超伝導2次元電子ガスプラットフォーム上のスケーラブル量子集積回路

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Summary

0.75Ga0.25に基づく平面および弾道ジョセフソン接合部(JJ)の配列からなる量子集積回路(QIC)は、2次元電子ガス(2DEG)として実証される。2次元(2D)JJとQICの製造のための2つの異なる方法について議論し、その後、サブケルビン温度における量子輸送測定のデモンストレーションを行う。

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Delfanazari, K., Ma, P., Puddy, R., Yi, T., Cao, M., Gul, Y., Richardson, C. L., Farrer, I., Ritchie, D., Joyce, H. J., Kelly, M. J., Smith, C. G. Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform. J. Vis. Exp. (150), e57818, doi:10.3791/57818 (2019).

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Abstract

ハイブリッド超伝導半導体(S-Sm)接合部における一貫した量子輸送を形成するためには、2つの異なる材料間に均質でバリアフリーな界面を形成する必要がある。インターフェイスの透明性が高いS-Sm接合部は、トポロジ相(TP)にアクセスするための重要な要件である誘発されたハード超伝導ギャップの観測とマヨラーナゼロなどのエキゾチックな準粒子の観測を容易にします。ハイブリッド システムのモード (MZM) を使用します。TPの観測をサポートし、複雑で分岐した形状の実現を可能にする材料プラットフォームは、量子処理とコンピューティング科学技術において非常に要求が高い。ここでは、2次元材料系を紹介し、ハイブリッド量子集積回路(QIC)の基礎となる半導体二次元電子ガス(2DEG)における近接誘導超伝導を研究する。2DEGは30nmの厚さで0.75Ga0.25量子井戸として、ヘテロ構造の障壁として0.75 Al0.25の間に埋もれている。ニオブ(Nb)膜は、対称、平面および弾道である-Nbジョセフソンジャンクション(JJ)として0.75Ga0.25でNb-を形成する超伝導電極として使用される。JJとQICを形成するために、2つの異なるアプローチが使用されました。長いジャンクションはフォトリソグラフィカルに作られましたが、電子ビームリソグラフィは短いジャンクションの製造に使用されました。磁場Bの有無における温度の関数としての一貫した量子輸送測定について議論する。いずれの装置製造アプローチでも、近接誘導超伝導特性はIn0.75Ga0.25As 2DEGで観察された。より短い長さのeビームリソグラフィカルパターンJJは、はるかに高い温度範囲で誘導された超伝導ギャップの観測をもたらすことが分かった。再現性が高くクリーンな結果は、0.75Ga0.25に基づくハイブリッド 2D JJ と QIC が、量子ウェルとして、実際の複雑でスケーラブルな電子およびフォトニック量子を実現するための有望な材料プラットフォームである可能性があることを示唆しています。回路とデバイス。

Introduction

ジョセフソン接合部(JJ)は、2つの超伝導体1の間に非超伝導(正常)材料の薄い層を挟むことで形成される。様々な新しい量子電子およびフォトニック回路とデバイスは、JJS2、3、4、5、6、7、8基づいて構築することができます。 9,10,11,12,13,14,15,16.その中でも、半導体を非超伝導(正常)部分とするJJ、または超伝導体-半導体超伝導体(S-Sm-S)JJは、エキゾチックなマヨラナ粒子の検出後、近年大きな注目を集めています。超伝導体および半導体一次元(1D)ナノワイヤー17、18、19、20、21の界面での電荷ゼロ、22.ナノワイヤーベースのハイブリッドデバイスは、ナノワイヤーの1DジオメトリとそれらのYおよび/またはT構造の製造に限定されています - マヨラナ編組のための必要な要件は、挑戦的な22です。ナノワイヤーの化学的可能性を微調整するには、トポロジ的な相にアクセスするために、いくつかの静電性ゲートを持つJJが必要であり、ナノワイヤーから複雑なデバイス製造にかなり多くの問題を引き起こします。1Dワイヤのスケーラビリティの問題を克服するために、2次元(2D)材料プラットフォームは非常に望ましい19、22です。

2D材料の中で、2次元電子ガス(2DEG)プラットフォームは、電子が半導体ヘテロ構造における2つの異なる材料間の界面に閉じ込められた場合に形成され、最も有望な候補22である。超伝導体と2DEGを組み合わせ、ハイブリッド2D JJを形成することで、トポロジカル量子処理やコンピューティングなどの次世代スケーラブル量子システムの開発に向けた新たな道が開かれる。それらは位相の一貫性のある量子輸送および近接誘発された超伝導を高い伝達確率で支えることができる。この点に関して、我々は20本のワイヤーで制御することができる弾道2D JJの配列から成っているチップ上のQICを示す。各接合部は、超伝導部として2つのNb電極を有し、0.75Ga0.25では通常の部分として半伝導ヘテロ接合部の量子ウェルとして。ウエハは複雑な構造およびネットワーク化されたQICを形成するために容易にパターン化することができる。

In 0.75Ga0.25As 2DEGの利点:(i)比較的大きなg-factor、(ii)強いラシュバスピン軌道結合、(iii)低電子有効質量、および(iv)インジウム組成物を調整することができ、形成を可能にする。高いインターフェイスの透明性を持つJJの23,24,25.ウェーハは最大10cmのダイメーターのディスクとして成長できるため、何千ものハイブリッド2D JJと複雑なQICネットワークを作り出すことができるため、これらの量子デバイスのスケーラビリティの課題を克服できます。

デバイス製造に関する2つの異なるアプローチについて議論する:デバイス1の場合、850nmの長さと4 μm幅の8つの同一および対称JJを含む回路は、フォトリソグラフィ23、24によってパターン化される。装置2は異なった長さの8つのジャンクションを含んでいる。それらはすべて3 μmの同じ幅を持っている。JJはe-bamリソグラフィ25によってパターン化されています。磁場の不在/存在下でのサブケルビン温度範囲での輸送測定を提示します。オンチップQICは、0.75Ga0.25As-Nb JJSの2D Nb-の配列で構成されています。長く短いジャンクションは、ベース温度40mKの希釈冷蔵庫で測定され、液体3彼はそれぞれ300mKの基準温度でクライオスタットを冷却した。デバイスは、ジャンクションDC電圧バイアスに重ね合わされる70 Hzの5μVのAC信号でバイアスされています。 2端子標準ロックイン技術を使用して、デバイス出力AC-current232425を測定します。

Protocol

注:半導体ヘテロ構造とハイブリッドS-Smジョセフソン接点製作を提示する。

1. 半導体ヘテロ構造製造

注:0.75 Ga0.25成長した分子ビームエピタキシー(MBE)は、量子ウェルとして本研究23、24、25、26で使用されている。図 1は、異なるレイヤーのシーケンスを示しています。

  1. 厚さ500μm、3インチ半絶縁(001)GaAs基板をきれいにし、高温(200°C以上)26で酸化物層を除去します。
  2. 580 °Cで成長温度を調整し、50/75/250 nm26の厚さでGaAs/AlAs/GaAsフィルムのバッファ層を成長させます。
  3. 基板温度を20分間下降し、T= 416、390、360、341、331、337 °C26の開始基板温度で 1300 nm の厚さで InAlA のステップグレードのバッファー層を成長させます。
  4. 0.75Ga0.25で 30 nm の厚みを成長させる 量子ウェル 2DEG わずかに高い基板温度26.
  5. 2DEG量子を60 nm In0.75Al0.25スペーサーとしてよく覆い、次に変調は0.75 Al0.25Asでn型の15nmの厚さでウエハをドープします。これは暗闇26の伝導を保証します。
  6. 0.75Al0.25レイヤーとして 45 nm を成長させ、その後に 2 nm26の厚さの InGaA のキャップ レイヤーが続きます。
  7. シュブニコフ・デ・ハース振動およびホール効果の測定を行い、温度T=1.5K26で電子密度(ns)および移動性(μe)を見つけます。輸送測定から、n s= 2.24×1011 (cm-2)および μe= 2.5×105 (cm2/Vs) 暗闇の中で、ns= 2.28×1011 (cm) と推測された。-2)照明後の μe= 2.58×105 (cm2/Vs)

2. 2次元ジョセフソン接点製作

注:ここでは、2つの異なるアプローチを持つハイブリッドQICの製造プロセスについて、23、24、25について説明します。8つの同一の長いジョセフソン接合部を有する装置1は、フォトリソグラフィー処理のいくつかのステップでのみ製造された。第2の装置製造手順は、電子ビームリソグラフィーを用いたJJの形成までの装置1に類似した。

  1. AutoCadソフトウェア25を使用して、メサやオーミックパターンを含むJJとQICデバイスレイアウトをスケッチします。適切なレイヤーを選択して描画を開始し、レイヤー セレクタ メニューを形成します。フォーマットから新しいレイヤーを作成|AutoCad ソフトウェアのレイヤー。
  2. フォトリソグラフィーマスクを設計・製作。ソフトウェアのパネルメニューから目的の形状とジオメトリを選択します。JJの目的の形状(長方形、正方形)をクリックし、描画ウィンドウを押して図形を開始します(詳細については、Autocadソフトウェアヘルプメニューをクリックしてください)。
  3. JJとQICの設計をパターン化し、ウエハ上にフォトレジストを開発した後、H2 SO 4:H2 O2の酸溶液中の湿ったエッチングにより活性領域(図1の隆起領域)として作用するメサ構造を作製した。: (1:8:1000)23,24,25.装置をDI水中で30s用にすすし、窒素ガスで乾燥させます。
  4. DEKTAK表面プロファイラ23、24、25によって~150nmのエッチング深さを確保する。
  5. オーミック接点を形成し、金属と2DEGとの間に電気的接触を行い、ウエハの上にフォトレジストを回転させ、次いでフォトマスクを通して紫外線にさらされる。レジストパターンサンプル23、24、25の上に50 nmと100nmの金/ゲルマニウム/ニッケル(AuGeNi)合金の間の薄い層を堆積するMF-319レジストを開発します。
  6. エッチング \u2012 140 nm の深いトレンチをアクティブ領域の上に置き、フォトリソグラフィー (デバイス 1) または e-ビームリソグラフィカル (デバイス 2) パターニングとウェットエッチングを前述の酸で形成する必要があります (JJs は、オーミック接点から遠く離れた距離で形成する必要があります。> 100 μm, この部分からの通常の電子が接点の界面に影響を与えないことを保証するため)23,24,25.
  7. スパッタ \u2012130 nm 超伝導Nbフィルムを形成してNb-In0.75Ga0.25As-Nb JJS(ArプラズマにおけるDCマグネトロンスパッタリングによる)
  8. 電気接点および輸送測定の目的のために10/50 nmの厚さのTi/Auフィルムを堆積する。
  9. GEワニスを使用して標準のリードレスチップキャリア(LCC)にデバイスを転送してロードし、金線を使用してデバイスとLCCパッド間の電気接点を作ります。
  10. 3 Heクライオスタットまたは輸送測定用希釈冷蔵庫にデバイスをロードします。

Representative Results

図 2aは、装置1の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を示す。20本の電線を持つ量子回路が見られます。設計は1つの冷蔵庫の冷却のチップの1つまたは一連のJJの測定を可能にする。電子ビームリソグラフィによって製造されたデバイス2の回路上の1つのジャンクションのSEM画像を図2bに示す。Nb-In0.75Ga0.25As-Nb 接合部の両側にある 2 つの Nb フィルム間の距離は、最短パスでL= 550 nm です。図 2cは、フォトリソグラフィカルに製造されたデバイス1-の1つのジャンクションのSEM画像を示す。ここで、2つのNb電極は、L=850nmの距離で分離される。

ブロンダー-ティンカム-クラップワイク(BTK)理論は、ハイブリッドS-Smジャンクション27における量子輸送を記述するための許容可能なモデルである。半導体2DEGにおける超伝導オーダーパラメータの影響は、非線形差動導性導電性をもたらす。低温では、Nb-In0.75Ga0.25インターフェイスとして、インターフェイスを介して電荷伝送を引き起こす通常の反射と、2 つの電荷を送信する Andreev 反射の 2 つの反射メカニズムが考えられます。クォンタ2eは、穴23、24、25の反射を伴う。超伝導凝縮物はスピンシングルトクーパーペアで構成されているため、反射孔は入ってくる電子とは反対のスピンを持っています。これら2つのプロセスの漫画図は、図3a,b,それぞれ28に示されている。

