Note ABES Epitaxial growth and near-field characterization of InSb nanostructures for advanced electron devices Croissance épitaxiale et caractérisation champ-proche de nanostructures d’InSb pour composants électroniques avancés Croissance epitaxiale Nanostructures Caracterisation champ-Proche InSb Epitaxial growth Nanostructures Scanning probe microscopic characterization InSb Nanostructures Antimoniure d'indium Épitaxie par faisceaux moléculaires Microscopie en champ proche Arséniure de gallium Couches minces semiconductrices Microscopie tunnel à balayage Électronique quantique À l'aube de l'ère quantique, qui promet des modes de traitement de l'information radicalement nouveaux, les semi-conducteurs III-V — et en particulier l'antimoniure d'indium (InSb) — apparaissent comme des materiaux prometteurs pour contribuer à cette transition. Grâce à sa mobilité électronique élevée, son fort couplage spin-orbite et sa faible masse effective, l'InSb possède les propriétés idéales pour des applications quantiques telles que les dispositifs à base de fermions de Majorana, tout en ouvrant lavoie à des applications innovantes en nanoélectronique haute performance au-delà du calcul quantique. Cependant, la mise en oeuvre de tels dispositifs fonctionnels reste freinée par le fort désaccord de maille entre l'InSb et les substrats III-V conventionnels, qui rend difficile une croissance de nanostructures exemptes de défauts. Cette thèse explore la croissance sélective de nanostructures d'InSb sur des substrats à maille accordée et fortement désaccordée, en utilisant l'épitaxie par jets moléculaires. Afin de permettre la modulation de densité de porteurs nécessaire aux dispositifs quantiques, l'InSb a également été intégré dans des hétérostructures comportant des barrières de potentiel semi-conductrices.L'étude a porté dans un premier temps sur la croissance de l'InSb sur des substrats de tellure de cadmium (CdTe) accordés en maille, mais des limitations technologiques ont limité la qualité et la production de nanostructures d'InSb. La suite de l'étude s'est alors orientée vers l'utilisation de substrats d'arseniure degallium (GaAs) orientés selon la direction (111)B, où l'optimisation des paramètres de croissance a permis d'obtenir des couches minces et des nanostructures planaires de haute qualité cristalline avec une faible densité de défauts, confirmées par des analyses en microscopie électronique en transmission ainsi qu'en microscopie à effet tunnel. À la suite de l'optimisation de la croissance d'InSb sur GaAs (111)B, des couches minces et des nanofils d'InSb de haute qualité ont été réalisés sur des couches tampons de phosphure de gallium-indium à faible rugosité, elle-même épitaxiée sur substrat GaAs dans des conditions optimisées. Une étude structurale et morphologique a permis de discuter les différences mineures observées par rapport à la croissance des nanostructures d'InSb directement sur GaAs. La dernière partie de la thèse a été consacrée à l'étudedes propriétés de transport électrique de l'hétérostructure InSb/GaInP/GaAs dopé n, en combinant des mesures de Hall, la méthode des longueurs de transfert et la microscopie à effet tunnel à quatre pointes. Une modulation efficace de la densité de porteurs à l'intérieur des nanostructures d'InSb, ainsi qu'une mobilité électronique record pour des couches minces d'InSb épitaxiées directement sur substrats III-V désaccordés, ont été démontrées. Enfin, une étude par spectroscopie à effet tunnel a révélé que le contrôleprécis de l'état de surface est essentiel pour exploiter pleinement le potentiel de ces nanostructures.Dans l'ensemble, ce travail établit une base fondamentale vers la production de nanostructures d'InSb de haute qualité, utile à la fois pour le développement de dispositifs quantiques et la nanoéléctronique III-V haute performance. At the dawn of the quantum era, which promises radically new ways of processing information, III-V semiconductors — and InSb in particular — stand out as one of the most promising material for this transition. With high electron mobility, strong spin-orbit interaction, and small effective mass, InSb exhibits ideal properties for quantum applications such as Majorana-based devices, while also offering opportunities in high-performance nanoelectronics beyond quantum computing. However, the deployment to functional devices has been hampered by the strong lattice-mismatch of InSb to conventional III-V substrates, making the growth of defect-free nanostructures challenging. This thesis investigates the Selective Area Growth (SAG) of InSb nanostructures on both lattice-matched and highly mismatched substrates using MolecularBeam Epitaxy (MBE). To enable the carrier density modulation required for quantum devices, InSb was also integrated within gated heterostructures incorporating semiconducting barriers.This thesis work dealt with the InSb growth on lattice-matched CdTe substrates at the beginning, but technological limitations constrained the quality and scalability of the InSb nanostructures. The study then shifted to GaAs (111)B substrates, where growth optimization yielded high crystal quality thin films and planar nanostructures with low defect density, as confirmed by cross-sectional Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) and Scanning Tunneling Microscopy (STM).Following the optimized growth on GaAs (111)B, high quality InSb thin-films and in-plane nanowires (NWs) were produced on low roughness GaInP buffer layers grown on GaAs under carefully optimized conditions. Through a structural and a morphological study, we then discussed the minor differences observed with the growth of InSb nanostructures on GaAs substrates. The final part of the thesis focused on electrical transport studies of the InSb/GaInP/GaAs:n+ heterostructure combining Hall measurements, Transfer Length Method (TLM), and Four-Probe Scanning Tunneling Microscopy (4P-STM). An effectivecharge density modulation inside the InSb nanostructures as well as a record-high electron mobility for InSb thin films grown on III-V mismatched substrate were demonstrated. A last comprehensive Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) study revealed that precise control of surface integrity is essential to fully exploit the potential of these nanostructures.Altogether, this work establishes a scalable route to high-quality InSb nanostructures, advancing both quantum device development and high-performance III-V nanoelectronics. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 77594186 https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/EDENGSYS/2025/2025ULILN024.pdf http://www.theses.fr/2025ULILN024/abes https://theses.hal.science/tel-05382109 https://theses.hal.science/tel-05382109 https://theses.hal.science/tel-05382109 https://theses.hal.science/tel-05382109 https://theses.hal.science/tel-05382109 Barbot Clément Barbot 1996-09-27 FR 294215573 https://theses.fr/2025ULILN024 2025ULILN024 https://doi.org/10.70675/cc1e2e1cz3685z4d00z88e2zb9a755f89a7e 2025-11-27 Micro-nanosystèmes et capteurs Université de Lille (2022-....) 259265152 Doctorat Docteur es non oui Desplanque Ludovic MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 076098656 Grandidier Bruno MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_2 084580135 Delerue Christophe MADS_PRESIDENT_DU_JURY 035741163 Atkinson Paola MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 193180529 Hocevar Moïra MADS_MEMBRE_DU_JURY_2 133057968 Cerutti Laurent MADS_RAPPORTEUR_1 069263302 Angot Thierry MADS_RAPPORTEUR_2 134132947 École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 25860221X Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 1066983 138736421 Agence nationale de la recherche (France ; 2005-....) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_2 121892174 ddc:620 Desplanque Ludovic Grandidier Bruno Delerue Christophe Atkinson Paola Hocevar Moïra Cerutti Laurent Angot Thierry École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....) Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie Agence nationale de la recherche (France ; 2005-....) PDF 77594186