Th. doct.-ing.--Grenoble 1, 1985.

Nous avons étudié le bruit électronique généré par une jonction tunnel dont les contacts sont portés à des températures différentes, de sorte qu'elle est traversée par un courant de chaleur. Nous avons calculé le bruit attendu, montré que le bruit en excès est proportionnel au courant de chaleur, et effectué des mesures à très basse température. Nous avons bien observé un bruit hors d'équilibre dû à la différence de température entre les contacts mais l'accord théorie-expérience n'est pas encore atteint.

L'étude fine des fluctuations de courant dans les petites composantes électroniques est un excellent moyen de tester notre compréhension du transport électronique quantique. Lorsque la fréquence est suffisamment élevée, ce qui est mesuré en laboratoire n’est plus un courant d’électrons mais un champ électromagnétique causé par l’agitation des électrons. Faire un pont entre l’optique en terme de photons et l’électronique quantique est l’objectif dans le laboratoire de Bertrand Reulet. Ce mémoire de maîtrise traite des fluctuations de courant d’une jonction tunnel polarisée en courant et excitée avec une tension alternative dans les micro-ondes. La nouveauté dans ce projet provient du fait que les fluctuations de courant générées par la jonction tunnel ont été mesurées en phase et en quadrature avec l’excitation micro-onde envoyée sur l’échantillon. Il a été démontré qu’il est possible de faire un parallèle entre les fluctuations du courant électrique et l’optique quantique pour arriver à prédire le comportement de ces fluctuations en phase et en quadrature. De plus, la présence d’état comprimé ou «squeezé» sur l’une des quadratures du courant a été mesurée expérimentalement. Les résultats obtenus sont en parfait accord avec la théorie développée.

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l’expérience à la théorie de l’effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l’objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d’établir expérimentalement l’existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s’expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d’un excès d’oxygène à l’interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d’un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d’une barrière additionnelle à l’interface pour les états de symétrie ?1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d’oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l’électrode sous-jacente. L’emploi d’alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes ? et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO. / Epitaxial magnetic tunnel junctions are model systems in order to test the spin polarized tunnel effect theory. MgO(001) based junctions are thus subject of many studies. Some of them experimentally established the existence of coherent tunnelling involving the symmetry of Bloch states. However quantitatively, characteristics of real junctions strongly deviate from predictions. The role of imperfections in the barrier and at the interfaces is suspected but the current knowledge of dominant mechanisms is still limited. This thesis experiments aim at identifying and controlling several properties of the interfaces, of the barrier and of the electrodes which influence tunnelling. We study the consequences of an excess of oxygen at the Fe/MgO interface in Fe/MgO/Fe(001) junctions. Preparing a model Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) stacking allows us to confirm some expected effects, namely the appearance of an additionnal potential barrier at the interface for states with ?1 symmetry. However, and unexpectedly, the magnetoresistance little depends on the presence of oxygen. On the other hand, it is very sensitive to the crystallographic quality of interfaces. We show evidence for the detrimental influence of disorder and of the misfit between the MgO barrier and the supporting electrode. Using Fe V alloys with variable composition allows us to reduce the misfit and the dislocations density, which in turn induces a great enhancement of the magnetoresistance. We finally investigate how the electronic structures of Fe Co and Fe V alloys express themselves in tunnelling. In addition, we probe by spin resolved photoemission the ? bands and interfacial resonance states of free and MgO covered (001) surfaces.

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Résumé : Ce mémoire rapporte les premières mesures de fluctuations de courant émises par une jonction tunnel sur une large bande passante, de 0.3 à 13 GHz, à une température très basse de 35 mK. Cela nous a permis de réaliser la spectroscopie (i.e. mesurer la dépendance en fréquence) du bruit thermique (tension de polarisation nulle, température variable), bruit de grenaille (basse température, tension de biais variable) et bruit photo-assisté (tension de polarisation AC). Grâce à la large bande passante de nos mesures, nous pouvons calculer le corrélateur courant-courant dans le domaine temporel. Nous observons le déclin thermique de ce corrélateur ainsi que ses oscillations de période h/eV, une conséquence directe du principe de Pauli sur le transport quantique. // Abstract : This thesis reports the first measurements of the current fluctuations emitted by a tunnel junction with a very wide bandwidth, from 0.3 to 13 GHz, down to very low temperature T=35 mK. This allowed us to perform the spectroscopy (i.e., measure the frequency dependence) of thermal noise (no dc bias, variable temperature), shot noise (low temperature, variable dc voltage bias) and photon-assisted noise (ac bias). Thanks to the very wide bandwidth of our measurement, we can deduce the current-current correlator in time domain. We observe the thermal decay of this correlator as well as its oscillations with a period h/eV, a direct consequence of the effect of the Pauli principle in quantum transport.

