[发明专利]一种表面电极离子阱与硅光器件的集成结构及三维架构

说明书

本发明提供表面电极离子阱与硅光器件的集成结构，包括晶圆、硅光栅和硅结构，刻蚀外延硅结构上方的第一介质层以形成外延窗口，通过外延窗口自硅结构外延硅或锗，离子注入及退火后形成硅基光电探测器；自第二介质层向下形成面入射型硅基光电探测器的第一接触孔；自第三介质层向下形成硅通孔；于第四介质层形成若干电极，电极包括与硅基光电探测器连通的第一电极，以及表面电极离子阱的第二电极；自第一电极的底部分别向下形成与第一接触孔和硅通孔连通的第二接触孔和第三接触孔；自第二电极的底部向下形成与硅通孔连通的第三接触孔；硅通孔底部具有与其连通的第一微凸块。本发明还提供一种三维架构。

技术领域

本发明涉及离子阱量子比特的寻址与探测技术领域，特别是涉及一种表面电极离子阱与硅光器件的集成结构及三维架构。

背景技术

量子比特是量子计算机的基本操作单元，离子阱因为具有相干时间长、逻辑门保真度高等优势，是研究量子比特的载体之一。在衬底表面通过光刻技术形成金属电极的表面电极离子阱，得益于成熟的半导体光刻技术，能够在衬底的表面形成各种形状的金属电极，同时也很方便制备很多个相同的金属电极，即能够很容易地实现离子囚禁区域数量的扩展。

目前，对于表面电极离子阱量子比特的寻址/探测多采用自由空间多束激光源和光电倍增管，存在寻址/探测用光路调试系统复杂、昂贵、庞大、误差大及可扩展性低等问题，一直制约着量子计算科学的研究和发展。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种稳定性强、小型化、通用性且可扩展性强的表面电极离子阱与硅光器件的集成结构及三维架构。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种表面电极离子阱与硅光器件的集成结构，包括晶圆，光刻、刻蚀晶圆的顶层以形成若干硅光栅，光刻、刻蚀晶圆的顶层以形成若干硅结构并离子注入及退火；

第一介质层，第一介质层形成在上述已形成的结构上，刻蚀硅结构上方的第一介质层以形成若干外延窗口，通过外延窗口自硅结构的顶层外延硅或锗，离子注入及退火后形成若干硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器；

第二介质层，第二介质层形成在上述已形成的结构上，且自第二介质层的顶层向下形成若干面入射型硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器的第一接触孔；

第三介质层，第三介质层形成在上述已形成的结构上，且自第三介质层的顶层向下形成若干硅通孔；

第四介质层，第四介质层形成在上述已形成的结构上，且于第四介质层的顶层形成若干电极，电极包括与硅单光子雪崩探测器或硅基锗单光子雪崩探测器连通的第一电极，以及表面电极离子阱的第二电极；每一个第一电极均对应第一接触孔和硅通孔，且自每一个第一电极的底部分别向下形成与第一接触孔和硅通孔连通的第二接触孔和第三接触孔；每一个第二电极均对应硅通孔，且自每一个第二电极的底部分别向下形成与硅通孔连通的第三接触孔；

第一钝化层，研磨晶圆的背面使硅通孔露出后沉积第一钝化层，刻蚀第一钝化层形成硅通孔的钝化层窗口，并在钝化层窗口处形成第一微凸块；或在钝化层窗口处形成重布线层后再形成第一微凸块。

优选地，每一个第一接触孔均包括：

第一孔，第一孔开设于第二介质层；

第一隔离层，第一隔离层沉积在第一孔的孔底和孔壁；

第一金属结构，第一金属结构电化学沉积在具有第一隔离层的第一孔内。

优选地，第一金属结构为铜结构，在第一孔内采用电化学镀膜工艺填充铜且退火及化学机械抛光，以形成铜结构；

形成第一接触孔后且沉积第三介质层前，沉积第一停止层。

优选地，硅通孔包括：

第二孔，第二孔开设于第三介质层；