Kopplung von Quantendots mit Supraleitern - langreichweitige Kopplung von Quantenbits
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Realisierung langreichweitiger Kopplung von Qubits ist ein wichtiger Meilenstein, der den Weg für ein Hochskalieren von Quanteninformationsprozessoren auf der Grundlage halbleitender Spin-Qubits ebnen würde. Das aktuelle Projekt zielte darauf ab, die Grundlage für die Realisierung solch langreichweitiger Kopplung über Supraleiter zu schaffen. Es wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Beim ersten Ansatz wurden InAs-Nanodrähte mit einer in-situ-Abscheidung einer gut definierten isolierenden Barriere und eines Supraleiters verwendet, um den gesamten Bereich verschiedener Kopplungsstärken zwischen Supra- und Halbleiter zu erreichen. Der zweite Ansatz basierte auf Supraleiter-Silizium-Übergängen. Dies führt zwar zu einem begrenzten Bereich möglicher erreichbarer Kopplungsstärken, hat aber den Vorteil, dass eine unmittelbare Kopplung mit Spin-Qubits (z. B. in 28Si) möglich wird, was ein echtes Hochskalieren der Anzahl der Qubits ermöglicht. Beim letztgenannten Ansatz wurde selbstjustiertes CoSi2 mit Dotierstoffsegregation und ultradünnen SiN-Schichten (zum Depinning des Fermi Levels) verwendet, um die Kopplungsstärke einzustellen. Während das endgültige Projektziel noch nicht erreicht werden konnte, wird das Projekt mit eigenen Ressourcen der Projektteilnehmer fortgesetzt. Dennoch haben Teile der entwickelten Prozesse und Techniken zu wichtigen Erkenntnissen und weiteren Forschungsarbeiten geführt, die in einschlägigen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. Die Ergebnisse des Projekts sind die folgenden: Im Rahmen des Projekts wurde gezeigt, dass Te eine n-Typ-Dotierung für InAs bereitstellen kann. InAs-Nanodrähte wurden in-situ mit Al2O3 und einer supraleitenden Al-Halbschale bedeckt und der Einfluss der Oxiddicke auf den elektrischen Transport untersucht. Darüber hinaus wurde ein Damaszener-Prozess für die Realisierung von Bottom-Gate-Strukturen entwickelt, um Quantenpunkte in InAs-Nanodrähten mit Al-Halbschale elektrostatisch zu definieren. Bauelemente, die auf zwei verschiedenen Typen von Bottom-Gates basieren, wurden hergestellt und bei Raumtemperatur charakterisiert. Zwei Arten von Supraleiter-Silizium-Übergängen auf der Basis von CoSi2 mit Dotierstoffentmischung und mit ultradünner SiN-Grenzschicht wurden realisiert und werden derzeit gemessen bzw. in naher Zukunft gemessen werden. Der CoSi2-Ansatz ermöglicht einen selbstjustierten Prozess durch Umformung von Siliziumarealen in einen Supraleiter durch die Silizidierung. Darüber hinaus kann die Dotierstoffsegregation genutzt werden, um die Barriere zwischen Supra- und Halbleiter zu modifizieren. Der zweite Ansatz basiert auf dem anisotropen Ätzen von Silizium und einem Damaszenerprozess, der die Herstellung sehr kurzer SNS-Übergänge (im vorliegenden Fall 24nm und darunter) ohne jegliche Nanolithographie ermöglicht. Die Kombination mit einer ultradünnen SiN-Schicht, die das Fermi-Niveau depinned, ermöglicht die Abstimmung der Kopplung zwischen Supra- und Halbleiter. Die im Rahmen des Projekts entwickelten Methoden und Verarbeitungstechniken wurden weiterentwickelt und in einschlägigen Fachzeitschriften veröffentlicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ‘‘Spin qubits confined to a silicon nano-ridge’’, Appl. Sci., 9, 3823 (2019)
J. Klos, B. Sun, J. Beyer, S. Kindel, L. Hellmich, J. Knoch, L. Schreiber
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/app9183823) - ‘Role of electron and ion irradiation in a reliable lift-off process with electron beam evaporation and a bilayer PMMA resist system’’, J. Vac. Sci. Technol. B, 39(5), 052601 (2021)
B. Sun, T. Grap, T. Frahm, S. Scholz and J. Knoch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1116/6.0001161) - ‘‘Modeling and prediction of hydrogen-assisted morphological evolution in silicon utilizing a level-set approach’’, IEEE J. Microelectromech. Sys., 30(6), 950-957 (2021)
B. Sun, S. Scholz, A. Kemper, T. Grap and J. Knoch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/JMEMS.2021.3115715) - ‘‘On the Operation Modes of Dual-Gate Reconfigurable Nanowire Transistors’’, IEEE Trans. Electron Dev., 68(7), 3684-3689 (2021)
B. Sun, B. Richstein, P. Liebisch, T. Frahm, S. Scholz, J. Trommer, T. Mikolajick and J. Knoch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TED.2021.3081527) - „Electrical Characterization of Te-doped InAs Nanowires grown by Vapor-Solid Molecular Beam Epitaxy“, Conference Contribution (DPG Jahrestagung, online) (2021)
A. Faustmann, P. Perla, D. Grützmacher, M. I. Lepsa, and T. Schäpers
- „Te-doped selective-area grown InAs nanowires for superconducting hybrid devices“, Phys. Rev. Materials 6, 024602 (2022)
P. Perla, A. Faustmann, S. Kölling, P. Zellekens, R. Deacon, H. A. Fonseka, J. Kölzer, Y. Sato, A. M. Sanchez, O. Moutanabbir, K. Ishibashi, D. Grützmacher, M. I. Lepsa, and T. Schäpers
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.024602)
