) de ZnO purs de dimensions contrôlables, puis incorporés dans des solutions de GNPs par une simple voie chimique. Ce travail est divisé en deux parties : la première consiste à effectuer une synthèse de nanocristaux de ZnO (NCs) purs présentant d'excellentes propriétés de photoluminescence dans l’UV. Ceci a été réalisé par une synthèse à basse température, aboutissant à des structures rugueuses et amorphes. La synthèse a été suivie d'un traitement post-thermique afin de cristalliser les nanoparticules obtenues. Une étude structurale et optique poussée a été établie à la suite de la synthèse (SEM, TEM, DRX, photoluminescence). Les activités photocatalytiques des ZnO NCs ont été étudiées en mesurant leur capacité à dégrader le bleu de méthylène (MB). De plus, la relation entre les structures en ZnO, la luminescence et les propriétés photocatalytiques a été explorée en détail. Dans la deuxième étape, les ZnO NCs obtenus ont été couplés ajoutés à des nanoparticules d'or de tailles et fractions volumiques variables. Le rôle effectif des GNPs concernant leur morphologie, leur contenu et leur effet SPR sur la photoémission des nanostructures de ZnO est souligné par le transfert de charge et / ou d'énergie entre les constituants du système hybride. De plus, l’activité photocatalytique du système hybride a été examinée. Comme débouché et perspective de ce travail de thèse, l'intégration des ZnO NC dans une couche nanoporeuse de polymère (PMMA) a été réalisée et caractérisée afin d'obtenir un substrat de large surface à base de ZnO. Les ZnO NCs assemblés dans du PMMA pourraient être des substrats prometteurs en tant que catalyseurs pour la croissance de nanofils de ZnO, de nanomatériaux métalliques et de matériaux hybrides.

This paper describes and qualifies a partial thermal impedance measurement technique to evaluate the thermal behavior of the physical layers close to the die in power electronic assemblies. The measurement approach is derived from the pulsed heating curve method; nonetheless, the experimental setup proposed here is fitted for a higher sensitivity analysis of die interconnections due to the extraction of the transient thermal impedance at very high current levels and short heating times. Another advantage of this method is that the cooling efficiency of the system has no impact on the sensitivity of the measurements, which makes it particularly suitable for aging monitoring or in-line manufacturing process control. The method is then implemented with power diodes in order to compare the thermal impedance of two power modules with different solder void repartitions. Experimental results and finite-element simulations show that this method has a very good sensitivity and can, therefore, be used to compare the quality of different die attaches without requiring an efficient power module cooling system.

Point defects in semiconductor materials are studied for the realization of quantum information bits (Qubit). Nowadays, the most developed system is based on the NV center in diamond. Recently, point defects in silicon carbide (SiC) have been identified as promising for the realization of Qubit due to the combination of their long spin coherence time and room temperature operation. In this context, this thesis studies the formation, optical and magnetic characterization of point defects in SiC, as well as the improvement of their luminescence collection. We begin with a general introduction to SiC in which we describe the different criteria that make SiC a key material for Qubit applications. Next, we present a bibliographical study on the main point defects in SiC, focusing on the centers: VSi, VSiVC, NV. We have studied the optimal conditions of ionic/electronic irradiation and post-irradiation annealing for the formation of luminescent point defects in the cubic polytype of SiC. We have identified the different types of visible range defects. In the infra-red range, we detected only the Ky5 center (VSiVC) by finding the optimal luminescence conditions of this center in the case of implantation by protons (dose 1016 cm-2 and annealing at 750 °C). Then, we compared the results obtained by electron irradiations with those obtained with protons specifying the different types of point defects detected by two methods: photoluminescence and electronic paramagnetic resonance. Finally, we have developed a technological process that consists of nano-pillars fabrication in SiC-4H. We have shown the advantages of realizing these pillars on the efficiency of the PL collection of point defects like VSi and VSiVC : an improvement of a factor of 25 for the VSi center and a factor of 50 for the VSiVC center was obtained.; Les défauts ponctuels dans les semi-conducteurs sont étudiés pour la réalisation de bits quantiques d’information (Qubit). A ce jour, le système le plus développé est le centre NV dans le diamant. Récemment, les défauts ponctuels du carbure de silicium (SiC) ont été identifiés comme prometteurs pour la réalisation de Qubit en raison de leur long temps de cohérence de spin et du fonctionnement à température ambiante. Dans ce contexte, nous étudions la formation, la caractérisation optique et magnétique des défauts ponctuels dans SiC, ainsi que l’amélioration de la collection de leur luminescence. Nous commençons par une description des différents critères qui font du SiC un matériau clé pour les applications Qubit. Ensuite, nous présentons une étude bibliographique sur les principaux défauts ponctuels dans SiC en nous focalisant sur les centres : VSi, VSiVC, NV. Nous portons par la suite notre étude sur les conditions optimales d’irradiation ioniques/électroniques et de recuit post-irradiation pour la formation de défauts ponctuels luminescents dans le polytype cubique de SiC. Nous avons identifié les différents types de défauts dans le visible. Dans l’infra-rouge, nous n’avons détecté que le centre VSiVC en trouvant les conditions optimales de sa luminescence dans le cas d’implantation par les protons (dose 1016 cm-2 et le recuit à 750 °C). Puis, nous avons comparé les résultats obtenus par des irradiations aux électrons à ceux obtenus avec les protons en précisant les différents types de défauts ponctuels détectés par deux méthodes: la photoluminescence et la résonance paramagnétique électronique. Enfin, nous avons développé un processus technologique qui consiste en la fabrication de nano-piliers en SiC-4H. Nous avons montré les avantages de leur réalisation sur l’efficacité de la collection de PL des défauts ponctuels comme VSi et VSiVC. Une amélioration d’un facteur 25 pour le centre VSi et d’un facteur 50 pour le centre VSiVC a été obtenue.

