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The effect on the vibrational and thermal properties of gradually interconnected nanoinclusions embedded in an amorphous silicon matrix is studied using MD simulations. The nanoinclusion arrangement ranges from an aligned sphere array to an interconnected mesh of nanowires. Wave-packet simulations scanning different polarizations and frequencies reveal that the interconnection of the nanoinclusions at constant volume fraction induces a strong increase of the mean free path of high frequency phonons, but does not affect the energy diffusivity. The mean free path and energy diffusivity are then used to estimate the thermal conductivity, showing an enhancement of the effective thermal the effective thermal conductivity due to the existence of crystalline structural interconnections. This enhancement is dominated by the ballistic transport of phonons. Equilibrium molecular dynamics simulations confirm the tendency although less markedly. This leads to the observation that coherent energy propagation with a moderate increase of the thermal conductivity is possible., 21 pages,8 figures, submitted to Nanomaterials

At the nanoscale, thermal and vibrational properties are intimately linked and depend on the shape and composition of the material. Thanks to the nanostructuration, nanocomposites allow a better control of the heat transfer. This can be used to improve the performances of thermoelectric generators through a better insulation, but also to improve the heat management in microelectronics application. In this work, the thermal properties of some nanocomposites are studied using atomistic level simulations, thanks to molecular dynamics. In a first part, the focus is laid on nanocomposites composed of an amorphous matrix and crystalline nano-inclusions. The approach separating the propagative and diffusive contribution, developed for amorphous materials, is used. The ballistic contribution where the heat is propagated by plane waves is systematically impacted by the nanostructuration. Whereas affecting the diffusive contribution, that spreads the heat slowly at the nanoscale, is more challenging. This can be done, for instance, through pores or inclusions softer than the matrix but in variable proportions. A second part is dedicated to the study of silicon nanowires, and the impact of amorphization. For this, the transport of energy as a function of frequency in crystalline core amorphous shell nanowire is studied. An amorphous shell causes the apparition of diffusive transport and the decrease in transmission at low frequencies. Then, molecular dynamics are coupled to hydrodynamic heat equations to study the radial distribution of flux in those nanowires. This analysis suggests that the reduction of the thermal conductivity upon the addition of shell cannot be linked solely to modified interface properties, but are rather due to a global effect of the shell on the mean free path of heat carriers. Finally, it is shown that structuration of the amorphous layer in a conical shape can be used to obtain thermal rectification, that is, a spatial asymmetry in thermal transport. This rectification appears to be caused by the perturbation of transmission at low frequencies., À l'échelle nanométrique, les propriétés thermiques et vibratoires sont intimement liées et dépendent de la forme et de la composition des matériaux. Grâce à la nanostructuration, les nanocomposites permettent un meilleur contrôle du transport thermique. Ceci permet notamment d'améliorer les performances des générateurs thermoélectriques en offrant de meilleurs isolants, mais aussi une meilleure gestion de la chaleur dans les composants électroniques. Dans ce travail, les propriétés thermiques de quelques nanocomposites sont étudiées en utilisant des calculs à l'échelle atomiques, par le biais de la modélisation de Dynamique Moléculaire. Dans un premier temps, l'accent est mis sur des nanocomposites constitués d'une matrice amorphe et de nano-inclusions cristallines. L'approche développée pour les amorphes, séparant la partie balistique du transfert thermique qui prend la forme d'onde plane se propageant dans le matériau et la partie diffusive repartissant lentement l'énergie dans le matériau, est mise à profit. La séparation de ces contributions a montré que si la structuration affecte systématiquement la partie balistique, maîtriser l'impact sur le transport diffusif est plus complexe. Celui-ci peut notamment être réduit par la présence de pores ou d'inclusions plus molles que la matrice, mais dans des proportions variables. Une deuxième partie est consacrée à l'étude des nanofils de silicium, et à l'impact de l'amorphisation de ceux-ci. Pour cela, le transport d'énergie en fonction de la fréquence dans des nanofils avec une âme cristalline et une coque amorphe est étudié. La coque amorphe provoque l'apparition d'un transport diffusif et une baisse de transmission aux basses fréquences. Ensuite, la dynamique moléculaire est couplée aux équations hydrodynamiques du transport de chaleur. Ce couplage est mis à profit pour étudier la distribution radiale du flux de chaleur en régime établie dans les nanofils cylindriques avec une couche amorphe régulière. Cette analyse suggère que la réduction de la conductivité thermique due à l'ajout de la coque n'est pas uniquement liée aux changements des propriétés de l'interface, mais plutôt à un effet global de la coque amorphe sur le libre parcours moyen. Finalement, la structuration en cône de la couche amorphe est utilisée pour induire une rectification thermique, c’est-à-dire une asymétrie spatiale dans le transport thermique. Cette rectification semble être due à la perturbation de la propagation des porteurs de chaleur à basses fréquences.

International audience; Macroscopic current-voltage measurements and nanoscopic ballistic electron emission spectroscopy (BEES) have been used to probe the Schottky barrier height (SBH) at metal/Ge(100) junctions for two metal electrodes (Au and Pt) and different metallization methods, specifically, thermal-vapor and laser-vapor deposition. Analysis of macroscopic current-voltage characteristics indicates that a SBH of 0.61-0.63 eV controls rectification at room temperature. On the other hand, BEES measured at 80 K reveals the coexistence of two distinct barriers at the nanoscale, taking values in the ranges 0.61-0.64 and 0.70-0.74 eV for the cases studied. For each metal-semiconductor junction, the macroscopic measurement agrees well with the lower barrier found with BEES. Ab initio modeling of BEES spectra ascribes the two barriers to two different atomic registries between the metals and the Ge(100) surface, a significant relevant insight for next-generation highly miniaturized Ge-based devices.

This thesis addresses the physics of non-interacting and interacting Dirac fermions in ballistic graphene. Three main phenomena are investigated: Dirac fermion optics in electronic prisms defined by p-n junctions, GHz plasmonics in plasma resonance capacitors, and the breakdown of the integer quantum Hall effect (QHBD) by a magnetoexciton instability. Our technology relies on h-BN encapsulated graphene devices characterized by DC to GHz electronic transport and noise.We first study the total internal reflection of electrons in a gate-defined corner reflector. Both geometric and coherent electron optics effects are demonstrated and the device is shown to be sensitive to minute phonon scattering rates. It is then used as a proof-of-concept for GHz electron optics experiments in graphene.We introduce top-gated graphene field-effect capacitors as a platform to study ultralong wavelength plasmons characterized with a vector network analyzer. We simultaneously measure resistivity, capacitance and kinetic inductance. We observe a resonance at 40 GHz with a quality factor of two, corresponding to a plasmon of 100 µm wavelength. This result sets a milestone for the realization of resonant plasmonic devices.We finally move our attention to the QHBD in a bilayer graphene sample. DC transport and GHz noise measurements show that the elusive intrinsic breakdown field can be reached in graphene. Its signature is an abrupt increase of noise, with a superPoissonian Fano factor. We propose a magnetoexciton instability scenario as the origin of breakdown.These results show how progress in sample fabrication has enabled us to study new classes of ballistic devices, to explore new fundamental phenomena and to envision more complex experiments like: time-of-flight measurements of acoustic phonons, characterization of plasmon propagation in bipolar superlattices, or breakdown in single layer graphene. In terms of applications, this thesis paves the way for room-temperature electron optics devices, plasma-resonance-based THz detectors, and improvement of quantum Hall resistance standards; Cette thèse porte sur la physique des fermions de Dirac dans le graphène balistique, sans et avec interactions. Trois phénomènes principaux sont étudiés: L’optique des fermions de Dirac dans des prismes électroniques définis par des jonctions p-n, la plasmonique GHz dans des condensateurs à résonance plasmons, et la rupture de l’effet Hall quantique (en anglais QHBD) dû à l’instabilité de magnetoexcitons. Notre technique est basée surla caractérisation du transport électronique et du bruit dans les dispositifs de graphène encapsulé dans du nitrure de bore, du continu aux hyperfréquences.En optique électronique, nous étudions la réflexion totale interne des électrons dans un réflecteur coin défini par des électrodes de grille. On démontre des effets d’optique électronique géométrique et cohérente. Le dispositif est sensible à des taux de diffusion minuscules et donc capable de détecter des phonons à basse température. On l’utilise pour démontrer la faisabilité d’expériences d’optique de fermions de Dirac en régime hyperfréquences.En plasmonique, nous introduisons les condensateurs graphène à effet de champs en tant que plateforme pour étudier les plasmons de longueur d’onde très grande. Les dispositifs sont caractérisés avec un analyseur de réseau. Nous mesurons simultanément la résistivité, la capacitance et l’inductance cinétique et nous observons une résonance à 40 GHz avec un facteur de qualité de deux, qui correspond à un plasmon d’une longueurd’onde de 100 µm. Ce résultat constitue un pas important vers la réalisation de dispositifs plasmoniques résonnants.Enfin, à champs magnétiques et électriques croisés forts, nous étudions la rupture de l’effet Hall quantique entier dans un échantillon modèle de graphène bicouche. Le transport en courant continu et le bruit à 5 GHz démontrent que le champ de rupture intrinsèque peut être atteint dans le graphène. La signature du QHBD est un décollagebrutal du bruit, avec un facteur de Fano largement superpoissonien. Comme mécanisme collectif de rupture, nous proposons l’instabilité de magnetoexcitons.Ces résultats montrent comment le progrès dans la fabrication des échantillons a permis d’étudier de nouvelles classes de dispositifs balistiques, d’explorer de nouveaux phénomènes fondamentaux et d’envisager des expériences plus complexes, comme : des mesures du temps de vol des phonons acoustiques, la caractérisation de la propagation d’un plasmon dans un super-réseau bipolaire ou le QHBD dans le graphène monocouche.En termes d’applications, cette thèse ouvre la voie pour l’exploitation de l’optique de fermions de Dirac à température ambiante, la conception de détecteurs THz utilisant la résonance de plasmon, et l’amélioration des standards de résistance basé sur l’effet Hall quantique.

