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.