Experimental study of Si and InGaAs FETs operating at deep cryogenic temperatures
Étude expérimentale de FET Si et InGaAs fonctionnant à des températures cryogéniques profondes
Résumé
This thesis investigates the behavior of Si and InGaAs FETs down to 10 K.The study is born to answer impending question for the design of future quantum computers, particularly for what concerns processing electronics.Within this framework, it is important to remember that processing electronics is needed to work as close as possible to the qubits, at an ambient temperature of a few Kelvin units.Moreover, as this work shows, the noise generated in the device, either due to device-induced mechanism or to self-heating, needs to be maintained crucially low so not to distort the signals of the qubits.Therefore, starting from the standard of an industrial 28nm Si technology, the thesis analyses the effects of deep cryogenic temperatures on this class sof MOSFETs and compares the results with what is already in literature or might still be under present study.Furtheremore, in oreder to separate the effects that are induced by the material (Si in the first case) and the technology, the thesis proceeds to study devices relying on InGaAs.As a first bridge to FDSOI, InGaAs MOSFETs with a buried oxide were studied, already highlighting both differences induced by the different quality of the oxide interface (higher Interface states) and new effects introduced by the new material under study (conduction in the satellite valleys).Finally, with a particular interest for low-noise amplifiers, InGaAs-based high electron mobility transistors were studied.The thesis has worked on both experimental and modelling topics.For what concerns characterization of the studied devices, DC performances, flicker noise, capacitance behaviour, self-heating and conduction in the satellite valleys of InGaAs were the topics under study.Starting from the data and knowledge collected throught the experimental analysis, the thesis also studied the applicabiulity of the Lambert W-function and of the Kubo-Greenwood integral on the 28nm Si FDSOI devices down to deep cryogenic temperature.Finally, this work allowed to understand how each technology can be better suited for different purposes of processing electronics in quantum computers.It moreover grants understanding on how MOSFETs and similar work when brought to cryogenic tenperature, according to both their structure and material.The conduction in the satellite valleys of InGaAs has been a deeply investigated topic and, although the thesis produced very interesting results, it opened up the doors for further research in the future.
Cette thèse étudie le comportement des FET Si et InGaAs jusqu'à 10 K.L'étude est née pour répondre aux questions imminentes concernant la conception des futurs ordinateurs quantiques, en particulier en ce qui concerne l'électronique de traitement.Dans ce cadre, il est important de rappeler que l’électronique de traitement est nécessaire pour travailler au plus près des qubits, à une température ambiante de quelques unités Kelvin.De plus, comme le montre ce travail, le bruit généré dans le dispositif, soit en raison d'un mécanisme induit par le dispositif, soit en raison d'un auto-échauffement, doit être maintenu à un niveau extrêmement bas afin de ne pas déformer les signaux des qubits.Par conséquent, à partir du standard d'une technologie industrielle Si 28 nm, la thèse analyse les effets des températures cryogéniques profondes sur cette classe de MOSFET et compare les résultats avec ce qui existe déjà dans la littérature ou pourrait encore être à l'étude.De plus, afin de séparer les effets induits par le matériau (Si dans le premier cas) et la technologie, la thèse procède à l'étude de dispositifs s'appuyant sur l'InGaAs.Comme premier pont vers le FDSOI, des MOSFET InGaAs avec un oxyde enterré ont été étudiés, mettant déjà en évidence à la fois les différences induites par la qualité différente de l'interface de l'oxyde (états d'interface supérieurs) et les nouveaux effets introduits par le nouveau matériau étudié (conduction dans les vallées satellites). ).Enfin, avec un intérêt particulier pour les amplificateurs à faible bruit, des transistors à haute mobilité électronique à base d'InGaAs ont été étudiés.La thèse a travaillé sur des sujets expérimentaux et de modélisation.En ce qui concerne la caractérisation des dispositifs étudiés, les performances DC, le bruit de scintillement, le comportement des capacités, l'auto-échauffement et la conduction dans les vallées satellites d'InGaAs étaient les sujets étudiés.À partir des données et des connaissances collectées grâce à l'analyse expérimentale, la thèse a également étudié l'applicabilité de la fonction W de Lambert et de l'intégrale de Kubo-Greenwood sur les dispositifs Si FDSOI de 28 nm jusqu'à des températures cryogéniques profondes.Enfin, ce travail a permis de comprendre comment chaque technologie peut être mieux adaptée à différents objectifs de traitement électronique dans les ordinateurs quantiques.Il permet en outre de comprendre comment fonctionnent les MOSFET et similaires lorsqu'ils sont amenés à une température cryogénique, en fonction à la fois de leur structure et de leur matériau.La conduction dans les vallées satellites d'InGaAs a été un sujet profondément étudié et, bien que la thèse ait produit des résultats très intéressants, elle a ouvert la porte à de futures recherches.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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