Physique des vallées dans les transistors à effet de champ en silicium : Une dépendance multifactorielle

Physics of the valley splitting in silicon MOSFETs : Untangling a multi-factorial dependency

• Auteur / Autrice : Nathan Aubergier
• Direction : Vincent Renard, Benjamin Piot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Ulf Gennser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kei Takashina, Belita Koiller, Hermann Sellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ulf Gennser, Benoît Jouault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Landau, Théorie de (transitions de phases)

Électrostatique

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Vallée

Interactions

Champ électrique

Polarisation

Mosfet

Silicon

Valley

Many-Body interactions

Electric field

Polarization

Mosfet

Résumé

Certains matériaux comme le silicium cristallin ou le graphène possèdent un degré de liberté de vallée. Cette dégénérescence partage les mêmes caractéristiques que le spin, raison pour laquelle c’est un candidat prometteur concernant la manipulation d’informations quantiques. Pourtant, l’observation d’une multitude de facteurs influant sur l’énergie séparant les vallées montre la complexité des mécanismes devant être mis en œuvre pour une telle manipulation. Nous pouvons notamment lister la nature et la qualité des interfaces qui contraignent les électrons participant au transport de charges, le champ électrique dans la structure, la densité de charge libre et une contribution potentielle des interactions électroniques. Nous rapportons dans ce travail une étude de l’énergie séparant les vallées dans un transistor en silicium à deux grilles différentes dans lequel nous pouvons contrôler précisément via un potentiel électrique la position des électrons par rapport aux interfaces. En mesurant la conductivité de notre échantillon sous champ magnétique et à basse température, nous avons pu extraire l’énergie séparant les vallées tout en contrôlant finement l’ensemble des paramètres externes.Nous reportons un contrôle de l’énergie séparant les vallées via un potentiel électrique lorsque le gaz d'électrons est proche d’une interface, attirant les charges dans son voisinage, en accord qualitatif avec la théorie. De plus, nous observons une importante contribution attribuée aux interactions entre électrons, amplifiée par l’application d’un champ magnétique perpendiculaire. Nous proposons un modèle consistant à ajouter une contribution provenant de ces mêmes interactions, elles-mêmes dépendantes du niveau de polarisation en vallée du système. Cette contribution est dominante dans le régime de Hall quantique où le champ magnétique perpendiculaire agit comme un catalyseur de polarisation en augmentant la dégénérescence de chaque niveau de Landau. Cette approche nous permet de comprendre la littérature existante dans le silicium bidimensionnel et, en particulier, de prédire de complexes changements de hiérarchies observées entre les gaps de spin et de vallée. Nous discutons finalement des implications pour une possible polarisation spontanée de vallée induite par les interactions entre électrons dans un système suffisamment dilué.

The valley degree of freedom present in some materials like silicon or graphene can be seen as an opportunity for quantum manipulation thanks to many similarities with the spin. However, the observed multi-factorial dependencies of the valley splitting in two-dimensional silicon systems highlight the complexity of the underlying mechanisms behind valley polarization. We can mention the nature and the quality of the interfaces of the confined electronic system, electric fields in the structure, carrier density, and potentially, many-body effects. In this work, we report a study of the valley splitting in a doubly-gated silicon transistors in which we can precisely and electrically control the proximity of electrons to the interfaces. By using different kinds of magneto-transport experiments at low temperatures, we can extract the valley splitting as a function of well-controlled physical parameters.We report an electrical tunability of the valley splitting close to an interface, in qualitative agreement with theoretical expectations. In addition, we observe an important contribution attributed to many-body interactions, enhanced by the application of a perpendicular magnetic field. A model is proposed and it consists in adding to a “bare” valley splitting an electron-electron interactions contribution depending self-consistently on the degree of valley polarization. This contribution is dominant in the quantum Hall regime where the perpendicular magnetic field acts as a polarization booster by increasing the degeneracy of Landau levels. This approach allows us to understand the existing experimental literature in two dimensionnal silicon, and in particular to predict some complex hierarchies observed between spin and valley gaps. We finally discuss the implications for a possible many-body-induced spontaneous valley polarization in clean dilute silicon systems.