Les applications de phénomènes quantiques exigent un fonctionnement à basse température afin de préserver les propriétés essentielles des états quantiques. L'intégration de l'électronique classique à la même température que le dispositif quantique constitue un défi afin de contrôler et détecter les états quantiques avec plus de vitesse et efficacité tout en limitant le câblage vers l'instrumentation à la température ambiante. Comment développer une électronique cryogénique dédiée, basée sur la technologie connue de composants CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) et compatible avec des bits quantiques en silicium ?

Des chercheurs de l’Irig et du CEA-Leti ont réalisé des prototypes de circuits hybrides combinant des dispositifs à points quantiques en silicium avec un amplificateur de trans-impédance classique (Trans-Impedance Amplifier ou TIA). Le TIA est particulièrement adapté aux mesures de courant traversant un système de points quantiques semi-conducteur (dans la gamme du pico ampère). Ces boîtes quantiques de taille nanométrique ont des états électroniques quantifiés avec un spectre d'énergie qu’il est possible de détecter en fonction d'une tension de grille par la mesure d'un courant correspondant au passage d’électron unique à travers la structure quantique.

Des amplificateurs de trans-impédance intégrés avec des dispositifs permettant de mesurer le courant sont réalisés chez STMicroelectronics en partant d'un CMOS commercial de 28 nm en silicium sur isolant entièrement appauvri (FDSOI). La puce du nano-dispositif à mesurer a été placée côte à côte avec la puce du TIA ou les deux systèmes, quantique et classique, ont été réalisés sur la même puce (Figure). Le circuit avec le TIA fonctionne à 10 mK avec seulement 1 μW de consommation électrique, ce qui permet d’éviter l'échauffement du cryostat. Il présente une réponse linéaire jusqu'à ±40 nA avec une bande passante de 2,6 kHz. L’ensemble a une empreinte du circuit de seulement 0,1 mm x 0,1 mm. Ces données techniques sont très prometteuses pour les applications quantiques aux températures les plus basses. Dans une version plus complète, la puce intègre d'autres fonctions analogiques et numériques (multiplexeur, tampon, amplificateur de signal, oscillateur, convertisseur de niveau) pour faire des mesures de courant sous une excitation dans le domaine du GHz.

Après cette preuve de concept dans la réalisation d'un TIA cryogénique, d'autres améliorations porteront sur l'augmentation de la largeur de bande de l'amplificateur pour des schémas de détection de courant encore plus rapides.


Réalisation du TIA avec le dispositif à mesurer.
a- Carte de circuit avec les connecteurs,
b- support de puce avec le TIA (DUT = puce à point quantique),
c- image SEM du DUT avec le canal de conduction entre les contacts de source et drain dans lequel se forme un îlot quantique sous la grille (cercle).