Высокий

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12810 (2023) Цитировать эту статью

335 Доступов

Подробности о метриках

Заинтригованные открытием длительного времени жизни кубита Transmon на основе α-Ta/Al2O3, исследователи недавно обнаружили, что пленка α-Ta является многообещающей платформой для изготовления мультикубитов с длительным временем когерентности. Для удовлетворения требований интеграции сверхпроводящих квантовых схем идеальным методом является выращивание пленки α-Ta на кремниевой подложке, совместимой с промышленным производством. Здесь мы сообщаем о пленке α-Ta, выращенной распылением на Si (100) со сверхпроводящим буферным слоем TiNx с низкими потерями. Пленка α-Ta с большим температурным окном роста имеет хороший кристаллический характер. Критическая температура сверхпроводящего перехода (Tc) и коэффициент остаточного удельного сопротивления (RRR) в пленке α-Ta, выращенной при 500 °C, выше, чем в пленке α-Ta, выращенной при комнатной температуре (RT). Эти результаты дают важные экспериментальные ключи к пониманию связи между сверхпроводимостью и свойствами материалов в пленке α-Ta и открывают новый путь для производства высококачественной пленки α-Ta на кремниевой подложке для будущих промышленных сверхпроводящих квантовых компьютеров.

Сверхпроводящие материалы, выращенные на подложках Si или Al2O3, могут образовывать пленки с высокой кристалличностью и низкими диэлектрическими потерями, поэтому они исследуются в качестве материалов для создания сверхпроводящих квантовых схем1,2,3,4,5,6. Недавно исследователи предприняли усилия по поиску новых сверхпроводящих пленок со стабильными сверхпроводящими свойствами и зрелой обработкой, используемой в области квантовых вычислений, с целью улучшить производительность сверхпроводящих кубитов, включая длительное время когерентности и быстрые вентили5,7,8,9,10 ,11,12. Высококачественные сверхпроводящие пленки с низкими диэлектрическими потерями на поверхностях и интерфейсах, обладающие высоким RRR, перспективны для изготовления высокопроизводительных кубитов1,2,7,13,14. В частности, используя пленки α-Ta для изготовления 2D Transmons, устройства продемонстрировали значительное улучшение производительности, обусловленное меньшими потерями, связанными с поверхностью7,8. Таким образом, пленка α-Ta является многообещающим базовым сверхпроводником для создания крупномасштабных сверхпроводящих квантовых схем с высокопроизводительными свойствами, открывая путь к практическим сверхпроводящим квантовым компьютерам. Однако в этих исследованиях сверхпроводящих кубитов7,8 сапфировую подложку, которая использовалась для выращивания пленки α-Ta, невозможно легко масштабировать с помощью расширенной интеграции, такой как сквозная технология. Напротив, кремниевая подложка широко используется для крупномасштабных интегральных схем. Поэтому вполне естественно поставить вопрос о том, можно ли вырастить пленку α-Ta на кремниевой подложке или нет.

Получение пленки α-Ta, которая легко формируется при высокой температуре и нанесенной на подложку Si без внутренней диффузионной границы, очень ограничено, отчасти из-за препятствия, заключающегося в высокой реакционной способности Ta к нагревающейся подложке Si15,16,17. Хотя сообщалось, что пленка α-Ta успешно осаждается на подложку Si при комнатной температуре с использованием нескольких стратегий, таких как оптимизация условий распыления и добавление под слои18,19,20,21,22,23,24,25,26, 27,28,29,30. По сравнению с высокотемпературным ростом, эти пленки с большей вероятностью будут иметь меньшие размеры зерен, больше границ зерен и больше поверхностных дефектов в результате RT-осаждения18,19,20,21,22, что может привести к дополнительным диэлектрическим потерям. в сверхпроводящем квантовом устройстве8,12,13,14,31,32,33. Кроме того, в этих исследованиях интерфейс Ta-Si может включать более толстые несверхпроводящие подслои25,27 или силициды металлов15,16,17, которые могут образоваться в результате термической обработки, используемой в процессе изготовления устройства. Это приведет к увеличению СВЧ-потерь в каналах интерфейсов 12,13,31,32,33. Таким образом, нам нужен новый метод выращивания пленки α-Ta на подложке Si, которая имеет большой размер зерна и четкую границу раздела со сверхпроводящими буферными слоями с низкими потерями, одновременно минимизируя диэлектрические потери на поверхностях и интерфейсах, чтобы улучшить производительность сверхпроводящих кубитов.