Brevet FR3129564A1 — publié le 20230526

Titre : Procédé de réalisation d’un dispositif quantique L’invention porte sur un procédé de réalisation d’un dispositif quantique (1), comprenant les étapes suivantes : - Une formation d’une couche supraconductrice (20), - Une formation d’un masque (40’) sur la couche supraconductrice, ledit masque (40’) comprenant des motifs de masquage (5S, 51, 52, 53, 5i, 5D) et au moins deux ouvertures (41, 42, 4i) en alternance selon une direction (x), lesdites au moins deux ouvertures (41, 42, 4i) étant séparées entre elles par une distance de séparation pi (i=1…n), et présentant en outre chacune une largeur di (i=1…n+1), telles que la distance de séparation pi et la largeur di soient inférieures à une longueur de cohérence L d’une paire de Cooper dans ledit matériau supraconducteur, - Une modification, au travers desdites au moins deux ouvertures (41, 42, 4i), des portions exposées de la couche supraconductrice (20), de sorte à former au moins deux barrières (31, 32, 3i) de largeur di séparant les régions supraconductrices (21, 22, 2i). Figure pour l’abrégé : Fig.1 Procédé de réalisation d’un dispositif quantique La présente invention concerne le domaine de l’électronique quantique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse la réalisation de dispositifs quantiques à bits quantiques (appelés quantum bits ou qubits). Une application particulière concerne la réalisation de molécules ou chaînes d’Andreev comprenant une pluralité de régions supraconductrices régulièrement séparées par des barrières couplées entre elles. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le domaine de l’électronique quantique, un bit quantique ou qubit correspond à un état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique. Cet état quantique est caractérisé par la superposition quantique de plusieurs états, notamment de l’état 0 et de l’état 1. En pratique le bit quantique peut être obtenu par différents dispositifs basés sur différentes architectures. Ainsi, il existe des qubits liés à un état quantique : d’un porteur de charge, par exemple le spin d’un électron (qubit de spin), d’un courant circulant entre deux régions supraconductrices au travers d’une jonction Josephson, par exemple sa phase (qubit supraconducteur), d’un ion piégé ou d’un atome ou d’une molécule, par exemple son niveau énergétique, d’un photon, par exemple sa polarisation (qubit photonique). Chaque type de dispositif possède des avantages intrinsèques et des inconvénients distincts. Par exemple, les dispositifs quantiques à qubits de spin présentent une faible consommation d’énergie en fonctionnement et une fabrication facilitée par les procédés de microélectronique. Ces dispositifs quantiques à qubits de spin présentent néanmoins une intrication de qubits de spin limitée. Les dispositifs quantiques à qubits supraconducteurs permettent au contraire d’obtenir une bonne intrication entre qubits. Ces dispositifs présentent encore néanmoins une trop grande sensibilité aux variations environnementales. Pour pallier ces inconvénients, un couplage entre plusieurs régions supraconductrices séparées par des jonctions Josephson a été proposé. Un tel dispositif à qubits supraconducteurs comprenant deux jonctions Josephson couplées en série forme une molécule d’Andreev. Un tel dispositif à qubits supraconducteurs, comprenant plus que deux jonctions Josephson couplées en série, forme typiquement une chaîne d’Andreev. Le document « Andreev molecules in semiconductor nanowire double quantum dots, Z. Su et al., Nature Communications volume 8, 585 (2017) » décrit une réalisation d’un dispositif quantique à qubits supraconducteurs formant une molécule d’Andreev. Le procédé de réalisation divulgué par ce document n’est cependant pas industrialisable. Il est difficilement reproductible. La densité d’intégration obtenue par ce procédé est en outre très faible. Il existe donc un besoin consistant à fournir un procédé industriel de réalisation de molécules ou chaînes d’Andreev. Un objet de la présente invention est de répondre à ce besoin. En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d’un dispositif quantique présentant une reproductibilité améliorée. Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d’un dispositif quantique permettant une densité d’intégration élevée. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RESUME Pour atteindre cet objectif, un premier aspect de l’invention concerne un procédé de réalisation d’un dispositif quantique, comprenant les étapes suivantes : Une formation sur un substrat d’une couche supraconductrice en un matériau supraconducteur, ladite couche supraconductrice s’étendant principalement selon un plan basal xy, Une formation d’un masque sur la couche supraconductrice, ledit masque comprenant des motifs de masquage et au moins deux ouvertures en alternance selon une direction dite de conduction du plan xy, lesdites au moins deux ouvertures exposant respectivement au moins deux portions de la couche supraconductrice et étant séparées entre elles selon ladite direction de conduction par une distance de séparation p, lesdites au moins deux ouvertures présentant en outre chacune une largeur d selon ladite direction de conduction, telles que la distance de séparation p et la dimension d soient inférieures à une longueur de cohérence L d’une paire de Cooper dans ledit matériau supraconducteur, Une modification, au travers desdites au moins deux ouvertures, desdites au moins deux portions exposées de la couche supraconductrice, de sorte à former au moins deux barrières de largeur d, chaque barrière séparant deux régions supraconductrices de la couche supraconductrice. La couche supraconductrice est ainsi structurée de façon à former les régions supraconductrices et les barrières en alternance, via les motifs de masquage et les ouvertures du masque. Le procédé permet ainsi de réaliser des molécules ou chaines d’Andreev de façon parfaitement localisée et avec un excellent contrôle dimensionnel. Les procédés de la microélectronique, par exemple le dépôt en couche mince pour la formation de la couche supraconductrice, la lithographie pour la formation du masque, les implantations et/ou les gravures pour la formation des barrières, peuvent être avantageusement mis en œuvre dans ce procédé de réalisation de dispositif quantique. Cela permet d’obtenir un procédé industriel présentant une excellente reproductibilité. L’utilisation du masque permet également de définir précisément les différentes zones (barrières, régions supraconductrices) avec un contrôle en dimension précis. Cela permet notamment d’obtenir les conditions nécessaires pour le couplage des barrières entre elles, typiquement une distance de séparation p et une dimension d inférieures à une longueur de cohérence L d’une paire de Cooper dans le matériau supraconducteur. L’utilisation du masque permet en outre, pour une pluralité de dispositifs quantiques, de densifier les dispositifs quantiques. Cela permet également de dédier une zone particulière pour le ou les dispositifs quantiques sur le substrat, en vue d’une co-intégration d’autres dispositifs ou composants microélectroniques sur le même substrat. Un aspect de l’invention concerne un procédé de formation d’un système comprenant une pluralité de dispositifs, ledit procédé comprenant au moins un procédé de réalisation d’un dispositif quantique selon le premier aspect de l’invention, et une réalisation d’au moins un autre dispositif pris parmi un dispositif à base de transistors, un dispositif mémoire, un autre dispositif quantique. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La illustre en coupe transverse un dispositif quantique de type chaine d’Andreev selon un mode de réalisation la présente invention. Les figures 2A à 2D illustrent en coupe transverse des étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif quantique selon un mode de réalisation la présente invention. Les figures 3A à 3C illustrent en coupe transverse des étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif quantique selon un autre mode de réalisation la présente invention. Les figures 4A à 4B illustrent en coupe transverse des étapes d’un procédé de fabrication d’un dispositif quantique selon un autre mode de réalisation la présente invention. La illustre en coupe transverse un dispositif quantique selon un mode de réalisation la présente invention. La illustre en vue de dessus le dispositif quantique en partie illustré à la , co-intégré avec d’autres dispositifs quantiques, selon un mode de réalisation la présente invention. La illustre en vue de dessus un dispositif quantique co-intégré avec d’autres dispositifs non quantiques, selon un mode de réalisation la présente invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, sur les schémas de principe, les épaisseurs des différentes couches et portions, et les dimensions des motifs ne sont pas représentatives de la réalité. Procédé de réalisation d’un dispositif quantique (1), comprenant les étapes suivantes : Une formation sur un substrat (10) d’une couche supraconductrice (20) en un matériau supraconducteur, ladite couche supraconductrice (20) présentant une face (200) s’étendant principalement selon un plan basal xy, Une formation d’un masque (40’) sur la couche supraconductrice, ledit masque (40’) comprenant des motifs de masquage (5S, 51, 52, 53, 5i, 5D) et au moins deux ouvertures (41, 42, 4i) séparées par un motif de masquage et disposées en alternance selon une direction (x) du plan xy, lesdites au moins deux ouvertures (41, 42, 4i) exposant respectivement au moins deux portions de la couche supraconductrice (20) et étant séparées entre elles selon ladite direction (x) par une distance de séparation pi (i=1…n), lesdites au moins deux ouvertures (41, 42, 4i) présentant en outre chacune une largeur di (i=1…n+1) selon ladite direction (x), telles que la distance de séparation pi et la largeur di soient inférieures à une longueur de cohérence L d’une paire de Cooper dans ledit matériau supraconducteur, Une modification, au travers desdites au moins deux ouvertures (41, 42, 4i), desdites au moins deux portions exposées de la couche supraconductrice (20), de sorte à former au moins deux barrières (31, 32, 3i) de largeur di, chaque barrière séparant deux régions supraconductrices (21, 22, 2i) de la couche supraconductrice (20). Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre, après formation desdites au moins deux barrières (31, 32, 3i), un retrait au moins partiel du masque (40’) et une formation d’au moins un contact sur au moins une région supraconductrice (21, 22, 2i) de la couche supraconductrice (20). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la formation du masque (40’) comprend les étapes suivantes : Un dépôt d’une couche diélectrique (40) sur la couche supraconductrice (20), Une formation de motifs préparatoires en alternance avec au moins deux ouvertures préparatoires dans la couche diélectrique (40), lesdites au moins deux ouvertures préparatoires présentant chacune une largeur di0 selon la direction (x) strictement supérieure à la largeur di selon la direction (x), Une formation, sur au moins un flanc (501, 502) de chacun des motifs préparatoires, d’au moins un espaceur (61, 62, 6i) de largeur s6i (i=1…n+1) selon la direction (x), de sorte à obtenir les au moins deux ouvertures (41, 42, 4i) du masque (40’) de largeur di (i=1…n), de préférence tel que di = di0 – 2.s6i > 3nm avec 5nm ≤ s6i ≤ 25nm, chaque motif de masquage (5S, 51, 52, 5i, 5D) du masque (40’) comprenant un motif préparatoire et au moins un espaceur (61, 62, 6i). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la formation de la couche supraconductrice (20) se fait à partir d’une couche de silicium mise en présence d’un gaz BClx, par une pluralité de tirs laser au sein de la couche de silicium de façon à incorporer du bore pour former le matériau supraconducteur Si:B++. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la pluralité de tirs laser comprend au moins 100 tirs laser successifs présentant chacun une durée comprise entre 20 ns et 500 ns, et une énergie comprise entre 200 mJ/cm 2 et 1,5J/cm 2 . Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la formation de la couche supraconductrice (20) comprend un dépôt d’une couche de nitrure de titane de stœchiométrie contrôlée TiN. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le dépôt de la couche de TiN comprend un dépôt assisté par laser pulsé avec un laser infrarouge de longueur d’onde 1064 nm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la formation des barrières (31, 32, 3i) comprend une implantation d’espèces dans les portions exposées, de sorte à obtenir un matériau modifié non supraconducteur au niveau de chacune desdites portions, ledit matériau modifié présentant une stœchiométrie différente de celle du matériau supraconducteur non modifié des régions supraconductrices (21, 22, 2i) situées de part et d’autre de ladite barrière. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la couche supraconductrice (20) est en TiN et l’implantation d’espèces comprend une implantation d’azote. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la formation des barrières (31, 32, 3i) comprend une amorphisation des portions exposées, de sorte à obtenir un matériau modifié non supraconducteur au niveau de chacune desdites portions, ledit matériau modifié présentant une structure amorphe différente d’une structure cristalline du matériau supraconducteur non modifié des régions supraconductrices (21, 22, 2i) situées de part et d’autre de ladite barrière. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la couche supraconductrice (20) est à base de silicium dopé bore et l’amorphisation comprend une implantation de germanium à une dose comprise entre 10 15 et 10 20 cm -2 . Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la formation des barrières (31, 32, 3i) comprend une gravure de la couche supraconductrice (20) au niveau de chacune desdites portions exposées, selon une direction z normale au plan basal xy et sur une profondeur dp20 supérieure à au moins la moitié d’une épaisseur e20 de la couche supraconductrice (20), de sorte à obtenir une constriction géométrique en hauteur entre les régions supraconductrices (21, 22, 2i) situées de part et d’autre de ladite barrière. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la formation des barrières (31, 32, 3i) comprend en outre, après ladite gravure de la couche supraconductrice (20), une épitaxie d’un matériau non supraconducteur entre les régions supraconductrices (21, 22, 2i) situées de part et d’autre de ladite barrière. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la couche supraconductrice (20) est à base de silicium dopé bore et l’épitaxie comprend une épitaxie de silicium non dopé. Procédé de formation d’un système comprenant une pluralité de dispositifs (1, 1’, 1’’, 2, 3), comprenant au moins un procédé de réalisation d’un dispositif quantique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, et une réalisation d’au moins un autre dispositif pris parmi un dispositif à base de transistors (2), un dispositif mémoire (3), un autre dispositif quantique (1’, 1’’).