Ce travail a été réalisé au Centre de Recherche en Nanofabrication et Nanocaractérisation (CRN[indice supérieur 2]) de l'Université de Sherbrooke. Il porte sur l'étude, la réalisation et la caractérisation de structures métal - isolant - semiconducteur (MIS) sur nitrure de gallium. Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semiconducteur de la famille III-V à large bande interdite directe, ayant des propriétés électriques, physiques et mécaniques très intéressantes. Il a été découvert depuis plus de quatre décennies. Les difficultés de son élaboration, les problèmes d'inefficacités du dopage p et les densités élevées des défauts cristallins dans les couches épitaxiées, ont constitué pendant longtemps des obstacles majeurs au développement de la technologie GaN [I. Akasaki, 2002]. Il a fallu attendre jusqu'au début des années 1990 pour voir apparaître des couches de meilleure qualité et pour améliorer l'efficacité du dopage p [J.Y. Duboz, 1999]. Cet événement a été l'étape majeure qui a révolutionné la technologie à base de GaN et a permis d'amorcer son intégration dans le milieu industriel. Depuis, la technologie à base de ce matériau ne cesse de progresser à un rythme exponentiel. Il se présente aujourd'hui comme un matériau de choix pour la réalisation de dispositifs électroniques de puissances et de hautes fréquences pouvant fonctionner dans des milieux hostiles. Grâce à sa bande interdite directe et son pouvoir d'émission à faible longueur d'onde, il est aussi très convoité pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques de hautes performances en émission ou en détection, tels que les DELs, Lasers ou les photodétecteurs. Malgré l'avancé rapide qu'a connu le GaN, certains aspects de ce matériau restent encore mal maîtrisés, tels que la réalisation de contacts ohmiques de bonne qualité ou encore le contrôle des interfaces métal/GaN et isolant/GaN. Les hétérostructures isolant/GaN sont caractérisées par une forte densité d'états de surface (D[indice inférieur it]). Ce phénomène, aussi rapporté sur GaAs et sur la plupart des matériaux III-V, induit l'ancrage du niveau de fermi au centre de la bande interdite. Il constitue l'un des freins majeurs au développement d'une technologie MIS (MOS) fiable sur GaN. À travers ce document, nous rapportons les résultats des travaux entrepris pour la réalisation de capacités MIS, de contacts ohmiques et de diodes Schottky sur les deux types de substrat GaN et p-GaN. Le diélectrique utilisé comme couche isolante pour les structures MIS est le Nitrure de Silicium (Si[indice inférieur x]N[indice inférieur y]) déposé par PECVD. Ces travaux constituent une introduction aux procédés de microfabrication sur nitrure de gallium, aux difficultés liées aux effets de surface dans le GaN et aux étapes de préparation chimique en vue de minimiser la densité de charges d'état à l'interface métal/GaN et diélectrique/GaN. La première partie du document est dédiée à la caractérisation optique et électrique des substrats GaN utilisés par étude de spectroscopie de photoluminescence (PL) et par étude Schottky.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale de phase isolante non-conventionnelle, l'isolant d'Anderson, induit par le désordre, l'isolant de Mott, induit par les interactions de Coulomb, et les isolants topologiques.Dans une première partie du manuscrit, je décrirais le développement d'une méthode pour étudier la réponse de charge de nanoparticules par Microscopie à Force Electrostatique (EFM). Cette méthode a été appliquée à des nanoparticules de magnétite (Fe3O4), un matériau qui présente une transition métal-isolant, i.e. la transition de Verwey, lors de son refroidissement en dessous d'une température TV~120 K.Dans une seconde partie, ce manuscrit présente une étude détaillée de l'évolution de la densité d'états au travers de la transition métal-isolant entre un isolant de type Anderson-Mott et une phase métallique dans le matériau SrTiO3, et ceci, en fonction de la concentration de dopants, les lacunes d'oxygènes. Nous avons trouvé que dans un dispositif memoresistif de type Au-SrTiO3-Au, la concentration de dopants pouvait être ajustée par migration des lacunes d'oxygènes à l'aide d'un champ. Dans cette jonction tunnel, l'évolution de la densités d'états au travers de la transition métal-isolant peut être étudiée de façon continue. Finalement, dans une troisième partie, le manuscrit