Boîte quantique des trous sur des hétérostructures de Ge/SiGe

Hole Quantum Dots in Strained Ge/SiGe Quantum-Well Heterostructures

• Auteur / Autrice : Gonzalo Troncoso Fernandez-Bada
• Direction : Xavier Jehl
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 20/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Franck Balestro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Natalia Ares, Alessandro Crippa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominik Zumbühl, Dominique Mailly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Germanium

Points quantiques

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Germanium

Quantique

Trous

Heterostructures

Silicon

Germanium

Quantum

Holes

Heterostructures

Résumé

Les points quantiques des semi-conducteurs ont été un domaine de recherche fructueux au cours des 40 dernières années. Les atomes artificiels ouvrent une grande quantité de possibilités. De l'effet quantique orbital jusqu'à la polarisation de spin, des études ont été menées par des groupes du monde entier. La publication de Di Vizinzio en 1998 a souligné la possibilité de coder des informations informatiques quantiques dans les états de spin des charges à l'intérieur des points quantiques. Depuis, plusieurs manifestations ont montré que cette possibilité est une réalité, même s'il reste encore pas mal de cailloux sur le chemin. Parmi les semi-conducteurs utilisés pour fabriquer des boîtes quantiques, Ge est un nouveau candidat qui présente un fort potentiel. Parmi ses propriétés intrinsèques, on trouve une faible interaction hyperfine en raison de son caractère de type p de la bande de valence, un fort couplage spin-orbite, qui permet une commande électrique complète des états de spin, un facteur g amélioré et de faibles masses effectives. L'objectif de cette thèse est de développer une recette de fabrication résiliente pour former des boîtes quantiques dans des hétérostructures de Ge. Plusieurs étapes de gravure plasma, de dépôt diélectrique, de lithographies de grille et d'évaporation de métal ont été sondées et optimisées. Une fois la recette obtenue, nous avons procédé à une caractérisation mésoscopique de l'hétérostructure et des dispositifs quantiques. Des transistors à effet de champ trou (H-FET), des contacts ponctuels quantiques (QPC), des points quantiques simples (SQD) et des points quantiques doubles (DQD) sont fabriqués et testés dans cette thèse. Nous avons sondé la viabilité de la recette aux chauds SQD et DQD, et atteint l'état de l'art pour la fabrication de dispositifs quantiques à hétérostructures Ge. Cette thèse est la base de la recherche future sur les dispositifs basés sur le spin dans les hétérostructures Ge.

Semiconductor's quantum dots has been a fruitful research field for the last 40 years. Artificial-made atoms open a large amount of possibilities. From orbital quantum effect down to spin-polarization studies have been carried on from groups all around the world. DiVicenzo's publication in 1998 pointed out the possibility of encoding quantum computing information in the spin states of charges inside quantum dots. Since then, several demonstrations have shown that this possibility is a reality, even though there are still quite a few stones in the path. Out of the semiconductors used to fabricate quantum dots, Ge is a new candidate that shows strong potential. Among its intrinsic proprieties, we find low hyperfine interaction due to its p-type character of the valence band, strong spin-orbit coupling, which allows a full electrical driving of the spin states, enhanced g-factor and low effective masses. The purpose of this thesis is developing a resilient fabrication recipe to form quantum dots in Ge heterostructures. Several steps of plasma etching, dielectric deposition, gate lithographies and metal evaporation have been probed and optimized. After the recipe was obtained, we proceeded to a mesoscopic characterization of the heterostructure and the quantum devices. Hole-Field Effect Transistors (H-FET), Quantum Point Contacts (QPC), Single Quantum Dots (SQD) and Double Quantum Dots (DQD) are fabricated and tested in this thesis. We probed the viability of the recipe to hots SQD and DQD, and reached the state-of-the-art for the Ge heterostructures quantum device fabrication. This thesis is the foundation for the future research in spin-based devices in Ge heterostructures.