Développement et caractérisation d'amplificateur paramétrique Josephson basé sur des nanofils inas/al Ce projet de thèse vise à construire des jonctions supraconducteur-semiconducteur optimisées et ajustables pour des dispositifs électroniques quantiques. De telles jonctions seront utiles pour l’informatique quantique où le réglage de l'élément semi-conducteur permet de nouveaux types de bits quantiques supraconducteurs (qubits). L'archétype de ce dispositif est la jonction Josephson réglable par un potentiel de grille, dont le fonctionnement a été récemment démontré avec différentes architectures de qubits.La croissance de nano-fils semi-conducteurs sera réalisée dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires III-V et ces derniers seront recouverts de coquilles supraconductrices telles que Al, Ta et MoGe, plusieurs combinaisons de matériaux encore non-exploitées seront testées. Au cours du projet, je participerai également à la fabrication de dispositifs utilisant ces nano-fils et à des campagnes de mesures à basse température pour sonder la supraconductivité et ces phénomènes de transport quantique.
Développement et caractérisation d'amplificateur paramétrique Josephson basé sur des nanofils inas/al Ce projet de thèse vise à construire des jonctions supraconducteur-semiconducteur optimisées et ajustables pour des dispositifs électroniques quantiques. De telles jonctions seront utiles pour l’informatique quantique où le réglage de l'élément semi-conducteur permet de nouveaux types de bits quantiques supraconducteurs (qubits). L'archétype de ce dispositif est la jonction Josephson réglable par un potentiel de grille, dont le fonctionnement a été récemment démontré avec différentes architectures de qubits.La croissance de nano-fils semi-conducteurs sera réalisée dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires III-V et ces derniers seront recouverts de coquilles supraconductrices telles que Al, Ta et MoGe, plusieurs combinaisons de matériaux encore non-exploitées seront testées. Au cours du projet, je participerai également à la fabrication de dispositifs utilisant ces nano-fils et à des campagnes de mesures à basse température pour sonder la supraconductivité et ces phénomènes de transport quantique.
Circuits quantiques supraconducteurs à base de graphène : l'amplificateur paramétrique Josephson Les circuits quantiques supraconducteurs, comprenant un large éventail d’éléments, ont contribué à des avancées majeures dans le domaine de l’optique quantique micro-onde. Parmi ces éléments, les amplificateurs paramétriques atteignant la limite quantique ont démontré leur importance dans la mesure de systèmes quantiques dont l’énergie est intrinsèquement basse (dizaines d’µeV). Ils peuvent aussi servir à créer des états non-classiques de lumière qui peuvent être utilisés pour créer des détecteurs innovants. Les amplificateurs paramétriques supraconducteurs, tout comme les qubits, utilisent la plupart du temps une jonction Josephson comme source de nonlinéarité non dissipative et contrôlable en champ magnétique. Le contrôle en champ magnétique n’est pas la norme dans l’industrie et commence déjà à être un problème dans les circuits comprenant beaucoup d’éléments. Ces dernières années, un concept alternatif a émergé avec l’utilisation de jonctions Josephson faites à base de semiconducteurs afin d’avoir un contrôle électrique de la nonlinéarité, notamment avec la démonstration de résonateurs micro-ondes et de qubits utilisant des nanofils semiconducteurs, un gaz d’électrons 2D, des nanotubes de carbone ainsi que du graphène. Cependant, les amplificateurs paramétriques n’ont pas encore été réalisés en utilisant une jonction semiconductrice. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse de doctorat montre la conception, la fabrication et les performances d’un amplificateur paramétrique utilisant une jonction Josephson à base de graphène.Le graphène est encapsulé entre deux couches de hBN afin d’augmenter sa qualité. En utilisant une telle jonction, nous réalisons une amplification avec un gain de 20 dB qui est un jalon important pour que le bruit ajouté par les amplificateurs classiques du reste de la chaine d’amplification soit négligeable. L’amplificateur paramétrique étant construit à partir d’une structure résonante (autour de 6 GHz), il ne peut qu’amplifier une bande de fréquence réduite de l’ordre de quelques Mégahertz. L’utilisation d’une grille latérale permet de contrôler le graphène électriquement modifiant l’inductance de la jonction Josephson et ainsi la fréquence de résonance de l’amplificateur. Nous démontrons la possibilité d’ajuster la fréquence d’amplification sur un intervalle de l’ordre d’un Gigahertz grâce à cette grille latérale, ce qui est comparable en terme d’ajustabilité à l’utilisation d’un SQUID contrôlé en champ magnétique pour un circuit similaire. Par ailleurs, il a été montré que le graphène possède des pertes nonlinéaires lorsqu’il est exposé à un champ micro-onde important à cause d’excitations / désexcitation d’états d’Andreev. La dissipation est synonyme d’une augmentation du bruit intrinsèque ajouté par les amplificateurs paramétriques et peut donc être un problème pour atteindre la limite quantique. Nous démontrons que malgré la présence de pertes nonlinéaires, l’amplificateur paramétrique à base de graphène se rapproche de la limite quantique. Un modèle de pertes à deux photons est utilisé pour décrire le comportement du dispositif mais nous démontrons qu’un modèle plus complet est nécessaire afin de prendre en compte la nature complexe de la dissipation ainsi que la relation courant phase non sinusoïdale. Nous avons également étudié la plage dynamique et montrons que l’amplificateur paramétrique à base de graphene peut atteindre un point de compression à 1dB de -123 dBm, ce qui comparable à ce qui peut être obtenu avec une jonction tunnel unique. Nos résultats élargissent l’ensemble des éléments existant pour le contrôle électrique des circuits quantiques supraconducteurs et offrent de nouvelles opportunités pour le développement de technologies quantiques comme l’informatique quantique, la détection quantique ainsi que la science fondamentale.
