Circuits Supraconducteurs en Technologie Slicium

par Tom Vethaak

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de François (phys) Lefloch et de Fabrice Nemouchi.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS (laboratoire) depuis le 30-01-2018 .


  • Résumé

    L'énorme avantage de la technologie Silicium est sa maturité et sa fiabilité. Or, il se trouve que certains matériaux utilisés ou intégrable dans les dispositifs à base de silicium sont supraconducteurs à basse température. L'objectif de ce projet est donc de réaliser, à partir de ces matériaux, un nouveau genre de dispositifs de type transistor MOSFET pour lesquels les électrodes drain et source seront supraconductrices. Une fois réalisés ces nouveaux circuits permettront de développer des architectures quantiques dans une technologie intégrable. A basse température, un transistor MOSFET silicium de taille nanométrique agit comme un transistor à un électron à cause du confinement électrostatique et de l'interaction coulombienne. Cette situation apparait lorsque l'énergie de charge devient plus importante que l'énergie thermique. Par ailleurs, la supraconductivité est décrite par la condensation d'un très grand nombre de paires d'électrons dans un état quantique macroscopique. D'un point de vue purement scientifique, l'intérêt de l'étude est de mieux comprendre comment des propriétés à priori antagonistes peuvent coexister dans ce genre de dispositifs hybrides. L'un des objectifs est de réaliser des dispositifs de type jonctions Josephson contrôlables par une grille et pour lesquelles un courant électrique peut circuler sans dissipation. Ces composants couplés à une capacité permettent de réaliser un qubit supraconducteur dont l'écart entre niveaux d'énergie est contrôlable par la grille. Ce point est important pour pouvoir ajuster le couplage du qubit avec une cavité supraconductrice dont la fréquence de résonance est fixée par la géométrie. Dans beaucoup de situations expérimentales, c'est ce couplage qui permet de lire et/ou transférer l'information quantique portée par le qubit. D'un point de vue technologique, les électrodes seront fabriquées à partir de silicures supraconductrices comme le mono-siliciure de PtSi ou de Silicium dopé Bore (Si:B) qui peut être rendu supraconducteur par recuit/dopage laser. Dans le cas des silicures, l'objectif est de maitriser les réactions à l'état solide métal/semi-conducteur afin d'obtenir la bonne phase supraconductrice en veillant à ce que ce siliciure soit le plus proche de l'entrée du canal du transistor. Pour le Si:B, il convient de maitriser le recuit/dopage laser d'abord sur du Silicium sur isolant (SOI) puis sur des structures préexistantes sans les endommager. L'objectif technologique est de diminuer les résistances d'accès qui sont une source importante de dissipation dans les transistors submicroniques commerciaux. C'est un enjeu primordial dans l'industrie de la micro-nano électronique où la consommation énergétique est un facteur limitant de développement.

  • Titre traduit

    Superconducting Circuits in Silicon Technology


  • Résumé

    A big advantage of the Silicon technology is its maturity and reliability. Incidentally, some materials used or useful in silicon based devices are superconducting at low temperature. The objective of this project is then to realize a new kind of MOSFET transistor-like devices for which the drain and sources electrodes will be superconducting. Once realized, these new quantum circuits will allow developing quantum architectures in a scalable technology. At low temperature, a Silicon nano-MOSFET transistor behaves as a single electron transistor due to the electrostatic confinement and Coulomb interaction. This situation appears when the charging energy becomes larger than the thermal energy. On the other hand, the superconductivity is described by the condensation of a very large number of electrons pairs in a macroscopic quantum state. On a purely scientific level, the goal of this study is to understand better how antagonist properties can coexist in such hybrid devices. The objective will then be to fabricate devices like Josephson junction controlled by a gate and in which current can flow with no dissipation. These components, coupled to a capacitor, allow fabricating superconducting qubit for which the energy levels separation can be controlled by the gate. This point is important to adjust the coupling of the qubit with a superconducting cavity whose resonant frequency is fixed by the design. In many experimental situations, it is this coupling that allows reading or transferring the quantum information carried by the qubit. From a technological point of view, the electrodes will be fabricated from superconducting silicides such as the platinum mono-silicide (PtSi) or Boron doped Silicon (Si:B) that can be superconducting using laser doping/annealing. In the case of silicides, the goal is to control the metal/semiconductor solid state reaction in order to obtain the good superconducting phase as close as possible to the transistor channel. For Si:B, the issue is to control the laser doping/annealing first on Silicon on insulator (SOI) and then on pre-existing devices without damaging them. The technological objective is to reduce the access resistances which are an important source of dissipation in commercial sub-micron transistors. It is a major issue in the micro-nano electronics industry where the energy consumption is a limiting factor for development.