Масштабируемые квантовые интегрированные схемы на сверхпроводящей двухмерной газовой платформе
2 августа 2019 г.
Квантовые интегральные схемы (КИК), состоящие из массива планарных и баллистических соединений Джозефсона (JJs) на основеВ 0,75Ga0.25Как двухмерный электрон газ (2DEG) демонстрируется. Обсуждаются два различных метода изготовления двухмерных (2D) JJ и ЗИК, за которыми следует демонстрация квантовых измерений транспорта при субкельвских температурах.
Для формирования когерентного квантового транспорта в гибридных сверхпроводниково-полупроводниковых сверхпроводниковых соединениях Джозефсона необходимо формирование однородного и безбарьерного интерфейса между двумя различными материалами. Здесь мы представляем новую двухмерную материальную платформу, а затем изучаем индуцированную близостью сверхпроводимость в двумерном электронном газовом зидийном арсениде, который является основой гибридной квантовой интегрированной цепи. Для разработки JJ и QIC макет устройства, сначала очистить циндий галлия мышьяка с ацетоном и изопропиловым спиртом.
Затем высушите устройство азотным газом. Спин фоторезист на вершине вафельного вафельного валина из индиума галлия. Выпекать устройство на горячей тарелке в течение нескольких секунд.
После этого поместите фотомаск в выравниватель маски и поместите устройство под соответствующий шаблон. Подвергайте устройство ультрафиолетовому свету через фотомаск макетов меса и ЦИН. Затем разработать сопротивление в MF-319 разработчика в течение нескольких минут.
Etch меза выступать в качестве активного региона, поместив устройство в раствор воды, серной кислоты и перекиси водорода. Промыть устройство деионизированной водой в течение тридцати секунд и высушить азотным газом. Теперь обеспечите etch глубину около 150 нанометров с помощью профилера поверхности DEKTAK.
Очистите устройство ацетоном и изопропиловым спиртом. Далее, форма ohmic площадку, чтобы сделать электрический контакт между металлом и двумерным электронным газом, вращая фоторезист на верхней части устройства. Выпекать устройство на горячей тарелке в течение нескольких секунд.
Поместите фотомаск в выравниватель маски и поместите устройство под соответствующий шаблон. Подвергайте устройство ультрафиолетовому свету через фотомаск охмических узоров. Затем разработать сопротивление в MF-319 разработчика в течение нескольких минут.
После этого, депозит тонкий слой золота germanium никеля сплава на сопротивление узором образца в испаритель машины. После выполнения старта в ацетоне, anneal устройство как 430 градусов по Цельсию в течение нескольких секунд. Спин-фоторезист на верхней части устройства.
Затем выпекать устройство на горячей тарелке в течение нескольких секунд. Влажный etch 130 нанометровой траншеи на вершине активной области, чтобы сформировать двумерные JJ по фотолитографических узоров и мокрого травления в кислоте, как описано ранее. Разрежьте устройство на мелкие фишки.
Загрузите чип, содержащий массив двухмерных JJ на стандартном несущем чипе без свинца, используя лак GE. Затем сделайте электрические контакты между устройством и свинцовой прокладки перевозчика чипа. Наконец, загрузите устройство в разбавленный холодильник для транспортных измерений.
Sem изображение одного соединения на цепи устройства 2 показано здесь. Расстояние между двумя пленками Ниобия в каждой стороне перекрестка составляет 550 нанометров на самой короткой траектории. На снимке SEM одного соединения устройства 1, которое является фотолитографически сфабрикованным, показано, что два электрода ниобия разделены расстоянием в 850 нанометров.
Здесь изображены нормальные и Андреевые отражения в гибридных сверхпроводящих полупроводящих узлах. Здесь показаны вызванный температурной зависимостью сверхпроводящих зазор с выраженными субгармоническими структурами энергетического разрыва, пиками и провалами для устройства 1. При самой низкой температуре побронические структуры энергетического разрыва появляются с 3 пиками и 3 провалами.
Здесь показана температурная эволюция пиков и провалов в связи с подавлением индуцированной сверхпроводимости с повышением температуры. Все характеристики значительно зависят от температуры, а самые сильные субгармонические пики энергетического разрыва наблюдаются на уровне 50 милликельвинов. Здесь показан сверхпроводящих зазор в качестве функции прикладного напряжения стока источника и температуры устройства 2.
Температурные и магнитные полевые зависимости транспортных измерений устройства 2 не показывают никаких признаков в-пробел или суб-пробел колебаний, которые наблюдаются для устройства 1. Наиболее важные вещи при выполнении этой процедуры заключается в том, чтобы получить правильный уровень H для доступа к двумерного электронного газа в устройстве и формы nanojunction. Я считаю, что двухмерные соединения Джозефсона могут быть изучены с разной длиной и шириной, чтобы исследовать влияние размеров соединений на топологическую фазу наблюдения.
