Characterization of nanowires for qubit fabrication based on Silicon technology using Raman spectroscopy

Abstract

The advancement of quantum computing facilities necessitates the scalable development of reliable qubit platforms, which is currently at the forefront of research efforts by major industrial players such as Google, Amazon, and Intel. One of the most promising strategies to address this challenge involves adapting current silicon nanoelectronics chip technology to meet the requirements for semiconductor qubit fabrication. This adaptation utilizes either electron or hole spin-orbit coupling in semiconductors, along with gates to control, read, and manipulate spin states electrically. This approach demands state-of-the-art fabrication processes that meticulously control the roughness, strain, doping, and positioning of semiconductor nanowires, two-dimensional semiconductor and oxide layers, and metallic gates. In this Master’s thesis, we report a micro-Raman investigation of silicon nanowires and chips within the framework of a Spanish national research program aimed at developing the first Spanish scalable qubit fabrication platform based on silicon technologies, in collaboration with the Barcelona Microelectronics Institute - CSIC. To achieve this, hyperspectral maps and spectral profiles were obtained using two different laser wavelengths on both polycrystalline and monocrystalline silicon nanowire layers deposited on a single-crystal silicon substrate covered with thermal oxide. In all cases, the Raman spectrum is dominated by the signal from the silicon substrate, presenting a challenge in identifying the characteristics of the silicon nanowire, which are of interest for this project. A careful combination of polarization studies and intentional laser heating of the uppermost layer, along with a unique fitting strategy developed in Python during this Master’s thesis, provided a method to characterize the main features of the nanowire layer with submicron resolution. This method represents the primary result of the current thesis and will be applied in the future to analyze further steps in the quest for the fabrication of scalable semiconductor qubit platforms.

El avance de las instalaciones de computación cuántica requiere el desarrollo escalable de plataformas de qubits fiables, que actualmente está en la vanguardia de los esfuerzos de investigación de los principales actores industriales como Google, Amazon e Intel. Una de las estrategias más prometedoras para afrontar este reto consiste en adaptar la actual tecnología de chips nanoelectrónicos de silicio para cumplir los requisitos de fabricación de qubits semiconductores. Esta adaptación utiliza el acoplamiento espín-órbita de electrones o huecos en semiconductores, junto con puertas para controlar, leer y manipular eléctricamente los estados de espín. Este enfoque exige rigurosos procesos de fabricación de última generación que controlen meticulosamente la rugosidad, la deformación, el dopaje y la posición de nanohilos semiconductores, las capas bidimensionales semiconductoras y de diversos óxidos y las puertas metálicas. En este trabajo de fin de máster, presentamos una investigación micro-Raman de nanohilos y chips de silicio en el marco de un programa nacional español de investigación destinado a desarrollar la primera plataforma española de fabricación escalable de qubits basada en tecnologías de silicio, en colaboración con el Instituto de Microelectrónica de Barcelona - CSIC. Para ello, se obtuvieron mapas hiperespectrales y perfiles espectrales utilizando dos longitudes de onda laser diferentes sobre capas de nanohilos de silicio policristalino y monocristalino depositadas sobre un sustrato de silicio monocristalino recubierto de óxido térmico. En todos los casos, el espectro Raman está dominado por la señal procedente del sustrato de silicio, lo que supone un desafío a la hora de identificar las características del nanohilo de silicio, que son de interés para este proyecto. Una cuidadosa combinación de estudios de polarización y calentamiento láser intencionado de la capa superior, junto con una estrategia de ajuste singular desarrollada en Python durante esta tesis de máster, proporcionó un método para obtener las principales características de la capa de nanohilos con una resolución submicrométrica. Este método representa el principal resultado de la presente tesis y se aplicará en el futuro para analizar nuevos pasos en la búsqueda de la fabricación de plataformas de qubits semiconductores escalables.