Dispositif supraconducteur en technologie CMOS

Superconducting devices in CMOS technology

• Auteur / Autrice : Axel Leblanc
• Direction : François Lefloch
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 04/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS

Mots clés

Mots clés libres

Nanoélectronique quantique

Supraconductivité

Siliciure

Qubit supraconducteur

Superconducting qubit

Quantum nanoelectronics

Superconductivity

Silicide

Résumé

Dispositifs supraconducteurs en technologie CMOS Dans la course à la construction d'un ordinateur quantique, même si le qubit le plus approprié n'est pas connu, il existe clairement un besoin pour une intégration à grande échelle de dispositifs quantiques. La technologie du silicium étant de loin la technologie la plus avancée, la possibilité de fabriquer des dispositifs quantiques à base de silicium constitue un atout sérieux et peut être déterminant à l'avenir. Ce sujet de thèse porte sur la fabrication et l'étude à très basse température de transistors supraconducteurs à base de silicium et pour lesquels les contacts source et drains sont supraconducteurs. Plusieurs matériaux sont envisagés comme les siliciures (PtSi, CoSi2, V3Si) et le silicium supraconducteur fortement dopé au Bore (Si :B) obtenu par recuit laser nanoseconde. L'objectif principal est de démontrer un effet Josephson i.e. le passage d'un courant non-dissipative cohérent de la source au drain dans un transistor silicium. Un tel dispositif, appelé JoFET pour Josephson Field Effect Transistor, sera alors intégré dans une géométrie de type « transmon » pour obtenir un nouveau qubit supraconducteur parfaitement compatible avec la technologie CMOS. Cette thèse contribuera à montrer la voie vers le développement de nouveaux dispositifs quantiques dans une technologie intégrable pour l'information quantique. D'un point de vue fondamental, le travail proposé adresse des problèmes physique mésoscopique de base comme la compétition entre le blocage de Coulomb dans les nanostructures et la supraconductivité qui est décrite par un état quantique macroscopique. Ces nanostructures hybrides sont des systèmes modèles dont l'étude des propriétés de transport électronique est un sujet en plein essor au sein de la communauté. Le projet bénéficie des résultats récents obtenus sur la croissance des siliciures ce qui permettra de fabriquer et d'étudier des dispositifs à très basse température. Pendant cette thèse, l'étudiant-e partagera son temps entre le LETI et le LaTEQS (IRIG/DEPHY/PHELIQS) au CEA Grenoble. La fabrication des dispositifs sera prise en charge principalement par le LETI et notre partenaire du C2N à Paris Saclay pour le Si :B. Les mesures à basse températures seront faites au LaTEQS sur une dispositif dédié et mis à disposition.

In the race towards building a quantum computer, even though most suitable qubit is not known, there is clearly a need for a large scale integration of quantum devices. As silicon technology is by far the most advanced technology, the possibility to fabricate quantum devices based on silicon will provide a serious and may be determinant asset to solid state qubits. This PhD thesis project focuses on the fabrication and the study at very low temperature of superconducting silicon transistors for which the source and drain contacts are superconducting. Various materials can now be envisaged such as silicides (PtSi, CoSi2, V3Si) and superconducting boron doped silicon (Si:B) obtained by laser annealing. The main objective is to demonstrate Josephson effect ie the quantum coherent flow of a non-dissipative current from source to drain, in silicon gate tunable transistors. Such JoFET's (Josephson Field Effect Transistors) will then be implemented in a transmon like geometry to obtain a new fully CMOS compatible superconducting qubit. This thesis will contribute to pave the way towards the development of new quantum devices that are suitable for quantum information in a fully scalable technology. On a more fundamental basis, the work proposed will address important issues such as the interplay between Coulomb blcokade in small devices and superconductivity described by a macroscopic quantum state. Superconducting/semiconducting hybrids are model systems whose electronic transport properties study is a growing field of interest in the community. The project will benefit from recent material studies on silicides and Si:B that allows us to step up the fabrication of superconducting transistors ready for low temperature measurements. During the PhD, the candidate will share his time between the LETI and the LaTEQS (IRIG/PHELIQS) at the CEA Grenoble. The fabrication of the superconducting transistors will be done using the facilities at the LETI, the PTA and the C2N at Paris-Saclay. The low temperature measurements will be performed at the LaTEQS using a dedicated dilution fridge.