This thesis addresses the physics of non-interacting and interacting Dirac fermions in ballistic graphene. Three main phenomena are investigated: Dirac fermion optics in electronic prisms defined by p-n junctions, GHz plasmonics in plasma resonance capacitors, and the breakdown of the integer quantum Hall effect (QHBD) by a magnetoexciton instability. Our technology relies on h-BN encapsulated graphene devices characterized by DC to GHz electronic transport and noise.We first study the total internal reflection of electrons in a gate-defined corner reflector. Both geometric and coherent electron optics effects are demonstrated and the device is shown to be sensitive to minute phonon scattering rates. It is then used as a proof-of-concept for GHz electron optics experiments in graphene.We introduce top-gated graphene field-effect capacitors as a platform to study ultralong wavelength plasmons characterized with a vector network analyzer. We simultaneously measure resistivity, capacitance and kinetic inductance. We observe a resonance at 40 GHz with a quality factor of two, corresponding to a plasmon of 100 µm wavelength. This result sets a milestone for the realization of resonant plasmonic devices.We finally move our attention to the QHBD in a bilayer graphene sample. DC transport and GHz noise measurements show that the elusive intrinsic breakdown field can be reached in graphene. Its signature is an abrupt increase of noise, with a superPoissonian Fano factor. We propose a magnetoexciton instability scenario as the origin of breakdown.These results show how progress in sample fabrication has enabled us to study new classes of ballistic devices, to explore new fundamental phenomena and to envision more complex experiments like: time-of-flight measurements of acoustic phonons, characterization of plasmon propagation in bipolar superlattices, or breakdown in single layer graphene. In terms of applications, this thesis paves the way for room-temperature electron optics devices, plasma-resonance-based THz detectors, and improvement of quantum Hall resistance standards; Cette thèse porte sur la physique des fermions de Dirac dans le graphène balistique, sans et avec interactions. Trois phénomènes principaux sont étudiés: L’optique des fermions de Dirac dans des prismes électroniques définis par des jonctions p-n, la plasmonique GHz dans des condensateurs à résonance plasmons, et la rupture de l’effet Hall quantique (en anglais QHBD) dû à l’instabilité de magnetoexcitons. Notre technique est basée surla caractérisation du transport électronique et du bruit dans les dispositifs de graphène encapsulé dans du nitrure de bore, du continu aux hyperfréquences.En optique électronique, nous étudions la réflexion totale interne des électrons dans un réflecteur coin défini par des électrodes de grille. On démontre des effets d’optique électronique géométrique et cohérente. Le dispositif est sensible à des taux de diffusion minuscules et donc capable de détecter des phonons à basse température. On l’utilise pour démontrer la faisabilité d’expériences d’optique de fermions de Dirac en régime hyperfréquences.En plasmonique, nous introduisons les condensateurs graphène à effet de champs en tant que plateforme pour étudier les plasmons de longueur d’onde très grande. Les dispositifs sont caractérisés avec un analyseur de réseau. Nous mesurons simultanément la résistivité, la capacitance et l’inductance cinétique et nous observons une résonance à 40 GHz avec un facteur de qualité de deux, qui correspond à un plasmon d’une longueurd’onde de 100 µm. Ce résultat constitue un pas important vers la réalisation de dispositifs plasmoniques résonnants.Enfin, à champs magnétiques et électriques croisés forts, nous étudions la rupture de l’effet Hall quantique entier dans un échantillon modèle de graphène bicouche. Le transport en courant continu et le bruit à 5 GHz démontrent que le champ de rupture intrinsèque peut être atteint dans le graphène. La signature du QHBD est un décollagebrutal du bruit, avec un facteur de Fano largement superpoissonien. Comme mécanisme collectif de rupture, nous proposons l’instabilité de magnetoexcitons.Ces résultats montrent comment le progrès dans la fabrication des échantillons a permis d’étudier de nouvelles classes de dispositifs balistiques, d’explorer de nouveaux phénomènes fondamentaux et d’envisager des expériences plus complexes, comme : des mesures du temps de vol des phonons acoustiques, la caractérisation de la propagation d’un plasmon dans un super-réseau bipolaire ou le QHBD dans le graphène monocouche.En termes d’applications, cette thèse ouvre la voie pour l’exploitation de l’optique de fermions de Dirac à température ambiante, la conception de détecteurs THz utilisant la résonance de plasmon, et l’amélioration des standards de résistance basé sur l’effet Hall quantique.

International audience; Future of silicon-based microelectronics depends on solving the heat dissipation problem. A solution may lie in a nanoscale phenomenon known as ballistic heat conduction, which implies conduction of heat without heating the conductor. However, attempts to demonstrate this phenomenon experimentally are controversial and scarce, whereas its mechanism in confined nanostructures is yet to be fully understood. Here, we experimentally demonstrate quasi-ballistic heat conduction in silicon nanowires (NWs). We show that the ballisticity is the strongest in short NWs at low temperatures but weakens as the NW length or temperature is increased. Yet, even at room temperature, quasi-ballistic heat conduction remains visible in short NWs. To better understand this phenomenon, we probe directions and lengths of phonon flights. Our experiments and simulations show that the quasi-ballistic phonon transport in NWs is essentially the LévyLévy walk with short flights between the NW boundaries and long ballistic leaps along the NW. Thus, we conclude that ballistic heat conduction is present in silicon even at room temperature in sufficiently small nanostructures and may yet improve thermal management in silicon-based microelectronics.

