Siliziumkarbid-Qubits hin zu einer fabrikreifen Technologie

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Julietta Miriam Förthner
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532769051

Im Rahmen des Projektes SiCqurTech werden Spin Qubits, optisch aktive Punktdefekte in Festkörpern, als eine Plattform für Quantennetzwerke erforscht. In den letzten Jahren wurde die Siliziumleerstelle (VSi) in Siliziumkarbid (SiC) als ein vielversprechender Kandidat für eine künftige skalierbare Quantentechnologie identifiziert. Verglichen mit derzeit führenden Plattformen, wie beispielsweise dem NV-Farbzentrum in Diamant, bietet das VSi-Zentrum in SiC ein verbessertes Potential für die Integration in nano-photonische Bauelemente sowie vergleichsweise hohe Betriebstemperaturen (bis zu 20 K). Weiterhin ist SiC ein industriell ausgereifter Halbleiter, der das Potential hat, integrierte Quantenbauelemente skalierbar herzustellen. Frühere Experimente unseres Konsortiums und anderer Gruppen mit dem VSi -Zentrum haben folgendes aufgezeigt: die Quantenkontrolle über Elektron- und Kernspin-Qubits, Spin-kontrollierte Photoemission, sowie eine hervorragende optische und Spin-Kohärenz, auch nach einer nano-photonischen Integration. Diese Experimente bieten einen vielversprechenden Ausgangspunkt für eine zukünftige SiC-Quantentechnologie. Eine zentrale offene Herausforderung ist, neue Methoden für die Bauelemente-Herstellung zu erforschen, die "fab-ready" sind. Darunter sind zum einen etablierte CMOS-Fertigungsprozesse der Mikroelektronik, die auf die Fertigung von Quantenbauelementen übertragen werden, zu verstehen. Zum anderen sind dies Prozesse, die neu und vereinbar mit der Reinraumfertigung sind (d.h. skalierbar, zuverlässig und ohne Kontaminationsprobleme). Heutzutage ist noch unklar, ob solche Prozesse den Anforderungen von Quantenbauelementen genügen können, d.h. eine Multi-Qubit-Kontrolle mit hoher Fidelität und eine Verschränkung mittels Photonen erlauben. Im Rahmen des Projektes SiCqurTech werden Materialherstellung und Fabrikationsprozesse für SiC-Quantenbauelemente untersucht, um eine Grundlage für eine solche "fab-ready" Technologie zu schaffen. Darüber hinaus wird das Potential dieser neuen Entwicklungen für die Nutzung in Quantennetzwerken untersucht. Zu diesem Zweck bringen wir ein interdisziplinäres europäisches Konsortium zusammen, das sich folgende Ziele gesetzt hat: (1) Untersuchung der Herstellung von "quantentauglichem" SiC mit kontrollierten Isotopen-Konzentrationen; (2) Entwicklung einer skalierbaren Technologie für SiC-Dünnschichten und elektrische pin-Strukturen, wobei Charakterisierungsmethoden für einen hohen Durchsatz an Probenmaterial genutzt werden; (3) Untersuchung einer SiC-Oberflächenpassivierung mit niedriger Hintergrund-Fluoreszenz; (4) Nachweis der Multi-Qubit-Kontrolle und der photonischen Verschränkung. Die Ergebnisse des Projektes SiCqurTech werden ein umfassendes grundlegendes und praktisches Verständnis des Potenzials der Silizium-Leerstelle VSi in SiC, als Grundlage einer skalierbaren Technologie für Quantennetze der nächsten Generation, schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Luxemburg, Niederlande, Schweden, Schweiz
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Jörg Schulze
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Ulrike Grossner; Dr. Florian Kaiser; Dr. Tim Hugo Taminiau; Dr. Jawad Ul-Hassan