Thèse Études Structurales des Interfaces Supraconducteur-Semiconducteur et Ii-Vi - Iii-V H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Institut Néel
Direction de la thèse : Martien DEN HERTOG ORCID 0000000307819249
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Ce projet de thèse, mené à l'Institut Néel en collaboration avec le CEA, vise à étudier par microscopie électronique en transmission (TEM) à haute résolution les nanostructures InAs/Sn et InAs/ZnTe, développées pour des jonctions Josephson ajustables dans les dispositifs quantiques. Actuellement, les processeurs quantiques souffrent de faibles temps de cohérence en raison de la qualité des interfaces et des matériaux, en particulier de la présence d'un oxide amorphe dans la junction. Pour remédier ce défis, des nanostructures d'InAs recouvertes de Sn avec et sans barrières tunnel ZnTe sont développées pour fabriquer des junction Josephsons ajustables. Cependant, les mécanismes gouvernant la croissance de Sn et de ZnTe sur l'InAs restent peu étudiés. L'objectif de cette thèse est de caractériser la structure atomique et chimique des interfaces mentionnées ci-dessus, d'analyser l'impact de la formation de couches interfaciales (comme InTe), et d'optimiser les conditions de croissance (vitesse de dépôt, température) pour améliorer les performances des jonctions Josephson. La méthodologie combine TEM, analyse de phase géométrique (GPA), analyse chimique (EDX) et modélisation de la croissance. Des expériences en 4D-STEM couplé à la ptychographie électronique peuvent nous renseigner d'avantage sur la distribution des éléments chimique et les contraintes en 3D autour des interfaces dans ces structures. Les résultats attendus incluent une meilleure compréhension des mécanismes de croissance de Sn et ZnTe sur InAs, l'identification des conditions optimales pour minimiser les défauts et optimiser la distribution des contraintes, ouvrant la voie à des dispositifs quantiques plus stables et performants.

Les dispositifs quantiques contenant des films minces supraconducteurs sont les plus utilisés à l'heure actuelle. Or les processeurs quantiques basés sur ces dispositifs sont encore très fragiles avec des temps de cohérence trop faibles et donc des erreurs de calcul encore trop importantes. Cela est dû en partie à la qualité des matériaux et interfaces présents dans les dispositifs. Un élément important des dispositifs est la jonction Josephson, qui consiste originellement en une barrière tunnel AlOx en sandwich entre deux contacts d'aluminium. Nous développons des jonctions Josephson ajustables à partir de nanostructures semiconductrices d'InAs (nanofils et gaz bidimensionnels) recouvertes d'un film supraconducteur d'étain (Sn). Ces jonctions servent d'inducteur ajustable dans le circuit quantique et apportent la non linéarité nécessaire au fonctionnement du qubit. Dans ce contexte, il est important de comprendre les mécanismes de croissance des interfaces Sn/InAs et de barrière tunnel formées à cette interface par l'incorporation d'un film mince de ZnTe. Comprendre les cinétiques de croissance et l'organisation des atomes aux interfaces permettra d'améliorer les matériaux et les interfaces, ce qui aura un impact direct sur les performances des bits quantiques.

L'objectif de cette these est d'étudier par microscopie électronique en transmission des nanostructures InAs/Sn et InAs/ZnTe développées conjointement à l'Institut Néel et au CEA par épitaxie par jet moléculaire. A partir des images obtenues sur différents échantillons, des modèles de croissance seront développés. Des expériences en 4D-STEM peuvent nous renseigner plus sur la structure 3D des objets.

La compréhension des mécanismes de croissance requiert de se baser sur des informations structurales et chimiques obtenues à la résolution atomique. La microscopie électronique en transmission offre la possibilité d'imager les propriétés structurales et chimiques avec cette résolution. Des outils complémentaires tels que la GPA (Geometrical Phase Analysis) permet de remonter aux contraintes présentes dans les matériaux.

L'étudiant(e) utilisera le microscope électronique à transmission à l'institut Néel pour imager à haute résolution les matériaux et interfaces. Des modèles théoriques de croissance seront développés à partir de séries d'échantillons fabriqués en utilisant des conditions de croissance différentes. Par exemple, nous étudierions les propriétés de films supraconducteur élaborés sur InAs avec des vitesses de dépôt différentes. En effet, la vitesse de dépôt impacte directement la cristallinité des films métalliques, en particulier la taille des grains et leur orientation cristalline. Un autre exemple concerne la morphologie de coquilles ZnTe élaborées autour de fils d'InAs. Cette morphologie tend vers une structure à l'équilibre de forme hexagonale dont les facettes sont des plans m. Cependant les nanofils d'InAs ont généralement une section plutôt circulaire. La microscopie électronique permettra d'étudier de manière fine l'évolution de la morphologie des nanofils coeur coquille InAs/ZnTe en fonction des conditions de croissance, par exemple le temps de croissance de la coquille ou la température de croissance du coeur. Nous utiliserons dans un deuxième temps le 4D STEM, ou un faisceau d'électrons convergent est balayé point par point sur l'échantillon, et un cliché de diffraction est enregistré à chaque point du scan. En utilisant des méthodes de reconstruction iterative, de la ptychographie multi couche, il est possible de remonter à la structure 3D des nanostructures, pour mieux sonder la composition chimique et les contraintes le long de l'épaisseur.