INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Pour de nombreux dispositifs optoélectroniques comme les OLED ou les cellules solaires, il est nécessaire d’utiliser une électrode d’oxyde transparent conducteur (OTC ou TCO pour ‘Transparent Conductive Oxide’) pour pouvoir extraire les photons du dispositif.
Le matériau majoritairement utilisé aujourd’hui est l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ou ITO). L’ITO possède une conductivité élevée et une résistance surfacique faible, de l’ordre de 10 Ω/□, tout en ayant une transmittance supérieure à 85% sur tout le spectre visible. Ces avantages en font une électrode de choix dans bon nombre d’applications (Tang et VanSlyke, “Organic electroluminescent diodes,” Appl. Phys. Lett., 51, 12, 913–915, 1987; Oh et al., “Functional hybrid indium-tin-oxide transparent conductive electrodes for light-emitters,” J. Alloys Compd., 724, 813–819, 2017).
Cependant, l’ITO possède également plusieurs inconvénients, et notamment la rareté de l’indium et le coût de son extraction, ce qui a poussé la communauté scientifique à se tourner vers l’oxyde de zinc (ZnO) et de ses dérivés comme par exemple l’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO).
Certaines structures OLED utilisent l’AZO comme oxyde sur l’électrode inférieure Al :Cu/TiN de manière à améliorer le contact matériaux organiques/électrode. Ses performances sont relativement proches de l’ITO en termes de transparence et de conductivité, avec comme avantage de supprimer l’indium. Cependant, cet oxyde est peu stable chimiquement, et très sensible à l’humidité. La gravure de ce matériau, par voie humide aqueuse (par exemple HF dilué) est très difficilement contrôlable (perte d’épaisseur, sur-gravure). En effet, le ZnO ou l’AZO se gravent très rapidement dans des solutions aqueuses, basiques ou acides ( ). Cette sensibilité chimique se retrouve pour différentes techniques de dépôt, et dans le cas du dépôt par dépôt de couches atomiques (ALD) pour toutes les gammes de température lors du dépôt ALD, donc quel que soit leur cristallinité.
La sensibilité des composés ZnO est liée à la faible énergie de dissociation entre l’atome de Zn et l’atome d’oxygène (2 eV environ contre par ex 5 eV pour la liaison Sn-O). Une façon de stabiliser les composés à base de ZnO peut consister en un recuit des films à des températures élevées, typiquement supérieures à 400°C.
Les termes « vertical », « verticalement » se réfèrent à une direction selon z. Les termes « horizontal », « horizontalement », « latéral », « latéralement » se réfèrent à une direction dans le plan xy. Sauf mention explicite, l’épaisseur, la hauteur et la profondeur sont mesurées selon z. Dans les dessins d’accompagnement, les largeurs sont mesurées selon x.
Un élément situé « à l’aplomb » ou « au droit d’» un autre élément signifie que ces deux éléments sont situés tous deux sur une même ligne perpendiculaire à un plan dans lequel s’étend principalement une face inférieure ou supérieure d’un substrat, c’est-à-dire sur une même ligne orientée verticalement sur les figures.
Dans un matériau supraconducteur, les porteurs de charge sont appariés localement deux à deux en paire de Cooper. Cet appariement est effectif sur une certaine distance L définissant la taille des paires de Cooper. Cette distance L est nommée longueur de cohérence par la suite. Le matériau acquiert ainsi une phase quantique macroscopique. Si l’on rapproche suffisamment deux régions supraconductrices tout en gardant une mince barrière entre les deux, il est possible de faire traverser les paires de Cooper à travers la barrière tout en préservant leur cohérence quantique. Une telle barrière laissant passer les électrons entre deux régions supraconductrices s’appelle une jonction Josephson (JJ). Il en résulte un courant non-dissipatif dont l’amplitude dépend de la différence de phase des deux supraconducteurs.
Dans le cadre de la présente invention, différents types de jonctions Josephson ou barrières entre deux régions supraconductrices sont envisagés. Une barrière peut être vue comme une description structurelle et une jonction peut être vue comme une description fonctionnelle de la même entité. « Barrières » et « jonctions Josephson » sont ici employées en synonymes. Une barrière s’entend d’une barrière formée d’un matériau non-supraconducteur ou d’un matériau pour lequel la supraconductivité est affaiblie.
La structure des barrières peut se baser, de façon non exhaustive, sur un matériau isolant ou métallique non supraconducteur, ou sur une singularité géométrique ou encore sur un joint de grains. Les jonctions correspondantes peuvent être de type « tunnel », « constriction » ou « point de contact », ou encore une jonction de grains.
Les jonctions à effet tunnel ont typiquement une structure de type SIS (supraconducteur - isolant - supraconducteur) ; dans ces jonctions le mécanisme de transport est essentiellement dominé par l’effet tunnel corrélé des électrons qui forment une paire de Cooper à travers la barrière isolante. Dans une jonction SNS (supraconducteur - métal normal - supraconducteur) le mécanisme de transport est dominé essentiellement par l’effet de proximité. En général à l’interface entre un supraconducteur et un métal normal la cohérence quantique se maintient aussi dans le métal normal sous une distance définie par la longueur de cohérence.
Pour déterminer si une molécule d’Andreev ou une chaîne d’Andreev est réalisée, des mesures électriques à basse température du courant Josephson peuvent être effectuées. En particulier, si la relation de phase quantique du courant Josephson à l’une des extrémités de la chaine peut être modulée par l’amplitude du courant Josephson à l’autre extrémité, cela indique qu’un couplage est effectif entre toutes les barrières. Le dispositif quantique peut alors correspondre à une molécule d’Andreev ou à une chaîne d’Andreev.
La illustre en coupe transverse un mode de réalisation d’un dispositif quantique de type chaine d’Andreev. Ce dispositif quantique 1 comprend une pluralité de régions supraconductrices 21, 22, 23, 2i (i=1…n) séparées les unes des autres par des barrières 31, 32, 33, 3i (i=1…n+1). Des régions d’injection de courant, par exemple une région source S et une région drain D sont de préférence situées à chaque extrémité de la chaîne d’Andreev. La source S et le drain D sont typiquement séparés du reste de la chaîne d’Andreev par deux barrières 31, 3n+1 à chaque extrémité de la chaîne d’Andreev.
Chaque barrière 3i présente une largeur di (i=1…n+1) selon x. Chacune des barrières 3i est configurée pour laisser passer les électrons sous forme de paires de Cooper d’une région supraconductrice 2i à une autre région supraconductrice 2i+1. En particulier, chacune des largeurs di est choisie inférieure à la longueur de cohérence L des paires de Cooper au sein du matériau supraconducteur des régions supraconductrices. Selon une possibilité, toutes les largeurs di sont égales entre elles. Alternativement, les largeurs di varient d’un bout à l’autre de la chaîne d’Andreev, par exemple selon une progression monotone, croissante ou décroissante entre la source et le drain. D’autres variations de largeur des barrières sont envisageables, avec di < L. Selon un exemple, les largeurs di sont de préférence inférieures à 100 nm, de préférence inférieures à 50 nm, par exemple comprises entre 3 et 6 nm. Selon un exemple, les largeurs di correspondent à la distance minimale séparant deux régions supraconductrices.
Les régions supraconductrices 21, 22, 23, 2i (i=1…n) sont typiquement formées au sein d’une couche supraconductrice 20, en un matériau supraconducteur. Elles sont physiquement séparées deux à deux par les barrières 31, 32, 33, 3i (i=1…n+1). Elles sont néanmoins connectées entre elles via les jonctions Josephson formées par ces barrières 31, 32, 33, 3i (i=1…n+1). Pour obtenir une molécule d’Andreev ou une chaîne d’Andreev, toutes les barrières sont couplées les unes avec les autres. Cela implique que la distance de séparation pi entre deux barrières, qui correspond à la largeur pi de la région supraconductrice 2i considérée, soit inférieure à la longueur de cohérence L des paires de Cooper. Selon une possibilité, toutes les largeurs pi sont égales entre elles. Alternativement, les largeurs pi varient d’un bout à l’autre de la chaîne d’Andreev, par exemple selon une progression monotone, croissante ou décroissante entre la source et le drain. D’autres variations de largeur des régions supraconductrices sont envisageables, avec pi < L. Selon un exemple, les largeurs pi sont de préférence inférieures à 100 nm, et de préférence inférieures à 50 nm. Selon un exemple, les distances de séparation pi correspondent à la distance minimale séparant deux barrières.
