Conception et fabrication de composants en diamant à haute mobilité pour l'électronique quantique // Design and fabrication of high-mobility diamond components for quantum electronics

Le diamant est un matériau aux propriétés exceptionnelles, idéal pour l'électronique de puissance, les détecteurs ou encore l'information quantique. Grâce à une technique innovante, le Time of Flight Electron Beam Induced Current (ToF-EBIC), développée à l'Institut Néel en collaboration avec le LPSC, il est désormais possible de mesurer la mobilité des porteurs de charge dans du diamant ultra-pur. Une avancée majeure a été réalisée : une mobilité des trous dépassant 10⁶ cm².V⁻¹.s⁻¹ à 13 K, la plus élevée jamais observée dans un semi-conducteur massif, prouvant que le diamant peut supporter un transport balistique à l'échelle micrométrique. De plus, l'équipe a reproduit pour la première fois des mesures de transport d'électrons valley-polarized, initialement démontrées par l'Université d'Uppsala.

Depuis 2024, des améliorations ont été apportées à cette technique dans le domaine de la détection, de la cryogénie permettant des mesures sur différents types d'échantillons.
Cette thèse vise à exploiter ces avancées pour explorer de nouveaux phénomènes, inaccessibles jusqu'à présent. La première partie consistera à évaluer des substrats de diamant issus de différentes sources afin d'identifier les plus performants. La seconde partie portera sur la fabrication de membranes de quelques micromètres d'épaisseur, en collaboration avec le LPSC, qui seront analysées par ToF-EBIC.
Deux pistes seront explorées pour la conception de composants quantiques :
1. Transport balistique de trous : En atteignant des températures proches de 2 K, l'objectif est d'obtenir des mobilités de trous de 10⁷ à 10⁸ cm².V⁻¹.s⁻¹, permettant un transport cohérent sur des membranes fines. Des centres NV pourraient être intégrés pour transporter de l'information quantique via des trous balistiques.
2. Composants valleytroniques : À 80 K, en exploitant la polarisation en vallée des électrons dans le diamant.

Le choix entre ces deux options sera fait en fin de première année, en fonction des progrès réalisés dans le cadre d'un projet parallèle, dont l'Institut Néel est partenaire.
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Diamond is a material with exceptional properties, making it ideal for power electronics, detectors, and quantum information applications. Thanks to an innovative technique, Time of Flight Electron Beam Induced Current (ToF-EBIC), developed at the Institut Néel in collaboration with LPSC, it is now possible to measure the charge carrier mobility in ultra-pure diamond.
A major breakthrough has been achieved: hole mobility exceeding 10⁶ cm²·V⁻¹·s⁻¹ at 13 K, the highest ever observed in a bulk semiconductor, proving that diamond can support ballistic transport at the micrometer scale. Furthermore, the team has, for the first time, replicated measurements of valley-polarized electron transport, initially demonstrated by Uppsala University.
Since 2024, improvements have been made to this technique in the fields of detection and cryogenics, enabling measurements on various types of samples.
This PhD thesis aims to leverage these advancements to explore new phenomena, previously inaccessible. The first part will involve evaluating diamond substrates from different sources to identify the most high-performing ones. The second part will focus on fabricating membranes a few micrometers thick, in collaboration with LPSC, which will be analyzed using ToF-EBIC.
Two avenues will be explored for the design of quantum components:

1. Ballistic hole transport: By reaching temperatures close to 2 K, the goal is to achieve hole mobilities of 10⁷ to 10⁸ cm²·V⁻¹·s⁻¹, enabling coherent transport in thin membranes. NV centers could be integrated to carry quantum information via ballistic holes.

2. Valleytronic components: At 80 K, by exploiting the valley polarization of electrons in diamond.

The choice between these two options will be made at the end of the first year, depending on the progress achieved within a parallel project, in which the Institut Néel is a partner.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Composant électronique, Physique des semiconducteurs, Electronique quantique, Transport électronique dans les solides, Instrumentation pour la détection électronique, Notions de cryogénie, Fabrication salle blanche.
Electronic component, Semiconductor physics, Quantum electronics, Electron transport in solids, Instrumentation for electronic detection, Fundamentals of cryogenics, Cleanroom fabrication.