- 硅Fin型量子比特器件长周期特性变化分析
- 首次确定绝缘膜/半导体界面的电子俘获现象是性能变化的原因
- 在减少诊断和调整每个元件状态的工作方面取得进展，这限制了量子计算机的可用时间
硅Fin型量子位的长周期特性变化现象及其原因
*这是原始论文中的图形的修改版本。
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）先进半导体研究中心新原理硅器件研究小组首席研究员Hiroshi Oka，首席研究员Eidai Asai，首席研究员Kimihiko Kato，首席研究员Takahiro Mori，研究组组长，与东京电机大学Satoshi Moriyama教授等合作硅量子比特器件我们第一次确定了长期特征变化的原因。
众所周知，作为量子计算机基本要素的量子比特的特性会在很长一段时间内发生变化，例如在很长一段时间（例如几十秒或几小时）后改变其特性，然后随着时间的推移又恢复到原来的特性。即使在实际运行的量子计算机中，也可以每小时观察到特性的长期变化。当量子比特的特性发生变化时，进行计算时就会出现错误，因此需要定期进行状态诊断和调整。调整过程可能需要几个小时，限制了量子计算机的使用时间。正在开发用于高度集成量子计算机的硅量子位器件也表现出长周期特性变化，但这种变化的原因仍然未知。这项研究表明即使在硅类型之间也对高集成度抱有很高的期望鳍式量子比特设备属性变化的原因。是绝缘膜/半导体界面处的缺陷。这一结果为旨在硅量子计算机稳定运行的量子位器件制造技术的开发提供了指导。该技术的详细信息将于 2024 年 12 月 7 日起在美国旧金山举行的 IEEE International Electron Devices Meeting 2024 上公布。
量子计算机是主动利用量子叠加态等量子力学现象的计算机，理论上证明它们可以比现代计算机更快地计算某些对社会重要的问题，例如量子化学计算和组合优化问题。量子比特是量子计算机的基本元素，超导型和硅类型一样，但是特性会在很长一段时间内发生变化，例如几十秒或几小时，然后在一定时间后恢复到原始特性。例如，在目前运行的超导量子计算机中观察到每小时特性的长期变化。如果在状态保持变化的情况下执行计算，则量子位将不会处于预期状态，并且计算结果将是错误的。为了防止这种错误的发生，需要定期诊断状况并考虑特性变化的周期进行调整。目前，这种诊断和调整工作非常频繁，并且需要很长时间，有时甚至几个小时，因此限制了用户使用量子计算机的时间。
即使在为高度集成的量子计算机而积极研发的硅量子比特器件中，也观察到了电流-电压特性长时间变化的现象。硅类型中，鳍式硅量子比特器件（沟道是三维的，可类比鱼鳍）对更高集成度寄予厚望，虽然世界各地都在进行研发，但长周期特性变化的原因仍不清楚，实验验证也没有充分进展。为了实现先进实用的量子计算的高度集成的量子计算机的稳定运行，人们一直在等待阐明硅鳍式量子位器件的长周期特性变化的原因。
AIST 正在致力于研究和开发作为硅量子比特元件的低温 CMOS 电路和器件及其控制电子器件，目标是实现高度集成的量子计算机。在低温CMOS器件的研发方面，我们迄今为止致力于了解低温晶体管的导通电流限制因素（在2022年国际会议VLSI研讨会上发表），并阐明低温下开关特性的决定因素，以实现精确的电路设计（2023 年 12 月 10 日 AIST 新闻稿)，阐明极低温下的噪声增加机制（2020年国际会议VLSI研讨会上的演讲），噪声源的识别（2023 年 6 月 12 日 AIST 新闻稿)。
AIST先进半导体研究中心正在进行硅量子计算机的量子位器件的研究和开发，这次，通过应用我们迄今为止一直在研究的晶体管评估和分析方法，我们确定了硅Fin型量子位器件的长周期特性变化的主要原因。
