Contrôle d'électrons et de dopants uniques dans des transistors silicium

par Benoit Voisin

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Marc Sanquer et de Silvano De Franceschi.

Soutenue le 16-12-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Service de physique statistique, magnétisme et supraconductivité (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Henri Mariette.

Le jury était composé de Marc Bescond.

Les rapporteurs étaient Bernard Plaçais, Floris Zwanenburg.


  • Résumé

    Les récents progrès de fabrication des transistors en silicium-sur-isolant concernent la réduction de leurs dimensions, qui atteignent désormais quelques dizaines de nanomètres, et l'amélioration des contacts. Cela permet l'étude des premiers électrons du canal à basse température. Ceux-ci sont confinés dans les coins du nanofil, où le champ électrique est le plus intense. La dégénérescence de vallée du silicium est alors levée, donnant lieu à un singulet comme état à deux électrons de plus basse énergie en champ magnétique nul. La proximité de contacts quasi-métalliques permet l'étude des interactions entre ces électrons confinés et les électrons de la bande de conduction des contacts à travers l'effet Kondo et le Fermi-edge singularity.D'autre part les dopants, ingrédients essentiels de la fabrication de ces transistors, offrent naturellement une levée de dégénérescence de vallée de par leur fort potentiel de confinement. En variant le champ électrique transverse, nous étudions l'influence de l'environnement complexe sur l'ionisation d'un dopant selon sa position dans le canal. Nous avons ensuite réalisé le premier transistor à atomes couplés, où le transport est contrôlé par l'alignement des niveaux de deux atomes en série, facilitant la spectroscopie: nous mesurons une séparation entre les deux premiers états d'un dopant de l'ordre de 10 meV, un ordre de grandeur plus grand que celle des premiers électrons de la bande de conduction. Cette séparation permet de manipuler les états électroniques dans le régime de la dizaine de gigahertz. Une expérience d'interférométrie à un électron entre deux dopants est réalisée, ouvrant la voie vers des manipulations cohérentes dans des systèmes à dopants uniques.

  • Titre traduit

    Single electron and single dopant control in silicon transistors


  • Résumé

    Recent progress in Silicon-On-Insulator transistors fabrication have concerned a dimensions reduction, up to a few tens of nanometers, and an improvement of the leads. This allows to study the few electrons regime at low temperature. These latter are confined in the corners of the nanowire, where the electric field is maximized. This leads for the silicon valley degeneracy to be lifted, with a singlet for the two-electron ground state at zero magnetic field. We also investigate the interactions between these confined electrons and the electrons of the contacts conduction bands, with the Kondo effect and the Fermi-edge singularity.The dopants, essential ingredients of the transistors fabrication, naturally lift the valley degeneracy thanks to their deep confinement potential. First, by tuning the transverse electric field, we investigate the influence of the complex environment on a donor's ionization according to its position in the nanowire. We then realized the first Coupled-Atom Transistor, where the transport is controlled by the alignment of the ground states of two dopants placed in series. We could measure an energy splitting between the two first states of the order of 10 meV, one order of magnitude larger than that of the first electrons of the conduction band. This large separation allows to manipulate the electronic states in the ten's gigahertz regime. We induce one-electron interferences between the ground states of the two dopants, opening the way towards coherent electron manipulations in dopant-based devices.


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