My thesis work is focused on infrared photodetection through non-degenerated two photons absorption (NDTPA) in a nanostructured large band-gap diode. This innovative concept is an alternative scheme for infrared detection at high operating temperatures.In a first step I will search for the key parameters of this study. I start by studying, theoretically and experimentally, the competition between two sub-gap absorption processes : the NDTPA, which is a non-linear phenomena of the third order, and the linear sub-bandgap absorption on the semiconductors defects (PASRH). Steered by the intrinsically low absorption efficiency of NDTPA, I studied the amplification of photocurrent generation through the fields concentration induced by a nanostructure.In a second time, I present the computed design, the fabrication inside a clean-room and the characterisation of two generations of nanostructured diodes. The first generation diodes are PIN junctions made of InP whose nanostructured top electrodes are mono-resonant at the signal wavelength (3.39 µm). I checked their electrical and optical properties on a dedicated bench that I designed. Finaly I demonstrate an infrared detection at room temperature through NDTPA with a signal-to-noise ratio above 15. A gain of 24 on the generation of photocurrent is attributed to the nanostructure.After an analysis of this first study, I designed and fabricated a second generation of nanostructured diode which are resonant at both the signal and the pump wavelength. This new design can theoretically achieve a gain around 1500 on the generated photocurrent while keeping the parasite PASRH photocurrent under control.Finally in a last part, I study a new high-quality factor nano-resonator which has been used in the design of the second generations diodes. I present an analytical model as well as their principals properties.; Mes travaux de thèses portent sur l'étude de la photodetection infrarouge par processus d'absorption à deux photons non-dégénérés (NDTPA) dans des diodes nanostructurées à grand gap. Ce concept innovant permet en effet la détection infrarouge sans avoir recours aux systèmes de refroidissement du détecteur.Dans un premier temps, je recherche les paramètres clefs de cette étude. Pour commencer, j'étudie, théoriquement et expérimentalement, la compétition entre deux processus d'absorption sub-gap : l'absorption à deux photons, qui est un processus non linéaire du troisième ordre, et l'absorption linéaire sub-gap sur les défauts du semiconducteur (PASRH). La faible efficacité du NDTPA m'a ensuite amené à étudier des nanostructures capables de concentrer le champs lumineux dans une jonction en semiconducteur, donc d'augmenter l'efficacité absorption.Dans un second temps, je présente la conception, la fabrication en salle blanche et la caractérisation de deux générations de diodes nanostructurées pour la détection infrarouge par NDTPA. Les diodes de première génération sont des jonctions PIN en InP dont l'électrode supérieure nanostructurée est mono-résonante à 3.39 µm. J'ai vérifié leurs propriétés électrique et optique sur un banc dédié que j'ai monté. Finalement, je démontre la détection d'un flux infrarouge à température ambiante par NDTPA et avec un rapport signal sur bruit de 15. Une caractérisation du photocourant mesuré permet de déterminer que la nanostructure permet un gain de 24 sur la génération de photocourant par NDTPA.Après une analyse de cette étude et de ses difficulté, je propose et fabrique une seconde génération de diode nanostructurée résonante aux longueurs d'onde de pompe et de signal. Ce nouveau design permet d'atteindre des gains théorique de l'ordre de 1500 sur la génération de photocourant par NDTPA tout en limitant le photocourant parasite généré par PASRH.Finalement, dans un dernier volet, je présente un nouveau type de nano résonateurs à haut facteur de qualité utilisé dans le cadre des diodes de seconde génération. J'en présente un modèle analytique ainsi que ses principales propriétés.

