超导二维电子气体平台上的可扩展量子集成电路

Engineering
 

Summary

量子集成电路(QICs)由基于In.75Ga0.25的平面和弹道约瑟夫森结(JJs)阵列组成,作为二维电子气体(2DEG)的演示。讨论了两种制造二维(2D)J和QIC的不同方法,然后演示了在亚开尔文温度下的量子传输测量。

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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

为了在混合超导体半导体(S-Sm)结中形成相干量子传输,两种不同材料之间必须形成均匀的无障碍界面。具有高接口透明度的S-Sm结点将促进对诱导的硬超导间隙的观测,这是进入拓扑相(TPs)和观察外来准粒子(如Majorana零)的关键要求。模式 (MZM) 在混合系统中。因此,一个能够支持对T的观测并允许实现复杂和分支几何结构的材料平台在量子处理和计算科学技术中具有很高的要求。在这里,我们介绍了一个二维材料系统,并研究了作为混合量子集成电路(QIC)基础的半导体二维电子气体(2DEG)中的接近诱导超导性。2DEG 是一个 30 nm 厚的0.75Ga0.25作为量子井,埋在两个 In0.75Al0.25之间作为异构结构中的屏障。Niobium (Nb) 薄膜用作超导电极,形成 Nb- 在0.75Ga0.25As -Nb Josephson 结 (JJs), 对称、平面和弹道。使用两种不同的方法形成J和QIC。长结是光照制作的,但电子束光刻用于短结的制造。讨论了在磁场B存在/不存在时作为温度函数的相干量子传输测量。在两种器件制造方法中,在In0.75Ga0.25As 2DEG中观察到接近诱导超导特性。结果发现,短长度的e束岩石图案J能够观察到在更高的温度范围内诱导的超导间隙。可重复和清洁的结果表明,基于In0.75Ga0.25的2DJ和QIC混合型,作为量子井,可以成为实现真正复杂可扩展的电子和光子量子的有前途的材料平台电路和设备。

Introduction

约瑟森结(JJ)是通过在两个超导体1之间夹层一层非超导(正常)材料而形成的。各种新型的量子电子和光子电路和设备可以基于JJs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16。其中,以半导体为非超导(正常)部件的JJ,或超导体半导体超导体(S-Sm-S)J,近年来在据称探测到具有异国情调的Majorana粒子后,备受关注。在超导体和半导体一维(1D)纳米线接口处零电荷17、18、19、20、2122.基于纳米线的混合装置仅限于纳米线的一维几何形状,并制造Y和/或T结构-马约拉纳编织的必要要求-是具有挑战性的22。纳米线的化学电位的微调,进入拓扑阶段,需要JJs与几个静电门,这造成了相当多的问题,复杂的设备制造纳米线。为了克服一维导线的可扩展性问题,二维(2D)材料平台非常可取。

在2D材料中,当电子被限制在半导体异构结构中的两种不同材料之间的接口时,二维电子气体(2DEG)平台形成,是最有希望的候选物22。2DEG 与超导体和成形混合 2D JJs 的结合为下一代可扩展量子系统(如拓扑量子处理和计算)的发展开辟了一条新途径。它们能支持相相相干量子传输,以及接近诱导超导性,具有高传输概率,这是拓扑相观测的基本要求。在这方面,我们在芯片上演示了 QIC,该芯片由弹道 2D JJ 阵列组成,可由 20 根导线控制。每个结有两个Nb电极作为超导部分,在0.75Ga0.25作为量子井在半导体异构结作为正常部分。晶圆可以很容易地形成复杂的结构和联网的QiC。

In0.75Ga0.25作为 2DEG 的优点包括:(i) 相对较大的g因子,(ii) 强 Rashba 自旋轨道耦合,(iii) 低电子有效质量,以及 (iv) 可以调整钠组合物,从而形成具有高接口透明度的J23,24,25。晶圆可以成长为高达 10 厘米的磁盘,允许制造数千个混合 2D JJ 和复杂的 QIC 网络,从而克服这些量子器件的可扩展性挑战。

