Skalowalne kwantowe układy scalone na nadprzewodzącej dwuwymiarowej platformie gazu elektronowego
2 sierpnia 2019
Kwantowe układy scalone (QIC) składające się z układu płaskich i balistycznych złączy Josephsona (JJ) opartych na In0.75Ga0.25Jako dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG) jest pokazany. Omówiono dwie różne metody wytwarzania dwuwymiarowych (2D) JJ i QIC, a następnie zademonstrowano pomiary transportu kwantowego w temperaturach poniżej Kelvina.
Aby utworzyć spójny transport kwantowy w hybrydowych złączach Josephsona nadprzewodnikowo-półprzewodnikowych, konieczne jest utworzenie jednorodnego i pozbawionego barier interfejsu między dwoma różnymi materiałami. Tutaj przedstawiamy nowatorską dwuwymiarową platformę materiałową, a następnie badamy nadprzewodnictwo indukowane bliskością w dwuwymiarowym gazie elektronowym arsenku indu galu, który jest podstawą hybrydowego kwantowego układu scalonego. Aby zaprojektować układ JJ i urządzenia QIC, najpierw wyczyść płytkę z arsenku indu i galu acetonem i alkoholem izopropylowym.
Następnie osusz urządzenie azotem gazowym. Zakręć fotorezystem na wierzchu płytki z arsenku indu i galu. Piecz urządzenie na gorącej płycie przez kilka sekund.
Następnie umieść fotomaskę w nakładce na maskę i umieść urządzenie pod odpowiednim wzorem. Wystaw urządzenie na działanie światła UV przez fotomaskę układów mesa i QIC. Następnie rozwijaj rezystancję w wywoływaczu MF-319 przez kilka minut.
Wytrawić mesę, aby działała jako obszar aktywny, umieszczając urządzenie w roztworze wody, kwasu siarkowego i nadtlenku wodoru. Opłucz urządzenie wodą dejonizowaną przez trzydzieści sekund i osusz gazowym azotem. Teraz upewnij się, że głębokość trawienia wynosi około 150 nanometrów za pomocą profilera powierzchni DEKTAK.
Wyczyść urządzenie acetonem i alkoholem izopropylowym. Następnie uformuj podkładkę omową, aby nawiązać kontakt elektryczny między metalem a dwuwymiarowym gazem elektronowym, obracając fotorezyst na górze urządzenia. Piecz urządzenie na gorącej płycie przez kilka sekund.
Umieść fotomaskę w wyrównywaczu maski i umieść urządzenie pod odpowiednim wzorem. Wystaw urządzenie na działanie światła UV przez fotomaskę o wzorach omowych. Następnie rozwijaj rezystancję w wywoływaczu MF-319 przez kilka minut.
Następnie nałóż cienką warstwę stopu złota i niklu germanu na próbkę o wzorze rezystancyjnym w parowniku. Po wykonaniu startu w acetonie, wyżarzaj urządzenie w temperaturze 430 stopni Celsjusza przez kilka sekund. Zakręć fotorezystem na górze urządzenia.
Następnie piecz urządzenie na gorącej płycie przez kilka sekund. Wytrawić na mokro rów o głębokości 130 nanometrów na szczycie obszaru aktywnego, aby utworzyć dwuwymiarowe JJ poprzez fotolitograficzne modelowanie i trawienie na mokro w kwasie, jak opisano wcześniej. Pokrój urządzenie na małe wióry.
Załaduj chip, który zawiera tablicę dwuwymiarowych JJ, na standardowy bezołowiowy nośnik wiórów za pomocą lakieru GE. Następnie wykonaj styki elektryczne między urządzeniem a bezołowiowymi podkładkami nośnymi wiórów. Na koniec załaduj urządzenie do lodówki rozcieńczającej w celu wykonania pomiarów transportowych.
Obraz SEM jednego złącza w obwodzie urządzenia 2 jest pokazany tutaj. Odległość między dwiema warstwami niobu po każdej stronie złącza wynosi 550 nanometrów na najkrótszej drodze. Obraz SEM jednego złącza Urządzenia 1, które zostało stworzone fotolitograficznie, pokazuje, że dwie elektrody niobu są oddalone od siebie o 850 nanometrów.
