Szupravezető szilícium qubit a CMOS technológiában (SIQUOS)

Home Kutatás Projektek Szupravezető szilícium qubit a CMOS technológiában (SIQUOS)

Projekt megnevezése: Szupravezető szilícium qubit a CMOS technológiában

Támogató: Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Hivatal
Kedvezményezett: HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont
Projekt azonosító: 2019-2.1.7-ERA-NET-2022-0003
Témavezető: Dr. Lábár János
A projekt támogatásának összege: 42 744 996 Ft
Támogatásintenzitás: 100%
Futamidő: 2022.04.01-2025.03.31

A projekt céljai:
A SIQUOS projekt célja, hogy megvalósítson és tanulmányozzon egy Si gatemon qubit-et, azaz gate-vezérelt transmon qubitet, ami Si Josephson térvezérelt tranzisztoron (JoFET) alapul és csatolását mikrohullámú rezonátor biztosítja. Ez valóban integrálható és skálázható alternatívát jelent a tisztán fémes szupravezető qubit-ekkel szemben.
A SIQUOS a Si JoFET-re fog fókuszálni, ami nem más, mint egy Si tranzisztor szupravezető source (S) és drain (D) kontaktusokkal, amik között a disszipáció-mentes szuper-áram egy elektrosztatikus gate-tel modulálható. A szupravezető S&D kontaktusok anyagául CMOS-kompatibilis anyagokat, nevezetesen fém szilicideket és erősen bórral (B) adalékolt Si-t (Si:B) fog használni. A szupravezető/Si (S/Sm) határfelületet szerkezeti, kémiai és alacsony hőmérsékleti transzport mérésekkel fogják alaposan tanulmányozni. A SIQUOS projekt első és legfontosabb célkitűzése a S/Sm határfelület átjárhatóságnak biztosítása, mert ez biztosítja a korrelált töltéshordozók átjutását a szupravezető kontaktusokból a Si-csatornába, hogy nagy és reprodukálható szupravezető áramot érhessünk el. A második célkitűzés a Si JoFET megvalósítása, ami demonstrálja a Josephson szuper-áram gate-tel vezérelhetőségét. A harmadik, végső célkitűzés a Si JoFET integrálása a transmon geometriába, ami magában foglalja a kapacitások és rezonátorok megvalósítását magán a chip-en, és a kvantum állapotok manipulálásának megvalósítását a Si-gatemon eszközben. Ezen túlmenően, az összetettebb kvantum áramkörök felé vezető úton mérni fogják az egyedi qubit-ek kvantum teljesítőképességét amikor korlátozott számú további qubit-ekhez vannak kapcsolva. A projekt lényeges hozadéka, hogy a qubit sajátságainak egy skálázható technológián belüli kontrolja magában hordozza annak lehetőségét, hogy funkcionális kvantum áramkör épüljön nagyszámú qubit összeépítésével.

A projekt záró eredményei (2025.03.24):
A SIQUOS projekt eredményei egy lépéssel közelebb visznek a meglevő fejlett szilícium-technológián alapuló, skálázható (azaz a tömeges gyártást lehetővé tevő) Qubit-ek megvalósítása felé. A Qubit-ek kvantum-technológiai eszközök alapelemét képezik, és mind a kvantum számítógépek fejlesztésében, mind új fajta érzékelők megvalósításában szerepük lesz. A Qubit-ek megvalósítására eddig használt többféle technológia közül a legfejlettebb a szupravezetőket használó szilárdtest-elektronikai megoldás. Ezek alapja általában két szupravezető kontaktus közti gyenge csatolást tartalmazó Josephson junction (JJ). A korábban megvalósított transmon nevű qubitben a JJ-k alagút átmenete adja a gyenge csatolást és ezek egy szupravezető hurokban vannak elrendezve, így a qubit energiáját mágneses fluxussal szabályozzák. Az ilyen induktív szabályozás azonban lassú és milliamperes áramokat igényel, tehát nem alkalmas nagyfokú integrációra, ahol a qubitek ezrei hatalmas hődisszipációt eredményeznének 20K felett. A transmon alternatívájaként megjelent a gatemon, amiben JJ-ket egyetlen gate-kontrollált, szupravezető/félvezető hibrid nanoszerkezetű JJ helyettesíti. Az ilyen JJ a fém-oxid-félvezető (MOS) térvezérelt tranzisztorok geometriáját követi, ahol a source és drain (S&D) kontaktusok szupravezetők. Amikor az S&D kontaktusok és a félvezető csatorna között jó az elektromos átjárhatóság (transparency) és a gate hossza kellően rövid, az eszközben egy nem-disszipatív szupravezető áram folyik, aminek amplitúdója az elektrosztatikus gate-tel szabályozható. Ez a JoFET működési elve. A tipikus félvezető csatornahossz (30-50 nm) kis (nm nagyságrendű) változásai csak korlátozottan befolyásolják a gatemon szupravezető áramát, ami lényeges különbség az alagút effektusos JJ transmon qubittől, amiben az oxid vastagságtól exponenciálisan függ a szupravezető áram nagysága és így a JOFET eszközök nagyobb reprodukálhatóságot ígérnek.