我们讨论了两种不同的设备制造方法:对于器件1,一个电路,包括8个相同和对称J的长度850nm长和4μm宽度的图案,光刻23,24。设备 2 包括 8 个不同长度的交汇点。它们具有相同的宽度为 3 μm。J的图案是电子印刷25。在磁场不存在时,将介绍在低于开尔文温度范围内的传输测量值。片上 QIC 由 2D Nb- in0.75Ga0.25as -Nb JJ 组成的阵列。长结和短结分别在基温为40 mK和液体3 He冷却低温的稀释冰箱中测量,基本温度分别为300 mK。器件在 70 Hz 时具有 5 μV 的交流信号偏置,该信号叠加到结直流电压偏置上。双端标准锁定技术用于测量器件输出交流电流23、24、25。

Protocol

注:介绍了半导体异质结构和混合S-Sm约瑟夫森结制造。

1. 半导体异构结构制造

注:分子束外延(MBE)生长在0.75Ga0.25作为量子井用于本研究23,24,25,26 。图 1描述了不同图层的顺序:

  1. 清洁 500 μm 厚 3 英寸半绝缘 (001) GaAs 基板,并在高温(200°C 以上)26 下去除氧化物层。
  2. 在580°C下调节生长温度,生长厚度为50/75/250 nm26的GaAs/AlAs/GaAs薄膜的缓冲层。
  3. 降低基板温度20分钟,然后在起始基板温度T = 416、390、360、341、331和337 °C26时,生长出厚度为1300nm的InAlA级级缓冲层。
  4. 生长30纳米厚在0.75Ga0.25作为量子井2DEG在略高的基板温度26。
  5. 用 60 nm In0.75Al0.25作为垫片覆盖 2DEG 量子孔,然后调制用 n 型 15 nm 厚的 n 型片片在0.75Al0.25As 上。这将保证在黑暗中电导。
  6. 生长45纳米在0.75Al0.25作为层后跟一个厚度为2nm26的InGaA的帽层。
  7. 测量舒布尼科夫哈斯振荡和霍尔效应,以在温度T= 1.5 K26下找到电子密度(ns)和移动性(μe)。从传输测量中推断,n s= 2.24×1011 (cm-2)和 +e= 2.5×105 (cm2/V) 在黑暗中,但ns= 2.28×1011 (厘米)-2)和 μe= 2.58×105 (cm2/V) 照明后。

2. 二维约瑟夫森结制造

注:这里讨论了混合QIC的制造过程,采用两种不同的方法,讨论23、24、25。带有8个相同长约瑟森结的装置1仅通过光刻处理几步进行制造。第二个器件制造过程类似于设备1,一共形成使用电子束光刻的JJ。

  1. 使用 AutoCad 软件25绘制 J 和 QIC 设备布局,包括 mesa 和 ohmic 模式。通过选择适当的图层以形成图层选择器菜单来启动绘图。从格式创建新图层|AutoCad 软件中的图层。
  2. 设计和制作光刻蒙版。从软件中的面板菜单中选择所需的形状和几何形状。单击所需的 JJ 形状(即矩形、正方形),然后推送绘图窗口以启动形状(单击 Autocad 软件帮助菜单以了解更多详细信息)。
  3. 在晶圆上开发光刻胶后,通过 H2SO4: H2O2 的酸溶液中的湿蚀刻,将 mesa 结构制作成活性区域(图 1中的凸起区域),对 JJ 和 QIC 进行设计。:(1:8:1000)23,24,25。在DI水中冲洗设备30s,然后用氮气干燥。
  4. 确保 DEKTAK 表面探查器 23、24、25的蚀刻深度为 ± 150 nm。
  5. 形成欧姆触点,通过在晶圆顶部旋转光刻胶,然后通过光掩膜暴露在紫外线下,使金属和 2DEG 之间实现电接触。在 MF-319 中开发电阻 1 分钟。在电阻型样品 23、24、25 上沉积 50 nm 和 100 nm 的金/钛/镍 (AuGeNi) 合金之间的薄层。
  6. 蚀刻一个\u2012 140nm深沟在活动区域的顶部,以形成2DJ通过光照(设备1)或e-光束一级(设备2)模式和湿蚀刻在上述酸(JJs应形成远离欧姆接触,距离> 100 μm,以确保来自此部分的正常电子不会影响交汇点接口)23、24、25
  7. 溅射一个 \u2012130 nm 超导Nb薄膜,形成Nb-In0.75Ga0.25As-Nb J(通过直流磁控溅射在Ar等离子体),
  8. 存放 10/50 nm 厚的 Ti/Au 薄膜,用于电气触点和运输测量目的。
  9. 使用 GE 清漆在标准无铅芯片托架 (LCC) 上传输和加载器件,并使用金线在器件和 LCC 焊盘之间进行电气触点。
  10. 将设备装入3He 冷冻或稀释冰箱,以便进行运输测量。

