基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法，该超导量子比特结构包括衬底、缓冲层、功能层、隔离层、第一配线部及第二配线部，其中，缓冲层位于衬底的上表面，功能层位于缓冲层的上表面且包括间隔设置的电容器、第一约瑟夫森结、第二约瑟夫森结及谐振器，隔离层填充功能层中的间隙并覆盖功能层的显露表面及衬底的上表面，且隔离层中设有第一接触孔及第二接触孔，第一配线部填充于第一接触孔并与第一约瑟夫森结的上表面接触，第二配线部填充于第二接触孔并与第二约瑟夫森结的上表面接触。本发明专利技术通过采用高阻率的硅作为衬底、绝缘性的TaN膜作为约瑟夫森结的结区，减少了衬底中电荷涨落，增强了超导量子比特的相干性。相干性。相干性。

【技术实现步骤摘要】
基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于超导电子学领域，涉及一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]超导量子比特是一种基于约瑟夫森结电路的量子比特，其主要部分为含有一个或多个约瑟夫森结的超导电路。约瑟夫森结的结构是两块超导体中间夹一层很薄的绝缘层，当绝缘层厚度薄至几纳米后，两个超导体波函数的位相会产生关联，绝缘体也会变成一个弱的超导体，库珀对能够隧穿形成超导电流。在此情况下，约瑟夫森结相当于一个非线性电感，其电感值随结两端相位差的变化而变化，利用约瑟夫森结的非线性电感和超导体中的宏观量子效应特性，可以构建出具有非等间隔的系统能级，因此最低两个能级相关的量子态能够被外场很好地操控。但是超导比特受外界环境的影响大，很难在较长时间的运算中保持量子相干性，严重制约着超导量子比特的退相干时间。
[0003]目前，超导量子比特电路的主流仍然是采用传统Al/AlO
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/Al结制成，其退相干时间受到非晶AlO
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势垒层中二能级系统的抑制。采用NbN/AlN/NbN外延氮化物约瑟夫森结作为超导量子电路的替代材料，可以减少约瑟夫森结中的二能级系统数量，且外延NbN约瑟夫森结相对较高的超导转变温度(～16K)和大的超导能隙(～5.2meV)。但是高质量的外延NbN/AlN/NbN结通常局限在MgO衬底上，其相干时间受限于MgO衬底的介电损耗。此外，使用AlN作为TaN势垒层时需要注意避免其压电特性，防止结中产生的电场与底层晶格耦合，导致通过声子发射产生退相干现象。
[0004]因此，急需寻找一种延长相干时间及排除量子
‑
声子耦合的超导量子比特结构。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法，用于解决现有技术中量子
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声子耦合产生量子退相干及介电损耗抑制相干时间的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法，包括以下步骤：
[0007]提供一衬底，并于所述衬底上形成缓冲层；
[0008]于所述缓冲层上形成功能材料层，所述功能材料层包括向上层叠的NbN底层膜、TaN势垒层及NbN顶层膜；
[0009]刻蚀所述功能材料层以形成包括谐振器、电容器、第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结的功能层，并形成覆盖所述功能层的显露表面及所述衬底的上表面的隔离层；
[0010]减薄所述隔离层以显露出所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结的上表面，并于所述隔离层中形成第一接触孔及第二接触孔，且所述第一接触孔的底部显露出所述电容器，所述第二接触孔的底部显露出所述谐振器；
[0011]形成第一配线部与第二配线部于所述隔离层上，所述第一配线部与所述第一约瑟夫森结的上表面接触并填充进所述第一接触孔以与所述电容器电连接，所述第二配线部与所述第二约瑟夫森结的上表面接触并填充进所述第二接触孔以与所述谐振器电连接。
[0012]可选地，所述衬底包括硅衬底，且所述衬底的电阻率高于20kΩ
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cm。
[0013]可选地，所述缓冲层的材质包括TiN，所述缓冲层的厚度范围是40nm～60nm。
[0014]可选地，形成所述缓冲层的方法包括直流反应磁控溅射法。
[0015]可选地，所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结共用底电极，且所述第一约瑟夫森结还包括位于所述底电极上且向上层叠的第一结势垒层及第一顶电极，所述第二约瑟夫森结还包括位于所述底电极上且向上层叠的第二结势垒层及第二顶电极。
[0016]可选地，所所述TaN势垒层中，N元素的原子占比高于Ta元素的原子占比。
[0017]可选地，所述第一配线部与所述第二配线部的材质包括NbN，且第一配线部与所述第二配线部的厚度范围是250nm～350nm。
[0018]本专利技术还提供了一种NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构，包括：
[0019]衬底；
[0020]缓冲层，位于所述衬底的上表面；
[0021]功能层，位于所述缓冲层的上表面且包括间隔设置的电容器、第一约瑟夫森结、第二约瑟夫森结及谐振器；