La constante miniaturisation des dispositifs électroniques rend essentiel le contrôle et la compréhension des fluctuations dans le courant les traversant, c'est-à-dire du bruit électronique. Étudié depuis près de 90 ans, ce phénomène omniprésent se trouve limité par les lois de la mécanique quantique à une valeur minimale, la limite de bruit quantique. Quantifier ces fluctuations pose plusieurs problèmes expérimentaux. Principalement, toute mesure électronique est basée sur le passage d'un grand nombre d'électrons dont le comportement est presque aléatoire. Faire ressortir les mécanismes sous-jacents à l'émission du bruit requiert donc une étude statistique poussée de la distribution de probabilité du passage d'électrons, passant entre autres par la mesure du quatrième cumulant de cette distribution. Cet indicateur de l'écart entre les valeurs observées et les valeurs attendues pour un phénomène aléatoire n'était accessible jusqu'à maintenant qu'en comptant un à un les passages d'électrons, ce qui n'est réalisable que pour des dispositifs spécifiques. D'un autre point de vue, diminuer le niveau de bruit sous la limite quantique est un but fort souhaitable pour le développement de technologies électroniques de pointe. Un phénomène du nom de compression d'états démontre la possibilité de connaître une partie des informations disponibles avec une précision supérieure à la limite quantique au dépit de l'autre partie, qui sera noyée dans un bruit plus grand pour respecter cette limite. L'observation de la compression d'états nécessite donc d'atteindre le niveau de bruit minimal et d'enregistrer avec précision les niveaux de bruit de chaque paramètre observé. De surcroît, le domaine de la cryptographie serait fort d'utiliser un outil constitué de deux objets liés entre eux d'une façon non-classique. Ainsi, lire la valeur d'un paramètre A sur un objet limite les valeurs accessibles par le paramètre B du deuxième et vice-versa, ce qui permet de savoir si l'objet a été observé par un troisième observateur. La situation décrite en est une d'enchevêtrement, où la mécanique classique ne peut pas expliquer le lien entre les deux objets étudiés. Une telle manifestation n'est observable que sur des paires d'objets créés simultanément. La préparation identique de plusieurs paires permet une étude statistique des informations de chaque objet et toute corrélation entre eux ne pouvant s'expliquer par la mécanique classique, telle que la compression d'états à deux modes, est indicatrice d'enchevêtrement. Ce texte propose de sonder ces quantités en étudiant un dispositif dont le bruit de grenaille est simple à modéliser, la jonction tunnel. Lorsqu'elle est éloignée de son état d'équilibre par des tensions cc et ca, le courant qu'émet une jonction tunnel présente des fluctuations sur un spectre continu de fréquences. Cette thèse vise à démontrer que l'étude des corrélations entre les fluctuations présentes à deux fréquences distinctes permet la mesure du quatrième cumulant de la distribution statistique du bruit de grenaille. Cet ouvrage a aussi pour but d'utiliser divers outils développés dans le domaine de l'optique quantique afin de démontrer l'existence de compression d'états à deux modes dans ces fluctuations, démontrant ainsi la présence d'états enchevêtrés dans le bruit généré.

