Engineering

Skalbara Kvantintegrerade kretsar på supraledande tvådimensionell elektron gas plattform

Published: August 2, 2019 doi: 10.3791/57818

Kaveh Delfanazari^1,2, Pengcheng Ma², Reuben Puddy², Teng Yi², Moda Cao², Yilmaz Gul³, Carly L. Richardson⁴, Ian Farrer^2,5, David Ritchie², Hannah J. Joyce¹, Michael J. Kelly^1,2, Charles G. Smith²

¹Centre for Advanced Photonics and Electronics, Engineering Department, University of Cambridge, ²Department of Physics, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, ³Department of Electronic and Electrical Engineering, University College London, ⁴Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, ⁵Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Sheffield

Summary

Kvantintegrerade kretsar (QICs) bestående av array av planar och ballistiska Josephson korsningar (JJs) baserat på i_0,75ga_0,25som tvådimensionell ELEKTRON gas (2deg) demonstreras. Två olika metoder för tillverkning av den tvådimensionella (2D) JJs och QICs diskuteras följt av demonstration av kvantmekaniska transport mätningar i sub-Kelvin temperaturer.

Abstract

För att bilda en sammanhängande kvanttransport i hybrid supraledare-halvledare (S-SM) korsningar, är bildandet av ett homogent och barriär-fritt gränssnitt mellan två olika material nödvändigt. S-SM korsningen med hög gränssnitt öppenhet kommer sedan att underlätta observation av den inducerade hårda supraledande gap, som är det viktigaste kravet att få tillgång till topologiska faser (TPs) och observation av exotiska kvasipartiklar såsom Majorana Zero (MZM) i hybridsystem. En material plattform som kan stödja observation av TPs och möjliggör förverkligandet av komplexa och förgrenade geometrier är därför mycket krävande inom kvantbearbetning och datavetenskap och teknik. Här introducerar vi ett tvådimensionellt material system och studerar närhets inducerade supraledning i semidirigering tvådimensionell elektron gas (2DEG) som är grunden för en hybrid Quantum integrerad krets (QIC). Den 2DEG är en 30 Nm tjock i_0,75ga_0,25som Quantum brunn som är begravd mellan två i_0,75Al_0,25som barriärer i en heterostructure. Niob (NB) filmer används som supraledande elektroder för att bilda NB-in_0,75ga_0,25as-NB Josephson korsningar (jjs) som är symmetriska, planar och ballistiska. Två olika metoder användes för att bilda JJs och QICs. De långa korsningar var fabricerade photolithografiskt, men e-beam litografi användes för korta korsningar tillverkning. De sammanhängande kvantmekaniska transport mätningarna som en funktion av temperaturen i närvaro/frånvaro av magnetfält B diskuteras. I både enhet Fabrication metoder, närhets inducerade supraledande egenskaper observerades i i_0,75ga_0,25som 2deg. Det konstaterades att e-beam litografiskt mönstrade JJs av kortare längder resultera i observation av inducerad supraledande gap vid mycket högre temperaturområden. De resultat som är reproducerbara och rena tyder på att hybrid 2D JJs och QICs bygger på i_0,75ga_0,25som Quantum Wells kan vara en lovande material plattform för att förverkliga den verkliga komplexa och skalbara elektroniska och fotoniska Quantum kretsar och enheter.

Introduction

En Josephson Junction (JJ) bildas genom att sandwiching ett tunt skikt av en icke-supraledande (normalt) material mellan två supraledare¹. Olika roman Quantum elektroniska och fotoniska kretsar och enheter kan byggas baserat på jjs²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^, ⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. Bland dem, JJs med halvledare som deras icke-supraledande (normal) del, eller supraledare-halvledare-supraledare (S-SM-S) JJs, har fått mycket uppmärksamhet under de senaste åren efter påstådd upptäckt av exotiska Majorana partiklar med noll elektriska laddningar vid gränssnittet för en supraledare och en semidirigering endimensionell (1d) nanowire¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^, ²². nanowire-baserade hybridenheter är begränsade till 1d geometri nanowire och tillverkning av Y och/eller T-strukturer ur dem-ett nödvändigt krav för Majorana fläta-är utmanande²². Den finjustering av nanowire kemiska potential, för att få tillgång topologiska faser, kräver JJs med flera elektrostatiskt grindar som orsakar en hel del frågor i komplexa enhet tillverkning av nanotrådar. För att övervinna skalbarhets frågor av 1d trådar, två-dimensionell (2D) material plattformar är mycket önskvärt¹⁹^,²².

Bland 2D-material, den tvådimensionella elektron gas (2DEG) plattform-former när elektroner är begränsade till ett gränssnitt mellan två olika material i en halvledare heterostruktur-är den mest lovande kandidaten²². Kombinationen av 2DEG med supraledare och bildar hybrid 2D JJs öppnar en ny väg mot utvecklingen av nästa generations skalbara kvantsystem som topologisk Quantum Processing and Computing. De kan stödja fas sammanhängande Quantum transport, och närhet inducerad supraledning med hög överföring sannolikhet, som är grundläggande krav för topologisk fas observation. I detta avseende visar vi en QIC på ett chip som består av ett utbud av ballistiska 2D JJs som kan styras av 20 trådar. Varje korsning har två NB elektroder som supraledande del och i_0,75ga_0,25som kvantbrunnar i en halvledande halvledarkontakter som den normala delen. Den wafer kan lätt mönstrat för att bilda komplexa strukturer och nätverksanslutna QICs.

Fördelarna med i_0,75ga_0,25som 2deg inkluderar: (i) relativt stor g-faktor, (II) stark rashba spin-Orbit koppling, (III) den låga elektron effektiv massa, och (IV) att indium sammansättningen kan justeras så att bildandet jjs med hög gränssnitts genomskinlighet²³^,²⁴^,²⁵. Den wafer kan odlas som en disk på upp till 10 cm dimeter, vilket gör att tillverkningen av tusentals hybrid 2D JJs och komplexa QICs nätverk så övervinna skalbarheten utmaningar av dessa Quantum enheter.

Vi diskuterar två olika metoder för anordning Fabrications: för enhet 1, en krets som innehåller åtta identiska och symmetriska jjs av 850 nm längd och 4 μm bredder är mönstrade av Photolithography²³^,²⁴. Enheten 2 innehåller åtta korsningar med olika längder. De har alla samma bredd på 3 μm. Den JJs är mönstrad av e-BAM litografi²⁵. Transport mätningar på sub-Kelvin temperaturområden i frånvaro/förekomst av magnetfält kommer att presenteras. On-chip QICs består av ett utbud av 2D NB-in_0,75ga_0,25as-NB jjs. De långa och korta korsningar mäts i en utspädning kylskåp med en bas temperatur på 40 mK och vätska ³han kylda kryostat med en bas temperatur på 300 MK, respektive. Enheter är vinklade med en AC-signal på 5 μV vid 70 Hz som är ovanpå korsningen DC spänning bias. En två-Terminal standard Lås-in teknik används för att mäta enhetens utgång AC-ström²³^,²⁴^,²⁵.

Protocol

Anmärkning: halvledare heterostrukturfotoniska och Hybrid S-SM Josephson Junction Fabrication presenteras.

1. halvledande heterostrukturtillverkning

Anmärkning: molekyl balken epitaxyen (MBE) som odlas i_0,75ga_0,25som kvantbrunnar används i denna studie²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. Figur 1 visar sekvensen av distinkta skikt:

Rengör en 500 μm tjock, 3-tums semi-isolerande (001) GaAs substrat och ta bort oxidskiktet i hög temperatur (över 200 ° c)²⁶.
Justera tillväxt temperaturen vid 580 ° c och odla buffertlagret GaAs/AlAs/GaAs filmer med tjocklekar på 50/75/250 nm²⁶.
Ramp ner substrat temperaturen i 20 min och sedan växa ett steg graderat buffertskikt av InAlAs med en 1300 nm tjocklek vid start substrat temperaturer av T = 416, 390, 360, 341, 331 och 337 ° c²⁶.
Odla en 30 Nm tjock i_0,75ga_0,25som Quantum well 2deg vid något högre substrat temperatur²⁶.
Täck 2DEG Quantum väl med en 60 nm i_0,75Al_0,25som spacer, och sedan modulering Dope wafer med en 15 Nm tjock av en n-typ i_0,75Al_0,25som. Detta kommer att garantera värmeledningsförmåga i mörkret²⁶.
Odla en 45 nm i_0,75Al_0,25som skikt följt av ett lock skikt av INGAAS med tjocklek av 2 nm²⁶.
Utför mätningen av Shubnikov – de Haas oscillationer och Hall Effect för att hitta elektrontätheten (n_s) och rörligheten (μ_e) vid temperatur T= 1,5 K²⁶. Från transport mätningarna drog man slutsatsen att n_s= 2,24 × 10¹¹ (cm^-2) och μ_e= 2.5 × 10⁵ (cm²/vs) i mörker men n_s= 2.28 × 10¹¹ (cm ^-2) och μ_e= 2.58 × 10⁵ (cm²/vs) efter belysningen.

