Silizium Spin-Qubits: Erforschung einer epitaktischen Materialplattform für kontrollierbare Valley-Aufspaltung und Ladungsrauschunterdrückung

• Antragsteller: Professor Dr. Dominique Bougeard; Dr. Lars Reiner Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289786932

Der Spin einzelner Elektronen gehört zu den aussichtsreichsten Kandidaten für die Definition von Qubits in einer hochintegrierten und skalierbaren Halbleiterumgebung. Spins die mittels gatterdefinierter Quantenpunkte in Silizium-Germanium lokalisiert werden, haben kürzlich große Fortschritte im Bereich der Manipulations-Fidelitäten erzielt und Ideen skalierbarer Quantencomputer-Architekturen wurden entwickelt. Im Vorgängerprojekt, haben wir selbst ein State-of-Art Qubit in hochangereichertem 28Si/SiGe demonstriert, längste Echo-Kohärenzzeit und hohe Valley-Aufspaltung nachgewiesen. Bei allen Arbeiten zu Si/SiGe-basierten Qubits zeigt sich aber noch, dass Ladungsrauschen, Potentialunordnung und die Valley-Aufspaltung der Qubits im Hinblick auf Reproduzierbarkeit für eine Skalierbarkeit dieser Qubits zu verbessern sind. Die Materialphysik der verwendeten Qubit-Bauteile ist bisher noch wenig erforscht, obwohl absehbar ist, dass sie signifikant zu den aktuell beobachteten Grenzen beiträgt.In Bezug auf Ladungsrauschen und Potentialfluktuationen weisen unsere bisherigen Experimente auf die besondere Rolle der Grenzfläche zwischen der Si/SiGe-Heterostruktur und dem oxidischen Dielektrikum hin. Wir schlagen hier vor, das aktuell weltweit verwendete amorphe Aluminiumoxid – mit all seinen geladenen Fehlstellen – durch alternative Oxide zu ersetzen. Im Fokus wird ein Oxid stehen, welches mittels Molekularstrahlepitaxie, in-situ, epitaktisch und einkristallin auf der Si/SiGe-Heterostruktur gewachsen wird. Perspektivisch sollte dies Verunreinigungen und Defekte an der Grenzfläche und im Dielektrikum minimieren und sich signifikant in den von uns geplanten Rauschanalysen von Einzelqubits niederschlagen. Die Valley-Aufspaltung für Spin-Qubits in Si/SiGe wird aktuell durch örtlich kurzreichweitige, atomare Störstellen, wie Stufen, dominiert. Hier möchten wir ausnutzen, dass ein senkrecht zum Si/SiGe-Quantentopf ausgerichtetes elektrisches Feld zusätzlich signifikant zur Valley-Aufspaltung beitragen kann. Wir werden unsere über Oberflächengatter gesteuerten Qubit-Bauteile daher um ein flächiges Rückgatter erweitern. Über dieses werden wir erheblich höhere elektrische Felder an die Heterostruktur anlegen können, als dies bisher im Stand der Forschung möglich ist. Experimentell ist eine Vervielfachung der Valley-Aufspaltung zu erwarten, die die Manipulation von Spin-Qubits erheblich vereinfachen wird. Im Rahmen des Projekts werden wir zudem örtlich stark lokalisiertes Tempern zur Aktivierung implantierter Donatoren in den ohmschen Kontakten der Qubit-Bauteile mittels eines selbstentworfenen Laser-Scanners einführen, um den aktuell weltweit verwendeten Hochtemperatur-Temper-Schritt des gesamten Bauteils zu ersetzen. Die hierdurch deutlich reduzierte Volumendiffusion in der Si/SiGe/Dielektrikum-Qubit-Struktur wird sich positiv im Sinne reduzierten Ladungsrauschens und Potentialfluktuationen wie auch in reproduzierbar hoher Valley-Aufspaltung äußern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen