Intégration de l'isolant topologique BiSb sur un substrat industriel : des caractérisations structurelles aux caractérisations électriques

Integration of the BiSb topological insulator on industrial substrate : from structural to electrical characterisations

• Auteur / Autrice : Dima Sadek
• Direction : Filadelfo Cristiano, Sébastien Plissard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano systèmes
• Date : Soutenance le 25/10/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Bobo, Thierry Camps, Layla Martin-Samos Colomer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Desplanque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport quantique

Isolants topologiques

Mots clés libres

Isolant topologique

Couche mince

Semi-conducteur

Transport électronique

DFT

Épitaxie

Topological insulator

Thin films

Semiconductors

Electronic transport

DFT

Epitaxy

Résumé

Cette thèse porte sur la croissance ainsi que les caractéristiques structurales et électriques de l'isolant topologique Bi1-xSbx épitaxialement intégré sur GaAs(001) et GaAs(111)A. Les isolants topologiques (IT) sont des matériaux d'avenir pour les filières nanoélectronique et spintronique du fait de leurs propriétés physiques uniques. Parmi eux, l'antimoniure de bismuth (Bi1-xSbx) est le premier isolant topologique 3D à avoir été étudié, et reste le plus intéressant car sa structure de bande électronique peut être contrôlée en changeant sa stœchiométrie, son épaisseur ou la température. Contrairement aux interfaces hybrides semiconducteurs/supraconducteurs qui souffrent de problèmes d'interface (toute impureté réduira le temps de cohérence des dispositifs dans ce telles structures) ; un IT couplé à un supraconducteur permet de protéger topologiquement les états quantiques de l'interface. Il est ainsi théoriquement possible d'y recréer des états d'excitation quantique ayant les mêmes propriétés que les fermions de Majorana et ainsi fabriquer des bits quantiques extrêmement robustes (Qubits). Par ailleurs, la conductivité électrique élevée et l'angle de spin Hall de l'alliage Bi1-xSbx le rendent également intéressant pour des applications en spintronique. Le couplage d'un IT avec un matériau ferromagnétique permet en effet de contrôler la "free layer" dans une mémoire vive magnétorésistive (MRAM) grâce aux spin-orbite torques (SOT). L'intégration de ce matériau sur un substrat industriel reste un défi. Dans cette thèse, nous étudions la croissance, les propriétés structurales et électriques de alliages de BiSb épitaxiés sur des substrats industriels de GaAs(001). Nous mettons en évidence l'influence de paramètres de croissance tels que la température, la composition en antimoine, l'épaisseur et la vitesse de croissance sur la qualité du cristal. Nous parvenons à optimiser les conditions de croissance tout en maintenant la composition du Bi1-xSbx dans la gamme IT (entre 7 et 22%). Malgré une grande différence de paramètre de maille ainsi que différentes structures cristallines, nous avons intégré des couches minces de BiSb(0001) rhomboédriques sur substrat GaAs(001) cubique. Nous démontrons une relation épitaxiale à l'interface, une couche de BiSb relaxée ainsi que la croissance d'une matrice quasi hexagonale sur substrat carré. Poursuivant notre étude pour améliorer la qualité des films de Bi1-xSbx, nous l'intégrons sur substrat GaAs(111)A, qui partage une matrice cristalline proche de celle de Bi1-xSbx. La préparation de la surface du substrat, la température de croissance, la composition en antimoine, l'épaisseur du film et la vitesse de croissance sont étudiés afin d'optimiser la qualité de la couche IT. Pour des conditions de croissance optimisées, une couche BiSb(0001) rhomboédrique de haute qualité est épitaxiée sur le substrat GaAs(111)A. La relation épitaxiale à l'interface fait correspondre le plan [112]GaAs avec le plan [1100]BiSb. Un mode de croissance Volmer-Weber est détecté lors de la nucléation, ce qui conduit à la formation d'une couche relaxée dès qu'une épaisseur critique est atteinte. Dans les deux cas, les mesures électriques mettent en évidence deux canaux de conduction en parallèle. On observe un comportement semi-conducteur de type n dans le bulk à température ambiante ainsi que des états de surface métalliques à basse température (< 55 K). Pour des conditions de croissance optimisées, les échantillons génèrent des états de surface topologiquement protégés qui se manifestent par un changement de type de porteur et par des mobilités de trous élevées.

This thesis focuses on the growth and the structural and electrical characterisations of the BiSb topological insulator epitaxially integrated on GaAs(001) and GaAs(111)A. Topological insulators (TIs) are promising materials for new nanoelectronics and spintronics applications thanks to their unique physical properties. Bismuth-antimony alloy (Bi1-xSbx) is the first reported 3D topological insulator (TI), and remains the most interesting one because its electronic band structure can be controlled by changing the stoichiometry, the thickness or the temperature. Contrary to hybrid semiconductor-superconductor devices, a Bi1-xSbx TI coupled to a superconductor material shows promise for harbouring and protecting Majorana bounds states against environment and thus building extremely robust quantum bits (Qubits). Moreover, the high electrical conductivity and the colossal spin Hall an- gle of this alloy are interesting for spintronics applications. The coupling of Bi1-xSbx TI to a ferromagnetic material induces an efficient transfert of spin-orbit torques (SOT) and thus allows the realisation of magnetoresistive random access memories (MRAM). Integrating this material on an industrial substrate remains a challenge. Here, I investigate the growth, the structural and the electrical properties of BiSb materials epitaxially deposited on industrial GaAs(001) substrates. We report the influence of key growth parameters such as temperature, antimony composition, thickness and growth rate on the crystal quality. We manage to optimise the growth conditions while keeping the Bi1-xSbx composition within the TI range (between 7 and 22%). Despite large lattice mismatches and different crystalline matrices between the deposited material and the substrate, we successfully grow high-quality rhombohedral BiSb(0001) films on a cubic GaAs(001) substrate. We demonstrate a clear epitaxial relationship at the interface, a fully relaxed TI layer, and the growth of a rhombohedral matrix on top of the cubic substrate. Continuing our study to improve the quality of Bi1-xSbx films, we integrate it on GaAs(111)A substrates, sharing a crystalline matrix close to that of Bi1-xSbx. All influencing parameters such as substrate surface, growth temperature, antimony composition, film thickness and growth rate are studied in order to optimise the layer quality. We report the influence of temperature and Sb composition on crystal growth and stress relaxation in the epitaxial film. For optimised growth conditions, the high-quality rhombohedral BiSb(0001) layer grows epitaxially on the hexagonal GaAs(111)A substrate with the in-plane epitaxial relationship of [112]GaAs parallel to [1100]BiSb. A Volmer-Weber growth mode is detected during nucleation, which leads to the formation of a relaxed layer once a critical thickness is reached. In both cases, electrical measurements highlight two channels transport, with a n-type semiconductor behaviour of the bulk at room temperature and metallic surface states at low temperature. For optimised growth conditions, the samples generates topologically protected surface states, while decreasing temperature below 55 K, which are manifested by a change of carrier type and by high holes mobilities.