2. två-dimensionell Josephson Junction Fabrication

Anmärkning: här diskuteras tillverkningsprocessen av hybrid qics med två olika metoder²³^,²⁴^,²⁵. Enhet 1 med åtta identiska långa Josephson korsningar var fabricerade endast med några steg i Photolithography bearbetning. Den andra enheten Fabrication förfarande liknade Device 1 upp till bildandet av JJs som steg e-beam-litografi användes.

Skiss jjs och QIC Device layout, inklusive Mesa och ohmsk mönster med hjälp av AutoCAD Software²⁵. Starta ritningen genom att välja lämpliga lager för att bilda menyn lager väljare. Skapa ett nytt lager från format | Lagret i AutoCAD-programvaran.
Designa och fabricera Photolithography mask. Välj önskade former och geometrier på panelmenyn i programvaran. Klicka på önskad form av JJs (dvs rektanglar, kvadrater) och tryck ritningsfönstret för att initiera formen (Klicka i AutoCAD Software Hjälp-menyn för mer information).
Mönster jjs och qics mönster, efter att ha utvecklat fotoresist på rånet, och fabricera Mesa strukturer för att fungera som den aktiva regionen (det upphöjda området i figur 1) av Wet-etch i sura lösningar av H₂så₄: H₂O₂ : (1:8:1000)²³^,²⁴^,²⁵. Skölj enheten i DI-vatten i 30-talet och torka sedan med kvävgas.
Säkerställ ett etch-djup på ~ 150 Nm genom dektak ytan profiler²³^,²⁴^,²⁵.
Form ohmsk kontakter, att göra elektrisk kontakt mellan metall och 2deg, genom att snurra fotoresist ovanpå Wafer och sedan exponering för UV-ljus genom en foto-mask. Utveckla motstå i MF-319 för 1 min. deponera ett tunt lager, mellan 50 nm och 100 nm i guld/germanium/nickel (augeni) legering över motstå-mönstrade provet²³^,²⁴^,²⁵.
Etch a \u2012 140 Nm djup dike ovanpå den aktiva regionen för att bilda 2D jjs av antingen photolithografiskt (enhet 1) eller e-beam litografiskt (enhet 2) mönkning och våt etsning i syra som beskrivs ovan (jjs bör bildas långt från ohmsk kontakter, ett avstånd av > 100 μm, för att säkerställa att de normala elektronerna från denna del inte påverkar korsningen gränssnitt)²³^,²⁴^,²⁵.
Sputter a \u2012130 nm supraledande NB film att bilda NB-in_0,75ga_0,25as-NB jjs (av DC Magnetron sputtring i ar plasma),
Sätt in 10/50 nm tjocka ti/au-filmer för elektriska kontakter och transport mätnings ändamål.
Överföra och ladda enheten på standard av chip bärare (LCC) med hjälp av ge lack, och göra de elektriska kontakterna mellan enheten och LCC kuddar med hjälp av guld ledningar.
Ladda enheterna i en ³he kryostaten eller utspädning kylskåp för transport mätningar.

Representative Results

Figur 2 a visar SEM-bilden (scanning Electron Mikroskop) på enheten 1. En kvantkrets med 20 elektriska ledningar kan ses. Konstruktionen gör det möjligt att mäta en eller serie av JJs på ett chip i ett kylskåp svalna. SEM-bilden av en korsning på kretsen av enhet 2, som var tillverkad av e-beam litografi, visas i figur 2b. Avståndet mellan två NB filmer på vardera sidan av NB-in_0,75ga_0,25as-NB korsningen är L= 550 Nm på den kortaste vägen. Figur 2 c visar SEM bild av en korsning av enhet 1-som är fotolitografiskt fabricerade. Här är de två NB-elektroderna åtskilda med ett avstånd av L= 850 nm.

Den Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) teorin är en acceptabel modell för att beskriva Quantum transport i Hybrid S-SM korsningar²⁷. Påverkan av supraledare orderparametrar i semidirigering 2DEG resulterar i en ickelinjär differential konduktans. Vid låga temperaturer finns det två möjliga reflektions system på NB-in_0,75ga_0,25som gränssnitt: normal reflektion som orsakar ingen laddning överföring genom gränssnittet och Andreev reflektioner, som sänder två laddning quanta 2e, med retroreflektion av ett hål²³^,²⁴^,²⁵. Eftersom supraledande kondensat består av spinn linne Cooper par, har det reflekterade hålet motsatt spinn som inkommande elektron. Den tecknade diagram av dessa två processer visas i figur 3a, b, respektive²⁸.

