Quasi-ballistic electronic transport in InAs and InSb nanowires under high magnetic field
Transport électronique quasi-balistique dans les nanofils d’InAs et d’InSb sous champ magnétique intense
Résumé
InAs and InSb nanowires, fabricated by epitaxial growth, represent an electron gas confined in a 1D conductor with many advantages such as high mobility and a strong spin-orbit coupling. However a lack of experimental characterization of their band structure remains. In this thesis the electronic properties are studied experimentally by measuring the electronic transport in the quasi-ballistic regime and under magnetic field up to 55 T. The quasi-ballistic regime is highlighted by the conductance quantization between the temperatures of 2 K to 50 K. The band structure is probed by analyzing the conductance plateaus as a function of the gate voltage, the bias voltage, and the magnetic field. The results show good agreements with band structure simulations. Other information, such as transmission, field effect mobility and gate capacitance, is extracted. The application of a magnetic field lifts the orbital and spin degeneracy. Under a magnetic field perpendicular to the nanowire axis subbands evolved towards Landau quantization together with backscattering reduction. The ballistic regime is prominent under strong magnetic fields and allows the determination of the transmission of the contacts. Fluctuations of the magneto-conductance are observed in function of magnetic field parallel to the nanowire axis. They reveal the carriers confinement within the nanowire and Landau orbits emergence in the transport direction. The coherent electron transport is jointly studied in these systems. It is highlighted by the observation of universal conductance fluctuations and electronic Fabry-Pérot oscillations. Finally the low-temperature photoconductivity is measured under illumination for wavelengths close to the band gap energy. In this exploratory work, photoconductivity measurement reveals the presence of Schottky barriers at the contacts and unexpected anisotropy according to the direction of linear polarization for InSb Zinc Blende nanowires.
Les nanofils d’InAs et InSb, fabriqués par épitaxie, représentent un gaz électronique confiné dans un conducteur 1D avec nombreux avantages comme une grande mobilité et un fort couplage spin-orbite. Cependant un manque de caractérisation expérimentale de leur structure de bande subsiste. Dans cette thèse, la structure de bande et les propriétés électroniques des nanofils d’InAs et d’InSb sont étudiées par transport électronique en régime quasi-balistique et sous un champ magnétique montant jusqu’à 55 T. Le régime quasi-balistique est mis en évidence entre 2 K et 50 K par la quantification de la conductance. La structure de bande est sondée par l’analyse des plateaux de conductance, en fonction de la concentration électronique, de la tension de biais et du champ magnétique. Les résultats montrent un bon accord avec des simulations de structure de bande. D’autres informations sont extraites comme la transmission, la mobilité de champ et le couplage capacitif. L’application du champ magnétique lève la dégénérescence de spin et la dégénérescence orbitale. Sous champ magnétique perpendiculaire à l’axe du nanofil, les bandes évoluent vers la quantification de Landau, accompagnée d’une réduction de la rétrodiffusion. Le régime balistique est mis en évidence à fort champ magnétique et permet la détermination de la transmission des contacts. Des fluctuations quasi-périodiques de la conductance sont mesurées en fonction du champ magnétique parallèle à l’axe du nanofil. Elles révèlent le confinement des porteurs à l’intérieur du nanofil et la formation d’orbites de Landau dans la direction du transport. Le transport électronique cohérent est conjointement étudié dans ces systèmes. Il est mis en évidence par l’observation de fluctuations universelles de conductance et du régime de Fabry-Pérot électronique. Enfin la photoconductivité à basse température est mesurée sous illumination pour des longueurs d’onde proches de l’énergie de bande interdite. Dans ce travail exploratoire, la mesure de photoconductivité révèle la présence de barrières de Schottky au niveau des contacts et une anisotropie en fonction de la direction de polarisation linéaire inattendue pour des nanofils d’InSb de structure cristalline Blende de Zinc.
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