Изготовление переходов Al/AlOx/Al с высокой однородностью и стабильностью на сапфировых подложках

Том 13 научных докладов, номер статьи: 11874 (2023) Цитировать эту статью

266 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Тантал и алюминий на сапфире являются широко используемыми платформами для кубитов длительного когерентного времени. По мере увеличения размера квантовых чипов количество джозефсоновских переходов на сапфире увеличивается. Таким образом, как однородность, так и стабильность переходов имеют решающее значение для квантовых устройств, таких как масштабируемые сверхпроводящие схемы квантового компьютера и усилители с квантовым ограничением. Путем оптимизации процесса изготовления, особенно проводящего слоя в процессе электронно-лучевой литографии, были получены переходы Al/AlOx/Al размером от 0,0169 до 0,04 мкм2 на сапфировых подложках. Относительное стандартное отклонение сопротивлений при комнатной температуре (RN) – \({\upsigma }_{{R_{{\text{N}}} }} /\left\langle {R_{{\text{N}}} } \правый\круглый\) этих переходов составляет более 1,7% на чипах размером 15 × 15 мм и более 2,66% на 2-дюймовых пластинах, что является самой высокой однородностью, зарегистрированной на сапфировых подложках. Соединения прочные и устойчивы к изменениям температуры. Сопротивления увеличиваются на 9,73% относительно RN при снижении температуры до 4 К и восстанавливают свои первоначальные значения в обратном процессе при снижении температуры до комнатной. После хранения в азотном шкафу в течение 100 суток сопротивление спаев изменилось в среднем на 1,16%. Демонстрация однородных и стабильных джозефсоновских переходов на большой площади открывает путь к изготовлению сверхпроводящих чипов из сотен кубитов на сапфировых подложках.

Пока разворачивается вторая квантовая революция, очень важно использовать широкое применение различных сверхпроводящих квантовых устройств. Джозефсоновский переход — это устройство, состоящее из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолятором толщиной в несколько нанометров1. Туннельный переход обладает характеристиками низких потерь и сильной нелинейности и играет важную роль в квантовых устройствах, включая сверхпроводящий кубит, детекторы одиночных микроволновых фотонов и усилители с квантовым ограничением2,3,4,5,6. Поскольку существует прямая связь между частотой кубита и RN7, для многокубитных чипов изменения RN джозефсоновского перехода могут привести к столкновениям частот между кубитами. Кроме того, неравномерность критического тока может привести к нежелательным отражениям в параметрическом усилителе бегущей волны Джозефсона и снизить производительность устройства6. Очень важно подготовить джозефсоновские переходы в масштабе пластины с высокой однородностью и стабильностью на обычном оборудовании.

Изготовить высокооднородные джозефсоновские переходы в масштабе пластины, особенно на сапфире, сложно. Исследователи приложили много усилий для улучшения однородности переходов Al/AlOx/Al на кремниевой подложке с высоким удельным сопротивлением. Сообщается, что благодаря оптимизации процесса изготовления изменение сопротивления составляет 3,5% для переходов Al/AlOx/Al площадью 0,042 мкм2 на чипе площадью 49 см28; разброс сопротивления 3,7% для переходов Al/AlOx/Al на пластине, содержащей сорок чипов размером 0,5 × 0,5 см29; и изменение критического тока 3,9% для переходов Al/AlOx/Al на кристалле 20 × 20 мм210. Для дальнейшей регулировки сопротивления был разработан лазерный отжиг7,11. Методы, используемые для кремния, могут не работать для сапфира. Сапфир является широко используемой подложкой для сверхпроводящих квантовых схем из-за его очень низких микроволновых потерь и совместимости с выращиванием материалов с низкими потерями, таких как тантал. Самое продолжительное время когерентности сверхпроводящего кубита зафиксировано на сапфире12. Однако трудно не только добиться однородного рисунка перехода с помощью воздействия пучка низкоэнергетических электронов (из-за эффекта зарядки), но также трудно улучшить однородное сопротивление перехода с помощью лазерного отжига (из-за прозрачности для света). Поэтому исследование процесса изготовления переходов Al/AlOx/Al с высокой однородностью в больших масштабах имеет решающее значение для разработки высококачественных сверхпроводящих квантовых процессоров13,14.

\) better than 1.7% on 15 mm × 15 mm chips, and \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R}_{\mathrm{N}}>\) better than 2.66% on 2 inch wafers, which is the highest uniformity on sapphire substrates has been reported. Furthermore, we find that these junctions exhibit robust stability in resistances, whose resistance increase by 9.73% relative to RN as the temperature decreases from room temperature (300 K) to 4 K, and almost return to their initial values in a reversible process when the temperature rises back. This is consistent with the existing reports16. After being stored in a nitrogen cabinet for 100 days, the resistances of these junctions changed very little. This paves the way for the preparation of nearly 100-qubit superconducting circuit with long qubit coherence time based on sapphire substrates./p>\) is less than 2%. On 2 inch wafers, the \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R}_{\mathrm{N}}>\) is less than 3%. In both chip size and wafer scale, the uniformity of these junctions decreases with an increase in the junction area (Fig. 3a,d). This indicates that patterns with a larger scale exposed using low beam energy are more uniform. However, the resistance of the smallest junction size with 130 × 130 nm2 still exhibits a very regular Gaussian distribution relative to the designed junction resistance, as shown in Fig. 3b,e. The spatial distribution of the junction resistances (Fig. 3c,f) shows that the relative resistance deviation is higher on the right side of the chip. This should be due to changes in the evaporation conditions as the deposition angle is changed over the wafer. The effective growth rate and shading effect can affect the grain uniformity, and the deposition angle relative to the sidewall of the resist can affect the junction area. Most of these condition variations should be improved by optimizing the evaporation procedure24./p>\) versus junction areas. The junction areas are 130 nm × 130 nm, 145 nm × 145 nm, 160 nm × 160 nm, 175 nm × 175 nm, 190 nm × 190 nm, 200 nm × 200 nm, and the corresponding SQUID average resistance < \({R}_{\mathrm{N}}\)> are 11.9 kΩ, 9.63 kΩ, 7.79 kΩ, 6.53 kΩ, 5.74 kΩ, 5.09 kΩ. (b), (e) Gaussian distribution of the room temperature resistances of these junctions with junction area of 130 nm × 130 nm. (c), (f) Spatial distribution of the junction resistances with junction area of 130 nm × 130 nm./p>\) values better than 1.7% on a 15 mm × 15 mm chip and better than 2.66% on a 2 inch wafer. To achieve this, a 20 nm Al layer was used as a conductive layer to reduce the charging effect during electron beam lithography. Before developing, the main Al conductive layer was removed with a TMAH dilution without attacking the photoresist, and the remaining was removed with deionized water, then the final patterns were defined, which results in sharp photoresist patterns. Then, the ashing process to remove organic residues and the Al evaporation rates related to the roughness of the bottom electrode were optimized. The junctions fabricated by this process also showed good stability. Their resistances increased at a fixed ratio of 9.73% as the temperature decreased from room temperature to 4 K, and almost returned to their initial values in a reversible process when the temperature rose back. This behavior is consistent with the Simmon model and indicates that the barrier layer of these junctions is stable and uniform. Over three months of storage in a nitrogen cabinet, these junctions had an average change in resistance of 1.16%. Our optimized process for fabricating Josephson junctions with high uniformity and stability paves the way for large-scale superconducting quantum chip fabrication on a sapphire substrate./p>