Literatura académica sobre el tema "Nanoélectronique – Matériaux"

La réduction des dimensions des transistors MOS, brique de base des circuits intégrés, ne permet plus d'augmenter efficacement leurs performances. Une des solutions envisagées actuellement consiste à remplacer le silicium par d'autres semi-conducteurs à haute mobilité (Ge, III-V) comme matériau de canal. A partir de modèles analytiques originaux, calibrés sur des simulations avancées (quantique, Monte Carlo), cette thèse démontre que, à des dimensions nanométriques, les performances attendues de ces nouvelles technologies sont en fait inférieures à celles des composants silicium conventionnels. En effet, les phénomènes quantiques (confinement, fuites tunnel) pénaliseraient davantage les dispositifs à matériaux de canal alternatifs
MOSFET scaling, building block of integrated circuits, do not allow to improve significantly the device performance anymore. One presently studied solution consists in substituting silicon for high mobility semiconductors (Ge or III-Vs) as channel material. Based on original analytical models, calibrated on advanced simulations (quantum, Monte Carlo), this thesis demonstrate that at nanometric scale, the performances expected from this new technologies are in fact lower than the one of conventional silicon devices. Quantum effects (confinement, tunnelling leakage) have been indeed found to be more penalizing in the case of alternative channel material transistors

Les propriétés intrinsèques extraordinaires de ces matériaux de faible dimension dépendent fortement de l'environnement auquel ils sont soumis. Par conséquent, ils doivent être préparés, traités et caractérisés sans défauts. Dans cette thèse, je discute de la manière de contrôler l'environnement des nanomatériaux de faible dimension tels que le graphène, le MoS$_{2}$ et les nanotubes de carbone afin de préserver leurs propriétés physiques intrinsèques. De nouvelles solutions pour l'amélioration des propriétés sont discutées en profondeur. Dans la première partie, nous fabriquons des dispositifs d'hétérostructure à base de graphène de Van der Waals (VdW) de dernière génération, en contact avec les bords, encapsulés dans du nitrure de bore hexagonal (hBN), afin d'obtenir un transport balistique. Nous utilisons une technique basée sur des mesures de bruit 1 / f pour sonder le transport de masse et de bord lors de régimes Quantum Hall entiers et fractionnaires. Dans la deuxième partie, le même concept de fabrication des hétérostructures VdW a été étendu pour encapsuler la couche monocouche MoS $_{2}$ dans le hBN afin d'en modifier les propriétés optiques. À cet égard, nous présentons une étude approfondie sur l'origine et la caractérisation des défauts intrinsèques et extrinsèques et leur incidence sur les propriétés optiques. En outre, nous décrivons une technique pour sonder le couplage entre couches ainsi que la génération de lumière avec une résolution spatiale inférieure à la limite de diffraction de la lumière. Enfin, nous discutons d'un processus systémique naturel visant à améliorer les propriétés mécaniques de la soie polymérique naturelle à l'aide d'une nanotubes de carbone à paroi unique fabriqués par HipCO comme aliment pour le ver à soie
The extraordinary intrinsic properties of low dimensional materials depend highly on the environment they are subjected to. Hence they need to be prepared, processed and characterized without defects. In this thesis, I discuss about how to control the environment of low dimensional nanomaterials such as graphene, MoS2 and carbon nanotubes to preserve their intrinsic physical properties. Novel solutions for property enhancements are discussed in depth. In the first part, we fabricate state-of-the-art, edge-contacted, graphene Van der Waals(VdW) heterostructuredevices encapsulated in hexagonal-boron nitride(hBN), to obtain ballistic transport. We use a technique based on 1/f-noise measurements to probe bulk and edge transport during integer and fractional Quantum Hall regimes. In the second part, the same fabrication concept of VdW heterostructures has been extended to encapsulate monolayer MoS2 in hBN to improve optical properties. In this regard we present an extensive study about the origin and characterization of intrinsic and extrinsic defects and their affect on optical properties. Further, we describe a technique to probe the interlayer coupling along with the generation of light with spatialresolution below the diffraction limit of light. Finally, we discuss a natural systemic process to enhance the mechanical properties of natural polymer silk using HipCO-made single walled carbon nanotubes as a food for silkworm

