Engineering

Skalerbare Quantum integrerede kredsløb på superledende todimensionale elektron Gasplatform

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

Quantum integrerede kredsløb (QICs) bestående af array af planar og ballistiske Josephson vejkryds (JJs) baseret på i_0,75GA_0,25som to-dimensionelle elektron gas (2deg) er påvist. To forskellige metoder til fremstilling af de to-dimensionelle (2D) JJs og QICs diskuteres efterfulgt af demonstration af kvante transport målinger i sub-Kelvin temperaturer.

Abstract

At danne en sammenhængende kvante transport i hybrid superleder-halvleder (S-SM) knude, dannelsen af en homogen og barriere-fri grænseflade mellem to forskellige materialer er nødvendig. S-SM-krydset med høj grænseflade gennemsigtighed vil derefter lette observation af den inducerede hårde superledende kløft, som er det vigtigste krav for at få adgang til de topologiske faser (TPs) og observation af eksotiske kvasipartikler som Majorana Zero modes (MZM) i hybridsystemer. En materiel platform, der kan understøtte observation af TPs og gør det muligt at realisere komplekse og forgrenede geometrier, er derfor meget krævende i kvante behandling og datalogi og teknologi. Her introducerer vi et todimensionalt materiale system og studerer nærhed induceret super ledningsevne i halvledende todimensionale elektron gas (2DEG), der er grundlaget for en hybrid Quantum Integrated Circuit (QIC). 2DEG er en 30 nm tyk i_0,75GA_0,25som Quantum godt, der er begravet mellem to i_0,75al_0,25som barrierer i en heterostruktur. Niobium (NB) film bruges som superledende elektroder til at danne NB-in_0,75GA_0,25as-NB Josephson vejkryds (JJs), som er symmetriske, planar og ballistiske. To forskellige tilgange blev brugt til at danne JJs og QICs. De lange vejkryds blev fabrikeret fotolithografisk, men e-Beam litografi blev brugt til korte vejkryds ' fabrikation. De sammenhængende kvante transport målinger som funktion af temperatur ved tilstedeværelse/fravær af magnetfelt B diskuteres. I både indretningen fabrikation tilgange, den nærhed induceret superledende egenskaber blev observeret i i_0,75GA_0,25som 2deg. Det konstateredes, at e-Beam lithografisk mønstrede JJs af kortere længder resulterer i observation af induceret superledende hul ved meget højere temperaturintervaller. De resultater, der er reproducerbare og rene tyder på, at hybrid 2D JJs og QICs baseret på i_0,75GA_0,25som Quantum Wells kunne være en lovende materiale platform til at realisere den virkelige komplekse og skalerbare elektroniske og fotoniske Quantum kredsløb og anordninger.

Introduction

En Josephson Junction (JJ) dannes ved at klemme et tyndt lag af et ikke-superledende (normalt) materiale mellem to superledere¹. Forskellige nye kvante elektroniske og fotoniske kredsløb og anordninger kan bygges baseret på JJs²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^, ⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. Blandt dem, JJs med halvleder som deres ikke-superledende (normal) del, eller superleder-halvleder-superleder (S-SM-S) JJs, har fået megen opmærksomhed i de seneste år efter den påståede påvisning af eksotiske Majorana partikler med nul elektriske ladninger på grænsefladen af en superleder og en halvledende endimensional (1D) nanowire¹⁷,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^, ²². nanowire-baserede hybrid anordninger er begrænset til 1d-geometrien af nanotråden og fabrikation af Y-og/eller T-strukturer ud af dem-et nødvendigt krav til Majorana fletning-er udfordrende²². Den finjustering af nanowire kemiske potentiale, for adgang til topologiske faser, kræver JJs med flere elektrostatiske porte, som forårsager en hel del problemer i komplekse enhed fabrikation ud af nanoledninger. For at overvinde skalerbarhed spørgsmål af 1d ledninger, to-dimensionelle (2D) materielle platforme er meget ønskværdigt¹⁹^,²².

