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.

Eredmények:
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.

A projekt során az ábrán látható, háromféle szupravezető S&D kontaktussal készülő tranzisztor készült JoFET megvalósítás céljából. A Si:B és CoSi2 szupravezető kontaktusos változat Franciaországban, a PtSi szupravezetővel előállított Svédországban készült és az összes szerkezet atomi szintű jellemzését Budapesten végeztük.

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. Magyar Mikroszkópos Társaság Éves Találkozóján (Siófok, 2022. máju 5-7.); 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”
  2. MCM16 konferencián (Multinational Congress on Microscopy, 2022. szept. 4-9. Prága); János L. Lábár, Béla Pécz, Fabrice Nemouchi, François Lefloch, Tom Doekle Vethaak: „Application of the DiffMap program to PtSi thin films”
  3. Magyar Mikroszkópos Társaság Éves Konferenciája, Siófok, 2024.05.04-06; János L. Lábár, Béla Pécz, Attila Sulyok and Francesca Chiodi, Léonard Desvignes: „Nanostructure of Superconducting Silicon”.
  4. Materials for Advanced Metallization Conference, Milan (Italy), 18-21 March 2024, 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”.
  5. 18th International Conference on Electron Microscopy, 2024. június 9-14, Zakopane (Lengyel o.); János L. Lábár „A modular program suite for processing electron diffraction in the TEM” (meghívott plenáris előadás)
  6. Magyar Mikroszkópos Társaság konferenciája, 2024. május 15-17., Siófok;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)
  7. EMRS Conference 2024. szeptember 16-19., Warsawa (Lengyel o.); P. Dumas – F. Gustavo – M. Opprecht – S. Kerdilès – J. Lábár –B. Pécz – F. Nemouchi – F. Lefloch; „Laser Synthesis of Superconducting Cobalt Disilicide (CoSi2)” (poszter)

Utolsó frissítés: 2025.03.04