Les technologies CMOS à base de silicium approchants les limites fondamentales de la miniaturisation, de nouvelles options sont nécessaires pour continuer la feuille de route de l'industrie de semi-conducteurs. Les matériaux III-V et le germanium sont actuellement très étudiés à ces fins, pour remplacer le silicium en tant que matériau canal des transistors MOSFETs. Bien que les propriétés de transports de charges de ces matériaux soient très fortes dans les substrats massifs, les performances des composants à base de III-V présentent actuellement de fortes dégradations par rapport à ce qui pourrait être attendus.En conséquence, il est nécessaire d'évaluer théoriquement l'impact du changement de matériau de canal sur les performances de ces dispositifs. Dans ce travail, les problèmes de modélisation des effets de canaux cours des composants MOSFET à base de III-V ont d'abord été étudiés. Un nouveau modèle analytique du potentiel électrique dans le canal du MOSFET est proposé et démontré afin de corriger des erreurs dues aux mauvaises conditions limites. Les rôles des effets quantiques de confinement, des paramètres des matériaux ainsi que le rôle de l'architecture des MOSFET III-V sur les effets de canaux courts sont ensuite examinés. L'impact de l'effet tunnel dans la direction source-drain est également analysé dans la dernière partie cette thèse
As silicon CMOS technology is approaching fundamental scaling roadblocks, alternative channel materials like Ge and III-V based devices have attracted a lot of attention and have been the subject of active research during the last 10 years. While these new materials have very promising transport properties, studies have shown that they have worse short channel performance than the Si counterparts. Hence there is a strong need to evaluate the impact of change in the channel material on the device performance in terms of the short channel effects. In this work, first some issues with conventional modeling of double gate MOSFETs are dealt with. A new analytical model of the built-in potential is proposed and shown to correct the errors due to wrong boundary conditions. The roles of quantum confinement effects, material parameters and architecture of nanoscale III-V MOSFETs on the electrostatic integrity in terms of SCEs are thoroughly examined. A modified parameter to capture the drain induced barrier lowering is used to predict the performance degradation in the post-threshold region of the MOSFETs. Impact of the source to drain tunneling on the subthreshold behavior and hence the scalability of III-V devices is also analyzed in this thesis

Dans le domaine de la microélectronique, les préoccupations environnementales et sanitaires et l'évolution de la législation ont contraint l'industrie à limiter son utilisation du plomb. Les matériaux (à base d'étain, d'argent, de cuivre, de bismuth...) destinés au brasage de composants électroniques font l'objet de nombreux développements pour être conformes aux exigences réglementaires et techniques. Le potentiel des carboxylates de métaux en électronique a déjà été démontré dans le cadre du développement de procédés de décomposition métal-organique. La décomposition thermique sous atmosphère contrôlée de tels précurseurs mène à la création de nanoparticules métalliques avec une réactivité accrue par rapport à celle de particules de taille micronique. L'utilisation de nanomatériaux est une des voies explorées pour mettre au point des procédés d'assemblage à basse température pour l'électronique. Elle s'appuie sur le fait que les températures de fusion et de frittage de nanomatériaux diminuent avec la taille des particules. C'est dans ce contexte que s'inscrivent les travaux de cette thèse, qui présente l'étude de la décomposition contrôlée de précurseurs métal-organiques destinés à être intégrés à un procédé d'assemblage sans plomb à basse température. Le comportement en température de différents précurseurs métal-organiques d'étain et de bismuth et l'influence de l'atmosphère de décomposition ont été étudiés. La relation entre la taille des particules métalliques et leur point de fusion a été soulignée, ainsi que l'influence majeure de l'oxydation sur l'évolution de la taille des particules et leur capacité à former des assemblages