My thesis work is focused on infrared photodetection through non-degenerated two photons absorption (NDTPA) in a nanostructured large band-gap diode. This innovative concept is an alternative scheme for infrared detection at high operating temperatures.In a first step I will search for the key parameters of this study. I start by studying, theoretically and experimentally, the competition between two sub-gap absorption processes : the NDTPA, which is a non-linear phenomena of the third order, and the linear sub-bandgap absorption on the semiconductors defects (PASRH). Steered by the intrinsically low absorption efficiency of NDTPA, I studied the amplification of photocurrent generation through the fields concentration induced by a nanostructure.In a second time, I present the computed design, the fabrication inside a clean-room and the characterisation of two generations of nanostructured diodes. The first generation diodes are PIN junctions made of InP whose nanostructured top electrodes are mono-resonant at the signal wavelength (3.39 µm). I checked their electrical and optical properties on a dedicated bench that I designed. Finaly I demonstrate an infrared detection at room temperature through NDTPA with a signal-to-noise ratio above 15. A gain of 24 on the generation of photocurrent is attributed to the nanostructure.After an analysis of this first study, I designed and fabricated a second generation of nanostructured diode which are resonant at both the signal and the pump wavelength. This new design can theoretically achieve a gain around 1500 on the generated photocurrent while keeping the parasite PASRH photocurrent under control.Finally in a last part, I study a new high-quality factor nano-resonator which has been used in the design of the second generations diodes. I present an analytical model as well as their principals properties., Mes travaux de thèses portent sur l'étude de la photodetection infrarouge par processus d'absorption à deux photons non-dégénérés (NDTPA) dans des diodes nanostructurées à grand gap. Ce concept innovant permet en effet la détection infrarouge sans avoir recours aux systèmes de refroidissement du détecteur.Dans un premier temps, je recherche les paramètres clefs de cette étude. Pour commencer, j'étudie, théoriquement et expérimentalement, la compétition entre deux processus d'absorption sub-gap : l'absorption à deux photons, qui est un processus non linéaire du troisième ordre, et l'absorption linéaire sub-gap sur les défauts du semiconducteur (PASRH). La faible efficacité du NDTPA m'a ensuite amené à étudier des nanostructures capables de concentrer le champs lumineux dans une jonction en semiconducteur, donc d'augmenter l'efficacité absorption.Dans un second temps, je présente la conception, la fabrication en salle blanche et la caractérisation de deux générations de diodes nanostructurées pour la détection infrarouge par NDTPA. Les diodes de première génération sont des jonctions PIN en InP dont l'électrode supérieure nanostructurée est mono-résonante à 3.39 µm. J'ai vérifié leurs propriétés électrique et optique sur un banc dédié que j'ai monté. Finalement, je démontre la détection d'un flux infrarouge à température ambiante par NDTPA et avec un rapport signal sur bruit de 15. Une caractérisation du photocourant mesuré permet de déterminer que la nanostructure permet un gain de 24 sur la génération de photocourant par NDTPA.Après une analyse de cette étude et de ses difficulté, je propose et fabrique une seconde génération de diode nanostructurée résonante aux longueurs d'onde de pompe et de signal. Ce nouveau design permet d'atteindre des gains théorique de l'ordre de 1500 sur la génération de photocourant par NDTPA tout en limitant le photocourant parasite généré par PASRH.Finalement, dans un dernier volet, je présente un nouveau type de nano résonateurs à haut facteur de qualité utilisé dans le cadre des diodes de seconde génération. J'en présente un modèle analytique ainsi que ses principales propriétés.

