Frostige Forschung: Fraunhofer IZM entwickelt Integrationstechnologien für Kryo-Elektronik

fTeilen

Quantentechnologien und Highspeed-Rechner mit Supraleitern gehören zu den
aktuellen Elektronik-Trends. Doch sind die Strukturen, mit denen etwa
Qubits auf Chips angesteuert und in Echtzeit ausgelesen werden können,
bislang noch größer als die Qubits selbst. Forschende des Fraunhofer IZM
haben nun einen Prozess entwickelt, mit dem sie die Anschlussdichte mit
Indiumbumps im Vergleich zu bisherigen Lösungen verdoppeln. Mit dieser
Technologie wollen sie nun die Ansteuerelektronik optimieren. Zusätzlich
haben sie in Berlin ein Kryomesslabor eingerichtet, mit dem sie die
Leistungsfähigkeit ihrer Elektronikaufbauten testen können.

Fans der Science-Fiction kennen den Vorgang: Mit Hilfe der Kryostase wird
die Hauptfigur eingefroren und kann einige Jahrhunderte später unbeschadet
aus dem Kälteschlaf erweckt werden. Solche Utopien basieren auf ganz
realer Wissenschaft: der Kryotechnik. Dabei werden Gase verflüssigt, indem
sie Tiefsttemperaturen von -160°C und noch kälter ausgesetzt werden.
Während die Erkenntnisse der Kryotechnik Ende des 19. Jahrhunderts noch
experimentell gewonnen wurden, haben inzwischen viele Branchen die
Vorteile der extremen Kälte erkannt: In der Raumfahrt kommen
beispielsweise Kryo-Sensoren für die Gravitationsmessung oder rauscharme
Verstärker für sehr schwache Signale zum Einsatz. In der Kryochirurgie
wird damit krankes Gewebe behandelt. Vor allem auf dem Gebiet der
Quantentechnologie ist die Kryotechnik relevant.

Um das Spektrum der Quantentechnologien vom Computing über die Sensorik
bis zur Quantenkommunikation realisieren zu können, ist die Entwicklung
geeigneter und vor allem skalierbarer Fertigungstechnologien notwendig.
Damit ein Quantencomputer echte Rechnungen löst und damit Anwendungen
beschleunigt, bedarf es zusätzlicher, ansteuerbarer Qubits – mit
Hunderttausenden bis sogar Millionen physikalischen Einheiten nicht gerade
wenige. Diese Qubits sind durch supraleitende Schaltkreise miteinander
verbunden, also Leitungen, die bei bestimmter Kälte einen kaum noch
messbaren elektrischen Widerstand aufweisen.

Um nun die Qubits auslesen und manipulieren zu können, bedarf es einer
elektrischen Schaltung, die eine möglichst hohe Anschlussdichte besitzt.
Außerdem muss sie thermisch entkoppelt sein, damit durch ihre
Eigenerwärmung im Betrieb die gekühlten Qubits ihre Verschränkung nicht
verlieren. Die so genannte Quantenüberlegenheit wird erst mit hohen Qubit-
Zahlen erreicht, man geht derzeit von 100.000 oder sogar einer Million
Qubits aus. Die erreichbare Qubit-Dichte auf einem Halbleiterchip ist in
vielen Fällen durch die Kontaktdichte limitiert. Beim Anschluss-Rastermaß,
dem so genannten Pitch, konnte mit derzeitigen Technologien seit Jahren
der Wert von 15 Mikrometern nicht unterschritten werden. Den Forschenden
um Dr.-Ing. Hermann Oppermann vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit
und Mikrointegration IZM ist es nun gelungen, durch die galvanische
Abscheidung von Indium einen Pitch von weniger als 7,5 Mikrometern zu
realisieren.
Bei erforderlichen Umgebungstemperaturen von 20 Milli-Kelvin im Betrieb
muss die Eigenerwärmung der elektrischen Leitungen extrem niedrig sein.
Dafür sind supraleitende Materialien bestens geeignet. Den Forschenden um
Hermann Oppermann ist die Abscheidung und Strukturierung von
supraleitendem Niob und Nioblegierungen gelungen, die für die Verdrahtung
von Schaltungsträgern in mehreren Lagen, so genannte Interposer, mit
Durchkontaktierungen verwendet werden. Das Ergebnis sind äußerst
verlustarme Schaltungsträger, mit denen sich Qubit-Arrays in Echtzeit
ansteuern und zu hochdichten, skalierbaren Systemen für Quantenrechner
integrieren lassen.

Um diese Technologiebasis zu schaffen, Materialien zu untersuchen,
Integrationskonzepte zu optimieren und supraleitende Aufbau- und
Verbindungstechnik für kryogene Anwendungen zu entwickeln, wurde am
Fraunhofer IZM in Berlin das Kryomesslabor eingerichtet. Im neu
aufgebauten Testlabor können die Forschenden elektrische Schaltungen
charakterisieren, evaluieren und damit Integrationstechnologien für
Anwendungen in Niedrigsttemperaturen voranbringen. Durch die Analyse des
Widerstandsverhaltens einzelner Schaltungsbestandteile, die mit einem
Kühlfinger unter Vakuum auf bis zu 3 Kelvin gekühlt werden, können das
elektrische Verhalten und die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen,
Umverdrahtungsebenen und Leitungssysteme bei Kryo-Temperaturen evaluiert
werden.

In laufenden Projekten konnten bereits erste Messungen vorgenommen und
Aufbau- und Verbindungstechniken sowie die Integration unter kryogenen
Bedingungen vorangetrieben werden. „Als einen der nächsten Schritte sehen
wir die Erweiterung der kryogenen Aufbau- und Verbindungstechnik in
Richtung hochfrequente Millimeter-Wellentechnik.“ Hermann Oppermann ist
zuversichtlich: „Unsere steigende Expertise auf diesem Gebiet bietet ein
weites Marktpotenzial, welches über die Quantentechnologien hinaus in
klassische Anwendungsgebiete wie High Performance Computing und Kryo-
Sensorik reicht. Wir sind offen für weitere Projekte, in denen wir mit
unseren Aufbautechnologien kryogene Anwendungen auf die nächste Ebene
bringen.“