Учёные заменили аргон на криптон при нанесении сверхпроводящего материала на кремний и получили плёнки, из которых изготовили кубиты с добротностью до 16,9 млн
Команда Корнеллского университета разработала способ наносить тантал на кремниевые подложки при 200 °C вместо более чем 400 °C, необходимых при традиционной технологии. Полученные танталовые плёнки показали высокую электрическую проводимость, а изготовленные на их основе сверхпроводящие кубиты достигли добротности до 16,9 млн. Результаты опубликованы в Nature Materials.
Тантал в последние годы стал одним из перспективных материалов для сверхпроводящих квантовых схем: на его основе уже создают кубиты и микроволновые резонаторы с высокими характеристиками. Однако его внедрение в стандартные процессы производства полупроводников ограничивалось температурой нанесения. При традиционном распылении тантала на кремний нужно нагревать подложку выше 400 °C, тогда как многие производственные линии для изготовления микросхем рассчитаны на более низкие температуры.
Проблема связана со структурой материала. При низкой температуре тантал формирует кристаллическую фазу с нежелательными свойствами, поэтому для получения нужной кубической объёмно-центрированной фазы (bcc) обычно требуется сильный нагрев. Но при слишком высокой температуре тантал начинает смешиваться с кремнием, образуя более толстый промежуточный слой. Это увеличивает потери информации и ухудшает характеристики квантовой схемы.
Исследователи заменили используемый при распылении аргон на криптон. При ионной бомбардировке более тяжёлые атомы криптона передают танталу больше импульса и выбивают его атомы с большей энергией. Этого оказалось достаточно, чтобы стабилизировать нужную кристаллическую фазу непосредственно на кремнии уже при 200 °C. В результате появляется значительно более широкое температурное окно для стабильного производства: между температурой, при которой формируется нужная структура тантала, и температурой, при которой он начинает активно смешиваться с кремнием.
Из полученных плёнок изготовили сверхпроводящие микроволновые резонаторы и сравнили их характеристики. При более высоких температурах нанесения потери возрастали вместе со степенью смешивания тантала и кремния. Плёнки, полученные с использованием криптона при пониженной температуре, показали более стабильные характеристики, что важно для воспроизводимости изготовления квантовых устройств.
Затем на основе этого материала команда создала трансмонные кубиты — один из основных типов сверхпроводящих кубитов. Ключевым элементом такой схемы является джозефсоновский переход: две металлические области разделены тонким слоем изолятора, через который электроны могут туннелировать. Для полученных устройств с компактным зазором конденсатора 20 мкм максимальная добротность достигла 16,9 млн, то есть кубит сохранял квантовое состояние с очень низкими потерями.
Авторы отмечают, что снижение температуры нанесения тантала особенно важно с точки зрения совместимости материала с существующей инфраструктурой производства микросхем. Вместо процесса, находившегося у температурной границы используемого оборудования, появилась технология с большим запасом по температуре. Это снимает один из барьеров интеграции высокопроизводительных танталовых сверхпроводников в более масштабные процессы изготовления квантовых чипов.