The aim of this thesis is to theoretically study the coarsening dynamics of self-organized quantum dots. To this end, we derive the spatio-temporal evolution equation for a hetero-epitaxial system which takes into account surface diffusion, elastic effect, capillary effect and anisotropic effect, using the continuous mechanics framework. We first investigate theoretically the 2D morphology and the dynamics of an isotropic and an anisotropic system of self-organized islands (quantum dots). In both cases, we find a quasi-analytical continuous family of solution which describes the shape and the size of the islands and is favorably compared to our numerical simulations. We find in both cases that the coarsening time depends linearly on the distance between the islands and remarkably that in the anisotropic case the coarsening time can be reduced or accelerated depending on the islands heights. Secondly, motivated by experimental results on GaN quantum dots we study a three-dimensional system with a hexagonal surface energy anisotropy symmetry. Our numerical simulations reveal that the coarsening time is strongly slowed down due to the presence of the surface energy anisotropy and that a transition from hexagonal to elongated islands appears as the initial height of the film increases. Finally, we include the effect of preferential evaporation and we recover islands without a wetting layer that are observed experimentally and have a high photo-luminescence emission efficiency in the UV spectrum.; Le but de cette thèse est l'étude théorique de la dynamique du murissement des boites quantiques auto-organisées. Pour cela, nous déduisons en utilisant les outils de la mécanique des milieux continus, une équation pour l'évolution spatio-temporelle d'un film cristallin en hétéroépitaxie en prenant en compte les effets de diffusion de surface, les effets élastiques, les effets capillaires et les effets d'anisotropie d'énergie de surface. Nous étudions tout d'abord la morphologie 2D et la dynamique de boites quantiques isotrope et anisotrope. Dans chaque cas, nous trouvons de manière quasi analytique une famille continue de solution qui décrit la forme et la taille des ilots. Ces solutions sont en accord avec nos simulations numériques. Dans les deux cas, nous trouvons que le temps de murissement dépend linéairement de la distance entre ilots et en particulier dans le cas anisotrope nous mettons en évidence le fait que le temps de murissement est soit réduit ou soit accéléré en fonction de la hauteur des pair d'ilots. Dans un second temps, motivé par des résultats expérimentaux sur les boites quantiques de GaN, nous étudions la dynamique tridimensionnelle d'ilots avec une énergie d'énergie de surface avec symétrie hexagonale. Nos simulations numériques montrent que le temps de murissement est fortement réduit dû à la présence de l'anisotropie d'énergie de surface et qu'une transition entre des ilots hexagonaux et allongés apparait en fonction de l'épaisseur du film. Finalement, nous prenons en compte dans notre modèle numérique la présence de l'évaporation préférentielle et nous mettons en évidence la présence d'ilots sans couche de mouillage. Ces ilots sont observés expérimentalement et ont une haute efficacité d'émission par photoluminescence dans le spectre UV.

The aim of this thesis is to theoretically study the coarsening dynamics of self-organized quantum dots. To this end, we derive the spatio-temporal evolution equation for a hetero-epitaxial system which takes into account surface diffusion, elastic effect, capillary effect and anisotropic effect, using the continuous mechanics framework. We first investigate theoretically the 2D morphology and the dynamics of an isotropic and an anisotropic system of self-organized islands (quantum dots). In both cases, we find a quasi-analytical continuous family of solution which describes the shape and the size of the islands and is favorably compared to our numerical simulations. We find in both cases that the coarsening time depends linearly on the distance between the islands and remarkably that in the anisotropic case the coarsening time can be reduced or accelerated depending on the islands heights. Secondly, motivated by experimental results on GaN quantum dots we study a three-dimensional system with a hexagonal surface energy anisotropy symmetry. Our numerical simulations reveal that the coarsening time is strongly slowed down due to the presence of the surface energy anisotropy and that a transition from hexagonal to elongated islands appears as the initial height of the film increases. Finally, we include the effect of preferential evaporation and we recover islands without a wetting layer that are observed experimentally and have a high photo-luminescence emission efficiency in the UV spectrum.; Le but de cette thèse est l'étude théorique de la dynamique du murissement des boites quantiques auto-organisées. Pour cela, nous déduisons en utilisant les outils de la mécanique des milieux continus, une équation pour l'évolution spatio-temporelle d'un film cristallin en hétéroépitaxie en prenant en compte les effets de diffusion de surface, les effets élastiques, les effets capillaires et les effets d'anisotropie d'énergie de surface. Nous étudions tout d'abord la morphologie 2D et la dynamique de boites quantiques isotrope et anisotrope. Dans chaque cas, nous trouvons de manière quasi analytique une famille continue de solution qui décrit la forme et la taille des ilots. Ces solutions sont en accord avec nos simulations numériques. Dans les deux cas, nous trouvons que le temps de murissement dépend linéairement de la distance entre ilots et en particulier dans le cas anisotrope nous mettons en évidence le fait que le temps de murissement est soit réduit ou soit accéléré en fonction de la hauteur des pair d'ilots. Dans un second temps, motivé par des résultats expérimentaux sur les boites quantiques de GaN, nous étudions la dynamique tridimensionnelle d'ilots avec une énergie d'énergie de surface avec symétrie hexagonale. Nos simulations numériques montrent que le temps de murissement est fortement réduit dû à la présence de l'anisotropie d'énergie de surface et qu'une transition entre des ilots hexagonaux et allongés apparait en fonction de l'épaisseur du film. Finalement, nous prenons en compte dans notre modèle numérique la présence de l'évaporation préférentielle et nous mettons en évidence la présence d'ilots sans couche de mouillage. Ces ilots sont observés expérimentalement et ont une haute efficacité d'émission par photoluminescence dans le spectre UV.