La chaîne d’Andreev présente typiquement une période λi = di + pi. Selon une possibilité, cette période est constante le long de la chaîne. Alternativement, la période peut varier de façon continue ou discontinue, monotone ou non monotone, le long de la chaîne. Selon un exemple, la période λi est comprise entre 40 et 80 nanomètres. Par exemple, λi = 40 nm, di = 20 nm, pi = 20 nm.
La couche supraconductrice 20 est en un matériau supraconducteur. Elle présente une épaisseur e20 inférieure ou égale à 300 nm, de préférence comprise entre 5 et 30 nanomètres. La couche supraconductrice 20 est typiquement portée par un substrat 10.
Le substrat 10 peut-être un substrat massif de silicium, dit « bulk » Si, ou un substrat de type silicium sur isolant SOI (acronyme de « silicon on insulator »). D’autres substrats 10, comprenant par exemple différentes couches ou niveaux métalliques intercalés entre une partie bulk Si et la couche supraconductrice 20, sont également envisageables.
Les figures 2A à 2D présentent un premier mode de réalisation d’une chaine d’Andreev selon le procédé de la présente invention. La première étape de ce procédé consiste à former la couche supraconductrice 20 sur le substrat 10.
Selon une possibilité la couche supraconductrice 20 est à base de nitrure de titane TiN. Elle peut être déposée par des techniques de dépôt physique ou chimique en phase vapeur directement sur le substrat 10. La technique de dépôt est avantageusement choisie de façon à permettre un bon contrôle de la stœchiométrie de la couche supraconductrice en TiN. Le dépôt de TiN supraconducteur peut se faire par dépôt laser pulsé PLD (acronyme de « Pulsed Laser Deposition ») en utilisant un laser pulsé infrarouge à 1064 nm. Des épaisseurs de TiN stœchiométrique comprises entre 5 et 300 nanomètres peuvent être avantageusement obtenues par PLD. La température critique du TiN supraconducteur est typiquement comprise entre 2,45 et 4,8 K. En théorie, la supraconduction du TiN peut être obtenue pour une température critique de l’ordre de 5,6 K.
par « en amont » : du côté du réseau 3 ; par « en aval » : du côté de l’installation 2.
Le disjoncteur 6 est positionné entre le compteur 1 et l’installation 2.
Le compteur 1 comporte de plus un conducteur de phase 10, qui est relié à la phase 4 du réseau de distribution 3 via le port de phase amont P, et qui est relié au disjoncteur 6 via le port de phase aval P’. Le compteur 1 comporte de plus un conducteur de neutre 11, qui est relié au neutre 5 via le port de neutre amont N, et qui est relié au disjoncteur 6 via le port de neutre aval N’.
Le compteur 1 comprend de plus un organe de coupure 12 comprenant un interrupteur 13 monté sur le conducteur de phase 10.
Le compteur 1 comprend une masse électrique 14. Le conducteur de phase 10 est relié à la masse 14 à proximité du port de phase amont P et en amont de l’organe de coupure 12. Cette mise à la masse du conducteur de phase 10 s’explique par le fait que le compteur 1 comporte un capteur de courant, permettant de mesurer le courant de phase circulant sur la phase 4, qui est un shunt (non représenté ici), positionné sur le conducteur de phase 10 en amont de l’organe de coupure 12. Sans mise à la masse du conducteur de phase 10, la tension aux bornes du shunt serait de l’ordre de celle présente entre la phase et le neutre du réseau 3, et donc très élevée. La mise à la masse du conducteur de phase 10 permet d’obtenir une tension faible aux bornes du shunt (ici de l’ordre de 3,3V maximum après l’application d’un gain sachant que la tension aux bornes d’un shunt est de l’ordre de 15 à 20mV pour un courant le traversant de 100A efficace), qui correspond à la plage de tension acceptable en entrée du microcontrôleur de métrologie (non représenté ici) intégré dans le compteur 1.
Le compteur 1 comporte de plus un circuit de détection.
Le circuit de détection comprend une chaîne d’injection 15, une chaîne de mesure 16, et un composant de traitement.
Ici, par « chaîne », on entend une succession d’un ou de plusieurs composants (ou modules fonctionnels) connectés en série.
