Ce travail de thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de composants non linéaires à hétérostructures d'une part, et de guides de propagation coplanaires sur membrane d'autre part.<br />Pour les dispositifs actifs, le composant développé est une hétérostructure à simple barrière qui présente des non-linéarités en capacité extrêmement marquées utilisables dans les multiplicateurs de fréquences. Par rapport aux dispositifs Schottky varactors conventionnels, les hétérostructures permettent de tirer parti de propriétés de symétrie et d'optimiser et d'optimiser au mieux les caractéristiques des courants de déplacement et de conduction. En pratique, les composants sont fabriqués à partir de multiples hétérostructures épitaxiées par jets moléculaires sur substrat InP mettant en jeu des techniques d'intégration monolithiques. Plusieurs séries d'échantillons ont été fabriquées avec pour les dernières structures des résultats à l'état de l'art, notamment avec la possibilité de moduler la capacité dans un rapport 5 en tenue en tension de plus de 6 Volt favorable aux applications de puissance. dans cette optique, nous démontrons par ailleurs la possibilité d'intégrer verticalement plusieurs composants sur une même épitaxie.<br />Pour les structures passives, elles sont constituées de lignes coplanaires déposées sur membrane de polyimide ou de nitrure de silicium. Dans ces conditions le milieu de propagation peut se comparer à l'air avec une permittivité effective très proche de celle obtenue dans l'espace libre. De telles structures ont été fabriquées en utilisant des technologies de micro-usinage de l'Arséniure de Gallium. Les résultats des caractérisations hyperfréquences sont conformes aux prédictions théoriques, avec la propagation faible perte de l'énergie électromagnétique sans dispersion dans une très large bande de fréquence. Ces études sont ensuite étendues à la conception de structures de filtrage aux fréquences millimétriques, notamment à 250 GHz.

L'isolement du graphène, une monocouche de graphite composée d'un plan d’atomes de carbone, a démontré qu'il est possible de séparer un seul plan d'épaisseur atomique, que l'on appelle matériau bidimensionnel (2D), à partir des solides de Van de Waals (vdW). Grâce à leur stabilité, différents matériaux 2D peuvent être empilés pour former les hétérostructures de vdW. L'interaction vdW à l'interface étant suffisamment faible, les propriétés spécifiques de chaque matériau demeurent globalement inchangées dans l’empilement. En utilisant une démarche théorique et computationnelle basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et le formalisme de Keldysh-Green, nous avons étudié l'hétérostructure graphène/MoS₂ . Le principal intérêt des propriétés spécifiques du graphène et du MoS₂ pour la conception d'un transistor à effet de champ réside dans la mobilité du graphène, à la base d'un transistor haute performance et dans le gap électronique du MoS₂, à la base de la commutation du dispositif. Tout d'abord, nous avons étudié les effets de la rotation entre les deux couches sur les propriétés électroniques à l'interface, en démontrant que les propriétés électroniques globales ne sont pas affectées par l'orientation. En revanche, les images STM (microscope à effet tunnel) sont différentes pour chaque orientation, en raison d'un changement de densité de charge locale. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé l’interface graphène/MoS₂ en tant que modèle très simple de Transistor à Effet de Champ. Nous avons analysé le rôle des hétérostructures de vdW sur la performance du transistor, en ajoutant des couches alternées de graphène et MoS₂ sur l'interface graphène/MoS₂. Il a ainsi été démontré que la forme de la DOS au bord du gap est le paramètre le plus important pour la vitesse de commutation du transistor, alors que si l’on ajoute des couches, il n’y aura pas d’amélioration du comportement du transistor, en raison de l'indépendance des interfaces dans les hétérostructures de vdW. Cependant, cela démontre que, dans le cadre de la DFT, on peut étudier les propriétés de transport des hétérostructures de vdW plus complexes en séparant chaque interface et en réduisant le temps de calcul. Les matériaux 2D sont également étudiés ici en tant que pointe pour STM et AFM (microscope à force atomique) : une pointe de graphène testée sur