Approche industrielle aux boîtes quantiques dans des dispositifs de silicium sur isolant complètement déplété pour applications en information quantique

La mise en oeuvre des qubits de spin électronique à base de boîtes quantiques réalisés en utilisant une technologie avancée de métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (en anglais: CMOS ou Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) fonctionnant à des températures cryogéniques permet d’envisager la fabrication industrielle reproductible et à haut rendement de systèmes de qubits de spin à grande échelle. Le développement d’une architecture de boîtes quantiques à base de silicium fabriquées en utilisant exclusivement des techniques de fabrication industrielle CMOS constitue une étape majeure dans cette direction. Dans cette thèse, le potentiel de la technologie UTBB (en anglais: Ultra-Thin Body and Buried oxide) silicium sur isolant complétement déplété (en anglais: FD-SOI ou Fully Depleted Silicon-On-Insulator) 28 nm de STMicroelectronics (Crolles, France) a été étudié pour la mise en oeuvre de boîtes quantiques bien définies, capables de réaliser des systèmes de qubit de spin. Dans ce contexte, des mesures d’effet Hall ont été réalisées sur des microstructures FD-SOI à 4.2 K afin de déterminer la qualité du noeud technologique pour les applications de boîtes quantiques. De plus, un flot du processus d’intégration, optimisé pour la mise en oeuvre de dispositifs quantiques utilisant exclusivement des méthodes de fonderie de silicium pour la production de masse est présenté, en se concentrant sur la réduction des risques de fabrication et des délais d’exécution globaux. Enfin, deux géométries différentes de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI de 28nm ont été conçues et leurs performances ont été étudiées à 1.4 K. Dans le cadre d’une collaboration entre Nanoacademic Technologies, Institut quantique et STMicroelectronics, un modèle QTCAD (en anglais: Quantum Technology Computer-Aided Design) en 3D a été développé pour la modélisation de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI. Ainsi, en complément de la caractérisation expérimentale des structures de test via des mesures de transport et de spectroscopie de blocage de Coulomb, leur performance est modélisée et analysée à l’aide du logiciel QTCAD. Les résultats présentés ici démontrent les avantages de la technologie FD-SOI par rapport à d’autres approches pour les applications de calcul quantique, ainsi que les limites identifiées du noeud 28 nm dans ce contexte. Ce travail ouvre la voie à la mise en oeuvre des nouvelles générations de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI basées sur des noeuds technologiques inférieurs.Abstract: Electron spin qubits based on quantum dots implemented using advanced Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology functional at cryogenic temperatures promise to enable reproducible high-yield industrial manufacturing of large-scale spin qubit systems. A milestone in this direction is to develop a silicon-based quantum dot structure fabricated using exclusively CMOS industrial manufacturing techniques. In this thesis, the potential of the industry-standard process 28 nm Ultra-Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) technology of STMicroelectronics (Crolles, France) was investigated for the implementation of well-defined quantum dots capable to realize spin qubit systems. In this context, Hall effect measurements were performed on FD-SOI microstructures at 4.2 K to determine the quality of the technology node for quantum dot applications. Moreover, an optimized integration process flow for the implementation of quantum devices, using exclusively mass-production silicon-foundry methods is presented, focusing on reducing manufacturing risks and overall turnaround times. Finally, two different geometries of 28 nm FD-SOI quantum dot devices were conceived, and their performance was studied at 1.4 K. In the framework of a collaboration between Nanoacademic Technologies, Institut quantique, and STMicroelectronics, a 3D Quantum Technology Computer-Aided Design (QTCAD) model was developed for FD-SOI quantum dot device modeling. Therefore, along with the experimental characterization of the test structures via transport and Coulomb blockade spectroscopy measurements, their performance is modeled and analyzed using the QTCAD software. The results reported here demonstrate the advantages of the FD-SOI technology over other approaches for quantum computing applications, as well as the identified limitations of the 28 nm node in this context. This work paves the way for the implementation of the next generations of FD-SOI quantum dot devices based on lower technology nodes

Industrial approach to quantum dots in fully-depleted silicon-on-insulator devices for quantum information applications

