Imec bereikt het laagste ladingsruis voor Si-MOS-quantumpunten, vervaardigd op een 300-mm-CMOS-platform

Si spin-qubits, vervaardigd met geavanceerde 300-mm-integratietechnieken. / Si spin-qubits manufactured with state-of-the-art 300mm integration flows.

Imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, kondigde vandaag de succesvolle demonstratie aan van een hoogwaardige 300-mm op Si gebaseerde quantumdot-spin-qubit verwerking met componenten die leiden tot een statistisch significant gemiddeld ladingsruis van 0,6 µeV/√Hz bij 1 Hz. Wat betreft het ruisgedrag zijn de behaalde waarden de laagste ladingsruiswaarden die tot nu toe op een fabriekscompatibele 300-mm-platform zijn bereikt. Zulke lage ruiswaarden maken een zeer precieze Qubit-besturing mogelijk, omdat het verminderen van het ruisniveau essentieel is voor het behoud van quantumcoherentie en een nauwkeurige controle. Door herhaalde en reproduceerbare demonstraties van deze waarden op een 300-mm Si-MOS quantumdotproces, maakt dit werk grootschalige quantumcomputers op basis van Si-quantumdots een realistische mogelijkheid.

i-Quantumdot-spin-qubits zijn om twee belangrijke redenen veelbelovende bouwstenen voor de realisatie van grootschalige quantumcomputers. Ten eerste zijn Si-spin-qubits met lange quantumcoherentie-tijden (een maat voor hun vermogen om quantuminformatie over een lange periode op te slaan) en hoge precisie quantum-gate-operaties herhaaldelijk gedemonstreerd in laboratoriumomgevingen en vormen ze daarom een gevestigde en geteste technologie met zeer realistische perspectieven. Ten tweede, en mogelijk nog belangrijker voor de lange termijn rendabiliteit, is de onderliggende technologie compatibel met CMOS-fabricagetechnologieën en nauw verbonden met hen, waardoor een uniforme en hoge opbrengst op wafer-niveau mogelijk is met de benodigde geavanceerde Back-End-of-Line-verbindingen van de Si-quantumdotstructuren, die nodig zijn voor echt grootschalige quantumchips met miljoenen of zelfs miljarden quantumbits die synchroon werken.

Er zijn verschillende soorten Si-quantumdot-spin-qubits die bij imec worden onderzocht. In dit werk werden de quantumdot-spin-qubits gedefinieerd door metalloxide-halfgeleider-quantumdotstructuren (MOS), die vergelijkbaar zijn met gewijzigde transistorstructuren en een enkele spin van een elektron of een gat vangen. Om lange quantumcoherentie-tijden te bereiken, moet het ruisniveau, en vooral het ladingsruis van de quantumdot, zo laag mogelijk zijn. Dit ruis ontstaat over het algemeen door restladingen die in de buurt of zelfs in de quantumdot gevangen zitten. Het verwijderen van deze restladingen is de sleutel tot het verbeteren van de prestaties van de spin-qubits. Uiteindelijk wordt dit bepaald door het volledige fabricageproces van de quantumdot-qubitstructuur, omdat alle defecten die zich daar voordoen, geminimaliseerd moeten worden. Dit kan wel worden bereikt door laboratoriumtechnieken zoals zeer zachte ‘Lift-off’-methoden, die de processchade verminderen, maar industriële fabricagetechnieken zoals subtractieve etsing en lithografiebasierte structuurvorming blijken problematisch te zijn, omdat ze gemakkelijk kunnen leiden tot verslechtering van de componenten- en interfacekwaliteit, vooral bij de Si/SiO2-interface nabij de quantumdot-qubits. Daarom is het ladingsruis van op Si/SiO2 gebaseerde quantumdotstructuren die in professionele fabricagefaciliteiten worden vervaardigd doorgaans hoger dan de waarden die in het laboratorium worden bereikt.

Door zorgvuldige optimalisatie en technische ontwerp van de 300-mm Si/SiO2-gebaseerde MOS-poortstapels heeft imec een recordhoog niveau van gemiddeld ladingsruis van slechts 0,6 µeV/√Hz (bij 1 Hz) bereikt over 300-mm-wafers, gekarakteriseerd met statistische methoden. Kristiaan De Greve, imec Fellow en programmamanager voor quantumcomputers bij imec: “We hebben ladingsruisniveaus aangetoond die afhankelijk van de bron tot een halve tot een volledige orde van grootte lager zijn dan die bij de meest geavanceerde fabrieksgeproduceerde Si-quantumdotstructuren, en een opmerkelijk gelijkmatige werking van de quantumdots bereikt. Onze resultaten bevestigen dat 300-mm Si-MOS een overtuigende materiaalklasse is voor quantumdot-spin-qubits, en onderstrepen de volwassenheid van industriële fabricagetechnieken voor de ontwikkeling van qubits.”

Bovendien leverden de statistische analysemethoden die werden gebruikt voor de karakterisering van de componenten met laag ladingsruis, fundamentele inzichten in de oorsprong ervan. “Als we de oorzaak van het ladingsruis kennen, kunnen we de quantumdotstructuren verder optimaliseren,” voegt De Greve toe. “De ruisarme omgeving van de qubit en de bewezen uniformiteit van de CMOS-fabricage zijn slechts het begin van een reeks ontwikkelingen die de technologie mogelijk maken voor de upgrade van quantumchips naar een praktisch quantumcomputing, dat volgens het huidige begrip miljoenen fysieke qubits zal vereisen.”

De bovengenoemde resultaten zijn gepubliceerd in het volgende artikel: https://www.nature.com/articles/s41534-024-00864-3