Due to environmental and health concerns, new regulations led to a restriction in the use of lead in electronic equipment. Joining materials (based on tin, silver, copper, bismuth ...) for surface-mount technology are subject to many development work in order to comply with regulatory and technical requirements. The potential of metal carboxylates in electronics has already been demonstrated in the development of metal-organic decomposition processes. The thermal decomposition under controlled atmosphere of such precursors leads to the creation of metal nanoparticles with an increased reactivity compared to that of micron sized particles. The use of nanomaterials is a seriously considered way for developing low temperature joining processes for electronics. It is based on the well-known decrease of melting and sintering temperatures of nanomaterials with particle size. In this context, this work of thesis presents the study of the controlled decomposition of metal-organic precursors intended to be integrated into a low-temperature lead-free joining process. The thermal behavior of several metal-organic precursors of tin and bismuth, as well as the influence of the decomposition atmosphere, were studied. The relationship between the metal particles size and their melting point has been emphasized, as well as the major influence of oxidation on the evolution of particles size and their ability to make reliable joints

Les matériaux ferroélectriques présentent un regain d’intérêt pour de multiples applications en microélectronique. En particulier, en 2011, il a été découvert que l'oxyde d'hafnium présente un comportement ferroélectrique. Cela ouvre la voie vers des dispositifs de mémoire de faibles dimensions et compatibles CMOS. Le CEA-LETI étudie de nouveaux matériaux ferroélectriques à base d’oxyde d’hafnium pour des applications mémoire non-volatile. Il est nécessaire d’évaluer leur comportement ferroélectrique au travers de mesures électriques dédiées, et notamment d’extraire la polarisation ferroélectrique rémanente, image de la fenêtre mémoire pour un produit mémoire, le champ coercitif, la vitesse de commutation ou encore l’endurance des dispositifs mémoire. Deux matériaux, le Hf0.5Zr0.5O2 et le HfO2 dopé silicium, sont optimisés. Il est démontré que ces deux matériaux conservent leurs propriétés ferroélectriques dans le cadre d’une intégration complète dans le Back-End-Of-Line d’une technologique CMOS au noeud technologique 130nm. Ces dispositifs sont ensuite utilisés dans un circuit mémoire de 16kbit, basé sur une architecture FeRAM 1T-1C. Les distributions d’états mémoire à l’échelle de la matrice sont mesurées et sont suffisamment séparées pour définir une fenêtre mémoire de fonctionnement garantissant l’absence d’erreurs de lecture à l’échelle de la 16kbit. Pour finir, en faisant varier la surface des condensateurs et les tensions de programmation, nous pouvons extrapoler la fenêtre mémoire dans le cas de l’intégration de cette architecture 1T-1C à des noeuds plus agressifs, suivant la tendance de densification des circuits de l’industrie de la microélectronique actuelle
Ferroelectric materials are recently showing, since 2011, a novel appeal for microelectronic applications as it has been shown that, under specific crystal configuration, Hafnium-based dielectrics exhibit a ferroelectric behavior. This opens the way towards highly scalable and CMOS-compatible memory devices. CEA-LETI is currently investigating novel Hafnium-based ferroelectric materials for non-volatile memory applications. One need to evaluate their ferroelectric behavior through dedicated electrical characterization techniques, and in particular, to extract the remanent polarization, which is the direct picture of the memory window for a memory product, the coercive field, the programming speed and the endurance. Moreover, through the analysis of their ferroelectric performances, two materials, Hf0.5Zr0.5O2 and silicon-doped HfO2, are optimized. Furthermore, it is demonstrated that both materials remain ferroelectric after complete integration in the Back-End-Of-Line of a 130nm CMOS technology, with compatible thermal budget. These devices are then integrated in a 16kbit memory array, based on 1T-1C FeRAM architecture. A setup dedicated to this circuit’s characterization is developed and allows the measurement of binary state distributions of the bitcells. Both distributions are demonstrated fully separated, defining an operating memory window which guarantees no bitfails at the 16kbit scale. Finally, by measuring several capacitor surfaces at various programming voltages, one can extrapolate the expected memory window of this kind of 1T-1C architecture in more advanced nodes, following the ongoing trend of densification of industrial microelectronic circuits