Nbと0.75Ga0.25の間の界面が接触が透明でない場合、正常電子とアンドレフ反射電子の共存がある。これにより、抵抗が増加し、ギャップ内のゼロバイアスピークが形成される。dV/dI(V SD)のこのようなギャップギャップピークは、我々のジャンクションでは観察されません。しかし、Nbフィルムと0.75Ga0.25の接触として均質でバリアフリー(Z=0)インターフェースの場合、すべての入射電子はアンドレフ反射を受ける。このような状態では、電子と穴様の準粒子の相関に起因して、過剰電流Iexcが接合部に形成される。したがって、ギャップ内の差動抵抗が減少し、dV/dI(V SD)における平坦なU字型ディップが観察される。BTKモデルによれば、Nb-In0.75Ga0.25両デバイスのインタフェースとして形成されたトンネルバリアがないと推測できる。したがって、バリア強度は、当社のジャンクション23、24、25でZ<0.2推定されます。

近接効果のため、デバイス1および2では、約Δ ind≥100 μeV、および650 μeVの誘導ギャップがそれぞれ測定される。顕著なサブハーモニックエネルギーギャップ構造(SGS)ピークおよびデバイス1のディップを伴う温度依存性誘発超伝導ギャップを図4aに示す。Nb-In0.75Ga0.25の界面における複数のアンドレフ反射(MAR)は、接合部として、差動伝導率におけるSGSの観察をもたらす。最も低い測定温度T= 50 mK (赤い曲線) では、SGS は 3 つのピーク (P1、P2、P3 と名付けられた) と 3 つのディップ (d1、d2、d3 と名付けられた) で表示されます。温度上昇に伴う誘導超伝導の抑制によるピークおよびディップの温度進化を図4bに示す。SGSのピーク位置は式V = 2Δ/neに従います(ΔはNbギャップエネルギー、n=1、2、3、...は整数であり、eは電子電荷である:P1、P2、P3およびP4の位置は、2Δ/3e、2Δ/4e、2Δ/6eおよび誘導ギャップエッジにほぼ対応するが、ディップ位置は式に従わない。すべての特徴は著しく温度に依存し、最も強い(最も弱い)SGSピーク(ディップ)はT= 50 mK(800 mK)で観察される。超伝導が見えなくなったT=500mKを超える温度でも、SGSは観測されますが、誘発された超伝導が洗い流されるとT> 800 mKで消失します。

8つの2D JJの配列を持つこの装置では、7つのジャンクションのうち4つで、2DEGとして0.75Ga0.25As 2DEGにおけるハード誘導超伝導ギャップが23、24で見出された。しかし、3つのジャンクションはソフトギャップシグネチャを示し、デバイスとパッド間のワイヤ接触障害のため、最後のジャンクションではハードギャップ構造もソフトギャップ構造も観察されなかった。

デバイス2の印加VSD電圧および温度の関数としての超伝導ギャップを図5aに示す。この装置は、T=280 mKのベース温度で3Heクライオスタットで測定した。 デバイス2の温度および磁界依存性輸送測定は、デバイス1に対して観察されるギャップ内振動またはサブギャップ振動の兆候を示さない(図5a,b参照)。これは、ジャンクションの矢印の形状のジオメトリが原因で、MAR の破壊的な干渉を引き起こす可能性があります。このような機能は、デバイスがはるかに低い温度(希釈冷蔵庫の基準温度)で測定された場合、差動導電率に現れることがあります。誘導ギャップは抑制され、ゼロ電圧バイアスに向かって移動し、その振幅は、適用温度と磁場の更なる増加に伴って減少します。