[0022]隔离层，填充所述功能层中所述谐振器、所述电容器、所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结之间的间隙并覆盖所述谐振器与所述电容器的显露表面及所述衬底的上表面，且所述隔离层中设有第一接触孔及第二接触孔。
[0023]第一配线部及第二配线部，所述第一配线部填充于所述第一接触孔并与所述第一约瑟夫森结的上表面接触，所述第二配线部填充于所述第二接触孔并与所述第二约瑟夫森结的上表面接触。
[0024]可选地，所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结共用底电极，且所述第一约瑟夫森结还包括位于所述底电极上且向上层叠的第一结势垒层及第一顶电极，所述第二约瑟夫森结还包括位于所述底电极上且向上层叠的第二结势垒层及第二顶电极。
[0025]可选地，所述衬底包括硅衬底，所述缓冲层的材质包括TiN。
[0026]如上所述，本专利技术的NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法采用硅作为制备所述超导量子比特结构的衬底，减少了衬底中电荷涨落，增强了量子系统的相干性，降低了介电损耗，有利于延长相干时间，采用与功能材料层中NbN底层膜晶格失配度小的TiN作为缓冲层材料，实现了于硅衬底上形成高质量的功能材料层，采用与所述底电极、所述第一顶电极及所述第二顶电极同为氮化物的TaN作为所述第一结势垒层和所述第二结势垒层的材料，避免了界面处氧化物的形成，可减少所述超导量子比特中的电荷涨落，减少约瑟夫森结中的二能级系统数量，TaN薄膜在低温下表现绝缘性，所以不具备压电效应，有效排除了可能存在的量子
‑
声子耦合作用，增强了超导量子比特的相干性，且采用NbN超导材料作为所述底电极、所述第一顶电极及所述第二顶电极的材料具有更高的转变温度，可以抑制准粒子的激发继而进一步增长退相干时间，具有高度产业利用价值。
附图说明
[0027]图1显示为本专利技术的NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法的流程图。
[0028]图2显示为本专利技术的NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法的形成缓冲层后所呈现的剖面结构示意图。
[0029]图3显示为本专利技术的NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法的形成功能材料层后所呈现的剖面结构示意图。
[0030]图4显示为本专利技术的NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法的形成第一约瑟夫森结区及第二约瑟夫森结区后所呈现的剖面结构示意图。
[0031]图5显示为本专利技术的NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法的形成电容器及谐振器后所呈现的剖面结构示意图。
[0032]图6显示为本专利技术的NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一衬底，并于所述衬底上形成缓冲层；于所述缓冲层上形成功能材料层，所述功能材料层包括向上层叠的NbN底层膜、TaN势垒层及NbN顶层膜；刻蚀所述功能材料层以形成包括谐振器、电容器、第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结的功能层，并形成覆盖所述功能层的显露表面及所述衬底的上表面的隔离层；减薄所述隔离层以显露出所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结的上表面，并于所述隔离层中形成第一接触孔及第二接触孔，且所述第一接触孔的底部显露出所述电容器，所述第二接触孔的底部显露出所述谐振器；形成第一配线部与第二配线部于所述隔离层上，所述第一配线部与所述第一约瑟夫森结的上表面接触并填充进所述第一接触孔以与所述电容器电连接，所述第二配线部与所述第二约瑟夫森结的上表面接触并填充进所述第二接触孔以与所述谐振器电连接。2.根据权利要求1所述的基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法，其特征在于：所述衬底包括硅衬底，所述衬底的电阻率高于20kΩ
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cm。3.根据权利要求1所述的基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法，其特征在于：所述缓冲层的材质包括TiN，所述缓冲层的厚度范围是40nm～60nm。4.根据权利要求1所述的基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法，其特征在于：形成所述缓冲层的方法包括直流反应磁控溅射法。5.根据权利要求1所述的基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法，其特征在于：所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结共用底电极，且所述第一约瑟夫森结还包括位于所述底电极上且向上层叠的第一结势...

【专利技术属性】
技术研发人员：张露，陈垒，王镇，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：