Lynred est l’un des principaux acteurs mondiaux sur le marché des détecteurs infrarouge refroidis haute performance, historiquement basés sur des matériaux II-VI (HgCdTe), et plus récemment sur des matériaux III-V (QWIP, InSb, InGaAs). Les détecteurs InSb et InGaAs sont constitués de diodes organisées en matrices pour obtenir un imageur bidimensionnel. L’étude présentée dans ce manuscrit porte sur la compréhension du courant d’obscurité de ces diodes. La problématique est abordée en trois étapes : une étude du profil de la jonction, une analyse des phénomènes générant du courant d’obscurité dans le matériau massif, et la mise en évidence du rôle des interfaces. Le profil de la jonction est établi à partir de mesures SIMS fines. Les épaisseurs de la couche absorbante InGaAs et des zones de charge d'espace sont estimées par des mesures de capacité. En raison du caractère non abrupt des jonctions, les mesures de capacité ne permettent pas une détermination quantitative du dopage. Le courant de diffusion, non négligeable pour la diode InGaAs, est fortement contraint par la double hétérojonction. Il faut traiter séparément les mécanismes de diffusion verticale et latérale. La configuration matricielle vient ajouter une contrainte supplémentaire sur ce courant. Le courant de génération est à l’image des avancées technologiques actuelles, des matériaux de très bonne qualité et des diodes de faible taille. Le matériau massif contribue en proportion négligeable au courant d’obscurité en comparaison de la contribution des états d’interfaces, présents aux interfaces InSb/SiO ou InGaAs/InP. La maîtrise des étapes, de passivation pour l’InSb, et d’épitaxie pour l’InGaAs, sont les points critiques de ces technologies. Cette thèse a permis d’identifier les différents mécanismes responsables du courant d’obscurité des diodes InSb et InGaAs. Il est ainsi possible de pointer les étapes de fabrication critiques et de proposer des optimisations de design. Les moyens de caractérisation développés pour ces études pourront être utilisés sur la ligne de production. Ils permettront de contrôler la stabilité des procédés de fabrication, en particulier le dopage de la couche InGaAs et son épaisseur. Ces méthodes ont l'avantage d'être simples à mettre en œuvre, relativement peu coûteuses et surtout non destructives
Lynred is one of the major actors in the high quality cooled infrared detectors market, originally based on II-VI materials (HgCdTe), and more recently on III-V materials (QWIP, InSb, InGaAs). The InSb and InGaAs detectors are composed of photodiode organized in an array, in order to get a two dimension imager. The study reported here aim to enhance our comprehension of the dark current of these photodiodes. The subject is addressed in three steps: a study of the junction profile, an analyze of the phenomenon responsible for the dark current generated in the material’s bulk, and the highlighting of the interfaces role. The junction profile is established from sensibility optimized SIMS measurement. The thicknesses of the absorbing InGaAs layer, and of the space charge region, are obtained from capacity measurement. Because of the non-abrupt junction, the determination of the doping concentration can’t be achieved form the capacity. Diffusion current, which have to be taken into account for the InGaAs diode, is highly dependent upon the double heterojunction. Therefore, vertical and radial diffusion mechanisms have to be considered separately. Additionally, array configuration brings another constraint. Generation current is the witness of the actual technologies progresses, high quality materials with low default concentration and small sized diodes. Bulk material contribution is mostly negligible in comparison of the surface states one, localized at the InSb/SiO or the InGaAs/InP interfaces. Hence, the passivation process, or the epitaxy, is the critical point of those technologies. This thesis made it possible to identify the mechanisms responsible for the dark current of the InSb and InGaAs diodes, allowing us to point out the critical fabrication processes and to propose optimization of design. Characterization means developed during those three years might be used in the production line. It will allow monitoring the stability of the fabrication processes, especially the doping and thickness of the InGaAs absorbing layer. Those methods have the advantages of being simple to use, relatively cheap and above all non-destructives

L'objectif central de cette thèse est l'évaluation de la possibilité d'utilisation de complexes moléculaires à transitions de spin pour des applications en nano-électronique. Dans un premier temps, les propriétés électriques du complexe [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) et de ces analogues [Fe1-xZnx(Htrz)2(trz)](BF4) ont été analysées sous forme de poudres au moyen de la spectroscopie diélectrique. Il a été montré que les conductivités AC et DC aussi bien que la constante diélectrique et que la fréquence de relaxation diélectrique subissent une baisse importante lors de la transition de l'état bas spin (BS) vers l'état haut spin (HS). Les molécules à base de cations de fer gardent leurs propriétés de transition de spin dans les échantillons dilués de