présente le développement d'une méthode pour la microfabrication d'anneaux de Aharonov-Bohm avec l'isolant topologique, Bi2Se3, déposée par épitaxie à jet moléculaire. Des résultats préliminaires sur les propriétés de transport quantique de ces dispositifs seront présentés. / This manuscript presents an experimental study of unconventional insulating phases, which are the Anderson insulator, induced by disorder, the Mott insulator, induced by Coulomb interactions, and topological insulators.In a first part of the manuscript, I will describe the development of a method to study the charge response of nanoparticles through Electrostatic Force Microscopy (EFM). This method has been applied to magnetite Fe3O4 nanoparticles, a material that presents a metal-insulator transition, i.e. the Verwey transition, upon cooling the system below a temperature Tv=120K. In a second part, this manuscript presents a detailed study of the evolution of the Density Of States (DOS) across the metal-insulator transition between an Anderson-Mott insulator and a metallic phase in the material SrTiO3 and this, as function of dopant concentration, i.e. oxygen vacancies. We found that in this memristive type device Au-SrTiO3-Au, the dopant concentration could be fine-tuned through electric-field migration of oxygen vacancies. In this tunnel junction device, the evolution of the DOS can be followed continuously across the metal-insulator transition. Finally, in a third part, the manuscript presents the development of a method for the microfabrication of Aharonov-Bohm rings with the topological insulator material, Bi2Se3, grown by molecular beam epitaxy. Preliminary results on the quantum transport properties of these devices will be presented.

Ce travail de thèse traite de la synthèse et de l'étude des propriétés d'agrégats mixtes magnétiques. Ils sont produits à l'aide d'une technique de co-dépôt utilisant source à vaporisation laser couplée avec une cellule d'évaporation. Les agrégats Co-Ag ont un diamètre moyen de 3,1 nm. L'argent ségrége pour former une structure coeur(Co)-coquille(Ag). Les agrégats CoPt ont une énergie d'anisotropie magnétique (MAE) supérieure à celle d'agrégats de cobalt pur. Ils possèdent un diamètre moyen de 2 nm et sont nanocristallisés dans une phase cfc chimiquement désordonnée. Des mesures de transport électronique à travers un agrégat CoPt isolé ont permis d'observer les effets du blocage de Coulomb et les niveaux d'énergie électroniques discrets de la particule. Nous avons également mesuré l'influence d'agrégats magnétiques sur la densité d'états locale d'une matrice supraconductrice de niobium. Nous avons pu mettre en évidence l'apparition d'états électroniques à l'intérieure de la bande interdite.

La spectroscopie électronique basée sur l'effet tunnel donne accès à la densité d'états des électrons (DoS) dans les matériaux conducteurs, et renseigne ainsi en détail sur leurs propriétés électroniques. <br />Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope permettant d'effectuer la spectroscopie tunnel résolue spatialement (10 nm) de nanocircuits individuels, avec une résolution en énergie inégalée (10 µeV). Cet appareil combine les fonctions de Microscopie par Force Atomique (mode AFM) et de spectroscopie Tunnel locale (mode STM), et fonctionne à 30 mK. Dans le mode AFM, la topographie de l'échantillon est imagée grâce à un diapason en quartz piézoélectrique, ce qui permet de repérer les circuits. La spectroscopie tunnel peut ensuite être faite sur les zones conductrices. <br />Avec ce microscope, nous avons mesuré la DoS locale dans une structure hybride Supraconducteur-métal Normal-Supraconducteur (S-N-S). Dans un tel circuit, les propriétés électroniques de N et de S sont modifiées par l'effet de proximité supraconducteur. Notamment, pour des fils N courts, nous avons pu observer -comme prédit- la présence d'un gap dans sa DoS, indépendant de la position dans la structure : le “minigap”. De plus, en modulant la phase supraconductrice entre les deux S, nous avons mesuré la modification de ce gap, et sa disparition lorsque la différence de phase vaut π. <br />Nos résultats expérimentaux pour la DoS, ainsi que ses dépendances en phase, en position, et en longueur de N sont en accord quantitatif avec les prédictions de la théorie quasiclassique de la supraconductivité. Certaines de ces prédictions sont observées pour la première fois.