Hohe Ausbeute, geringe Variabilität - Silizium CMOS Technologie für die Realisierung von Spin Qubits Titel der Verlängerung: Steuerbares Dielektrikum ermöglicht die Ko-Integration von Kryo-Elektronik und Spin-qubits auf der Si/SiGe Plattform

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Knoch; Dr. Lars Reiner Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421769186

Das Hochskalieren von Qubit-Chips bestehend aus einer handvoll Qubits zu einem universellen Quanteninformationsprozessor erfordert Millionen von physikalischen Qubits. Die Implementierung, Abstimmung und Kopplung all dieser Qubits erfordert eine klassische Steuerelektronik, die sich in unmittelbarer Nähe der Qubits befindet muss. Aufgrund der sehr geringen Kühlleistung, die in Kryostaten bei kryogenen Temperaturen zur Verfügung steht, muss die klassische Steuerelektronik auf einem sehr niedrigen Leistungsniveau arbeiten. Allerdings spielt die elektrostatische Unordnung in der Nähe von Gate-definierten Halbleiter-Spin-Qubits sowie an der dielektrischen Halbleiter-Grenzfläche von kryogenen MOSFETs eine entscheidende Rolle für die Funktionalität beider Bauelementetypen. So führt das ungeordnete Potenzial zu dem so genannten Band Tailing, das das Schalten von kryogenen MOSFETs verschlechtert und die notwendige Verringerung der Betriebsspannung (und damit des Stromverbrauchs) der kryogenen Elektronik verhindert. Ein weiterer wichtiger Stolperstein der kryogenen Elektronik ist die Variabilität der Schwellenspannung von Transistor zu Transistor. Im ersten Teil des aktuellen Projekts konnte wir zeigen, dass Spin-Qubits, die räumlich weiter voneinander entfernt sind, mit einem so genannten Shuttle-Bauelement gekoppelt werden können, das aus gekoppelten Quantenpunkten besteht. Eine Verringerung der Unordnung würde die Fähigkeit des Shuttlers, Qubits kohärent zu koppeln, stark verbessern. Da sowohl die Abschwächung der Unordnung als auch die Abstimmung der Schwellenspannung für die Funktionalität des Quantenpunkts, der Qubits sowie der MOSFET-Bauelemente von wesentlicher Bedeutung sind, muss das Problem auf derselben Grundlage angegangen werden, um eine Ko-Integration von kryogener Elektronik und Qubits auf demselben Chip zu ermöglichen. In der vorliegenden Fortsetzung des Projekts werden wir die genannten Probleme mit der Realisierung eines tune-baren Gate-Dielektrikums mit geringer Unordnung angehen, das aufladbare Zustände enthält (realisiert entweder mit einem dielektrischen Schichtstapel, der aus mehreren Dielektrika mit unterschiedlichen Bandlücken besteht, oder mit einer metallischen „Floating Gate“-Elektrode). Durch Anlegen geeigneter Gate-Spannungen können diese Zustände geladen und entladen werden, um die Schwellenspannung für jedes einzelne Bauelement (Qubit oder MOSFET) einzustellen. Die Optimierung eines geeigneten dielektrischen Schichtstapels wird mit der Herstellung und Charakterisierung von MOS-Kondensatoren, MOSFETs und Shuttle-Bauelementen durchgeführt. Schließlich wollen wir die Ko-Integration eines Shuttlers mit einem asymmetrischen Sensorpunkt als Ausleseelement demonstrieren, dessen Ausgang durch einen kryogenen MOSFET in unmittelbarer Nähe auf demselben Chip verstärkt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen