Search

Grains structures obtained during solidification processes strongly influence the properties of technical products. It is specially the case for cast parts in metallic alloys, or for silicon photovoltaic cells. The CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) method aims to model grain structure evolution during solidification at a macroscopic scale, but also requires approximations at smaller scales. In this work, two distinct studies are proposed. First, CA simulations of growth competition among columnar dendritic grains are carried out for a succinonitrile-0.4 wt% acetone alloy. This is achieved by computing the grain goundary orientation during directional solidification. Comparisons are subsequently conducted with recent phase field results derived under the same conditions. An excellent agreement is found with phase field simulations results within arange of intermediate cell size centered around the maximum step between primary stationary dendrite tips of the two competing grains. The Esaka configuration, corresponding to a dendritic growth competition for a succinonitrile-1.3 wt% acetone alloy, is also studied. Polycristalline silicon growth was investigated within the ANR CrySaLID project. The CA method was enriched to allow facets growth and grains in twin relationship modeling. These developements use a geometrical approach based on in situ and ex situ experimental observations. The resulting numerical model was applied to experimental configurations and good qualitative and quantitative agreements were found. Simulations over a cubic and centimetric domain were lastly conducted. It was found that facets growth and twin nucleations strongly modify the grains structure compared to a dendritic microstructrure.; Les structures de grains résultantes des procédés de solidification influencent fortement les propriétés d'une pièce industrielle. Ceci est notamment le cas pour les propriétés mécaniques des pièces de fonderie en alliage métallique, ou les propriétés électriques des cellules photovoltaïque de silicium. L'approche CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) permet de modéliser l'évolution des structures de grains dans les procédés de solidification à l'échelle macroscopique, mais nécessite des approximations aux échelles plus fines. Dans ce travail deux axes d'étude sont proposés. Premièrement, des simulations CA de compétition de croissance entre grains colonnaires sont réalisées pour un alliage de succinonitrile-0,4%pds acétone. Ceci est effectué en déterminant l'angle de joint grains en solidification dirigé. Ce travail est comparé à une étude champ de phase visant à étudier la relation entre orientations cristallographiques des grains en compétition et orientation de leur frontière. Les résultats obtenus avec l'approche CA sont très proches des résultats champ de phase pour un intervalle de taille de cellule centré autour de la marche maximale entre deux pointes de dendrites stationnaires de deux grains en compétition. La configuration d'Esaka, correspondant à une compétition de croissance dans un alliage de succinonitrile-1,3%pds acétone, a aussi été étudiée par l'approche CA. Le travail sur la croissance du silicium polycristallin a été réalisé dans le cadre du projet ANR CrySaLID. La méthode CA a été enrichie afin de permettre la modélisation de la croissance d'interfaces facettées et de la germination de grains en relation de macle sur ces interfaces. Ces développement utilisent des approches géométriques qui se basent sur des observations expérimentales in situ et ex situ. Le modèle résultant a été confronté expérimentalement et donne de bons accords qualitatif et quantitatif. Finalement, le modèle est appliqué à un cube de dimensions centimétriques. Il a été montré que les spécificités liées à la croissance du silicium polycristallin, à savoir la formation de facettes et la germination de grains en relation de macle, modifient drastiquement la structure de grains en comparaison avec une microstructure dendritique.