In sprintronics, the study of multilayer heterostructures composed of a ferromagnetic electrodes and a thin insulating layer, i.e. magnetic tunnel junctions (MTJs), is of special importance. The canonical systems are MTJs made of Fe/MgO/Fe where hight tunneling mangetoresistance ratio (TMR) values were measured. The crucial factor defining the junction performance is the structural imperfection appearing in a real devices. In our work we focused in particular on oxygen vacancies in MgO. By means of density functional theory we studied ground state electronic properties of single and double oxygen vacancies, referred as F and M centers, respectively, in bulk MgO. We then switched to full junctions where we investigated the impact of vacancies on the ballistic transport. We demonstrated that M centers played a superior role and proved that coherent transport, preserving electrons spin and symmetry, is possible in presence of paired vacancies.; En spintronique, l’étude des hétérostructures multicouches composées d'une électrode ferromagnétique et d'une couche isolante mince, c'est-à-dire des jonctions tunnel magnétiques (JTM), est particulièrement importante. Le système canonique est le Fe/MgO/Fe où les hautes valeurs du rapport de la magnétoresistance tunnel (TMR) ont été mesurées. Le facteur crucial définissant la performance de la jonction est l’imperfection structurelle dans un dispositif réel. Dans notre travail, nous nous sommes concentrés sur des lacunes d'oxygène dans MgO. Au moyen de la théorie de la fonctionnelle de densité, nous avons étudié les propriétés électroniques de l'état fondamental des lacunes d'oxygène simples et doubles dans MgO massif, appelées respectivement centres F et M. Nous avons ensuite étudié l'impact de ces lacunes sur le transport balistique dans les jonctions magnétiques. Nous avons démontré le rôle supérieur joué par les centres M et nous avons prouvé qu'un transport cohérent, préservant le spin et la symétrie des électrons, est possible en présence de centres M.

This thesis concerns the fabrication of organic magnetics tunnel junctions. Organic MTJs replace the barrier with a molecule. First, we had to overcome the problems of MTJ manufacturing. Indeed, this type of junction is very fragile from the point of view of its manufacturing because they are incompatible with solvents. A new manufacturing process has been developed. This process uses small nanometric "beads" scattered on the surface of a sample. This method has been used successfully and we obtained a magnetic response of the samples. XAS and magneto-transport measurements were conducted on MgO junctions. An innovative in operando approach was used. These measurements revealed that the presence of oxide at the interfaces limits the TMR. Finally, SR-PES measurements were carried out in order to study the Cu/MnPc interface polarization in the Cu (100)//Co/Cu/MnPc system. These measurements revealed that this interface is strongly spin polarized. Structures appearing in the spectra cannot be explained by a simple attenuation of the cobalt signal due to molecule coverage.; Cette thèse s’intéresse à la fabrication de jonctions magnétiques à effet tunnel organiques. Les MTJ organiques remplacent la barrière par une molécule. Il a fallu d’abord vaincre les problèmes liés à la fabrication de ces MTJ. En effet, ce type de jonction est très fragile du point de vue de sa fabrication, car incompatible avec les solvants. Un nouveau procédé de fabrication a été mis au point. Ce procédé fait appel à de petites « billes » nanométriques dispersées à la surface d’un échantillon. Ce procédé a été utilisé avec succès. Nous avons obtenu une réponse magnétique des échantillons. Des mesures XAS et de magnéto-transport ont été menées sur des jonctions MgO. Une approche in operando innovante a été utilisée. Ces mesures ont démontré que la présence d’oxyde de fer aux interfaces limite la TMR. Pour finir, des mesures SR-PES ont été menées dans le but d’étudier la polarisation d’interface de Cu/MnPc dans le système Cu(100)//Co/Cu/MnPc. Ces mesures ont révélé que cette interface est très fortement polarisée en spin. Les structures qui apparaissent dans les spectres ne peuvent être expliquées par une simple atténuation du signal du cobalt due à la couverture de molécules.

A graphene ballistic rectifier is used in conjunction with an antenna to demonstrate a rectenna as a terahertz (THz) detector. A small-area (2) local gate is used to adjust the Fermi level in the device to optimize the output while minimizing the impact on the cutoff frequency. The device operates in both n- and p-type transport regimes and shows a peak extrinsic responsivity of 764 V/W and a corresponding noise equivalent power of 34 pW Hz–1/2 at room temperature with no indications of a cutoff frequency up to 0.45 THz. The device also demonstrates a linear response for more than 3 orders of magnitude of input power due to its zero threshold voltage, quadratic current–voltage characteristics and high saturation current. Finally, the device is used to take an image of an optically opaque object at 0.685 THz, demonstrating potential in both medical and security imaging applications.

International audience; The formation of two-dimensional electron gases (2DEGs) at AlxGa1-xN/GaN hexagonal double-barriers (DB) resonant tunneling diodes (RTD) is investigated by numerical self consistent (SC) solutions of the coupled Schrodinger and Poisson equations. Spontaneous and piezoelectric effects across the material interfaces are rigorously taken into account. Conduction band profiles, band edges and corresponding envelope functions are calculated in the AlxGa1-xN/GaN structures and likened to those where no polarization effects are included. The combined effect of the polarization-induced bound charge and conduction band offsets between the hexagonal AIGaN and GaN results in the formation of 2DEGs on one side of the DB and a depletion region on the other side. Using the transfer matrix formalism, the vertical transport (J-V characteristics) in AlGaN/GaN RTDs is calculated with a fully SC calculation in the ballistic regime. Compared to standard calculations where the voltage drop along the structure is supposed to be linear, the SC method leads to strong quantitative changes in the J-V characteristics showing that the applied electric field varies significantly in the active region of the structure. The influences of the aluminum composition and the GaN(AlGaN) thickness layers on the evolution of the current characteristics are also self-consistently investigated and discussed. We show that the electrical characteristics are very sensitive to the potential barrier due to the interplay between the potential symmetry and the barrier height and width. More interestingly, we demonstrate that the figures of merit namely the peak-to-valley ratio (PVR) of GaN/AlGaN RTDs can be optimized by increasing the quantum well width. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

