Mesures résonantes des propriétés hautes fréquences du silicium supraconducteur ultra-dopé au bore par laser

Bien que ce soit l'un des elements les plus etudies, le caractere supraconducteur du silicium n'a ete revele qu'en 2006, a cause du fort dopage en bore necessaire a son apparition. Seul un dopage ultra rapide par laser permet d'atteindre ces concentrations hors equilibre en bore, allant de 1 a 10%. Les temperatures de transition sont ajustables avec la quantite de dopants jusqu'a 0.7 K, avec des applications dans le spatial en particulier deja envisagees. Les multiples interets du silicium supraconducteur sont egalement accentues par la caracteristique pratique essentielle qui reste la compatibilite du materiau avec les technologies de la microelectronique. D'un point de vue fondamental, c'est un supraconducteur classique, a faible nombre de porteurs (trous associes en paires de Cooper) posant pourtant des questions de fond (separation de la transition metal-isolant de la transition supraconductrice, supraconductivite obtenue seulement avec un dopage en bore, ...). Mais c'est aussi un systeme tres singulier permettant de juxtaposer aisement dans un meme monocristal des zones semiconductrices, metalliques et supraconductrices avec des interfaces spontanement exemptes de barrieres Schottky, si contraignantes dans les systemes assembles habituels. Ces possibilites de jonctions hybrides, associees aux particularites du dopage laser, facilitent la conception et la realisation de configurations originales. Par ailleurs, ce materiau hors equilibre presente des proprietes mecaniques, electriques, photoniques inhabituelles, mal connues et largement sous-exploitees d'autant qu'elles sont facilement ajustables grâce a la souplesse de l'elaboration par traitement laser (concentration, epaisseur, ajout d'atomes differents) ainsi qu'aux possibilites du post-traitement en salle blanche pour la realisation de dispositifs tres varies. L'equipe EPLA de l'IEF est pour l'instant la seule a maitriser l'ensemble de l'elaboration du materiau. Son action s'etend des aspects fondamentaux lies au materiau jusqu'aux dispositifs electroniques supraconducteurs tout silicium. La these s'inscrira donc dans une problematique d'etudes fondamentales mais avec pour objectif la conception et la mise en œuvre a terme de resonateurs micro-ondes supraconducteurs en silicium. La fabrication de ces resonateurs, et l'etude a haute frequence du silicium supraconducteur, profiteront de la versatilite de la technique de dopage laser. En fait, on pourra varier la Tc des resonateurs avec la dose de dopants, atteindre une haute resistivite (jusqu'a 400 µOhm cm) controlee, elle, par la concentration de dopants, et varier l'epaisseur independamment avec l'energie des pulses laser. Les etudes preliminaires ont montre que le Si:B est un materiau potentiellement interessant pour le developpement de detecteurs astronomiques a inductance cinetique (KIDs). En fait, sa forte inductance cinetique, liee a la faible densite de porteurs (tres inferieure a celle d'un supraconducteur metallique), constitue un atout pour la sensibilite de detection. De plus, en jouant sur l'epaisseur et le dopage, il devrait etre possible d'un cote, d'adapter la resistance du KID a l'impedance du vide pour maximiser l'absorption des photons, et de l'autre, d'adapter sa Tc aux conditions de mesure de la detection astronomique (T environ 100 mK). Pendant la these, le doctorant realisera des echantillons de Si dope en B par dopage laser (Gas Immersion Laser Doping) dans le groupe EPLA. Il profitera ensuite des moyens techniques de nanofabrication de la Centrale Technologique Universitaire presente a l'IEF pour concevoir des micro et nano dispositifs a base de Si supraconducteur. Notamment, le design sera realise par lithographie electronique/ laser, gravure reactive/ chimique, et caracterisation par microscopie electronique. La caracterisation optique inclura des mesures de diffraction de rayons X et de spectroscopie IR. Finalement, les mesures de transport electrique a basse temperature seront realisees dans la plateforme commune de mesures mesoscopiques au LPS, Orsay et en collaboration avec l'equipe Detecteurs Cryogeniques du CSNSM, a l'Universite Paris Sud. Ces mesures seront correlees aux resultats d'une modelisation electromagnetique pour une meilleure comprehension des performances du resonateur. Les donnees seront traitees et comparees aux modeles theoriques existants, tandis que de nouveaux modeles seront developpes par des partenaires.