Deutschlands erster kryogener Messaufbau zur statistischen Qualitätsmessung von Qubit-Bauelementen auf ganzen 200- und 300-mm-Wafern hat am Fraunhofer IAF den Betrieb aufgenommen. Der On-Wafer-Prober kann Geräte auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten und Quantentöpfen sowie Supraleitern bei Messtemperaturen unter 2 K charakterisieren.
Durch den vollautomatischen Betrieb können Forscher eine quantitativ relevante Datenbank aufbauen und die industrielle Produktion hochwertiger Geräte für Quantencomputing und Quantensensorik in Europa vorantreiben.
Mit dem neu aufgebauten kryogenen On-Wafer-Prober wollen Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF die Funktionsweise von Quantenbauelementen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten und Quantentöpfen sowie Supraleitern besser verstehen. Das Gerät kann Wafer in Industriegrößen (200 mm und 300 mm) und großen Volumina (bis zu 25 Wafer hintereinander) vollautomatisch bei kryogenen Temperaturen unter 2 K (271,15 °C) charakterisieren.
Durch die gewonnenen Datensätze wird die für Einzelmessungen charakteristische Abhängigkeit von Zufallstreffern deutlich reduziert. Auf diese Weise trägt der Ausbau der Messkapazitäten am Institut zur Entwicklung einer zuverlässigen Produktion hochwertiger Qubits bei, die in Quantencomputern und Quantensensoren eingesetzt werden können.
Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme ist die Anlage die fünfte ihrer Art weltweit, die zweite in Europa und die erste in Deutschland. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte die Beschaffung und Installation des Waferprobers im Rahmen des Projekts „KryoproPlus–Bereitstellung und Verifizierung eines kryogenen On-Wafer-Probers.“
Entwicklung von Know-how für die industrielle Qubit-Herstellung
„Mit dem On-Wafer-Prober gewinnen wir bundesweit neue und einzigartige Möglichkeiten in der kryogenen Charakterisierung“, betont Prof. Dr. Rüdiger Quay, KryoproPlus-Projektkoordinator und kommissarischer Institutsleiter des Fraunhofer IAF. „Mit diesem System unterstützen wir unsere Partner aus Forschung und Industrie beim Aufbau einer europäischen Lieferkette für Materialien und Produktionsprozesse für Festkörper-Qubits. Damit können wir einen wichtigen Beitrag zur technologischen Souveränität Deutschlands und Europas leisten“, so Quay fügt hinzu.
„Der Wafer Prober liefert uns erstmals statistisch relevante Datensätze, mit denen wir die Produktion von Qubit-Geräten systematisch optimieren und skalieren können“, erklärt Nikola Komerički, der im Rahmen seiner Promotion zur Charakterisierung von das KryoproPlus-Projekt betreut Quantencomputergeräte. Komerički koordinierte die Installation und Inbetriebnahme des Systems und führt bereits die ersten Messungen durch.
„Wir wollen besser verstehen, wie man gute, homogene Qubits erhält, um eine Skalierung und industrielle Produktion von Qubits in Deutschland und Europa zu ermöglichen“, fügt Komerički hinzu. „Dazu ist es notwendig, die qualitative Sichtweise um eine quantitative, statistische Perspektive auf das Geräteverhalten zu erweitern.“
Bessere Daten durch automatisierte Messung ganzer 200-mm- und 300-mm-Wafer bei Temperaturen unter 2 K
Qubits auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten und Quantentöpfen sowie Supraleitern arbeiten bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C). Dies minimiert Umgebungsstörungen, aktiviert die Supraleitung und ermöglicht so die Bildung und Verschränkung von Qubits. Dementsprechend ist es für die Prüfung, Optimierung und Skalierung von Qubits unerlässlich, dass diese bei ihrer Betriebstemperatur charakterisiert werden und ein statistisch auswertbarer Satz an Messdaten erhoben wird.
Der kryogene On-Wafer-Prober schließt diese Charakterisierungslücke. Die automatisierte Messung ganzer 200-mm- und 300-mm-Wafer bei Temperaturen unter 2 K und kurzer Wechselzeit erhöht die Menge der verfügbaren Daten. Diese Daten liefern Forschern und Ingenieuren die notwendige Grundlage, um gezielte Verbesserungen an Geräten zur Qubit-Bildung vorzunehmen und die Skalierbarkeit zu erhöhen.
Charakterisierung von Qubit-Geräten in den Projekten MATQu, QUASAR und QLSI
Mit der vollständigen Inbetriebnahme des Waferprobers ist das Projekt KryoproPlus abgeschlossen. Die ersten Messungen der Anlage liegen in den Projekten vor.MATQu—Materialien für Quantencomputing“, „QUASAR—Halbleiter-Quantenprozessor mit Shuttling-basierter skalierbarer Architektur“ und „QLSI– Quantenintegration im großen Maßstab mit Silizium.“
Für MATQu charakterisiert und analysiert Komerički (Niob-)Josephson-Kontakte, die Geräte für Transmon-Qubits sind. Für QUASAR und QLSI werden Charakterisierungen von Feldeffekttransistoren (FETs) für Einzelelektronentransistoren (SETs) auf Basis von Silizium-Quantentöpfen und anschließend SETs durchgeführt, die als Geräte für Spin-Qubits dienen.
Bereitgestellt vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF