Soutenance mémoire
La physique des systèmes de basse dimensionnalité a connu un essor important depuis une vingtaine d’années. Elle est animée par des motivations fondamentales conjointes à des objectifs industriels. Il est en effet connu que les systèmes de basse dimensionnalité possèdent des propriétés uniques telles que d’avoir des densités d’états électroniques en bas de bande d’autant plus piquées que la dimensionnalité est basse. Les systèmes 3D, 2D, 1D et 0D ont respectivement en bas de bande, une densité nulle, constante, infinie qui diverge comme l’inverse de la racine de l’énergie et infinie avec concentration de tous les états sur un seul niveau. La concentration d’états en bas de bande est augmentée avec la réduction de dimensionnalité et s’accompagne d’une diminution de la densité d’états aux énergies supérieures, c’est à dire d’une réduction de l’espace des phases. Ces deux propriétés fondamentales ont suscité l’utilisation de ces systèmes pour des applications optiques et électroniques. La densité plus piquée diminuerait le seuil des lasers et augmenterait leur stabilité en fréquence et température. La réduction de l’espace des phases doit théoriquement augmenter fortement la mobilité d’un électron libre et permettrait la réalisation de composants de traitement de l’information encore plus rapides. L’effort s’est donc de prime abord porté sur les méthodes de fabrication, en particulier les méthodes de croissance par Epitaxie à Jets Moléculaires (EJM) et Epitaxie en Phase Vapeur aux Organo-Métalliques (EPVOM). Grâce aux progrès de ces méthodes, les deux propriétés énoncées ci-dessus ont été vérifiées pour les systèmes 2D. Une réduction supplémentaire de la dimensionnalité ne peut se faire sans l’ajout d’interfaces de confinement supplémentaires (une pour le 1D et deux pour le 0D) et à ce jour, quelque soit la technique de fabrication, les preuves sont encore peu nombreuses et parfois discutables. L’ajout de ces interfaces augmente le désordre et il est encore difficile de trouver un régime d’observation et d’utilisation tel que les effets dus au confinement dominent devant les effets de désordre. Mais cela ne diminue pas pour autant leur intérêt, car jusqu’à preuve du contraire, il ne s’agit pour l’instant que d’un problème de maîtrise des techniques de fabrication. C’est là une différence importante entre les systèmes 2D, où on s’accorde essentiellement sur deux techniques de fabrication désormais bien maîtrisées et les systèmes 1D et 0D où les méthodes de fabrication sont très diverses et encore pour la plupart à leur stade d’optimisation.
Nanostructures : généralités et technologies
Généralités sur les systèmes unidimensionnels
Définition : un système de basse dimensionnalité abaisse la dimensionnalité du mouvement de l’électron, ceci est réalisé lorsque le potentiel qui confine les électrons possède dans une ou plusieurs directions de l’espace une dimension comparable à la longueur d’onde de Fermi de l’électron. Cette dernière est de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres dans les semiconducteurs usuels. Un système unidimensionnel (fil quantique) a donc un potentiel qui confine l’électron dans deux directions de l’espace.
La physique des systèmes de basse dimensionnalité s’est considérablement développée depuis une vingtaine d’année. Elle est animée par une double motivation. Elle devient une nécessité pour répondre à l’intégration croissante des composants électroniques, optoélectroniques et plus généralement de traitement de l’information. Les industriels approchent aujourd’hui des tailles d’objets comparables à celles des systèmes de basse dimensionnalité et il devient crucial de maîtriser les lois physiques qui gouvernent le mouvement de l’électron à cette échelle de dimension. Elle est aussi un champ de recherche fondamentale considérable ou le comportement de ces objets est gouverné par les lois de la mécanique quantique. Ces deux aspects se nourrissent de l’un et de l’autre et leur développement respectif ne s’est pas fait sans aller et retour. Ainsi, l’effet Hall quantique entier [Klitzing, 86], qui est l’une des découvertes majeures de la physique des semi-conducteurs de cette fin de siècle a été observé pour la première fois dans des transistors Si-MOS. Concernant les systèmes uni-dimensionnels, un ensemble de prédictions théoriques a motivé leur développement. Elles concernent deux champs d’application importants de l’industrie actuelle :
• Applications optiques. La densité d’états d’un système unidimensionnel diverge comme l’inverse de la racine de l’énergie lorsque celle-ci se rapproche de l’état fondamental. Un laser constitué de fils quantiques verrait son seuil diminuer car la proportion d’états participant à l’émission par rapport au nombre d’états qu’il faut remplir pour atteindre l’inversion de population est plus grande que dans les systèmes 2D et 3D.
