GF spielt eine Rolle im Quanten-Ökosystem

von: Dave Lammers

Ich traf Sorin Voinigescu zum ersten Mal 1995, als er - mit einem frisch erworbenen Doktortitel in der Hand - auf dem International Electron Devices Meeting (IEDM) einige der frühen Arbeiten zu HF-Schaltungen in CMOS-Technologie vorstellte.

Fast 24 Jahre später forscht Voinigescu ebenso innovativ im Bereich der Quanteninformatik und nutzt den 22FDX®-Prozess von GLOBALFOUNDRIES (GF), um zu untersuchen, wie Qubits in die HF-Steuer- und Ausleseschaltungen integriert werden können. Und Voinigescu sieht eine Art Moore'sches Gesetz für Quantengeräte, bei dem verkleinerte Qubits und unterstützende Schaltkreise bei höheren Temperaturen arbeiten können, wodurch das knappe Helium, das in der heutigen Kryotechnik verbraucht wird, vielleicht überflüssig wird.

Heutige Quantengeräte sind größtenteils supraleitende Josephson-Übergangs-Bauelemente, die bei Millikelvin-Temperaturen arbeiten und über Drähte mit der Steuer- und Messelektronik verbunden sind. Voinigescus Labor an der Universität von Toronto untersucht, wie man halbleiterartige Qubits herstellen kann, die mit Millimeterwellensignalen gesteuert werden können. Die heutigen supraleitenden Qubits haben Quantenenergie-Trennniveaus im Bereich von 5-10 GHz. Um das Quantengatter zu betreiben, müssen die Mikrowellen-Steuersignale bei dieser Frequenz liegen, also im Bereich von 5-10 GHz.

"Alle Qubits, unabhängig von ihrer Implementierung, ahmen einen Spin nach, und die Steuerung erfolgt mit einem Signal, das mit der Elektronenspin-Resonanzfrequenz des Qubits in Resonanz treten muss", erklärte Prof. Voinigescu. Man kann sich das so vorstellen, dass jedes Quantengatter das Äquivalent eines 5G-Mobilfunksignals erfordern könnte, vielleicht im 60-GHz-Bereich. Tatsächlich wurde er vor einigen Jahren auf das Gebiet der Quanteninformatik aufmerksam, als er an einer Sitzung zum Thema Quanteninformatik auf der IEDM teilnahm und erkannte, dass seine zwei Jahrzehnte währende Forschung auf dem Gebiet der Hochfrequenzschaltungen eine Rolle auf dem Gebiet der Quanteninformatik spielen könnte.

22FDX bei 3,3 Grad Kelvin

Bei der Suche nach Quantencomputern für höhere Temperaturen, bei denen die Geräte von jeglicher Wärme oder Störung isoliert sein müssen, gibt es eine "Dreifaltigkeit", wie er es nennt. Je kleiner die Gate-Breite des Transistors ist, desto höher ist die Frequenz, die zur Anregung des Qubit-Gates erforderlich ist, und desto höher ist die Temperatur, bei der es betrieben werden kann. Die 22FDX-basierten Bauelemente, die das Voinigescu-Labor untersucht, haben eine Gate-Breite von 50 nm (die Gate-Länge beträgt 18 nm und die Kanaldicke 6-7 nm). Durch die Verringerung der Gate-Breite kann eine etwas höhere Temperaturumgebung für die Qubits, Steuer- und Messschaltungen genutzt werden.

Und das Coole (entschuldigen Sie das Wortspiel) am 22FDX-Verfahren ist etwas, das das Labor in Toronto und seine Partner kürzlich entdeckt haben: Bei den extrem niedrigen Temperaturen, die für Quantensysteme erforderlich sind, verbessert sich die Leistung der aktiven und passiven Hochfrequenzbauteile tatsächlich.

Das Team der Universität Toronto, das u. a. mit GF und den Industriepartnern Lake Shore Cryotronics und Keysight Technologies zusammenarbeitet, berichtete auf der RFIC-Konferenz 2019 im Juni in Boston, wie mit dem 22FDX-Verfahren monolithisch integrierte Doppel-Quantenpunkte mit Auslese-Transimpedanzverstärkern (TIAs) hergestellt wurden, deren Ausgang auf 50 Ω abgestimmt ist.

Noch wichtiger für das Schaltungsdesign ist, dass die Forscher feststellten, dass sich die Hochfrequenzleistung aller aktiven und passiven Bauelemente, die in einer 22nm 22FDX-Produktionstechnologie hergestellt wurden, bei 3,3 Grad K verbesserte, wobei die Polysilizium-Widerstände nicht variierten und der Qualitätsfaktor der MOM-Kondensatoren verbessert wurde.

"Das Besondere an FD-SOI ist, dass die Schaltkreise bei niedrigen und hohen Frequenzen nicht durch Entionisierung beeinträchtigt werden, wie es bei Bulk-MOSFETs der Fall ist. Aus diesem Grund erhalten wir eine wesentlich bessere Leistung bei niedrigen Temperaturen, gemessen bis zu 2 Grad Kelvin. Tatsächlich sehen wir signifikante Verbesserungen bis hinunter zu 60-70 Grad K, und darunter bleibt die Leistung im Wesentlichen gleich", sagte er. Transkonduktanz, Mobilität und fmax haben sich alle verbessert, und das hat wichtige Auswirkungen auf den Weltraum, Satelliten und andere Niedrigtemperaturumgebungen.

Bei niedrigen Temperaturen steigen die Schwellenspannungen für n-MOSFETs und sinken für p-MOSFETs, unabhängig von der Technologie. Bei FD-SOI kann das Back-Gate verwendet werden, um die Vts auf den optimalen Betriebspunkt einzustellen. Die Schaltungen können bei Raumtemperatur entworfen und dann bei niedrigen Temperaturen "validiert" werden, indem die Vt's mit Back-Gate-Biasing eingestellt werden. Schaltungen, die bei Raumtemperatur einen "Sweet Spot" finden, so Voinigescu, können diese Stromdichte bis zu 2 Grad Kelvin beibehalten.

