Fabbricazione di giunzioni Al/AlOx/Al con elevata uniformità e stabilità su substrati di zaffiro

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11874 (2023) Citare questo articolo

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Il tantalio e l'alluminio su zaffiro sono piattaforme ampiamente utilizzate per qubit a lungo tempo coerente. Man mano che i chip quantistici crescono, il numero di giunzioni Josephson sullo zaffiro aumenta. Pertanto, sia l’uniformità che la stabilità delle giunzioni sono cruciali per i dispositivi quantistici, come il circuito scalabile del computer quantistico superconduttore e gli amplificatori quantistici limitati. Ottimizzando il processo di fabbricazione, in particolare lo strato conduttivo durante il processo di litografia a fascio di elettroni, sono state preparate giunzioni Al/AlOx/Al di dimensioni comprese tra 0,0169 e 0,04 µm2 su substrati di zaffiro. La deviazione standard relativa delle resistenze della temperatura ambiente (RN) – \({\upsigma }_{{R_{{\text{N}}} }} /\left\langle {R_{{\text{N}}} } \right\rangle\) di queste giunzioni è migliore dell'1,7% su chip da 15 mm × 15 mm e migliore del 2,66% su wafer da 2 pollici, che è la massima uniformità riportata sui substrati di zaffiro. Le giunzioni sono robuste e stabili nelle resistenze al variare della temperatura. Le resistenze aumentano nella proporzione del 9,73% rispetto a RN quando la temperatura scende fino a 4 K e ripristinano i loro valori iniziali nel processo inverso quando la temperatura ritorna alla temperatura ambiente. Dopo essere stata conservata in una cabina ad azoto per 100 giorni, la resistenza delle giunzioni è cambiata in media dell'1,16%. La dimostrazione di giunzioni Josephson uniformi e stabili in un'ampia area apre la strada alla fabbricazione di chip superconduttori di centinaia di qubit su substrati di zaffiro.

Mentre si sta svolgendo la seconda rivoluzione quantistica, è molto urgente sfruttare le ampie applicazioni di vari dispositivi quantistici superconduttori. La giunzione Josephson è un dispositivo costituito da due superconduttori separati da un sottile isolante di pochi nanometri1. La giunzione tunnel ha le caratteristiche di bassa perdita e forte non linearità e svolge un ruolo essenziale nei dispositivi quantistici, tra cui qubit superconduttori, rilevatori di fotoni a microonde singola e amplificatori a limitazione quantistica2,3,4,5,6. Poiché esiste una relazione diretta tra la frequenza del qubit e l'RN7, per i chip multi-qubit, le variazioni di RN della giunzione Josephson possono portare a collisioni di frequenza tra i qubit. Inoltre, la non uniformità della corrente critica può portare a riflessioni indesiderate nell'amplificatore parametrico a onde progressive Josephson e ridurre le prestazioni del dispositivo6. È molto importante preparare giunzioni Josephson su scala wafer con elevata uniformità e stabilità con strutture comuni.

È difficile fabbricare giunzioni Josephson altamente uniformi su scala wafer, specialmente sullo zaffiro. I ricercatori hanno compiuto molti sforzi per migliorare l'uniformità delle giunzioni Al/AlOx/Al sul substrato di silicio ad alta resistività. Ottimizzando il processo di fabbricazione, è stato riportato che, una variazione di resistenza del 3,5% per giunzioni Al/AlOx/Al da 0,042 µm2 su un chip da 49 cm28; Variazione di resistenza del 3,7% per le giunzioni Al/AlOx/Al su un wafer che contiene quaranta chip da 0,5 × 0,5 cm29; e variazione di corrente critica del 3,9% per giunzioni Al/AlOx/Al su un chip 20 × 20 mm210. Per regolare ulteriormente la resistenza, è stata sviluppata la ricottura laser7,11. I metodi utilizzati sul silicio potrebbero non funzionare per lo zaffiro. Lo zaffiro è un substrato comunemente utilizzato per i circuiti quantistici superconduttori grazie alla sua bassissima perdita nelle microonde ed è compatibile con la crescita di materiali a bassa perdita come il tantalio. Il tempo di coerenza più lungo per un qubit superconduttore è stato riportato su sapphire12. Tuttavia, non solo è difficile ottenere modelli di giunzione uniformi utilizzando l'esposizione a fasci di elettroni a bassa energia (a causa dell'effetto di carica), ma è anche difficile migliorare la resistenza di giunzione uniforme utilizzando la ricottura laser (a causa della trasparenza alla luce). Pertanto, esplorare il processo di fabbricazione delle giunzioni Al/AlOx/Al con elevata uniformità su larga scala sullo zaffiro è fondamentale per lo sviluppo di processori quantistici superconduttori di alta qualità13,14.

\) 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>