Circuits intégrés quantiques évolutifs sur la plate-forme de gaz électronique bidimensionnel supraconducteur

Engineering
 

Summary

Les circuits intégrés quantiques (QIC) se composant du réseau des jonctions planaires et balistiques de Josephson (JJs) basés sur In0.75Ga0.25Pendant que le gaz électronique bidimensionnel (2DEG) est démontré. Deux méthodes différentes pour la fabrication des JJ bidimensionnels (2D) et des QIC sont discutées suivies de la démonstration des mesures de transport quantique dans les températures sous-Kelvin.

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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

Pour former un transport quantique cohérent dans les jonctions hybrides supraconducteurs-semi-conducteurs (S-Sm), la formation d'une interface homogène et sans obstacle entre deux matériaux différents est nécessaire. La jonction S-Sm avec une transparence d'interface élevée facilitera alors l'observation de l'écart supraconducteur dur induit, qui est la condition clé pour accéder aux phases topologiques (TPs) et l'observation des quasiparticules exotiques telles que Majorana zéro (MZM) dans les systèmes hybrides. Une plate-forme matérielle qui peut soutenir l'observation des TPs et permet la réalisation de géométries complexes et ramifiées est donc très exigeante dans le traitement quantique et la science et la technologie de l'informatique. Ici, nous introduisons un système de matériaux bidimensionnels et étudions la superconductivité induite par la proximité dans le gaz électronique bidimensionnel semi-conducteur (2DEG) qui est la base d'un circuit intégré quantique hybride (QIC). Le 2DEG est un 30 nm d'épaisseur En0,75Ga0,25Comme puits quantique qui est enterré entre deux En0,75Al0,25Comme barrières dans une hétérostructure. Les films de Niobium (Nb) sont utilisés comme électrodes supraconductrices pour former Nb- In0.75Ga0.25As -Nb Josephson junctions (JJs) qui sont symétriques, planaires et balistiques. Deux approches différentes ont été utilisées pour former les JJ et les QIC. Les longues jonctions ont été fabriquées photolithographiquement, mais la lithographie de faisceau e a été employée pour la fabrication des jonctions courtes. Les mesures cohérentes de transport quantique en fonction de la température dans la présence/absence du champ magnétique B sont discutées. Dans les deux approches de fabrication de dispositif, les propriétés supraconductrices induites par la proximité ont été observées dans le In0.75Ga0.25As 2DEG. On a constaté que les JJ lithographiquement modelés e-faisceau de longueurs plus courtes ont comme conséquence l'observation de l'écart supraconducteur induit à des gammes de température beaucoup plus élevées. Les résultats qui sont reproductibles et propres suggérant que les jJs 2D hybrides et QICs basés sur In0.75Ga0.25Comme puits quantiques pourraient être une plate-forme matérielle prometteuse pour réaliser le vrai complexe et évolutif quantique électronique et photonique circuits et dispositifs.

Introduction

Une jonction De Josephson (JJ) est formée en sandwichant une fine couche d'un matériau non supraconducteur (normal) entre deux supraconducteurs1. Divers nouveaux circuits et dispositifs quantiques électroniques et photoniques peuvent être construits sur la base des JJs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Parmi eux, les JJ avec des semi-conducteurs comme leur partie non supraconductrice (normale), ou superconducteur-semi-conducteur-supraconducteur (S-Sm-S) JJs, ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années après la détection présumée de particules exotiques Majorana avec zéro charge électrique à l'interface d'un supraconducteur et d'un nanofil unidimensionnel semi-conducteur (1D)17,18,19,20,21, 22. Les dispositifs hybrides à base de nanofils sont limités à la géométrie 1D du nanofil et à la fabrication des structures Y et/ou T qui en sont - une exigence nécessaire pour le tressage de Majorana - est un défi22. L'accordage fin du potentiel chimique du nanofil, pour accéder aux phases topologiques, nécessite jJs avec plusieurs portes électrostatiques qui provoque beaucoup de problèmes dans la fabrication de dispositifs complexes à partir de nanofils. Pour surmonter les problèmes d'évolutivité des fils 1D, les plates-formes matérielles bidimensionnelles (2D) sont hautement souhaitables19,22.

