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在硅晶片上制造超導α-鉭諧振器
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介紹 在量子計算領域，提升量子位（qubit）的性能猶如攀登科技高峰，每一步的進展都可能打開通往更高計算效率與更穩(wěn)定量子計算的新門戶。特別是在噪聲中等規(guī)模量子（NISQ）處理器中，以及面向未來容錯量子計算機，降低糾錯開銷的需求顯得尤為重要。近年來，科研人員積極探索多種途徑提升qubit性能，如增大qubit尺寸、優(yōu)化控制策略、實施屏蔽與信號過濾等。然而，基于對微觀材料屬性深入理解的進步卻相對有限，大部分研究仍聚焦于已知的幾種超導材料，如鋁（Al）、鈮（Nb）以及氮化鈦（TiN）等。 如今，超導量子技術的材料“工具箱”迎來了新的成員——α-鉭（α-Ta）。這一材料憑借其簡化的天然氧化物結構，展現(xiàn)出較低的微波損耗特性，為構建高性能超導器件提供了極具潛力的選擇。尤其在使用藍寶石襯底時，其介電損耗遠低于常規(guī)高電阻率硅（Si）襯底，為量子位的性能提升創(chuàng)造了有利條件。然而，藍寶石襯底與現(xiàn)行300毫米工業(yè)規(guī)模設備的制造工藝并不兼容，阻礙了其在大規(guī)模量子位集成中的應用。 為克服這一挑戰(zhàn)，一項開創(chuàng)性研究首次展示了如何在硅片上直接制備高Q因子的α-Ta共面波導諧振器，無需種子層，且建立了寬溫度窗口下Ta相的生長機制。這項研究不僅簡化了制造流程，還通過光譜學與顯微鏡技術的結合，揭示了決定超導裝置性能的關鍵損耗源，特別是表面氧化物在TLS（兩能級系統(tǒng)）損耗中的主導地位。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了材料開發(fā)在大規(guī)模超導電路制造中的核心作用，以及深入理解材料特性對于確定并降低主要損耗因素的重要性。 α-Ta薄膜的特性與制備細節(jié) 我們在硅襯底上沉積了標稱厚度為100納米的α-Ta薄膜。為了驗證正確相的生長，我們測量了薄膜的X-衍射(XRD)光譜【圖1(a)】。圖1(b)描繪了沉積態(tài)鉭膜的截面圖，證實了它具有多晶結構并且存在約2.8 nm厚的天然氧化物層。考慮到雜質對超導性能的影響，研究人員運用ToF-二次離子質譜（ToF-SIM）【圖1(c)】檢測了薄膜中的氧（O）、氫（H）、氟（F）、碳（C）和氯（Cl）。盡管這些元素在薄膜主體中的濃度極低，但接近Ta-Si界面時，Cl-信號有所增加，這源于Cl-的高負離子化概率及基質效應。同時，樣品上存在的氧化層與碳、氯、氫、氟污染物共同構成了損耗源，且污染物主要位于氧化物層頂部。 電學表征結果顯示【圖1(d)】，α-Ta薄膜的室溫電阻率（14.66ω·cm）與同類薄膜相當，但其超導轉變溫度（Tc約2.9 K）略低于預期。然而，已有文獻報道了與之相似Tc的濺射α-Ta。此外，團隊還發(fā)現(xiàn)在450℃和500℃沉積溫度下，α-Ta同樣可以生長，且形態(tài)與電學性質與400℃沉積膜相仿 Ta電影的描述。(a) XRD頻譜。(b)亮場STEM橫截面。30Si-、Ta+、O-、H-、C-、F-和Cl-的(c)薄膜TOF-SIM光譜。(d)Ta薄膜觀察到2.9 K。 400ºCα-Ta諧振器橫截面的STEM和EDS圖像。(a)低倍率Ta諧振器的STEM截面。這些彩色的方塊標記了拍攝高倍放大圖像的區(qū)域。(b)金屬-空氣界面的STEM橫截面。箭頭表示氧化鉭層。(c)基底-空氣界面的環(huán)形亮場-stem圖像。箭頭表示存在的氧化硅層。(d)襯底-金屬界面的STEM橫截面。(e)基底-金屬界面的高角環(huán)形暗場STEm截面。箭頭表示sii-ta界面層的延伸。(f)基板-金屬界面的橫截面氧EDS圖。 