Croissance sélective et caractérisation des nanostructures d’InAs et d’InSb

Selective Growth and Characterization of InAs and InSb Nanostructures

• Auteur / Autrice : Wijden Khelifi
• Direction : Ludovic Desplanque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 15/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Xavier Wallart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hermann Sellier, Bruno Grandidier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yamina André, Bertrand Kierren

Mots clés

Mots clés contrôlés

Encapsulation (électronique)

Électronique quantique

Transport des électrons, Théorie du

Antimoniure d'indium

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Nanostructures

Mots clés libres

Epitaxie sélective

Nanofils planaires

STM à 4 pointes

Transport balistique

Nanofils planaires

Arséniure d’indium

Microscopie à effet tunnel

Semiconducteurs III-V

Selective epitaxy

In-Plane nanowires

Four-Probe-STM

Ballistic transport

Résumé

Les composés d'arséniure et d'antimoniure d'indium figurent parmi les candidats les plus prometteurs pour la conception de dispositifs quantiques, grâce à leurs propriétés électroniques supérieures telles que la haute mobilité des électrons et leur fort couplage spin-orbite. Cependant, leur déploiement est souvent entravé par le désaccord de maille qu'ils possèdent avec les substrats III-V conventionnels et qui les rend défectueux. Cette thèse propose une solution pour fabriquer des nanostructures d'InAs et d'InSb de bonne qualité, grâce à une croissance sélective par épitaxie par jets moléculaires dans des ouvertures de SiO2.Une étude structurale et morphologique de couches bi-dimensionnelles et de nanofils d'InAs et InSb sur des substrats de GaAs ou d'InP orientés suivant les directions [001] et [111] a été réalisée. L'optimisation des paramètres de croissance a conduit à la fabrication de nanostructures planaires continues et facettées avec une minimisation des défauts émergents. Ces systèmes ont ensuite été étudiés par microscopie à effet tunnel à quatre pointes en ultravide, technique qui permet de s'astreindre de la fabrication d'électrodes pour caractériser les propriétés de transport. La comparaison du transport dans des nanofils InAs reconstruits en surface et des nanofils cœur-coquille InAs/GaSb a révélé l'intérêt d'une encapsulation des nanofils d'InAs pour augmenter sensiblement la mobilité électronique dans les nanofils.Contrairement aux nanofils d'InAs, qui peuvent être protégés par une fine couche d'arsenic pour éviter l'oxydation de leur surface pendant leurs transferts à l'air, il n'existe pas de protection efficace pour l'InSb. Aussi, la dernière partie de la thèse porte sur la caractérisation de la désoxydation des surfaces d'InSb (001) et (111) en combinant la spectroscopie Raman et la microscopie à effet tunnel. Cette dernière étude ouvre la voie à des mesures ultérieures de transport de nanofils InSb par microscopie à effet tunnel à quatre pointes.En conclusion, la qualité structurale et électronique des nanofils d'InAs et InSb réalisée dans ce travail est compatible avec le régime de transport balistique. Ces résultats jettent les bases pour la fabrication de structures III-V plus complexes actuellement recherchées pour la conception de dispositifs quantiques.

In the landscape of electronic device fabrication, the semiconductor compounds indium arsenide (InAs) and indium antimonide (InSb) have emerged as materials of significant interest for high-speed telecommunications and infrared optoelectronics. More recently, their excellent electron transport characteristics, characterized by high mobility and strong spin-orbit coupling, render them highly conducive for applications that exploit quantum transport phenomena. However, their deployment is often hampered by the lattice mismatch they possess with conventional III-V substrates, making them defective. This thesis proposes a solution for fabricating good-quality in-plane InAs and InSb nanostructures, using selective area growth by molecular beam epitaxy in SiO2 apertures.A structural and morphological study of InAs and InSb two-dimensional layers and nanowires on GaAs and InP substrates oriented along the [001] and [111] directions has been carried out. The optimization of the growth parameters led to the fabrication of continuous and faceted planar nanostructures with minimized threading defects. These systems were then studied by four-tip scanning tunnelling microscopy in ultra-high vacuum, a technique that eliminates the need for electrode fabrication to characterize the transport properties. The comparison of transport in surface-reconstructed InAs nanowires and core-shell InAs/GaSb nanowires revealed the benefits of embedding the InAs nanowires to significantly increase the electron mobility in the nanowires.Unlike the InAs nanowires, which can be protected by a thin layer of arsenic to preventtheir surface oxidation during their transfer to air, there is no effective protection for InSb.The final part of the thesis therefore focuses on characterizing the deoxidation of InSb (001) and (111) surfaces using a combination of Raman spectroscopy and scanning tunnelling microscopy. This latter study paves the way for subsequent measurements of the transport in InSb nanowires by four-tip scanning tunnelling microscopy.In conclusion, the structural and electronic quality of the InAs and InSb nanowires produced in this work is compatible with the ballistic transport regime. These results lay down the foundations for the fabrication of the more complex III-V structures, highly prized for thedesign of quantum devices.