Nanofils coeur-coquille planaires à fort couplage spin-orbite pour composants mesoscopiques intégrés – Inspiring

Dans un semiconducteur à fort couplage spin-orbite (SO), l’absence de symétrie d’inversion conduit à l’effet Rashba. Ce lien entre le spin de l’électron et son moment est à l’origine de plusieurs concepts innovants tels que le transistor de spin à grille électrostatique, la conversion spin-charge ou charge-spin, la protection topologique des courants de spin via l’effet Hall quantique de spin ou plus récemment la recherche de quasi-particules de Majorana, candidates sérieuses pour la fabrication de bits quantiques robustes.
L’InSb et le HgTe présentent les couplages SO les plus forts parmi les semiconducteurs III-V et II-VI respectivement et sont donc particulièrement attrayants pour ces applications. La fabrication de circuits électroniques complexes basés sur ces concepts nécessite cependant la mise au point d’une technologie fiable et robuste conduisant à la réalisation de composants nanométriques fonctionnant en régime balistique, pour garantir la cohérence de spin.
Le projet INSPIRING qui rassemble 3 partenaires académiques (IEMN, LETI et Néel) vise à développer une telle technologie en combinant l’épitaxie par jets moléculaires et la nano-lithographie pour permettre l’élaboration directe de nanostructures InSb et HgTe planaires localisées précisément à la surface du substrat grâce à la fabrication d’un masque de croissance. Cette épitaxie sélective à l’échelle nanométrique, déjà utilisée à l’IEMN avec des matériaux tels que GaSb ou InAs pour la fabrication de transistors MOSFET ultimes, permettrait de lever un certain nombre de verrous technologiques liés au désaccord de maille ou à la sensibilité des matériaux aux procédés de gravure.
Concernant InSb, les premiers résultats démontrés à l’IEMN sont prometteurs mais les propriétés électroniques restent impactées par le désaccord de maille avec les substrats III-V semi-isolants et les défauts à la surface des nanostructures. La proximité des paramètres de maille d’InSb et CdTe permet d’envisager leur association dans le cadre du projet INSPIRING à la fois pour fabriquer des nanofils planaires d’InSb sur un substrat isolant mais aussi pour les doter d’une coquille protectrice ce qui passe par la maîtrise d’interfaces hybrides entre matériaux III-V et II-VI. L’association entre les matériaux II-VI HgTe et CdTe est également possible, ce qui présente l’avantage d’utiliser un même substrat doté d’un masque diélectrique nanostructuré pour ces deux études. Pour HgTe, dont la complexité des procédés de fabrication empêche son essor actuellement, la démonstration de l’épitaxie sélective constituerait une avancée technologique majeure étant données ses propriétés topologiques.
Outre la croissance sélective, le second objectif du projet INSPIRING est de caractériser le transport électronique dans les nanostructures et d’atteindre le régime balistique sur une distance de l’ordre du micron. Ces propriétés étant sensibles aux procédés technologiques utilisés lors de la fabrication d’un composant électrique, le projet prévoit dans un premier temps des mesures du transport par microscopie à effet tunnel multi-pointes qui évite les étapes de mise en contact des nanostructures. Cette analyse nécessite au préalable la mise au point d’une stratégie efficace d’encapsulation/décapsulation des épitaxies sous ultra-vide pour garantir le transfert d’échantillons intacts. Dans un deuxième temps, des dispositifs électroniques élémentaires seront fabriqués pour la caractérisation du transport électronique à très basse température et sous champ magnétique.
Dans ce contexte, l’IEMN, le LETI et Néel disposent d’une solide expérience complémentaire dans la croissance par épitaxie par jets moléculaires, dans les techniques de caractérisation en champ-proche ou de magnéto-transport ainsi que des environnements technologiques nécessaires pour mener à bien ce projet et offrir de nouvelles perspectives en spin-orbitronique.