Grains structures obtained during solidification processes strongly influence the properties of technical products. It is specially the case for cast parts in metallic alloys, or for silicon photovoltaic cells. The CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) method aims to model grain structure evolution during solidification at a macroscopic scale, but also requires approximations at smaller scales. In this work, two distinct studies are proposed. First, CA simulations of growth competition among columnar dendritic grains are carried out for a succinonitrile-0.4 wt% acetone alloy. This is achieved by computing the grain goundary orientation during directional solidification. Comparisons are subsequently conducted with recent phase field results derived under the same conditions. An excellent agreement is found with phase field simulations results within arange of intermediate cell size centered around the maximum step between primary stationary dendrite tips of the two competing grains. The Esaka configuration, corresponding to a dendritic growth competition for a succinonitrile-1.3 wt% acetone alloy, is also studied. Polycristalline silicon growth was investigated within the ANR CrySaLID project. The CA method was enriched to allow facets growth and grains in twin relationship modeling. These developements use a geometrical approach based on in situ and ex situ experimental observations. The resulting numerical model was applied to experimental configurations and good qualitative and quantitative agreements were found. Simulations over a cubic and centimetric domain were lastly conducted. It was found that facets growth and twin nucleations strongly modify the grains structure compared to a dendritic microstructrure.; Les structures de grains résultantes des procédés de solidification influencent fortement les propriétés d'une pièce industrielle. Ceci est notamment le cas pour les propriétés mécaniques des pièces de fonderie en alliage métallique, ou les propriétés électriques des cellules photovoltaïque de silicium. L'approche CA-FE (Cellular Automaton - Finite Elements) permet de modéliser l'évolution des structures de grains dans les procédés de solidification à l'échelle macroscopique, mais nécessite des approximations aux échelles plus fines. Dans ce travail deux axes d'étude sont proposés. Premièrement, des simulations CA de compétition de croissance entre grains colonnaires sont réalisées pour un alliage de succinonitrile-0,4%pds acétone. Ceci est effectué en déterminant l'angle de joint grains en solidification dirigé. Ce travail est comparé à une étude champ de phase visant à étudier la relation entre orientations cristallographiques des grains en compétition et orientation de leur frontière. Les résultats obtenus avec l'approche CA sont très proches des résultats champ de phase pour un intervalle de taille de cellule centré autour de la marche maximale entre deux pointes de dendrites stationnaires de deux grains en compétition. La configuration d'Esaka, correspondant à une compétition de croissance dans un alliage de succinonitrile-1,3%pds acétone, a aussi été étudiée par l'approche CA. Le travail sur la croissance du silicium polycristallin a été réalisé dans le cadre du projet ANR CrySaLID. La méthode CA a été enrichie afin de permettre la modélisation de la croissance d'interfaces facettées et de la germination de grains en relation de macle sur ces interfaces. Ces développement utilisent des approches géométriques qui se basent sur des observations expérimentales in situ et ex situ. Le modèle résultant a été confronté expérimentalement et donne de bons accords qualitatif et quantitatif. Finalement, le modèle est appliqué à un cube de dimensions centimétriques. Il a été montré que les spécificités liées à la croissance du silicium polycristallin, à savoir la formation de facettes et la germination de grains en relation de macle, modifient drastiquement la structure de grains en comparaison avec une microstructure dendritique.

This work deals with the development of vertical thin film transistors (VTFTs) via the fabrication processes and the analysis of the electrical characteristics. The low-temperature (T ≤ 600°C) polycrystalline silicon technology is adopted in the fabrication processes. The first step of the work consists in the fabrication and characterization of VTFTs obtained by rotating the lateral thin film transistors (LTFTs) 90°. The feasibility of VTFTs fabrication is validated with an ION/IOFF ratio of about 10³, and it is analyzed that the large overlapping area between source and drain leads to a large off-current IOFF. The second step of the work lies in the partial suppression of the large overlapping area, and therefore, an ION/IOFF ratio of almost 10⁵ is obtained. The third step of the work deals with the proposal of a new VTFT structure that absolutely eliminates the overlapping area. Different improvements have been made on this new VTFT structure, especially by optimization of the following parameters: the active layer thickness, type and thickness