Fabrication de jonctions Al/AlOx/Al avec une grande uniformité et stabilité sur substrats saphir

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11874 (2023) Citer cet article

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Le tantale et l'aluminium sur saphir sont des plates-formes largement utilisées pour les qubits de temps cohérent long. À mesure que les puces quantiques se développent, le nombre de jonctions Josephson sur le saphir augmente. Ainsi, l’uniformité et la stabilité des jonctions sont cruciales pour les dispositifs quantiques, tels que les circuits informatiques quantiques supraconducteurs évolutifs et les amplificateurs quantiques limités. En optimisant le processus de fabrication, en particulier la couche conductrice lors du processus de lithographie par faisceau d'électrons, des jonctions Al/AlOx/Al de tailles allant de 0,0169 à 0,04 µm2 sur des substrats en saphir ont été préparées. L'écart type relatif des résistances à température ambiante (RN) – \({\upsigma }_{{R_{{\text{N}}} }} /\left\langle {R_{{\text{N}}} } \right\rangle\) de ces jonctions est meilleur que 1,7 % sur des puces de 15 mm × 15 mm, et meilleur que 2,66 % sur des tranches de 2 pouces, ce qui représente la plus grande uniformité sur les substrats saphir ait été rapportée. Les jonctions sont robustes et stables en résistances aux changements de température. Les résistances augmentent dans un rapport de 9,73 % par rapport à RN à mesure que la température descend jusqu'à 4 K, et rétablissent leurs valeurs initiales dans le processus inverse à mesure que la température revient à la température ambiante. Après 100 jours de stockage en armoire à azote, la résistance des jonctions a évolué de 1,16% en moyenne. La démonstration de jonctions Josephson uniformes et stables sur de grandes surfaces ouvre la voie à la fabrication de puces supraconductrices de centaines de qubits sur des substrats saphir.

Alors que la deuxième révolution quantique se déroule, il est très urgent d’exploiter les vastes applications de divers dispositifs quantiques supraconducteurs. La jonction Josephson est un dispositif constitué de deux supraconducteurs séparés par un mince isolant de quelques nanomètres1. La jonction tunnel présente les caractéristiques d'une faible perte et d'une forte non-linéarité et joue un rôle essentiel dans les dispositifs quantiques, notamment les qubits supraconducteurs, les détecteurs de photons mono-micro-ondes et les amplificateurs à limitation quantique2,3,4,5,6. Puisqu’il existe une relation directe entre la fréquence du qubit et le RN7, pour les chips multi-qubits, les variations du RN de la jonction Josephson peuvent conduire à des collisions de fréquence entre qubits. De plus, la non-uniformité du courant critique peut entraîner des réflexions indésirables dans l'amplificateur paramétrique à ondes progressives Josephson et réduire les performances du dispositif6. La préparation de jonctions Josephson à l’échelle d’une tranche avec une grande uniformité et stabilité avec des installations communes est très importante.

Il est difficile de fabriquer des jonctions Josephson hautement uniformes à l’échelle d’une tranche, en particulier sur le saphir. Les chercheurs ont déployé de nombreux efforts pour améliorer l’uniformité des jonctions Al/AlOx/Al sur un substrat de silicium à haute résistivité. En optimisant le processus de fabrication, il est rapporté qu'une variation de résistance de 3,5 % pour des jonctions Al/AlOx/Al de 0,042 µm2 sur une puce de 49 cm28 ; variation de résistance de 3,7 % pour les jonctions Al/AlOx/Al sur une plaquette contenant quarante puces de 0,5 × 0,5 cm29 ; et une variation de courant critique de 3,9 % pour les jonctions Al/AlOx/Al sur une puce de 20 × 20 mm210. Pour ajuster davantage la résistance, le recuit laser a été développé7,11. Les méthodes utilisées sur le silicium peuvent ne pas fonctionner pour le saphir. Le saphir est un substrat couramment utilisé pour les circuits quantiques supraconducteurs en raison de ses très faibles pertes micro-ondes et de sa compatibilité avec la croissance de matériaux à faibles pertes comme le tantale. Le temps de cohérence le plus long pour un qubit supraconducteur a été rapporté sur le saphir12. Cependant, il est non seulement difficile d'obtenir des motifs de jonction uniformes en utilisant une exposition à un faisceau d'électrons de faible énergie (en raison de l'effet de charge), mais également d'améliorer une résistance de jonction uniforme en utilisant le recuit laser (en raison de la transparence à la lumière). Par conséquent, l’exploration à grande échelle du processus de fabrication de jonctions Al / AlOx / Al présentant une uniformité élevée sur le saphir est essentielle au développement de processeurs quantiques supraconducteurs de haute qualité .

\) 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>