MoS₂ avec défauts a été comparée aux résultats correspondants pour une pointe en cuivre. La résolution atomique a été obtenue et grâce à l'interaction de vdW entre la pointe et l’échantillon, il est possible d’éviter les effets de contact responsables du transfert d'atomes entre la pointe et l'échantillon. En outre, l'analyse des défauts est très utile du fait de la présence de nouveaux pics dans le gap du MoS₂ : ils peuvent ainsi être utilisés pour récupérer un pic de courant et donner des perspectives pour améliorer la performance des transistors. / The isolation of graphene, a single stable layer of graphite, composed by a plane of carbon atoms, demonstrated the possibility to separate a single layer of atomic thickness, called bidimensional (2D) material, from the van der Waals (vdW) solids. Thanks to their stability, 2D materials can be used to form vdW heterostructures, a vertical stack of different 2D crystals maintained together by the vdW forces. In principle, due to the weakness of the vdW interaction, each layer keeps its own global electronic properties. Using a theoretical and computational approach based on the Density Functional Theory (DFT) and Keldish-Green formalism, we have studied graphene/MoS₂ heterostructure. In this work, we are interested in the specific electronic properties of graphene and MoS₂ for the conception of field effect transistor: the high mobility of graphene as a basis for high performance transistor and the gap of MoS₂ able to switch the device. First, the graphene/MoS₂ interface is electronically characterized by analyzing the effects of different orientations between the layers on the electronic properties. We demonstrated that the global electronic properties as bandstructure and Density of State (DOS) are not affected by the orientation, whereas, by mean of Scanning Tunneling Microscope (STM) images, we found that different orientations leads to different local DOS. In the second part, graphene/MoS₂ is used as a very simple and efficient model for Field Effect Transistor. The role of the vdW heterostructure in the transistor operation is analyzed by stacking additional and alternate graphene and MoS₂ layers on the simple graphene/MoS₂ interface. We demonstrated that the shape of the DOS at the gap band edge is the fundamental parameter in the switch velocity of the transistor, whereas the additional layers do not improve the transistor behavior, because of the independence of the interfaces in the vdW heterostructures. However, this demonstrates the possibility to study, in the framework of DFT, the transport properties of more complex vdW heterostructures, separating the single interfaces and reducing drastically the calculation time. The 2D materials are also studied in the role of a tip for STM and Atomic Force Microscopy (AFM). A graphene-like tip, tested on defected MoS₂, is compared with a standard copper tip, and it is found to provide atomic resolution in STM images. In addition, due to vdW interaction with the sample, this tip avoids the contact effect responsible for the transfer of atoms between the tip and the sample. Furthermore, the analysis of defects can be very useful since they induce new peaks in the gap of MoS₂: hence, they can be used to get a peak of current representing an interesting perspective to improve the transistor operation.

Les demi-métaux, du fait de leur forte polarisation en spin jouent un rôle clef dans l'électronique de spin. Nous avons choisi d'étudier l'un d'eux : le manganite La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). Nous avons étudié les propriétés de transport dépendant du spin dans des hétérostructures à base de couches épitaxiales de LSMO. Il était ainsi requis d'étudier aussi l'épitaxie, la relaxation des contraintes et les modification de l'anisotropie magnétique du LSMO sous contraintes. L'étude des propriétés de magnétotransport de jonctions formées à partir de superréseaux de LSMO/SrTiO3 (STO) et à partir de tricouches de LSMO/STO/Co0.88Fe0.12 a montré des dépendances thermiques rapides des effets magnétorésistifs en température. Ces effets étant liés au magnétisme de surface du LSMO, nous avons donc effectué des mesures de magnétisme et de stoechiométrie en oxygène spatialement résolues à l'échelle du nanomètre en utilisant la réflectométrie de neutrons polarisés et la réflectivité X.

