Manipulation électrique d'un spin d'électron unique dans CMOS à l'aide d'un micro-aimant et d'un couplage spin-vallée

Electrical manipulation of a single electron spin in CMOS using a micromagnet and spin-valley coupling

• Auteur / Autrice : Bernhard Klemt
• Direction : Tristan Meunier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Mairbek Chshiev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Galy, Anasua Chatterjee
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Takis Kontos, Dominique Bougeard

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Bits quantiques

Informatique quantique

Mots clés libres

Ordinateur quantique

Qubits de spin

Valley enhanced EDSR

Quantum computer

Spin qubits

Valley enhanced EDSR

Résumé

Les récentes avancées dans le domaine de l'information quantique ont donné un bel aperçu du potentiel qu'offre l'informatique quantique. Cependant, pour révéler toute la puissance d'un ordinateur quantique universel, des millions de qubits interconnectés sont nécessaires. Dans ce contexte, il semble naturel d'utiliser de la technologie complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) qui a rendu possible l'intégration de milliards de transistors dans les ordinateurs classiques. Les qubits de spin semi-conducteurs présentent de longs temps de cohérence, des fidélités élevées et peuvent être intégrés à l'aide de la technologie CMOS, ce qui en fait un candidat idéal pour une fabrication fiable et à large échelle. Il est difficile de passer directement d'une fabrication académique à des qubits entièrement fabriqués selon les normes CMOS industrielles sans solutions intermédiaires. La fabrication et la caractérisation de ces solutions intermédiaires sont donc au cœur de cette thèse.Tout d'abord, les propriétés matérielles pertinentes pour l'utilisation de qubits à basse température des dispositifs industrielle à base de fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) sont étudiées. Les barres de Hall et les structures des boîtes quantiques sont utilisées pour la caractérisation. Des mesures de Hall à 400 mK, une densité de percolation d'environ 1*10^12 cm^-2 est extraite. Une mobilité maximale de (2350 +/- 20) cm^2/Vs est atteinte à une densité de (3.48 +/- 0.05)*10^12 cm^-2, probablement limitée par l'épaisseur de l'oxyde.Ensuite, un back-end-of-line (BEOL) flexible est introduit. Il permet de nouvelles fonctionnalités telles que des micro-aimants ou des circuits supraconducteurs qui peuvent être ajoutés dans une étape post-CMOS afin d'étudier la physique de ces dispositifs ou de réaliser une preuve de concept. Cette thèse étudie un qubit de spin à électron unique dans un dispositif CMOS avec un micro-aimant intégré dans le BEOL flexible. La relaxométrie révèle une séparation de vallée de l'ordre de 60 µeV et de longs temps de relaxation du spin autour de 400 ms.Des oscillations cohérentes utilisant la technique dite electric dipole spin resonance (EDSR) d'un spin d'électron unique avec des fréquences de Rabi autour de 1 MHz sont observées. La forme des oscillations de Rabi indique que la cohérence est limitée par le bruit à basse fréquence provenant des spins nucléaires restants dans le nanofil constitué de Si naturel.Le couplage spin-orbite synthétique (SOC) est exploité pour contrôler le qubit via des champs électriques et étudier la physique de la vallée de spin en présence de SOC où une augmentation de la fréquence de Rabi est montrée au point de dégnérescence de la vallée et du spin.Enfin, le bruit à haute fréquence dans le système est sondé en utilisant des séquences d'impulsions de découplage dynamique et il s'avère que le bruit de charge domine la décohérence du qubit dans cette gamme.Les travaux présentés dans cette thèse apportent la première preuve expérimentale de l'amélioration d’oscillations de Rabi avec la vallée et démontrent pour la première fois un qubit de spin électronique sur un substrat FD-SOI. La performance du qubit est comparable aux premières réalisations de qubits de spin sur d'autres plateformes de matériaux. L'introduction du 28Si devrait améliorer considérablement les propriétés de cohérence et l'EDSR assistée par la vallée pourrait permettre des vitesses de rotation plus rapides pour améliorer la qualité du qubit.

Recent advances in quantum information gave a small insight into the potential quantum computing offers. To unveil the full power of a universal quantum computer however, millions of interconnected qubits are necessary. In this context, leveraging complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology that made the integration of billions of transistors in classical computers possible seems natural. Semiconductor spin qubits show long coherence times, high gate fidelities and they can be integrated using CMOS technology, which makes them an ideal candidate for reliable and scalable fabrication. The direct leap from academic fabrication to qubits fabricated fully by industrial CMOS standards is difficult to make without intermediate solutions. The fabrication and characterization of such intermediate solutions is at the heart of this thesis.First, the material properties relevant for qubit use at low temperatures of an industrial fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) wafer are studied. Hall bars and quantum dot structures made by academic fabrication are used for characterization. From Hall measurements at 400 mK, a percolation density of around 1*10^12 cm^-2 is extracted. A peak mobility of (2350 +/- 20) cm^2/Vs is reached at a density of (3.48 +/- 0.05)*10^12 cm^-2, most likely limited by the oxide thickness.In a second step, a flexible back-end-of-line (BEOL) is introduced. It allows for new functionalities such as micro-magnets or superconducting circuits that can be added in a post-CMOS process to study the physics of these devices or achieve proof of concepts with the goal to incorporate the established process in the foundry-compatible process flow. In this thesis, a single electron spin qubit in a CMOS device with a micro-magnet integrated in the flexible BEOL is studied. Relaxometry reveals a valley-splitting in the order of 60 µeV and long spin relaxation times around 400 ms. Coherent oscillations using electric dipole spin resonance (EDSR) of a single electron spin with Rabi frequencies around 1 MHz are observed. The shape of the Rabi oscillations indicates that the coherence is limited by low frequency noise originating from the remaining nuclear spins in the natural Si channel.The synthetic spin-orbit coupling (SOC) is exploited to control the qubit via electric fields and investigate the spin-valley physics in the presence of SOC where an enhancement of the Rabi frequency is shown at the spin-valley hotspot.Finally, the high frequency noise in the system is probed using dynamical decoupling pulse sequences and charge noise is found to dominate the qubit decoherence in this range.The work presented in this thesis provides first experimental evidence for valley enhanced EDSR and demonstrates an electron spin qubit on a FD-SOI substrate for the first time. The qubit performance is comparable to early spin qubit realizations on other material systems. The introduction of isotopically purified 28Si is expected to greatly improve the coherence properties and valley enhanced EDSR may enable faster driving speeds for improved qubit quality.