Przedstawiono tutaj odbicia normalne i Andreeva w hybrydowych złączach nadprzewodząco-półprzewodnikowych. Przerwa nadprzewodząca wywołana zależnością od temperatury z wyraźnymi subharmonicznymi strukturami przerw energetycznych, pikami i spadkami dla urządzenia 1 jest pokazana tutaj. W najniższej temperaturze pojawiają się subharmoniczne struktury luk energetycznych z 3 pikami i 3 spadkami.
Pokazano tutaj ewolucję temperatury szczytów i spadków spowodowanych tłumieniem indukowanej nadprzewodnictwa wraz ze wzrostem temperatury. Wszystkie cechy są w znacznym stopniu zależne od temperatury, a najsilniejsze piki subharmonicznej przerwy energetycznej obserwuje się przy 50 milikelwinach. Przerwa nadprzewodząca w funkcji przyłożonego napięcia drenu źródła i temperatury urządzenia 2 jest pokazana tutaj.
Pomiary zależności od temperatury i pola magnetycznego transportu urządzenia 2 nie wykazują żadnych oznak oscylacji w przerwie lub podprzerwie, które są obserwowane dla urządzenia 1. Najważniejszą rzeczą podczas wykonywania tej procedury jest uzyskanie odpowiedniego poziomu H, aby uzyskać dostęp do dwuwymiarowego gazu elektronowego w urządzeniu i utworzyć nanozłącze. Uważam, że dwuwymiarowe skrzyżowania Josephsona mogą być badane o różnych długościach i szerokościach, aby zbadać wpływ wymiarów węzłów na topologiczną fazę obserwacji.
Technika ta umożliwia pomiar setek urządzeń kwantowych w jednym schładzaniu lodówki, torując drogę do realizacji skalowalnych hybrydowych urządzeń kwantowych.
Przegląd
Niniejsze badanie prezentuje kwantowe układy scalone (QICs) wykorzystujące planarne i balistyczne złącza Josephsona (JJs) oparte na dwuwymiarowym gazie elektronowym (2DEG) z In0.75Ga0.25As. Omówiono metody wytwarzania dwuwymiarowych złączy JJs oraz układów QICs, a także pomiary transportu kwantowego przeprowadzonych w temperaturach subkelwinowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Kwantowe układy scalone
- Złącza Josephsona
- Materiały dwuwymiarowe
Wstęp
- Hybrydowe złącza nadprzewodnik-półprzewodnik wymagają jednorodnego interfejsu.
- Arsenek indu i galu służy jako platforma do badania nadprzewodnictwa.
- Pomiary transportu kwantowego są niezbędne do charakterystyki wydajności urządzenia.
- Temperatury poniżej 1 K są kluczowe dla obserwacji zjawisk kwantowych.
Cel badania
- Zbadanie nadprzewodnictwa indukowanego bliskością w 2DEG.
- Wytworzenie i charakterystyka dwuwymiarowych złączy Josephsona.
- Zbadanie wpływu wymiarów złącza na fazy topologiczne.
Zastosowane metody
- Wytwarzanie złączy Josephsona (JJ) i obwodów kwantowych (QIC) przy użyciu fotolitografii i technik trawienia.
- Tworzenie kontaktów elektrycznych poprzez pady omowe.
- Pomiary transportowe w lodówce rozcieńczalnikowej.
- Charakteryzacja urządzeń za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM).
Główne wyniki
- Wykazanie struktur podharmonicznych przerw energetycznych w Urządzeniu 1.
- Zaobserwowano zależność przerwy nadprzewodzącej od temperatury.
- Urządzenie 2 nie wykazało oscylacji wewnątrz przerwy, co stanowi kontrast w stosunku do Urządzenia 1.
- Pomyślny pomiar wielu urządzeń kwantowych podczas jednego cyklu chłodzenia.
Wnioski
- Można skutecznie badać dwuwymiarowe złącza Josephsona.
- Techniki wytwarzania urządzeń umożliwiają skalowalny rozwój urządzeń kwantowych.