Этот метод позволяет измерить сотни квантовых устройств в одном холодильнике охлаждения, прокладывая путь для реализации масштабируемых гибридных квантовых устройств.
Обзор
Это исследование демонстрирует квантовые интегральные схемы (КИС), использующие плоскостные и баллистические джозефсоновские переходы (ДП) на основе двумерного электронного газа In0.75Ga0.25As. Рассматриваются методы изготовления двумерных ДП и КИС, а также квантовые измерения транспорта, проведенные при субкельвиновых температурах.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Квантовые интегральные схемы
- Джозефсоновские переходы
- Двумерные материалы
Фон
- Гибридные сверхпроводниково-полупроводниковые переходы требуют однородного интерфейса.
- Индий-галлиевое арсенид служит платформой для исследования сверхпроводимости.
- Квантовые измерения транспорта необходимы для характеристики работы устройств.
- Субкельвиновые температуры критичны для наблюдения квантовых явлений.
Цель исследования
- Исследовать сверхпроводимость, вызванную близостью, в 2DEG.
- Изготовить и характеризовать двумерные джозефсоновские переходы.
- Исследовать влияние размеров переходов на топологические фазы.
Используемые методы
- Изготовление ДП и КИС с использованием фотолитографии и техник травления.
- Создание электрических контактов через омические площадки.
- Измерения транспорта в разбавителе.
- Характеристика устройств с помощью сканирующе-электронной микроскопии (СЭМ).
Основные результаты
- Демонстрация субгармонических структур энергетических разрывов в устройстве 1.
- Наблюдается температурозависимое поведение сверхпроводящих разрывов.
- В устройстве 2 не наблюдались осцилляции внутри разрыва, что контрастирует с устройством 1.
- Успешное измерение нескольких квантовых устройств в одном охлаждении.
Выводы
- Двумерные джозефсоновские переходы могут быть эффективно исследованы.
- Техники изготовления устройств позволяют масштабное развитие квантовых устройств.
- Зависимости от температуры и магнитного поля предоставляют представление о сверхпроводимости.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This work establishes a scalable platform for quantum integrated circuits using superconducting-semiconductor hybrid systems, relevant to early-stage discovery in quantum hardware development. The approach enables reproducible observation of proximity-induced superconductivity in 2DEG, supporting mechanistic de-risking of qubit coherence and topological phase exploration. Such predictive confidence in material behavior informs portfolio decisions for quantum computing R&D investments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of superconducting proximity effects in low-dimensional systems to validate quantum coherence hypotheses.
- Operational Value: Provides a standardized interface formation protocol critical for reproducible quantum transport measurements.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of ballistic Josephson junctions with quantifiable subharmonic gap structures as functional readouts.
- Operational Value: Supports assay standardization through lithographically defined junction geometries and temperature-dependent gap tracking.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers a disease-relevant analog for studying topological protection mechanisms in quantum states.
- Operational Value: Enables continuity from junction fabrication to multi-device characterization in single cooldowns, supporting scalable validation.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions quantum material screening between early discovery (hypothesis testing via junction formation) and lead identification (quantum transport profiling), supporting downstream preclinical-like validation of coherence times.
- Discovery Biology: Tests the hypothesis that interface homogeneity induces hard superconducting gaps in 2DEG systems.
- Screening: Delivers assay-ready junctions with reproducible gap measurements at sub-Kelvin temperatures.
- Analytics: Provides quantitative voltage-spectroscopy outputs (e.g., subharmonic peak/dip patterns) for comparing junction quality.
- Translational Research: Connects junction scalability to topological qubit feasibility, informing risk-adjusted advancement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable lithography-etch-ohmic contact workflow for multi-junction array screening.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in induced gap stability and absence of sub-gap oscillations for coherent qubit operation.
- Operational Value: Reproducibility across fabrication methods (photolithography vs. e-beam) and temperature-dependent gap tracking.
- Strategic Value: Enables go/no-go decisions on material platforms based on junction length-dependent gap observability.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of InGaAs/AlAs 2DEG for complex quantum circuit integration.
Implementation Considerations
- Requires expertise in semiconductor heterostructure processing and superconducting thin-film deposition.
- Necessitates dilution refrigerator infrastructure for sub-Kelvin transport measurements.
- Demands cross-team standardization of UV lithography, wet-etch precision, and ohmic anneal protocols.
- Involves adaptation considerations when scaling junction dimensions for topological phase exploration.
- Limited by the need for ultra-clean interfaces; residual disorder can suppress induced gap magnitude.