La chaîne d’injection 15 comprend au moins un composant générateur (en l’occurrence ici deux composants générateurs), une résistance R, et un composant d’injection (en l’occurrence ici un premier condensateur C1).
Les deux composants générateurs comprennent un module générateur 20, intégré dans le microcontrôleur applicatif 17 du compteur 1, et un driver 21.
Le microcontrôleur 17 comprend une sortie PWM 22 (pour Pulse Width Modulation ). La sortie du module générateur 20 est reliée à la sortie PWM 22.
Le driver 21 est ici un amplificateur monté en suiveur. La sortie 22 du microcontrôleur 17 est reliée à l’entrée non inverseuse du driver 21. L’entrée inverseuse du driver 21 est reliée à la sortie du driver 21.
La sortie du driver 21 est reliée à une première borne de la résistance R, dont une deuxième borne est reliée à une première borne du premier condensateur C1. La deuxième borne du premier condensateur C1 est connectée au conducteur de phase 10 en aval de l’organe de coupure 12.
La résistance R a une valeur de résistance qui est ici égale à 1kΩ.
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.
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.
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.
On considère, en entrée, les données de consommation journalières issues des compteurs communicants d’un parc d’installations consommatrices correspondant à une zone géographique donnée (par exemple l’île de la Réunion) sur une période totale d’un an, ce afin de rendre compte fidèlement des différentes saisonnalités.
La consommation électrique des installations consommatrices du parc est ainsi représentée, pour chaque installation consommatrice, par 365 données brutes, ou variables d’entrée, qui sont dites corrélées les unes aux autres.
Ces variables d’entrée font l’objet d’une analyse en composantes principales prévue pour en expliquer au mieux la variabilité ou variance.
Le résultat d’une telle analyse en composantes principales est un jeu de variables de sortie qui sont, typiquement, des combinaisons linéaires des variables d’entrée.
Les variables de sortie sont dites indépendantes, ou décorrélées les unes des autres et sont en nombre égal à celui des variables d’entrée. En d’autres termes, l’analyse en composantes principales exprime l’intégralité des données contenues dans les variables d’entrée sous une forme non redondante.
Le jeu de variables de sortie est ordonné, c’est-à-dire que chaque variable de sortie a un rang.
La première variable de sortie est également appelée axe principal, ou première composante principale, ou encore premier vecteur propre, il s’agit de l’axe qui résume au mieux la variabilité de la consommation électrique en fonction du temps selon les installations consommatrices par rapport à toute autre variable de sortie.
Les deux premières variables de sortie, ou l’axe principal et le deuxième axe, ou les deux premières composantes principales, ou encore les deux premiers vecteurs propres, sont le couple de variables de sortie qui, combinées, résument au mieux la variabilité de la consommation électrique selon les installations consommatrices par rapport à tout autre couple de variables de sortie.
Selon cette logique, il est possible de ne conserver que les premières variables de sortie, par exemple la seule première variable de sortie, ou les 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9 premières variables de sortie.
Ces premières variables de sortie représentent, de manière compressée, la variabilité de la consommation électrique selon les installations consommatrices. Ignorer les variables de sortie de rang suivant se traduit par une perte minime et acceptable d’information. En effet, l’information perdue est sans perspective notable de distinction supplémentaire entre deux jeux de valeurs desdites variables de sortie associés, l’un, à une installation sans système de climatisation, l’autre, à une installation avec système de climatisation.
La consommation électrique d’une installation consommatrice du parc est ainsi représentée, à l’issue de l’analyse en composantes principales, par un jeu de valeurs de sortie en nombre restreint par rapport au jeu de valeurs d’entrée.
Le jeu de valeurs de sortie est en effet formé d’une valeur, ou coefficient, par variable de sortie conservée, donc de moins de 10 valeurs, contrairement au jeu de valeurs d’entrée qui est formé de 365 valeurs de consommation électrique journalière (une par jour de l’année).
Les résultats d’une telle analyse en composantes principales, ou « ACP », sont représentés sur la .
Le taux de variance (10) expliqué par nombre de composantes de l’ACP est représenté sur la colonne de gauche.
Les quatre premiers vecteurs propres, ou composantes v1, v2 , v3, v4 (11, 12, 13, 14), issus de l’ACP dans l’espace d’origine, c’est-à-dire les jours de l’année, sont représentés au milieu.