[论文解读] Probing single electrons across 300 mm spin qubit wafers

Samuel F. Neyens, Otto Zietz+28 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2023

Quantum and electron transport phenomena参考文献 62被引用 6

一句话总结

本文提出了一种低温300毫米晶圆探针系统，可在1.6 K下实现对完整自旋量子比特晶圆中单电子跃迁的高通量、自动化测量。该方法揭示了CMOS兼容的Si/SiGe异质结构自旋量子比特具有较低的工艺变异性和较高的良率，展示了实现容错量子计算所必需的可扩展性测试。

ABSTRACT

Building a fault-tolerant quantum computer will require vast numbers of physical qubits. For qubit technologies based on solid state electronic devices, integrating millions of qubits in a single processor will require device fabrication to reach a scale comparable to that of the modern CMOS industry. Equally importantly, the scale of cryogenic device testing must keep pace to enable efficient device screening and to improve statistical metrics like qubit yield and voltage variation. Spin qubits based on electrons in Si have shown impressive control fidelities but have historically been challenged by yield and process variation. Here we present a testing process using a cryogenic 300 mm wafer prober to collect high-volume data on the performance of hundreds of industry-manufactured spin qubit devices at 1.6 K. This testing method provides fast feedback to enable optimization of the CMOS-compatible fabrication process, leading to high yield and low process variation. Using this system, we automate measurements of the operating point of spin qubits and probe the transitions of single electrons across full wafers. We analyze the random variation in single-electron operating voltages and find that the optimized fabrication process leads to low levels of disorder at the 300 mm scale. Together these results demonstrate the advances that can be achieved through the application of CMOS industry techniques to the fabrication and measurement of spin qubit devices.

研究动机与目标

• 通过实现与CMOS制造相当规模的晶圆级低温测试，解决固态量子器件扩展中的关键瓶颈。
• 通过应用工业级CMOS兼容的制造与测试技术，克服历史上自旋量子比特良率低和工艺变异大的挑战。
• 证明通过优化制造工艺和全晶圆测试，可在300毫米Si/SiGe异质结构自旋量子比特中实现低无序性和高均匀性。
• 实现对整个晶圆上单电子操作电压的自动化、大批量数据采集，以支持工艺优化和统计分析。
• 建立高通量低温晶圆探测与制造工艺优化之间的反馈回路，以提高量子比特良率并减少变异。

提出的方法

• 利用低温300毫米晶圆探针系统将晶圆冷却至1.6 K，并通过探针针脚与晶圆上所有器件建立电接触，实现同时测量。
• 通过扫掠控制门电压自动调节单个量子点，生成二维电荷稳定图谱并识别单电子跃迁。
• 应用信号处理流程：一阶高斯滤波、极大值点检测，以及基于斜率和邻近性标准的曲线分段分组，以提取跃迁线。
• 将1e和2e跃迁电压定义为跃迁线穿过屏障门电压轴中点时的控制门电压。
• 通过扫描窗口边缘距离标准验证1e跃迁：要求1e跃迁点到扫描窗口左侧边缘的距离超过典型1e–2e加成电压的两倍。
• 通过寻找最优公共电压来估计12QD器件中共享电压控制的可行性，该电压可最小化n=0e与n≥2e态的误判。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1.6 K下进行全晶圆低温探测是否能够实现对300毫米晶圆上自旋量子比特器件的高通量、统计稳健的表征？
• RQ2 在300毫米尺度上，CMOS兼容的Si/SiGe异质结构自旋量子比特制造在多大程度上降低了工艺变异性和无序性？
• RQ3 在单个晶圆上大量量子点中，自动化单电子跃迁测量的可靠性如何？
• RQ4 在12QD阵列中，有多少比例的量子点能够通过共享栅极电压可靠地调节至单电子占据状态？
• RQ5 将工业规模测试与优化制造工艺相结合，是否能显著提高量子比特良率并减少工艺变异？

主要发现

• 低温300毫米晶圆探针系统在约2小时内成功将晶圆冷却至1.6 K，并实现了与晶圆上所有器件的电接触。
• 基于扫描窗口边缘距离标准，98%的1e跃迁电压被验证为真实的单电子跃迁，其距离超过典型1e–2e加成电压的两倍。
• 50 nm SiGe势垒晶圆表现出较低的工艺变异，1e–2e加成电压的标准差与高保真度操作一致。
• 电压共享分析表明，通过一个公共电压可成功将12QD器件中80–90%的量子点设置为单电子占据状态，显示出共享控制的强潜力。
• 优化制造与全晶圆低温探测的结合，实现了对整个晶圆上单电子跃迁的自动化、大批量数据采集。
• 结果表明，CMOS兼容的制造与测试基础设施可在300毫米尺度上实现自旋量子比特的低无序性和高良率，为可扩展量子计算铺平道路。