Herstellung von Al/AlOx/Al-Übergängen mit hoher Gleichmäßigkeit und Stabilität auf Saphirsubstraten

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11874 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Tantal und Aluminium auf Saphir sind weit verbreitete Plattformen für Qubits mit langer kohärenter Zeit. Mit zunehmender Skalierung von Quantenchips nimmt die Anzahl der Josephson-Kontakte auf Saphir zu. Daher sind sowohl die Gleichmäßigkeit als auch die Stabilität der Übergänge für Quantengeräte wie skalierbare supraleitende Quantencomputerschaltungen und quantenbegrenzte Verstärker von entscheidender Bedeutung. Durch die Optimierung des Herstellungsprozesses, insbesondere der leitfähigen Schicht während des Elektronenstrahllithographieprozesses, wurden Al/AlOx/Al-Übergänge mit Größen im Bereich von 0,0169 bis 0,04 µm2 auf Saphirsubstraten hergestellt. Die relative Standardabweichung der Raumtemperaturwiderstände (RN) – \({\upsigma }_{{R_{{\text{N}}} }} /\left\langle {R_{{\text{N}}} } \right\rangle\) dieser Übergänge ist besser als 1,7 % auf 15 mm × 15 mm-Chips und besser als 2,66 % auf 2-Zoll-Wafern, was der höchsten Gleichmäßigkeit entspricht, die auf Saphirsubstraten berichtet wurde. Die Verbindungen sind robust und haben bei Temperaturänderungen einen stabilen Widerstand. Die Widerstände erhöhen sich im Verhältnis zu RN um 9,73 %, wenn die Temperatur auf 4 K absinkt, und nehmen im umgekehrten Fall ihre ursprünglichen Werte wieder auf, wenn die Temperatur wieder auf Raumtemperatur sinkt. Nach 100-tägiger Lagerung im Stickstoffschrank veränderte sich der Widerstand der Verbindungen um durchschnittlich 1,16 %. Der Nachweis gleichmäßiger und stabiler großflächiger Josephson-Kontakte ebnet den Weg für die Herstellung supraleitender Chips aus Hunderten von Qubits auf Saphirsubstraten.

Während sich die zweite Quantenrevolution entfaltet, ist es sehr dringend, die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten verschiedener supraleitender Quantengeräte zu nutzen. Der Josephson-Kontakt ist ein Gerät, das aus zwei Supraleitern besteht, die durch einen dünnen Isolator von wenigen Nanometern getrennt sind1. Der Tunnelübergang zeichnet sich durch geringe Verluste und starke Nichtlinearität aus und spielt eine wesentliche Rolle in Quantengeräten, einschließlich supraleitenden Qubits, Einzelmikrowellen-Photonendetektoren und quantenbegrenzten Verstärkern2,3,4,5,6. Da bei Multi-Qubit-Chips ein direkter Zusammenhang zwischen der Frequenz des Qubits und dem RN7 besteht, können die Variationen des RN des Josephson-Übergangs zu Frequenzkollisionen zwischen Qubits führen. Darüber hinaus kann die Ungleichmäßigkeit des kritischen Stroms zu unerwünschten Reflexionen im parametrischen Josephson-Wanderwellenverstärker führen und die Geräteleistung verringern6. Die Herstellung von Josephson-Kontakten im Wafer-Maßstab mit hoher Gleichmäßigkeit und Stabilität mit gemeinsamen Einrichtungen ist sehr wichtig.

