[发明专利]一种大面积铝单晶薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种大面积铝单晶薄膜及其制备方法与应用。所述制备方法包括：将Si(111)衬底依次进行有机清洗、RCA1清洗、RCA2清洗、piranha溶液清洗及HF清洗，获得预处理后的Si(111)衬底；在真空条件下，将所述预处理后的Si(111)衬底置于分子束外延装置中表面处理，采用分子束外延技术在所述Si(111)衬底表面生长铝单晶薄膜，获得大面积铝单晶薄膜。本发明制备的Si(111)/Al单晶薄膜，与Si衬底传统工艺相比，实现了大面积Al单晶薄膜，没有孪晶，更可明显减少Si/Al界面C、H、O杂质含量，将谐振器本征品质因子提升到10⁶，有助于制备高质量超导量子比特或超导量子计算机。

技术领域

本发明属于超导量子比特技术领域，具体涉及一种大面积铝单晶薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

量子计算机霸权争夺已在世界范围展开，超导量子计算机由于兼容传统微加工工艺和微波测量技术而摇摇领先。国内11量子比特超导量子计算服务在量子计算云平台上线，IBM实现了50个量子比特的芯片，就在去年(Arute，F.，Arya，K.，Babbush，R.etal.Quantum supremacy using a programmable superconducting processor.Nature574，505-510，2019)，google发布了轰动一时的“sycamore”芯片并演示了“量子霸权”，促使我们需在材料制备和器件工艺上进一步提高超导量子芯片的性能以实现突破。目前要进一步实现超导量子比特数量的扩展并达到预想的计算能力，除了提升量子逻辑门的精度，不断提高量子比特相干时间也是大部分科学家关注的焦点。影响量子比特相干时间的主要因素是量子比特制备过程中表界面的非晶层(I.Martin，L.Bulaevskii，A.Shnirman，Phys.Rev.Lett.95，127002，2005)以及器件制备过程中分子官能团的吸附所形成的双能级缺陷(Sarabi，Bahman，AN Ramanayaka，AL Burin，Frederick CWellstood，and KevinD.Osborn，Phys.Rev.Lett.116，167002，2016)。为了提高超导量子比特寿命，必须从根本上减少芯片制备过程中的非晶材料，避免引入表界面杂质。

国内外同行通过不同生长技术和表面处理方法以实现Si衬底外延生长Al薄膜，包括离子束辅助(C.Choi，R.Harper，A.Yapsir，and T.M.Lu，Appl.Phys.Lett.51，1992，1987)、分子束外延(H.Liu，et al.Chin.Phys.Lett.21，1608，2004)、超高真空沉积(E.A.Khramtsova，et al.Appl.Surf.Sci.82-83，576，1994)、热蒸发(Y.Horio，Appl.Surf.Sci.169-170，104，2001)和磁控溅射(D.Bufford，et al.Mater.Res.Lett.1，51，2013)。结果显示在Si衬底生长100nmAl薄膜存在位错密度高导致XRD衍射峰较宽或者孪晶。传统方法是在Si(111)1*1衬底表面直接生长，有的Si(111)衬底甚至没有通过HF和NH₄F缓冲溶液清洗。无论Si(111)衬底是否通过HF和NH₄F缓冲溶清洗，在Si(111)1*1或7*7衬底表面直接生长Al薄膜，Al薄膜普遍存在孪晶(如图1所示)，且薄膜表面粗糙；Xue等人(S.Xue，Z.Fan，Y.Chen，J.Li，H.Wang，and X.Zhang，Acta Mater.101，62，2015)探究了多晶Al薄膜中孪晶形成机理，Christopher J.K.Richardson等人(Brian M McSkimming，etal.Journal ofVacuum ScienceTechnologyA 35，021401，2017)报道Si(111)衬底在775℃退火15min制备Si(111)7*7表面，生长Al薄膜，表征分析Al薄膜存在孪晶，显示薄膜刚开始沉积时，薄膜与衬底之间的界面缺陷会随着薄膜沉积延伸到表面，进一步证实制备规则有序Si(111)衬底表面对于后续大面积Al单晶薄膜生长具有重要意义。

发明内容