Les qubits de spin électronique à base de boîtes quantiques réalisés en utilisant une technologie avancée de métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (en anglais : CMOS ou Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) fonctionnant à des températures cryogéniques promettent de permettre la fabrication industrielle reproductible et à haut rendement de systèmes de qubits de spin à grande échelle. Une étape importante dans cette direction consiste à développer une structure de boîtes quantiques à base de silicium fabriquée en utilisant exclusivement des techniques de fabrication industrielle CMOS. Dans cette thèse, le potentiel de la technologie UTBB (Ultra-Thin Body and Buried oxide en anglais) silicium sur isolant complétement déplété (en anglais : FD-SOI ou Fully Depleted Silicon-On-Insulator) 28 nm de STMicroelectronics (Crolles, France) a été étudié pour la mise en œuvre de boîtes quantiques bien définies, capables de réaliser des systèmes de qubit de spin. Dans ce contexte, des mesures d'effet Hall ont été réalisées sur des microstructures FD-SOI à 4,2 K afin de déterminer la qualité du nœud technologique pour les applications de boîtes quantiques. De plus, un flot du processus d'intégration, optimisé pour la mise en œuvre de dispositifs quantiques utilisant exclusivement des méthodes de fonderie de silicium pour la production de masse est présenté, en se concentrant sur la réduction des risques de fabrication et des délais d'exécution globaux. Enfin, deux géométries différentes de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI de 28 nm ont été conçues et leurs performances ont été étudiées à 1,4 K. Dans le cadre d'une collaboration établie entre Nanoacademic Technologies, Institut Quantique et STMicroelectronics, un modèle QTCAD (en anglais Quantum Technology Computer-Aided Design) 3D a été développé pour la modélisation de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI. Ainsi, en complément de la caractérisation expérimentale des structures de test via des mesures de transport et de spectroscopie de blocage de Coulomb, leur performance est modélisée et analysée à l'aide du logiciel QTCAD. Les résultats présentés ici démontrent les avantages de la technologie FD-SOI par rapport à d'autres approches pour les applications de calcul quantique, ainsi que les limites identifiées du nœud 28 nm dans ce contexte. Ce travail ouvre la voie à la mise en œuvre des nouvelles générations de dispositifs à boîtes quantiques FD-SOI basées sur des nœuds technologiques inférieurs.Electron spin qubits based on quantum dots implemented using advanced Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology functional at cryogenic temperatures promise to enable reproducible high-yield industrial manufacturing of large-scale spin qubit systems. A milestone in this direction is to develop a silicon-based quantum dot structure fabricated using exclusively CMOS industrial manufacturing techniques. In this thesis, the potential of the industry-standard process 28 nm Ultra-Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) technology of STMicroelectronics (Crolles, France) was investigated for the implementation of well-defined quantum dots capable to realize spin qubit systems. In this context, Hall effect measurements were performed on FD-SOI microstructures at 4.2 K to determine the quality of the technology node for quantum dot applications. Moreover, an optimized integration process flow for the implementation of quantum devices, using exclusively mass-production silicon-foundry methods is presented, focusing on reducing manufacturing risks and overall turnaround times. Finally, two different geometries of 28 nm FD-SOI quantum dot devices were conceived, and their performance was studied at 1.4 K. In the framework of a collaboration established between Nanoacademic Technologies, Institut Quantique, and STMicroelectronics, a 3D Quantum Technology Computer-Aided Design (QTCAD) model was developed for FD-SOI quantum dot device modeling. Therefore, along with the experimental characterization of the test structures via transport and Coulomb blockade spectroscopy measurements, their performance is modeled and analyzed using the QTCAD software. The results reported here demonstrate the advantages of the FD-SOI technology over other approaches for quantum computing applications, as well as the identified limitations of the 28 nm node in this context. This work paves the way for the implementation of the next generations of FD-SOI quantum dot devices based on lower technology nodes

Simulation process flow for the implementation of industry-standard FD-SOI quantum dot devices

International audienceThe spin of an electron confined to a semiconductor quantum dot is one of the main technology platforms currently evaluated in the pursuit of qubit implementation. In this study, we developed and optimized a full simulation process flow used to model an Ultra-Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) quantum dot device fabricated using STMicroelectronics&#39; standard manufacturing process. Here, we report optical, geometrical, electrical, and quantum numerical results that allowed us to assess the device performance before its eventual fabrication.</p

Interpretation of 28 nm FD-SOI quantum dot transport data taken at 1.4 K using 3D Quantum TCAD simulations

International audienceReliable operation of nanoscale CMOS quantum dot devices at cryogenic temperatures fabricated with standard manufacturing techniques is of great importance for quantum computing applications. We investigated the behavior of an Ultra Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) quantum dot device fabricated using the standard fabrication process of STMicroelectronics at&nbsp; very low temperatures. The performance of the quantum dot device is simulated and analyzed using the 3D Quantum Technology Computer Aided Design (QTCAD) software recently developed by Nanoacademic Technologies, achieving convergence down to 1.4 K. In this paper we present preliminary simulation results of this work and compare them with actual experimental data collected from measurements of the same&nbsp; device.</p

Understanding conditions for the single electron regime in 28 nm FD-SOI quantum dots: Interpretation of experimental data with 3D quantum TCAD simulations

International audienceSingle electrons trapped in quantum dots hosted in silicon nanostructures are a promising platform for the implementation of quantum technologies. In this study, we investigated the required conditions to attain the single-electron regime in an Ultra-Thin Body and Buried oxide (UTBB) Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI) quantum dot device fabricated using the standard manufacturing process of STMicroelectronics. The cryogenic temperature operation of the quantum dot device is simulated and analyzed using the 3D Quantum Technology Computer Aided Design (QTCAD) software developed by Nanoacademic Technologies, achieving convergence down to 1.4 K. We report here simulations exploring single-electron occupancy of a single side-gate activated corner quantum dot and compare them to experimental data collected from the measurements on a device with the same geometry.</p