Les matériaux de structure cubique blende de zinc sont piézo-électriques: une déformation de ces cristaux selon un axe polaire induit une polarisation électrique. Les puits quantiques contraints, de semi-conducteurs cubiques II-VI ou III-V, d'orientation [111] ou [211] présentent un champ électrique permanent de l'ordre de 100 kV/cm pour 1% de déformation. Ces structures sont particulièrement intéressantes pour la modulation optique, mais il est nécessaire d'étudier préalablement leurs propriétés spécifiques avant de pouvoir envisager de les utiliser dans des dispositifs optiques. Dans ce but, nous avons étudié par spectroscopie optique des puits contraints CdTe/CdMnTe ou CdTe/CdZnTe, élaborés par épitaxie par jets moléculaires, avec comme axe de croissance [111] ou [211]. Les résultats de spectroscopie ont été confrontés à une modélisation en termes de fonctions enveloppes prenant en compte les effets de contraintes biaxiales pour une direction de croissance [hhk]. De plus, nous avons développé une méthode originale de mesure du champ piézoélectrique dans les puits quantiques grâce à laquelle nous avons mis en évidence un effet piézo-électrique fortement non linéaire dans CdTe. Cet effet n'avait jamais été mentionné par ailleurs. Nous avons également mesuré l'évolution du coefficient piézo-électrique e14 CdTe avec une forte pression hydrostatique, jusqu'à des déformations d'environ 2% et montré qu'une part des non-linéarités provient d'un effet de volume. Enfin, nous avons étudié l'effet du champ piézo-électrique sur l'exciton. L'énergie de liaison de l'exciton est assez peu affectée, par contre, la force d'oscillateur décroît fortement pour la transition fondamentale du puits, avec le recouvrement des fonctions enveloppes d'électron et de trou. Notre modélisation de l'exciton, utilisant deux paramètres variationnels, fournit un calcul précis, sans paramètre ajustable, de l'absorption excitonique à travers un puits piézo-électrique: les calculs sont en très bon accord, sur près de deux ordres de grandeurs, avec les mesures d'absorption que nous avons réalisées sur une série d'échantillons de compositions variées.

Depuis ces dernières années, parmi tous les composants de puissance, l’IGBT (Transistor Bipolaire à Grille Isolée) occupe une place prépondérante, On le retrouve dans une multitude d’applications et il est devenu un composant de référence de l’électronique de puissance. Dans cette thèse, nous nous intéresserons au fonctionnement de l’IGBT en conditions thermiques et électriques extrêmes. À l'aide de la simulation physique bidimensionnelle d'un modèle d'IGBT de type Punch Through à structure de grille en tranchée, on s'intéressera plus particulièrement aux limites des aires de sécurité, et plus précisément aux mécanismes qui peuvent amener à la défaillance du composant. Une étude expérimentale présentera le comportement de différentes structures d’IGBT dans différents modes de fonctionnement, on traitera plus particulièrement l’influence de la température et de la résistance de grille sur ces modes de fonctionnement. Enfin, une proposition d’amélioration d’IGBT sera développée en simulation mettant en œuvre une couche tampon SiGe. / For these last years, the IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has occupied a dominating place comparing to other power components. Used in a multitude of applications, it became the component of reference in power electronics domain. In this thesis, I will be interested in operation of the IGBT in extreme thermal and electrical conditions. Using the simulation of a bi-dimensional physical model of a Punch Through Trench IGBT, I will be interested more particularly in the limits of the SOA (Safe Operating Area), and more precisely in the mechanisms which can lead to the failure of the component. An experimental study will present the behaviour of various structures of IGBT in various electrical and thermal operating conditions, more particularly the influence of the temperature and the gate resistance. Lastly, a proposal for an improvement of IGBT will be developed in simulation by implementing a layer SiGe in the N+ buffer layer of the IGBT.