of the barrier layer, and the geometric dimension. The optimized transistor highlights an ION/IOFF ratio of higher than 10⁵ with a reduced off-current IOFF, high stability and good reproducibility. P and N-type VTFTs have also been fabricated and showed symmetrical electrical characteristics; they are thus suitable for CMOS-like VTFT applications.; Ce travail porte sur le développement de transistors en couches minces verticaux (VTFTs), du procédé de fabrication à l'analyse des caractéristiques électriques. Les transistors sont réalisés à partir de silicium polycristallin déposé et cristallisé en utilisant une technologie basse température (T ≤ 600°C). La première étape de ce travail consiste à la fabrication et la caractérisation de VTFTs obtenus par rotation de 90° des transistors à couches minces latéraux (LTFTs). La faisabilité technologique de VTFTs est alors validée, et un rapport ION/IOFF d'environ 10³ est obtenu. L'analyse des résultats de caractérisation électrique a mis en évidence que ce fort courant à l'état bloquant IOFF est principalement dû à la grande zone de recouvrement entre source et drain. La deuxième étape du travail réside dans la suppression partielle de cette zone de recouvrement qui aboutit à un rapport ION/IOFF proche de 10⁵. Dans la troisième partie de ce travail, une nouvelle architecture de transistors verticaux est proposée, qui élimine totalement la zone de recouvrement. Les effets de différents paramètres sont étudiés, notamment l'influence de l'épaisseur de la couche active, de la couche d'isolation, et de la dimension géométrique. Les transistors optimisés mettent en évidence un rapport ION/IOFF supérieur à 10⁵ avec une réduction du courant à l'état bloquant, une grande stabilité et une bonne reproductibilité du procédé technologique. Des transistors verticaux de type P et N ont également été réalisés. Ils ont montré des caractéristiques électriques symétriques, qui les rendent utilisables dans des applications similaires à la technologie CMOS.

This work deals with the development of vertical thin film transistors (VTFTs) via the fabrication processes and the analysis of the electrical characteristics. The low-temperature (T ≤ 600°C) polycrystalline silicon technology is adopted in the fabrication processes. The first step of the work consists in the fabrication and characterization of VTFTs obtained by rotating the lateral thin film transistors (LTFTs) 90°. The feasibility of VTFTs fabrication is validated with an ION/IOFF ratio of about 10³, and it is analyzed that the large overlapping area between source and drain leads to a large off-current IOFF. The second step of the work lies in the partial suppression of the large overlapping area, and therefore, an ION/IOFF ratio of almost 10⁵ is obtained. The third step of the work deals with the proposal of a new VTFT structure that absolutely eliminates the overlapping area. Different improvements have been made on this new VTFT structure, especially by optimization of the following parameters: the active layer thickness, type and thickness of the barrier layer, and the geometric dimension. The optimized transistor highlights an ION/IOFF ratio of higher than 10⁵ with a reduced off-current IOFF, high stability and good reproducibility. P and N-type VTFTs have also been fabricated and showed symmetrical electrical characteristics; they are thus suitable for CMOS-like VTFT applications.; Ce travail porte sur le développement de transistors en couches minces verticaux (VTFTs), du procédé de fabrication à l'analyse des caractéristiques électriques. Les transistors sont réalisés à partir de silicium polycristallin déposé et cristallisé en utilisant une technologie basse température (T ≤ 600°C). La première étape de ce travail consiste à la fabrication et la caractérisation de VTFTs obtenus par rotation de 90° des transistors à couches minces latéraux (LTFTs). La faisabilité technologique de VTFTs est alors validée, et un rapport ION/IOFF d'environ 10³ est obtenu. L'analyse des résultats de caractérisation électrique a mis en évidence que ce fort courant à l'état bloquant IOFF est principalement dû à la grande zone de recouvrement entre source et drain. La deuxième étape du travail réside dans la suppression partielle de cette zone de recouvrement qui aboutit à un rapport ION/IOFF proche de 10⁵. Dans la troisième partie de ce travail, une nouvelle architecture de transistors verticaux est proposée, qui élimine totalement la zone de recouvrement. Les effets de différents paramètres sont étudiés, notamment l'influence de l'épaisseur de la couche active, de la couche d'isolation, et de la dimension géométrique. Les transistors optimisés mettent en évidence un rapport ION/IOFF supérieur à 10⁵ avec une réduction du courant à l'état bloquant, une grande stabilité et une bonne reproductibilité du procédé technologique. Des transistors verticaux de type P et N ont également été réalisés. Ils ont montré des caractéristiques électriques symétriques, qui les rendent utilisables dans des applications similaires à la technologie CMOS.

La filière silicium polycristallin en couches minces suscite un intérêt majeur dans l’industrie photovoltaïque. En effet, elle constitue une alternative très prometteuse à la filière silicium monocristallin puisqu’elle permet une réduction du coût matière. Théoriquement, pour un matériau monocristallin, les perfermances obtenues soient excessivement altérées par rapport à celles d’un matériau polycristallin à cause de la présence d’impuretés et de défauts cristallographiques, tels que les dislocations et les joints de grains. Notre contribution consiste à optimiser les paramètres physiques et technologiques de deux cellules, la première est à base de silicium monocristallin et la deuxième est à base de silicium polycristallin. Aussi doit-on trouver les meilleurs perfermances de sortie ( Icc, Vco, η et FF) des deux structures et enfin faire une étude comparatives entres ces perfermances. Ces travaux sont effectués en utilisant le logiciel de simulation numérique des cellules solaires à une dimension : PC-1D.

The objective of this thesis is the elaboration of polycrystalline silicon, on borosilicate glass substrate, by a Continuous Wave laser annealing of amorphous silicon operating in the liquid phase regime. Numerical simulations of the laser-amorphous silicon interaction have been carried out using COMSOL tool. We were able to monitor the evolution of the heat transfer in the different laser irradiated Si/glass structures. Thus, we have evaluated the effects of experimental parameters such as the scan speed, the laser power, the substrate temperature on the phase transition thresholds (melting, crystallization, evaporation). The modeling data were compared to the experimental data obtained on laser irradiated amorphous Si films, and the results were thoroughly discussed. In a second part, we have investigated the structural and morphological properties of polysilicon films prepared by CW laser irradiation of different amorphous silicon. We have shown that the presence of impurities such as hydrogen or argon in the amorphous silicon affects strongly the quality of the formed polysilicon film. We also found that the Si crystal growth occurs epitaxially from lateral and longitudinal thermal gradient produced respectively by the laser beam profile and thermal conduction, and by thermal convection in the scanning direction. The optimization of the experimental procedure led to the formation of polysilicon films with large grains up to several hundred microns long and tens microns in width. Such materials are of great interest to electronic and photovoltaic devices., L’objectif de ce travail de thèse est l’élaboration du silicium polycristallin en phase liquide, sur substrat de verre borosilicate, en utilisant l’irradiation par laser continu de forte puissance d’un film de silicium amorphe. Des simulations numériques modélisant l’interaction laser-silicium amorphe ont été effectuées grâce à un modèle que nous avons développé sur l’outil COMSOL. Nous avons ainsi pu suivre l’évolution des transferts thermiques dans les différentes structures Si/verre irradiées par laser et ainsi pu évaluer l’impact des paramètres expérimentaux tels que la vitesse de balayage, la puissance du laser, la température du substrat sur les seuils de transition de phase du Si amorphe (fusion, cristallisation, évaporation). Ces résultats de simulation ont été confrontés à des données réelles obtenues en réalisant différentes expériences d’irradiation de films Si amorphe. Les résultats de cette comparaison ont été largement discutés. Dans une deuxième partie, nous avons étudié les propriétés structurales et morphologiques de films Si polycristallin obtenus par l’irradiation laser de films Si amorphe. En particulier, nous avons mis en évidence les effets de la présence d’impuretés tels que l’hydrogène ou l’argon présent dans les couches Si amorphe préalablement au traitement laser. Nous avons également montré que la croissance des cristaux silicium s’opère par épitaxie à partir d’un effet de gradient thermique latéral et longitudinal, produit respectivement par le profil énergétique du faisceau laser et la diffusion thermique par conduction, et par convection thermique dans la direction de balayage. L’optimisation des conditions opératoires nous a permis de réaliser des films Si polycristallin à larges grains, jusqu’à plusieurs centaines de µm de long sur plusieurs dizaines de µm de large. Ces structures sont très intéressantes pour des applications en électronique et en photovoltaïque.

Résumé en anglais; Résumé en français

This work aims to provide knowledge on electrical properties of thin-film transistors(TFTs) based on polymorphous silicon (pm-Si: H), and on polymorphous material structure.We also focused on a new method of crystallization of amorphous silicon layer by laserinterferometry, which has great potential for the development of active matrix flat paneldisplays based on polysilicon.We first identified a lower OFF current in TFTs based on pm-Si: H than inmicrocrystalline silicon (μc-Si: H) TFTs. Our studies have also shown that pm-Si: H TFTs donot present oxygen contamination during the fabrication process, which is a problemencountered in the fabrication of μc-Si:H TFTs. We then studied the threshold voltage shift ofpm-Si:H TFTs under electrical stress. We have found results similar to those observed inamorphous silicon TFTs (a-Si:H), namely, defects creation in the active layer which isresponsible for the threshold voltage shift (ΔVT) for low gate voltage and short times stress,and charge trapping in the gate silicon nitride is responsible for ΔVT for high gate voltage andlong time stress. We also shown that pm-Si:H TFTs are more stable under electrical stressthan a-Si:H TFT.In a second step, the structural analysis of thin films of pm-Si: H revealed the presence ofcrystallites about few nanometers in the polymorphous layer. Similarly, we isolated the X-raydiffraction signal of polymorphous layer and revealed a structural organization at larger rangethan in amorphous silicon layer, which is consistent with the results of electrical stress.Finally, we studied a method of crystallization of a-Si by 4-beams laser interferences. Weobserved a periodic structure of the layer in a face-centered cubic system. TEM observationsshowed that the layer was well crystallized. SEM observations after revelation of grainboundaries showed what appears to be a network of μc-Si seed with a pitch of 652 nm and thepresence of a continued layer of grains and grain boundaries between these seeds., Ce travail a pour objectifs d'apporter des connaissances au niveau des propriétés électriques de transistors en couches minces (TFTs) à base de silicium polymorphe (pm-Si :H), ainsi qu'au niveau de la structure du matériau polymorphe. Nous nous sommes également intéressé à une nouvelle méthode de cristallisation d'une couche de silicium amorphe par interférométrie laser qui présente un fort potentiel pour le développement de matrice active en silicium polycristallin de grandes dimensions. Nous avons d'abord mis en évidence un courant OFF plus faible dans les TFTs en pm-Si :H que dans les TFTs en silicium microcristallin (µc-Si :H). Nos études ont également montré que les TFTs en pm-Si :H ne sont pas, ou très peu, sujet à la contamination par l'oxygène lors du procédé de fabrication, problème rencontré dans la fabrication des TFTs en µc-Si :H. Nous avons ensuite étudié la dérive de la tension de seuil lorsque les TFTs sont stressés électriquement. Nous avons mis en évidence des résultats similaires à ceux observer dans les TFTs en silicium amorphe (a-Si :H), à savoir que la création de défauts dans la couche active est le mécanisme responsable de la dérive de VT pour des tensions de grille faibles et des temps de stress courts, alors que le piégeage de charges dans le nitrure de grille est responsable de la dérive de VT lorsque les tensions de grille sont élevées et les temps de stress longs. Il s'est avéré que les TFTs en pm-Si :H sont plus stables que les TFTs en a-Si :H. Dans un second temps, les analyses structurales de films minces de pm-Si :H ont montré la présence de cristallites de quelques nanomètres dans la couche. De même, nous avons isolé le signal de diffraction de rayons X d'une telle couche et mis en évidence une organisation structurale à plus grande distance que pour le silicium amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats des stress électriques. Pour finir, nous avons étudié une méthode de cristallisation du a-Si par interférences laser 4 faisceaux. Nous avons observé une structuration périodique de la couche dans un système cubique face centrée. Les observations TEM ont montré que la couche était bien cristallisée. Les observations MEB suite à la révélation des joints de grains ont montré ce qu'il semble être un réseau de germes de µc-SiH avec un pas de 652 nm et la présence continue de grains et de joints de grains entre ces germes.

The use of microtechnologies enables the fabrication of various kinds of sensors that can be used to perform both the electrical and mechanical characterization of living cells.In this context, the goal of the present work is to develop a mechanical force/electrical voltage transducer whose sensitive axis is in-plane with respect to the cell support wafer.The designed structures are based on the piezo-resistive effect present in silicon used to make strain gauges. The architecture was especially developed to obtain sensitivities of around 10 N-1 on this axis.The modeling and the optimization of the performances led to the fabrication of compact strain gauges composed of two levels of boron doped polysilicon, and encapsulated in three layers of low-stress silicon nitride. The whole structure is implemented on a silicon-on-insulator (SOI) layer ; a new fabrication process was developed to form these gauges. Moreover, the influence of a misalignment of the gauge over the cantilever was studied and verified during the characterisation.Strain gauge sensitivities of the order of 30x10-6 ?N-1 were obtained with a 170 ?m long and 6.5 ?m wide gauge. The applications for this kind of strain gauge are numerous given the high quality performances obtained here, the performances are comparable to commercial AFM cantilevers.; Les microtechnologies permettent aujourd'hui de réaliser différents types de capteurs dont un domaine d'application émergeant est la caractérisation électrique et mécanique des cellules biologiques pour la détection précoce de pathologies. Dans ce contexte, le but du travail présenté est de proposer un capteur de force dont l'axe sensible se trouve dans le plan, et dont l'information de sortie soit une grandeur électrique. Les structures conçues mettent ainsi à profit l'effet piezo-résistif au sein de jauges en silicium, dont l'architecture a été spécialement mise au point pour obtenir des sensibilités de l'ordre de 10 N-1 sur cet axe.La modélisation et l'optimisation des performances ont conduit à la fabrication de jauges d'architecture compacte et originale réalisées sur deux niveaux de polysilicium implanté de bore, et encapsulé dans trois couches de nitrure peu contraint, le tout implémenté sur une couche de SOI. Le procédé de fabrication a été spécialement mis au point. Par ailleurs, l'influence de l'erreur d'alignement entre la jauge et la poutre d'épreuve a été étudiée et vérifiée lors des tests.Les sensibilités obtenues avec des jauges de 170 ?m de long et 6,5 ?m de large sont de l'ordre de 30.10-6 ?N-1. Les applications mettant en œuvre ce type de dispositif sont nombreuses et les performances, comparables aux leviers AFM, font de cette configuration de jauge une structure à fort potentiel pour être utilisée pour d'autres applications.

Planar microthermoelectric generators are new energy sources for portable electronics. We have optimized their geometry by using an analytical and numerical model. The fabrication process of a generator using polycrystallin silicon as the active material is also presented. The access to the thermal conductivity is essential for the engineering of thermoelectric materials the microgenerators are made of. The potential of the 3omega and Völklein methods to measure the thermal conductivity of thin films is investigated experimentally and by numerical simulations. The heat transfer between microsystems and their environment is studied by the Völklein method. The figure of merit of polycristallin silicon layers has been improved by a factor of three but is still very low. The electrical properties of lead telluride-based multilayers offer good prospects for their integration in microsystems., Les microgénérateurs thermoélectriques planaires sont de nouvelles sources d'énergie pour l'électronique portable. Nous avons optimisé leur géométrie à l'aide d'un modèle analytique et numérique. La fabrication d'un générateur utilisant comme matériau actif du silicium est également présentée. L'accès à la conductivité thermique est essentiel pour l'ingénierie des matériaux thermoélectriques utilisés dans ces microsystèmes. Le potentiel des méthodes 3omega et Völklein à mesurer cette grandeur sur des couches minces est étudié expérimentalement et par simulations numériques. Le transfert de chaleur entre les microsystèmes et leur environement est étudié par la méthode Völklein. Le facteur de mérite de couches de silicium polycristallin bien qu'améliorés par un facteur trois en diminuant la taille de grains reste faible. Les propriétés électriques de multicouches à base de PbTe ouvrent des perspectives intéressantes pour leur intégration dans les microsystèmes.