一种电极、约瑟夫森结、超导量子器件和芯片的制作方法

1.本技术属于量子芯片制备领域，具体涉及一种电极、约瑟夫森结、超导量子器件和芯片。


背景技术：

2.约瑟夫森结是超导量子芯片中的关键器件之一。超导量子芯片的性能从很大程度上依赖于高品质、高稳定性的约瑟夫森结的实现。约瑟夫森结大体上是一类超导体的弱连接结构。约瑟夫森结存在多种类型，其中的一种典型的约瑟夫森结大致具有三层堆叠式的结构。
3.目前，在超导量子比特中的常规约瑟夫森结具有下述之结构：超导体、绝缘体和超导体的依次叠层。在制作上述超导量子比特时，比特电容和约瑟夫森结需要通过连接层进行连接。但是需要在制作连接层之前对结进行表面的氧化层去除处理。然而，这样的去除处理会使结受到损坏、性能降低和稳定性变差。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术公开了一种电极、约瑟夫森结、超导量子器件和芯片。该方案中的电极以及基于其的约瑟夫森结、器件和芯片具有制作简单、性能稳定等优点。
5.本技术示例的方案，通过如下内容实施。
6.在第一方面，本技术的示例提出了一种用于制作超导器件中的约瑟夫森结的电极。
7.其中，超导器件具有衬底以及形成于衬底表面的超导层和电容器；超导层具有容纳电容器的槽。该电极包括位于槽内的极板；其中的极板与电容器连接并且呈一体结构。
8.在该电极中，其极板与电容器连接并且呈一体结构。换言之，在这样的结构形式中，将约瑟夫森结的一个超导体结构(即前述之电极)与电容器以一体的结构进行构建。因此，在制作上述超导器件时，电容器与约瑟夫森结不需要通过额外配置的连接层进行连接，从而能够在制作工艺过程中避免使用因引入连接层所需要实施的制作和对其处理的操作，因此，可以克服因为这些操作而带来的对约瑟夫森结的不利影响。
9.根据本技术的一些示例，极板为一个，且极板的表面具有绝缘体；或者，极板为两个，且每个极板的表面具有绝缘体。
10.根据本技术的一些示例，绝缘体是铝氧化膜、钼氧化物膜或钒氧化膜。
11.根据本技术的一些示例，极板是铝板、钼板或钒板。
12.根据本技术的一些示例，电极还包括凸块，并且凸块从极板一体延伸而成；和/或，极板的表面形成有氧化层。
13.在第二方面，本技术的示例提出了一种利用上述的电极制作而成的超导量子器件。
14.根据本技术的一些示例，超导量子器件包括超导量子比特、可调耦合器。
15.一种用于制作超导量子比特的约瑟夫森结。该超导量子比特具有衬底以及形成于衬底表面的超导层和比特电容，且超导层具有容纳比特电容的槽。
16.约瑟夫森结包括：
17.第一极板，与比特电容一体连接；
18.形成于第一极板表面的第一绝缘体和第二绝缘体；以及
19.位于槽内、并且彼此间隔开的两个第二极板；
20.两个第二极板中的一者覆盖于第一绝缘体，两个第二电极中的另一者覆盖于第二绝缘体；
21.第一极板、绝缘体和第二极板的层叠区域构成约瑟夫森结的结区。
22.根据本技术的一些示例，比特电容为十字电容；和/或，第一极板与第二极板纵横交错布置。
23.根据本技术的一些示例，约瑟夫森结还包括凸块，十字电容具有一个电容臂，凸块从该一个电容臂的末端一体延伸而成，第一极板通过凸块连接十字电容的一个电容臂。
24.根据本技术的一些示例，上述的一个电容臂具有延伸方向、并且定义有与延伸方向垂直的宽度方向；在宽度方向，凸块的宽度小于电容臂的宽度；
25.根据本技术的一些示例，沿第一极板至第二极板的方向，第一极板的厚度小于第二极板的厚度。
26.根据本技术的一些示例，第二极板的一端覆盖于绝缘体、并且另一端延伸至与槽的侧壁接触。
27.根据本技术的一些示例，比特电容具有彼此独立的第一电容臂和第二电容臂；
28.第一极板与第一电容臂一体连接，第二极板一端覆盖于绝缘体、并且另一端连接第二电容臂。
29.根据本技术的一些示例，第二极板前述的另一端与第二电容臂为一体结构。
30.在第四方面，本技术的示例提出了一种超导量子芯片，其含有上述之的约瑟夫森结。
31.有益效果：
32.与现有技术相比，对于本技术示例中的用于超导器件(例如超导量子芯片)中的约瑟夫森结，将结的电极与量子比特的电容采取一体结构进行设计。因此，二者可以被一次性地制作，而无需要分步(电容和量子比特中约瑟夫森结的电极分别独立制成)制作，也减少了因为分步而需要的连接操作。由此，从工序上而言减少了工艺步骤；相应地，由于工艺步骤的减少，也能够避免因为这些被减少的工艺步骤所引入的不利影响因素的产生。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
34.图1为一种典型的超导量子比特的结构示意图；