Blandt 2D-materialer er de to-dimensionelle elektron gas (2DEG) platform-former, når elektroner er begrænset til en grænseflade mellem to forskellige materialer i en halvleder heterostruktur-er den mest lovende kandidat²². Kombinationen af 2DEG med superledere og danner hybrid 2D JJs åbner en ny vej mod udviklingen af næste generations skalerbare kvantesystemer som topologiske kvante behandling og computing. De kan støtte fase sammenhængende Quantum transport, og nærhed induceret super ledningsevne med høj transmissions sandsynlighed, som er grundlæggende krav til topologiske fase observation. I denne forbindelse demonstrerer vi en QIC på en chip, der består af et array af ballistiske 2D JJs, der kan styres af 20 ledninger. Hvert kryds har to NB elektroder som den superledende del og i_0,75GA_0,25som Quantum brønde i en halvledende heterojunction som den normale del. Waferen kan let mønstrede til at danne komplekse strukturer og netværksbaserede QICs.

Fordelene ved i_0,75GA_0,25som 2deg omfatter: (i) relativ stor g-faktor, (II) stærk rashba spin-Orbit kobling, (III) den lave elektron effektive masse, og (IV) at indiumsammensætningen kan justeres, så dannelsen af JJs med høj grænseflade gennemsigtighed²³^,²⁴^,²⁵. Waferen kan dyrkes som en disk på op til 10 cm dimeter, hvilket giver mulighed for fremstilling af tusindvis af hybride 2D JJs og komplekse QICs-netværk, så det er muligt at overvinde skalerbar udfordringerne i disse kvante enheder.

Vi diskuterer to forskellige tilgange til anordning fabrikationer: for enhed 1, et kredsløb, der omfatter otte identiske og symmetriske JJs af 850 nm længde og 4 μm bredder er mønstret af litografiske²³^,²⁴. Enheden 2 indeholder otte vejkryds med forskellige længder. De har alle samme bredde på 3 μm. JJs er mønstret af e-Bam litografi²⁵. Transport målinger ved sub-Kelvin temperaturintervaller i fravær/tilstedeværelse af magnetfelt vil blive præsenteret. Den on-chip QICs består af matrix af 2D NB-i_0,75GA_0,25as-NB JJs. De lange og korte vejkryds måles i et fortyndings køleskab med en basis temperatur på 40 mK og flydende ³han afkølede kryostat med en grund temperatur på 300 Mk. Enheder er forudindtaget med et AC-signal på 5 μv ved 70 Hz, som er overlejret til krydset DC spænding bias. En to-Terminal standard lock-in teknik bruges til at måle enhedens udgang AC-Current²³^,²⁴^,²⁵.

Protocol

Bemærk: halvleder heterostruktur og hybrid S-SM Josephson Junction fabrikation præsenteres.

1. halvledende heterostructure fabrikation

Bemærk: den molekylære stråle cellen (MBE) dyrket i_0,75GA_0,25som Quantum brønde anvendes i dette studie²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. Figur 1 skildrer sekvensen af særskilte lag:

Rengør en 500 μm tyk, 3-tommer semi-isolerende (001) GaAs substrat og fjern oxid lag i høj temperatur (over 200 °C)²⁶.
Justér vækst temperaturen ved 580 °C, og øg stødpude laget for GaAs/AlAs/GaAs-film med tykkelser på 50/75/250 nm²⁶.
Rampe ned substrat temperaturen i 20 min og derefter vokse et trin-klassificeret buffer lag af InAlAs med en 1300 nm tykkelse ved start substrat temperaturer på T = 416, 390, 360, 341, 331 og 337 °c²⁶.
Vokse en 30 nm tyk i_0,75GA_0,25som Quantum godt 2deg ved lidt højere substrat temperatur²⁶.
Dæk 2DEG Quantum godt med en 60 nm i_0,75al_0,25som spacer, og derefter modulation dope wafer med en 15 nm tyk af en n-type i_0,75al_0,25as. Dette vil forsikre kondukteten i mørket²⁶.
Vokse en 45 nm i_0,75al_0,25som lag efterfulgt af en Cap lag af ingaas med tykkelse på 2 nm²⁶.
Udfør målingen af Shubnikov-de Haas-svingningerne og Hall-effekten for at finde elektron tætheden (n_s) og mobilitet (μ_e) ved temperatur T= 1,5 K²⁶. Fra transport målingerne blev det udledt, at n_s= 2.24 × 10¹¹ (cm^-2) og μ_e= 2.5 × 10⁵ (cm²/vs) i mørket, men n_s= 2.28 × 10¹¹ (cm ^-2) og μ_e= 2.58 × 10⁵ (cm²/vs) efter belysning.

