Le C2N, en collaboration avec le CEA et le CEA/LETI à Grenoble, ainsi que le Center For Energy Research à Budapest (Hongrie) a demontré la supraconductivité dans des couches minces de silicium sur isolant (SOI) réalisées par recuit laser nanoseconde sous ultra-vide. Ce procédé, compatible avec la micro-électronique grande échelle, a été appliqué sur des plaques de 300mm de SOI d'épaisseur 33 nm fortement implanté au B. La température critique Tc=0.5 K, à l'état de l'art, a été obtenue grâce à la compréhension et optimisation des propriétés électriques et structurales des couches recuites en relation à l'énergie laser et au nombre de recuits successifs. Ces travaux, publiés dans APL Materials (2024), ouvrent la voie à l'intégration de Silicium supraconducteur en microélectronique.
Des épilayers monocristallins minces (33 nm) de silicium sur isolant supraconducteur sont obtenus par recuit laser nanoseconde sous ultra-haut vide. Ce procédé est compatible avec la microélectronique à grande échelle et est réalisé sur des plaques de 300 mm préimplantées de bore à haute concentration (2,5 × 10¹⁶ cm⁻², 3 keV).
La supraconductivité est étudiée en lien avec les propriétés structurales, électriques et matérielles, représentant une étape vers l'intégration du silicium supraconducteur ultra-dopé. En particulier, l’effet de l’énergie du recuit laser nanoseconde et l’impact de recuits multiples sont mis en évidence. Une augmentation de l’énergie du laser entraîne une croissance linéaire de l'épaisseur de la couche et une élévation de la température critique de transition supraconductrice Tc, passant de zéro (< 35 mK) à 0,5 K. Cette valeur est comparable à celle des couches de silicium supraconductrices obtenues par dopage laser en immersion gazeuse, où les dopants sont incorporés sans introduire les défauts profonds associés à l’implantation ionique.
La supraconductivité n’apparaît que lorsque la profondeur de recuit dépasse l’épaisseur initiale de la couche amorphe induite par l’implantation de bore. Des recuits successifs permettent un dopage plus homogène, une réduction des défauts structurels et une augmentation de la conductivité. L’analyse quantitative de Tc met en évidence une structure bicouche supraconductrice/non supraconductrice avec une interface de résistance extrêmement faible, ouvrant ainsi la voie à un couplage efficace entre le silicium supraconducteur et les canaux en silicium.
Références
Nanosecond laser annealing: Impact on superconducting silicon on insulator monocrystalline epilayers
Y. Baron1, J. L. Lábár2, S. Lequien3, B. Pécz2, R. Daubriac4, S. Kerdilès4, P. Acosta Alba4, C. Marcenat5, D. Débarre1, F. Lefloch5, F. Chiodi1
APL Mater. 12, 121101 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0231177
Affiliations
1CNRS, University Paris-Saclay, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, 91120 Palaiseau, France
2Thin Film Physics Laboratory, Institute of Technical Physics and Materials Science, Centre of Energy Research, Konkoly Thege M. u. 29-33, H-1121 Budapest, Hungary
3University Grenoble Alpes, CEA, IRIG-MEM, 38000 Grenoble, France
4University Grenoble Alpes, CEA, LETI, Minatec Campus, 38000 Grenoble, France
5University Grenoble Alpes, CEA, Grenoble INP, IRIG-PHELIQS, 38000 Grenoble, France
Figure : Graphique combiné de la réflectométrie résolue en temps (TRR) et de la température critique supraconductrice Tc en fonction de la densité d’énergie laser EL.
La ligne pointillée à EL=450 mJ/cm² marque la transition d’une couche dopée au bore polycristalline à une épilayer cristalline.
La ligne pointillée à EL=560 mJ/cm2, où Rsq diverge, correspond à la fusion complète de la couche initiale de silicium sur isolant lorsque le recuit atteint la couche amorphe de SiO₂ (BOX). L’échelle de couleur du tracé TRR correspond à l’amplitude mesurée de la TRR, allant de 0,75 RSI (bleu foncé) à 2,26 RSI (rouge). Cette échelle reflète la structure de la couche : Vert : amorphe, Bleu clair : polycristallin, Bleu foncé : monocristallin, Rouge : liquide. L’impulsion laser débute à t=10 ns.
Contact C2N : Francesca Chiodi