Les potentialités du nitrure de gallium (GaN) et notamment de l'hétérostructure AlGaN/GaN, semiconducteur à large bande interdite, en font un matériau particulièrement intéressant en électronique de puissance, notamment pour des applications haute tension, haute température et haute fréquence. L'objectif de ce travail de thèse était de développer et d'optimiser l'étape d'isolation de la grille lors la réalisation de transistors MIS-HEMT de puissance sur hétérostructure AlGaN/GaN, le but étant de réduire les courants de fuite de grille sans perturber les propriétés du transistor. Après avoir évaluation, le choix s'est porté sur l'alumine Al2O3 déposé par ALD comme diélectrique de grille. L'étude s'est d'abord concentrée sur l'analyse de l'influence de traitements, chimiques ou plasma, sur la contamination de la surface d'AlGaN au travers d'analyses XPS et AFM. Puis, l'influence du diélectrique de grille a été évalué à travers la réalisation et la mesure électrique de dispositifs, diodes et transistors, en variant les méthodes de dépôt par ALD. Enfin, l'impact d'un recess par gravure ICP-RIE partielle ou complètes de la barrière d'AlGaN sous la grille a été étudiée. La réalisation d'un HEMT passe par l'étape critique du dépôt du diélectrique de grille sur le semiconducteur, et le contrôle de la qualité de l'interface " diélectrique/AlGaN " est donc une étape fondamentale car elle influe sur les propriétés électriques du composant. Ce contrôle comprend le traitement de surface du semiconducteur, mais aussi la nature et la technique de dépôt du diélectrique. Ainsi il apparaît à travers l'étude qu'un traitement de surface à l'ammoniaque à haute température est le plus efficaces pour retirer les contamination en oxydes natifs. Les mesures électriques, C(V) et Id(Vg), ont quant à elle montrés la supériorité de la PEALD par rapport à un dépôt thermique conventionnel. Ceci peut s'expliquer par le fait que le plasma oxygène qui entre jeu lors du dépôt de l'alumine par PEALD semble nettoyer la surface lors des premiers cycles, retirant notamment la contamination carbone. Cela permet d'avoir une meilleure interface entre l'alumine et le semi-conducteur, limitant les pièges à l'interface et dans l'oxyde. Cela a réduit de manière considérable les courants de fuite de grille, sans détériorer la qualité et la rapidité de la transition entre l'état on et off. De plus, les HEMTs réalisé étant de type normally-off, le recess de grille par gravure ICP-RIE a été implémenté afin de rendre moins négative la tension de pincement. Cela a été réalisé avec succès, notamment avec la réalisation d'un composant de type noramlly-off grâce à un recess total de la barrière d'AlGaN sous la grille. Des résultats à l'état de l'art ont été obtenus à travers une approche simple, et un processus de création de transistors robuste et hautement reproductible, avec une réduction importante des courants de fuite de grille et une pente sous le seuil record. Afin de compléter l'étude il conviendra par la suite de réaliser des études de fiabilité, notamment à travers des mesures dynamiques pour évaluer notamment les phénomènes de dégradation du Ron. / With its large band gap, Gallium Nitride (GaN) semiconductor is one of the most promising materials for new power devices generation thanks to its outstanding material properties for high voltage, temperature and frequency applications. The main objective of this thesis was the development and optimization of the insulating step taking place in the elaboration of MIS-HEMT transistors on an AlGaN/GaN heterstroctructure. In order to reduce gate leakage currents without degrading the device properties, alumina Al2O3 deposited by ALD was chosen as a gate dielectric. The study was first centered on the influence of surface treatments, chemical or plasma, regarding surface contamination. Their impact was analyzed through XPS and AFM. Secondly, electrical measures were performed on complete MIS-HEMT diodes and transistors to evaluate the influence of the alumina insulating layer depending on the ALD deposition method. Lastly, partial and full recess of the AlGaN barrier was studied via ICP-RIE etching. The gate dielectric deposition is one of the crucial steps intervening in the HEMT creation process. The quality and control at the Al2O2/AlGaN interface being paramount, it will directly influence the device's electric properties. This involves control ing the semiconductor surface, but also the nature and deposition technique of the dielectric. As such, an ammonia-based treatment at high temperature appears to be the most efficient in reducing native oxygen contamination. Regarding electric performances, C(V) and Id(Vg) measures showed the superiority of PEALD compared to traditional thermal ALD deposition. This can be explained by the fact that the oxygen plasma used as oxydant during the alumina deposition by PEALD seems to clean the surface during the first cycles, mostly by reducing carbon contamination. This allowed to achieve a better interface between the semiconductor and the insulting layer, thus limiting traps at the interface or in the oxyde. This allows to considerably reduce gate leakage currents, without degrading the quality and transition sharpness between the on and off state. Moreover, the realized HEMTs being normally-off, gate recess etching via ICP-RIE was implemented in order to make the threshold voltage less negative. This was successfully achieved, especially through the realization of a normally-off transistors thanks to a full recess of the AlGaN barrier under the gate. State of the art results were achieved through a simple approach, and a robust and highly reproducible transistor elaboration process, with great reduction of gate leakage currents and a record sub-threshold slope. In order to complete the study, it will be necessary in the future to proceed to viability studies, especially through dynamic electric evaluation, in order to evaluate for instance Ron degradation phenomenons.