Les matériaux polymères sont largement utilisés en tant qu'isolants dans les domaines du génie électrique, de l'électronique de puissance et de la microélectronique. Ces diélectriques sont principalement en contact avec d'autres composants: avec des semi-conducteurs et des métaux dans les câbles haute tension, avec des substrats et d'autres diélectriques dans les systèmes multicouches. Ces interfaces sont omniprésentes, et contribuent à l'injection et l'accumulation de charges d'espace dans les diélectriques solides. D'autre part, au cours de leur vie, ils sont soumis à de nombreuses contraintes, de température, de champ... Ces contraintes peuvent conduire à la dégradation prématurée et à la rupture diélectrique du matériau par une distorsion du champ électrique, et conduire au dysfonctionnement du système. Des études antérieures, expérimentales et de simulations, ont montré l'importance des interfaces sur la génération de charges à l'intérieur du diélectrique, mais les approches théoriques comme la loi d'injection Schottky ne fournissent pas une description adéquate pour des courants expérimentaux. Cependant les recherches récentes montrent que les états de surface qui se forment à l'interface métal/isolant jouent un rôle important sur le comportement des diélectriques. L'injection de charges est principalement affectée par la nature du contact et des états de surface. L'enjeu de ce travail est de comprendre les phénomènes en jeu à une interface métal/isolant, afin de les modéliser correctement. Ce travail est basé sur une approche duale modélisation et expérience. L'isolant retenu est ici est le polyéthylène basse densité (LDPE). Dans un premier temps, nous avons caractérisé expérimentalement des interfaces métal/isolant. Dans un seconde temps, nous avons développé un modèle numérique capable de prendre en compte les états de surface. L'approche est originale, puisque l'étude porte sur l'injection et le transport de charges en tenant compte d'une distribution exponentielle des états d'énergie à l'interface.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d'abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l'optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d'onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l'ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d'homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes.

Ce mémoire présente une étude de la préparation de couches minces du SmFeO3 (SFO) et du LaNiO3 (LNO) par ablation laser. <br />L'étude s'est d'abord focalisée sur la croissance du SFO sur silice amorphe afin de déterminer les conditions de croissance. Les épaisseurs sont mesurées in situ pendant la croissance par ellipsométrie spectroscopique. La variation thermique des indices optiques ainsi que les paramètres de maille présentent deux transitions qui semblent être corrélées aux températures de Curie (Tc) et de réorientation de spin (TRS). Une croissance épitaxiale du SFO (cube sur cube) sur STO (001) a été aussi obtenue. Les mesures magnétiques à l'ambiante (SQUID) montrent que les moments magnétiques pointent dans la direction perpendiculaire au film, c'est à dire suivant c, axe de facile aimantation à haute température (T> TRS) contrairement aux prévisions (axe a).<br />Une optimisation des températures de substrat et de pression d'oxygène a été ensuite réalisée lors de la croissance épitaxiale (cube sur cube) du LNO sur STO (001). La variation thermique des indices optiques, linéaire, présente un changement de pente dans la gamme [200-300°C]. L'ellipsométrie permet également la détection des transitions métal-isolant associées à la réduction et ré-oxygénation des films. La cinétique de la ré-oxygénation est détaillée ainsi que le contrôle de l'état d'oxydation.<br />Enfin, nous avons étudié les hétérostructures SFO/LNO/STO et SFOII/LNOII/SFOI/LNOI /STO. Nous avons montré que SFO croit de manière épitaxiale (cube sur cube) sur LNO. L'influence des épaisseurs de SFO et de LNOII sur les propriétés de transport à basse température des empilements est finalement démontrée.

La course à la miniaturisation en microélectronique impose aujourd'hui l'introduction de films métalliques et d'isolants de forte permittivité dans la fabrication des transistors MOS et des capacités MIM afin d'augmenter leur densité tout en maintenant leurs performances électriques. Cependant, l'intégration de ces matériaux doit faire face à certains phénomènes physiques localisés au niveau de l'interface métal/isolant qui peuvent dégrader les performances de ces composants. De ce fait, le choix des matériaux employés ne peut se faire sur la simple considération de leurs propriétés intrinsèques et passe nécessairement par une analyse poussée des propriétés de l'interface qu'ils forment. Nous présentons dans notre étude une caractérisation fine des différentes propriétés de l'interface TiN/Ta2O5 ainsi que leur impact sur les performances de la capacité MIM 5fF.mm-2. Nous étudions dans un premier temps l'effet de la rugosité des interfaces sur les caractéristiques courant-tension de la capacité MIM. Des simulations « in situ » du champ électrique établi dans ce dispositif indiquent alors que la topographie propre à chaque interface peut conduire à des caractéristiques électriques asymétriques. Notre analyse porte ensuite sur les phénomènes fondamentaux qui gouvernent la valeur du travail de sortie des couches métalliques. Cette analyse nécessite l'utilisation d'une technique de microscopie électrique à sonde locale (KFM) qui permet notamment d'observer l'impact de la cristallinité des films sur leurs travaux de sortie. Enfin, l'effet de la composition chimique de l'interface TiN/Ta2O5 sur la hauteur de barrière est présenté. Cette étude, réalisée par spectroscopie de photoélectrons X et UV, permet de construire le diagramme de bande complet de la structure MIS TiN/Ta2O5/Si. On constate alors un décalage important des niveaux du vide aux différentes interfaces induit par la présence de dipôles.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Électronique : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3631. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre. Liste des publications.

