Nanostructures hybrides Supraconducteur / Semiconducteur à bases de Germanium pour l'information quantique

Superconductor / Semiconductor hybrid nanostructures based on Germanium for quantum information

• Auteur / Autrice : Chotivut Tangchingchai
• Direction : François Lefloch, Cécile Moulin, Cécile Moulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 22/01/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Jesper Nygård
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julia Meyer, Giordano Scappucci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Guéron, Szabolcs Csonka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de l'information quantique

Nanostructures

Germanium -- Composés

Mots clés libres

JoFET

Gatemon

Germanium

Résumé

Le qubit supraconducteur basé sur des circuits supraconducteurs se compose d'un condensateur supraconducteur et d'une jonction Josephson avec la géométrie transmon est largement utilisé dans les processeurs quantiques avancés, à la recherche d'une informatique quantique évolutive. L'accord de la fréquence du qubit du transmon repose sur l'interférence, en fonction du flux magnétique, entre les supercourants de deux jonctions Josephson S-I-S dans une boucle supraconductrice. Les jonctions Josephson basées sur des matériaux S-Sm-S ouvrent une possibilité alternative au transmon accordable par la porte, appelée ''gatemon'', dans laquelle la fréquence du qubit peut être accordée par une moyenne électrostatique. Les réalisations récentes de gatemons sur des plates-formes de matériaux III-V montrent un développement impressionnant de l'alternative au transmon, mais laissent encore une grande question sur l'extensibilité. L'hétérostructure SiGe est l'une des plateformes potentielles pour accueillir des dispositifs hybrides en raison de sa grande mobilité des trous et de la faible barrière de Schottky à l'interface Ge-métal. En outre, la compatibilité avec l'industrie des semi-conducteurs à base de silicium est un avantage certain pour la plateforme de qubits à grande échelle.Dans cette thèse, nous développons des gatemons basés sur la jonction Josephson Al-Ge-Al dans l'hétérostructure SiGe. Tout d'abord, nous établissons une recette de fabrication robuste, basée sur une approche descendante, pour les transistors à effet de champ Josephson (JoFET). Nous effectuons des mesures exhaustives sur les JoFET afin d'étudier leurs propriétés en fonction de la tension de grille, de la température et du champ magnétique. Les dispositifs présentent une adaptabilité à la grille du courant critique et de la résistance à l'état normal . On estime que les dispositifs ont une interface S-Sm transparente, comme le montre le produit élevé. Dans le régime de tension finie, les caractéristiques correspondant aux réflexions multiples d'Andreev sont observées. Ensuite, nous fabriquons et caractérisons des résonateurs supraconducteurs en NbN sur une hétérostructure SiGe. Nous mesurons les résonateurs en mode transmission et extrayons la fréquence de résonance, le facteur de qualité interne, et le facteur de qualité de couplage du coefficient de transmission. Ensuite, nous développons le processus de fabrication pour intégrer des gatemons, dans le schéma du résonateur et effectuons la fabrication conformément à la conception. Nous démontrons la caractéristique d'anticroisement dans l'un des gatemons fabriqués. La fréquence de résonance du gatemon est cartographiée à l'aide de la technique de spectroscopie à deux tons et il s'avère qu'elle peut être réglée par la porte. Le qubit a une grande largeur de ligne spectrale, ce qui implique un faible temps de cohérence. En outre, nous mesurons la relation courant-phase (CPR) sur les jonctions dans la géométrie du SQUID. Nous pouvons démontrer que les jonctions présentent une CPR non sinusoïdale. En outre, les pas de Shapiro entiers et demi-entiers sont observés dans les courbes caractéristiques courant-tension des jonctions irradiées. Cela indique que nos jonctions ont l'élément , ce qui peut ouvrir une autre possibilité vers des qubits protégés.

Superconducting qubit based on superconducting circuits consist of a superconducting capacitor and a Josephson junction with the transmon geometry is extensively used in advanced quantum processors, pursuing scalable quantum computing. The tuning of the qubit frequency of the transmon relies on magnetic flux-dependent interference between the supercurrents of two superconductor-insulator-superconductor (S-I-S) Josephson junctions in a superconducting loop. Josephson junction based on superconductor-semiconductor-superconductor (S-Sm-S) materials opens up a possibility to the gate-tunable transmon, referred to as the ''gatemon'', in which the qubit frequency can be tuned by electrostatic mean. Recent realizations of gatemons on III-V material platforms show impressive development on the alternative to the transmon, yet still leave a big question on the scalability. The silicon-germanium (SiGe) heterostructure is one of the potential platforms to host hybrid devices due to its high hole mobility and the low Schottky barrier at the Ge-metal interface. Additionally, the compatibility with the silicon-based semiconductor industry is a capable advantage for the scaling-up qubit platform.In this thesis, we develop gatemons based on the Al-Ge-Al Josephson junction in the SiGe heterostructure. Firstly, the robust fabrication recipe, found on a top-down approach, for Josephson Field Effect Transistors (JoFETs) is established. We perform measurements exhaustively on the JoFETs to study their properties as a function of the gate voltage, temperature, and magnetic field. The devices show gate-tunability of the critical current and the normal state resistance . The devices are estimated to have a high-transparency superconductor-semiconductor interface, as demonstrated by the high product on the SiGe heterostructure. In the finite-voltage regime, the features corresponded to multiple Andreev reflections (MARs) are observed. Then, we fabricate and characterize niobium nitride (NbN) superconducting resonators on SiGe heterostructure. We measure the resonators in the transmission mode and extract the resonant frequency , internal quality factor, and coupling quality factor from the transmission coefficient. Following that, we develop the fabrication process to integrate Al-Ge-Al junctions shunted with capacitors, or, in other words, gatemon, into the resonator scheme and perform the fabrication according to the design. We demonstrate the anticrossing feature in one of the fabricated gatemons. The resonant frequency of the gatemon is mapped using the two-tone spectroscopy technique and is found to be gate-tunable. The qubit has large spectral linewidth, implying a low coherence time. Additionally, we conduct the current-phase relationship (CPR) measurement on the junctions in the Superconducting QUantum Interference Device (SQUID) geometry. We can demonstrate that the junctions pose non-sinusoidal CPR. Further, the integer and half-integer Shapiro steps are observed in the current-voltage characteristic curves of irradiated junctions. This indicates that our junctions have the element, which can open up another possibility toward protected qubits.