2. todimensionelle Josephson Junction fabrikation

Bemærk: her diskuteres fremstillingsprocessen af hybrid qics med to forskellige tilgange²³^,²⁴^,²⁵. Enhed 1 med otte identiske lange Josephson vejkryds blev fremstillet kun med et par trin af litografiske behandling. Den anden anordning fabrikation procedure var magen til enhed 1 op til dannelsen af JJs hvilket trin e-Beam-litografi blev brugt.

Skitsér JJs-og QIC-enhedens layout, herunder Mesa-og ohmic-mønstre ved hjælp af AutoCad-software²⁵. Start tegningen ved at vælge de relevante lag for at danne lag-vælger menuen. Opret et nyt lag fra format | Lag i AutoCAD-softwaren.
Design og fabrikere fotolitografi masken. Vælg ønskede former og geometrier i panelmenuen i softwaren. Klik på den ønskede form af JJs (dvs., rektangler, firkanter) og tryk på tegningsvinduet for at starte figuren (Klik i AutoCAD software Hjælp menu for flere detaljer).
Mønster JJs og qics designs, efter at udvikle fotoresist på wafer, og fabrikere Mesa strukturer til at fungere som den aktive region (det hævede område i figur 1) ved våd-etch i syreopløsninger af H₂så₄: H₂O₂ : (1:8:1000)²³^,²⁴^,²⁵. Skyl enheden i DI vand i 30 s og tør derefter med nitrogen gas.
Sørg for en etch-dybde på ~ 150 nm af dektak Surface profiler²³^,²⁴^,²⁵.
Form ohmic kontakter, at gøre elektrisk kontakt mellem metal og 2deg, ved at spinne fotoresist på toppen af wafer og derefter udsættelse for UV-lys gennem en foto-maske. Udvikle modstå i MF-319 for 1 min. deponere et tyndt lag, mellem 50 nm og 100 nm guld/germanium/nikkel (augeni) legering over modstå-mønstrede prøve²³^,²⁴^,²⁵.
Etch a \u2012 140 nm dyb grøft på toppen af det aktive område for at danne 2D JJs ved enten photolithografisk (enhed 1) eller e-Beam Litografisk (enhed 2) mønster og våd-ætsning i syre beskrevet ovenfor (JJs bør dannes langt fra ohmic kontakter, en afstand på > 100 μm for at sikre, at de normale elektroner fra denne del ikke påvirker samlings fladerne)²³^,²⁴^,²⁵.
Sputter en \u2012130 nm superledende NB film til form NB-in_0,75GA_0,25as-NB JJs (ved DC Magne-spruttende i ar-plasma),
Indbetal 10/50 nm tykke ti/AU-film til elektriske kontakter og transport målings formål.
Overfør og Indlæs enheden på standard blyfri chip carrier (LCC) ved hjælp af GE lak, og gør de elektriske kontakter mellem enheden og LCC Pads ved hjælp af guld ledninger.
Læg enhederne i et ³-kryostat eller fortyndings køleskab til transport målinger.

Representative Results

Figur 2 a viser enhedens scannings elektronmikroskop (SEM) billede 1. Et kvante kredsløb med 20 elektriske ledninger kan ses. Designet gør det muligt at måle en eller serie af JJs på en chip i et køleskab afkøles. SEM billedet af et knude stykke på kredsløbet af enhed 2, der blev fremstillet af e-Beam litografi, er vist i figur 2b. Afstanden mellem to NB-film i hver side af NB-in_0,75GA_0,25as-NB junction er L= 550 nm ved den korteste vej. Figur 2 c viser SEM billedet af en samling af enhed 1-som er fotolithografisk fabrikeret. Her adskilles de to NB-elektroder med en afstand på L= 850 nm.

Teorien blonder – Tinkham – Klapwijk (BTK) er en acceptabel model til at beskrive kvante transporten i hybrid S-SM-vejkryds²⁷. Den indflydelse af superleder ordreparametre i halvledende 2DEG resulterer i en ikke-lineær differentiel ledning. Ved lave temperaturer er der to mulige refleksions mekanismer på NB-in_0,75GA_0,25som grænseflader: normal refleksion, som forårsager ingen gebyr transmission gennem grænsefladen og Andreev refleksioner, som transmitterer to opladnings Quanta 2e, med retrorefleksion af et hul²³^,²⁴^,²⁵. Da det superledende kondensat består af spin singlet Cooper Pairs, har det reflekterede hul det modsatte spin som den indkommende elektron. Tegneserie diagrammet for disse to processer er vist i figur 3a, b, henholdsvis²⁸.