諧振器損耗來源與優(yōu)化 我們通過在10 mK下進行S21傳輸光譜測量來表征超導共面波導諧振器的性能。一個芯片上的所有8個諧振器都有4.5µm的大間隙和10 μm寬的中心軌跡，而它們的頻率分布在4~8 GHz之間。采用擬合程序提取諧振頻率fr、內部質量因子Qi和耦合質量因子Qc作為不同芯片中平均光子數(shù)的函數(shù)。圖3(a)顯示了用兩種不同芯片的450ºC Ta薄膜制作的測量諧振器的Qi，作為微波功率的函數(shù)，用平均光子數(shù)<𝑛>表示。 實驗比較了兩種類型的芯片：未經過任何后處理的“參考”芯片和在稀釋冰箱冷卻前不超過12小時進行氫氟酸清洗（HF清洗）步驟的“HF處理”芯片。HF處理有助于減少表面氧化物，這是超導量子器件損耗的主要來源，已知這種處理方法能有效地去除二氧化硅和表面鈮氧化物，從而顯著提高Qi。 在參考芯片和HF處理芯片中，觀察到的Qi與功率的依賴性表明設備中存在主要的TLS去極化效應。使用三種不同溫度（400°C、450°C和500°C）下的α-Ta膜制造的芯片進行了測試（圖4），包括六個參考芯片和六個HF處理芯片，分別在兩個樣品架A和B中進行測量。樣品架B經過優(yōu)化以減少殘余磁場的影響，導致在樣品架B中測量的芯片具有較高的Qi值。 諧振器測量結果總結。(a)內部質量因子作為使用450ºCα-Ta薄膜制備的參考Ta諧振器和hf處理的樣品支架B中測量的平均光子數(shù)的函數(shù)。這些線與方程式1相吻合。插圖是其中一個被測量的諧振器的顯微圖。（b-c）參考芯片和hf處理的Ta諧振器芯片的Boxplot總結。盒子從氣的第一個四分之一延伸到第三個四分之一，低（氣，高），在平均值處有一條線。胡須從盒子里延伸到四分位數(shù)范圍的1.5倍。點表示實驗測量值。沒有紋理的盒子對應于使用樣品支架A進行的測量，而帶有陰影圖案的盒子對應于使用樣品支架B進行的測量。 TLS損耗測量及仿真結果。(a)將參考和HF處理的Ta諧振器諧振器數(shù)據(jù)擬合到方程1中提取的Ftanδ0的箱線圖。這些方框從Ftanδ0的第一個四分位數(shù)延伸到第三個四分位數(shù)，在平均值處有一條線。胡須從盒子里延伸到四分位數(shù)范圍的1.5倍。點表示從擬合中提取的單個Ftanδ0值。沒有紋理的盒子對應于使用樣本支架A進行的測量值，而有陰影圖案的盒子對應于使用樣本支架b進行的測量值。水平線表示總模擬Ftanδ0值。(b) Bar圖表示參考芯片和高頻處理芯片的基板、金屬-空氣和基板-空氣界面的模擬Ftanδ0不同芯片的平均值。水平線表示總的模擬Ftanδ0，與面板(a).中相同 在這項工作中，最好的Qi達到的是4.4x106，對應于高頻處理芯片中的一個諧振器。這個值大約是最好的α-Ta諧振器Qi的三倍。然而，由于器件幾何形狀的差異，量子位元和諧振器之間的直接質量因子比較并不準確；然而，本工作中開發(fā)的α-Ta薄膜在制造高質量的量子位元方面很有前途。 結論 本研究首次展示了在硅襯底上直接制備高Q因子α-Ta共面波導諧振器的可能性，揭示了表面氧化物作為主要損耗源的角色，并通過HF處理實現(xiàn)了對氧化物層的控制，顯著提升了諧振器性能。這些成果不僅彰顯了材料科學在大規(guī)模超導電路制造中的關鍵作用，也為通過優(yōu)化材料特性來提高超導裝置性能指明了方向。 未來，α-Ta有望以其優(yōu)異的低損耗特性，成為構建大型、復雜超導設備的理想候選材料，且與現(xiàn)有的工業(yè)級制造工藝兼容，為實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的超導量子計算硬件鋪平道路。持續(xù)的材料科學創(chuàng)新與工藝優(yōu)化，無疑將為量子計算技術的商業(yè)化進程注入強大的動力，推動我們朝著構建大規(guī)模、高穩(wěn)定性的量子計算機目標穩(wěn)步邁進。 |
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