Artificial Intelligence (AI) is increasingly impacting our daily lives, promising transformative changes across numerous societal domains. However, AI faces two major hurdles : energy efficiency and trustworthiness. High energy demands of AI contribute to global carbon emissions and limit its usage in resource-limited environments. Meanwhile, AI's 'black box' nature raises concerns about its reliability, hindering wider acceptance. This thesis addresses these challenges by bringing together AI, computer architecture, and emerging technologies. Our key strategy is the development of specialized integrated circuits utilizing cutting-edge memristor technology, a nanoelectronic technology designed to support low-energy computational paradigms for AI models, specifically in resource-constrained contexts. We exploit memristors' non-volatility and in/near-memory capabilities for higher energy efficiency, especially in edge computing. Additionally, we incorporate Bayesian inference, an explainable AI technique, to enhance the transparency and trustworthiness of AI.

Figure : An optical microscopy image of our Memristor-Based Bayesian machine

Le développement de nouveaux dispositifs de stockage qui exploitent directement le déplacement des structures magnétiques comme les parois de domaines magnétiques chirales et les skyrmions pourraient résoudre au problème de consommation d’énergie des disques durs actuels. Ces structures magnétiques sont stabilisées par l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya.  Pour réaliser de tels dispositifs il faut d’abord comprendre le rôle que joue cette interaction dans la dynamique de ces structures magnétiques. Cette thèse traite de la question du comportement statique et dynamique des parois chirales dans le régime de la reptation. Je commence par présenter les théories déjà élaborées ainsi que les expériences réalisées sur les parois chirales et par présenter les méthodes expérimentales utilisées pour la fabrication des échantillons et la mesure des vitesses des parois dans celles-ci. Pour le comportement statique, j’étudie comment évolue la configuration de la paroi sous l’influence d’un champ appliqué dans le plan. Pour le comportement dynamique, j’étudie la dynamique des parois dans un paysage de défauts sous les influences simultanées des champ appliqués dans et hors du planes utilisant un modèle de piégeage par variation d’anisotropie. Enfin, je présente mes résultats expérimentaux et la méthode permettant d’extraire les paramètres de piégeage pour les comparer au modèle. 

Communément connue dans les métaux, la supraconductivité peut également apparaître dans les semi-conducteurs du groupe IV. Le silicium dopé au bore (SiB), l'un des matériaux les plus courants dans l'industrie des semi-conducteurs, présente une telle phase à condition que la quantité de dopants actifs   ,  les atomes de B qui participent à la conduction,  soit supérieure à une concentration seuil  . Cette concentration seuil pour la supraconductivité est largement supérieure au seuil de solubilité du B dans le Si solide (c-Si),  .  Pour atteindre une telle concentration (active)  , il est possible d'exploiter le dopage laser nanoseconde hors équilibre, et plus exactement le Gas Immersion Laser Doping (GILD), ouvrant la voie à une nouvelle génération de dispositifs supraconducteurs tout faits de Si. Cependant, le dopage important nécessaire pour atteindre la phase supraconductrice induit des changements importants dans les propriétés du matériau. Cette thèse a pour objectif de comprendre les propriétés supraconductrices avec le dopage et la structure des couches dopées par GILD, et de tirer profit de ces connaissances pour optimiser les propriétés supraconductrices et les performances des dispositifs. Nous étudions en premier lieu l’évolution des propriétés électriques (mesures d’effet Hall et de résistivité) et structurelles (XRD, STEM) de nos couches avec le dopage. Nous démontrons que les atomes B forment des paires, électriquement inactives, induisant une réduction du taux d'activation. La concentration de ces paires et son augmentation avec la quantité totale de dopants   ont pu être prédites à l'aide d'un modèle probabiliste simple. En parallèle, l'évolution de la déformation est observée : à faible dopage, la couche de SiB s'adapte parfaitement au réseau cristallin du Si avec une déformation maximale hors plan   qui évolue linéairement avec   , suggérant que tous les dopants sont en substitution. À des concentrations plus élevées ( ), une relaxation partielle de la déformation a lieu en même temps que l'apparition de défauts cellulaires. La coïncidence de ces deux phénomènes est attribuée à un changement de régime de croissance : la surfusion constitutionnelle.