Improving high-Tc Josephson devices : higher reproducibility and a new pathway to tunability La nanostructuration des matériaux supraconducteurs permet la fabrication de jonctions Josephson, briques de base pour des dispositifs basés sur l'interférence quantique pour l'électronique et le traitement de signaux, tels que les SQIF (Superconducting Quantum Interference Filters) qui sont des réseaux de jonctions Josephson. Une jonction Josephson est formée par deux électrodes supraconductrices séparées par une fine barrière non supraconductrice. Les dispositifs à base de jonctions Josephson exploitent alors leur sensibilité à la différence de phase entre les fonctions d'ondes supraconductrices des deux électrodes. La différence de phase étant modulable par des stimuli externes, notamment des champs magnétiques, il est possible d'utiliser de tels dispositifs comme des détecteurs de signaux électromagnétiques, opérant du continu jusqu'au domaine radiofréquence.La plupart des dispositifs à base de jonctions Josephson utilisés aujourd'hui sont réalisés à partir de matériaux ayant une basse température critique. Les dispositifs opèrent alors à des températures proches du zéro absolu, nécessitant des moyens encombrants et énergivores, limitant ainsi leurs utilisations à des domaines très spécifiques.Cette thèse se concentre alors en particulier sur la réalisation de jonctions Josephson et de SQIF à base d'un matériau à haute température critique, le YBa2Cu3O7-x (YBCO). Ce matériau, de la famille des cuprates, présente un intérêt particulier à plusieurs égards. Sa haute température critique (90K) permet une réduction significative de la consommation énergétique et de l'encombrement nécessaires au fonctionnement des dispositifs qui en sont issus. En outre, la haute sensibilité de l'YBCO à sa stœchiométrie en oxygène et à sa cristallographie permet de l'exploiter, via des procédés de nanostructuration, pour la fabrication de jonctions.L'objectif principal de cette thèse vise en particulier le développement de dispositifs de jonctions Josephson et de SQIF en nanostructurant l'YBCO grâce à la technique d'irradiation ionique. Cette technique implique le bombardement, par un faisceau d'ions, de dispositifs recouverts d'un masque de résine, préalablement lithographiée pour ouvrir de très fines fentes. Il est montré que l'homogénéité des jonctions Josephson est cruciale pour les performances d'un SQIF. Des modifications des procédés existants sont donc amenées pour permettre d'améliorer cette homogénéité.Dans ce cadre, une première partie de cette thèse étudie l'impact d'une couche métallique additionnelle sur la résine avant l'irradiation. Une meilleure uniformité des paramètres clés des jonctions Josephson est montrée, révélant le rôle important de l'évacuation des charges dans le procédé de fabrication. Une seconde modification du procédé est alors étudiée, pour améliorer davantage l'évacuation de charges, principalement au moment de la lithographie de la résine. La seconde partie de cette thèse évalue le potentiel d'ajout d'une étape de recuit post-fabrication. Il a été démontré en effet que les propriétés des jonctions Josephson sont modifiées lorsque ces dernières sont recuites. On montre alors que sous certaines conditions, un recuit améliore globalement les performances des jonctions Josephson, et permet d'homogénéiser une série de jonctions.Enfin, une troisième partie de cette thèse met à profit la sensibilité de l'YBCO à son contenu en oxygène. Plus exploratoire, cette partie vise à créer une jonction Josephson exploitant une réaction redox créée par l'ajout d'un métal au niveau d'une fine région sur l'YBCO. En s'oxydant, le métal pompe des ions oxygènes présents dans l'YBCO, qui est alors réduit et dont les propriétés sont altérées. On montre qu'un effet Josephson est présent dans ces jonctions. Ces nouvelles jonctions « redox » offrent des perspectives prometteuses pour la réalisation de jonctions Josephson accordables, dont l'état pourrait être modulé par des stimuli extérieurs par l'ajout d'une gate électrique.