• Applications électroniques Il a été prédit [Sakaki, 80] que la réduction de l’espace des phases accessibles à l’électron lors d’un processus de diffusion quelconque devrait augmenter considérablement sa mobilité déjà très élevée dans les systèmes bi-dimensionnels. Cette propriété permettrait de réaliser des composants électroniques et optoélectroniques encore plus rapides que ceux actuellement fabriqués et répond aux exigences exponentiellement croissantes de la demande en débits de traitement de l’information. Ces deux types d’applications divisent les systèmes en deux catégories : ceux qui ont ou n’ont pas d’électrons libres. La présence d’électrons libres modifie considérablement la physique et c’est pourquoi nous nous étendrons plus particulièrement sur la deuxième catégorie dans laquelle le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit. La proposition de Sakaki a eu un impact considérable et a stimulé le développement de nouvelles disciplines telles que la physique des nanostructures ou bien la physique mésoscopique. Des propriétés uniques des systèmes unidimensionnels ont été mises en évidence expérimentalement telles que la quantification de la conductance [Wharam, 88][Wees, 88], la focalisation d’électrons, les interférences quantiques, le transport ballistique des électrons [Beenaker, 91]. Tous ces effets ouvrent les voies de nouveaux composants et de nouvelles fonctionnalités de l’électronique et peut-être pourrons-nous bientôt parler d’électronique quantique à un électron. Parallèlement à ces motivations et grâce au développement technologique, s’est développé l’espoir d’observer des effets à N corps prédits dans les systèmes uni-dimensionnels. Le caractère unidimensionnel modifie profondément l’interaction entre électrons et on s’attend à observer une transition du comportement du gaz d’électrons du liquide de Fermi [Nozières, 66] au liquide de Luttinger [Luttinger, 63]. Des expériences récentes ont été réalisées afin de mettre en évidence le comportement liquide de Luttinger du gaz d’électrons, mais leurs conclusions restent encore ambiguës, parfois contradictoires [Tarucha, 95][Chang, .][Milliken, 96]. La question reste donc ouverte.
Comment obtenir des systèmes unidimensionnels
a – Les systèmes naturels
Il s’agit de matériaux qui possèdent naturellement un confinement unidimensionnel tels que les polymères conducteurs (longue chaîne moléculaire de quelques micromètres de longueur) ou les matériaux inorganiques [Jérôme, 82]. Nous ne nous étendrons pas sur cette famille.
b – Les systèmes artificiels
Ceux-là sont à base de matériaux semiconducteurs et sont fabriqués par les techniques de croissance telle que l’épitaxie par jets moléculaires (EJM) ou bien l’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM). On distingue deux familles de nanostructures unidimensionnelles, celles qui sont issues d’un système bidimensionnel qui après croissance subit des étapes supplémentaires de fabrication (confinement par grille, confinement par gravure superficielle, confinement par gravure profonde), et celles qui sont obtenues par croissance directe (croissance sur surface vicinale, croissance sur surface facettée, reprise d’épitaxie après clivage). La première famille est la plus ancienne à avoir été utilisée, elle bénéficiait de la maîtrise de la croissance des systèmes bi-dimensionnels et les recherches menées depuis plus de dix ans sur ce types de nanostructures aboutissent depuis peu (moins d’une année) à dessiner les contours et limites de ces technologies. La deuxième met en œuvre des techniques plus sophistiquées. Elle s’est développée lorsque les limites de la première ont commencé à se faire sentir. Elle représente avec certitude les méthodes de l’avenir pour la réalisation de fils quantiques. L’ensemble des techniques appartenant à cette famille sont encore à leur stade d’optimisation.
α − Nanostructures fabriquées à partir d’un système 2D
Toutes ces techniques sont basées sur la fabrication d’un système bi-dimensionnel tel qu’une hétérojonction, un puits quantique, un multi-puits quantique. Une fois l’échantillon obtenu, celui-ci subit quelques étapes technologiques supplémentaires.
Confinement par le champ d’une grille (Split-Gate Quantum Wire)
Elle consiste à déposer un réseau de grilles métalliques, (contacts Schottky) sur la surface supérieure de l’échantillon contenant le puits quantique [Heitmann, 90][Thornton, 86][Zheng, 86]. Le confinement est obtenu en appliquant un potentiel négatif sur les grilles qui dépeuple la région en dessous des grilles pour donner naissance à un canal entre les grilles de dimension contrôlable par la tension appliquée. La forme et la disposition des grilles en surface déterminent la forme du potentiel de confinement des électrons. Si la largeur du canal a l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de Fermi, on crée un fil quantique.
Confinement par gravure profonde (Deep Etched Quantum Wire)
Elle consiste à graver l’échantillon jusqu’à une profondeur bien inférieure au plan contenant le gaz d’électrons bi-dimensionnel initial [Skocpol, 82][Grambow, 89, 90]. Un masque est déposé sur la surface de l’échantillon avant gravure, son rôle est de protéger l’échantillon. La gravure se fera à l’extérieur du masque. Le confinement est obtenu par l’interface latérale semiconducteur/air.
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Table des matières
I)INTRODUCTION
II) GENERALITES
III) METHODOLOGIE
IV) RESULTATS
V) COMMENTAIRES ET DISCUSSION
VI) CONCLUSION
VII) REFERENCES
ANNEXES
RESUME
