Transport électronique à travers deux dopants, en régime statique et dynamique dans des transistors silicium

Electronic transport through two donors in a silicon transistors, in both static and dynamic regims.

• Auteur / Autrice : Benoît Roche
• Direction : Marc Sanquer, Xavier Jehl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/10/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Service de Physique Statistique, de Magnétisme et de Supraconductivité
• Jury : Président / Présidente : Herve Courtois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Sanquer, Christian Glattli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hugues Pothier, Benjamin Huard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière condensée

Mots clés libres

Silicium

Dopants

Îlots couplés

Silicon

Dopants

Coupled dots

Résumé

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude à basse température de dispositifs en silicium de taille nanométrique. Dans ces dispositifs, il est possible de faire passer le courant électrique à travers un nombre réduit de dopants. Nous avons étudié plus spécifiquement le cas de deux dopants en séries, dont les potentiels électrostatiques sont contrôlés indépendamment par deux tensions de grille. En régime de transport électronique statique, il est possible d'effectuer une spectroscopie des niveaux électronique des dopants. On mesure la séparation des deux premiers états de dopants phosphore, qui est proche de 10 meV, alors qu'elle est de 11,7 meV pour des dopants dilués dans un cristal massif. Cette différence s'explique par la proximité des dopants avec une interface avec de l'oxyde de silicium. En régime dynamique, lorsque les niveaux des dopants sont modulés par un signal périodique, on observe qu'un courant est généré par le dispositif. L'évolution du courant en fonction des tensions de grille est simulée en prenant en compte les couplages tunnels du système. À haute fréquence, lorsque l'on observe la quantification d'énergie électromagnétique échangée avec le système, on reproduit le courant mesuré en fonction de l'amplitude du signal appliqué sur les grilles. Cette mesure permet de mettre en évidence la cohérence d'un électron partagé sur deux dopants.

In this thesis, we studied low temperature silicon devices of nanometer size. In these devices, an electric current can flow through a small number of dopants. We studied the case of two dopants in series which electrostatic potentials are controlled independently by two gate voltages. In static regime, it is possible to perform spectroscopy of electronic doping levels. We measure an energy separation of the first two states for the phosphorus dopants around 10 meV, while this separation is 11.7 meV for dopants diluted in a bulk crystal. This difference is explained by the proximity of dopants with a silicon oxide interface. When the levels of the dopants are modulated by a periodic signal a current is generated by the device. The evolution of the current versus gate voltages is simulated by taking into account the tunnel couplings of the system. At high frequency, when we observe the quantification of electromagnetic energy exchanged with the system, the measured current as a function of the amplitude of the signal applied to the gates is described. This is an experimental evidence of the coherence of an electron shared by two dopants.