Zn, mais les courbes de transition de spin sont considérablement altérées. La substitution par Zn des centres de fer actifs mène à une importante baisse de la conductivité électrique d'environ 6 ordres de grandeur (pour Zn/Fe = 0.75). Nous concluons de ces résultats que les ions Fe(II) participent directement au processus de transport des charges, qui a été analysé dans le cadre d'un modèle de conductivité par saut de porteurs de charge activé thermiquement. Des particules micrométriques de [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) ont été alors intégrées par diélectrophorèse entre des électrodes d'or. Ainsi, nous avons obtenu un dispositif montrant un phénomène de bistabilité lors de la caractérisation I-V, T. La stabilité du matériau initial et le dispositif électronique ont été contrôlés avec précision et les effets concomitants de changements de températures, d'irradiation lumineuse et du champ électrique sur l'intensité du courant ont été analysés en détail. D'une part, nous avons montré que le dispositif peut être adressé de manière préférentielle par une irradiation lumineuse en fonction de son état de spin, et d'autre part, nous avons démontré la commutation de l'état métastable HS vers l'état stable BS par application d'un champ électrique à l'intérieur du cycle d'hystérésis. Les effets de champ ont été discutés dans le cadre de modèles de type Ising statiques et dynamiques, tandis que les phénomènes photo-induits étaient attribués à des effets de surface. Le complexe [Fe(H2B(pz)2)2(phen)] a également été caractérisé par spectroscopie diélectrique sous forme de poudre et ensuite intégré par évaporation thermique sous vide au sein d'un dispositif vertical entre les électrodes en Al et ITO. Cette approche nous a permis de sonder la commutation de l'état de spin dans la couche de [Fe(bpz)2(phen)] par des moyens optiques tout en détectant les changements de résistance associés, à la fois dans les régimes à effet tunnel (jonction de 10 nm) et dans les régimes à injection (jonctions de 30 et 100 nm). Le courant tunnel dans les jonctions à transition de spin diminue durant la commutation de l'état BS vers l'état HS, tandis que le comportement de rectification des jonctions " épaisses " ne révélait aucune dépendance significative à l'état de spin. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour la construction de dispositifs électroniques et spintroniques incorporant des matériaux à transition de spin
The central theme of this thesis is the evaluation of potential interest and applicability of molecular spin crossover (SCO) complexes for nanoelectronic applications. The electrical properties of the [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) complex and its Zn substituted analogues were analyzed first in the bulk powder form using broadband dielectric spectroscopy. It has been shown that the ac and dc conductivities as well as the dielectric constant and the dielectric relaxation frequency exhibit an important drop when going from the low spin (LS) to the high spin (HS) state. The iron ions kept their spin transition properties in the Zn diluted samples, but the SCO curves were significantly altered. The Zn substitution of active iron centers led to an important decrease of the electrical conductivity of ca. 6 orders of magnitude (for Zn/Fe = 0.75). We concluded from these results that the ferrous ions directly participate to the charge transport process, which was analyzed in the frame of an activated hopping conductivity model. Micrometric particles of [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) were then integrated by dielectrophoresis between interdigitated gold electrodes leading to a device exhibiting bistability in the I-V,T characteristics. The stability of the starting material and the electronic device were carefully controlled and the concomitant effect of temperature changes, light irradiation and voltage bias on the current intensity were analyzed in detail. We showed that the device can be preferentially addressed by light stimulation according to its spin state and the switching from the metastable HS to the stable LS state was also demonstrated by applying an electric field step inside the hysteresis loop. The field effects were discussed in the frame of static and dynamic Ising-like models, while the photo-induced phenomena were tentatively attributed to surface phenomena. The [Fe(bpz)2(phen)] complex was also investigated by dielectric spectroscopy in the bulk powder form and then integrated by high vacuum thermal evaporation into a large-area vertical device with Al (top) and ITO (bottom) electrodes. This approach allowed us to probe the spin-state switching in the SCO layer by optical means while detecting the associated resistance changes both in the tunneling (10 nm junction) and injection-limited (30 and 100 nm junctions) regimes. The tunneling current in the thin SCO junctions showed a drop when going from the LS to the HS state, while the rectifying behavior of the 'thick' junctions did not reveal any significant spin-state dependence. The ensemble of these results provides guidance with new perspectives for the construction of electronic and spintronic devices incorporating SCO molecular materials

We report the efforts lead in the design and fabrication of novel antennas from carbon nanotubes (CNTs) to assess their practicality in diverse usage scenarios. CNT-based antennas could help improve the performance of electrically-small antennas but may also allow the development of novel structures such as optically-controlled reflectarrays. They also represent an interesting technology for millimeter-wave and THz applications. Significant progress has been made on each of the four intertwined axes pertaining to these special antennas, modeling, analysis, fabrication and characterization. This has allowed designing and fabricating the first electrically-short CNT antenna prototypes and determining preliminary photocurrent trends. Indeed, we have derived an original mesoscopic model for the electromagnetic properties of aligned arrays of nano-elements with a special focus on CNTs to match simulation and fabrication capabilities. In parallel, we have reproduced and developed CNT growth and deposition techniques and established scalable fabrication processes. Additionally, an analytical model for CNT-based monopole antennas has been derived from transmission line theory. By combining modeling, analysis, simulation and fabrication, we have finally achieved the design and fabrication of CNT-based monopole antenna prototypes. The techniques have also been applied to the fabrication of CNT-based photocurrent samples which have been extensively characterized to highlight optimal illumination conditions and assess expectable performances as a base for future designs
Nous présentons une étude de faisabilité d’antennes innovantes basées sur les propriétés particulières des nanotubes de carbone (NTC). Celles-ci pourraient permettre une amélioration des performances des antennes électriquement courtes mais aussi le développement de systèmes innovants tels que des réseaux réflecteurs à commande optique. Ce pourrait aussi être une technologie intéressante pour les applications en plein essor dans les domaines des ondes millimétriques et terahertz. Des avancées significatives ont été réalisées suivant les quatre axes interdépendants qui régissent ces antennes : modélisation des NTC, analyse des antennes basées sur les NTC, fabrication à partir de NTC et caractérisation. Ceci nous a permis d’une part de concevoir et de fabriquer les premiers prototypes d’antennes électriquement courtes à base de NTC et d’autre part de mettre en évidence des tendances dans la réponse des NTC sous illumination. En effet, en utilisant une approche mésoscopique, nous avons développé un modèle électromagnétique original pour les ensembles de nano-éléments alignés, en particulier les NTC, permettant leur intégration dans des logiciels de simulation électromagnétique classiques et donc la mise en correspondance des possibilités de fabrication et de simulation. En parallèle nous avons reproduit et développé des méthodes de croissance et de dépôt de NTC et établi des procédés de fabrication pouvant être adaptés à grande échelle. De plus, un modèle analytique des antennes monopôles à base de NTC a été établi à partir d’une approche ligne de transmission. Ces techniques nous ont permis de mettre en avant les compromis nécessaires dans la conception d’antennes de taille réduite à base de NTC et ainsi de concevoir et fabriquer de premiers prototypes. Elles ont aussi été appliquées à la fabrication de structures de test pour une caractérisation des NTC sous illumination. Ceci nous a permis de mettre en évidence les conditions optimales pour générer un courant photoélectrique dans les NTC et d’évaluer les performances pouvant être attendues comme base pour de futurs systèmes

