Thèse soutenue le 18 septembre 2015 pour obtenir le grade de docteur de l'Université de Grenoble- Spécialité : Nanophysique
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 FET (transistors à effet de champ) et des transistors SET (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 SET 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 SET. 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.
Jury : Président : Gérard Ghibaudo
Rapporteur : Yong Jin
Rapporteur : Philippe Dollfus
Examinateur : Edoardo Charbon
Directeur de thèse : Xavier Jehl
Co-directeur de thèse : Marc Sanquer
Mots clés : Pompe, Silicium, Métrologie quantique
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