- Zależności od temperatury i pola magnetycznego dostarczają informacji na temat nadprzewodnictwa.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejsza praca ustanawia skalowalną platformę dla kwantowych układów scalonych z wykorzystaniem hybrydowych systemów nadprzewodnikowo-półprzewodnikowych, co ma istotne znaczenie dla wczesnych etapów odkryć w rozwoju sprzętu kwantowego. Podejście to umożliwia powtarzalną obserwację indukowanego efektem bliskości nadprzewodnictwa w 2DEG, wspierając mechanistyczne ograniczanie ryzyka w zakresie koherencji kubitów oraz eksplorację faz topologicznych. Taka pewność prognostyczna w odniesieniu do zachowania materiałów determinuje decyzje portfelowe dotyczące inwestycji w badania i rozwój (R&D) w dziedzinie obliczeń kwantowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie efektów bliskości nadprzewodzącej w układach niskowymiarowych w celu weryfikacji hipotez dotyczących koherencji kwantowej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zestandaryzowany protokół tworzenia złączy, który jest kluczowy dla powtarzalnych pomiarów transportu kwantowego.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia przygotowanie balistycznych złączy Josephsona z mierzalnymi strukturami przerw podharmonicznych służącymi jako funkcjonalne odczyty.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację analizy dzięki litograficznie zdefiniowanym geometriom złączy oraz śledzeniu przerw zależnych od temperatury.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Dostarcza analogii istotnej z punktu widzenia patologii do badania mechanizmów ochrony topologicznej w stanach kwantowych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia zachowanie ciągłości od etapu wytwarzania złączy po charakteryzację wielu urządzeń w ramach jednego cyklu chłodzenia, co wspiera skalowalną walidację.
Integracja potoku i przepływu pracy
Opisana metoda pozycjonuje przesiewanie materiałów kwantowych pomiędzy wczesnym etapem odkrywania (testowanie hipotez poprzez tworzenie złączy) a identyfikacją wiodących kandydatów (profilowanie transportu kwantowego), wspierając późniejszą, zbliżoną do preklinicznej walidację czasów koherencji.
- Biologia odkrywcza: Weryfikuje hipotezę, według której homogeniczność interfejsu indukuje twarde przerwy nadprzewodzące w systemach 2DEG.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowych do analizy złączy z powtarzalnymi pomiarami przerwy w temperaturach poniżej 1 K.
- Analityka: Zapewnia ilościowe wyniki spektroskopii napięciowej (np. wzorce pików/dołków subharmonicznych) do porównywania jakości złączy.
- Badania translacyjne: Łączy skalowalność złączy z wykonalnością kubitów topologicznych, dostarczając danych do oceny ryzyka rozwoju.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku proces litografii, trawienia i tworzenia kontaktów ohmowych do przesiewania matryc wielozłączowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Pewność predykcyjna w zakresie stabilności indukowanej przerwy oraz braku oscylacji podprzerwowych dla koherentnego działania kubitów.
- Wartość operacyjna: Powtarzalność w różnych metodach wytwarzania (fotolitografia vs. wiązka elektronów) oraz śledzenie przerwy w zależności od temperatury.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub zaprzestaniu prac nad platformami materiałowymi w oparciu o obserwowalność przerwy zależną od długości złącza.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko dla InGaAs/AlAs 2DEG w kontekście integracji złożonych obwodów kwantowych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w przetwarzaniu półprzewodnikowych heterostruktur oraz osadzaniu nadprzewodzących cienkich warstw.
- Konieczna jest infrastruktura w postaci lodówki rozcieńczalnikowej do pomiarów transportowych w temperaturach poniżej 1 K.
- Wymagana jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie litografii UV, precyzji trawienia mokrego oraz protokołów wyżarzania kontaktów omowych.
- Wymaga rozważań adaptacyjnych podczas skalowania wymiarów złączy w celu badania faz topologicznych.
- Ograniczony przez konieczność uzyskania ultra-czystych interfejsów; pozostały nieład może tłumić wielkość indukowanej przerwy energetycznej.