Al4SiC4 is a refractory ceramic with a reported band gap of about 2.5 eV, making it an interesting semiconductor material for various applications in the field of energy. However, the synthesis of Al4SiC4 single crystals has so far not been investigated.In the first part of this thesis, combining a thermodynamic analysis with a focused experimental approach, the vaporization and condensation phenomena in the Al4C3-SiC system are described. Experimental conditions, such as initial composition, baking temperature and temperature gradient, are investigated and optimized regarding the crystallization of Al4SiC4. From the results obtained, a condensed phase diagram at equilibrium is established for the molar fraction XAl4C3/(Al4C3+SiC) < 0.5, which is determined as the favorite condition for the Al4SiC4 condensation. Indeed, Al4SiC4 single phase could be experimentally synthesized by sublimation at 1900°C with a temperature gradient smaller than 40°C. Some basics characteristics of obtained Al4SiC4 crystalline layers like the structural quality and optical absorption are investigated.In the second part, new hetero-epitaxial structures on [0001] oriented hexagonal SiC are studied like Al4C3/SiC and Al4SiC4/SiC. The characteristics of heterostructures, like growth mechanism and crystallographic relationships are mainly investigated in nanoscopic scale by using high resolution TEM.; Al4SiC4 est une céramique réfractaire avec une bande d’énergie 2.5eV qui est très intéressant pour diverses applications dans le domaine de l’énergie. Pourtant, la synthèse des monocristaux d’Al4SiC4 n’a pas été étudiée jusqu’à présent.Dans la première partie de ce mémoire, les phénomènes de vaporisation et de condensation dans le système Al4C3-SiC sont étudiés en combinant une analyse de thermodynamique avec une approche d’expérimentale focalisée. Les conditions expérimentales de la synthèse d’Al4SiC4, telles que la composition initiale, la température de recuit et le gradient de température, sont étudiées et optimisées. À partir des résultats obtenus, un diagramme de phase condensée à l’équilibre est établi pour la fraction molaire XAl4C3/(Al4C3+SiC) < 0.5, qui est déterminée comme la condition préférée pour la condensation d’Al4SiC4. En effet, Al4SiC4 pourrait être synthétisée expérimentalement par sublimation à 1900°C avec un gradient de température inférieur à 40°C. Les caractéristiques de base comme la qualité structurale et l’absorption optique des couches cristalline d’Al4SiC4 obtenues sont étudiées.Dans la deuxième partie, les nouvelles structures d’hétéro-épitaxiales du système Al-Si-C sur substrats de SiC hexagonal (orienté [0001]) sont proposées comme Al4C3/SiC et Al4SiC4/SiC. Les caractéristiques des hétérostructures comme le mécanisme de croissance et les relations cristallographiques, sont principalement étudiées à l’échelle nanoscopique par utiliser la TEM à haute résolution.

En 2002 j’ai soutenu ma thèse de doctorat sur le dopage par implantation ionique du SiC pour des dispositifs de puissance. Depuis, le spectre de mes recherches s’est élargi vers une technologie complète en SiC (et d’autres matériaux grand-gap), pour laquelle le dopage ne représente qu’une étape élémentaire dans la réalisation d’un composant électronique. Des multiples structures de composants ont été réalisées avec l’objectif d’intégrer dans le semiconducteur des fonctionnalités pour l’électronique de puissance ou pour des applications sous d’autres contraintes sévères (haute température, milieu corrosif, rayonnant/ionisant…).Pour aboutir à ces objectifs mes recherches se sont focalisées sur la réalisation de ces composants en passant par des procédés technologiques innovants et des nouvelles architectures intégrées et adaptées aux spécificités de ces matériaux semiconducteurs. L’ensemble de ces recherches a donné lieu à un nombre de publications et communications qui fin 2017 ont été recensées à 88 revues internationales à comités de lecture et 93 communications dans des congrès internationaux à comités de lecture. Parmi ceux-ci au moins 71 sont répertoriées dans la base Thomson WeB of ScienceTM.Un pôle technologique SiC lyonnais a pu se créer depuis 2003 qui s’est développé à travers plusieurs projets. Nous avons commencé avec des petits projets de type BQR pour enchainer ensuite avec des projets ANR, FUI, européens et industriels. Le laboratoire AMPERE, à travers ces projets, tout en améliorant ses propres plateformes de caractérisation électrique et design de composants, a également beaucoup soutenu le développement des moyens technologiques lyonnais. Mes perspectives de recherche sont centrées autour de cinq thèmes que je veux développer à court et moyen terme notamment en partenariat avec des collègues auprès desquels ma carrière semble s’orienter pour ces prochaines années. Ci-dessous je donne quelques éléments.Les deux premiers thèmes concernent la fiabilité des composants grand-gap SiC et GaN ainsi que l’interface diélectrique/SiC qui sont en forte continuité avec mes recherches actuelles. Il s’agît de sujets de recherches au cœur des thématiques de plusieurs laboratoires du génie électrique en France, dont mon unité d’accueil actuelle AMPERE Le troisième thème de recherche concerne les centres colorés dans les matériaux grand-gap (SiC) qui est un sujet de recherche très actuel où j’apporterai en complément par rapport aux compétences de mes collègues, un savoir-faire sur la technologie et un esprit composant qui permettront de valoriser les résultats remarquables obtenus ces dernières années, sur l’identification et la manipulation de ces défauts actifs, à travers de dispositifs et des tests que nous réaliserons.Le quatrième thème de recherche concerne le développement de capteurs électrochimiques pour d’autres applications, environnement et médicales sur une plateforme technologique dédiée et adaptée à la taille actuelle des plaquettes SiC, 100 et 150 mm.Le dernier thème de recherche, qui se réalisera à plus long terme, vise l’étude de nouveaux matériaux, comme le Ga2O3, de la même famille des matériaux grand-gap que j’ai étudiée jusqu’à maintenant. Des nouvelles structures et fonctionnalités pourront être envisagées grâce à ses remarquables propriétés physiques en lui-même et par rapport aux interfaces qu’il peut créer.

En 2002 j’ai soutenu ma thèse de doctorat sur le dopage par implantation ionique du SiC pour des dispositifs de puissance. Depuis, le spectre de mes recherches s’est élargi vers une technologie complète en SiC (et d’autres matériaux grand-gap), pour laquelle le dopage ne représente qu’une étape élémentaire dans la réalisation d’un composant électronique. Des multiples structures de composants ont été réalisées avec l’objectif d’intégrer dans le semiconducteur des fonctionnalités pour l’électronique de puissance ou pour des applications sous d’autres contraintes sévères (haute température, milieu corrosif, rayonnant/ionisant…).Pour aboutir à ces objectifs mes recherches se sont focalisées sur la réalisation de ces composants en passant par des procédés technologiques innovants et des nouvelles architectures intégrées et adaptées aux spécificités de ces matériaux semiconducteurs. L’ensemble de ces recherches a donné lieu à un nombre de publications et communications qui fin 2017 ont été recensées à 88 revues internationales à comités de lecture et 93 communications dans des congrès internationaux à comités de lecture. Parmi ceux-ci au moins 71 sont répertoriées dans la base Thomson WeB of ScienceTM.Un pôle technologique SiC lyonnais a pu se créer depuis 2003 qui s’est développé à travers plusieurs projets. Nous avons commencé avec des petits projets de type BQR pour enchainer ensuite avec des projets ANR, FUI, européens et industriels. Le laboratoire AMPERE, à travers ces projets, tout en améliorant ses propres plateformes de caractérisation électrique et design de composants, a également beaucoup soutenu le développement des moyens technologiques lyonnais. Mes perspectives de recherche sont centrées autour de cinq thèmes que je veux développer à court et moyen terme notamment en partenariat avec des collègues auprès desquels ma carrière semble s’orienter pour ces prochaines années. Ci-dessous je donne quelques éléments.Les deux premiers thèmes concernent la fiabilité des composants grand-gap SiC et GaN ainsi que l’interface diélectrique/SiC qui sont en forte continuité avec mes recherches actuelles. Il s’agît de sujets de recherches au cœur des thématiques de plusieurs laboratoires du génie électrique en France, dont mon unité d’accueil actuelle AMPERE Le troisième thème de recherche concerne les centres colorés dans les matériaux grand-gap (SiC) qui est un sujet de recherche très actuel où j’apporterai en complément par rapport aux compétences de mes collègues, un savoir-faire sur la technologie et un esprit composant qui permettront de valoriser les résultats remarquables obtenus ces dernières années, sur l’identification et la manipulation de ces défauts actifs, à travers de dispositifs et des tests que nous réaliserons.Le quatrième thème de recherche concerne le développement de capteurs électrochimiques pour d’autres applications, environnement et médicales sur une plateforme technologique dédiée et adaptée à la taille actuelle des plaquettes SiC, 100 et 150 mm.Le dernier thème de recherche, qui se réalisera à plus long terme, vise l’étude de nouveaux matériaux, comme le Ga2O3, de la même famille des matériaux grand-gap que j’ai étudiée jusqu’à maintenant. Des nouvelles structures et fonctionnalités pourront être envisagées grâce à ses remarquables propriétés physiques en lui-même et par rapport aux interfaces qu’il peut créer.