Hvis grænsefladen mellem NB og i_0,75GA_0,25som kontakt ikke er gennemsigtig, er der sameksistens mellem både normale og Andreev reflekterede elektroner. Således, modstanden stiger og en nul-bias peak inden for kløften dannes. En sådan in-Gap Peak i DV/di (V_SD) er ikke observeret i vores kryds. Men for en homogen og barriere fri (Z= 0) grænseflade mellem NB film og i_0,75GA_0,25som kontakt, alle hændelser elektroner gennemgår Andreev refleksion. I en sådan tilstand dannes en over skydende strøm i_exc i krydset på grund af korrelationer mellem elektron-og hullignende kvasi-partikler. Differentialmodstanden i hullet reduceres derfor, og der observeres en flad U-form dukkert i DV/di (V_SD). Ifølge BTK model, kan det udledes, at ingen tunnelføring barriere dannet ved NB-in_0,75GA_0,25som grænseflader af begge enheder. Derfor skønnes barriere styrken at være Z < 0,2 i vores kryds²³^,²⁴^,²⁵.

På grund af nærhedseffekten måles den inducerede kløft på ca. Δ_ind ≈ 100 μev og 650 μev i henholdsvis enhederne 1 og 2. Den temperaturafhængighed induceret superledende kløft med udtalt subharmonisk energi Gap strukturer (SGS) toppe og dips for enhed 1 er vist i figur 4a. De multiple Andreev refleksioner (MAR) ved grænsefladerne af NB-in_0,75GA_0,25som Junction resultat i observation af SGS i differentiel ledning. Ved den laveste målte temperatur T= 50 MK (rød kurve) fremstår SGS med tre toppe (benævnt P1, P2 og P3) og tre dip'er (benævnt D1, D2 og D3). Temperaturudviklingen for toppe og dips på grund af undertrykkelse af den inducerede super ledningsevne med temperaturstigning er vist i figur 4b. SGS peak positioner adlyder udtrykket V = 2δ/ne (Δ er NB Gap Energy, n = 1, 2, 3,... er et heltal, og e er elektron afgiften): P1, P2, P3 og P4 positioner omtrent svarer til 2δ/3e, 2δ/4e, 2δ/6e og den inducerede mellemrums kant, men dip-positionerne følger ikke udtrykket. Alle funktioner er signifikant temperaturafhængige, og de stærkeste (svageste) SGS toppe (dips) observeres ved T= 50 mk (800 MK). Det er værd at nævne, at selv ved temperaturer over T= 500 MK, hvor super strømmen ikke længere kan ses, er SGS observeret, men det forsvinder ved T> 800 MK-når induceret super ledningsevne er vasket ud.

For denne enhed med et array af otte 2D JJs, i 4 ud af 7 vejkryds, en hård induceret superledende hul i i_0,75GA_0,25som 2deg blev fundet²³^,²⁴. Men tre vejkryds viste en soft Gap signatur og hverken en hård-eller en soft-Gap struktur blev observeret for den sidste Junction på grund af en wire kontaktfejl mellem enheden og pad.

Den superledende kløft som en funktion af Applied V_SD spænding og temperatur af enhed 2 er vist i figur 5a. Denne enhed blev målt ved en ³han kryostat med base temperatur på T= 280 Mk. Temperatur og magnetfelt forudsætter transport målinger af anordning 2 viser ingen tegn på in-Gap eller sub-Gap svingninger, som observeres for anordning 1 (Se figur 5a, b). Dette kan skyldes den pileformede geometri af krydset, som kan forårsage ødelæggende interferens af MAR. Sådanne funktioner kan forekomme i differentialkondukteringen, hvis enheden måles ved meget lavere temperaturer (fortyndings køleskabet grund temperatur). Den inducerede kløft undertrykkes og flyttes mod nulspændings bias og deres amplituder mindskes med yderligere forøgelse af den anvendte temperatur og magnetfelt.

Figur 1 . I_0,75GA_0,25som/i_0,75al_0,25as/gaas heterostruktur. Den skematiske visning af heterojunction, hvor en i_0,75GA_0,25som Quantum godt med 30 nm tykkelse dannes \u2012120 nm under wafer overfladen. NB blev brugt som superledende kontakter (vist i sort) til at danne en hybrid og ballistisk NB – i_0,75GA_0,25som 2Deg – NB Josephson Junction. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2 : On-chip hybrid superledende-halvledende Quantum kredsløb. (a) SEM billede af qics enhed, der viser en top visning af en Quantum kredsløb med 20 styreledninger, og 8 planar og symmetriske JJs på en chip. SEM billede af NB-in_0,75GA_0,25as-NB JJs med en i_0,75GA_0,25som 2deg hul af længde L= 550 nm og 850 nm for e-Beam Litografisk (b) og photolithografisk (c) fabrikerede vejkryds . Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 . Normale og Andreev refleksioner i hybrid superledende-halvledende vejkryds. (a) spekulær quasipartikel refleksion uden ladning transmission gennem grænsefladen. b) Andreev-refleksion der henviser til, at den indkommende elektron afspejles som et hul i det modsatte spin-Underbånd og overførsel 2E-opladning til superledende elektrode. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4 . Induceret super ledningsevne og SGS i_0,75GA_0,25som Quantum brønde i photolithografisk fabrikeret Junction. (a) temperaturafhængighed induceret superledende kløft med udtalt SGS toppe på grund af flere Andreev refleksioner. SGS og de inducerede Gap-kant toppe er markeret med P1 til P4, mens SGS-dips er mærket med D1 til D3. b) SGS-toppe og-dip'er, der er vist under (a) som funktion af temperaturen. SGS er undertrykt betydeligt på T≫ 400 MK fører til et skift mod nul bias. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5 . Temperatur og magnetisk felt afhængighed af induceret super ledningsevne i e-stråle lithografisk fabrikerede knude. (a) induceret superledende Gap vs. Applied source-dræn spænding V_SD ved temperaturer mellem 300 MK og 1,5 K. Kurverne er lodret forskudt for klarhed. b) farvekodet differentialresistens som funktion af V_SD og vinkelret magnetfelt ved T= 300 Mk. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

On-chip QICs bestående af en række JJs baseret på superledende indium gallium arsenid (i_0,75GA_0,25AS) kvante brønde blev påvist. To vigtige udfordringer i hybrid S-SM-materiale systemer såsom skalerbarhed og grænseflade gennemsigtighed blev behandlet. To kritiske trin, der klynker protokollen, herunder væksten af høj kvalitet og høj mobilitet i_0,75GA_0,25som to-dimensionelle elektron gas i halvledende heterostrukturer og nærhed induceret super ledningsevne i 2deg blev drøftet²³^,²⁴^,²⁵.

Vækst i_0,75GA_0,25som med Step-graduerede buffer lag i gaas substrat og også dannelsen af homogene og barriere-fri grænseflader mellem superleder og halvleder er et afgørende skridt i en sådan hybrid 2D Quantum kredsløb Udvikling. Det blev påvist, at med omhyggelig ætsning den sprudede superledende film kan gøre meget gennemsigtige kontakter til i_0,75GA_0,25som kvante brønde resulterer i påvisning af induceret superledende hul i halvledere²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵.

Betydningen med hensyn til eksisterende metoder er, at den præsenterede teknik for 2D hybrid JJs og kredsløb realisering ikke kræver InSitu deposition af superleder på halvledere i en MBE kammer efter halvleder væksten er blevet afsluttet²³^,²⁴^,²⁵. Den anden betydning er, at heterostrukturwaferen kan dyrkes som et skrivebord med en diameter på op til 10 cm, hvilket gør det muligt at fremstilling af tusindvis af hybride 2D-kryds og-kredsløb, så de skalerbare udfordringer i hybrid S-SM Quantum-kredsløb og-enheder overvindes ²² ^, ²³ ^, ²⁴ ^, ²⁵.

Den inducerede super ledningsevne i Quantum Wells, SGS på differentiel konduktivitet af 2D-vejkryds, og den fase sammenhængende ballistiske kvante transport målt i vores kryds antyder kraftigt, at hybride 2D-kryds og kredsløb baseret på superledende i _0,75 GA_0,25som 2DEG giver lovende materiale system til skalerbare kvante behandling og computing teknologier. Vores tilgang kan åbne en ny vej mod Quantum teknologi og hjælper bane vejen for udvikling af on-chip topologiske Quantum kredsløb for at realisere den næste generation af Quantum processorer²³^,²⁴^,²⁵.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne anerkender finansiel støtte fra 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