Kryogenní On-Wafer-Prober určuje kvalitu Qubitových prvků pro kvantové výpočty a kvantové senzory

Kryogenní on-wafer prober v Fraunhofer IAF umožňuje plně automatickou charakterizaci až 25 celých 200mm nebo 300mm waferů s prvky pro kvantové počítače. © Fraunhofer IAF / Kryogenní on-wafer prober v Fraunhofer IAF umožňuje plně automatické charakterizace až 25 celých 200mm nebo 300mm waferů s zařízeními pro kvantové výpočty a senzory. © Fraunhofer IAF

Pohled do hlavní komory s 200mm waferem uprostřed na chucku, který je poháněn pod zkušební kartou. Systém testuje wafer z projektu »QUASAR«, ve kterém výzkumníci vyvíjejí jednofelektronové tranzistory (SET) založené na křemíkových kvantových vrstvách, které mají být použity jako zařízení pro spinové kvantové bity. © Fraunhofer IAF / Pohled do hlavní komory s 200mm waferem uprostřed na chucku, který je poháněn pod zkušební kartou. Systém testuje wafer z projektu QUASAR, ve kterém výzkumníci vyvíjejí jednofelektronové tranzistory (SET) založené na křemíkových kvantových vrstvách, které mají být použity jako zařízení pro spinové kvantové bity. © Fraunhofer IAF

1-K-kriose s vedenými linkami pro měření stejnosměrného a vysokofrekvenčního proudu. © Fraunhofer IAF / 1 K kryostat s vedenými linkami pro měření stejnosměrného proudu a vysokofrekvenčního signálu. © Fraunhofer IAF

První kryogenní zařízení v Německu pro statistické měření kvality Qubitových součástek na celých 200- a 300mm waferech začalo pracovat na Fraunhofer IAF. On-Wafer-Prober dokáže charakterizovat součástky založené na polovodičových kvantových bodech a kvantových vrcholech, stejně jako supravodiče při mezních teplotách pod 2 K. Díky plně automatickému provozu mohou výzkumníci vytvářet kvantitativně relevantní datovou základnu a posunout průmyslovou výrobu vysoce kvalitních součástek pro kvantové počítače a kvantové senzory v Evropě.

S nově uvedeným kryogenním on-Wafer-Proberem si výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro aplikovanou pevnolátkovou fyziku IAF přejí lépe porozumět fungování kvantových součástek založených na polovodičových kvantových bodech a kvantových vrcholech, stejně jako supravodičů. Přístroj dokáže plně automaticky charakterizovat wafery v průmyslových velikostech (200 mm a 300 mm) a vysokých sériích (až 25 waferů za sebou) při nejnižších teplotách pod 2 K (−271,15 °C).

Získaná data výrazně snižují závislost na náhodných shodách, které jsou typické pro jednotlivé měření. Tímto způsobem přispívá zvýšení měřicích kapacit na institutu k spolehlivé výrobě vysoce kvalitních qubitů, které mohou být použity v kvantových počítačích a kvantových senzorech.

V době uvedení do provozu je toto zařízení na celosvětové úrovni páté svého druhu, v Evropě druhé a v Německu první. Spolkový ministr školství a výzkumu (BMBF) financoval nákup a uvedení do provozu tohoto waferového proberu v rámci projektu „KryoproPlus – zajištění a ověření kryogenního on-Wafer-Proberu“.

Budování know-how pro průmyslovou výrobu kvantových qubitů

„Díky on-Wafer-Proberu získáváme v Německu jedinečné nové schopnosti v kryogenní charakterizaci,“ zdůrazňuje prof. Dr. Rüdiger Quay, koordinátor projektu „KryoproPlus“ a dočasný ředitel institutu Fraunhofer IAF. „S jeho pomocí podpoříme naše partnery z výzkumu a průmyslu při budování evropského dodavatelského řetězce pro materiály a výrobní procesy pro pevnolátkové qubity. Tím můžeme přispět k technologické suverenitě Německa a Evropy,“ předvídá Quay.

„Waferový prober nám poprvé poskytuje statisticky relevantní množství dat, která nám umožní systematicky optimalizovat a škálovat výrobu kvantových součástek pro formování qubitů,“ vysvětluje Nikola Komerički, který dohlíží na projekt „KryoproPlus“ v rámci své disertační práce na charakterizaci kvantových komponent pro výpočetní techniku. Komerički koordinoval instalaci a uvedení zařízení do provozu a již provádí první měření.

„Chceme lépe pochopit, jak dosáhnout kvalitních, homogenních qubitů, aby bylo možné umožnit škálování a průmyslovou výrobu qubitů v Německu a Evropě,“ doplňuje Komerički. „K tomu je nutné rozšířit pohled z kvalitativního na kvantitativní a statistickou perspektivu chování součástek.“

Lepsí data díky automatizovanému měření celých waferů 200 mm a 300 mm při teplotách pod 2 K

Qubity založené na polovodičových kvantových bodech a kvantových vrcholech, stejně jako supravodiče, fungují při teplotách blízkých absolutní nule (−273,15 °C), protože minimalizují rušivé vlivy okolí, aktivují supravodivost a umožňují formování a propletení qubitů. Pro testování, optimalizaci a škálování qubitů je tedy klíčové, aby byly co nejvíce charakterizovány při provozní teplotě a aby byla zaznamenána statisticky vyhodnotitelná množina měřicích dat.

Kryogenní on-Wafer-Prober tuto mezeru v charakterizaci uzavírá. Automatizované měření celých waferů 200 mm a 300 mm při teplotách pod 2 K s krátkou přestávkou mezi měřeními zvyšuje dostupná data mnohonásobně. Díky nim mají výzkumníci a inženýři potřebnou základnu pro cílené zlepšování součástek pro formování qubitů a zvýšení jejich škálovatelnosti.

Charakterizace kvantových součástek v projektech „MATQu“, „QUASAR“ a „QLSI“

Úplným uvedením do provozu je projekt „KryoproPlus“ ukončen. Přístroj již poprvé použili v rámci projektů „MATQu – Materiály pro kvantové výpočty“, „QUASAR – Polovodičový kvantový procesor s škálovatelnou architekturou na základě shuttlingu“ a „QLSI – Velkoplošná kvantová integrace s křemíkem“.

Pro „MATQu“ Komerički charakterizuje a analyzuje (niobové) Josephsonovy kontakty, které představují součástky pro transmonové qubity. Pro „QUASAR“ a „QLSI“ následuje charakterizace polem ovládaných tranzistorů (FET) pro jednoprvkové elektronové tranzistory (SET) založené na křemíkových kvantových bodech a následná analýza SETů, které slouží jako součástky pro spinové qubity.