Point defects in semiconductor materials are studied for the realization of quantum information bits (Qubit). Nowadays, the most developed system is based on the NV center in diamond. Recently, point defects in silicon carbide (SiC) have been identified as promising for the realization of Qubit due to the combination of their long spin coherence time and room temperature operation. In this context, this thesis studies the formation, optical and magnetic characterization of point defects in SiC, as well as the improvement of their luminescence collection. We begin with a general introduction to SiC in which we describe the different criteria that make SiC a key material for Qubit applications. Next, we present a bibliographical study on the main point defects in SiC, focusing on the centers: VSi, VSiVC, NV. We have studied the optimal conditions of ionic/electronic irradiation and post-irradiation annealing for the formation of luminescent point defects in the cubic polytype of SiC. We have identified the different types of visible range defects. In the infra-red range, we detected only the Ky5 center (VSiVC) by finding the optimal luminescence conditions of this center in the case of implantation by protons (dose 1016 cm-2 and annealing at 750 °C). Then, we compared the results obtained by electron irradiations with those obtained with protons specifying the different types of point defects detected by two methods: photoluminescence and electronic paramagnetic resonance. Finally, we have developed a technological process that consists of nano-pillars fabrication in SiC-4H. We have shown the advantages of realizing these pillars on the efficiency of the PL collection of point defects like VSi and VSiVC : an improvement of a factor of 25 for the VSi center and a factor of 50 for the VSiVC center was obtained., Les défauts ponctuels dans les semi-conducteurs sont étudiés pour la réalisation de bits quantiques d’information (Qubit). A ce jour, le système le plus développé est le centre NV dans le diamant. Récemment, les défauts ponctuels du carbure de silicium (SiC) ont été identifiés comme prometteurs pour la réalisation de Qubit en raison de leur long temps de cohérence de spin et du fonctionnement à température ambiante. Dans ce contexte, nous étudions la formation, la caractérisation optique et magnétique des défauts ponctuels dans SiC, ainsi que l’amélioration de la collection de leur luminescence. Nous commençons par une description des différents critères qui font du SiC un matériau clé pour les applications Qubit. Ensuite, nous présentons une étude bibliographique sur les principaux défauts ponctuels dans SiC en nous focalisant sur les centres : VSi, VSiVC, NV. Nous portons par la suite notre étude sur les conditions optimales d’irradiation ioniques/électroniques et de recuit post-irradiation pour la formation de défauts ponctuels luminescents dans le polytype cubique de SiC. Nous avons identifié les différents types de défauts dans le visible. Dans l’infra-rouge, nous n’avons détecté que le centre VSiVC en trouvant les conditions optimales de sa luminescence dans le cas d’implantation par les protons (dose 1016 cm-2 et le recuit à 750 °C). Puis, nous avons comparé les résultats obtenus par des irradiations aux électrons à ceux obtenus avec les protons en précisant les différents types de défauts ponctuels détectés par deux méthodes: la photoluminescence et la résonance paramagnétique électronique. Enfin, nous avons développé un processus technologique qui consiste en la fabrication de nano-piliers en SiC-4H. Nous avons montré les avantages de leur réalisation sur l’efficacité de la collection de PL des défauts ponctuels comme VSi et VSiVC. Une amélioration d’un facteur 25 pour le centre VSi et d’un facteur 50 pour le centre VSiVC a été obtenue.

