La génération de courant quantifié par des dispositifs en silicium pour la métrologie quantique

Quantified current generation by silicon devices for quantum metrology

• Auteur / Autrice : Paul Clapera
• Direction : Xavier Jehl, Marc Sanquer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 18/09/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de transport électronique quantique et supraconductivité (Grenoble) - Service de physique statistique, magnétisme et supraconductivité (Grenoble ; 1990-2015)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Edoardo Charbon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yong Jin, Philippe Dollfus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport des électrons, Théorie du

Pompage quantique

Électronique quantique

Transistors MOSFET

Effet tunnel à un électron

Dispositifs à un électron

Silicium

Nanotechnologie

Nanoélectronique

Mots clés libres

Pompe

Silicium

Électron

Ampère

Métrologie quantique

Pump

Silicon

Electron

Ampere

Quantum metrology

Résumé

Les pompes à électrons ont été très étudiées et fabriquées par le monde scientifique. Elles génèrent un courant continu proportionnel à une fréquence très bien contrôlée en métrologie. Dans ce contexte métrologique, des principes et matériaux divers comme la pompe en GaAs ou Silicium ou encore le tourniquet supraconducteur ont marqué les avancées. Bien que les courants générés sont toujours plus grands et précis, les exigences fixées pour la métrologie sont difficiles à atteindre et pour l'heure aucune pompe à électrons ne peut être utilisable pour la mise en pratique du futur ampère quantique qui sera probablement défini dans quelques années.Par ailleurs, des chercheurs ont créé des circuits associant des transistors FETs (transistors à effet de champ) et des transistors SETs (transistors mono-électroniques), notamment dans une optique d'une électronique très basse consommation.Cette thèse apporte une contribution nouvelle dans ces deux domaines : une nouvelle pompe à électrons en silicium a été développée, et une co-intégration de circuit CMOS classique avec un dispositif de nanoélectronique quantique a été démontré.Notre pompe à électrons repose sur le principe de deux barrières tunnel réglables et d'un îlot central. Au travers de la modulation des barrières à la fréquence f, la charge électrostatique de l'îlot central est contrôlée, un courant continu I=ef est généré; et ceci même avec une tension nulle aux bornes de la pompe. Nos pompes à électrons utilisent la technologie nanofils silicium-sur-isolant développée par le CEA-LETI. Le nanofil est recouvert de deux grilles (2 MOSFETs en série) pour les barrières réglables, et un îlot de Coulomb métallique de petite taille est « isolé » entre ces deux transistors. Nos échantillons à 100mK nous ont permis de montrer que nous étions capables de contrôler adiabatiquement l'état de charge de l'îlot quantique et de générer des courants quantifiés jusqu'à 900MHz. Nous avons aussi fabriqué les premières pompes à électrons en lithographique optique uniquement, avec pour ces dernières une fréquence maximale de pompage de 300MHz.Notre technologie de fabrication de SETs à grande échelle repose sur une réduction des tailles. Ces techniques n'ont que très rarement été couplées avec des circuits CMOS conventionnels mais fonctionnant à basse température. L'intérêt d'une telle co-intégration est grand dans le domaine de l'information quantique: la mise en place de beaucoup de qubits couplés pourrait nécessiter des circuits « annexes » réalisés en CMOS classique mais cryogénique.Nous avons conçu et fabriqué avec le LETI-DACLE un circuit co-intégrant un circuit oscillant composé de FETs de grandes dimensions et un circuit nanoscopique composé de SETs. Un circuit d'essai comprenant une pompe à électrons pilotée sur la puce par un circuit oscillant a été réalisé et mesuré à basse température.Nos résultats montrent que les circuits oscillants basés sur des oscillateurs en anneaux pour des applications à 300K restent fonctionnels jusqu'à 1K, malgré une très faible baisse de la fréquence d'oscillation. En parallèle, nous avons par la mesure de courant de rectification sur le dispositif nanoscopique mis en évidence que la cohabitation entre circuit FET et SET était réalisable et qu'il est possible d'imaginer un circuit complexe pour réaliser une pompe à électrons et son électronique associée sur une même puce.La conception de pompe à électrons par l'approche de la technologie SOI a montré sa viabilité, avec nos dispositifs potentiellement équivalents aux meilleures pompes crées jusqu'à présent. L'avantage du silicium et des techniques de fabrication modernes ont prouvé qu'il était possible de créer des circuits complexes alliant FET et SET pour des applications faisant intervenir des phénomènes quantiques. Ces travaux montrent le caractère prometteur de la co-intégration de circuits et ouvre la voie à de plus amples investigations dans la réalisation des pompes à électrons en silicium.

Electrons pumps have been extensively studied and manufactured by the scientific world. They generate a DC current proportional to a frequency very well controlled metrology. In this metrological context, the various principles and materials such as GaAs or Silicon pump or the superconducting turnstile have shown great progress. Although the generated level of currents are always higher and accurate, the requirements for the metrology are difficult to meet and for now no electron pump can be used for the realisation of the future quantum ampere that will probably be defined in a few years.Moreover, researchers have created circuits involving transistors FETs (field effect transistors) and transistors SETs (single-electron transistors), particularly to the purpose of a low consumption electronic.This thesis makes a further contribution in both areas: a new silicon electron pump was developed and co-integration of conventional CMOS circuit with a quantum nanoelectronics device was demonstrated.Our electron pump is based on the principle of two tuneable tunnel barriers and a central island. Through the modulation of the barriers at the frequency f, the electrostatic charge of the central island is controlled, a direct current I = ef is generated; and this even with a zero voltage bias across the pump. Our electron pumps use the nanowire technology silicon-on-insulator developed by CEA-LETI. The nanowire is covered with two gates (two MOSFETs in series) as adjustable barriers, and a small metallic Coulomb island is "isolated" between these two transistors. Our samples at 100mK demonstrated that we were able to control the quantum island charge state adiabatically and generated quantified currents up to 900MHz. We also produced the first electron pumps only achieved by optical lithography, with a maximum pumping frequency of 300MHz.Our large scale SETs manufacturing technology is based on the extreme size shrinking. These techniques have rarely been coupled with conventional CMOS circuits, when operating at low temperature. The interest of such co-integration is strong in the field of the quantum information: the establishment of many coupled qubits may require "additionnal" circuits made with classic CMOS but in cryogenic environnement.We designed and fabricated with the LETI-DACLE a co-integration of an oscillating circuit composed of large FETs circuit and a circuit made of nanoscopic SETs. A test circuit comprising an electron pump driven on chip by an oscillating circuit was created and measured at low temperature.Our results show that the oscillating circuit based on ring oscillators for 300K applications remain functional up to 1K, despite a very slight decay in the oscillation frequency. In parallel, by measuring a rectification current on the nanoscale device we demonstrated that cohabitation between FET circuit and SET was realistic and makes possible to imagine a complex circuit to achieve an electron pump and its electronic embedded on a single chip.The electron pump design by the approach of SOI technology has demonstrated its viability, potentially our devices are equivalent versus the best pumps created so far. The advantage of silicon and modern manufacturing techniques have proved that was possible to create complex circuits combining FET and SET for applications involving quantum phenomena. This work shows the promising nature of the co-integration circuits and opens the way for further investigation in the implementation of silicon electron pumps.