Imec erreicht das niedrigste Ladungsrauschen für Si-MOS-Quantenpunkte, hergestellt auf einer 300-mm-CMOS-Plattform

Si Spin Qubits, hergestellt mit modernsten 300-mm-Integrationsverfahren. / Si spin qubits manufactured with state-of-the-art 300mm integration flows.

Imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, gab heute die erfolgreiche Demonstration einer hochwertigen 300-mm-Si-basierten Quantenpunkt-Spin-Qubit-Verarbeitung mit Bauelementen bekannt, die zu einem statistisch relevanten durchschnittlichen Ladungsrauschen von 0,6 µeV/√Hz bei 1 Hz führen. In Bezug auf das Rauschverhalten sind die erzielten Werte die niedrigsten Ladungsrauschwerte, die bisher auf einer fab-kompatiblen 300-mm-Plattform erreicht wurden. Solch niedrige Rauschwerte ermöglichen eine hochpräzise Qubit-Steuerung, da die Reduzierung des Rauschens für die Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz und eine hochpräzise Steuerung von entscheidender Bedeutung ist. Durch die wiederholte und reproduzierbare Demonstration dieser Werte in einem 300-mm-Si-MOS-Quantenpunktprozess macht diese Arbeit Quantencomputer in großem Maßstab auf der Basis von Si-Quantenpunkten zu einer realistischen Möglichkeit.

i-Quantenpunkt-Spin-Qubits sind aus zwei wesentlichen Gründen vielversprechende Bausteine für die Realisierung von Quantencomputern in großem Maßstab. Erstens wurden Si-Spin-Qubits mit langen Quanten-Kohärenzzeiten (eine Metrik, die ihre Fähigkeit widerspiegelt, Quanteninformationen über einen langen Zeitraum zu speichern) und hochpräzisen Quanten-Gate-Operationen wiederholt in Laborumgebungen demonstriert und sind daher eine etablierte und getestete Technologie mit sehr realistischen Perspektiven. Zweitens, und möglicherweise noch wichtiger für die langfristige Rentabilität, ist die zugrunde liegende Technologie mit CMOS-Fertigungstechnologien kompatibel und eng mit ihnen verknüpft und bietet somit die Möglichkeit einer auf Wafer-Ebene gleichmäßigen und hohen Ausbeute mit der erforderlichen fortschrittlichen Back-End-of-Line-Verbindung der Si-Quantenpunktstrukturen, die für wirklich großflächige Quantenchips mit Millionen oder sogar Milliarden von Quantenbits, die synchron arbeiten, erforderlich sind.

Es gibt verschiedene Arten von Si-Quantenpunkt-Spin-Qubits, die bei imec erforscht werden. In dieser Arbeit wurden die Quantenpunkt-Spin-Qubits durch Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunktstrukturen (MOS) definiert, die modifizierten Transistorstrukturen ähneln und einen einzelnen Spin eines Elektrons oder eines Lochs einfangen. Um lange Quanten-Kohärenzzeiten zu erreichen, sollte das Rauschen und insbesondere das Ladungsrauschen des Quantenpunkts so gering wie möglich sein. Dieses Rauschen entsteht im Allgemeinen durch Restladungen, die in der Nähe oder sogar im Quantenpunkt eingeschlossen sind. Die Beseitigung dieser Restladungen ist der Schlüssel zur Steigerung der Leistung der Spin-Qubits. Letztendlich wird dies durch den gesamten Verarbeitungsprozess der Quantenpunkt-Qubit-Struktur bestimmt, da alle dort auftretenden Defekte minimiert werden müssen. Dies kann zwar durch Labortechniken wie sehr schonende „Lift-off”-Verfahren erreicht werden, die die Prozessschäden reduzieren, doch haben sich industrielle Fertigungstechniken wie subtraktive Ätzung und lithografiebasierte Strukturierung als problematisch erwiesen, da sie leicht zu einer Verschlechterung der Bauelement- und Schnittstellenqualität führen, insbesondere an der Si/SiO2-Schnittstelle in der Nähe der Quantenpunkt-Qubits. Daher ist das Ladungsrauschen von Quantenpunktstrukturen auf Si/SiO2-Basis, die in professionellen Fertigungsanlagen hergestellt werden, in der Regel höher als die Werte, die bei der Herstellung im Labor erzielt werden.

Durch sorgfältige Optimierung und technisches Design des 300-mm-Si/SiO2-basierten MOS-Gate-Stacks erreichte imec einen rekordverdächtigen durchschnittlichen Ladungsrauschpegel von nur 0,6 µeV/√Hz (bei 1 Hz) über 300-mm-Wafer, der mit statistischen Methoden charakterisiert wurde. Kristiaan De Greve, imec Fellow und Programmdirektor für Quantencomputer bei imec: „Wir haben Ladungsrauschpegel nachgewiesen, die je nach Quelle um eine halbe bis ganze Größenordnung niedriger sind als bei den derzeit modernsten fabbasierten Si-Quantenpunktstrukturen, und einen bemerkenswert gleichmäßigen Betrieb der Quantenpunkte erreicht. Unsere Ergebnisse bestätigen, dass 300-mm-Si-MOS eine überzeugende Materialplattform für Quantenpunkt-Spin-Qubits ist, und unterstreichen die Reife der industriellen Fertigungstechniken für die Qubit-Entwicklung.“

Darüber hinaus lieferten die statistischen Analysemethoden, die zur Charakterisierung der Bauelemente mit geringem Ladungsrauschen verwendet wurden, grundlegende Erkenntnisse über deren Ursprung. „Wenn wir die Ursache des Ladungsrauschens kennen, können wir die Quantenpunktstrukturen weiter optimieren“, fügt De Greve hinzu. „Die rauscharme Qubit-Umgebung und die nachgewiesene Einheitlichkeit der CMOS-Fertigung sind nur der Anfang einer Reihe von Entwicklungen, die die Technologie für die Aufrüstung von Quantenchips hin zu einem praktischen Quantencomputing ermöglichen, das nach heutigem Verständnis Millionen physischer Qubits erfordern wird.“

Die oben genannten Ergebnisse wurden in folgendem Artikel veröffentlicht: https://www.nature.com/articles/s41534-024-00864-3