Ce mémoire se concentre sur la fabrication de jonctions tunnel Josephson (JJ) en Al/AlOx/Al en utilisant la méthode de fabrication Manhattan. Les JJs sont des composantes essentielles des circuits supraconducteurs quantiques, notamment des qubits supraconducteurs et des amplificateurs paramétriques. Ces dispositifs sont au cœur des recherches actuelles en informatique quantique, ce qui souligne l'importance d'obtenir des procédés de fabrication reproductibles à grande échelle. L’objectif principal de ce projet a été de développer un procédé de fabrication fiable et reproductible pour des JJs en aluminium sur des tranches de 200 mm. Le projet a permis la mise en place d’un procédé de fabrication de base de JJ en Al/AlOx/Al utilisant la lithographie électronique au sein des installations de l’Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3IT). Des étapes critiques telles que la déposition de l’aluminium, l’oxydation contrôlée pour former la barrière tunnel et le soulèvement ont été mises en place afin d’assurer la stabilité des jonctions. En parallèle, des outils de caractérisation des dispositifs ont été développés pour évaluer les performances électriques à la fois à température ambiante et en conditions cryogéniques des dispositifs, ainsi que pour mesurer les dimensions physiques des jonctions avec précision. Un effort significatif a été réalisé pour automatiser les outils de caractérisation. Cela a permis d'accélérer la caractérisation, ce qui est nécessaire pour de si gros échantillons, et de fiabiliser les résultats obtenus. Les résultats expérimentaux ont révélé des variations significatives de reproductibilité entre les tranches et d’uniformité sur une même tranche, principalement liées aux variations des dimensions des JJs. Ces variations ont un impact direct sur les caractéristiques électriques des JJs, notamment leur résistance et leur énergie de couplage. Des efforts ont été concentrés sur l’amélioration de l’uniformité des dimensions des dispositifs en travaillant sur les paramètres de la lithographie. Pour ce faire, une série de calculs analytiques ont été mis en place pour lier les variations de dimensions des JJs avec la lithographie et le dépôt de l’aluminium. En conclusion, ce projet a établi une base solide pour la fabrication de JJs en Al/AlOx/Al sur des tranches de grandes dimensions. Cependant, des travaux futurs seront nécessaires pour affiner les procédés de fabrication et garantir une meilleure uniformité des dispositifs à l’échelle industrielle. Ces améliorations seront cruciales pour répondre aux exigences de performance des dispositifs quantiques de prochaine génération.
Circuits supraconducteurs en technologie silicium 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.
Contrôle du contenu harmonique de la relation courant-phase dans des éléments Josephson à base de germanium Les dispositifs hybrides supraconducteur (S)-semi-conducteur (Sm) apportent de nouvelles fonctionnalités aux circuits supraconducteurs en introduisant des transistors à effet de champ Josephson (JoFET) : des jonctions Josephson avec un courant critique modulable par une grille. En particulier, des qubits hybrides protégé par parité et des diodes Josephson ont récemment été proposés et démontrés expérimentalement. Ces dispositifs tirent parti de la multi-harmonicité de la relation courant-phase (CPR) des jonctions S-Sm-S hautement transparentes, une propriété jusqu’ici sous-exploitée. Dans ce travail, nous rapportons une étude expérimentale de dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUIDs)intégrant des JoFETs fabriqués à partir d’une hétérostructure SiGe/Ge/SiGe, développée au CEA-Grenoble. Les CPRs des jonctions individuelles montrent plusieurs harmoniques avec des amplitudes modulables par grille. En présence d’irradiation micro-onde, l’apparition de marches de Shapiro entières et demientières confirme cette observation. Une combinaison de contrôle par flux magnétique et tension de grille permet de moduler le comportement du SQUID d’un régime de diode Josephson non réciproque avec une asymétrie de 27 % à un régime Josephson π-périodique. Dans un dispositif à double SQUID, nous parvenons à caractériser quantitativement un régime où la composante sin(2φ) représente plus de 95 % du supercourant total. Enfin, ce résultat est mis en perspective par la discussion de l’implementation d’un qubit supraconducteur cos(2φ) protégé par parité basé sur cette plateforme hybride Al-Ge/SiGe.
Nanostructures hybrides Supraconducteur / Semiconducteur à bases de Germanium pour l'information quantique 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.