Ces études nous permettent d’établir des diagrammes de phase, que nous comparons aux propriétés structurelles et de transport. Notamment, ces études nous permettent de démontrer que l’apparition de la phase supraconductrice coïncide avec l’apparition de la phase relaxée. Nous avons décrit avec succès l'augmentation de  , qui atteint  , avec le dopage actif dans le cadre de la théorie BCS dans le régime de couplage intermédiaire. Nous avons réalisé des jonctions Supraconducteur/ Semiconducteur dopé où deux contacts supraconducteurs de SiB sont séparés par un canal Si (~100 𝑛𝑚)  dopé ( ) couplé à une grille, dans le but de réaliser un transistor Josephson supraconducteur avec  modulation du supercourant. Les JoFETs en silicium réalisés à partir de contacts supraconducteurs métalliques sont limités par la transparence de l'interface SN, généralement de l'ordre de  , ce qui supprime l’effet de proximité. Au contraire, nous avons démontré une résistance d'interface extrêmement faible  , dans les contacts Si/SiB, permettant l'établissement d'un effet de proximité à longue portée. Nous étudions notamment l’évolution du courant critique   de ces jonctions.

Figure : Diagramme de phase du SiB ultra-dopé par dopage laser nanoseconde hors équilibre. Les propriétés électriques, structurelles et supraconductrices ont été étudiées sur plusieurs séries de couche dopées en profondeur, à différentes conditions de concentrations. Trois régimes de dopage sont mis en évidence. 1 - A faible concentration, les couches épitaxiées reprennent bien la maille cristalline du substrat et la couche est complètement contrainte et ne présentent pas de défauts cristallins ou de dopage. Pour ces conditions de dopage, la supraconductivité n’est pas observée. 2 – A plus fortes concentrations (3.4±0.9×1021cm-3, voir la ligne rouge), on observe une coïncidence des relaxations de contrainte et de la phase supraconductrice. Des défauts cellulaires apparaissent notamment au sein de la couche. 3 – Au-delà d’une certaine concentration, 5.5±1.2×1021cm-3 (ligne noire), l’ensemble des propriétés électriques (concentration active, résistivité), structurelle (déformation de la maille) et supraconductrices saturent. On observe simultanément l’apparition d’agrégats de B en fond de couche.

Du fait de ses propriétés physiques remarquables, le nitrure de gallium (GaN) est un matériau très attrayant pour la fabrication de composants pour l’électronique de puissance en commutation et à haute température. Les transistors HEMT à base de GaN sont les dispositifs les plus utilisés pour ces applications, dû à leur densité de courant élevée et leur faible résistance à l’état passant. Cependant, en raison d'une conduction latérale dans ces structures et à l’absence de substrat accordé en maille, le mode normally-off constitue toujours un défi. Nous proposons une nouvelle approche d’un transistor MOSFET de puissance à conduction verticale basée sur une structure à nanofils de GaN. Ce concept permet non seulement une dissipation thermique optimale mais aussi une commande parfaite du canal conducteur via une grille enrobante et isolée. L’objectif est de les réaliser sur substrat de silicium afin d’assurer un coût bas. Une simulation numérique avec l’outil TCAD-Sentaurus d’un transistor vertical à nanofil GaN et les deux approches expérimentales suivies pour élaborer ces composants seront présentées.