L'étude des systèmes désordonnés est un problème ancien mais dont de nombreux aspects ne sont toujours pas élucidés. En effet, l'existence de désordre a le double effet de i. modifier et augmenter l'importance des interférences quantiques et de ii. renforcer les interactions coulombiennes. De plus, la prise en compte d'éventuelles fluctuations supraconductrices enrichit considérablement la problématique. Peuvent alors émerger des phénomènes - localisation, Transition Métal-Isolant, Transition Supraconducteur-Isolant, systèmes fortement corrélés... - qui sont au cœur de la recherche actuelle en matière condensée. En particulier, la dimension 2 est la dimension critique inférieure pour l'existence de la supraconductivité et d'un état métallique. Il est donc particulièrement intéressant d'étudier les systèmes désordonnés au voisinage de cette dimension. Le présent travail vise à étudier les états fondamentaux possibles à 2D et les Transitions de Phase Quantiques (TPQ) entre ces états. Nous menons une étude approfondie de ces transitions sur un système modèle, le NbxSi1-x en couches ultra-minces, à très basse température (5 mK), afin de mesurer les lois d'échelle qui régissent les transitions et de sonder en détail les mécanismes mis en jeu lors des TPQ ainsi que la nature microscopique (fermionique ou bosonique) des phases en présence. Nous avons, en particulier, mené une étude détaillée sur les effets et la nature du désordre dans ces systèmes.

Ce travail présente les principaux résultats obtenus avec une large gamme de dispositifs SOI avancés, candidats très prometteurs pour les futurs générations de transistors MOSFETs. Leurs propriétés électriques ont été analysées par des mesures systématiques, agrémentées par des modèles analytiques et/ou des simulations numériques. Nous avons également proposé une utilisation originale de dispositifs FinFETs fabriqués sur ONO enterré en fonctionnalisant le ONO à des fins d'application mémoire non volatile, volatile et unifiées. Après une introduction sur l'état de l'art des dispositifs avancés en technologie SOI, le deuxième chapitre a été consacré à la caractérisation détaillée des propriétés de dispositifs SOI planaires ultra- mince (épaisseur en dessous de 7 nm) et multi-grille. Nous avons montré l'excellent contrôle électrostatique par la grille dans les transistors très courts ainsi que des effets intéressants de transport et de couplage. Une approche similaire a été utilisée pour étudier et comparer des dispositifs FinFETs à double grille et triple grille. Nous avons démontré que la configuration FinFET double grille améliore le couplage avec la grille arrière, phénomène important pour des applications à tension de seuil multiple. Nous avons proposé des modèles originaux expliquant l'effet de couplage 3D et le comportement de la mobilité dans des TFTs nanocristallin ZnO. Nos résultats ont souligné les similitudes et les différences entre les transistors SOI et à base de ZnO. Des mesures à basse température et de nouvelles méthodes d'extraction ont permis d'établir que la mobilité dans le ZnO et la qualité de l'interface ZnO/SiO2 sont remarquables. Cet état de fait ouvre des perspectives intéressantes pour l'utilisation de ce type de matériaux aux applications innovantes de l'électronique flexible. Dans le troisième chapitre, nous nous sommes concentrés sur le comportement de la mobilité dans les dispositifs SOI planaires et FinFET en effectuant des mesures de magnétorésistance à basse température. Nous avons mis en évidence expérimentalement un comportement de mobilité inhabituel (multi-branche) obtenu lorsque deux ou plusieurs canaux coexistent et interagissent. Un autre résultat original concerne l'existence et l'interprétation de la magnétorésistance géométrique dans les FinFETs.L'utilisation de FinFETs fabriqués sur ONO enterré en tant que mémoire non volatile flash a été proposée dans le quatrième chapitre. Deux mécanismes d'injection de charge ont été étudiés systématiquement. En plus de la démonstration de la pertinence de ce type mémoire en termes de performances (rétention, marge de détection), nous avons mis en évidence un comportement inattendu : l'amélioration de la marge de détection pour des dispositifs à canaux courts. Notre concept innovant de FinFlash sur ONO enterré présente plusieurs avantages: (i) opération double-bit et (ii) séparation de la grille de stockage et de l'interface de lecture augmentant la fiabilité et autorisant une miniaturisation plus poussée que des Finflash conventionnels avec grille ONO.Dans le dernier chapitre, nous avons exploré le concept de mémoire unifiée, en combinant les opérations non volatiles et 1T-DRAM par le biais des FinFETs sur ONO enterré. Comme escompté pour les mémoires dites unifiées, le courant transitoire en mode 1T-DRAM dépend des charges non volatiles stockées dans le ONO. D'autre part, nous avons montré que les charges piégées dans le nitrure ne sont pas perturbées par les opérations de programmation et lecture de la 1T-DRAM. Les performances de cette mémoire unifiée multi-bits sont prometteuses et pourront être considérablement améliorées par optimisation technologique de ce dispositif.