这项研究与开发得到了文部科学省光学与量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP)“使用硅量子位实现量子计算机的大规模集成电路（2018-2027）”(JPMXS0118069228) 的支持。
在硅Fin型量子位器件中，可以观察到特性的周期性变化，例如电流值每隔数十秒变化并返回到其原始值（图1）。在存在这些周期性变化的情况下进行的计算会导致错误，但找出原因并不容易。硅鳍式量子比特器件需要携带量子信息的电子被限制在硅内，因此需要大量的栅电极（图2左图）。由于需要对每个栅电极设置不同的电压，因此由于量子位的工作原理，很难确定在什么电压条件下会出现导致特性周期性变化的因素。因此，作为一种与硅Fin型量子位器件材料和结构相同但只有一个栅电极的器件，我们决定采用Fin型量子位器件。晶体管（图2右）。在这种情况下，可以在改变栅极电压条件的同时跟踪电流值随时间的变化。这次，通过仅在鳍的顶部形成栅电极，我们实现了与鳍型量子位器件相同的栅极结构。利用这种方法，这项研究是世界上第一个成功识别周期性属性变化原因的研究。
图1（左）硅Fin型量子位器件的电流-电压特性和（右）漏极电流的时间变化
*这是原始论文中的图形的修改版本。
图2 使用Fin型晶体管识别长周期特性变化的原因
*这是原始论文中的图形的修改版本。
图3中的左图显示了所制造的Fin型晶体管在极低温度（4 K）下的漏极电流与栅极电压特性。当栅极电压增加时，电流值增加并从截止区域移动到导通区域。关闭和开启区域之间的状态称为亚阈值区域。图3右图显示了在每个区域的恒定电压下跟踪电流值随时间变化的结果。结果表明，电流值在截止区域（图3右侧的（1））和导通区域（图3右侧的（3））稳定，但仅在亚阈值区域（图3右侧的（2））的电压条件下，出现电流值以数十秒的间隔重复增大和减小的周期性变化。这表明鳍式量子位器件在亚阈值区域的特定电压条件下会发生周期性特征变化。
图3（左）Fin型晶体管的电流-电压特性和（右）每个栅极电压下电流的时间变化
*这是原始论文中的图形的修改版本。
图4 周期性幅度和带边能级的温度依赖性概念图
*这是原始论文中的图形的修改版本。
在亚阈值区域的电压条件下，晶体管的特性不是受到带隙内部的强烈影响，而是受到带隙边缘（带边缘）附近的区域的强烈影响。因此，这些结果意味着俘获电子的能级作为导致带边电流值变化的因素而存在。事实上，基于传统模型计算周期幅度并不能再现实验值，而是在带边缘陷阱级别存在，我们确认与实验数据一致（图4）。我们迄今为止的研究表明，在典型的晶体管中，带边陷阱能级源于绝缘膜和半导体之间界面的缺陷（2023 年 6 月 12 日 AIST 新闻稿）。这项研究是在晶体管中进行的开关特性恶化的原因澄清了，这些知识这次就派上用场了。基于这一知识，我们发现观察到的特性的长周期变化是由绝缘膜和半导体之间的界面处发生的电子俘获现象引起的，类似于晶体管开关特性的劣化。这是首次通过实验阐明量子比特器件长周期特性变化的原因。由于过去对晶体管的研究，而不是对量子位器件本身的研究，这一事实已经变得很清楚。这项研究揭示了界面质量是抑制特性周期性变化的关键，并为改善界面质量将导致硅量子比特器件稳定运行的制造技术提供了指导。这些知识预计将加速硅量子计算机的研究和开发。
此次获得的结果将为硅量子位稳定运行的器件制造技术的开发提供指导。基于所获得的知识，我们将继续进行工艺技术的开发，包括硅鳍式量子位器件的原型设计和操作验证，以及提高接口的质量。
协会名称：IEEE 国际电子器件会议 2024
标题：硅鳍型量子点中长周期电不稳定性的起源
作者：H Oka、H Asai、K Kato、T Inaba、S Shitakata、S Iizuka、Y Chiashi、Y Kobayashi、H Yui、S Nagano、S Murakami、Y Iba、M Ogura、T Nakayama、H Koike、H Fuketa、S Moriyama 和 T Mori