Сверхпроводяшие и металлические структуры

Неорганические маски и
монокристаллические структуры
для квантовых цепей
С. Изъюров
ИКС
24.03.2016
1
Устройство маски для теневого напыления
2
Полупроводниковые структуры
Из-за низкой концентрации носителей в
полупроводниках (1013-1021 см-3 – обеднение
поверхностей
и
интерфейсов,
низкая
подвижность,
шумы),
прогресс
полупроводниковых приборов в основном
связан с монокристаллическими структурами
Сверхчистые исходные вещества (~ 6-7N)
Сверхвысокий вакуум (МВЕ, ~10-10-10-11 Topp)
Тщательная предростовая подготовка
поверхности подложки
Итд
Гетероструктуры GaAs/AlGaAs с подвижностью
>106 cm2/Vs, транзисторы, детекторы,
светоизлучающие структуры….
Сверхпроводяшие и металлические
структуры
Концентрация носителей в металлах высокая,
поэтому их применение не определялось
требованием получения высококачественных
монокристаллических структур
В
настоящее
время
применение
поликристаллических металлов и аморфных
диэлектриков в таких сверхпроводящих
приборах как кубиты, резонаторы, сквиды,
однофотонные
детекторы
является
сдерживающим
фактором
улучшения
параметров
Дальнейший прогресс требует развития
технологии высокочистых (без магнитных
примесей)
монокристаллических
сверхпроводящих структур с совершенными
интерфейсами,
бездиссипативными
туннельными
и
разделительными
диэлектриками
Источники декогеренции сверхпроводящих кубитов
Поверхностный окисел+органические загрязнения
Верхний контакт (Al, Nb)
Объем разделяющего диэлектрика
Изолирующий
диэлектрик (SiO2,
SiO, Si3N4, NbOX)
Al, Nb
Al OX
Объем туннельного диэлектрика
Интерфейс металл-туннельный
диэлектрик
Диэлектрик
системы
фильтрации
Электр. Емкость систем фильтрации
Интерфейс металл-разделяющий
диэлектрик
Нижний контакт (поликристаллический Al, Nb)
Интерфейс подложка-металл
Подложка (окисленный Si)
Основные источники декогеренции:
• поликристаллические и «грязные» металлы с магнитными примесями
• низкое качество аморфных и нестехиометрических туннельных, поверхностных и разделяющих
диэлектриков
• дефектные интерфейсы металл-диэлектрик
• низкое качество диэлектриков в емкостях систем фильтрации шумов
4
Преимущества предлагаемой стратегии на примере Al-AlOX-Al
Отсутствие поверхностного окисла
Верхний контакт (Pt)
Объем разделяющего диэлектрика
стехиометрический
Изолирующий
диэлектрик (Ta2O5)
Al
AlOX
Монокристаллический туннельный
диэлектрик
Бездефектный интерфейс металлтуннельный диэлектрик
Диэлектрик
системы
фильтрации
Диэлектрик с малыми потерями
Нижний контакт (монокристаллический Al)
Качественный интерфейс металлразделяющий диэлектрик
Бездефектный интерфейс подложка-металл
Подложка (Сапфир)
• Монокристаллическая подложка с малыми потерями в СВЧ
• Монокристаллический и высокочистый алюминий (без магнитных примесей)
• Монокристаллический туннельный диэлектрик AlOx
• Бездефектные интерфейсы сапфир -Al и Al-AlOx
• Стехиометрический разделяющий диэлектрик Ta2O5
5
6
Порядок фабрикации маски
• Длина мостика 2.5 мкм,
ширина 100 нм ;
• Толщина слоя германия 500
нм, толщина слоя ниобия
100 нм.
7
Формирование джозефсоновских переходов
Получение аморфного оксида
1.
2.
3.
Рост нижнего слоя алюминия
методом молекулярнолучевой эпитаксии, на
сапфировой подложке,
комнатная температура,
давление 10 -10 торр;
Окисление верхнего слоя
алюминия при давлении 25
мторр и комнатной
температуре в течение 30 мин;
Напыление верхнего слоя
алюминия.
Получение
монокристаллического оксида
1.
2.
3.
Рост нижнего слоя алюминия
методом молекулярнолучевой эпитаксии, на
сапфировой подложке,
комнатная температура,
давление 10 -10 торр;
Окисление верхнего слоя
алюминия при давлении 5
мкторр и температуре 300 оС, в
течение 5 часов;
Напыление верхнего слоя
алюминия.
8
RHEED
a)
b)
Результаты исследования
аморфного перехода;
Результаты исследования
монокристаллического
перехода.
9
Результат АСМ
a)
b)
Монокристаллический переход;
Аморфный переход.
10
Вольт-амперная характеристика
11
12
Формирование эпитаксиального джозефсоновского
перехода
a)
b)
c)
d)
Монокристаллический рений,
эпитаксиально выращенный
на сапфировой подложке Ссреза при 850 оС;
Аморфный оксид алюминия,
полученный напылением при
комнатной температуре;
Монокристаллический оксид
Al2O3, полученный
отжиганием аморфного
оксида при 800 оС;
Поликристаллический слой
алюминия, напыленный
поверх оксида.
13
Спектроскопия кубитов с аморфным и монокристаллическим
туннельным диэлектриком
a)
Спектроскопия кубита с
аморфным барьером AlOx
показывает около 24
расщеплений на 1 ГГц;
b)
Спектроскопия кубита с
монокристаллическим
барьером Al2O3 показывает
около 5 расщеплений на 1
ГГЦ.
14
Ge/Nb маска на кремнии
15
Напыленный джозефсоновский переход на кремнии
16
Выводы
• Традиционные технологии получения сверхпроводящих структур
подошли к своему пределу по шумам, дефектности (TLS);
• Нужны улучшения технологические улучшения, в частности
монокристаллические структуры и использование неорганических
масок;
• Была проведена предварительная работа по получению
неорганических масок Ge/Nb на кремнии и отработана технология
получения алюминиевых структур двухугловым напылением;
• Эта технология в настоящий момент отрабатывается на сапфире.
17
18
Алюминиевая пленка, напыленная при 350 оС, толщина 35
нм
19
Алюминиевая пленка, напыленная при 180 оС, толщина 35
нм
20
Алюминиевая пленка, напыленная при 63 оС, толщина 55 нм
21