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艾因斯新蟲(chóng) (小有名氣)
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在硅晶片上制造超導(dǎo)α-鉭諧振器
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介紹 在量子計(jì)算領(lǐng)域，提升量子位（qubit）的性能猶如攀登科技高峰，每一步的進(jìn)展都可能打開(kāi)通往更高計(jì)算效率與更穩(wěn)定量子計(jì)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(lái)容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，降低糾錯(cuò)開(kāi)銷的需求顯得尤為重要。近年來(lái)，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(shí)施屏蔽與信號(hào)過(guò)濾等。然而，基于對(duì)微觀材料屬性深入理解的進(jìn)步卻相對(duì)有限，大部分研究仍聚焦于已知的幾種超導(dǎo)材料，如鋁（Al）、鈮（Nb）以及氮化鈦（TiN）等。 如今，超導(dǎo)量子技術(shù)的材料“工具箱”迎來(lái)了新的成員——α-鉭（α-Ta）。這一材料憑借其簡(jiǎn)化的天然氧化物結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出較低的微波損耗特性，為構(gòu)建高性能超導(dǎo)器件提供了極具潛力的選擇。尤其在使用藍(lán)寶石襯底時(shí)，其介電損耗遠(yuǎn)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(lán)寶石襯底與現(xiàn)行300毫米工業(yè)規(guī)模設(shè)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(yīng)用。 為克服這一挑戰(zhàn)，一項(xiàng)開(kāi)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(dǎo)諧振器，無(wú)需種子層，且建立了寬溫度窗口下Ta相的生長(zhǎng)機(jī)制。這項(xiàng)研究不僅簡(jiǎn)化了制造流程，還通過(guò)光譜學(xué)與顯微鏡技術(shù)的結(jié)合，揭示了決定超導(dǎo)裝置性能的關(guān)鍵損耗源，特別是表面氧化物在TLS（兩能級(jí)系統(tǒng)）損耗中的主導(dǎo)地位。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了材料開(kāi)發(fā)在大規(guī)模超導(dǎo)電路制造中的核心作用，以及深入理解材料特性對(duì)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(xì)節(jié) 我們?cè)诠枰r底上沉積了標(biāo)稱厚度為100納米的α-Ta薄膜。為了驗(yàn)證正確相的生長(zhǎng)，我們測(cè)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(shí)了它具有多晶結(jié)構(gòu)并且存在約2.8 nm厚的天然氧化物層。考慮到雜質(zhì)對(duì)超導(dǎo)性能的影響，研究人員運(yùn)用ToF-二次離子質(zhì)譜（ToF-SIM）【圖1(c)】檢測(cè)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(shí)，Cl-信號(hào)有所增加，這源于Cl-的高負(fù)離子化概率及基質(zhì)效應(yīng)。同時(shí)，樣品上存在的氧化層與碳、氯、氫、氟污染物共同構(gòu)成了損耗源，且污染物主要位于氧化物層頂部。 電學(xué)表征結(jié)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(dāng)，但其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc約2.9 K）略低于預(yù)期。然而，已有文獻(xiàn)報(bào)道了與之相似Tc的濺射α-Ta。此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)在450℃和500℃沉積溫度下，α-Ta同樣可以生長(zhǎng)，且形態(tài)與電學(xué)性質(zhì)與400℃沉積膜相仿 Ta電影的描述。(a) XRD頻譜。(b)亮場(chǎng)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(biāo)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(chǎng)-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(chǎng)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(lái)源與優(yōu)化 我們通過(guò)在10 mK下進(jìn)行S21傳輸光譜測(cè)量來(lái)表征超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器的性能。一個(gè)芯片上的所有8個(gè)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(nèi)部質(zhì)量因子Qi和耦合質(zhì)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(cè)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(shí)驗(yàn)比較了兩種類型的芯片：未經(jīng)過(guò)任何后處理的“參考”芯片和在稀釋冰箱冷卻前不超過(guò)12小時(shí)進(jìn)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(dǎo)量子器件損耗的主要來(lái)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(shè)備中存在主要的TLS去極化效應(yīng)。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(jìn)行了測(cè)試（圖4），包括六個(gè)參考芯片和六個(gè)HF處理芯片，分別在兩個(gè)樣品架A和B中進(jìn)行測(cè)量。樣品架B經(jīng)過(guò)優(yōu)化以減少殘余磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致在樣品架B中測(cè)量的芯片具有較高的Qi值。 諧振器測(cè)量結(jié)果總結(jié)。(a)內(nèi)部質(zhì)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(cè)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(gè)被測(cè)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(jié)。盒子從氣的第一個(gè)四分之一延伸到第三個(gè)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(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。沒(méi)有紋理的盒子對(duì)應(yīng)于使用樣品支架A進(jìn)行的測(cè)量，而帶有陰影圖案的盒子對(duì)應(yīng)于使用樣品支架B進(jìn)行的測(cè)量。 TLS損耗測(cè)量及仿真結(jié)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(gè)四分位數(shù)延伸到第三個(gè)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(diǎn)表示從擬合中提取的單個(gè)Ftanδ0值。沒(méi)有紋理的盒子對(duì)應(yīng)于使用樣本支架A進(jìn)行的測(cè)量值，而有陰影圖案的盒子對(duì)應(yīng)于使用樣本支架b進(jìn)行的測(cè)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(xiàng)工作中，最好的Qi達(dá)到的是4.4x106，對(duì)應(yīng)于高頻處理芯片中的一個(gè)諧振器。這個(gè)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(zhì)量因子比較并不準(zhǔn)確；然而，本工作中開(kāi)發(fā)的α-Ta薄膜在制造高質(zhì)量的量子位元方面很有前途。 結(jié)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(dǎo)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(guò)HF處理實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(xué)在大規(guī)模超導(dǎo)電路制造中的關(guān)鍵作用，也為通過(guò)優(yōu)化材料特性來(lái)提高超導(dǎo)裝置性能指明了方向。 未來(lái)，α-Ta有望以其優(yōu)異的低損耗特性，成為構(gòu)建大型、復(fù)雜超導(dǎo)設(shè)備的理想候選材料，且與現(xiàn)有的工業(yè)級(jí)制造工藝兼容，為實(shí)現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的超導(dǎo)量子計(jì)算硬件鋪平道路。持續(xù)的材料科學(xué)創(chuàng)新與工藝優(yōu)化，無(wú)疑將為量子計(jì)算技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程注入強(qiáng)大的動(dòng)力，推動(dòng)我們朝著構(gòu)建大規(guī)模、高穩(wěn)定性的量子計(jì)算機(jī)目標(biāo)穩(wěn)步邁進(jìn)。 |
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