Es ist eine Herausforderung, hochgradig gleichmäßige Josephson-Kontakte im Wafermaßstab herzustellen, insbesondere auf Saphir. Forscher haben große Anstrengungen unternommen, um die Gleichmäßigkeit von Al/AlOx/Al-Übergängen auf hochohmigen Siliziumsubstraten zu verbessern. Durch die Optimierung des Herstellungsprozesses wird berichtet, dass die Widerstandsschwankung bei 0,042 µm2 großen Al/AlOx/Al-Übergängen auf einem 49 cm2 großen Chip 3,5 % beträgt8; 3,7 % Widerstandsschwankung für Al/AlOx/Al-Übergänge auf einem Wafer, der vierzig 0,5 × 0,5 cm2 große Chips enthält9; und 3,9 % kritische Stromschwankung für Al/AlOx/Al-Übergänge auf einem 20 × 20 mm2 großen Chip10. Um den Widerstand weiter anzupassen, wurde das Laserglühen entwickelt7,11. Die für Silizium verwendeten Methoden funktionieren möglicherweise nicht für Saphir. Saphir ist aufgrund seines sehr geringen Mikrowellenverlusts ein häufig verwendetes Substrat für supraleitende Quantenschaltkreise und kompatibel mit dem Wachstum von verlustarmen Materialien wie Tantal. Die längste Kohärenzzeit für ein supraleitendes Qubit wurde für Saphir gemeldet12. Allerdings ist es nicht nur schwierig, gleichmäßige Übergangsmuster durch Belichtung mit Elektronenstrahlen niedriger Energie zu erzielen (aufgrund des Aufladungseffekts), sondern auch schwierig, den gleichmäßigen Übergangswiderstand durch Laserglühen zu verbessern (aufgrund der Lichtdurchlässigkeit). Daher ist die Untersuchung des Herstellungsprozesses für Al/AlOx/Al-Übergänge mit hoher Gleichmäßigkeit in großem Maßstab auf Saphir von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung hochwertiger supraleitender Quantenprozessoren13,14.

In dieser Arbeit wurde der Herstellungsprozess der Al/AlOx/Al-Verbindung auf einem Saphirsubstrat systematisch untersucht. Anschließend wurden die Gleichmäßigkeit und Stabilität ihrer Übergangswiderstände untersucht. Eine höhere Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlbelichtung führt zu einer geringeren Vorwärtsstreuung15, was bedeutet, dass die Elektronen mit größerer Wahrscheinlichkeit direkt durch den Elektronenstrahlresist wandern, ohne abgelenkt zu werden. Allerdings steht die 100-kV-Elektronenstrahllithographie (EBL) vielen Laboren nicht zur Verfügung. Unter Verwendung der Elektronenstrahlbelichtung mit der maximalen Beschleunigungsspannung von 50 kV und durch Optimierung des Herstellungsprozesses, insbesondere der leitenden Schicht während des Elektronenstrahllithographieprozesses, wurden Al/AlOx/Al-Übergänge in Größen von 0,0169 bis 0,04 μm2 hergestellt . Diese Übergangswiderstände zeigen eine hohe Gleichmäßigkeit mit \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R}_{\mathrm{N}}>\) besser als 1,7 % auf 15 mm × 15-mm-Chips und \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R}_{\mathrm{N}}>\) besser als 2,66 % auf 2-Zoll-Wafern Dies ist die höchste Einheitlichkeit, über die auf Saphirsubstraten berichtet wurde. Darüber hinaus stellen wir fest, dass diese Verbindungen eine robuste Widerstandsstabilität aufweisen, deren Widerstand um 9,73 % im Vergleich zu RN ansteigt, wenn die Temperatur von Raumtemperatur (300 K) auf 4 K sinkt, und in einem reversiblen Prozess nahezu zu ihren Ausgangswerten zurückkehren, wenn die Die Temperatur steigt wieder an. Dies steht im Einklang mit den vorhandenen Berichten16. Nach 100-tägiger Lagerung in einem Stickstoffschrank veränderten sich die Widerstände dieser Verbindungen kaum. Dies ebnet den Weg für die Herstellung eines supraleitenden Schaltkreises mit fast 100 Qubits und langer Qubit-Kohärenzzeit auf Basis von Saphirsubstraten.

Al/AlOx/Al-Übergänge mit der charakteristischen Linienbreite im Bereich von 130 bis 200 nm wurden auf 2-Zoll-C-Ebenen-Saphirsubstraten hergestellt. Die Fläche der traditionellen Dolan-Verbindung17 hängt von der Dicke des Lacks und dem Abscheidungswinkel der unteren und oberen Elektroden ab, was sich auf die Gleichmäßigkeit der Verbindungen auswirken kann. In diesem Bericht wurden die brückenlosen Kreuzungen im „Manhattan-Stil“18,19 verwendet. Um außerdem die Einführung von Two-Level-Systemen (TLS) und anderen instabilen Faktoren in den „parasitären“ Übergängen zu vermeiden, die zu Parameterschwankungen führen können20, wurde die Technik namens „Patch Integrated Cross-Type (PITC)“ verwendet9. Diese Technik ermöglicht die Herstellung sowohl des Übergangs als auch des Patches in einem einzigen Lithographieschritt durch Aufdampfen aus drei optionalen Winkeln. Um Submikron-Al/AlOx/Al-Übergänge vorzubereiten, wurden Layouts erstellt und mit einem 50-kV-Elektronenstrahlmustergenerator belichtet. Nachdem die Musterübertragung durch Photolithographie abgeschlossen ist, werden die Übergänge in Plassys MEB550SL3 mit einem Basisdruck von 3 × 10−8 mbar abgeschieden.

