01.09.2023 • Quantenphysik

Statistische Qualitätsmessung von Qubit-Bauelementen

Kryogener On-Wafer-Prober bestimmt die Qualität von Qubit-Bauelementen für Quantencomputing und Quantensensorik.

Deutschlands erste kryogene Anlage zur statistischen Qualitäts­messung von Qubit-Bau­elementen auf ganzen 200- und 300-mm-Wafern hat am Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörper­physik die Arbeit aufgenommen. Der On-Wafer-Prober kann Bauelemente auf Basis von Halbleiter-Quanten­punkten und -Quanten­töpfen sowie Supraleitern bei Mess­tempe­raturen unter zwei Kelvin charakte­ri­sieren. Durch den voll­auto­matischen Betrieb können Forscher eine quantitativ relevante Datenbasis aufbauen und die industrielle Fertigung hoch­wertiger Bauelemente für Quanten­computing und Quanten­sensorik in Europa voran­bringen.

Abb.: Blick in die Haupt­kammer mit einem 200-mm-Wafer in der Mitte auf dem...
Abb.: Blick in die Haupt­kammer mit einem 200-mm-Wafer in der Mitte auf dem Chuck, der unter der Nadel­karte be­wegt wird. Die An­lage prüft einen Wafer aus dem Pro­jekt QUASAR, in dem Forscher Einzel­elek­tro­nen­tran­sis­toren ba­sie­rend auf Sili­zium-Quan­ten­töpfen ent­wickeln, die als Bau­ele­ment für Spin-Qubits ge­nutzt werden sollen. (Bild: Fh.-IAF)

Mit der neuen Anlage möchten Forscher des Fraunhofer-IAF die Funktions­weise von Quanten­bau­elementen besser verstehen, die auf Halbleiter-Quanten­punkten und -Quanten­töpfen sowie Supraleitern basieren. Das Gerät kann Wafer in Industrie­größen und hohen Stückzahlen voll­auto­matisch bei Tiefst­tempe­raturen charakte­ri­sieren. Die gewonnenen Datenmengen reduzieren die Abhängigkeit von Zufalls­treffern, wie sie für reine Einzel­messungen kenn­zeichnend ist, erheblich. Auf diese Weise trägt die Steigerung der Mess­kapa­zitäten am Institut dazu bei, eine verlässliche Fertigung von qualitativ hochwertigen Qubits zu entwickeln, die in Quanten­computern und Quanten­sensoren zum Einsatz kommen können.

Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme ist die Anlage weltweit die fünfte, in Europa die zweite und in Deutschland die erste ihrer Art. Das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung förderte die Beschaffung und Inbetrieb­nahme des Wafer-Probers im Rahmen des Projekts „KryoproPlus – Bereit­stellung und Verifi­zierung eines kryogenen On-Wafer-Probers“.

„Durch den On-Wafer-Prober gewinnen wir bundesweit einzigartige neue Fähigkeiten in der kryogenen Charakte­ri­sierung“, betont Rüdiger Quay, KryoproPlus-Projekt­koordinator und kommis­sa­rischer Instituts­leiter des Fraunhofer-IAF. „Mit ihm werden wir unsere Partner aus Forschung und Industrie beim Aufbau einer europäischen Lieferkette für Materialien und Produktions­prozesse für Festkörper-Qubits unterstützen. So können wir einen wichtigen Beitrag zur techno­logischen Souveränität Deutschlands und Europas leisten.“

„Der Wafer-Prober stellt uns erstmals statistisch relevante Datenmengen zur Verfügung, mit denen wir die Herstellung von Qubit-Bauelementen systematisch optimieren und skalieren können“, erklärt Nikola Komerički, der das KryoproPlus-Projekt betreut. Komerički hat die Installation und Inbetrieb­nahme der Anlage koordiniert und führt bereits erste Messungen durch. „Wir möchten besser verstehen, wie wir zu guten, homogenen Qubits kommen, um die Skalierung und industrielle Produktion von Qubits in Deutschland und Europa zu ermöglichen“, so Komerički weiter. „Dafür ist es nötig, den qualitativen Blick um die quantitative, statistische Perspektive auf das Verhalten der Bauelemente zu erweitern.“

Qubits auf Basis von Halbleiter-Quanten­punkten und -Quanten­töpfen sowie Supraleitern funktionieren bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, da diese die Stör­einflüsse der Umgebung minimieren, Supraleitung aktivieren und so die Formung und Verschränkung der Qubits ermöglichen. Für die Prüfung, Optimierung und Skalierung von Qubits spielt es demnach eine wesentliche Rolle, dass sie möglichst bei ihrer Betriebs­temperatur charakte­risiert werden und eine statistisch auswertbare Mess­daten­menge erfasst wird.

Der kryogene On-Wafer-Prober schließt diese Charakte­ri­sie­rungs­lücke. Die auto­ma­tisierte Messung ganzer 200-mm- und 300-mm-Wafer bei Temperaturen unter zwei Kelvin mit geringer Wechselzeit erhöht die Menge der verfüg­baren Daten um ein Vielfaches. Mit ihnen verfügen Forscher und Ingenieure über die nötige Basis, um gezielte Verbesse­rungen von Bau­elementen zur Qubit-Formung vorzunehmen und die Skalier­bar­keit zu erhöhen.

Fh.-IAF / RK

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