Om gränssnittet mellan NB och i_0,75ga_0,25som kontakt inte är transparent, det finns samexistens mellan både normala och Andreev reflekterade elektroner. Sålunda, motståndet ökar och en noll-bias topp i gapet bildas. En sådan in-gap Peak i DV/di (V_SD) observeras inte i våra korsningar. Men för en homogen och barriärfri (Z= 0) gränssnitt mellan NB filmen och i_0,75ga_0,25som kontakt, alla incident elektroner genomgår Andreev reflektion. I ett sådant tillstånd, en överskotts ström jag_EXC bildas i korsningen på grund av korrelationer av elektron-och hålliknande quasipartiklar. Därför minskar differential motståndet inom gapet och en platt U-form DIP i DV/di (V_SD) observeras. Enligt BTK modell, kan det härledas att ingen tunnel barriär bildas vid NB-in_0,75ga_0,25som gränssnitt för båda enheterna. Därför beräknas barriär styrkan vara Z < 0,2 i våra korsningar²³^,²⁴^,²⁵.

På grund av närhets effekten, inducerade gapet på cirka Δ_IND ≈ 100 μeV, och 650 μeV mäts i enheterna 1 respektive 2. Temperaturberoende inducerade supraledande Gap med uttalad subharmonisk energi gap strukturer (SGS) toppar och dips för enhet 1 visas i figur 4a. De flera Andreev reflektioner (MAR) vid gränssnitten i NB-in_0,75ga_0,25som korsning resultera i observation av SGS i differentiell conductance. Vid den lägsta uppmätta temperaturen T= 50 mk (röd kurva) visas SGS med tre toppar (namngivna som P1, P2 och P3) och tre dips (benämnd D1, D2 och D3). Temperatur utvecklingen av topparna och dips på grund av dämpningen av den inducerade supraledningen med temperaturökning visas i figur 4b. SGS Peak positioner lyder uttrycket V = 2δ/Ne (Δ är NB gap Energy, n = 1, 2, 3,... är ett heltal, och e är elektron laddning): P1, P2, P3 och P4 positioner motsvarar ungefär 2δ/3e, 2δ/4e, 2δ/6e och den inducerade gap Edge men DIP positioner inte följer uttrycket. Alla funktioner är betydligt temperaturberoende, och de starkaste (svagaste) SGS toppar (dips) observeras vid T= 50 mk (800 MK). Det är värt att nämna att även vid temperaturer över T= 500 MK där överström inte längre kan ses, är SGS observeras men det försvinner vid T> 800 MK-när inducerad supraledning tvättas ur.

För denna enhet med ett utbud av åtta 2D jjs, i 4 av 7 korsningar, en hårdinducerad supraledande gap i i_0,75ga_0,25som 2deg hittades²³^,²⁴. Dock visade tre korsningar en mjuk gap signatur och varken en hård-nor en mjuk-gap struktur observerades för den sista korsningen på grund av en tråd kontakt misslyckande mellan enheten och pad.

Det supraledande gapet som en funktion av tillämpad V_SD -spänning och-temperatur på enhet 2 visas i figur 5a. Denna apparat mättes på en ³han kryostaten med bas temperaturen av T= 280 MK. Temperaturen och magnetfältet Dependences transport mätningar av enhet 2 visar inte några tecken på in-gap eller sub-gap svängningar som observeras för enhet 1 (se figur 5a, b). Detta kan bero på den pilformade geometrin hos korsningen som kan orsaka destruktiva störningar av MAR. Sådana funktioner kan förekomma i differentiell värmeledningsförmåga om enheten mäts vid mycket lägre temperaturer (utspädning kylskåp bas temperatur). Den inducerade klyftan dämpas och flyttas mot noll spännings bias och deras amplituder minskar med ytterligare ökning av tillämpad temperatur och magnetfält.