Il sera question dans ce mémoire de maîtrise de l’étude d’une nouvelle classification des états solides de la matière appelée isolant topologique. Plus précisément, nous étudierons cette classification chez le composé demi-Heusler GdBiPt. Nous avons principalement cherché à savoir si ce composé ternaire est un isolant topologique antiferromagnétique. Une analyse de la susceptibilité magnétique ainsi que de la chaleur spécifique du maté- riau montre la présence d’une transition antiferromagnétique à 8.85(3) K. Une mesure d’anisotropie de cette susceptibilité montre que les plans de spins sont ordonnés sui- vant la direction (1,1,1) et finalement des mesures de résistivité électronique ainsi que de l’effet Hall nous indiquent que nous avons un matériau semimétallique lorsque nous sommes en présence d’antiferromagnétisme. Présentement, les expériences menées ne nous permettent pas d’associer cet état métallique aux états surfaciques issus de l’état d’isolant topologique. / In this thesis will be discussed the study of a new way of characterizing state of matter called a topological insulator. We have mainly investigated whether the ternary compound GdBiPt, from the family of half-Heusler compounds, is an antiferromagnetic topological insulator. An analysis of the magnetic susceptibility and the specific heat of the material shows the presence of an antiferromagnetic transition at 8.85(3) K. A measurement of the anisotropy of the susceptibility shows that plan of spins are ordered according to the crystalline direction (1,1,1) and finally, measurements of electronic re- sistivity and Hall effect indicate that we have a semimetallic material when we are in the presence of antiferromagnetism. At the present, these experiments do not allow us to as- sociate this metallic state with the surface states associated with the topological insulator state of matter.

La supraconductivité s'établit par une organisation collective des électrons, décrite dans le cadre de la théorie BCS par une même fonction d'onde macroscopique. En présence de fort désordre, la situation est plus complexe : le désordre induit un renforcement des interactions coulombiennes et une localisation des électrons, s'opposant à l'établissement de la supraconductivité. Pour un désordre critique, la supraconductivité est détruite et le système devient métallique ou isolant. A 2D, en l'absence de fortes interactions coulombiennes, la théorie de la localisation d'Anderson interdit l'existence d'un état métallique : le désordre induit une Transition Supraconducteur-Isolant (TSI). Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport à très basse température de films minces amorphes de NbxSi1-x. Nous avons effectué des mesures de résistance à basse fréquence à travers la TSI et initié des mesures d'impédance complexe à hautes fréquences (quelques GHz), afin de sonder la dynamique du système à travers la TSI. L'étude du transport statique s'est focalisée sur l'évolution du NbxSi1-x avec le recuit. Ce paramètre induit une variation progressive du désordre microscopique de notre système, ce qui nous a permis d'étudier finement la TSI. Nous avons ainsi mis en évidence deux états dissipatifs, séparant les états supraconducteurs et isolants, et non-prédits par les théories actuelles. Par ailleurs, nous avons mis au point un dispositif de mesure de réflectométrie micro-onde large bande. Nous avons en particulier développé une méthode de calibration, utilisant non pas la mesure de références externes comme il est usuel, mais un ensemble d'hypothèses sur la réponse électrodynamique des échantillons. Cette méthode permet de s'affranchir de l'environnement micro-onde de ceux-ci. Les résultats obtenus permettent une première validation de cette démarche et constituent donc un premier pas vers la détermination de la réponse dynamique absolue du système à travers la TSI.