Parmi les matériaux 2D, la plate-forme de gaz électronique bidimensionnel (2DEG) -forme lorsque les électrons sont confinés à une interface entre deux matériaux différents dans une hétérostructure semi-conductrice- est le candidat le plus prometteur22. La combinaison de 2DEG avec des supraconducteurs et la formation de JJ hybrides 2D ouvre une nouvelle voie vers le développement de systèmes quantiques évolutifs de prochaine génération tels que le traitement quantique topologique et l'informatique. Ils peuvent soutenir le transport quantique cohérent de phase, et la superconductivité induite par la proximité avec la probabilité élevée de transmission, qui sont l'exigence fondamentale pour l'observation de phase totologique. À cet égard, nous démontrons un QIC sur une puce qui se compose d'un tableau de JJ balistique 2D qui peut être contrôlé par 20 fils. Chaque jonction a deux électrodes Nb comme la partie supraconductrice et En0.75Ga0.25Comme puits quantiques dans une hétérojonction semi-conductrice comme la partie normale. La plaquette peut être facilement modelée pour former des structures complexes et des QIC en réseau.

Les avantages de In0.75Ga0.25As 2DEG comprennent: (i) relativement grand g-facteur, (ii) fort Rashba spin-orbite couplage, (iii) la masse efficace de faible électron, et (iv) que la composition de l'indium peut être accordé permettant la formation de JJs avec haute transparence interface23,24,25. La plaquette peut être cultivée comme un disque allant jusqu'à 10 cm dimètre, permettant la fabrication de milliers de JJ 2D hybrides et de réseaux COMPLEXEs de QIC afin de surmonter les défis d'évolutivité de ces dispositifs quantiques.

Nous discutons de deux approches différentes pour la fabrication d'appareils : Pour l'appareil 1, un circuit qui comprend huit JJ identiques et symétriques de 850 nm de longueur et de 4 largeurs de m sont modelés par photolithographie23,24. L'appareil 2 comprend huit jonctions avec des longueurs différentes. Ils ont tous la même largeur de 3 m. Les JJ sont modelés par la lithographie e-bam25. Les mesures de transport à des plages de température inférieures à La Kelvin en l'absence/présence de champ magnétique seront présentées. Les QIC sur puce se compose d'un tableau de 2D Nb- En0,75Ga0.25As -Nb JJs. Les jonctions longues et courtes sont mesurées dans un réfrigérateur de dilution avec une température de base de 40 mK et liquide 3Il a refroidi cryostat avec une température de base de 300 mK, respectivement. Les dispositifs sont biaisés avec un signal acde 5 V à 70 Hz qui est superposé au biais de tension dc jonction. Une technique de verrouillage standard à deux terminaux est utilisée pour mesurer la sortie de l'appareil ac-courant23,24,25.

Protocol

REMARQUE : L'hétérostructure semi-conductrice et la fabrication hybride de jonction S-Sm Josephson sont présentées.

1. Fabrication d'hétérostructures semi-conductrices

REMARQUE: Le faisceau moléculaire épitaxie (MBE) cultivé en0,75Ga0,25Que les puits quantiques sont utilisés dans cette étude23,24,25,26. La figure 1 représente la séquence de couches distinctes :

  1. Nettoyez un substrat de GaAs de 500 m d'épaisseur et de 3 po (001) et retirez la couche d'oxyde à haute température (au-dessus de 200 oC)26.
  2. Ajustez la température de croissance à 580 oC et augmentez la couche tampon des films GaAs/AlAs/GaAs avec des épaisseurs de 50/75/250 nm26.
  3. Descendez la température du substrat pendant 20 min, puis développez une couche tampon graduée d'InAlA avec une épaisseur de 1300 nm à des températures de départ du substrat de T 416, 390, 360, 341, 331 et 337 oC26.
  4. Cultivez une épaisseur de 30 nm En0,75Ga0,25Comme puits quantique 2DEG à la température légèrement plus élevée du substrat26.
  5. Couvrir le 2DEG quantum bien avec un 60 nm En0,75Al0,25Comme espaceur, puis la modulation dope la plaquette par un 15 nm d'épaisseur d'un n-type En0,75Al0.25As. Cela assurera la conductance dans l'obscurité26.
  6. Croissance d'un 45 nm En0,75Al0.25Comme couche suivie d'une couche de bouchon d'InGaAs avec une épaisseur de 2 nm26.
  7. Effectuer la mesure des oscillations de Shubnikov-de Haas etde l'effet Hall pour trouver la densité des électrons (ns)et la mobilité (e ) à la température Tà 1,5 K26. D'après les mesures de transport, on a déduit quele ns2,24 à 1011 (cm-2) et e 2,5 à 10(cm 2/Vs) dans l'obscurité mais ns2,28 à 1011 (cm) -2) ) ete' 2,58 à 105 (cm2/Vs) après l'illumination.

