Vous êtes ici : Accueil > Équipe LATEQS > Hétérostructures de silicium-germanium à dimensionnalité réduite pour la spintronique quantique

Raisei Mizokuchi

Hétérostructures de silicium-germanium à dimensionnalité réduite pour la spintronique quantique

Publié le 5 juin 2018


Thèse soutenue le 05 juin 2018 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Nanophysique

Résumé :
L’intégration à large échelles de bits quantiques (qubits) nécessite le développement de systèmes quantiques à deux niveaux à l’état solide comme par exemple des spins électroniques confinés dans des boîtes quantiques ou des fermions de Majorana dans des nanofils semiconducteurs. Les trous confinés à une ou deux dimensions dans des hétérostructures à base de germanium sont de bons candidats pour de tels qubits parce qu’ils offrent i) une forte interaction spin-orbite (SOI) conduisant à des facteurs de Landé relativement grands, ii) un couplage hyperfin réduit laissant entrevoir un long de temps de cohérence de spin et iii) des masses efficaces relativement faibles favorisant le confinement quantique. Au cours de cette thèse, j’ai étudié le transport de trous dans des systèmes unidimensionnels et bidimensionnels faits à partir d’hétérostructures Ge/Si0.2Ge0.8 à contrainte compressive. Une partie importante de mon travail de recherche a été consacrée au développement de techniques de fabrication pour ces dispositifs semi-conducteurs. J’ai débuté par la fabrication de dispositifs de type "barre de Hall" à partir d’hétérostructures Ge/SiGe non dopées. J’ai étudié deux types d’hétérostructures contenants un puits quantique de Ge contraint : l’une où le puits de Ge est à la surface de la structure donc facilement accessible aux contacts métalliques, et l’autre où le puits est enterré à 70nm sous la surface permettant d’avoir une mobilité élevée. Les propriétés électroniques du gaz de trou bidimensionnel confiné dans le puits de Ge ont été étudiées à travers des mesures de magnéto-transport jusqu’à 0,3 K. Pour le puits enterré, mes mesures ont révélé un caractère dominant de trou lourd, ce qui est attendu dans le cas d’une contrainte compressive en combinaison avec un confinement bidimensionnel. Les dispositifs avec un puits de Ge superficiel ont montré un transport diffusif et un effet d’anti-localisation faible, ce qui est dû à l’interférence quantique de différents chemins de diffusion en présence du SOI. Le fait que le puits de Ge soit situé à la surface permet des champs électriques perpendiculaires relativement grands et, par conséquent, un plus fort SOI de type Rashba. J’ai été en mesure d’estimer l’énergie caractéristique du SOI en obtenant une valeur d’environ 1 meV. Pour la réalisation de nano-dispositifs quantiques, j’ai utilisé l’hétérostructure avec un puits de Ge enterré où la mobilité des trous se rapproche de 2 × 105 cm2/Vs. En utilisant la lithographie par faisceau d’électrons, des grilles métalliques à l’échelle nanométrique ont été définies sur la surface de l’échantillon afin de créer des constrictions unidimensionnelles dans le gaz de trous bidimensionnel. J’ai ainsi réussi à observer la quantification de la conductance dans des fils quantiques d’une longueur allant jusqu’à ~ 600 nm. Dans ces fils, j’ai étudié l’effet Zeeman sur les sous-bandes unidimensionnelles. J’ai trouvé des grands facteurs g pour le champ magnétique perpendiculaire, et des petits facteurs g dans le plan. Cette forte anisotropie indique un caractère de trou lourd prédominant, ce qui est attendu dans le cas d’un confinement dominant dans la direction perpendiculaire. Les grands facteurs g et le caractère unidimensionnel balistique sont des propriétés favorables à la réalisation de fermions de Majorana. Enfin, j’ai commencé à explorer le potentiel des hétérostructures à base de Ge pour la réalisation de dispositifs à points quantiques, en visant des applications en calcul quantique à base de spin. Au cours des derniers mois, j’ai pu observer des signes évidents de transport à un seul trou, posant ainsi les bases pour des études plus approfondies sur les points quantiques des trous.

Jury :
Président : M. Christopher Bäuerle
Rapporteur : M. Ferdinand Kuemmeth
Rapporteur : M. Floris Zwanenburg
Examinatrice : Mme Julia Meyer
Examinateur : M. Maksym Myronov
Directeur de thèse : M. Silvano De Franceschi

Mots clés :
Spintronique quantique, Silicium, Transport quantique, Nanoélectronique

Thèse en ligne.