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Une nouvelle nanostructure à base de germanium pourrait être la clé de l’électronique quantique

This shot shows a wire bonder being used to attach a silicon chip to a printed circuit board. The wire bonder uses very thin gold thread to make a connection between metal pads on the the chip and the board. This shot was taken in a cleanroom environment.

Un nouveau composant électronique de la TU Wien (Vienne) pourrait être une clé importante pour l’ère de la technologie de l’information quantique. Grâce à un procédé de fabrication spécial, le germanium pur est lié à l’aluminium de manière à créer des interfaces atomiquement pointues. Il en résulte une hétérostructure métal-semiconducteur-métal dite monolithique.

Cette structure présente des effets uniques qui sont particulièrement évidents à basse température. L’aluminium devient supraconducteur. Une propriété également transférée au semi-conducteur de germanium adjacent. On peut contrôler cette propriété de manière spécifique par des champs électriques. Cela en fait un matériau parfaitement adapté aux applications complexes de la technologie quantique, comme le traitement des bits quantiques. Un avantage particulier est qu’avec cette approche, il n’est pas nécessaire de développer des technologies entièrement nouvelles. Au lieu de cela, il est possible d’utiliser des techniques de fabrication de semi-conducteurs matures et bien établis. L’objectif étant de permettre une électronique quantique basée sur le germanium.

Germanium : difficile de former des contacts de haute qualité

« Le germanium joue un rôle important dans la technologie des semi-conducteurs. Matériau assez reconnu, il sert notamment dans le développement de composants plus rapides et plus efficaces sur le plan énergétique », explique le Dr Masiar Sistani de l’Institut d’électronique à l’état solide de la TU Wien. Toutefois, si l’on souhaite l’utiliser pour produire des composants à l’échelle nanométrique, on se heurte à un problème majeur. Il est extrêmement difficile de produire des contacts électriques de haute qualité. En effet même les plus petites impuretés aux points de contact peuvent avoir un impact majeur sur les propriétés électriques. Nous nous sommes donc donné pour mission de développer une nouvelle méthode de fabrication qui permette d’obtenir des propriétés de contact fiables et reproductibles.

Des atomes qui voyagent

La clé du problème est la température. Lorsque du germanium et de l’aluminium à structure nanométrique sont mis en contact et chauffés, les atomes des deux matériaux commencent à diffuser dans le matériau voisin, mais dans des proportions très différentes. Les atomes de germanium se déplacent rapidement dans l’aluminium, tandis que l’aluminium ne diffuse pratiquement pas dans le germanium.

« Ainsi, si vous connectez deux contacts en aluminium à un fin nanofil de germanium et que vous portez la température à 350 degrés Celsius, les atomes de germanium diffusent à partir du bord du nanofil. Cela crée des espaces vides dans lesquels l’aluminium peut alors facilement pénétrer », explique Masiar Sistani. Au final, seule une zone de quelques nanomètres au milieu du nanofil est constituée de germanium. L’aluminium comble le reste.

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Normalement, l’aluminium est constitué de minuscules grains de cristal. Toutefois, cette nouvelle méthode de fabrication forme un monocristal parfait. Un monocristal dans lequel les atomes d’aluminium se disposent de manière uniforme. Comme on peut le voir au microscope électronique à transmission, une transition parfaitement propre et atomiquement nette se forme entre le germanium et l’aluminium, sans région désordonnée entre les deux. Contrairement aux méthodes conventionnelles aucun oxyde ne peut se former au niveau de la couche limite.

Vérification de la faisabilité à Grenoble

Afin d’examiner de plus près les propriétés de cette hétérostructure métal-semiconducteur monolithique de germanium et d’aluminium, Masiar Sistani a collaboré avec le groupe d’ingénierie quantique du professeur Olivier Buisson à l’université de Grenoble. Il s’est avéré que cette nouvelle structure possède des propriétés tout à fait remarquables.

« Nous avons pu démontrer pour la première fois la supraconductivité du germanium pur et non dopé. Nous avons également pu montrer que cette structure peut être commutée entre des états de fonctionnement très différents à l’aide de champs électriques », rapporte Masiar Sistani. Un tel dispositif à points quantiques de germanium peut être supraconducteur. Il peut aussi être complètement isolant, ou bien se comporter comme un transistor Josephson. Un élément de base important des circuits électroniques quantiques.

Cette nouvelle hétérostructure combine toute une série d’avantages. La structure possède d’excellentes propriétés physiques nécessaires aux technologies quantiques, telles qu’une mobilité élevée des porteurs et une excellente manipulabilité avec des champs électriques. Elle présente l’avantage supplémentaire de bien s’intégrer aux technologies microélectroniques déjà établies. On utilise déjà le germanium dans les architectures de puces actuelles. Les températures requises pour la formation de l’hétérostructure sont compatibles avec les schémas matures de traitement des semi-conducteurs.

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