[发明专利]一种约瑟夫森结、约瑟夫森结阵列、其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种约瑟夫森结、约瑟夫森结阵列、其制备方法和用途，所述约瑟夫森结的制备方法包括：选用A面蓝宝石作为衬底，基于小的晶格错配度，可制备出表面平整的准外延Ta（110）超导薄膜，作为约瑟夫森结下电极；进一步地，借助氧化或者沉积方法形成致密、稳定且可控的Ta₂O₅氧化层作为约瑟夫森结中间层；其上再沉积一层Ta超导层作为约瑟夫森结上电极；后兼容光刻和空气桥方案进行超导电路制备及结电极的导通，完成约瑟夫森结阵列制备。所涉及方案中采用化学钝化方式对超导电路及约瑟夫森结进行保护。本发明避免了复杂的悬胶和双倾角蒸镀等工艺步骤，具有工艺步骤简洁，成品率高、可规模化等特点。

技术领域

本发明属于超导芯片技术领域，涉及一种约瑟夫森结、约瑟夫森结阵列、其制备方法和用途。

背景技术

量子计算机是基于量子力学进行信息处理和运算的装置，相较于经典计算机，在计算速度上展现了极强的优越性，其出现标志着量子科技时代的到来。量子芯片是实现量子计算的关键器件。到目前为止，大量的研究热点集中在基于约瑟夫森结（阵列）的超导量子比特系统，因其具有高的门操作保真度、好的系统集成度和可兼容传统半导体的成熟加工工艺等优势而被广泛研究，使得超导约瑟夫森结成为实现量子计算最有竞争力的候选者。

制备高品质、高稳定性的约瑟夫森结是保证量子比特性能的关键。传统的约瑟夫森结是一种三明治结构，上下两层通常为低温超导层，如铌、钽、铝膜，中间夹以非常薄的绝缘层，如氧化铝，其中主要涉及了材料生长和纳米加工工艺等学科。至今为止，基于Al/AlO_x/Al的超导约瑟夫森结已经具有较高的质量，主要借助悬胶工艺和双角度蒸发方法完成，例如CN108110131A公开采用了双倾角镀膜的方式，但倾斜镀膜方法存在一定的缺点，例如：无法保证大范围的膜厚均匀性，且产生的多余图形也不利于高集成度，同时，也存在胶污染、搭线断裂导致的低成品率等问题。就材料方面，Al的化学性质较活泼，室温自然氧化的AlO_x在低温工作时具有一定的介电损耗。同时，AlO_x氧化层虽然较为致密，可通过氧化处理实现一定的钝化保护，但其在大气环境或者光刻工艺中仍然具有不稳定性，经受潮或者化学试剂处理后容易变性，进一步增加介电损耗，并会改变约瑟夫森结的临界电流。

金属钽由于具有较高的超导转变温度（Tc=4.5K），且在超导量子比特工作环境下准粒子密度小而受到了极大关注，特别是Ta表面的氧化物成分（Ta₂O₅）具有较高的致密性、低的介电损耗和高的稳定性。因而，稳定的体心立方Ta薄膜材料已经被广泛应用到超导电路结构中。再者，基于氧化层的致密性和饱和性，相对于Ta（111）晶面，研究人员更倾向于获得Ta（110）晶面。局限于C面蓝宝石衬底本身的三重对称关系，其晶体取向为（0001），所生长的薄膜材料具有不同的取向，沿［100］或［111］的垂直方向生长。同时，C面蓝宝石衬底上生长的Ta（110）膜极容易伴随少量的Ta（111）相生长，最终为混相Ta薄膜。而在超导量子比特中，需要更高质量的Ta单晶外延薄膜作为超导电路，且所生长的氧化物应具有高的工艺稳定性和低的介电损耗。

综上，为了实现高品质、高稳定性且可规模化的量子芯片，有必要从材料生长入手，并对当前的约瑟夫森结工艺进行改进。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种约瑟夫森结、约瑟夫森结阵列、其制备方法和用途，选用A面蓝宝石作为衬底，基于小的晶格错配度，首先制备出表面平整、高质量的准外延Ta（110）超导薄膜作为约瑟夫森结下电极。其上，借助氧化或沉积方法形成致密、稳定且可控的Ta₂O₅氧化层作为中间层，进一步，再沉积一层超导Ta层作为约瑟夫森结上电极，制备得到Ta/Ta₂O₅/Ta约瑟夫森结三明治结构。后兼容光刻和空气桥方案进行超导电路制备及结电极的导通，完成约瑟夫森结阵列制备。所涉及方案中采用化学钝化方式对超导电路及约瑟夫森结进行保护。本发明避免了复杂的悬胶和双倾角蒸镀等工艺步骤，具有工艺步骤简洁，成品率高、可规模化等特点。