2. Fabrication bidimensionnelle de jonction Josephson

REMARQUE: Ici, le processus de fabrication des QIC hybrides avec deux approches différentes sont discutés23,24,25. L'appareil 1 avec huit jonctions identiques de Josephson longues a été fabriqué seulement avec quelques étapes du traitement de photolithographie. La deuxième procédure de fabrication de dispositif était semblable à l'appareil 1 jusqu'à la formation des JJs qui étape la lithographie de faisceau électronique a été employée.

  1. Esquissez les JJs et la disposition de l'appareil QIC, y compris les motifs mesa et ohmic en utilisant le logiciel AutoCad25. Démarrez le dessin en sélectionnant les couches appropriées pour former le menu de sélecteur de couches. Créer une nouvelle couche à partir de Format Couche dans le logiciel AutoCad.
  2. Concevoir et fabriquer le masque photolithographie. Choisissez les formes et les géométries souhaitées dans le menu du panneau dans le logiciel. Cliquez sur la forme désirée des JJ (c.-à-d. rectangles, carrés) et poussez la fenêtre de dessin pour initier la forme (cliquez dans le menu d'aide logiciel Autocad pour plus de détails).
  3. Modèle les JJs et QICs dessins, après avoir développé le photoresist sur la plaquette, et de fabriquer les structures mesa pour agir comme la région active (la zone surélevée dans la figure 1) par humide-etch dans des solutions acides de H2SO4: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Rincer l'appareil dans l'eau DI pendant 30 s, puis sécher avec du gaz azoté.
  4. Assurer une profondeur de betterave de 150 nm par le profileur de surface DEKTAK23,24,25.
  5. Former des contacts ohmic, pour établir un contact électrique entre le métal et le 2DEG, en faisant tourner le photoresist sur le dessus de la plaquette, puis en s'exposé à la lumière UV à travers un photomasque. Développer la résistance en MF-319 pendant 1 min. Dépôt d'une fine couche, entre 50 nm et 100 nm d'alliage or/germanium/nickel (AuGeNi) sur l'échantillon à motifs de résistance23,24,25.
  6. Etch a 'u2012 140 nm deep trench on top of the active region to form 2D JJs by either photolithographically (device 1) or e- beam lithographically (device 2) patterning and wet-etching in acid described above (the JJs should be formed far from the ohmic contacts, a distance of Pour s'assurer que les électrons normaux de cette partie n'influencent pas les interfaces de la jonction)23,24,25.
  7. Sputter a 'u2012130 nm superconducting Nb film to form Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs (par DC magnetron sputtering in Ar plasma),
  8. Dépôt 10/50 nm d'épaisseur Ti/Au films pour les contacts électriques et les fins de mesure de transport.
  9. Transférer et charger l'appareil sur le support à puce sans plomb standard (LCC) en utilisant du vernis GE, et faire les contacts électriques entre l'appareil et les tampons LCC en utilisant des fils d'or.
  10. Chargez les appareils dans un réfrigérateur cryostat ou dilution 3He pour les mesures de transport.

Representative Results

Figure 2 a montre l'image du microscope électronique à balayage (SEM) de l'appareil 1. Un circuit quantique avec 20 fils électriques peut être vu. La conception permet la mesure d'un ou d'une série de JJs sur une puce dans un réfrigérateur de refroidissement. L'image SEM d'une jonction sur le circuit de l'appareil 2, qui a été fabriqué par la lithographie e-faisceau, est montré dans la figure 2b. La distance entre deux films nb de chaque côté du Nb-In0,75Ga0,25As-Nb jonction est L550 nm au chemin le plus court. Figure 2 c montre l'image SEM d'une jonction de l'appareil 1- qui est photolithographiquement fabriqué. Ici, les deux électrodes nb sont séparées par une distance de Là 850 nm.

La théorie de Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) est un modèle acceptable pour décrire le transport quantique dans les jonctions hybrides S-Sm27. L'influence des paramètres d'ordre supraconducteur dans le semi-conducteur 2DEG entraîne une conductance différentielle non linéaire. A basse température, il existe deux mécanismes de réflexion possibles au Nb-In0.75Ga0.25Comme interfaces: réflexion normale qui provoque aucune transmission de charge à travers l'interface et les réflexions Andreev, qui transmet deux charges quanta 2e, avec la rétroréflexion d'un trou23,24,25. Comme le condensat supraconducteur se compose de paires de spin singlet Cooper, le trou réfléchi a la rotation opposée comme l'électron entrant. Le diagramme de dessin animé de ces deux processus est montré dans la figure 3a,b, respectivement28.

