Silicium supraconducteur ultra-dopé par laser : du matériau aux dispositifs

par Pierre Bonnet

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Dominique DÉbarre et de Francesca Chiodi.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Bien que ce soit l'un des éléments les plus étudiés, le caractère supraconducteur du silicium n'a été révélé qu'en 2006, à cause du fort dopage en bore nécessaire à son apparition. Seul un dopage ultra rapide par laser permet d'atteindre ces concentrations hors équilibre en bore, allant de 1 à 10%. Les températures de transition sont ajustables avec la quantité de dopants jusqu'à 0.7 K, avec des applications dans le spatial en particulier déjà envisagées. Les multiples intérêts du silicium supraconducteur sont également accentués par la caractéristique pratique essentielle qui reste la compatibilité du matériau avec les technologies de la microélectronique. D'un point de vue fondamental, c'est un supraconducteur classique, à faible nombre de porteurs (trous associés en paires de Cooper) posant pourtant des questions de fond (séparation de la transition métal-isolant de la transition supraconductrice, supraconductivité obtenue seulement avec un dopage en bore, ...). Mais c'est aussi un système très singulier permettant de juxtaposer aisément dans un même monocristal des zones semiconductrices, métalliques et supraconductrices avec des interfaces spontanément exemptes de barrières Schottky, si contraignantes dans les systèmes assemblés habituels. Ces possibilités de jonctions hybrides, associées aux particularités du dopage laser, facilitent la conception et la réalisation de configurations originales. Par ailleurs, ce matériau hors équilibre présente des propriétés mécaniques, électriques, photoniques inhabituelles, mal connues et largement sous-exploitées d'autant qu'elles sont facilement ajustables grâce à la souplesse de l'élaboration par traitement laser (concentration, épaisseur, ajout d'atomes différents) ainsi qu'aux possibilités du post-traitement en salle blanche pour la réalisation de dispositifs très variés. L'équipe EPLA de l'IEF est pour l'instant la seule à maîtriser l'ensemble de l'élaboration du matériau. Son action s'étend des aspects fondamentaux liés au matériau jusqu'aux dispositifs électroniques supraconducteurs tout silicium. La thèse s'inscrira donc dans une problématique d'études fondamentales mais avec pour objectif la conception et la mise en œuvre à terme de résonateurs micro-ondes supraconducteurs en silicium. La fabrication de ces résonateurs, et l'étude à haute fréquence du silicium supraconducteur, profiteront de la versatilité de la technique de dopage laser. En fait, on pourra varier la Tc des résonateurs avec la dose de dopants, atteindre une haute résistivité (jusqu'à 400 µOhm cm) contrôlée, elle, par la concentration de dopants, et varier l'épaisseur indépendamment avec l'énergie des pulses laser. Les études préliminaires ont montré que le Si:B est un matériau potentiellement intéressant pour le développement de détecteurs astronomiques à inductance cinétique (KIDs). En fait, sa forte inductance cinétique, liée à la faible densité de porteurs (très inférieure à celle d'un supraconducteur métallique), constitue un atout pour la sensibilité de détection. De plus, en jouant sur l'épaisseur et le dopage, il devrait être possible d'un côté, d'adapter la résistance du KID à l'impédance du vide pour maximiser l'absorption des photons, et de l'autre, d'adapter sa Tc aux conditions de mesure de la détection astronomique (T environ 100 mK). Pendant la thèse, le doctorant réalisera des échantillons de Si dopé en B par dopage laser (Gas Immersion Laser Doping) dans le groupe EPLA. Il profitera ensuite des moyens techniques de nanofabrication de la Centrale Technologique Universitaire présente à l'IEF pour concevoir des micro et nano dispositifs à base de Si supraconducteur. Notamment, le design sera réalisé par lithographie électronique/ laser, gravure réactive/ chimique, et caractérisation par microscopie électronique. La caractérisation optique inclura des mesures de diffraction de rayons X et de spectroscopie IR. Finalement, les mesures de transport électrique à basse température seront réalisées dans la plateforme commune de mesures mésoscopiques au LPS, Orsay et en collaboration avec l'équipe Détecteurs Cryogéniques du CSNSM, à l'Université Paris Sud. Ces mesures seront corrélées aux résultats d'une modélisation électromagnétique pour une meilleure compréhension des performances du résonateur. Les données seront traitées et comparées aux modèles théoriques existants, tandis que de nouveaux modèles seront développés par des partenaires.

  • Titre traduit

    Laser ultra-doped superconducting silicon: from the material to the devices


  • Résumé

    Although silicon is one of the most well-known elements, its superconducting nature was only revealed in 2006, because the high boron doping required for its appearance. Only ultra-fast laser doping makes it possible to reach these non-equilibrium boron concentrations, from 1 to 10 at.%. The transition temperatures are adjustable with the amount of dopants up to 0.7 K, and space applications are already envisaged. In addition, this material is compatible with the microelectronic technologies. From a fundamental point of view, silicon is a classical superconductor, with a low number of carriers (holes associated in Cooper pairs). However many fundamental aspect are still unclear (separation of the metal-insulator transition from the superconducting transition, superconductivity obtained only with boron doping, ...). Moreover, silicon is a peculiar material in that is allowed to easily juxtapose semiconductor, metallic and superconducting zones in the same single crystal with interfaces that are spontaneously free of Schottky barriers, which are a problem in the usual assembled systems. These hybrid junctions, associated with the possibilities of the laser doping, facilitate the design and the realization of original configurations. Moreover, this non-equilibrium material has unusual mechanical, electrical and photonic properties, poorly known and largely under-exploited. Indeed, the device properties are easily adjustable thanks to the flexibility of laser-based processing (concentration, thickness, addition of different atoms, independently tuned) as well as the possibilities of post-treatment in a clean room. The EPLA group of the C2N is for the moment the only one to master the entire development of the material. Its research extends from basic material-related aspects to all-silicon superconducting electronic devices. This thesis will thus consist in the fundamental study of superconducting silicon, with the ultimate aim of designing and implementing silicon superconducting microwave resonators. The fabrication of these resonators, and the high frequency study of superconducting silicon, will take advantage of the versatility of the laser doping technique. In fact, one can vary the Tc of the resonators with the dose of dopants, attain a high resistivity (up to 400 μOhm cm), controlling the concentration of dopants, and vary the thickness independently with the energy of the laser pulses. Preliminary studies have shown that Si:B is a potentially interesting material for the development of kinetic inductive detectors (KID). In fact, its high kinetic inductance, related to the low density of carriers (much lower than that of a metallic superconductor), is an asset for the sensitivity of detection. Moreover, by carefully choosing the thickness and the doping, it should be possible on one side, to adapt the resistance of the KID to the impedance of the vacuum to maximize the absorption of the photons, and on the other hand, to adapt its Tc to the measurement conditions of the astronomical detection (T about 100 mK). During the thesis, the PhD student will make samples of B doped Si by laser doping (Gas Immersion Laser Doping) in the EPLA group. He will then take advantage of the nanofabrication technical resources of the University Technology Center in the C2N to design micro and nano devices based on superconducting Si. In particular, the design will be performed by electronic/laser lithography, reactive/chemical etching, and electron microscopy characterization. Optical characterization will include X-ray diffraction and IR spectroscopy measurements. Finally, the low-temperature electrical transport measurements will be carried out in the common platform of mesoscopic measurements at the LPS, Orsay and in collaboration with the Cryogenic Detectors team of the CSNSM, at Paris-Sud University. These measurements will be correlated to the results of electromagnetic modeling for a better understanding of the resonator performances. The data will be processed and compared to existing theoretical models, while new models will be developed by partners.