Figure 1
図 1.0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As/GaAs ヘテロ構造体。0.75Ga0.25厚さ30nmの量子井戸がウエハ表面の下に\u2012120 nmを形成するヘテロ接合の概略図。Nbは、ハイブリッドおよび弾道Nb-In0.75Ga0.25As 2DEG-Nbジョセフソン接合部を形成するために超伝導接点(黒色で表示)として使用された。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図 2:オンチップハイブリッド超伝導半導体量子回路。(a) 20本の制御線を有する量子回路のトップビューを示すQICデバイスのSEM画像と、チップ上の8つの平面および対称Jを示す。Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs のSEM イメージ長さ L= 550 nm と 850 nm の長さのギャップとして 、 e ビームリソグラフィカル (b) とフォトリソグラフィー (c) 製作されたジャンクション.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図 3.ハイブリッド超伝導半導体ジャンクションにおける正常およびアンドレフ反射。(a) 界面を介した充電伝送なしでスペキュラクワシクタリフレクション。(b) 入ってくる電子は反対側のスピンサブバンドに穴として反射し、2e電荷を超伝導電極に転写する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図 4.0.75Ga0.25で誘発された超伝導およびSGSは、光リソグラフィカルに製造された接合部における量子ウェルとして。(a) 温度依存性は、複数のアンドレフ反射による顕著なSGSピークを伴う超伝導ギャップを誘発した。SGS および誘導ギャップ エッジ ピークは P1 から P4 でマークされ、SGS ディップは d1 から d3 でマークされます。(b) 温度の関数として(a)に示すSGSのピークおよびディップ。SGSはT> 400 mKで大幅に抑制され、ゼロバイアスに向かってシフトします。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図 5.電子ビームリソグラフィカルに作製された接合部における誘導超伝導の温度および磁場依存性。(a) 300mK~1.5Kの温度で、加圧された超伝導ギャップと印加源ドレイン電圧VSD。カーブは、わかりやすくするために垂直方向にオフセットされます。(b) T= 300 mKにおけるVSDおよび垂直磁界の関数としての色分け差動抵抗。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

超伝導インジウムガリウムヒ素(0.75Ga0.25As)量子ウェルに基づくJJの配列を含むオンチップQICが実証された。スケーラビリティやインターフェースの透明性など、ハイブリッドSm材料システムの2つの重要な課題に取り組みました。高品質と高機動性の成長を含むプロトコルを嘆く2つの重要なステップ0.75Ga0.25半伝導ヘテロ構造における2次元電子ガスと近接誘導超伝導を2DEGに議論23,24,25.

In 0.75Ga0.25GaAs基板のステップグレードのバッファ層と同様に、超伝導体と半導体間の均質なバリアフリー界面の形成は、このようなハイブリッド2D量子回路において重要なステップである。開発。スパッタ付き超伝導フィルムを注意深くエッチングすると、半導体23における誘導超伝導ギャップの検出につながる量子ウェルとして0.75Ga0.25に高透明な接触を作ることができることが実証された。,24歳,25.

既存の方法に関しての意義は、2DハイブリッドJJと回路実現のための提示された技術は、半導体の成長後にMBEチャンバ内の半導体上の超伝導体のインシスト堆積を必要としないことです。完了した 23,24,25.もう一つの意義は、ヘテロ構造ウエハを直径10cmまでのデスクとして成長させることができ、何千ものハイブリッド2Dジャンクションと回路を製造できるため、ハイブリッドS-Sm量子回路およびデバイスのスケーラビリティの課題を克服できることです。22歳,23歳,24歳,25.

量子井戸における誘導超伝導、2D接合部の微分伝導性に関するSGS、および当社の接合部で測定された位相コヒーレント弾道量子輸送は、超伝導に基づくハイブリッド2D接合部および回路を強く示唆する。0.75年Ga0.25として 2DEG はスケーラブルな量子処理とコンピューティング技術のための有望な材料システムを提供します。我々のアプローチは、量子技術に向けた新たな道を開き、次世代の量子プロセッサ23、24、25を実現するためのオンチップトポロジ量子回路の開発への道を開く助けになるかもしれない。

Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

著者らは、EPSRCからの財政的支援を認め、MQICを付与する。

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

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