Fabrication and Characterization of Ultrafast Cryogenic Photodiodes for Scalable High-Bandwidth Quantum Computers

Abstract

Quantum computers have the potential to solve certain problems beyond the reach of classical computers in applications such as medicine, cryptography, and finance. However, achieving fault-tolerant quantum computing requires increasing the number of physical qubits from today's hundreds to hundreds of thousands or even millions. Superconducting quantum computing shows promise as a large-scale platform, but major challenges remain due to the thermal load, physical footprint, and cost of the conventional electrical interconnects between qubits at cryogenic temperatures and room-temperature control electronics. Utilizing optical connections as a part of the interface is viewed as a promising scalable solution, allowing high-bandwidth connections with little thermal impact. Such a photonic link requires an efficient and fast optical-to-electrical conversion at cryogenic temperatures, for which photodiodes are key enabling components.

However, ultrafast photodiodes operating efficiently at cryogenic temperatures are not yet widely demonstrated, as the performance of conventional photodiodes typically degrades at extremely low temperatures. Cooling changes optical and electrical properties of common photodiode materials, creating challenges in efficient high-speed operation, particularly in the conventional telecommunication wavelength range near 1550 nm. In this thesis, ultrafast photodiodes intended for operation in this wavelength range at the temperature of 4 K were fabricated and characterized. The devices are based on the uni-traveling carrier photodiode (UTC-PD) architecture, where only electrons are used as the active carriers. Epitaxial details are excluded due to intellectual property and publication considerations.

The primary objective of this thesis is to investigate how the device layout affects photodiode bandwidth. To this end, four different device geometries were designed and realized, each with varying active area sizes to assess performance scaling. Current–voltage characteristics, responsivity, static linearity, and bandwidth were measured. The devices were photosensitive at 4 K near 1550 nm, with the maximum measured responsivity exceeding 0.6 A/W. The implemented layout techniques significantly improved the bandwidth compared to the reference geometry. The highest measured 3-dB bandwidth for a device with an estimated responsivity of 0.2 A/W exceeded 50 GHz, which is, to the best of our knowledge, the highest reported bandwidth for a semiconductor photodetector operating at 4 K in this wavelength region. The combination of the very high bandwidth and practical responsivity at 1550 nm and 4 K compares favourably with previously reported cryogenic semiconductor and graphene photodetectors.

The main bandwidth limitations were likely the junction capacitance, parasitic capacitance associated with the device layout, and series resistance. The dominant limiting mechanism depended on the device size. The measured bandwidths followed expected behavior limited by resistance and capacitance, indicating the intrinsic bandwidth limit of this photodiode structure was not reached and that further reductions in parasitic capacitance could enable even higher bandwidths in future device iterations. The results of this thesis highlight the potential of the investigated photodiodes for use in scalable high-bandwidth quantum computing control interfaces.

Kvanttitietokoneilla on potentiaalia ratkaista esimerkiksi lääketieteen, kryptografian ja finanssialan tiettyjä ongelmia, joihin klassiset tietokoneet eivät kykene. Virheensietokykyisen kvanttilaskennan saavuttaminen edellyttää kuitenkin kubittien lukumäärän kasvattamista nykyisestä satojen suuruusluokasta satoihin tuhansiin tai jopa miljooniin. Suprajohteisiin perustuvat kvanttitietokoneet osoittavat lupaavaa skaalautuvuutta, jota toisaalta rajoittavat huoneenlämpötilaan sijoitetun ohjauselektroniikan ja kryogeenisissa lämpötiloissa toimivien kubittien välisten sähköisten liitäntöjen lämpökuorma, suuri tilantarve ja korkeat kustannukset. Optiset yhteydet osana ohjausrajapintaa tarjoavat skaalautuvan ratkaisun, sillä niiden avulla voidaan saavuttaa suuri tiedonsiirtokapasiteetti vähäisellä lämpökuormalla. Tällainen rajapinta vaatii optisen signaalin nopeaa ja tehokasta muunnosta sähköiseksi kryogeenisissa lämpötiloissa.

Fotodiodit ovat tässä muunnoksessa avainasemassa, mutta tehokkaaseen ja erittäin nopeaan toimintaan kryogeenisissa lämpötiloissa kykeneviä fotodiodeja ei ole vielä juurikaan esitetty kokeellisesti. Taustalla ovat matalassa lämpötilassa ilmenevät haasteet, jotka johtuvat yleisten fotodiodimateriaalien sähköisten ja optisten ominaisuuksien muutoksista erityisesti tavanomaisella 1550 nm:n tietoliikenneaallonpituusalueella. Tässä diplomityössä valmistettiin ja karakterisoitiin ultranopeita fotodiodeja, jotka on suunniteltu toimimaan tällä aallonpituusalueella 4 K:n lämpötilassa. Laitteet perustuvat uni-traveling carrier -fotodiodirakenteeseen (UTC-PD), jossa aktiivisina varauksenkuljettajina toimivat vain elektronit. Epitaksiaalirakenteen yksityiskohdat on jätetty esittämättä immateriaalioikeuksiin ja tuleviin julkaisuihin liittyvistä syistä.

Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia laitteen geometrian ja kaistanleveyden välistä yhteyttä. Tätä varten työssä suunniteltiin ja valmistettiin fotodiodeja neljällä erilaisella geometrialla, joista kukin toteutettiin usealla aktiivisen alueen koolla. Valmistettujen laitteiden virta-jännitekäyrät, valovaste, fotosähkövirran ja optisen tulotehon välinen lineaarisuus sekä kaistanleveydet mitattiin. Laitteet olivat valolle herkkiä 1550 nm:n aallonpituusalueella 4 K:ssä, jossa korkein mitattu valovaste ylitti 0,6 A/W. Tutkitut laitegeometriat kasvattivat kaistanleveyttä merkittävästi vertailugeometriaan nähden. Suurin mitattu 3 dB:n rajataajuus 4 K:ssä mitattiin fotodiodilla, jonka arvioitu valovaste oli 0,2 A/W. Kaistanleveys oli yli 50 GHz, joka on tiettävästi korkein esitetty fotodiodin kaistanleveys tällä aallonpituusalueella 4 K:ssä. Työssä valmistettujen laitteiden hyvin korkean kaistanleveyden ja käytännöllisen valovasteen yhdistelmä on erittäin kilpailukykyinen aiemmin esitettyihin kryogeenisiin puolijohde- ja grafeenipohjaisiin valoilmaisimiin verrattuna.

Pääasialliset kaistanleveyttä rajoittavat tekijät olivat liitoskapasitanssi, laitteen geometriaan liittyvä parasiittinen kapasitanssi ja sarjaresistanssi. Kaistanleveyttä eniten rajoittava tekijä riippui laitteen aktiivisen alueen koosta. Mitatut kaistanleveydet vastasivat laitteen resistanssin ja kapasitanssin perusteella arvioitua käyttäytymistä, mikä viittaa siihen, ettei tämän fotodiodirakenteen sisäistä kaistanleveysrajoitusta vielä saavutettu. Parasiittisen kapasitanssin pienentäminen voi siten parantaa kaistanleveyttä entisestään tulevissa laiteversioissa. Tämän diplomityön tulokset osoittavat tutkitulla fotodiodirakenteella olevan merkittävää potentiaalia skaalautuvissa korkean kaistanleveyden kvanttitietokoneiden ohjausrajapinnoissa.