Az irodalomban eddig ilyen JoFET szupravezető qubit-et keskeny tiltottsávú III-V félvezető anyaggal (pl. InAs) és alumínium (Al) szupravezető kontaktussal valósítottak meg. Ezek az anyagok azonban nem illeszkednek a Si-alapú tömegtermelés követelményeihez. A SIQUOS projekt a JoFET-hez szükséges tranzisztor szerkezeteket kizárólag a meglevő Si-technológiával kompatibilis anyagokkal (PtSi, CoSi2 és bórral erősen adalékolt szilícium (Si:B)) hozta létre, így a későbbiekben ezekre alapozva kell a skálázható gyártást megvalósítani. A tranzisztor S&D kontaktusaihoz szükséges vékony szupravezető rétegek létrehozásához és a Si/PtSi határfelület Schottky-barrierjének csökkentéséhez új (ám a meglevő technológiákkal kompatibilis) technológiai lépések kidolgozására volt szükség. A CoSi2 szupravezető kontaktus esetén a kívánt minőségű Si/CoSi2 határfelület kialakítása is a hőkezelési lépés módosítását követelte meg. A francia és svéd partnerek technológia fejlesztését a magyar résztvevők atomi szintű szerkezetvizsgálatai segítették. A munka során bebizonyosodott, hogy az ilyen magas technológiai szintű félvezető fejlesztések nem követhetők nagyfelbontású elektronmikroszkópia nélkül, amelynek bizonyos aspektusai még saját módszertani, elektrondiffrakciós fejlesztéseket is igényeltek.

Az ábra az új, lézeres hőkezelés hatékonyságát demonstrálja a bevett technológiával szemben. A lézeres lépés a szilicid képződést preferálja az oxidációval szemben és simább Si/CoSi2 határfelületet, egyenletesebb rétegvastagságot biztosít a JoFET-hez szükséges <10°nm vastagságú CoSi2 rétegek esetén. A HAADF STEM kép nagy szögű, gyűrű alakú detektorral („high angle annular dark field detector (HAADF)”) készült, ami az átlag rendszámmal monoton változó kontrasztot ad. A többi felvétel a jelölt elemek térbeli eloszlását mutatja (Kobalt, Oxigén, Titán).

Sajtóközlemény:

SIQUOS-zaro-sajtoDownload

Kapcsolódó publikációk:

Folyóirat cikkek

  1. Nanomaterials 2023, 13, 1007. https://doi.org/10.3390/nano13061007; János L. Lábár, Béla Pécz, Aiken van Waveren, Géraldine Hallais, Léonard Desvignesand Francesca Chiodi: „Strain Measurement in Single Crystals by 4D-ED”
  2. Appl. Phys. Lett. 123, 132602 (2023); https://doi.org/10.1063/5.0166870 P. Dumas, M.Opprecht, S.Kerdilés, J.Labar, B.Pecz, F.Lefloch, and F.Nemouchi: „Superconductivity in laser-annealed monocrystalline silicon films: The role of boron implant”.
  3. APL Materials 12 121101. https://doi.org/10.1063/5.0231177 .Baron, Y., J. L. Lábár, S. Lequien, B. Pécz, R. Daubriac, S. Kerdilès, P. Acosta Alba, C. Marcenat, D. Débarre, F. Lefloch and F. Chiodi 2024. “Nanosecond Laser Annealing: Impact on Superconducting Silicon on Insulator Monocrystalline Epilayers.”
  4. JAP 136 (10) 105103. https://doi.org/10.1063/5.0218950. Dumas, P., F. Gustavo, M. Opprecht, G. Freychet, P. Gergaud, S. Kerdilès, S. Guillemin, J. L. Lábár, B. Pécz, F. Lefloch and F. Nemouchi. 2024. “Enhancing Superconductivity in CoSi2 Films with Laser Annealing.”
  5. APL Quantum 1, (2) 026112. https://doi.org/10.1063/5.0205444. Yao, Yao, Daniel F. Fernandes, Tereza Košutová, Tomas Kubart, Zhen Zhang, François Lefloch, Frédéric Gustavo, Axel Leblanc, János L. Lábár, Béla Pécz and Shi-Li Zhang 2024. “Self-Aligned Formation of Superconducting Sub-5 Nm PtSi Films.”.

konferencia megjelenések:

  1. János L. Lábár, Béla Pécz, Francesca Chiodi, Fabrice Nemouchi, Zhen Zhang, ShiLi Zhang, Tom Vethaak, François Lefloch: „Role of TEM in the development of Qubits”Magyar Mikroszkópos Társaság Éves Találkozóján (Siófok, 2022. máju 5-7.);
  2. János L. Lábár, Béla Pécz, Fabrice Nemouchi, François Lefloch, Tom Doekle Vethaak: „Application of the DiffMap program to PtSi thin films” MCM16 konferencián (Multinational Congress on Microscopy, 2022. szept. 4-9. Prága);
  3. János L. Lábár, Béla Pécz, Attila Sulyok and Francesca Chiodi, Léonard Desvignes: „Nanostructure of Superconducting Silicon”. Magyar Mikroszkópos Társaság Éves Konferenciája, Siófok, 2024.05.04-06;
  4. Yao Yao, Daniel F. Fernandes, Tomas Kubart, Zhen Zhang, François Lefloch, Frédéric Gustavo, János L. Lábár, Béla Pécz, Shi-Li Zhang: „Investigation of superconductivity in ultrathin PtSi films formed by employing a novel self-alignment process”. Materials for Advanced Metallization Conference, Milan (Italy), 18-21 March 2024,
  5. János L. Lábár „A modular program suite for processing electron diffraction in the TEM” (meghívott plenáris előadás) 18th International Conference on Electron Microscopy, 2024. június 9-14, Zakopane (Lengyel o.);
  6. János László Lábár, Béla Pécz, Yao Yao, Daniel F. Fernandes, Tereza Košutová, Tomas Kubart, Zhen Zhang, Francois Lefloch, Frédéric Gustavo, Axel Leblanc, Shi-Li Zhang „TEM of PtSi, a known contact material in new (superconducting) role” (szóbeli előadás) Magyar Mikroszkópos Társaság konferenciája, 2024. május 15-17., Siófok;
  7. P. Dumas – F. Gustavo – M. Opprecht – S. Kerdilès – J. Lábár –B. Pécz – F. Nemouchi – F. Lefloch; „Laser Synthesis of Superconducting Cobalt Disilicide (CoSi2)” (poszter) EMRS Conference 2024. szeptember 16-19., Warsawa (Lengyel o.);
  8. János L. Lábár „A modular program suite for processing electron diffraction in the TEM” 18th International Conference on Electron Microscopy, 2024. június 9-14, Zakopane (Lengyel o.) (meghívott plenáris előadás)
  9. János László Lábár, Béla Pécz, Yao Yao, Daniel F. Fernandes, Tereza Košutová, Tomas Kubart, Zhen Zhang, Francois Lefloch, Frédéric Gustavo, Axel Leblanc, Shi-Li Zhang „TEM of PtSi, a known contact material in new (superconducting) role” Magyar Mikroszkópos Társaság konferenciája, 2024. május 15-17., Siófok (szóbeli előadás)
  10. J. L. Lábár, B. Pécz, Dumas, P., F. Gustavo, M. Opprecht, G. Freychet, P. Gergaud, S. Kerdilès, S. Guillemin, F. Lefloch and F. Nemouchi; 2024; „Laser annealing improves quality of thin superconducting CoSi2 films” MFA-2024 Yearbook (megjelenés alatt)

Utolsó frissítés: 2025.03.24