Technological improvements of silicon based quantum devices for a scalable qubit architecture

Klos, Jan; Bluhm, Jörg (Thesis advisor); Knoch, Joachim (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Gatter-definierte Elektronenspin-Quantenbits, die in einem Substrat auf Siliziumbasis lokalisiert sind, stellen eine ausgezeichnete Plattform für skalierbare Quantencomputersysteme mit hervorragenden Qubit-Leistungsmerkmalen wie langen Kohärenzzeiten und hohen Manipulationsfidelitäten dar. Lokalisierte Elektronen interagieren jedoch ständig mit dem Halbleiter-Wirtskristall und dessen geladenen Defekten und Unvollkommenheiten. Daher sind technologische Verbesserungen notwendig, um eine skalierbare Qubit-Architektur zu gewährleisten. In dieser Arbeit werden dominante Quellen elektrostatischer Potenzialunordnung identifiziert und genutzt, um technologische Anforderungen für Verbesserungen zu definieren. Auf der Grundlage elektrostatischer Simulationen repräsentativer Quantenbauelemente wurde festgestellt, dass geladene Defekte in den dielektrischen Schichten unterhalb der Metall- Gatter-Struktur einen dominierenden Einfluss auf die Potenziallandschaft um die Qubits haben. Daraus werden drei Aspekte für technologische Verbesserungen abgeleitet und in dieser Arbeit genauer untersucht: (1) die Notwendigkeit einer einlagigen Gatter-Struktur mit hoher Dichte, hoher Prozessausbeute und Gatter-Breite von unter 50 nm, (2) die Minimierung geladener Defekte innerhalb der dielektrischen Schichten und (3) die Quantifizierung des Sub- Nanometer-Einflusses der Quantenchip-Fertigung auf die lokalisierenden Grenzflächen einer Si/SiGe-Heterostruktur. Zunächst wird ein neuartiger Ansatz zur Herstellung von Gatter-Strukturen auf der Basis von Spacer-Strukturen in einer akademischen Reinraumumgebung entwickelt und zur Herstellung von einlagigen Gatter-Strukturen für Doppel-Quantenpunkt-Bauelemente mit Metall-Gatter- Breiten zwischen 25 nm und 50 nm und SiO2-Isolationsdicken zwischen 12 nm und 25 nm verwendet. Der Ansatz ist mit industriellen CMOS-Halbleiterfertigungslinien kompatibel und ermöglicht eine hohe Ausbeute und geringe Variabilität. Die elektrische Charakterisierung bei kryogenen Temperaturen zeigt geeignete Metall-Gatter-Leitfähigkeiten, deutet aber daraufhin Gatter-Designs auf lineare Gatterstrukturen zu beschränken. Zweitens wird der dielektrische Materialstapel mittels Impedanzspektroskopie von MOS- Kondensatoren bei Raumtemperatur hinsichtlich der Konzentration von Ladungsdefekten optimiert. Minimale Konzentrationen von Ladungsdefekten in der dielektrischen Schicht von (1,3 ± 0,9) ⋅ 1E11 cm-2 und an Grenzflächen von (3,9 ± 1,0) ⋅ 1E10 eV-1cm-2 für einen Materialstapel bestehend aus 5,2 nm CVD SiO2 und 20 nm ALD Al2O3 gemessen. Die an der SiO2/Si-Grenzfläche gemessene Potenzialvariation beträgt nur (57 ± 3) meV. Es wurde kein systematischer Vorteil für höhere dielektrische Qualitäten für unterschiedliche Abscheidungsprozesse und Materialquellen beobachtet. Drittens wird eine dem Stand der Technik entsprechende MBE-gewachsene isotopenreinen 28Si/Si0,7Ge0,3-Heterostruktur mit HR-TEM, APT und Niedrigenergie-TOF-SIMS auf Sub- Nanometer-Skala untersucht. Eine thermische Behandlung nach dem Wachstum mit Temperaturen, die über der Wachstumstemperatur der Heterostruktur liegen, erhöht die Grenzflächenbreiten des 28Si Quantenwells (QW). Außerdem variieren die Breiten für Si und Ge mit (0,5 ± 0,1) nm bzw. (0,76 ± 0,03) nm an der oberen Grenzfläche des QW. Durch die Bildung einer durch Ge-segregation induzierten leading edge an der oberen Grenzfläche des QW wird die Konzentration von natürlichem Si lokal erhöht. An der unteren Grenzfläche bildet sich eine Ge trailing edge aus, die sich mehrere Nanometer in den QW hinein erstreckt. Durch Vergleich mit früheren Messungen lassen sich zwei Schlussfolgerungen ziehen: Erstens erfordern große Valley-Aufspaltungen keine atomar scharfen QW-Grenzflächen und erlauben eine gewisse Grenzflächenbreite, wie sie in dieser Arbeit gemessen wurde. Zweitens begrenzt eine erhöhte Konzentration von 29Si Kernspins an der oberen Grenzfläche und von Ge an der unteren Grenzfläche des QW nicht die gemessenen Qubit-Dephasierungszeiten.

Einrichtungen

• Fachgruppe Physik [130000]
• Lehrstuhl für Experimentalphysik und II. Physikalisches Institut [132210]