Revista >> Martie 2022 [Nr. 242] >> Top Story

„IQubits”: un pas important în reluarea cercetării componentelor semiconductoare avansate pe Siliciu în IMT

Alexandra Nicoloiu, Claudia Nastase, Alexandru Muller

18 Martie 2022

Proiectul „IQubits” (Integrated Qubits Towards Future High-Temperature Silicon Quantum Computing Hardware Technologies” - 2019-2023) este unul dintre proiectele de avangardă derulate în ultimii ani în cadrul Institutului Național de Cercetare Dezvoltare pentru Microtehnologie – IMT-București, mai precis în Laboratorul de Microsisteme şi componente microprelucrate de microunde şi unde milimetrice. Proiectul, prin rezultatele obţinute, publicate, în curs de publicare, va aduce contribuţii noi şi originale în domeniul extrem de nou al quantum computing-ului, de la care se așteaptă să aibă un uriaş impact în știința calculatoarelor, în tehnologia secolului 21 și implicit în economie și societate.

Dezvoltarea tehnologiilor de tip quantum computing folosind cele mai avansate tehnologii de tip CMOS utilizate la ora actuală de marii producători mondiali de componente electronice semiconductoare destinate telefoanelor celulare, calculatorarelor şi centrelor de date, reprezintă, în opinia IMT- București abordarea cea mai raţională în vederea obţinerii, într-un viitor previzibil, a unor rezultate promiţătoare pe drumul dezvoltării calculatoarelor cuantice performante, iar proiectul „IQubits” își propune să împlinească acest deziderat.
„IQubits” a fost câştigat în cadrul competiţiei FET OPEN din programul european H2020. Call-ul FET OPEN finanţează cercetările pentru tehnologii emergente şi fundamentale, cărora li se întrevăd aplicaţii industriale peste mai mult de 10 ani. Proiectul are coordonator Universitatea Aarhus din Danemarca și următorii membri în consorțiu: IMT-București, FORTH Heraklion, University of Toronto (fără finanțare), CNR Modena și Applied Materials (Italia). Este unul din puținele proiecte europene cu participare nord americană.

Echipa din IMT este condusă de dr. Alexandru Müller, doctor în fizică din 1990, Universitatea Bucureşti. Echipa proiectului are expertiză multidisciplinară în fizica şi ingineria microsistemelor şi este compusă din 6 cercetători seniori, un postdoc, un doctorand şi un tehnician. Domeniile de expertiză ale echipei cuprind micro şi nano prelucrare Si, GaAs şi GaN, dispozitive acustice (SAW şi FBAR) bazate pe microprelucrarea şi nanoprocesarea semiconductorilor de bandă largă (AlN, GaN, ScAlN), realizarea de dispozitive şi circuite în tehnologii RF MEMS.
Ideea acestui proiect a fost generată de echipa Universității Toronto, condusă de profesorul Sorin Voinigescu, absolvent al Politehnicii din Bucureşti și tânăr cercetător la ICCE București (actualul IMT București) între 1986 - 1988. IMT a avut un rol activ în conceperea acestui proiect, având o activitate anterioară lansării lui pe tematica propusă: rezultate foarte bune obţinute în domeniul nanolitografiei avansate (colectivul condus de dr. Adrian Dinescu), precum şi cele obţinute în domeniul caracterizării componentelor semiconductoare în curent continuu şi în domeniul microundelor la temperaturi criogenice (5K) în prezenţa câmpului magnetic (colectivul condus de dr. Alexandru Müller) de la IMT-Bucureşti. În faza de propunere a proiectului (în perioada 2017 – 2018) s-au pus în evidenţă efecte cuantice la temperaturi joase pe tranzistoare p-MOS proiectate la Universitatea din Toronto şi realizate în tehnologie comercială CMOS de 22 nm la Global Foundry. Măsurătorile au fost realizate pe un set-up adaptat in house la IMT.