Kleinere Abmessungen helfen, die Temperaturen zu erhöhen

Jamie Schaeffer, Product Offering Manager für die 22FDX- und 12FDX-FD-SOI-Plattformen bei GF, erklärt, dass die Qubits in der aktiven Schicht von sechs oder sieben Nanometern entstehen, die Coulomb- und Spin-Blockade-Bauelemente einschließt, die durch das vergrabene Oxid gewissermaßen eingekesselt sind. "Wir müssen die Spin-Schichten dazu bringen, miteinander zu interagieren, und mit fortschrittlicheren Dimensionen können wir uns ihnen annähern. Da wir von 22 auf 12 FDX gehen, dienen die kleineren Abmessungen dem Ziel des Quantencomputings bei höheren Temperaturen", so Schaeffer.

Nigel Cave, ein Technologe, der im CTO-Büro von GF arbeitet, sagte, dass es mit der Skalierung von Halbleiter-Qubits auf kleinere Dimensionen möglich sein könnte, die Betriebstemperatur des Quantensystems auf über 4 Grad Kelvin zu bringen, statt auf 10-100 MilliKelvin wie bei den heutigen Systemen. Dies würde die Verwendung eines Standard-Helium-Kryostats anstelle eines Verdünnungskryostats ermöglichen, wodurch die Kosten gesenkt und außerdem 1-2 Watt Gesamtleistung aus dem System entfernt werden könnten. "Die Möglichkeit, mehr Leistung zu entfernen, ebnet möglicherweise den Weg für die gemeinsame Integration der Qubits und ihrer Steuerschaltungen in ein und dasselbe FDX-basierte Gerät", so Cave.

Schaeffer sagte, dass IBM, Google, Intel, Microsoft und andere große Quantenforschungsprogramme betreiben. "In unserem Fall glauben wir, dass wir etwas beitragen können, das unseren Partnern, die auf dem Gebiet der Quantenwissenschaften bedeutende Arbeit leisten, hilft. Wir haben ein Toolset, das herstellbar ist, und die Nutzung unserer Prozessintegrationsfähigkeiten ist ein Weg, um die Kosten zu senken."

Zwei Camps im Quanten-Ökosystem

Ted Letavic, Vizepräsident und Senior Fellow bei GF, sagte, dass sich die Quantencomputer-Gemeinschaft in zwei Lager aufteilen lässt: Diejenigen, die nach Möglichkeiten suchen, Tausende von Qubits zu erzeugen, um die Leistung von Quantencomputern zu erhöhen, und diejenigen, die sich dafür einsetzen, dass die derzeit existierenden Systeme mit etwa 50 bis 100 Qubits für die Lösung von Problemen in der realen Welt besser genutzt werden.

"Die eine Fraktion sagt, wir brauchen Tausende von Qubits, die andere Fraktion sagt, wir haben jetzt 50-100 Qubit-Systeme und wissen nicht, was wir mit ihnen machen sollen. Eine Antwort ist der freie Zugang in Konsortien. Gemeinsam können wir am besten herausfinden, wie wir sie nutzen, wie wir einen wirtschaftlichen Wert schaffen und unsere Wirtschaft voranbringen können", sagte er.

GF verfügt über "einige Schlüsseltechnologien, die helfen können" und fungiert als foundry für Start-ups, Universitäten und andere, die verschiedene Ansätze untersuchen. Letavic, Cave und John Pellerin, stellvertretender CTO und Vizepräsident für weltweite Forschung und Entwicklung, lieferten dem Energieministerium, das Anfang des Jahres eine Informationsanfrage zur bestmöglichen Organisation der Quantum Information Science Centers (QISCs) veröffentlicht hatte, ihren Input.

Sie argumentierten, dass die derzeitige Forschungs- und Entwicklungsarbeit größtenteils in nicht standardisierten Universitätslaboratorien durchgeführt wird, während GF eine Prozessintegration und eine frühe Fertigung für Forscher, Start-ups und andere Teilnehmer an den QISCs anbieten könnte. Die Zusammenarbeit mit Gießereien würde sicherstellen, dass "Geräte, die das Potenzial von Quantensystemen erschließen sollen, in großem Umfang mit den vorhandenen Produktionsanlagen hergestellt werden können".

Letavic verwies auf die Arbeit von Prof. Voinigescu als ein Beispiel aus der Praxis, bei dem sich FD-SOI-Bauelemente als vorteilhaft für E/A bei 4 Grad Kelvin erwiesen haben und eine vielversprechende Quelle für Qubit-Transistoren darstellen, die in der sehr dünnen FD-SOI-Schicht eingeschlossen sind. Für das Projekt in Toronto wurden Wafer-Shuttles verwendet, die in der Produktionsstätte von GF in Dresden (Deutschland) verarbeitet wurden.

GF verfügt auch über eine Silizium-Germanium-Plattform und eine Silizium-Photonik-Plattform, die eine Rolle bei der Erschließung der Quantenphysik spielen könnten.

"Ich glaube an die Quantencomputer, aber sie werden zu den klassischen Computern additiv sein", sagte Letavic. "Die Gesellschaft, die als erste eine Infrastruktur für Quantencomputer schafft, wird einen sehr großen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber den anderen haben. Und ob man nun zu denjenigen gehört, die die maximale Anzahl von Qubits anstreben, oder zu denjenigen, die herausfinden wollen, wie man Quantensysteme bestmöglich nutzen kann, GF spielt in beiden Bereichen mit."