硅自旋量子比特迈向工业化：使用FDSOI实现线性硅量子点阵列

光子盒研究院出品

硅自旋量子比特是实现实用量子计算的最有希望的途径之一。最近，来自法国的一个研究团队对室温参数测试程序的新研究支持了硅自旋量子比特强大的性能潜力，并有机会通过利用半导体行业特性良好的工艺和材料来简化它们向制造业的过渡。

来自法国研究机构CEA-Leti、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学、CNRS Institut Néel和CEA-Irig的研究人员在2022年IEEE VLSI技术与电路研讨会上(6月13日至17日)发表了论文《FDSOI量子点阵列集成和表征的特性》[1]，他们分享了一种新的三步表征链(characterization chain)，用于在全耗尽型绝缘体上硅（FDSOI）材料上制造线性硅量子点（QD）阵列。

研究人员表示，这是硅自旋量子比特“迈向工业化的有力一步”。

使用FDSOI的量子点量子比特阵列

全耗尽型绝缘体上硅（FDSOI）是一种平面工艺技术，于2000年发明。和其他硅技术相比，FDSOI可以实现对纳米节点工艺制程下晶体管电流的有效控制和阈值电压的灵活调控，因而21世纪伊始，以Leti、Soitec、STM为代表的欧洲半导体科研机构和公司开始投入该技术的研发。

本文中的三步表征链方法使开发人员能够在最早和最简单的时间点检测并分析问题，从而最大限度地提高高温测试的有效性，作为使硅QD器件可制造的广泛推动的一部分。“这是迈向工业化的有力一步。”CEA-Leti量子计算项目总监Maud Vinet博士指出。

最初的晶圆级室温表征步骤使用类似晶体管的测试协议在几个小时内收集数据，然后是更耗时的晶圆级QD表征步骤，温度低于2K(-271.15℃)，以及在100mK以下的芯片级量子比特操作步骤（每个器件可能需要几天）。

研究团队利用该过程评估了与集成QD阵列生产相关的几个考虑因素并提出了解决这些问题的建议：

1）使用浮动栅极量子点的线性阵列以类似于单栅极标准晶体管的方式工作。研究人员发现，这些阵列中的内栅极在阈值电压（Vth）和亚阈值斜率（SS）上提供一致的先进性能，但外栅极表现出更多的可变性。论文最后建议通过使用外栅极作为存取栅极而不是限制量子点来处理这些边缘效应特性，因为这可能是由随机掺杂剂波动等因素引起的。

2）此外，该论文指出虽然正在探索的线性量子点阵列的分栅设计提供了几个功能优势，但其成功实施需要对一个特定的光刻步骤进行非常严格的覆盖控制以实现良好的对称性，这是一致性能所必需的。

3）第三个建议集中在量子比特层内的杂散点问题上，这也是硅QD阵列中良率较低的主要来源。在低温测试期间可以检测到杂散点，但在表征链的早期（例如在300K测试周期）揭示导致它们的栅极间缺陷将大大加快测试周期。虽然标准的晶体管参数测试不适合这项任务，但研究人员开发了一种300K(26.85℃)电压扫描技术，能够监测栅极间缺陷对交换栅极极化的筛选效应。

Vinet说，该团队使用的FDSOI材料的一个关键优势是，背栅可用于将电荷从界面中吸走。背栅通常使用掺杂剂注入制造，这有可能在量子比特层中引入缺陷或寄生掺杂剂。她补充说，使用类似TSV的金属背栅电极的替代制造方法将是减轻这一缺点的一种方法，同时还可以实现反向偏置[2]。

“这些研究结果代表了解决我们在去年12月的IEDM会议上讨论的更广泛的硅自旋量子比特集成挑战的重要一步。”CEA-Leti首席器件工程师Heimamu Niebojewski说，“这是该技术成熟的一个非常令人鼓舞的迹象。”

关于CEA

CEA（法国原子能和替代能源委员会）是能源转型、数字化转型、未来医学技术以及国防和安全等四个主要领域开发和创新的关键参与者。CEA在将科学知识和创新从研究转移到工业方面发挥着关键作用。Leti是CEA的技术研究机构，成立于1967年，是微纳米技术的先驱。

CEA-Leti解决了医疗保健、能源和数字迁移方面的关键挑战。从传感器到数据处理和计算解决方案，CEA-Leti的多学科团队利用世界一流的工业化设施提供扎实的专业知识。

参考链接：

[1]https://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57091#:~:text=In%20an%20invited%20paper%2C%20%E2%80%9CSpecificities%20of%20FDSOI%20QD,arrays%20fabricated%20on%20fully%20depleted%20silicon-on-insulator%20%28FDSOI%29%20material.

[2]https://www.leti-cea.com/cea-tech/leti/english/Pages/What's-On/Press%20release/CEA-Partners-Industrialization-Quantum-FDSOI-Material.aspx