35.图2为图1中的a部的局部放大图；
36.图3为本技术实施例提供的超导量子比特的结构示意图；
37.图4为图3中的b部的局部放大图；
38.图5公开了图3的超导量子比特中的三层结构的约瑟夫森结的结构示意图；
39.图6为本技术示例中的两种约瑟夫森结的各层相对厚度的对比示意图；
40.图7为本技术实施例提供的另一种超导量子比特的结构示意图；
41.图8为图7中的c部的局部放大图。
42.图标：100-接地平面；101-槽；102-十字电容；201-第一电极；202-第二电极；204-第一连接层；205-第一焊盘；206-第二焊盘；207-第二连接层；301-电容器；302-凸块；303-极板；304-第二极板；401-第一电容臂；402-第二电容臂。
具体实施方式
43.在超导量子芯片中，一种典型的超导量子比特具有如图1和图2所示的结构。
44.如图1所示，在衬底(例如蓝宝石、硅)的表面形成有接地平面100。其中的接地平面100一般可以选择为超导材料，例如铝膜层、钽膜层等。接地平面100具有例如通过光刻形成的槽101，并且因此从该槽101处暴露衬底表面的局部。示例中，槽101在衬底表面的正投影的形状为十字型；但是在其他示例中，槽101可以是其他形状，并且以槽101轮廓限定的区域能够容纳下预计配置的元器件为限。
45.在槽101内，量子比特还具有十字电容102；结合附图，可以知晓十字电容102具有四个电容臂。当然在其他示例中，电容也可以具有其他形状，并不以十字型为限制。
46.超导量子比特的电容的结构由电容器(可以是具有对地的分布电容的电容板)提供，而与电容器并联的约瑟夫森结则由超导量子干涉仪提供。由此，当电容器为十字电容时，其中的十字电容102与超导量子干涉仪并联形成超导量子比特。其中，超导量干涉仪由两个约瑟夫森结组成，请参阅图2。
47.超导量子干涉仪具有两个主动配置的约瑟夫森结。在图2中，超导量子干涉仪包括一个超导体的第一电极201和两个超导体的第二电极202，且第一和第二电极之间具有绝缘层。按照图2所示方位，第一电极201在水平方向延伸，而第二电极202则在竖直方向延伸。大体上，两个第二电极202分别位于第一电极201的两端。
48.进一步地，为了便于与其他部件连接，第一电极201还设置有第一焊盘205，并且第二电极202具有第二焊盘206。其中第一焊盘205接近比特电容(十字电容102)，而第二焊盘206则接近接地平面100的槽101的侧壁。并且，第一焊盘205通过第一连接层204与比特电容连接，同时，第二焊盘206通过第二连接层207接地，并延伸至接地平面100一段距离以接近比特的控制线，例如为z控制线(通量偏置线)；图中未予以绘示。
49.对于图1和图2所示的超导量子比特结构而言，其制作方法可以被简述如下：
50.在衬底的表面制作金属层。该金属层是图案化的，从而含具有对地电容的电容板；该电容板即比特电容。
51.然后制作第一电极201(包括制作其焊盘)，待第一电极201氧化之后，制作第二电极202(包括制作其焊盘)，从而在第一电极201和第二电极202的交叠处形成约瑟夫森结。
52.由于接地平面100和电极的厚度均很小且铝也很容易被氧化，因此在制作连接层之前需要对氧化层进行处理，以便将其去除，从而确保连接层与焊盘和金属部分(接地平面100和比特电容)的有效接触。
53.在上述的制作过程中，考虑到约瑟夫森结的脆弱性，以及其较小的厚度(如10埃至
20埃，)，为了制作连接层而实施的前述去除操作以及制作连接层的操作都可能对约瑟夫森结造成损害。此外，第一和第二电极202需要在不同的步骤中制作，即两步斜蒸发工艺，从而导致两条线(电极)需要垂直地布置，限制了约瑟夫森结的设计、摆放位置。同时，连接层会对控制线(xy线和z线)产生影响，从而导致不容易精确设计xy线和z线。
54.因此，由于上述超导量子比特的结构设计，导致被采取的制作工艺会对约瑟夫森结形成不利的影响。
55.基于对该方案的认识，本技术发明人通过研究提出了一种新的超导量子比特结构设计。其中的重要改进点之一是：对约瑟夫森结的电极进行结构调整。示例中，选择将前述之连接层去掉，从而不需要相应的为了配置连接层而引入的氧化层去除操作。并且因此，将第一电极和第二电极的焊盘也相应去除。
56.以下将结合附图进行详述。
57.基于上述之讨论，于本技术的示例中，发明人提出了一种如图3和图4所示的电极，其可以被用于制作超导器件(可以是超导量子比特、可调耦合器等)中的约瑟夫森结。
