Fabricação de junções Al/AlOx/Al com alta uniformidade e estabilidade em substratos de safira

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11874 (2023) Citar este artigo

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Tântalo e alumínio em safira são plataformas amplamente utilizadas para qubits de longo tempo coerente. À medida que os chips quânticos aumentam, o número de junções Josephson na safira aumenta. Assim, tanto a uniformidade quanto a estabilidade das junções são cruciais para dispositivos quânticos, como circuitos de computador quântico supercondutores escaláveis e amplificadores quânticos limitados. Ao otimizar o processo de fabricação, especialmente a camada condutora durante o processo de litografia por feixe de elétrons, foram preparadas junções Al/AlOx/Al de tamanhos variando de 0,0169 a 0,04 µm2 em substratos de safira. O desvio padrão relativo das resistências à temperatura ambiente (RN) – \({\upsigma }_{{R_{{\text{N}}} }} /\left\langle {R_{{\text{N}}} } \right\rangle\) dessas junções é melhor que 1,7% em chips de 15 mm × 15 mm e melhor que 2,66% em wafers de 2 polegadas, que é a maior uniformidade relatada em substratos de safira. As junções são robustas e estáveis em resistências à medida que a temperatura muda. As resistências aumentam na proporção de 9,73% em relação ao RN à medida que a temperatura desce para 4 K, e restauram seus valores iniciais no processo inverso à medida que a temperatura volta à temperatura ambiente. Depois de armazenados em câmara de nitrogênio por 100 dias, a resistência das junções mudou em média 1,16%. A demonstração de junções Josephson uniformes e estáveis em grandes áreas abre caminho para a fabricação de chips supercondutores de centenas de qubits em substratos de safira.

Enquanto a segunda revolução quântica se desenrola, é muito urgente explorar as amplas aplicações de vários dispositivos quânticos supercondutores. A junção Josephson é um dispositivo constituído por dois supercondutores separados por um isolador fino com alguns nanômetros1. A junção do túnel tem características de baixa perda e forte não linearidade, e desempenha papéis essenciais em dispositivos quânticos, incluindo qubit supercondutor, detectores de fótons de micro-ondas únicos e amplificadores quânticos limitados . Como existe uma relação direta entre a frequência do qubit e o RN7, para chips multi-qubit, as variações do RN da junção Josephson podem levar a colisões de frequência entre os qubits. Além disso, a não uniformidade da corrente crítica pode levar a reflexões indesejadas no amplificador paramétrico de ondas viajantes Josephson e reduzir o desempenho do dispositivo6. Preparar junções Josephson em escala wafer com alta uniformidade e estabilidade com instalações comuns é muito importante.

É um desafio fabricar junções Josephson altamente uniformes em escala de wafer, especialmente em safira. Os pesquisadores têm feito muitos esforços para melhorar a uniformidade das junções Al/AlOx/Al em substrato de silício de alta resistividade. Ao otimizar o processo de fabricação, é relatado que, 3,5% de variação de resistência para junções Al/AlOx/Al de 0,042 µm2 em um chip de 49 cm28; Variação de resistência de 3,7% para junções Al/AlOx/Al em um wafer que contém quarenta chips de 0,5 × 0,5 cm29; e variação crítica de corrente de 3,9% para junções Al/AlOx/Al em um chip de 20 × 20 mm210. Para maior ajuste da resistência, foi desenvolvido o recozimento a laser7,11. Os métodos usados no silício podem não funcionar para a safira. A safira é um substrato comumente usado para circuitos quânticos supercondutores devido à sua perda de microondas muito baixa e compatível com o crescimento de materiais de baixa perda como o tântalo. O tempo de coerência mais longo para um qubit supercondutor foi relatado em safira12. No entanto, não é apenas difícil obter padrões de junção uniformes usando exposição a feixes de elétrons de baixa energia (devido ao efeito de carga), mas também é difícil melhorar a resistência de junção uniforme usando recozimento a laser (devido à transparência à luz). Portanto, explorar o processo de fabricação de junções Al / AlOx / Al com alta uniformidade em larga escala em safira é fundamental para o desenvolvimento de processadores quânticos supercondutores de alta qualidade .

\) 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>