Circuits supraconducteurs en technologie silicium

Silicide-based Josephson field effect transistors for superconducting qubits

• Auteur / Autrice : Tom Vethaak
• Direction : François Lefloch, Fabrice Nemouchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• 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 : Shi-Li Zhang, Dominic Horsman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Detavernier, Francesco Giazotto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Josephson, Jonctions

Matériaux

Semiconducteurs

Mots clés libres

Supraconductivité

Silicium FET

Physique Mésoscopique

Silicides

Superconduct*

Cmos

Qubit

Fet

Résumé

L’évolution de la fabrication et l’exploitation des ordinateurs quantiques est essentielle pour dépasser l’ère NISQ. Jusqu’à présent, les qubits transmon supraconducteurs basés sur des jonctions tunnel Josephson en aluminium ont donné les résultats les plus avancés, bien que cette technologie soit difficile à mettre en oeuvre dans des installations à grande échelle.Un autre qubit "gatemon" est apparu récemment, qui utilise des dispositifs hybrides supraconducteurs/semiconducteurs (S/Sm) comme jonctions Josephson accordées par un contrôle électrostatique. Cependant, les implémentations actuelles de ces dispositifs utilisent des nanofils, dont la fabrication à grande échelle n’a pas encore atteint sa maturité. Une conception évolutive de gatemon pourrait être réalisée avec des transistors à effet de champ Josephson CMOS comme lien faible accordable, où un dispositif idéal est constitué de réservoirs supraconducteurs qui contactent un canal court par des interfaces à haute transparence. Une transparence élevée, ou une faible résistance de contact,est obtenue dans l’industrie de la microélectronique avec des siliciures, dont certains s’avèrent être supraconducteurs. La première partie du travail expérimental de cette thèse couvre les études de matériaux sur deux de ces matériaux : V3Si et PtSi, qui sont intéressants pour leur Tc élevé, et leur intégration mature. La deuxième partie couvre des résultats expérimentaux sur des transistors PtSi de longueur de grille 50nm, où la transparence des interfaces S/Sm est modulée par la tension de grille. A basse tension,le transport ne montre aucune conductance à basse énergie, et des pics de cohérence bien définis au niveau du gap supraconducteur. La hauteur de la barrière à l’interfaceS/Sm est réduite en augmentant la tension de grille, jusqu’à ce qu’un pic de conductance apparaisse autour d’une tension de drain nulle, ce qui révèle l’apparition d’un courant d’Andreev. La modulation du courant d’Andreev par une grille dans un transistor à base de silicium, représente une étape vers des ordinateurs quantiques supraconducteurs entièrement intégrés en CMOS.

Scalability in the fabrication and operation of quantum computers is key to move beyondthe NISQ era. So far, superconducting transmon qubits based on aluminum Josephson tunnel junctions have demonstrated the most advanced results, though this technologyis difficult to implement with large-scale facilities. An alternative “gatemon” qubit has recently appeared, which uses hybrid superconducting/semiconducting (S/Sm) devices as gate-tuned Josephson junctions. Current implementations of these use nanowires however, of which the large-scale fabrication has not yet matured either. A scalable gatemon design could be made with CMOS Josephson Field-Effect Transistors as tunableweak link, where an ideal device has leads with a large superconducting gap that contacta short channel through high-transparency interfaces. High transparency, or low contact resistance, is achieved in the microelectronics industry with silicides, of which some turnout to be superconducting. The first part of the experimental work in this thesis covers material studies on two such materials: V3Si and PtSi, which are interesting for their high Tc, and mature integration, respectively. The second part covers experimental results on 50nm gate length PtSi transistors, where the transparency of the S/Sm interfaces is modulated by the gate voltage. At low voltages, the transport shows no conductance at low energy, and well-defined features at the superconducting gap. The barrier height at the S/Sm interface is reduced by increasing the gate voltage, until a zero-bias peak appears around zero drain voltage, which reveals the appearance of an Andreev current.The successful gate modulation of Andreev current in a silicon-based transistor represents a step towards fully CMOS-integrated superconducting quantum computers.