Les mémoires magnétiques à accès aléatoires (ou MRAM) sont récemment entrées en production. Ce travail de thèse vise à évaluer et caractériser les problèmes potentiels de fiabilité dus à l'introduction de la partie magnétique dans les mémoires MRAM. <br /> Je décris tout d'abord en détail les principes physiques à la base du fonctionnement aussi bien électrique que magnétique des jonctions tunnels magnétiques qui sont au cœur des mémoires magnétiques. Je me suis attachée à chaque étape à identifier les nouveaux facteurs susceptibles d'intervenir dans la fiabilité (par rapport à un processus CMOS classique), en essayant de donner une évaluation quantitative de leur impact éventuel.<br /> Sur cette base, j'ai essayé d'établir et de tester un procédé de caractérisation d'un effet critique de la MRAM : la non-volatilité, qui puisse ensuite être utilisé sur des éléments isolés d'un wafer comme point de vérification de la qualité magnétique du circuit. Nous avons choisi de comparer des calculs de barrière d'énergie à une mesure réelle de la barrière sur des échantillons élaborés dans le cadre de l'Alliance Crolles 2.<br /> Enfin, j'ai mené une étude sur un autre type de structure de mémoires magnétiques faisant intervenir un déplacement de parois magnétiques à l'aide d'un courant. Cette étude visait à estimer, une fois encore, la barrière énergétique de ces nouvelles structures. Nous avons essayé de démontrer qu'elles seraient une perspective intéressante pour la miniaturisation des mémoires magnétiques.

Une Jonction Tunnel Magnétique (JTM) est composée de deux couches minces métalliques ferromagnétiques (cobalt, fer, nickel) séparées par une barrière isolante ultramince (alumine) dans sa forme la plus simple. Cette structure a évolué depuis la première Magnéto Résistance Tunnel (MRT) à température ambiante en 1995. Actuellement, les jonctions tunnel magnétiques sont utilisées par la nouvelle génération de mémoires vives magnétiques (MRAM) et par les têtes de lecture des disques durs.<br /> Cette étude présente l'élaboration de jonctions Co/Al2O3/Co/Ni80Fe20 par pulvérisation ionique. On veut ainsi démontrer la potentialité de cette technique de dépôt, qui est peu utilisée dans ce domaine. La mesure de la Magnéto Résistance Tunnel a été effectuée selon deux méthodes. La première méthode a nécessité le développement d'un procédé de structuration réalisé en salle blanche, afin d'élaborer les contacts électriques nécessaires à la mesure. La deuxième méthode repose sur la technique appelée CIPT (Current In Plane Tunneling). Cette deuxième technique présente l'avantage de ne nécessiter aucune structure particulière. Les résultats obtenus ont conduit à des simulations de pulvérisation ionique, effectuées à l'aide du logiciel SRIM 2003. Elles permettront à terme d'optimiser les conditions d'élaboration des films minces.

Les transistors monoélectroniques (SET) sont des dispositifs de tailles nanométriques qui permettent la commande d'un électron à la fois et donc, qui consomment peu d'énergie. Une des applications complémentaires des SET qui attire l'attention est son utilisation dans des circuits de mémoire. Une mémoire monoélectronique (SEM) non volatile a le potentiel d'opérer à des fréquences de l'ordre des gigahertz ce qui lui permettrait de remplacer en même temps les mémoires mortes de type FLASH et les mémoires vives de type DRAM. Une puce SEM permettrait donc ultimement la réunification des deux grands types de mémoire au sein des ordinateurs. Cette thèse porte sur la fabrication de mémoires monoélectroniques non volatiles. Le procédé de fabrication proposé repose sur le procédé nanodamascène développé par C. Dubuc et al. à l'Université de Sherbrooke. L'un des avantages de ce procédé est sa compatibilité avec le back-end-of-line (BEOL) des circuits CMOS. Ce procédé a le potentiel de fabriquer plusieurs couches de circuits mémoirestrès denses au-dessus de tranches CMOS. Ce document présente, entre autres, la réalisation d'un simulateur de mémoires monoélectroniques ainsi que les résultats de simulations de différentes structures. L'optimisation du procédé de fabrication de dispositifs monoélectroniques et la réalisation de différentes architectures de SEM simples sont traitées. Les optimisations ont été faites à plusieurs niveaux : l'électrolithographie, la gravure de l'oxyde, le soulèvement du titane, la métallisation et la planarisation CMP. La caractérisation électrique a permis d'étudier en profondeur les dispositifs formés de jonction de Ti/TiO2 et elle a démontré que ces matériaux ne sont pas appropriés. Par contre, un SET formé de jonction de TiN/Al2 O3 a été fabriqué et caractérisé avec succès à basse température. Cette démonstration démontre le potentiel du procédé de fabrication et de la déposition de couche atomique (ALD) pour la fabrication de mémoires monoélectroniques.[symboles non conformes]