[发明专利]基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法，该超导量子比特结构包括衬底、缓冲层、功能层、隔离层、第一配线部及第二配线部，其中，缓冲层位于衬底的上表面，功能层位于缓冲层的上表面且包括间隔设置的电容器、第一约瑟夫森结、第二约瑟夫森结及谐振器，隔离层填充功能层中的间隙并覆盖功能层的显露表面及衬底的上表面，且隔离层中设有第一接触孔及第二接触孔，第一配线部填充于第一接触孔并与第一约瑟夫森结的上表面接触，第二配线部填充于第二接触孔并与第二约瑟夫森结的上表面接触。本发明通过采用高阻率的硅作为衬底、绝缘性的TaN膜作为约瑟夫森结的结区，减少了衬底中电荷涨落，增强了超导量子比特的相干性。

技术领域

本发明属于超导电子学领域，涉及一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法。

背景技术

超导量子比特是一种基于约瑟夫森结电路的量子比特，其主要部分为含有一个或多个约瑟夫森结的超导电路。约瑟夫森结的结构是两块超导体中间夹一层很薄的绝缘层，当绝缘层厚度薄至几纳米后，两个超导体波函数的位相会产生关联，绝缘体也会变成一个弱的超导体，库珀对能够隧穿形成超导电流。在此情况下，约瑟夫森结相当于一个非线性电感，其电感值随结两端相位差的变化而变化，利用约瑟夫森结的非线性电感和超导体中的宏观量子效应特性，可以构建出具有非等间隔的系统能级，因此最低两个能级相关的量子态能够被外场很好地操控。但是超导比特受外界环境的影响大，很难在较长时间的运算中保持量子相干性，严重制约着超导量子比特的退相干时间。

目前，超导量子比特电路的主流仍然是采用传统Al/AlO_x/Al结制成，其退相干时间受到非晶AlO_x势垒层中二能级系统的抑制。采用NbN/AlN/NbN外延氮化物约瑟夫森结作为超导量子电路的替代材料，可以减少约瑟夫森结中的二能级系统数量，且外延NbN约瑟夫森结相对较高的超导转变温度(～16K)和大的超导能隙(～5.2meV)。但是高质量的外延NbN/AlN/NbN结通常局限在MgO衬底上，其相干时间受限于MgO衬底的介电损耗。此外，使用AlN作为TaN势垒层时需要注意避免其压电特性，防止结中产生的电场与底层晶格耦合，导致通过声子发射产生退相干现象。

因此，急需寻找一种延长相干时间及排除量子-声子耦合的超导量子比特结构。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构及其制备方法，用于解决现有技术中量子-声子耦合产生量子退相干及介电损耗抑制相干时间的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于NbN约瑟夫森结的超导量子比特结构的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底，并于所述衬底上形成缓冲层；

于所述缓冲层上形成功能材料层，所述功能材料层包括向上层叠的NbN底层膜、TaN势垒层及NbN顶层膜；

刻蚀所述功能材料层以形成包括谐振器、电容器、第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结的功能层，并形成覆盖所述功能层的显露表面及所述衬底的上表面的隔离层；

减薄所述隔离层以显露出所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结的上表面，并于所述隔离层中形成第一接触孔及第二接触孔，且所述第一接触孔的底部显露出所述电容器，所述第二接触孔的底部显露出所述谐振器；

形成第一配线部与第二配线部于所述隔离层上，所述第一配线部与所述第一约瑟夫森结的上表面接触并填充进所述第一接触孔以与所述电容器电连接，所述第二配线部与所述第二约瑟夫森结的上表面接触并填充进所述第二接触孔以与所述谐振器电连接。

可选地，所述衬底包括硅衬底，且所述衬底的电阻率高于20kΩ·cm。

可选地，所述缓冲层的材质包括TiN，所述缓冲层的厚度范围是40nm～60nm。

可选地，形成所述缓冲层的方法包括直流反应磁控溅射法。