Um Quantencomputer kommerziell nutzbar zu machen, benötigen Hersteller hochwertige supraleitende Materialien für Mikrochips, aber auch ein zuverlässiges, nachhaltiges Verfahren zur Nanofabrikation. Tantal ist ein korrosionsbeständiges Metall, das das erste Kriterium erfüllt, nicht jedoch das zweite. Der Grund dafür ist, dass es bei Temperaturen, die typischerweise über 400 °C liegen, auf ein Substrat aufgebracht werden muss – zu heiß für die derzeitigen Anlagen vieler Halbleiterfertigungsbetriebe.
Forscher der Cornell University haben ein Verfahren entwickelt, bei dem Krypton-Gas eingesetzt wird, um diese Abscheidetemperatur auf 200 °C zu senken, während die Abscheidung auf Silizium, einem gängigen hochwertigen Substrat, erfolgt. Das Verfahren führte zu dünnen Schichten, die zudem eine deutlich höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Warum die Materialwahl über die Qubit-Fertigung entscheidet
„Tantal hat sich als Material aus Sicht der Geräteleistung als sehr vielversprechend erwiesen, doch seine Herstellbarkeit war aufgrund von Integrationsherausforderungen wie den erforderlichen Prozesstemperaturen mit einigen Fragezeichen behaftet“, sagte Valla Fatemi, Assistenzprofessorin und Aref- und Manon-Lahham-Fakultätsstipendiatin am Cornell Duffield College of Engineering, die das Projekt leitete. „Wir haben mithilfe physikalischer und materialwissenschaftlicher Erkenntnisse eine relativ einfache Änderung gefunden, um diese Temperatur in einen Bereich zu senken, der auf industrielle Nanofabrikationssysteme übertragbar ist, und gleichzeitig gezeigt, dass wir im akademischen Kontext eine Spitzenleistung dieser Bauelemente erzielen können.“
Das Quantencomputing verspricht schnellere und komplexere Berechnungen, indem es die einzigartigen quantenmechanischen Eigenschaften von Supraleitern nutzt, die Strom mit geringem bis keinem Energieverlust leiten. Die grundlegenden Bausteine der Hardware sind Quantenbits, auch Qubits genannt, die riesige Informationsmengen speichern und verarbeiten können. Doch die richtige Kombination von Hochleistungsmaterialien und Nanofabrikationstechniken hat sich als einer der größten Engpässe erwiesen, die die kommerzielle Entwicklung dieser Technologie verlangsamen.
Fatemis Labor erforscht die Schnittstelle zwischen experimenteller Festkörperphysik und Quantenbauelementen. Vor kurzem entwickelte sein Team Charakterisierungs- und Nanofabrikationsmethoden, um bei Materialien auf Niob-Basis Spitzenleistungen zu erzielen. Dabei wurde Niob mit Ionen des Edelgases Argon beschossen, wodurch Niob-Atome herausgeschlagen wurden, die sich auf einem Substrat ablagerten – ein als Sputtering bezeichneter Prozess –, und so einen dünnen Film bildeten.
„Diese Arbeit hat uns den Weg geebnet, um viele Aspekte der Oberflächenwissenschaft zu verstehen und zu erkennen, wie diese mit der Leistungssteigerung zusammenhängen“, sagte Fatemi.
Tantal zwischen Kristallphase und Fertigungsgrenze
Die Forscher ersetzten Niob durch Tantal, ein Übergangsmetall mit stabileren Oberflächeneigenschaften und hoher Korrosionsbeständigkeit – und ein führendes Material für viele supraleitende Komponenten. Doch auch Tantal ist nicht ohne Herausforderungen. Bei der Abscheidung bei niedrigeren Temperaturen befindet sich das Material in einer Kristallphase mit unerwünschten Eigenschaften. Dieses Problem lässt sich nur beheben, indem man es für die Abscheidung auf über 400 °C erhitzt oder die Oberfläche mit anderen Materialien besät, um sein Verhalten zu verändern. Gleichzeitig kann sich Tantal, wenn es zu heiß wird, mit dem Siliziumsubstrat vermischen und eine dicke Schicht bilden, die zu Informationsverlusten führt und die Leistung des Chips beeinträchtigt.
Die neue Lösung: Olszewski stellte die Hypothese auf, dass die Verwendung von Krypton als ionisiertem Gas anstelle von Argon mehr Impuls übertragen und die Tantalatome mit größerer Energie abstoßen würde, wodurch die angestrebte Kristallphase auf dem Siliziumsubstrat stabilisiert würde – und das alles bei einer deutlich niedrigeren Temperatur.
„Es gibt eine ganze Reihe von Werkzeugen und Fertigungslinien, die nicht wirklich über 400 °C hinausgehen, und sie sind genau dafür ausgelegt. Und Tantal auf Silizium lag bei der alten Methode genau an der Grenze dieses Bereichs“, sagte Olszewski. „Es gab kaum Spielraum, um die Prozesse zuverlässig durchzuführen. Durch den Einsatz von Krypton konnte diese Schwelle auf 200 °C gesenkt werden. Damit steht nun ein großes Fenster zur Verfügung, um eine zuverlässige Fertigung zu gewährleisten.“
Der Josephson-Übergang macht das Qubit
Ein entscheidender letzter Schritt des Prozesses: das Hinzufügen eines sogenannten Josephson-Übergangs, einer Überlappung zweier Metalle, die durch einen elektrischen Isolator getrennt sind und den Quantentunneling von Elektronen ermöglichen, wodurch Qubits entstehen.
„Die Leistung der Bauelemente in unserem Labor hängt derzeit sehr stark von diesem Schritt ab. In der Vergangenheit war das nicht unbedingt offensichtlich. Aber unsere Bauelemente haben mittlerweile ein Leistungsniveau erreicht, bei dem wir große Unterschiede feststellen können, wenn wir subtile Änderungen an der Bildung des Josephson-Übergangs vornehmen“, sagte Fatemi. „Wir betreten also ein neues Gebiet, in dem es darauf ankommt, was wichtig ist und was nicht.“
Die Forscher stellten fest, dass der so entstandene Dünnfilm Qubits von unglaublich hoher Qualität erzeugte und die Leistung der Bauelemente erheblich steigerte. „Wir befinden uns an der weltweit führenden Spitze“, sagte Fatemi. „Dies ist ein großer Schritt nach vorne, nicht nur für unsere Gruppe, sondern auch für die Bemühungen der Cornell University im Bereich supraleitender Quanteninformationsbauelemente.“