Au cours des dernières années, l'importance de nanoélectronique a augmenté avec la demande pour des dispositifs plus petits et plus efficaces. Les technologies traditionnelles basées sur le silicium rencontrent des défis, notamment pour la réduction de la taille des transistors tout en maintenant leur performance. Les longueurs de canal plus courtes améliorent la vitesse et la densité des dispositifs, mais entraînent des problèmes tels que l'électromigration, les fuites et la charge thermique. Le graphène, un matériau bidimensionnel, offre une solution grâce à sa haute mobilité des porteurs, sa conductivité thermique et sa stabilité, ce qui en fait une alternative prometteuse au silicium. L'utilisation des propriétés du graphène pourrait surmonter les limitations du silicium, permettant le développement de nanoélectroniques de prochaine génération avec de meilleures performances et évolutivité. Le graphène monolayer est généralement produit par des méthodes d'exfoliation, mais celles-ci introduisent souvent des défauts et des contaminants, dégradant ses propriétés électriques et limitant la production à grande échelle. La déposition chimique en phase vapeur (CVD) offre une solution plus efficace, mais peut encore introduire des défauts, tandis que la réduction de l'oxyde de graphène entraîne trop d'imperfections pour la nanoélectronique. Le graphène épitaxial (epigraphène) offre des propriétés de transport supérieures pour les dispositifs haute performance, mais, comme tout graphène, il est sensible aux conditions environnementales et nécessite une passivation efficace. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est un matériau de passivation prometteur en raison de sa compatibilité structurelle avec le graphène. Bien que les méthodes conventionnelles de transfert de h-BN introduisent des défauts, l'épitaxie en phase vapeur métal-organiques (MOVPE) permet une croissance directe sur l'épigraphène, résolvant ces problèmes. Cette thèse examine la croissance de couches minces de h-BN sur divers substrats d'épigraphène (monocouche, multicouche et motifé) en utilisant l'épitaxie de van der Waals, en mettant l'accent sur leurs applications potentielles dans les transistors à couche mince (TFT). L'étude se divise en trois domaines clés : d'abord, nous avons exploré la croissance MOVPE de couches de h-BN (jusqu'à 20 nm) sur de l'épigraphène monocouche et multicouche sur carbure de silicium (SiC), en examinant les faces terminées au silicium (face Si) et au carbone (face C). Les deux substrats ont montré des caractéristiques de surface similaires, et le recuit thermique a amélioré la qualité cristalline sans compromettre l'intégrité de l'hétérostructure h-BN/épigraphène jusqu'à 1550 degrés. Deuxièmement, nous avons exploré la croissance sélective de h-BN de haute qualité sur l'épigraphène motifé en gravant pour ne conserver que les motifs de graphène souhaités avant la croissance de h-BN. Cette méthode a contribué à réduire la formation de particules et les dommages comparés aux techniques de motifage post-dépôt conventionnelles. Enfin, des dispositifs TFT ont été fabriqués à partir de ces hétérostructures après avoir étudié diverses méthodes de gravure (CF4, XeF2, SF6) pour éliminer le h-BN et établir des contacts avec l'épigraphène. Les caractérisations électriques préliminaires ont montré des variations de résistance avec les champs magnétiques, bien que la résistance de contact ait été plus élevée que prévu. Cette recherche fournit une technique prometteuse pour produire des couches de h-BN de haute qualité sur des dispositifs à base de graphène, ouvrant la voie à de nouveaux avancements tout en identifiant les domaines à améliorer
In this century, the importance of nanoelectronics has grown with the demand for smaller, more efficient devices. Traditional silicon-based technologies face challenges, particularly in scaling down transistors while maintaining performance. Shorter channel lengths improve speed and device density but lead to issues like electromigration, leakage, and thermal load. Graphene, a two-dimensional material, offers a solution due to its high carrier mobility, thermal conductivity, and stability, making it a promising alternative to silicon. Utilizing graphene's properties could overcome silicon's limitations, enabling next-generation nanoelectronics with better performance and scalability. Monolayer graphene is typically produced via exfoliation methods, but these often introduce defects and contaminants, degrading its electrical properties and limiting large-scale production. Chemical vapor deposition (CVD) offers a more scalable solution but can still introduce defects, while reducing graphene oxide leads to too many imperfections for nanoelectronics. Epitaxial graphene (epigraphene) offers superior transport properties for high-performance devices but, like all graphene, is sensitive to environmental factors and requires effective passivation. Hexagonal boron nitride (h-BN) is a promising passivation material due to its structural compatibility with graphene. While conventional methods of h-BN transfer introduce defects, metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) allows direct growth on epigraphene, solving these issues. This thesis investigates the growth of thin h-BN layers on various epigraphene substrates (monolayer, multilayer, and