Germanium MOSFETs für Quantencomputing

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Mónica Benito González, Ph.D.; Professor Dr. Dominique Bougeard
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532774860

Das Projekt GeMOS untersucht Löcher in Germanium (Ge) Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Nanostrukturen zur Implementierung und Integration von Spin-Qubits. Ge bietet gegenüber Silizium (Si) mehrere Vorteile, darunter das einfachere Formen ohmscher Kontakten, eine höhere Ladungsträgermobilität (die höchste aller bekannten Halbleitermaterialien) und eine geringere effektive Masse der Löcher. Diese Eigenschaften könnten, aufgrund der sich ergebenden geringeren lithografischen Anforderungen, ein Schlüssel hin zu einer industriellen Skalierung hin zu auf sehr großen Qubit-Systemen basierenden Quantenprozessoren sein. Im Vergleich zu Ge/SiGe-Heterostrukturen, die auf Si-Substraten gezüchtet werden, versprechen Ge-MOSFETs eine bessere Kompatibilität mit industriellen Fertigungstechniken. Sie bieten ein größeres Wärmebudget und ermöglichen eine effizientere elektrostatische Kontrolle, da die Ladungsträger näher an den Gate-Elektroden liegen. Darüber hinaus können durch den Verzicht auf Heterostrukturen lokale Legierungs- und Verspannungsfluktuationen, die die Homogenität der Bauelemente beeinträchtigen, reduziert werden. Demgegenüber könnten MOSFETs durch materialspezifisches Rauschen und Unordnung an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche beeinflusst werden. Wir wenden eine zweiteilige Strategie an, um diese Fragestellung zu untersuchen: Erstens werden unsere hybriden Ge-Oxid-Lagen in situ durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf versetzungsfreien Ge-Substraten gezüchtet, wobei eine kristalline Schicht aus Magnesiumoxid (MgO) epitaktisch auf Ge gewachsen wird, ohne das Vakuum zu brechen, d.h. ohne Ge der Umgebungsatmosphäre auszusetzen. Zweitens werden wir ein Gate-Metall verwenden, das die Grenzflächenbelastung bei kryogenen Temperaturen minimiert. Unser Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie, die Experten aus den Bereichen des Materialwachstums, der Quantentheorie und des experimentellen Quantentransports zusammenbringt. Die Synergie dieser Kompetenzen ist entscheidend für die zuverlässige Herstellung von Löcher-Spin-Qubits in Ge-MOS-Quantenpunkten (QDs) mit geringem Ladungsrauschen, die mit industriellen Herstellungsverfahren produziert werden. Das Projekt beginnt mit der Identifizierung von Wachstumsbedingungen und Materialien, die durch Hall-Bar-Messungen die höchste Lochbeweglichkeit ergeben, untersucht Materialeigenschaften mit Hilfe von Quantenpunktkontakten und stellt dann QD-Bauelemente bei kryogenen Temperaturen her und charakterisiert sie. Ziel des Projekts ist es, das Potenzial der Ge-MOS-Plattform durch die Realisierung von Loch-Spin-Qubits mit wettbewerbsfähigen Kohärenzzeiten und Kontrollgeschwindigkeiten zu demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Schweiz, Slowakei
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Andreas Fuhrer Janett; Professor Thomas Markus Ihn, Ph.D.; Professor Andreas Kuhlmann, Ph.D.; Peter Stano, Ph.D.