Ученые снизили температуру нанесения тантала для квантовых чипов до 200 °C

Исследователи заменили аргон на криптон при нанесении сверхпроводящего материала на кремний и получили плёнки, из которых создали кубиты с добротностью до 16,9 млн

Команда из Корнеллского университета разработала метод нанесения тантала на кремниевые подложки при 200 °C вместо более чем 400 °C, необходимых по традиционной технологии. Полученные танталовые плёнки продемонстрировали высокую электрическую проводимость, а созданные на их основе сверхпроводящие кубиты достигли добротности до 16,9 млн. Результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.

В последние годы тантал стал одним из многообещающих материалов для сверхпроводящих квантовых схем: на его основе уже разрабатываются кубиты и микроволновые резонаторы с высокими характеристиками. Однако его использование в стандартных процессах производства полупроводников ограничивалось температурой нанесения. При традиционном распылении тантала на кремний требуется нагревать подложку выше 400 °C, тогда как многие производственные линии для изготовления микросхем работают при более низких температурах.

Эта проблема связана со структурой материала. При низких температурах тантал формирует кристаллическую фазу с нежелательными свойствами, поэтому для достижения нужной кубической объёмно-центрированной фазы (bcc) обычно необходимы высокие температуры. Однако при слишком высокой температуре тантал начинает взаимодействовать с кремнием, образуя более толстый промежуточный слой. Это увеличивает потери информации и ухудшает характеристики квантовой схемы.

Исследователи заменили аргон, используемый при распылении, на криптон. При ионной бомбардировке более тяжёлые атомы криптона передают танталу больше энергии и выбивают его атомы с большей силой. Этого оказалось достаточно, чтобы стабилизировать необходимую кристаллическую фазу непосредственно на кремнии уже при 200 °C. В результате появляется значительно более широкий температурный диапазон для стабильного производства: между температурой, при которой формируется нужная структура тантала, и температурой, при которой он начинает активно смешиваться с кремнием.

Из полученных плёнок создали сверхпроводящие микроволновые резонаторы и сравнили их характеристики. При более высоких температурах нанесения потери увеличивались вместе с уровнем смешивания тантала и кремния. Плёнки, полученные с использованием криптона при пониженной температуре, продемонстрировали более стабильные характеристики, что критично для воспроизводимости производства квантовых устройств.

Позже на основе этого материала команда разработала трансмонные кубиты — один из основных типов сверхпроводящих кубитов. Ключевым компонентом 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 составила 16,9 млн, что означает, что кубит сохранял квантовое состояние с очень низкими потерями.

Авторы подчеркивают, что снижение температуры нанесения тантала особенно важно с точки зрения совместимости материала с существующей инфраструктурой производства микросхем. Вместо процесса, находившегося на температурной границе доступного оборудования, появилась технология с большим запасом по температуре. Это устраняет один из барьеров для интеграции высокопроизводительных танталовых сверхпроводников в более масштабные процессы изготовления квантовых чипов.