Croissance et caractérisation de nanofils coeur/coquille semiconducteur/supraconducteur pour les technologies quantiques

Recently, new quantum phenomena have been the subject of intense research, notably for the development of quantum computers. Many quantum electronic devices use Josephson junctions. In these junctions, two superconductors are separated by a weak link (oxide tunnel barrier or thin layer of a normal metal) allowing the superconducting current to pass. By replacing the normal metal with a semiconductor, new electronic transport regimes become accessible. Due to a low critical temperature, traditional aluminum-based hybrid superconductor-semiconductor devices cannot be used under high magnetic fields. Therefore, research is moving towards the use of superconducting materials with higher critical temperatures. Yet, changing the materials constituting a device requires the development of new manufacturing processes. This takes place through a thorough understanding of thesynthesis of materials and their interfaces. In this regard, the objective of my thesis was to develop and characterize hybrid interfaces based on InAs and InSb semiconductors to realize Josephson junctions. I first studied the growth of tilted InAs nanowires by molecular beam epitaxy. I used the gold-catalyzed "vapor-liquid-solid" mechanism for the growth of InAs nanowires. I explored the different growth parameters available. I then deposited superconductors by different techniques on these nanowires and analyzed their interfaces. I showed that the annealing temperature before growth is a key parameter to producing homogeneous nanowires with low size dispersion and high density. By optimizing the annealing temperature and the V/III ratio, I was able to reduce the size dispersion and better control the growth rate. I then developed a process to deposit an amorphous MoGe superconductor around the nanowires. I obtained ultra-thin, smooth and homogeneous shells. I then analyzed the crystalline structure of Sn/InSb hybrid interfaces. I studied Sn thin films prepared on InSb by X-ray diffraction (XRD). Then, I participated in a fully in situ experiment at the European Synchrotron Radiation Facility. I deposited Sn shells at cryogenic temperatures on InSb nanowire. I used grazing incidence XRD to study the crystal structure of the wires before and after deposition at 80 K. I observed that Sn films deposited on InSb substrates at cryogenic temperatures are in the cubic ! crystalline phase. The tetragonal b-phase of Sn appears in the thin films after the deposition of a protective AlOx layer.This suggests that the deposition of AlOx by electron beam evaporation provides sufficient heat to initiate the transformation of !- into "-Sn. In contrast to the thin-film geometry, the study conducted at ESRF showed that the shells formed at 80K around InSb nanowires are in the a-Sn crystalline structure.In conclusion, the research presented here is crucial for three reasons. (1) I have developed tilted nanowire arrays, those are necessary for the creation of etch-free Josephson junctions; (2) I have developed a superconductor deposition process that preserves the InAs crystal structure. (3) I have determined the crystalline phases of Sn deposited under different experimental conditions at 80K on InSb substrates and nanowires. These new insights are a step forward the understanding of hybrid materials and interfaces and their integration into quantum devices.Récemment, de nouveaux phénomènes quantiques ont fait l’objet de recherches intenses notamment pour le développement d’ordinateurs quantiques. Nombre de dispositifs électroniques quantiques utilisent les jonctions Josephson. Dans ces jonctions, deux supraconducteurs sont séparés par une fine couche d’un métal normal, permettant au courant supraconducteur de passer. En remplaçant le métal normal par un semiconducteur, on peut alors atteindre de nouveaux régimes de transport électronique. Les dispositifs supraconducteur-semiconducteur hybrides traditionnels sont limités par la faible température critique de l’aluminium, ce qui empêche leur utilisation à champs magnétiques élevés. Par conséquent, la recherche s’oriente vers l’utilisation d’autres matériaux supraconducteurs à températures critiques élevées. Cependant, le changement de matériaux d’un dispositif impose le développement de nouveaux processus de fabrication. Cela ne peut se faire que par une compréhension approfondie de la synthèse des matériaux et de leurs interfaces.À cet égard, l’objectif de ma thèse est de développer et de caractériser des interfaces hybrides à base des semiconducteurs InAs et InSb pour réaliser des jonctions Josephsons. J’ai d’abord étudié la croissance de nanofils d’InAs inclinés par épitaxie par jet moléculaire. J’ai utilisé le mécanisme « vapeur-liquide-solide » catalysé par l’or pour la croissance de fils InAs. J’ai exploré les différents paramètres de croissance disponibles. J’ai ensuite déposé des supraconducteurs par différentes techniques sur ces nanofils et analysé leurs interfaces. J’ai montré que la température de recuit avant la croissance est un paramètre clé pour produire des nanofils homogènes, à faible dispersion en taille et de haute densité. C’est aussi par l’optimisation de la température de croissance et du ratio V/III que j’ai pu réduire la dispersion en taille et mieux contrôler leur vitesse de croissance. J’ai ensuite développé un procédé de dépôt d’un supraconducteur amorphe MoGe autour des nanofils. J’ai obtenu des coquilles ultra-fines, lisses et homogènes.J’ai ensuite analysé la structure crystalline d’interfaces hybrides Sn/InSb. J’ai étudié des couches minces de Sn déposées sur InSb par le groupe du Pr. Palmstrøm à UCSB par diffraction des rayons X (DRX). Ensuite, j’ai participé à une expérience entièrement in-situ à l’European Synchrotron Radiation Facility. J’ai déposé des coquilles d’étain à température cryogénique autour de nanofils d’InSb fournis par le groupe du Pr. Bakkers à TU Eindhoven. J’ai utilisé la DRX en incidence rasante pour étudier la structure cristalline des fils avant et après dépôt à 80 K. J’ai observé que les films d’étain déposés à des températures cryogéniques sur substrats InSb ont la phase cubique α. La phase tétragonale β de l’étain apparait dans les films minces après le dépôt d’une couche protectrice d’AlOx. Ceci suggère que le processus de dépôt d’AlOx par évaporation par faisceau d’électrons fournit une chaleur suffisante pour initier la transformation de la phase α en β. Contrairement à la géométrie en couche mince, l’étude menée à l’ESRF montre que des coquilles de β-Sn autour des nanofils InSb se forment pendant le dépôt à 80K.En conclusion, la recherche présentée ici est cruciale pour trois raisons : (1) j’ai développé des réseaux de nanofils inclinés nécessaires à la création de jonctions Josephson sans gravure; (2) j’ai développé un processus de dépôt de supraconducteurs permettant de préserver la structure cristalline de l’InAs; et (3) j’ai déterminé les phases cristallines de l’étain déposé selon différentes conditions expérimentales à 80 K sur substrats et nanofils InSb. Ces nouvelles connaissances constituent un pas en avant vers la compréhension des matériaux et interfaces hybrides ainsi que leur intégration dans dispositifs quantiques