58.其中的超导器件具有衬底(图未标示)、超导层(作为接地平面100)和电容器301。超导层采用在工作条件(主要是指温度)下表现出超导特性的材料制作而成。电容器301可以由各种适当的金属材料制作而成。超导层结合于衬底的表面，而电容器301则可以通过对超导层的图案化而被制作而成；因此电容器301与超导层的材质可以是相同的。或者，其他示例中，电容器可以是在制作槽后，再于槽内使用选择的材料进行沉积而形成。
59.示例中，电容器301与超导层的材质相同。超导层具有槽101，并且对应地电容器301配置到由该槽101所限定的区域之内，同时与衬底的表面接触。
60.在此基础上，电极的极板303被设置到槽101内，且形成于衬底的表面。特别地，极板303与电容器301连接在一起形成一体式的结构。例如，在衬底上通过如蒸发、溅射等方式形成超导层之后，对其进行图案化从而同步形成槽101和在槽101内的极板303以及电容器301。或者在衬底上形成超导层，之后对超导层刻蚀形成槽，然后在槽内沉积膜层，并且该膜层构成一体的极板303以及电容器301。或者，通过图案化的掩膜版直接在衬底的表面形成超导层，槽101以及在槽101内的极板303和电容器301的一体结构。
61.上述的极板303可以作为形成约瑟夫森结的三层结构(超导体-绝缘体-超导体，例如al-alo
x-al)中的一层超导结构。相应地，极板303的表面可以形成有绝缘体。与该极板303和绝缘体配合以形成约瑟夫森结的另一个超导体则可以为与上述极板303交错设置的另一个材料层构成，例如第二极板304，参阅图4。
62.这样的极板303可以是一个，如图3中所示的那样。在另一些示例中，极板303可以是两个，且每个极板303的表面分别形成有绝缘体。换言之，绝缘体可以是形成在极板303的表面，或者绝缘体可以是形成在第二极板304的表面。
63.其中的作为超导体的极板303/第二极板304的材质可以是铝、钼或钒等，而绝缘体则可以是相应极板303/第二极板304的氧化物，例如铝氧化物、钼氧化物或钒氧化物等。
64.另外需要指出的是，示例性地，如图4所示，电极具有凸块302。并且基于此，凸块302从极板303一体延伸而成，相应地是与电容器301一体结构的。即，电容器301、凸块302以及极板303一体构成。如电极未配置凸块302，则电极的极板303与电容器301一体形成。
65.结合上述内容可知，利用上述的电极可以制作形成一种超导量子器件，例如超导
量子比特、可调耦合器、约瑟夫森结、超导量子干涉仪等。
66.作为应用的示例，一种超导量子比特被提出，其具有衬底以及形成于衬底表面的超导层和比特电容，超导层具有容纳比特电容的槽101。而比特中的约瑟夫森结具有极板303、第二极板304以及绝缘体(第一绝缘体和第二绝缘体，图中未绘示)，参阅图3和图4。
67.其中，第一极板303与比特电容一体连接，且横向分布。第一绝缘体和第二绝缘体分别形成到极板303表面的第一绝缘体和第二绝缘体。该两个绝缘体可以是两个独体(彼此未接触)的绝缘结构。通常地，考虑到工艺，绝缘体可以是由极板303表面的氧化层提供。并且，因此，第一绝缘体和第二绝缘体是极板303表面的氧化层的两个局部构成。例如，第一绝缘体和第二绝缘体间隔地位于电极的两端附近。
68.第二极板304为纵向分布的两个，二者分别位于超导层的槽101内、并且彼此间隔开。进一步地，两个第二极板304中的一者覆盖于第一绝缘体，两个第二极板304中的另一者覆盖于第二绝缘体。因此，在极板303、绝缘体和第二极板304的层叠区域构成约瑟夫森结的结区；且分别为极板303、第一绝缘体和第二极板304的层叠区，极板303、第二绝缘体和第二极板304的层叠区。第一极板、绝缘体和第二极板的层叠方式请参阅图5。
69.在图3所示的结构中，比特电容为十字电容102，其具有四个支臂。该四个支臂为一体结构，并且各自具有一个公共的起始端。另外，从其中的一个支臂(电容臂)的末端一体延伸而成一凸块302。因此，极板303通过该凸块302连接十字电容102的一个电容臂。
70.特别地，在图4中，上述之电容臂具有延伸方向(竖直方向)、并且定义有与延伸方向垂直的宽度方向(水平方向)；在其他示例中也可以非纵横交错的方式进行布置。基于此定位，对于在宽度方向的尺寸而言，凸块302的宽度小于电容臂的宽度。
71.鉴于极板303和第二极板304的摆放姿态，极板303具有在延伸方向的宽度，两个第二极板304具有在竖直方向的宽度。示例性地，极板303和第二极板304的宽度相同。
72.考虑到电极的断裂风险，以及由此引起的覆盖于第一极板(极板303)表面的绝缘体上的第二极板304质量问题，在沿第一极板303至第二极板304的方向，通过工艺的选择(例如沉积时间等)使第一极板303的厚度小于第二极板304的厚度。
73.例如，在图6的i图中，第一极板303的厚度为100nm，而第二极板304的厚度为150nm。因此，第二极板304结合到衬底表面的部分以及覆盖在绝缘体之上的部分能够很好地结合。