Ce manuscrit de thèse présente une étude expérimentale des propriétés optiques, électroniques et structurales du diamant fortement dopé au bore. Ce semi-conducteur à large bande interdite peut être synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Il est intrinsèquement isolant mais devient métallique, voire supraconducteur conventionnel par dopage de type p. Ce travail s'articule autour de trois grands axes :Le premier concerne le développement de l'ellipsométrie spectroscopique pour la caractérisation de couches de diamant monocristallin. Dans un premier temps, des modèles optiques ont été développés afin de déduire les épaisseurs, résistivités et concentrations de porteurs de plusieurs séries d'échantillons mesurés ex situ. Ces valeurs ont été confrontées à celles obtenues par le biais de mesures SIMS (Spectroscopie par Emission d'ion Secondaires) et de transport électronique. Une masse effective optique des porteurs a pu ainsi être évaluée. Dans un second temps, cette technique a été mise en oeuvre in situ sur le réacteur. L'influence de la température et de la géométrie de la chambre de réaction a été évaluée et des suivis de croissance en temps réel sont présentés.Le second axe porte sur la synthèse des échantillons et l'optimisation des paramètres de croissance. Dans cette partie, nous révélons la présence d'un transitoire dans l'incorporation du bore conduisant à une inhomogénéité de dopage des échantillons. Une augmentation de l'incorporation du bore avec le débit a également été observée pour la première fois. Enfin, la détérioration de la qualité cristalline du diamant, au delà d'une concentration critique d'atomes de bore, est identifiée et discutée.Le troisième et dernier axe de ces travaux de recherche, est dédié à l'investigation des propriétés électroniques du diamant fortement dopé par magnéto-transport de 300K à 50 mK. Dans un premier temps, l'importance de la mésa-structuration de croix de Hall lors des mesures de transport est mise en évidence. L'utilisation d'une géométrie « maîtrisée », permet en effet de limiter les courants parasites dus à l'inhomogénéité de dopage des couches. Nous avons ainsi pu construire un diagramme de phase différent de celui qui avait été rapporté dans la littérature. Une phase métallique et non supraconductrice a été mise en évidence pour la première fois. Une étude de la transition métal-isolant est présentée, et les exposants critiques issus de sa modélisation sont discutés. L'étude de l'état supraconducteur enfin, nous a permis d'aboutir à une nouvelle dépendance de la température de transition (Tc) avec le dopage. Cette dernière est comparée aux calculs ab initio de la littérature. Aucune réduction de la Tc avec l'épaisseur n'a en revanche été observée dans la gamme des couches synthétisées à savoir de 10 nm à 2 µm. / This PhD thesis reports on an experimental study of optical, electronic and structural properties of heavily boron-doped diamond. This wide bandgap semiconductor can be synthesized by Plasma Enhanced Chemical Vapor (MPCVD). Diamond is an insulator that may turn metallic and even superconductor (conventional) upon p-type doping.This work can be divided into three main parts :The first one involves the development of spectroscopic ellipsometry for characterizing single crystal diamond epilayers. First, optical models have been developed to derive the thickness, resistivity and carrier concentrations of several sets of samples measured ex situ. These values were then compared to those obtained through SIMS profiles (Secondary Ion Mass Spectroscopy) and transport measurements. As a result, an optical effective mass of carriers was determined. Second, this technique has been implemented to be set up in situ on the reactor. The influence of the temperature and the geometry of the growth chamber has been evaluated, and real time growth monitoring was achieved.The second part is related to the sample synthesis and optimization of growth parameters. In this section, we reveal the presence of a transient regime in the boron incorporation leading to a doping inhomogeneity. An increase of boron incorporation with the gas flow was also observed for the first time. Finally, the deterioration of the crystalline structure of diamond, above a critical dopant concentration, was identified and discussed.The third axis of this research is dedicated to the investigation of the electronic properties of heavily doped diamond by magneto-transport from 300K to 50 mK. First, the importance of the Hall bar mesa patterning for transport measurements is stressed. The use of a “controlled” geometry limited parasitic currents associated with doping inhomogeneities. Thus we could construct a new phase diagram, differing from previous reports in the literature. A metallic and non-superconducting layer has been unveiled for the first time. A study of the metal-insulator transition is reported and the critical exponents deduced from its modelling are discussed. Finally, the study of the superconducting state revealed a new dependence of the transition temperature (Tc) on doping which is compared with ab initio calculations. However, not any significant reduction of Tc was observed when the layer thickness dropped from 2 µm to 10 nm.