Representative Results

图 2a显示了器件1的扫描电子显微镜(SEM)图像。可以看到带有20条电线的量子电路。该设计允许在一个冰箱冷却的芯片上测量一个或系列的JJs。图2b显示了由电子束光刻法制作的器件2电路上一个结的SEM图像。Nb-In0.75Ga0.25As-Nb 交汇点两侧的两个 Nb 薄膜之间的距离在最短路径处为L= 550 nm。图 2c显示了设备 1- 的一个交汇点的 SEM 图像,该图像是光照制作的。在这里,两个 Nb 电极之间的距离为L= 850 nm。

布隆德-廷克汉姆-克拉普维克(BTK)理论是描述混合S-Sm交汇点27中的量子传输的一个可接受的模型。超导顺序参数在半导体2DEG中的影响导致非线性差分电导率。在低温下,Nb-In0.75Ga0.25作为接口有两种可能的反射机制:正常反射,通过接口导致无电荷传输,而安德烈夫反射则传输两次电荷量子2e,与一个洞的回溯23,24,25。由于超导冷凝水由自旋单节库珀对组成,反射孔与传入电子的自旋相反。这两个过程的卡通图如图3a,b,分别为28。

如果 Nb 和 In0.75Ga0.25之间的接口由于接触不透明,则正常电子和安德烈夫反射电子共存。因此,电阻增加,在间隙内形成零偏置峰。在dV/dI (VSD)中,这种间隙峰值在我们的交汇点上是不能观察到的。然而,对于Nb薄膜和In.75 Ga0.25之间的均匀和无阻隔(Z=0)接口,所有事件电子都经过安德烈夫反射。在这种情况下,由于电子和孔状准粒子的相关性,在结中形成过量的电流Iexc。因此,间隙内的差分电阻减小,并观察到dV/dI(V SD)中的扁平U形下降。根据 BTK 模型,可以推断出 Nb-In0.75Ga0.25作为两个器件的接口没有形成隧道屏障。因此,在我们的交汇点23、24、25 中,障碍强度估计为Z < 0.2。

由于接近效应,在器件1和器件2中分别测量了约±100 μeV和650μeV的诱导间隙。温度依赖诱导超导间隙与明显的亚谐波能量间隙结构(SGS)峰值和下降的设备1如图4 a所示。Nb-In0.75Ga0.25接合处的接口处的多重安德烈夫反射 (MAR) 导致在差分电导率中观察到 SGS。在最低测量温度T= 50 mK(红色曲线)下,SGS 出现三个峰值(称为 P1、P2 和 P3)和三个下降(命名为 d1、d2 和 d3)。图4b显示了峰和下降的温度演变,由于温度升高抑制了诱导超导性。SGS 峰值位置服从表达式V = 2°/ne(* 是 Nb间隙能量,n = 1、2、3、...是一个整数,e是电子电荷:P1、P2、P3 和 P4 位置大约对应于 2μ/3e、2+/4e、2+/6e 和诱导间隙边缘,但凹陷位置不跟随表达式。所有特征均明显与温度相关,在T= 50 mK (800 mK) 处观察到最强(最弱)SGS 峰值(下降)。值得一提的是,即使在T= 500 mK以上的温度下,超电流也看不到,SGS被观测到,但当诱导的超导性被冲走时,SGS在T>800 mK-时消失。

对于这个器件,阵列有8个2DJ,在7个结中的4个,在0.75Ga0.25As 2DEG中发现一个硬感应的超导间隙,23,24。但是,由于设备和焊盘之间的导线接触故障,三个交汇点显示了软间隙特征,最后一个交汇点未观察到硬间隙或软间隙结构。

