Mesures résonantes des propriétés hautes fréquences du silicium supraconducteur ultra-dopé au bore par laser

par Pierre Bonnet

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Dominique Debarre.

Le président du jury était Jérôme Lesueur.

Le jury était composé de Etienne Bustarret, Ioan Mihai Pop, Eduard Driessen, Florence Lévy-Bertrand, Thierry François Kociniewski.

Les rapporteurs étaient Etienne Bustarret, Ioan Mihai Pop.


  • Résumé

    Cette thèse étudie les propriétés de transport à haute fréquence du silicium très fortement dopé au bore. Ce matériau, le Si:B, est obtenu par un dopage hors équilibre, à l’aide d’un recuit laser ultra-bref, d’échantillons de silicium immergés dans une atmosphère gazeuse contenant du bore. Ce recuit particulier, permettant d’atteindre des concentrations actives très importantes, jusqu’à 10 at.%, au-delà de la limite de solubilité, permet de faire apparaitre le caractère supraconducteur du Si:B, de type BCS en limite sale, dont la transition se situe autour de 0.5 K. La technique de dopage, en lien avec les propriétés structurales des couches fines synthétisées, est détaillé. Le transport en courant continu est abordé, en particulier pour les couches les plus fines et en fonction de la forme de l’impulsion UV du laser de dopage. La méthode d’étude de l’impédance de surface du matériau à haute fréquence choisie est la mesure résonante. Des résonateurs sont construits par gravure des couches de Si:B. Ils sont refroidis pour étudier leur transmission dans l’état supraconducteur. La forte inductance cinétique de surface, prévue à partir des paramètres de transport continu, est mesuré dans la gamme attendue, entre 80 et 500 pH/sq. La dépendance en température est étudiée et montre, à quelques déviations près, un comportement suivant la théorie de Mattis et Bardeen. Une non linéarité très importante est découverte, plusieurs ordres de grandeur au-dessus des prévisions par le modèle du depairing.

  • Titre traduit

    Resonant measurements of the high-frequency properties of superconducting silicon heavily boron-doped by laser


  • Résumé

    This thesis studies the high frequency transport properties of highly boron-doped silicon. The Si:B material, is obtained by non-equilibrium doping, using ultra-short laser annealing, of silicon samples immersed in a gaseous atmosphere containing boron. This particular annealing, making it possible to reach very high active concentrations, up to 10at.%, beyond the solubility limit, makes it possible to reveal the superconducting character of the Si:B, of the BCS type in the dirty limit, whose transition is around 0.5 K. The doping technique, in connection with the structural properties of the synthesized thin layers, is detailed. The DC transport is approached, in particular for the thinnest layers and depending on the shape of the UV pulse of the doping laser. The method of studying the surface impedance of the selected high frequency material is the resonant measurement. Resonators are constructed by etching Si:B layers. They are cooled to study their transmission in the superconducting state. The high surface kinetic inductance predicted from the DC transport parameters is measured in the expected range between 80 and 500 pH/sq. The temperature dependence is studied and shows, with some deviation, a behavior according to the theory of Mattis and Bardeen. A very important nonlinearity is discovered, several orders of magnitude above forecasts by the depairing model.


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