< Terug naar vorige pagina

Project

Experimentele kennis van geluidsbronnen in silicium MOS-apparaten bij cryogene temperaturen voor spin qubit-toepassingen

Quantum computing belichaamt de belofte van de toekomst en heeft het potentieel om onze wereld te revolutioneren met zijn aanzienlijk versnelde rekenmogelijkheden. Deze opkomende technologie is niet bedoeld om de hedendaagse computers te vervangen, maar eerder om problemen op te lossen die hardnekkig zijn met de huidige rekenmethoden. Analoog aan de klassieke computer is de kwantumcomputer gebouwd met behulp van basisblokken die kwantumbits worden genoemd en voert hij algoritmen uit met behulp van kwantumpoorten. Een van de vele platforms voor het realiseren van kwantumbits is de spin van een elektron in silicium, die veel voordelen biedt, zoals lange coherentietijden en compatibiliteit met de bestaande industriële fabricage-infrastructuur. Spin-kwantumbits worden echter beperkt door ladingsruis, die de halfgeleiderindustrie al tientallen jaren op dezelfde manier teistert.

In dit werk beschrijven we de vooruitgang die is geboekt bij het begrijpen van de fysieke oorsprong van ladingsruis in halfgeleiderpoortstapels. Het werk concentreert zich rond de karakterisering van de siliciummetaaloxide-halfgeleider-poortstapels op macroscopisch en microscopisch niveau en wordt afgesloten met de karakterisering van spinqubits met behulp van dezelfde poortstapels. We beginnen dit werk met het beschrijven van de fabricagemethoden die nodig zijn voor dit onderzoek. Het fabricageplatform, dat deel uitmaakt van imecs quantum computing-programma, combineert optische en e-beam-lithografie voor hoge flexibiliteit en doorvoer. Het proces is modulair ontworpen om de verkenning van verschillende spinplatforms mogelijk te maken zonder de noodzakelijke extra overheadkosten.

Het ervaringsgerichte werk dat in dit proefschrift wordt beschreven, wordt uitgevoerd op dezelfde set apparaten. We beginnen met het onderzoeken van de transporteigenschappen van tweedimensionale elektronengassen van silicium, een veelgebruikte maatstaf om de kwaliteit van apparaten te karakteriseren. We gebruiken Hallbar-metingen om de mobiliteitsbeperkende mechanismen van verschillende metaaloxide-halfgeleiderpoortstapels te onderzoeken. Door het gebruikte type metalen poort en de oxidedikte te veranderen, kunnen we bepaalde soorten fysieke defecten identificeren die de kwaliteit van het apparaat beïnvloeden. Daarnaast onderzoeken we de temperatuurafhankelijkheid van de mobiliteit, wat verder inzicht geeft in de aard van de fysieke defecten in de gate-stack. Vervolgens karakteriseren we de kwantumdotstroomspectroscopieruis, een veelgebruikte methode om laagfrequente ruis te onderzoeken. We vinden een directe correlatie tussen transportkarakteristieken en de omvang van de ladingsruis, wat duidt op een gemeenschappelijke onderliggende fysieke oorsprong daartussen. Daarnaast voeren we een statistische analyse uit van de ladingsruis op een van de poortstapels om de aard van de defecten in metaaloxide-halfgeleiderstapels te onderzoeken. We vinden dat defecten van het dipooltype het beste de ladingsruis vertegenwoordigen die experimenteel wordt waargenomen in kwantumdots. Ten slotte karakteriseren we een spin-qubit van het elektronenspinresonantietype om experimenteel de correlatie tussen transportkarakteristieken en qubit-prestaties te bevestigen.

De statistische analyse, karakteriseringsmethoden en resultaten die in dit werk worden gepresenteerd, vormden een gesloten-lusproces om siliciummetaaloxide-halfgeleiderpoortstapels voor kwantuminformatietoepassingen te verbeteren, waardoor nieuwe inzichten werden verkregen in de oorsprong van ladingsruis en de weg werd vrijgemaakt voor grootschalige spin Qubit-processorintegratie met behulp van een volledig CMOS-proces.

Datum:15 feb 2019 →  16 jan 2024
Trefwoorden:Quantum Computing, Spin qubits, Spin coupling
Disciplines:Kwantuminformatie, computatie en communicatie
Project type:PhD project