74.作为对比，在图6的ii图中，第一极板303的厚度为150nm，而第二极板304的厚度为100nm。因此，第二极板304结合到衬底表面的部分以及覆盖在绝缘体之上的部分容易出现断裂，即二者不能很好地接合到一起。
75.前文提及第一极板303与比特电容接合，其他示例中，第二极板304除了通过绝缘体与第一极板303配合之外，第二极板304还可以与衬底表面的超导层配合。例如，第二极板304的一端覆盖于绝缘体，从而与第一极板303一同夹持绝缘体，并且同时第二极板304的另一端延伸至与设置在衬底的表面的超导层的槽101的侧壁接触，如图4所示。
76.当比特电容采用区别于前述的十字电容102时，第二极板304和第二极板304还可以具有其他的配合方式。例如，在图7中，比特电容具有彼此独立的第一电容臂401和第二电容臂402。并且该两个电容臂具有折弯结构，二者摆放形成大致的十字结构。参阅图7中的c部的局部放大图(图8)。电极的第一极板303与第一电容臂401一体连接，同时电极的第二极
板304一端覆盖于绝缘体、并且另一端连接第二电容臂402。
77.作为一种有益的尝试，除了使第一极板303与第一电容臂直接或间接地为一体结构之外，还可以选择第二极板304的另一端与第二电容臂为一体结构。
78.在上述的示例中，通过将约瑟夫森结的上下层的超导层(示例中为极板303、第二极板304)中的一者或两者与量子比特的比特电容的一部分或整体以一体结构的形式进行构造。该方案能够简化量子比特的制作过程，尤其是约瑟夫森结的制作过程，并且有助于改善所制作的约瑟夫森结的质量和品质的稳定性。
79.从工艺上而言，其制作方法可以简述为下述步骤：
80.(1)在衬底上制作金属层(如al膜层)；该金属层是图案化的，并且因此能够提供比特电容和约瑟夫森结的一个超导层。
81.(2)待步骤(1)中的超导层的表面氧化后形成氧化物(作为绝缘体)，再制作另一个超导层，从而约瑟夫森结。
82.分析可知，上述方案至少具有下述之优点：
83.(1)约瑟夫森结不需要制作额外的连接层与比特电容和结的极板形成连接，因此可以避免制作连接层，也避免与连接层相关的工艺对约瑟夫森结造成的损害。
84.(2)约瑟夫森结的姿态更灵活，不会受到斜蒸发工艺限制；其在量子芯片中的位置可以相对自由地摆放。
85.(3)由于不需要引入连接层，因此也就不需要实施其对应的制作工艺，从而容易精确设计量子比特的控制线(xy和z线)。
86.(4)工艺步骤少，容易大批量制备，适合半导体制造工厂的生产。
87.在此基础上，应用上述的约瑟夫森结可以制作一种超导量子芯片，其包括量子比特以及其相关的测控线路等；其中的量子比特可以含有利用上述约瑟夫森结构成的超导量子干涉仪。
88.在超导量子芯片中设置的约瑟夫森结与上述实施例中的结构具有类似的结构，并具有同上述相同的有益效果，因此不做赘述。未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照上述超导结构的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。
89.前文通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，前述内容结合附图对本技术的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本技术各实施例中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。其中的各个实例的划分是为了描述方便，不应对本技术的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
90.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
91.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些
步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
92.以上依据图式所示的实施例详细说明了本技术的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本技术的较佳实施例，但本技术不以图面所示限定实施范围，凡是依照本技术的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本技术的保护范围内。