Figur 1 . I_0,75ga_0,25som/i_0,75Al_0,25as/GaAs heterostructure. Den schematiska bild av halvledarkontakter där en i_0,75ga_0,25som Quantum väl med 30 Nm tjocklek bildas \u2012120 nm under wafer ytan. NB användes som supraledande kontakter (visas i svart) för att bilda en hybrid och ballistiska nb-i_0,75ga_0,25som 2Deg-NB Josephson Junction. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2 : On-chip hybrid supraledande-semidirigering kvantkretsar. (a) SEM-bild av qics-enheten som visar en toppvy av en kvantkrets med 20 styrledningar och 8 plana och symmetriska jjs på ett chip. SEM bild av NB-in_0,75ga_0,25as-NB jjs med en i_0,75ga_0,25som 2deg gap längd L= 550 nm och 850 nm för e-beam litografiskt (b) och fotolitografiskt (c) fabricerade korsningar . Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3 . Normal och Andreev reflektioner i hybrid supraledande-halvledande korsningar. (a) speglande kvasipartikel reflektion utan laddning överföring genom gränssnittet. (b) Andreev reflektion medan inkommande elektron reflekteras som ett hål i motsatt spin sub-band och överföra 2e laddning i supraledande elektrod. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4 . Inducerade supraledning och SGS in i_0,75ga_0,25som kvantbrunnar i photolithografiskt fabricerade korsning. (a) temperaturberoende inducerade supraledande Gap med uttalade SGS toppar på grund av flera Andreev reflektioner. SGS och de inducerade gap Edge toppar, är markerade med P1 till P4 medan SGS dips är märkta med D1 till D3. b) de SGS toppar och dips som visas i (a) som en funktion av temperaturen. SGS dämpas betydligt vid T≫ 400 MK leder till en förskjutning mot noll bias. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5 . Temperaturen och magnetfältet beroende av inducerad supraledning i e-beam litografiskt fabricerade korsningar. (a) inducerade supraledande gap kontra tillämpad källa-dräneringspänning V_SD vid temperaturer mellan 300 MK och 1,5 K. Kurvorna är vertikalt förskjutna för tydlighetens skull. bfärgkodade differential motstånd som funktion av V_SD och vinkelrätt magnetfält vid T= 300 MK. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

On-chip QICs består av en rad JJs baserade på supraledande indium gallium Arsenid (i_0,75ga_0,25as) kvantbrunnar visades. Två viktiga utmaningar med Hybrid S-SM-materialsystem som skalbarhet och gränssnitts genomskinlighet åtgärdades. Två kritiska steg gnäll protokollet inklusive tillväxt av hög kvalitet och hög rörlighet i_0,75ga_0,25som tvådimensionell elektron gas i halvledande heterostrukturer och närhet inducerad SUPRALEDNING i 2deg var diskuteras²³^,²⁴^,²⁵.

Tillväxt på i_0,75ga_0,25som med steg-graderade buffertlager i GaAs substrat och även bildandet av homogena och barriär-fria gränssnitt mellan supraledare och halvledare är ett viktigt steg i en sådan hybrid 2D Quantum krets Utveckling. Det visades att med noggrann etsning av finfördelat supraledande film kan göra mycket transparenta kontakter i_0,75ga_0,25som kvantbrunnar vilket resulterar i detektering av inducerad supraledande gap i halvledare²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵.

Betydelsen med avseende på befintliga metoder är att den presenterade tekniken för 2D hybrid JJs och krets förverkligande inte kräver InSitu deposition av supraledare på halvledare i en MBE kammare efter halvledar tillväxten har färdigställda²³^,²⁴^,²⁵. Den andra betydelsen är att heterostrukturfotoniska wafer kan odlas som ett skrivbord på upp till 10 cm diameter, vilket gör att tillverkningen av tusentals hybrid 2D korsningar och kretsar, så övervinna skalbarheten utmaningar Hybrid S-SM Quantum kretsar och enheter ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵.

Den inducerade supraledning i kvantbrunnar, SGS på differentiell värmeledningsförmåga av 2D korsningar, och fasen sammanhängande ballistiska Quantum transport mätt i våra korsningar starkt tyder på att hybrid 2D korsningar och kretsar baserade på supraledande i _0,75 Ga_0,25som 2deg råd lovande material system för skalbar Quantum bearbetning och datateknik. Vårt tillvägagångssätt kan öppna en ny väg mot kvantteknik och hjälper till att bana väg för utvecklingen av on-chip topologiska kvantkretsar för att realisera nästa generations kvantprocessorer²³^,²⁴^,²⁵.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna erkänner ekonomiskt stöd från EPSRC, Grant MQIC.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CompactDAQ Chassis	National Instruments	NI cDAC-9178
DSP Lock-in Amplifier	AMETEK 7265	190284-A-MNL-C
Dilution refrigerator	Blueforce		Buttom loaded fridge
Dilution refrigerator	Oxford	KelvinoxMX40	Wet-fridge
Diamond scriber MICROTEC	Karl Suss	HR 100
Dektak Surface Profilometer	Veeco	3ST
Evaporator	Edwards	AUTO 306
Evaporator	Edwards	Coating system E306A
³He Cryostat	Oxford
Photoresist Spinner	Headway Research Inc.	EC101DT-R790
Matlab
Mask Aligner	Karl Suss	MJB 3
Source meter	Keithley	2614B
Semiconducting heterostructure	MBE Veeco	Gen III system	MBE Grown wafers
Wire Bonder	K&S	4524