Superconducting silicon on insulator and silicide-based superconducting MOSFET for quantum technologies

par Anaïs Francheteau

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de François Lefloch et de Christophe Marcenat.

Soutenue le 18-12-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Thierry Klein.

Le jury était composé de Hélène Le Sueur.

Les rapporteurs étaient Dominique Mailly, Romain Danneau.

  • Titre traduit

    SOI supraconducteur et MOSFET supraconducteur à la base de siliciure pour les technologies quantiques


  • Résumé

    L'introduction de la supraconductivité dans des structures de type MOSFET en silicium ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche en physique. Dans cette thèse, on s'intéresse aux propriétés de transport électronique au sein d'un MOSFET fabriqué avec des sources et drains supraconducteurs. Afin de garantir la reproductibilité de ces dispositifs, il est important d'intégrer des matériaux supraconducteurs compatibles avec la technologie CMOS exploitant la technologie silicium qui a pour énorme avantage d'être véritablement fiable et mature. L'idée fondamentale est de réaliser un nouveau type de circuit supraconducteur avec une géométrie de type transistor dans lequel un supracourant non dissipatif circulant au sein du dispositif, de la source vers le drain, serait modulé par une tension de grille : un JOFET. Une perspective importante est la réalisation d'un qubit supraconducteur grâce à une technologie parfaitement reproductible et mature. Cependant, à très basse température et avec la diminution de la taille des dispositifs, deux phénomènes a priori antagonistes entrent en compétition, à savoir la supraconductivité qui implique un grand nombre d'électrons condensés dans le même état quantique macroscopique et l'interaction Coulombienne qui décrit des processus de transport à une particule. L'intérêt de l'étude est donc de réaliser de tels transistors afin de mieux comprendre comment ce genre de dispositif hybride peut s'adapter à des propriétés opposées. Dans cette thèse, j'ai étudié deux façons d'introduire la supraconductivité dans nos dispositifs. La première option est de réaliser des sources et drains en silicium rendus supraconducteurs par dopage en bore et recuit laser effectué grâce à des techniques de dopage hors-équilibre robustes et bien maîtrisées. Même si la supraconductivité du silicium très fortement dopé en bore est connue depuis 2006 et son état supraconducteur a été très bien caractérisé sur des couches bidimensionnelles, la supraconductivité du SOI, qui est le substrat initial à la base de certains transistors, n'a jamais encore été testée et étudiée. L'objectif est de pouvoir adapter ces techniques de dopage au SOI afin de le rendre supraconducteur et de pouvoir l'intégrer par la suite dans des dispositifs de type MOSFET. La seconde option considérée est la réalisation de source et drain à base de siliciures supraconducteurs tel que le PtSi. Ce siliciure est intéressant du point de vue de sa température critique relativement haute de 1K. D'un point de vue technologique, les MOSFETs à barrière Schottky présentant des contacts en PtSi supraconducteur ont été élaborés au CEA/LETI. Les mesures à très basse température au sein d'un cryostat à dilution ont mis en évidence cette compétition entre la supraconductivité et les effets d'interaction Coulombienne et ont également révélé la supraconductivité dans le MOSFET comportant des contacts en PtSi grâce notamment à l'observation du gap induit dans le dispositif.


  • Résumé

    Superconducting transport through a silicon MOSFET can open up many new possibilities ranging from fundamental research to industrial applications. In this thesis, we investigate the electric transport properties of a MOSFET built with superconducting source and drain contacts. Due to their advantages in terms of scalability and reproducibility, we want to integrate superconducting materials compatible with CMOS technology, thus exploiting the reliable and mature silicon technology. The idea is to realize a new type of superconducting circuits in a transistor geometry in which a non-dissipative supercurrent flowing through the device from source to drain will be modulated by a gate: a JOFET. One important outcome is the realization of superconducting qubits in a perfectly reproducible and mature technology. However, at low temperature and with the reduction of the size of the devices, two antagonistic phenomena appear. The dissipation-free transport of Cooper pairs competes with lossy single-particle processes due to Coulomb interactions. The goal is to understand how these two conflicting properties manifest in such hybrid devices. In this thesis, I studied two different ways of introducing superconductivity in the devices. We deployed a high boron doping and a laser annealing provided by well-controlled out-of-equilibrium doping techniques to make the silicon superconducting. Although highly boron-doped silicon has been known to be superconducting since 2006, superconductivity of SOI, the basic brick of some transistors, was never tested before. We aim at adapting those doping techniques on SOI in order to make it superconducting and to integrate it in transistor-like devices. In a second project, we study source and drain contacts fabricated with superconducting silicides such as PtSi. Such Schottky barrier MOSFETs with superconducting PtSi contacts are elaborated at the CEA/LETI. Measurements at very low temperature revealed the competition between superconductivity and Coulomb interactions and moreover, have brought evidence of superconductivity in PtSi based silicon Schottky barrier MOSFET.


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