Dans ce contexte, mes travaux portent sur la conception et la fabrication de capteurs capacitifs flexibles pour la mesure des champs de pression. À cet égard, l'introduction de microporosités dans le polymère déformable utilisé est étudiée afin de contrôler les propriétés mécaniques du matériau polymère, et d'optimiser les performances des capteurs réalisés (sensibilité, gamme de mesure, robustesse...). Dans ces travaux, plusieurs techniques de fabrication de PDMS poreux ont été développées permettant l’obtention d’une grande étendue de porosités. Deux types de PDMS poreux ont été fabriqués : PDMS à porosité non-ordonné obtenu en mélangeant différents ratios volumiques de sucre avec du PDMS et PDMS à porosité ordonné obtenu en utilisant un moule sacrificiel en PVA (Poly(Alcool Vinylique)) obtenu par impression 3D. La sensibilité du PDMS poreux aux variations de température et d’humidité a été étudiée et les sensibilités à ces paramètres environnementaux restent faibles. Par la suite, les caractérisations électromécaniques des capteurs fabriqués permettent le développement d’un modèle universel des caractéristiques électromécaniques de capteurs souples à base de PDMS. Ce modèle permet de comparer les performances des différents capteurs de manière systématique et objective à travers l’estimation de leur sensibilité et de leur étendue de mesure Des tendances générales sont dégagées et une analyse du comportement des capteurs en fonction des propriétés du matériau est proposée. Un second modèle affiné à deux termes est également proposé afin de différencier les comportements « poreux » et « massif » de la couche diélectrique. Pour terminer, nous avons validé la fabrication et la fonctionnalité d’électrodes souples à base de PDMS chargé, que l’on peut associer aisément à la couche diélectrique afin de constituer des capteurs capacitifs complètement flexibles. L’ensemble des résultats présentés dans cette thèse ouvre la voie au dimensionnement et à la réalisation de dispositifs multi-capteurs complexes pour le suivi des champs de pression.

Tandem PV technologies combining a III-V semiconductor cell over a silicon (Si) cell offer a promising pathway to exceed the efficiency limit of single junction Si solar cells (29.4%). Owing to their small diameters, nanowires (NWs) allow to mitigate the lattice constant and thermal coefficient mismatch issues associated with the direct growth of high-quality III-V layers on Si. The goal of this PhD work is to fabricate a high-efficiency solar cell consisting of first GaAs NWs, and ultimately GaAsP NWs, directly grown on Si by molecular beam epitaxy. First, the patterned Si substrate preparation process was optimized to obtain ordered GaAs NW arrays with near-perfect and reproducible vertical yields. Our champion core–shell GaAs/GaInP NW solar cell demonstrated a high Voc of 0.65 V, and an efficiency of almost 3.7%, at the state-of-the-art of radial junction GaAs NW solar cells grown on Si.

The calibrated photoluminescence characterization of these NW arrays indicated good optoelectronic properties, with a quasi-Fermi level splitting of 0.84 eV at 1 sun, and we identified significant room for device improvement. Increasing the n-type doping level in the NW shell could be one way of enhancing device performance. To this end, we used cathodo-luminescence to study the incorporation efficiency and homogeneity of tellurium in self-catalyzed GaAs NWs. Finally, GaAs/GaAsP/GaP axial junction NW solar cells were fabricated for the first time in our group. Luminescence characterization indicated pro- mising optoelectronic properties. Using electronic simulation, we attributed the limited performances to energy barriers at the n-type contact. Overall, this PhD work contributed to significant technological

advances, and the detailed characterization experiments and simulation results presented shed light on the potential and challenges of III-V-on-Si NW-based solar cells.

Nanophononics, i.e. acoustic phonon engineering, is a promising research domain with potential in the manipulation of sound and heat at the nanometric scales. Research on the vibrational properties of systems formed by semiconductor multilayers has permitted to achieve a new level of understanding of acoustic phonons in these structures.

In this work, we introduce topological phononic devices made of semiconductor superlattices to control the propagation and confinement of acoustic phonons in the tens to hundreds of gigahertz range.

We developed Brillouin spectroscopy experimental schemes to access the confined acoustic modes in planar and micropillar optophononic cavities where both light in the near infrared range and acoustic phonons in the 20 GHz range can be simultaneously confined.

Electric field control of magnetic properties in ferromagnetic thin films is a sought-after feature for spintronics devices, as it offers great potential for high energy efficiency in memory applications.

Much like the power efficiency, two other sought-after features to incorporate are nonvolatility and reversibility. In addition to the effects arising from electric field-induced charge accumulation at the ferromagnet/dielectric interface, electric field-induced migration of ions in dielectric layers adjacent to a magnetic layer shows a more extended effect, resolving electrostatic screening and volatility of charges. Such a technique is known as magneto-ionics. Magneto-ionic control of magnetic properties using oxygen ions has been of great importance in developing energy efficient spintronics devices; however, the magneto-ionic performance such as speed, reversibility and stability is largely influenced by the stack materials. In this thesis, CoFeB-based systems are explored for various heavy metal buffer layers optimizing magneto-ionic performance addressing the importance of factors such as the level of oxidation, post-growth annealing and the stability.