Kryogener On-Wafer-Prober bepaalt de kwaliteit van Qubit-componenten voor quantumcomputing en kwantumsensoriek

De cryogene on-wafer-prober bij Fraunhofer IAF karakteriseert volledig automatisch tot 25 volledige 200-mm of 300-mm wafers met apparaten voor kwantumcomputing en -sensoren. © Fraunhofer IAF / De cryogene on-wafer-prober bij Fraunhofer IAF maakt volledig automatische karakterisaties mogelijk van tot wel 25 volledige 200-mm of 300-mm wafers met apparaten voor kwantumcomputing en -sensoren. © Fraunhofer IAF

Inzicht in de hoofdkamer met een 200-mm wafer in het midden op de chuck, die onder de proefkaart wordt bewogen. Het systeem test een wafer uit het QUASAR-project, waarin onderzoekers enkel-elektronentransistors (SETs) ontwikkelen op basis van silicium-kwantumputten die als component voor spin-qubits moeten worden gebruikt. © Fraunhofer IAF / View into the main chamber with a 200-mm wafer in the center on the chuck which is moved under the probe card. The system is testing a wafer from the QUASAR project, in which researchers are developing single-electron transistors (SETs) based on silicon quantum wells to be used as a device for spin qubits. © Fraunhofer IAF

1-K-Kryostat mit durchgeführten Leitungen für Gleichstrom- und Hochfrequenz-Messungen. © Fraunhofer IAF / 1 K cryostat with conducted lines for direct current and high-frequency measurements. © Fraunhofer IAF

De eerste cryogene installatie in Duitsland voor statistische kwaliteitsmeting van Qubit-componenten op volledige 200- en 300-mm-wafers is in gebruik genomen bij het Fraunhofer IAF. De on-wafers-prober kan componenten op basis van halfgeleider-kwantumpunten en -kwantentoppen, evenals supergeleiders bij messtemperaturen onder 2 K, karakteriseren. Door de volledig automatische werking kunnen onderzoekers een kwantitatief relevante gegevensbasis opbouwen en de industriële productie van hoogwaardige componenten voor kwantumcomputing en kwantumsensoriek in Europa bevorderen.

Met de nieuw in gebruik genomen cryogene on-wafers-prober willen onderzoekers van het Fraunhofer-instituut voor Toegepaste Vastestoffysica IAF de werking van kwantumcomponenten beter begrijpen, die gebaseerd zijn op halfgeleider-kwantumpunten en -kwantentoppen, evenals supergeleiders. Het apparaat kan wafers in industriële maten (200 mm en 300 mm) en hoge aantallen (tot 25 wafers achtereenvolgens) volledig automatisch bij extreem lage temperaturen onder 2 K (−271,15 °C) karakteriseren.

De verkregen gegevens verminderen de afhankelijkheid van toevalstreffers, zoals kenmerkend is voor enkelvoudige metingen, aanzienlijk. Op deze manier draagt de verhoging van de meetcapaciteit van het instituut bij aan de betrouwbare productie van kwalitatief hoogwaardige qubits, die in kwantumcomputers en kwantumsensoren kunnen worden ingezet.

Op het moment van ingebruikname is de installatie wereldwijd de vijfde, in Europa de tweede en in Duitsland de eerste van zijn soort. Het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) heeft de aanschaf en ingebruikname van de wafer-prober gefinancierd in het kader van het project »KryoproPlus – Levering en verificatie van een cryogene on-wafers-prober«.

Knowhow opbouwen voor de industriële productie van Qubits

»Door de on-wafers-prober verkrijgen we landelijke unieke nieuwe vaardigheden in cryogene karakterisering«, benadrukt Prof. Dr. Rüdiger Quay, »KryoproPlus«-projectcoördinator en waarnemend directeur van het Fraunhofer IAF. »Met deze technologie zullen we onze partners uit onderzoek en industrie ondersteunen bij het opbouwen van een Europese toeleveringsketen voor materialen en productieprocessen voor vaste-stoffer-Qubits. Zo kunnen we een belangrijke bijdrage leveren aan de technologische soevereiniteit van Duitsland en Europa«, kijkt Quay vooruit.

»De wafer-prober verschaft ons voor het eerst statistisch relevante gegevens, waarmee we de productie van Qubit-componenten systematisch kunnen optimaliseren en opschalen«, legt Nikola Komerički uit, die het »KryoproPlus«-project begeleidt in het kader van zijn promotie over de karakterisering van kwantumcomputing-componenten. Komerički heeft de installatie en ingebruikname van de installatie gecoördineerd en voert al eerste metingen uit.

»We willen beter begrijpen hoe we goede, homogene qubits kunnen verkrijgen, om de schaalvergroting en industriële productie van qubits in Duitsland en Europa mogelijk te maken«, voegt Komerički toe. »Daarvoor is het nodig om de kwalitatieve blik uit te breiden met een kwantitatief, statistisch perspectief op het gedrag van de componenten.«

Betere gegevens door geautomatiseerde meting van volledige 200-mm- en 300-mm-wafers bij temperaturen onder 2 K

Qubits op basis van halfgeleider-kwantumpunten en -kwantentoppen, evenals supergeleiders, werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (−273,15 °C), omdat deze de storingsinvloeden van de omgeving minimaliseren, supergeleiding activeren en zo de vorming en verstrengeling van de qubits mogelijk maken. Voor het testen, optimaliseren en opschalen van qubits is het daarom van essentieel belang dat ze bij hun bedrijfstemperatuur worden gekarakteriseerd en dat een statistisch waardeerbare hoeveelheid meetgegevens wordt verzameld.

De cryogene on-wafers-prober vult deze karakteriseringsgaten op. De geautomatiseerde meting van volledige 200-mm- en 300-mm-wafers bij temperaturen onder 2 K met korte wisseltijden verhoogt de hoeveelheid beschikbare gegevens exponentieel. Hiermee beschikken onderzoekers en ingenieurs over de benodigde basis om gerichte verbeteringen aan componenten voor de vorming van qubits door te voeren en de schaalbaarheid te vergroten.

Karakterisering van Qubit-componenten in de projecten »MATQu«, »QUASAR« en »QLSI«

Door de volledige ingebruikname van de wafer-prober is het project »KryoproPlus« afgerond. De eerste toepassingen heeft de installatie binnen de projecten »MATQu – Materialen voor het kwantumcomputing«, »QUASAR – Halfgeleider-kwantumprocessor met shuttling-gebaseerde schaalbare architectuur« en »QLSI – Grootschalige kwantumintegratie met silicium«.

Voor »MATQu« karakteriseert en analyseert Komerički (Niobium-)Josephson-contacten, die componenten vormen voor Transmon-qubits. Voor »QUASAR« en »QLSI« worden karakteriseringen uitgevoerd van veld-effecttransistors (FETs) voor enkelvoudige-elektronentransistors (SETs) gebaseerd op silicium-kwantentoppen en vervolgens van SETs, die dienen als componenten voor spin-qubits.