Pe drumul dezvoltării quantum computing-ului și a industriei electronice europene
„IMT-București are o lungă istorie în participarea la proiectele din cadrul programelor cadru ale UE, fiind de departe prima instituție de cercetare din România în privința ratei de succes, dacă luăm în considerare numărul de proiecte europene câștigate raportat la numărul de cercetători (sau angajați) ai instituției. Primele participări românești la proiecte europene au fost în cadrul programului cadru FP4. În anul 1997, IMT - prin Laboratorul de Microsisteme și componente microprelucrate pentru microunde și unde milimetrice - a câștigat, în calitate de coordonator, proiectul FP4 MEMSWAVE (1998-2001). A fost primul proiect în domeniul IST coordonat de o țară ex-comunistă. Proiectul a avut un succes deosebit și a fost nominalizat între cele 10 proiecte finaliste pentru premiul Descartes al EU 2002. IMT a câștigat un număr impresionant de proiecte în cadrul programelor ulterioare: FP6 (15 ), FP7 (12), și H2020 (12).
Prin notorietatea câștigată, precum și prin noutatea tematicilor abordate, Laboratorul de Microsisteme și componente microprelucrate pentru microunde și unde milimetrice din cadrul IMT-București a avut o contribuție importantă în participarea institutului la proiectele finanțate de Comisia Europeană și recent a reușit să contribuie la câștigarea primelor proiecte de tip FET OPEN cu participare românească. Aceste proiecte sunt legate de cercetări avansate, cercetări fundamentale cu tematici emergente, la care se întrevăd aplicații concrete peste mai mult de zece ani. Două dintre dintre acestea abordează o tematică extrem de fascinantă – „dispozitive și circuite pentru Quantum Computing”. Este vorba de proiectele FET OPEN în derulare, Chiron și IQubits. Proiectul IQubits își propune dezvoltarea tehnologiilor pentru realizarea qubitilor în conexiune cu tehnologiile CMOS avansate. Realizarea cipurilor de tranzistoare cu un singur electron sau un singur „gol” presupune revenirea IMT București, după 30 de ani, la tehnologiile de bază (de astă dată adaptate secolului 21) specifice fabricației componentelor electronice avansate. Readucerea fabricației acestora în Europa și America de Nord reprezintă un obiectiv esențial al programelor europene și americane de dezvoltare a industriei electronice în viitor.” - Dr. Adrian Dinescu, Director General IMT-București

Obiectivul principal al proiectului vizează demonstrarea experimentală a capabilităţii qubitilor (unitatea elementară a unui calculator cuantic) şi a circuitelor integrate monolitice de tip qubit („qubit ICs”) pentru calculatoare cuantice să opereze la temperaturi mai mari de 3 K. Acesta reprezintă un pas important pentru dezvoltarea într-un viitor previzibil a unor calculatoare cuantice cu peste 1 milion de qubiti integraţi pe acelaşi cip semiconductor cu circuite electronice clasice pentru controlul şi citirea operaţiilor cuantice. Deşi par foarte reduse, aceste valori de temperatură sunt de 100 de ori mai mari decât cele (de ordinul zecilor de mK) la care operează la ora actuală computerele cuantice experimentale cu cca. 50 qubits ale unor firme precum Google sau IBM, şi ai căror qubiti utilizează joncţiuni Josephson supraconductorare.
Problema principală a calculatoarelor cuantice de astăzi este că se află la nivelul rudimentar la care se găseau calculatoarele clasice cu tuburi electronice în anii 1940. Încă nu s-a descoperit tranzistorul, adică un qubit performant! În primul rând, aceste calculatoare sunt masive, ocupând două camere pentru doar 50 de qubiti. Fiecare qubit este conectat la instrumente de control şi citire prin câteva cabluri coaxiale cu peste un metru lungime. Sunt greu de scalat la un număr mare de qubiti (un calculator cu un milion de qubiti, dacă ar fi posibil, ar avea dimensiunile unui stadion de fotbal), au o rată de eroare foarte mare (cca 10-2) şi nu pot executa decât algoritmi foarte scurţi, cu 5-10 paşi. Nu este de mirare că, deocamdată, nici un algoritm cuantic cu adevărat util nu a fost încă rulat pe un calculator cuantic. Pe lângă obstacolele deosebite de realizare practică a hard-ului, mai există şi o problemă de pregătire interdisciplinară a cercetătorilor, programatorilor şi inginerilor care lucrează sau vor lucra în acest domeniu. Calculatoarele cuantice nu sunt digitale. Semnalele, dacă vreţi programele, care controlează qubitii sunt similare în formă, frecvenţă (5-7 GHz) şi complexitate cu cele folosite în telefoanele 5G. Fără a exagera, se poate spune că este nevoie de un transceiver 5G pentru controlul fiecărui grup de 5-10 qubiti. Imaginaţi-vă un calculator cu 1 milion de qubiti care are nevoie de 100.000 de telefoane celulare, fiecare consumând 1 W, şi care să funcţioneze la 20 mK. Nu doar qubitii sunt o problemă formidabilă de rezolvat, dar şi electronica de control pune probleme deosebite de design şi, mai ales, consum de putere.