patterned) using van der Waals epitaxy, with a focus on their potential applications in thin-film transistors (TFTs). The study is divided into three key areas: First, we explored the MOVPE growth of h-BN layers (up to 20 nm) on monolayer and multilayer epigraphene on silicon carbide (SiC), examining the silicon-terminated (Si-face) and carbon-terminated (C-face) faces. Both substrates exhibited similar surface characteristics, and thermal annealing was found to improve crystal quality without compromising the integrity of the h-BN/epigraphene heterostructure up to 1550 degrees. Second, we explored the selective growth of high quality h-BN over patterned epigraphene by etching to retain only the desired graphene patterns prior to h-BN growth. This method helped in reducing particle formation and damage compared to conventional post-deposition patterning techniques. Finally, TFT devices were fabricated from these heterostructures after investigating various etching methods (CF4, XeF2, SF6) to remove h-BN and establish contact with the underlying epigraphene. Preliminary electrical characterizations showed changes in resistance with magnetic fields, although contact resistance was higher than anticipated. This research provides a promising technique for producing high-quality h-BN layers on graphene-based devices, paving the way for further advancements while identifying areas for improvement

L'industrie PV connaît un fort engouement pour les cellules PERC. Néanmoins leurs performances sont limitées par deux sources de recombinaison des porteurs de charge: au niveau de l'émetteur obtenu par diffusion de P, et en face arrière aux interfaces Al-Si. L'objectif principal de cette thèse vise à limiter ces pertes en intégrant deux nouveaux collecteurs. Le premier est un émetteur sélectif (ES) obtenu par implantation ionique à immersion plasma (PIII) de P. Le second concerne un contact passivé (CP) constitué d'un film de silicium polycristallin (poly-Si) dopé au B sur un oxyde mince. Dans un second temps, les travaux s'intéressent à la compatibilité entre ces collecteurs et les plaquettes de Si issues de lingots fabriqués par solidification dirigée. Un procédé de masquage in situ des implantations PIII a permis d'élaborer des ES avec une bonne maîtrise de la géométrie du motif et des niveaux de dopage. Ensuite, un éventail de techniques pour la métallisation du poly-Si(B) a été étudié. La voie de métallisation par sérigraphie de pâtes traversantes est la plus encourageante à l'heure actuelle. Elle permet l'utilisation de couches hydrogénantes non sacrificielles qui ont mené à l'obtention de précurseurs de cellules avec un excellent niveau de passivation. Néanmoins, la résistance de contact entre le métal et le poly-Si(B) demeure à ce jour trop élevée pour une intégration optimale. Enfin, l'association de Si multicristallin avec différents CP a montré la propension de ces derniers à générer un effet getter externe efficace. Cela laisse envisager une très bonne compatibilité entre l'architecture cellule développée et les Si bas-coût et à faible emprunte carbone
Thanks to a relatively simple fabrication process and high conversion efficiency values the PERC structure is well established at the industrial level. Nevertheless, industrial PERC solar cells performances are mostly limited by two charge carrier recombination sources: P thermally diffused emitter on the front side and the Al-Si interfaces at the rear contacts. The main goal of this work aims at limiting both recombination sources. A selective emitter (SE) obtained by plasma immersion ion implantation (PIII) is developed for an integration on the front side; whereas a B-doped polysilicon (poly-Si) on oxide passivated contact (PC) is integrated on the back side. The second goal of this work consists in evaluating the compatibility between these advanced carrier collectors and directionally solidified Si materials. SE featuring good geometrical properties and a well-controlled doping were fabricated thanks to an in situ localized doping process obtained with a specific mask developed for PIII. Besides, several metal deposition technologies were investigated for the poly-Si(B). Fire-through screen-printing appears as the most promising approach so far. Indeed, the deposition of a non-sacrificial hydrogen-rich layer allowed to reach an excellent surface passivation level for solar cell precursors. However, the specific contact resistivity obtained remains too high for an optimal cell integration. Lastly, the fabrication of poly-Si PC showed excellent external gettering efficiencies for multicrystalline Si. Thus, the potential of the developed cell structure to be integrated with low-cost and low carbon footprint materials is encouraging