超导间隙作为施加的VSD电压和器件2温度的函数,如图5 a所示。该装置在3He低温下测量,基本温度为T= 280 mK。器件2的温度和磁场依赖传输测量不显示器件1观察到的任何间隙或子间隙振荡的迹象(参见图5a,b)。这可能是由于交汇点的箭头形几何形状可能导致 MAR 的破坏性干扰。如果以低得多的温度(稀释冰箱基础温度)测量器件,则差分电容中可能会出现此类特征。感应间隙被抑制并朝零电压偏置移动,其振幅随着应用温度和磁场的进一步增加而减小。

Figure 1
图 1.在0.75Ga0.25As/in0.75Al0.25As/GaAs 异构结构中。异构结的原理图视图,其中 In0.75Ga0.25具有 30 nm 厚度的量子孔在晶圆表面下方形成 \u2012120 nm。Nb 用作超导触点(以黑色显示),形成混合和弹道 Nb_in0.75Ga0.25作为 2DEG_Nb 约瑟夫森结。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图 2:片上混合超导-半导体量子电路。(a) QIC 器件的 SEM 图像显示具有 20 条控制线的量子电路的顶视图,以及芯片上的 8 个平面和对称 J。NB-In0.75Ga0.25As-Nb JJ 的 SEM 图像,带 0.75 Ga0.25作为长度L= 550 nm 和 850 nm 的 2DEG 间隙,用于电子光束光电(b) 和光照 (c ) 制造结.请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图 3.混合超导-半导体结中的法向和安德烈夫反射。(a) 镜面准粒子反射,没有电荷通过接口传输。(b) 安德烈夫反射,而传入的电子则反射为相反自旋子带中的孔,并将2e电荷转移到超导电极中。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图 4.诱导超导和SGS在0.75Ga0.25作为量子井在光照结构制造结。(a) 温度依赖性诱发超导间隙,由于多重安德烈夫反射,SGS峰值明显。SGS 和诱导间隙边缘峰值用 P1 到 P4 标记,而 SGS dip 以 d1 到 d3 标记。(b) SGS 的峰和下降(a) 作为温度的函数。SGS 在T> 400 mK 下受到显著抑制,导致向零偏置方向转变。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图 5.电子束岩石化加工结中诱导超导性的温度和磁场依赖性。(a) 感应超导间隙与施加的源漏压V SD,温度在300 mK至1.5 K之间。为了清晰起见,曲线是垂直偏移的。(b) 颜色编码差分电阻作为V SD和垂直磁场在T = 300 mK处的函数。请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

演示了片上QIC,包括基于超导砷化钠(在0.75Ga0.25As)的成片式QIC。解决了混合 S-Sm 材料系统的两个重要挑战,如可扩展性和接口透明度。方案的两个关键步骤包括高质量和高流动性的增长在0.75Ga0.25作为半导体异质结构中的二维电子气体和接近诱导的超导性到2DEG讨论23,24,25。

Inin 0.75Ga0.25与 GaAs 基板中的阶梯级缓冲层一样,在超导体和半导体之间形成均匀和无障碍接口是这种混合 2D 量子电路的关键步骤发展。证明通过仔细蚀刻,溅射超导膜可以使高度透明的接触到In0.75Ga0.25作为量子井,从而检测半导体中的感应超导间隙23,24,25.

现有方法的意义是,在半导体增长后,2D混合J和电路实现技术不需要在MBE腔室中半导体上进行超导体的原位沉积。完成23,24,25 。另一个意义是,异质结构晶圆可以成长为直径达10厘米的台式,从而能够制造数千个混合2D结和电路,从而克服了混合S-Sm量子电路和设备的可扩展性挑战22,23,24,25.

量子井中的诱导超导性、SGS对二维结的差分电导率以及我们结中测量的相相相干弹道量子传输,强烈建议基于超导的混合二维结和电路0.75Ga0.25作为 2DEG 为可扩展的量子处理和计算技术提供了有前途的材料系统。我们的方法可能为量子技术开辟一条新道路,并有助于为开发片上拓扑量子电路铺平道路,以实现下一代量子处理器23、24、25。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者承认EPSRC的财政支持,授予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

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