Si l'interface entre le Nb et En0.75Ga0.25Comme le contact n'est pas transparent, il y a coexistence des électrons normaux et réfléchis d'Andreev. Ainsi, la résistance augmente et un pic de biais zéro dans l'écart est formé. Un tel pic dans l'écart dans le dV/dI (VSD) n'est pas observé dans nos jonctions. Cependant, pour une interface homogène etsans obstacle (Z '0) entre le film Nb et En0.75Ga0.25Comme contact, tous les électrons incident subissent la réflexion Andreev. Dans un tel état, un courant excédentaire Iexc est formé dans la jonction en raison de corrélations de quasi-particules électrons et de trous. Par conséquent, la résistance différentielle à l'intérieur de l'écart est réduite et un plongeon plat en forme de U en dV/dI (VSD) est observé. Selon le modèle BTK, on peut déduire qu'aucune barrière de tunnel n'a été formée au Nb-In0.75Ga0.25Comme interfaces des deux appareils. Par conséquent, la force de la barrière est estimée à Z lt; 0,2 dans nos jonctions23,24,25.

En raison de l'effet de proximité, l'écart induit d'environ 100 'eV' et de 650 'eV' est mesuré dans les appareils 1 et 2, respectivement. La dépendance à la température induite par l'écart supraconducteur avec des structures d'écart d'énergie subharmoniques prononcées (SGS) et des creux pour l'appareil 1 sont indiqués dans la figure 4a. Les réflexions multiples Andreev (MAR) aux interfaces du Nb-In0.75Ga0.25Comme résultat de jonction dans l'observation de SGS dans la conductance différentielle. À la température mesurée la plus basse De50 mK (courbe rouge), le SGS apparaît avec trois pics (nommés P1, P2 et P3) et trois creux (nommés d1, d2 et d3). L'évolution de la température des pics et des creux due à la suppression de la supraconductivité induite avec augmentation de la température est indiquée dans la figure 4b. Les positions de pointe SGS obéissent à l'expression V 2 /ne (l'énergie de l'écart nb, n ' 1, 2, 3, ... est un entier, et e est la charge d'électrons) : les positions P1, P2, P3 et P4 correspondent approximativement à 2'/3e, 2'/4e, 2'/6e et le bord d'écart induit mais les positions de creux ne suivent pas l'expression. Toutes les caractéristiques sont significativement dépendantes de la température, et les pics SGS (les plus faibles) les plus forts sont observés à T- 50 mK (800 mK). Il est intéressant de mentionner que même à des températures au-dessus de T- 500 mK où le supercourant ne peut plus être vu, le SGS est observé, mais il disparaît à T'gt; 800 mK- lorsque la supraconductivité induite est lavée.

Pour ce dispositif avec tableau de huit JJ2D, dans 4 sur 7 jonctions, un écart supraconducteur induit par la dure dans En0,75Ga0.25Comme 2DEG a été trouvé23,24. Cependant, trois jonctions ont montré une signature d'écart mou et ni une structure dure- ni une structure à faible écart n'a été observée pour la dernière jonction en raison d'une défaillance de contact de fil entre l'appareil et le pad.

L'écart supraconducteur en fonction de la tension et de la température appliquées de VSD est indiqué dans la figure 5a. Cet appareil a été mesuré à un cryostat 3He avec une température de base de T- 280 mK. Les mesures de transport des dépendances à la température et au champ magnétique de l'appareil 2 ne montrent aucun signe d'oscillations in-gap ou sub-gap observées pour le dispositif 1 (voir la figure 5a, b). Cela pourrait être dû à la géométrie en forme de flèche de la jonction qui peut causer des interférences destructrices du MAR. De telles caractéristiques peuvent apparaître dans la conductance différentielle si l'appareil est mesuré à des températures beaucoup plus basses (température de base du réfrigérateur de dilution). L'écart induit est supprimé et déplacé vers le biais de tension zéro et leurs amplitudes diminuent avec l'augmentation supplémentaire de la température appliquée et du champ magnétique.

