Caractérisation cryogénique de structures industrielles FD-SOI CMOS pour l'information quantique

Abstract

Dans le cadre des recherches sur l’informatique quantique, plusieurs approches technologiques ont été retenues pour l’implémentation de qubits. L’une d’elles consiste à implanter un dopant unique dans le canal d’un transistor en silicium et d’utiliser les spins électronique et nucléaire de celui-ci afin de créer un qubit. Le principal intérêt de cette approche est le temps de cohérence particulièrement long du spin nucléaire, faisant de ce dernier un très bon candidat comme support de l’information quantique. Elle bénéficie de plus de la maturité de l'industrie microélectronique permettant de fabriquer des dispositifs MOS de grande qualité et très reproductible. Cette compatibilité avec les processus industriels représente un avantage majeur pour la réalisation de systèmes quantiques à grande échelle. De plus, dans le but d'intégrer sur un même puce système(s) quantique(s) et électronique de contrôle, il est nécessaire de connaître les propriétés de cette électronique à température cryogénique, température d'opération des systèmes quantiques.

Cette maîtrise étudie deux structures MOS industrielles différentes appartenant à la technologie « Fully Depleted Silicon On Insulator » (FD-SOI) développée par l'entreprise STMicroelectronics. La première structure est une structure à grille scindée. La présence de dopants uniques dans le canal de celle-ci a été soupçonnée pour expliquer la présence de boîtes quantiques opérant dans un régime particulier. Des caractérisations en transport à une température de 1,8K ont été menées afin de vérifier ou non cette hypothèse. L'influence sur ces mesures d'un champ magnétique allant jusque 13T a été mesuré. La détection d'un tel dopant serait alors un premier pas vers la réalisation d'un qubit de spin électronique à base d'un dopant dans une structure CMOS industrielle. Il a été démontré que ces structures ne possèdent pas ou peu de dopage résiduel. Des dopants pourront ainsi être implantés dans des dispositifs de cette technologie pour servir de base pour l'information quantique.

La seconde structure est un transistor FD-SOI du noeud technologique 14nm. Des mesures de transport entre 300K et 4K ont été réalisées afin d'avoir une meilleure connaissance des performances de ces transistors à température cryogénique. Le travail s'est particulièrement porté sur l'étude des caractéristiques de transfert ainsi que sur la pente sous le seuil et sa saturation à basse température.