Germanium-Tin alloy is a unique class semiconductor gaining a strong attention because of its significant electrical and optical properties. Sn incorporation in Ge allows straightforward band-gap engineering enabling to enhance the electron and hole mobilities, and for a sufficient Sn amount an indirect-to-direct band-gap transition occurs. Its versatility rises due the possible monolithic integration on Si-platforms making it an ideal material in domains of optoelectronics, and high speed electronic devices. This thesis has focused on the fabrication and characterization of crystalline Ge1-xSnx nanowires with high Sn concentrations. New strategies were designed to fabricate many types of GeSn nanowires. The results have been explained as function of the existing kinetic models. A new growth mechanism was reported (i.e. Solid-Solid-Solid mechanism – SSS), it consists of growing in-plane GeSn nanowires using Sn catalysts below the melting point of Sn. Four mass transport models were proposed for the SSS growth mechanism. Various characterizations (e.g. TEM and APT) were done to investigate the physical and chemical properties of the obtained nanowires., L’alliage germanium-étain est un semiconducteur qui suscite une grande attention en raison de ses propriétés électriques et optiques. L’incorporation de Sn dans le germanium permet d’ajuster la largeur de bande interdite (gap) et d’améliorer la mobilité des électrons et des trous, et pour une quantité suffisante d’étain, le matériau passe d’un gap indirect à direct. Cet alliage est versatile parce qu’il peut être intégré d’une façon monolithique sur le Si, c’est ce qui en fait un matériau idéal dans les domaines de l'optoélectronique à base de silicium. Cette thèse est sur la fabrication et la caractérisation de nanofils cristallins Ge1-xSnx à haute concentration en Sn. Des nouvelles stratégies ont été employées pour fabriquer de nombreux types de nanofils GeSn. Les résultats ont été expliqués en fonction des modèles cinétiques existants. Un nouveau mécanisme de croissance y est décrit: le mécanisme solide-solide-solide – SSS. Il consiste à faire croître des nanofils de GeSn dans le plan du substrat à l’aide de catalyseurs d’étain à une température inférieure au point de fusion de Sn. Quatre modèles de transport de masse sont proposés pour le mécanisme de croissance du SSS. Diverses caractérisations (par exemple TEM et APT) ont été effectuées pour étudier les propriétés physiques, et chimiques des nanofils.

The temperature of power semiconductor devices is one of the main issues affecting the performance, availability, and reliability of power converters. The chip temperature is generally measured using thermosensitive electrical parameters (TSEPs). These parameters are well controlled for laboratory temperature measurements, where the power devices are not used under functional conditions. However, the use of TSEPs for chip temperature measurements in online conditions has yet to be demonstrated. This paper presents an experimental evaluation of two new TSEPs based on measuring the forward voltage, which could be used during operation of the converter. It examines the accuracy of the chip temperature measurement and also discusses the results in terms of robustness to the aging of power devices.

Solar energy has a huge potential for the futur electricity generation. The research in this area is therefore accelerating these last years; Especially, the development of non-toxic semiconductor materials, which can be elaborated by a low-cost and easy-to-use techniques such as growths in liquid chemistry. In this context, zinc oxide (ZnO) has become increasingly important in research laboratories.This thesis has been carried out for several purposes. The first was to improve our understanding of the mechanisms involved in the growth of ZnO nanowires by chemical bath deposition, and, in particular, the role of chemical precursors introduced into the bath. Subsequently, morphological studies and crystallization annealing studies of TiO2 and Sb2S3 shells deposited on ZnO nanowires by ALD, SILAR and spray pyrolysis are found to be essential for the preparation of heterostructures based on ZnO nanowires/TiO2/SB2S3 for solar cells. In this kind of cell, the ZnO is the electron conductor, whereas the TiO2 passivates the surface of the ZnO nanowires and protects them. The Sb2S3 absorbs the photons of the solar spectrum and produces excitons for the creation of current.These heterostructures are elaborated for the first time and have never been reported in the literature. A photoconversion efficiency of 2.3% was determined in this manuscript. This value is encouraging for the next studies on these materials and represents the first effective efficiency for this kind of promising heterostructures., L'énergie solaire représente un énorme potentiel pour la production d'électricité. Les recherches dans ce domaine se sont donc accélérées au cours des dernières années; en particulier le développement de matériaux semiconducteurs non-toxiques pouvant être élaborés par une technique bas côut et facile de mise en oeuvre telle que les croissances en chimie liquide. C'est dans ce contexte que l'oxyde de zinc (ZnO) prend une place de plus en plus importante au sein des laboratoires de recherche.Cette thèse a été effectuée dans plusieurs buts. Le premier était d'améliorer notre compréhension des mécanismes mis jeu lors de la croissance de nanofils de ZnO par dépôt en bain chimique, et notamment le rôle des précurseurs chimiques introduits dans le bain. Par la suite, des études morphologiques et du recuit de cristallisation de couches minces de TiO2 et de Sb2S3 déposées sous forme de coquilles sur les nanofils de ZnO par ALD, SILAR et pyrolyse d'aérosol se sont révélées primordiales pour l'élaboration de cellules solaires composées d'hétérostructures à base de nanofils de ZnO/TiO2/SB2S3. Dans ce type de cellule le ZnO joue le rôle de conducteur d'électrons alors que le TiO2 passive les états de surface des nanofils de ZnO et les protège. Le Sb2S3, quant à lui,absorbe les photons du spectre solaire et produit des excitons pour la création de courant.Ces hétérostructures sont élaborées pour la toute première fois et n'ont jamais été rapportées dans la littérature. Un rendement de photoconversion de 2,3% a été déterminé. Cette valeur est encourageante pour la suite des études et représente le premier rendement efficace pour ce type d'hétérostructures très prometteuses.