În proiectul IQubits, figura 1, qubitii, bazaţi pe spinul golurilor sau electronilor, sunt realizaţi într-o structură de tip „punct cuantic” (quantum dot) formată în canalul unui tranzistor MOSFET cu dimensiuni mai mici de 50 nm. Qubitul este chiar banalul tranzistor! Principalul avantaj al acestei platforme tehnologice este că deja există procese de fabricaţie de volum mare care permit integrarea câtorva miliarde de tranzistoare, adică spin qubiti, într-o arie de siliciu de 2.5cmx2.5cm. Cuplajul cuantic (entanglement) între qubitii învecinaţi ce formaeaza un registru unidimensional sau bidimensional se va realiza prin tunelare controlată a două „puncte cuantice” (quantum dots) alăturate. Citirea stării qubitilor la sfârşitul unui algoritm cuantic se realizează prin cuplarea capacitivă a fiecărui qubit cu un tranzistor cu un singur electron (single-elector transistor = SET) sau cu un singur gol (single hole transistor = SHT); structurile test de tranzistoare single electron/ single hole şi structurile de qubits realizate prin cuplarea acestor tranzistoare sunt fabricate în tehnologia de 22nm FDSOI de la GlobalFoundries în baza unei colaborări şi a unui proiect de calculator quantic monolitic propus de Universitatea Toronto, membră în consorţiul proiectului H2020 FETOpen IQubits. CNR şi Applied Materials Italia se ocupa de modelarea cuantică a structurilor de qubits, iar Universitatea Aarhus din Danemarca participa în proiectarea şi testarea circuitelor electronice pentru manipularea spinului qubitilor şi pentru citirea rezultatului la terminarea algoritmului cuantic. În paralel, FORTH Grecia studiază metode de fabricare pentru o tehnologie alternativă de realizare a qubitilor utilizând semiconductori compuşi pe bază de nitruri şi elemente din coloana a treia a tabelului periodic (III-nitrides).
Caracterizarea acestor tranzistoare şi a qubitilor la temperaturi joase (T = 2 - 10 K) şi în câmp magnetic este obiectivul unui pachet de lucru al cărui lider este grupul din IMT. IMT are, de asemenea, o importantă implicare în dezvoltarea experimentală a tranzistorilor de tip qubit cu lungimea porţii de cca. 10 nm, valoare sub limita atinsă de vreo tehnologie industrială în acest moment. Realizarea şi caracterizarea acestor structuri test va fi extrem de utilă pentru momentul în care tehnologiile industriale (care utilizează tehnici de tip „extreme UV”, tehnicile de e-beam lithography, utilizate în cercetare, nefiind aplicabile industrial din cauza faptului că procesează fiecare structură individual, ceea ce le face extrem de lente) vor ajunge la aceste dimensiuni (e vorba de 3-5 ani cel mai probabil). Figura 2 prezintă o imagine SEM centrată pe zona canalului de Si cu trei porţi. Dimensiunea critică a porţii este 25nm, iar a liniei în fotorezist (HSQ) de 15nm.

Activitatea de caracterizare a dispozitivelor se realizează în cadrul IMT pe trei tipuri de instalaţii:
➥ Sistem de test on-erer (realizat în IMT-Bucureşti prin adaptarea unui echipament criogenic destinat dispozitivelor încapsulate). El se bazează pe un criostat de tip Janis (SHI-4H-1), adaptat pentru măsurători criogenice „on die” pe structuri de tranzistoare în DC şi în microunde (până la 67 GHz), prin realizarea unui cap de măsură special care încape în corpul criostatului şi este conectat cu cabluri speciale la echipamentele de măsură în dc şi microunde. Acesta era singurul echipament existent în consorţiul internaţional la începutul proiectului IQubits, capabil să realizeze măsurători DC şi RF (până la 67 GHz) la temperaturi criogenice (până la 5K). Echipamentul funcţionează cu un compresor cu He recirculat (fără consum de He). În figura 3 este prezentată diagrama de stabilitate cu diamantele Coulomb obţinute pe un dispozitiv p-MOS (1×18nm×70nm). Toate măsurătorile necesare pentru obţinerea diamantelor Coulomb au fost realizate pe parcursul mai multor zile, setup-ul cu criostat funcţionând continuu în această perioadă, pentru a putea menţine temperatura de lucru de 6.2 K pe parcursul întregului experiment.

➥ Sistem de test criogenic (CPX-VF de la Lake Shore Cryotronics, achiziţie recentă IMT) cu câmp magnetic vertical (max 2,5 T), pentru testarea tranzistoarelor de tip qubit, qubitilor şi a circuitelor integrate cu qubiti, în DC şi în RF (până la 67 GHz) la temperaturi criogenice (până la 1,53 K). Echipamentul funcţionează cu consum de He lichid.
➥ Un al treilea sistem de măsură on-wafer cu criostat Janis (SHI-4-2-AC) a fost proiectat, implementat şi testat în IMT-Bucureşti. Acesta este realizat pentru a putea obţine caracterizări ale dispozitivelor şi circuitelor qubit până la frecvenţe de 110 GHz şi temperaturi de până la 5 K.

* * *
Articol publicat cu suportul proiectului EU Horizon 2020 FET OPEN „IQubits” (GA No 829005).