Figure 1
Figure 1 . En0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As/GaAs hétérostructure. La vue schématique de l'hétérojonction où un In0.75Ga0.25Comme bien quantique avec 30 nm d'épaisseur est formé 'u2012120 nm sous la surface de la plaquette. Nb a été utilisé comme les contacts supraconducteurs (en noir) pour former un hybride et balistique Nb-In0.75Ga0.25Comme 2DEG-Nb Josephson jonction. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Circuits quantiques supraconducteurs supraconducteurs hybrides à puce. (a) image SEM du dispositif QICs montrant une vue supérieure d'un circuit quantique avec 20 fils de contrôle, et 8 JJ planaires et symétriques sur une puce. L'image SEM de Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs avec un In0.75Ga0.25As 2DEG gap of length L-550 nm and 850 nm for e-beam lithographically (b) and photolithographically (c) fabricated junctions . Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 . Normal et Andreev Réflexions dans des jonctions hybrides supraconductrices-semiconductrices. (a) Réflexion speculaire de quasi-particules sans transmission de charge par l'interface. ( b) Réflexion d'Andreev alors que l'électron entrant est réfléchi comme un trou dans la sous-bande de spin opposée et transfère la charge 2e dans l'électrode supraconductrice. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 . Superconductivité induite et SGS dans En0.75Ga0.25Comme puits quantiques dans la jonction photolithographiquefabriqué. (a) La dépendance à la température induit un écart supraconducteur avec des pics SGS prononcés en raison de plusieurs réflexions Andreev. Le SGS et les pics de bord d'écart induits, sont marqués par P1 à P4 tandis que les creux SGS sont marqués par d1 à d3. ( b) Les pics et les creux SGS indiqués dans (a) en fonction de la température. SGS sont supprimés de manière significative à T'gt; 400 mK conduisant à un changement vers zéro biais. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 . La dépendance de la température et du champ magnétique de la supraconductivité induite dans les jonctions lithographiquement fabriquées par faisceau électronique. (a) Écart supraconducteur induit par rapport à la tension de vidange VSD appliquée à des températures comprises entre 300 mK et 1,5 K. Les courbes sont verticalement décalées pour plus de clarté. (b) Résistance différentielle codée en couleur en fonction du VSD et du champ magnétique perpendiculaire à T300 mK. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Des QIC sur puce comprenant un tableau de JJs basés sur l'arséiure supraconducteur de gallium d'indium (En0.75Ga0.25As) des puits quantiques ont été démontrés. Deux défis importants des systèmes de matériaux hybrides S-Sm tels que l'évolutivité et la transparence de l'interface ont été abordés. Deux étapes critiques pleurnicher le protocole, y compris la croissance de haute qualité et la mobilité élevée En0,75Ga0,25Comme le gaz électronique bidimensionnel dans les hétérostructures semi-conductrices et la proximité induite superconductivité en 2DEG ont été discuté23,24,25.

Croissance de En0.75Ga0.25Comme avec les couches tampons graduées dans le substrat GaAs et aussi la formation d'interfaces homogènes et sans obstacle entre le supraconducteur et le semi-conducteur est une étape cruciale dans un tel circuit quantique hybride 2D développement. Il a été démontré qu'avec une gravure soigneuse le film supraconducteur pubé peut faire des contacts très transparents à En0.75Ga0.25Comme puits quantiques résultant en la détection de l'écart supraconducteur induit dans les semi-conducteurs23 , 24 Ans, états-unis , 25.

L'importance en ce qui concerne les méthodes existantes est que la technique présentée pour les JJ hybrides 2D et la réalisation de circuits ne nécessite pas le dépôt insitu de supraconducteur sur les semi-conducteurs dans une chambre MBE après la croissance des semi-conducteurs a été 23,24,25. L'autre signification est que la plaquette hétérostructure peut être cultivée comme un bureau de jusqu'à 10 cm de diamètre, permettant la fabrication de milliers de jonctions et de circuits hybrides 2D, afin de surmonter les défis d'évolutivité des circuits et dispositifs quantiques hybrides S-Sm 22 Ans , 23 Ans, états-unis , 24 Ans, états-unis , 25.

La supraconductivité induite dans les puits quantiques, SGS sur la conductance différentielle des jonctions 2D, et la phase cohérente de transport quantique balistique mesurée dans nos jonctions suggèrent fortement que les jonctions hybrides 2D et les circuits basés sur la supraconducteurs Dans 0,75 Ga0.25Comme 2DEG se permettre un système de matériaux prometteurs pour le traitement quantique évolutif et les technologies informatiques. Notre approche peut ouvrir une nouvelle voie vers la technologie quantique et aide à ouvrir la voie au développement de circuits quantiques topologiques sur puce pour réaliser la prochaine génération de processeurs quantiques23,24,25.

Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Les auteurs reconnaissent le soutien financier de l'EPSRC, accordant 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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