全球最大芯片公司，第一单位发表Nature！
米测MeLab
2024-05-09
研究背景
随着量子计算领域的不断发展，构建容错量子计算机已成为一个备受关注的重要目标。实现这一目标的关键之一是建立具有大量物理量子比特的量子处理器。对于基于固态电子器件的量子比特技术，特别是自旋量子比特，其集成数百万量子比特的挑战与日俱增。自旋量子比特有望成为量子计算的重要组成部分，因为它们具有较长的相干时间和较高的控制保真度，但其制造与测试面临着多项挑战。自旋量子比特技术在硅量子点中已经取得了显著进展，但是在实现大规模量子处理器时，面临着诸多问题。其中之一是工艺变异和器件产量问题。尽管已经实现了高保真度的单比特和双比特操作，但要构建大规模量子计算机，必须解决量子比特器件的制造过程中的变异和产量问题。此外，传统的电器测试方法也成为了瓶颈，无法满足大规模量子器件的测试需求。为了解决这些问题，美国英特尔公司Samuel Neyens, James S. Clarke等人开始探索如何将现代半导体制造技术与量子计算领域相结合。具体来说，他们探索如何利用CMOS工业技术来制造自旋量子比特器件，并将工业制造流程应用于量子计算。这样做的目的是利用现有的制造基础设施和技术，以提高器件的产量和一致性，从而推动量子计算技术的发展。以上成果在“Nature”期刊上发表了题为“Probing single electrons across 300-mm spin qubit wafers”的最新论文。
研究内容
在图1中，首先展示了晶片冷却的过程，其中上图展示了300毫米晶片的冷却过程，下图展示了Si/SiGe量子点自旋量子比特器件的横截面透射电子显微镜图像。研究者采用了蓝色技术和AEM Afore共同开发的低温晶片探针，这种探针能够在大约2小时内将300毫米晶片冷却到基片温度为1.0K，电子温度为1.6 ± 0.2K。在图1b中，当晶片冷却完成后，研究者利用晶片阶段控制和机器视觉反馈将器件接触探针引脚。图中显示了将器件接地，用于连接设备针脚到室温下的测量电子学，器件接地为100×100μm2，150μm间距。图1c展示了当器件接地后，可以执行多种测量来提取设备数据，例如门线电阻，欧姆接触电阻，载流子迁移率，门阈电压和少电子区域的过渡电压。图1d则显示了在整个晶片上重复这个过程，可以对设备数据进行统计分析。这一全晶片低温测试流程完全自动化和可编程，与在低温试样中测量单个器件相比，可以加速器件数据收集数个数量级。通过这项研究，研究者开发了一种全新的方法，使得对自旋量子比特器件的大规模测试成为可能，从而促进了自旋量子计算机技术的进一步发展。 图2展示了通过优化工艺流程改善自旋量子比特器件性能的结果。首先，图2a展示了优化后的自旋量子比特阵列的门结构的三维示意图。量子点由平面结构定义，用于控制积累的活动门在单层中定义。在后续的器件中，还集成了用于筛选/耗尽的第二个被动层。门电极由高介电常数复合层或“高κ堆栈”与异质结隔离，而相邻的门由“间隔”堆栈隔离。完整的工艺优化涉及许多因素；这里我们重点介绍了两个关键方法来改善器件变异和性能：减少高κ堆栈中的固定电荷和优化门层结构。图2b显示了15块晶片上通过门阈电压（VT）测量得到的平均VT值的改善情况。我们观察到，在三个不同的工艺版本之间，中位数VT显著减少，而片内和片间VT变化也减少。图2c中的障碍-障碍扫描也突显了在器件优化的每个阶段中量子点约束、无序性和稳定性的改善。 图3展示了12个量子点（12QD）阵列的门电压统计数据。在图3a中，展示了在晶片上采集的一系列I-V曲线，其中包括单个器件的I-V曲线示例，其中包括来自线性量子点阵列的27个门。图3b显示了典型的12QD器件的内联扫描电子显微镜图像，并在其上覆盖了测量配置的示意图。表1总结了跨一个代表性的300毫米晶片的器件部件的产量。通过对232个12QD器件进行测试，我们计算了导电接触、门、量子点和完整12QD器件的组件产量。通过这项工作，我们得出结论：对于优化后的工艺流程，导电接触和门的产量均为100%。这个结果强调了门制造工艺的一致性。此外，图3c显示了在12QD阵列上收集的门VT值的摘要。这些数据展示了在整个25个门阵列中高度一致的分布。我们还观察到在阵列中最外层的两个门的中位数VT存在系统性偏移。这种效应的对称性表明它是由电静态性质引起的，因为与储库门的接近度。图3d展示了通过在门的配对之间计算VT差异而估计的单个设备内的VT随机变异。这种分析揭示了在单个设备内部VT变异的随机成分。图3. 12量子点quantum-dot，QD阵列的阈值电压统计。图4进一步展示了12QD阵列的单电子区域的电压统计数据。图4a展示了典型的电荷感测测量结果。我们在晶片上执行了电荷感测扫描，观察到了696个量子点站点中91%的清晰过渡。对成功扫描的数据进行进一步分析，我们提取了第一个电子（1e）过渡的坐标，并定义了“1e电压”作为在障碍电压轴的中点处的1e过渡的推进电压位置。图4b展示了在一个300mm晶片上收集的12QD阵列上的推进和障碍电压的摘要。这些数据可以显示过程变化如何转化为自旋量子比特的操作点的变异。最后，图4c-h中的直方图展示了1e电压、1e-2e加法电压和1e过渡点上的推进和障碍门之间的电压差异。这些数据揭示了在量子点器件中的电压变异，并提供了改善量子计算器件性能的洞察。
总结展望
本研究结果表明，采用先进的制造工艺与测试方法能显著提升自旋量子比特设备的规模和性能，进而推动量子计算技术的发展。通过在300毫米晶片上采用低无序性的Si/SiGe材料，并结合全CMOS工业兼容的制造流程，本研究成功实现了12量子比特单元的高效集成与操作。此外，通过高容量的低温探测技术，研究团队能够在不同的制造批次中快速评估和筛选性能优异的量子比特器件，从而显著提高了从制造到实验验证的效率。此项工作中，对电压共享协议的兼容性进行评估，解决了在多量子点阵列中实现均匀电子填充的挑战，这对于未来开发可扩展的量子处理器至关重要。同时，量子点的电压调控精度的提高和单电子过渡线的低标准偏差展示了对量子比特操作精度的进一步控制，有助于提高量子操作的保真度和相干时间，这对于实现复杂量子计算任务是必需的。 Neyens, S., Zietz, O.K., Watson, T.F. et al. Probing single electrons across 300-mm spin qubit wafers. Nature 629, 80–85 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07275-6
