Projekt: Halbleiter-Quantenprozessor mit shuttlingbasierter skalierbarer Architektur (QUASAR); Teilvorhaben: Mikroskopische materialwissenschaftliche Charakterisierung von Heterostrukturen und Quanten-Bauteilen

Abstract

Im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts QUASAR untersuchte das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) strukturelle Eigenschaften von Si/SiGe-Heterostrukturen, die als Grundlage für skalierbare Quantenprozessoren mit Halbleiter-Qubits dienen. Ziel war es, Defekte und Inhomogenitäten im Material zu identifizieren, die die Funktion und Skalierbarkeit von Qubit- und QuBus-Bauteilen beeinträchtigen können. Die ursprüngliche Aufgabenstellung umfasste die systematische Analyse struktureller Störungen, insbesondere Versetzungen, Grenzflächenschärfe, plastische Relaxation und stressbedingte Verzerrungen. Aufbauend auf dem aktuellen Stand der Halbleiter- und Quantentechnologie wurde ein umfangreiches Methodenset bestehend aus TEM, ECCI, XRR und SXDM eingesetzt und weiterentwickelt. Die Untersuchungen zeigten, dass selbst kleinste strukturelle Abweichungen – wie z.¿B. Durchstoßversetzungen oder Grenzflächenverbreiterungen – erhebliche Auswirkungen auf Kohärenzzeiten und Transporteigenschaften von Qubits haben können. Durch gezielte Optimierung von Wachstumstemperatur, Schichtdesign und Nachbearbeitungsprozessen konnte die Defektdichte deutlich reduziert werden. Zudem wurden stressinduzierte Verzerrungen unter Gate-Metallen nachgewiesen, die elektrische Eigenschaften im Betrieb beeinflussen. Ein wesentliches Ergebnis war die Optimierung der Epitaxie und Prozessierungsparameter in Hinblick auf die Defektminimierung. Die entwickelten Messverfahren ermöglichen eine zerstörungsfreie Qualitätsbewertung.