This thesis discusses the nanostructuration of local gates for electronic transport in graphene. The nanostructured gates enable a full control of the graphene doping profile at the Fermi wavelength scale which is the primary condition for Dirac Fermion optics experiments. This control of the doping profile proves to be necessary for the realization of high frequency transistors as well.In this work, I first present a new technology based on local bottom gates and high mobility graphene on thin boron nitride. This allows the realization of sharp and tunable p-n junctions which are the building blocks for Dirac Fermion optics. I will discuss a direct application of this technology, the Klein tunneling transistor, which takes advantage of the refractive properties of Dirac Fermions to open a transmission gap in graphene. Then this technology is implemented in a device with a gate located underneath the contact area in order to tune in situ the work function difference between the metal and the contacted graphene. The contact doping is monitored by measuring the resistance of the contact junction. In particular, the contact resistance is tuned and the polarity reversal of the contacted graphene is demonstrated.The last two chapters are devoted to the study of our devices when they are driven at high bias, which is the relevant regime for a high frequency transistor. In this regime, a current saturation is observed due to the electron-phonon inelastic scattering. From the current saturation measurement we extract the relevant phonon energy scale, pointing out a mechanism dominated by the surface phonons of the boron nitride substrate. In addition, we observe and model the non-uniform doping profile that arises in local gated devices at high bias which contributes also to the current saturation. Finally, the devices are measured in the gigahertz range to show how those current saturation mechanisms can improve the power gain of a graphene microwave transistor., Cette thèse traite du contrôle du profil de dopage dans le graphène au moyen de grilles locales nano-structurées, pour l’électronique des fermions de Dirac. Cette nano-structuration à l’échelle de la longueur d’onde de Fermi s’avère essentielle pour réaliser des expériences d’optique de fermion de Dirac ainsi que, dans un registre plus appliqué, pour l’électronique haute-fréquence. Dans ce travail, je commence par présenter notre technologie, qui repose sur des grilles arrières locales et du graphène haute-mobilité sur nitrure de bore hexagonal. Cela nous permet de réaliser des jonctions p-n abruptes, accordables et balistiques, qui sont l’élement de base pour l’électronique des fermions de Dirac. Je traiterai une application possible de cette technologie, le transistor à effet tunnel de Klein, qui utilise la réfraction des fermions de Dirac pour controler l’ouverture et la fermeture du canal d’un transistor graphène. Ensuite, cette technologie est mise en application pour équiper un transistor d’une grille placée sous le métal de contact. Cette grille de contact donne un contrôle complet du dopage du graphène contacté et permet de moduler la resistance de la jonction de contact jusque dans le gigahertz.Les deux derniers chapitres sont dévolus au régime de fort biais qui est pertinent pour les applications hautes fréquences ; dans ce régime le profile de dopage dépend aussi de la tension drain-source appliquée. Nous observons et modélisons la saturation de courant comme la conséquence de deux effets : la diffusion par les phonons de surface du substrat hBN et l’inhomogénéité de dopage dans les dispositifs à grilles locales. Enfin, nous évaluons les performances de nos dispositifs comme transistors radio-fréquences dans ce régime de saturation, notamment en terme de fréquence de coupure du gain de puissance.

In graphene, the extremely fast charge carriers can be controlled by electron-optical elements, such as waveguides, in which the transmissivity is tuned by the wavelength. In this work, charge carriers are guided in a suspended ballistic few-mode graphene channel, defined by electrostatic gating. By depleting the channel, a reduction of mode number and steps in the conductance are observed, until the channel is completely emptied. The measurements are supported by tight-binding transport calculations including the full electrostatics of the sample., Comment: Including supporting information

The optimal frequency performance/power-consumption trade-off is very difficult to achieve using CMOS technology because of low Si carrier mobility and relatively large supply voltage (VDD) required for circuit operation. The main objective of this work is to theoretically explore, in terms of operation frequency and power consumption, the potentialities of nano-MOSFET based on III-V materials with low energy bandgap and high electron mobility.First, this work analyzes theoretically the operation of a III-V MOS capacitor using self-consistent solution of Poisson - Schrödinger system equation. We can thus understand how and why the interface trap state densities at high-k/III-V interfaces degrade the intrinsic characteristics. For a 2D geometry, the performance of devices is estimated for digital and analog applications using a model of quasi-ballistic transport.Then, we estimated the performance of III-V MOSFET in static and dynamic regimes under low VDD, using MONACO a Monte Carlo simulator. The characteristics of four designs of III-V MOSFET have been studied quantitatively in terms of quasi-ballistic transport, DC current in ON and OFF states, frequency/consumption efficiency and optimum matching conditions of noise. We provide the guideline on the design optimization of the devices.Finally, the comparative study with Si-based devices clearly demonstrates the potentiality of III-V nano-MOSFET architectures for high-frequency and low-noise application under low operating power and even for low voltage logic.; Le rendement consommation/fréquence des futures générations de circuits intégrés sur silicium n’est pas satisfaisant à cause de la faible mobilité électronique de ce semi-conducteur et des relativement grandes tensions d’alimentation VDD requises. Ce travail se propose d’explorer numériquement les potentialités des transistors à effet de champ (FET) à base de matériaux III-V à faible bande interdite et à haute mobilité pour un fonctionnement en haute fréquence et une ultra basse consommation. Tout d’abord, l’étude consiste à analyser théoriquement le fonctionnement d’une capacité MOS III-V en résolvant de façon auto-cohérente les équations de Poisson et Schrödinger (PS). On peut ainsi comprendre comment et pourquoi les effets extrinsèques comme les états de pièges à l’interface high-k/III-V dégradent les caractéristiques intrinsèques. Pour une géométrie 2D, les performances des dispositifs sont estimées pour des applications logiques et analogiques à l’aide d’un modèle de transport quasi-balistique.Nous avons ensuite étudié plus en détails les performances des MOSFET III-V en régimes statiques et dynamiques sous faible VDD, à l’aide du simulateur particulaire MONACO de type Monte Carlo. Les caractéristiques de quatre topologies de MOSFET ont été quantitativement étudiées, en termes de transport quasi-balistique, de courants statiques aux états passants et bloqués, de rendement fréquence/consommation et de bruit. Nous en tirons des conclusions sur l’optimisation de ces dispositifs. Enfin, l'étude comparative avec un FET à base de Si démontre clairement le potentiel des MOSFET III-V pour les applications à haute fréquence, à faible puissance de consommation et à faible bruit.

International audience; Conductance-elongation curves of gold nanojunctions exhibit characteristic plateaus just prior to breaking. Conductances of these plateaus are integer multiples of the quantum of conductance. These plateaus occur because, in this size regime, transport is ballistic and the conductance is independent of the length of the nanojunction. We developed a STM-based break junction technique to access to the conductance-elongation curves. In this paper, specific tools adapted for measurements in solution are described. We then report on our results obtained for both metallic and molecular nanowires.

International audience; We report on ballistic electron-emission spectroscopy on high-quality Au(110)/GaAs(001) and Fe(001)/GaAs(001) Schottky contacts. For the Au(110)/GaAs(001) interface, the ballistic current is characterized by a strong electron injection in the L valley of the GaAs conduction band. This remarkable spectroscopic feature is absent for the Fe(001)/GaAs(001) interface. These observations are explained by the different electronic structures in the two metal layers, assuming conservation of the electron transverse momentum at the metal/semiconductor epitaxial interfaces. Conversely, this comparative study suggests that the technique can be used for the analysis of local electronic states propagating in the metal films.

version révisée du 7 mars 2010; The downscaling of electronic devices which allows a large-scale integration has been feasible thanks to many innovations regarding the fabrication processes. These changes deeply modify the electrical behavior of MOS transistors when the gate length becomes shorter than 100nm, altering the physical understanding of this device. This work deals with the study about advanced devices performances (sub-45nm technologies) and the analyze of electrical characteristics. Improvements of state-of-the-art methodologies and new extraction techniques are proposed for enabling the analysis of electrical parameters to be adapted to an industrial context, on very short devices. The use of these new techniques provides a better physical understanding which is required to predict the performances of future technologies.; La miniaturisation des composants électroniques qui permet aujourd'hui une intégration à grande échelle a été possible grâce aux innovations des procédés de fabrication. Ces modifications affectent profondément le comportement électrique des transistors MOS lorsque la longueur de grille devient inférieure à 100nm, altérant notre compréhension physique de ce dispositif. Ce travail de thèse se situe dans le domaine de l'étude des performances des transistors fabriqués dans les filières avancées (technologies sub-45nm) et l'analyse de leur réponse électrique. Il propose d'améliorer les méthodologies existantes et apporte de nouvelles techniques d'extraction qui permettent une analyse des paramètres électriques valide dans un environnement industriel, sur des transistors courts. L'utilisation des ces nouvelles techniques permet une compréhension physique plus juste, utile pour prédire les performances des technologies futures.

Molecular electronics tends to use a single molecule as a component of an electronic device. Such realization would merge the potential of chemistry potential with the most developed nanotechnologies. But there is still a long way to go before the electronics transport properties of a single molecule can be completely understood. Experimental realizations are difficult as they require contact of nanometer size electrodes. Our work is devoted to the development of this type of experimental technique which concerns not only molecular electronics but also electronic transport at nanometric scale. In the first part of the manuscript the experimental techniques are described. We use a modified scanning tunneling microscope to form nanosized electrodes (break junction technique). This approach combine two research domain namely charge transport in molecules and atomic point contact. More precisely, the formation and the electronic transport in atomic point contact are particularly studied. Afterwards we present our result on atomic point contact (Au-Au junction) and on molecular contact (Au-molecule-Au junction). Conductance quantization and ballistic transport are displayed. Our research shows that the electrical signature of a single molecule can be distinguished. But despite the progresses in single molecule conductance determination brought by theses experimental techniques, there is still a large disparities on reported results. At the end of the first part we concentrate on the importance of statistical studies on a large population of experimental data. The Au-Au junction is used in this study. In the second part we describe the specific statistical analysis tools which allow the extraction of the needed parameters (for example the lifetime) from each Au-Au junction conductance measurement. The statistical analyses of these parameters in different experimental conditions are discussed. They provide information on the mechanic of these nanosystems (i.e. on the breaking mechanism of the nanowire). The developed tools allow observing the subtle effects. It is shown that a little fraction of electron is not ballistic. Finally we show the existence of bistable fluctuations and discuss their effect on ballistic transport and their link with atomic movement.; De manière ultime, l'électronique moléculaire aspire à utiliser une molécule unique comme partie active d'un composant. Une telle réalisation fusionnerait l'énorme potentiel de la chimie aux technologies les plus avancées des nanosciences. Cependant, les propriétés de transport électronique d'une seule molécule restent, aujourd'hui, l'enjeu de débats animés qui s'appuient sur des calculs et sur de trop rares expériences. Les expériences sont, en effet, difficiles car elles nécessitent de pouvoir fabriquer des électrodes de contact dont l'écartement correspond à la taille de la molécule. Notre travail contribue au développement de telles techniques instrumentales dont l'intérêt dépasse celui de l'électronique moléculaire et englobe, plus généralement, le transport électronique à l'échelle nanométrique. Dans la première partie, nous décrivons d'abord la technique. Elle fait appel à un microscope à effet tunnel modifié pour fabriquer des électrodes nanométriques (technique des jonctions brisées). Cette approche combine en fait deux domaines de recherche qui sont d'une part, les mesures de conductance moléculaire et, d'autre part, les contacts atomiques ponctuels. Plus précisément, la physique de la formation et du transport d'électrons dans ces derniers est particulièrement étudiée. Après avoir décrit l'instrumentation développée, nous présentons donc des résultats à la fois sur des contacts atomiques ponctuels (jonction Au-Au) et sur des contacts moléculaires (jonction Au-molécule-Au). Notamment, la quantification de la conductance et le transport balistique sont mis en évidence. Cela montre que la présence d'une seule molécule peut être décelée électriquement. Nous soulignons qu'en dépit des énormes progrès apportés par cette technique à la détermination de la conductance d'une molécule, la disparité des résultats expérimentaux reportés reste importante. Nous clôturons la première partie en insistant sur l'impérieuse nécessité d'études statistiques rigoureuses à partir des nombreuses données expérimentales. Nous effectuons ce travail pour les jonctions Au-Au. Dans la seconde partie nous développons des outils d'analyse statistique. Ils permettent d'extraire de chaque mesure de conductance d'une nanojonction d'Au les paramètres indispensables à leur étude (le temps de vie par exemple). La statistique de ces paramètres sur des dizaines de milliers de mesures dans différentes conditions expérimentales est discutée et, outre les aspects de transport, donne des informations sur la mécanique de ces nanosystèmes (i.e. sur des mécanismes de rupture de la nanojonction). Les outils développés permettent d'observer des effets fins. Il est montré qu'une petite fraction des électrons échappe au transport balistique. Enfin, nous montrons l'existence de fluctuations bistables et discutons de leur effet sur le transport balistique et de leur rapport avec les mouvements atomiques.

The downscaling of electronic devices which allows a large-scale integration has been feasible thanks to many innovations regarding the fabrication processes. These changes deeply modify the electrical behavior of MOS transistors when the gate length becomes shorter than 100nm, altering the physical understanding of this device. This work deals with the study about advanced devices performances (sub-45nm technologies) and the analyze of electrical characteristics. Improvements of state-of-the-art methodologies and new extraction techniques are proposed for enabling the analysis of electrical parameters to be adapted to an industrial context, on very short devices. The use of these new techniques provides a better physical understanding which is required to predict the performances of future technologies., La miniaturisation des composants électroniques qui permet aujourd'hui une intégration à grande échelle a été possible grâce aux innovations des procédés de fabrication. Ces modifications affectent profondément le comportement électrique des transistors MOS lorsque la longueur de grille devient inférieure à 100nm, altérant notre compréhension physique de ce dispositif. Ce travail de thèse se situe dans le domaine de l'étude des performances des transistors fabriqués dans les filières avancées (technologies sub-45nm) et l'analyse de leur réponse électrique. Il propose d'améliorer les méthodologies existantes et apporte de nouvelles techniques d'extraction qui permettent une analyse des paramètres électriques valide dans un environnement industriel, sur des transistors courts. L'utilisation des ces nouvelles techniques permet une compréhension physique plus juste, utile pour prédire les performances des technologies futures.

Next generations of cryodetectors, widely used in physics of particles and physics of universe, will need in the future high-performance cryoelectronics less noisy and closer to the detector. Within this context, this work investigates properties of two dimensional electron gas GaAlAs/GaAs by studying two components, quantum point contact (QPC) and high electron mobility transistor (HEMT). Thanks to quantized conductance steps in QPC, we have realized a quantum ballistic transistor (voltage gain higher than 1), a new component useful for cryoelectronics thanks to its operating temperature and weak power consumption (about 1 nW). Moreover, the very low capacity of this componentleads to promising performances for multiplexing low temperature bolometer dedicated to millimetric astronomy. The second study focused on HEMT with very high quality 2DEG. At 4.2 K, a voltage gain higher than 20 can be obtained with a very low power dissipation of less than 100 μW. Under the above experimental conditions, an equivalent input voltage noise of 1.2 nV/Hz1/2 at 1 kHz and 0.12 nV/Hz1/2 at 100 kHz has been reached. According to the Hooge formula, these noise performances are get by increasing gate capacity estimated to 60 pF.; Pour augmenter la résolution globale des détecteurs à très basse température, aujourd'hui couramment utilisés dans de nombreux champs de la physique des particules et de l'univers, les expériences à venir ne pourront faire l'économie du développement d'une cryo-électronique performante, à la fois moins bruyante et plus proche du détecteur. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse aux possibilités offertes par les gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) GaAlAs/GaAs à travers l'étude expérimentale de deux composants distincts : les QPC (Quantum Point Contact) et les HEMT (High Electron Mobility Transistor). En s'appuyant sur la quantification de la conductance dans les QPC, phénomène issu de la physique mésoscopique, un transistor balistique quantique fonctionnant à 4.2 K a été réalisé. Le transport électronique à travers les bandes 1D permet d'obtenir un gain en tension supérieur à 1 avec une puissance dissipée d'environ 1 nW. En raison de leur très faible capacité d'entrée, ces dispositifs constituent également des candidats idéaux pour multiplexer des matrices de bolomètres haute impédance (collaboration DCMB). Les HEMT présentent des performances compatibles avec une utilisation à basse température, ayant une puissance dissipée de ~ 100 µW et un gain supérieur à 20. Le faible bruit en tension équivalent en entrée (1.2 nV/Hz1/2 à 1 kHz et 0.13 nV/Hz1/2 à 100 kHz) ouvre la voie à leur utilisation dans la lecture de détecteur de forte impédance. Conformément à la loi de Hooge, ces performances sont obtenues au détriment d'une capacité d'entrée élevée estimée à environ 60 pF.

International audience; The scattering effects are studied in nanometer-scaled double-gate MOSFET using Monte Carlo simulation. The nonequilibrium transport in the channel is analyzed with the help of the spectroscopy of the number of scatterings experienced by electrons. We show that the number of ballistic electrons at the drain-end, even in terms of flux, is not the only relevant characteristic of ballistic transport. Then, the drive current in the 15-nm-long channel transistor generations should be very close to the value obtained in the ballistic limit even if all electrons are not ballistic. Additionally, most back-scattering events, which deteriorate the on current, take place in the first half of the channel and, in particular, in the first low field region. However, the contribution of the second half of the channel cannot be considered as negligible in any studied case i.e., for a channel length below 25 nm. Furthermore, the contribution of the second half of the channel tends to be more important as the channel length is reduced. So, in ultrashort-channel transistors, it becomes very difficult to extract a region of the channel, which itself determine the drive current on .

Experiments are reported on the transport properties if high freqeuncy phonons in semiconductors in particular on their spectral properties in the range of hundreds of Ghz. First we have developped a technique of phonon spectrometry based on time of flight measurements of the chromatic dispersion of ballistic phonons. Detailed informations on their interaction with the electron system were obtained. In germanium, the resonnant absorption of phonons between singlet and triplet electronic levels of the Sb impurity and the corresponding selection rules for the phonon polarization were measured with accuracy. By tuning the splitting energy with an uniaxial pressure, we could determine the energy spectrum of the transmitted phonons. In degenerate n-type InSb crystals we have shown the absence of couping between transverse modes and the conduction electrons. For longitudinal modes the interaction exhibits a sharp high frequency cut-off as the phonon wavevector reaches the Fermi sphere diameter 2k_F. This cut-off combined with the threshold phonon detection of a superconductiong tunnel junction was used to achieve a 2kF - spectroscopy of longitudinal phonons in the InSb crystal with no adjustable parameter. New resuts were also obtained on vey high frequency phonon generation by direct laser pulse excitation.; Les expériences présentées portent sur l'étude du transport de phonons de haute fréquence dans les semiconducteurs, en particulier leur analyse spectrale. Tout d'abord nous avons développé une technique de spectrométrie de phonons basée sur la mesure par temps de vol de la dispersion chromatique des phonons balistiques dans la gamme de centaines de GHz. Des informations précises sur l'interaction électron-phonon dans les semiconducteurs ont été obtenues : dans le germanium, l'absorption résonnante de phonons entre les niveaux singulet et triplet de l'état de base de l'impureté Sb et les règles de sélection sur les polarisations de phonons s'y attachant ont été vérifiées avec précision. La séparation accordable des niveaux d'énergie avec une pression uniaxiale nous a permis de déterminer la composition spectrale des impulsions de phonons transmis. Dans InSb (dégénéré) de type n, nous avons mis en évidence la non-interaction entre modes transverses et électrons de conduction. Dans le cas des modes longitudinaux, l'interaction est caractérisée par une coupure abrupte à haute fréquence lorsque le vecteur d'onde atteint le diamètre de la sphère de Fermi (2kF). Cette coupure, combinée à la détection à seuil de jonctions tunnel supraconductrices a été mise à profit pour réaliser une spectroscopie à 2kF, sans paramètre ajustable, des impulsions de phonons transmises dans le cristal. Des résultats sur la génération de phonons par excitation laser directe sont également présentés.