Der zweischichtige Elektronenstrahlresist verwendete 500 nm MMA EL9 als unteren Resist und 300 nm PMMA A4 als oberen Resist. Um MMA gleichmäßiger zu schleudern, wurde beim Schleudern von MMA8 das kleine Loch oben im Schleuderbeschichter abgedeckt. Bei der Elektronenstrahlbelichtung kann eine schlechte Leitfähigkeit des Saphirsubstrats zu einer Ladungsansammlung führen. Die angesammelten Ladungen induzieren elektrische Felder auf der Oberfläche der Probe, was zu einer Ablenkung von Primär- und Sekundärelektronen führt, was die Musterauflösung und Positionierungsgenauigkeit21 verringern kann, was zu einer schlechten Gleichmäßigkeit der Übergänge führt. Um den Aufladungseffekt zu verringern, ist das Abdecken des Fotolacks mit Ladungsableitern22 eine gute Lösung, kann jedoch zu Verunreinigungen führen. Um eine spätere Kontamination zu vermeiden, haben wir Al gewählt, das leicht entfernbar ist. Die Al-Schicht wird bei Raumtemperatur mit einer Abscheidungsrate von 1,2 nm/s durch Sputtern abgeschieden. Allerdings erhöht eine dicke leitende Schicht das Elektronenstreuvolumen, was zu einer verringerten Auflösung führt. Daher sollte die Dicke der leitfähigen Schicht so gering wie möglich sein. Eine unzureichende Leitfähigkeit einer dünnen leitenden Schicht führt immer noch zu erheblichen Aufladungseffekten, wie in Abb. 1c (oben) dargestellt, was zu offensichtlichen Verzerrungen und schlechten Kanten der erzeugten Josephson-Übergänge führt. Bei Verwendung einer leitfähigen Schicht mit 20 nm erhielten wir Josephson-Übergänge mit steilen Kanten (Abb. 1c (unten)). In diesem Experiment werden sowohl MMA als auch PMMA einem 50-kV-Elektronenstrahl ausgesetzt, und die optimalen Belichtungsdosen lagen bei 200 bzw. 1100 μC/cm2. Um die leitfähige Al-Schicht nach der Belichtung zu entfernen, wurde ein zweistufiges Verfahren entwickelt. Zuerst wurde ein TMAH-Verdünnungsmittel mit minimalem Angriff auf den Elektronenstrahlresist verwendet, um den größten Teil der Al-Schicht zu ätzen, und der Rest wurde mit entionisiertem Wasser entfernt, dann wurden die endgültigen Muster definiert. Die Probe wurde bei Raumtemperatur mit IPA:MIBK = 3:1 entwickelt. Sauerstoffplasma mit optimalen Bedingungen (60 W, 100 s) wurde zur Veraschung der Probe nach der Entwicklung verwendet, um die restlichen organischen Stoffe zu entfernen, die einen Einfluss auf die Stabilität haben Al/AlOx/Al-Verbindungen23,24.

Die Geometrie für das in dieser Studie verwendete supraleitende Quanteninterferenzgerät (SQUID). (a) Skizze der SQUID-Vorbereitung mit der „PITC“-Technik. Die Probenebene bezieht sich auf die xy-Ebene, und die Planeten- und Neigungswinkel des Probenhalters werden durch θ bzw. φ dargestellt. „1.“ und „2.“ stellen die Verdampfung der unteren Elektrode bzw. der oberen Elektrode des Al/AlOx/Al-Übergangs dar. Zwischen ihnen findet ein Oxidationsschritt statt, der in diesem Prozess nicht dargestellt ist. „3.“ bezeichnet das Ar+-Ionenmahlen und die anschließende Al-Abscheidung, die zum Patchen verwendet wird. (b) Aufbau des SQUID. Die violetten Teile stellen die Struktur der Testschaltung dar. (c) Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) eines Al/AlOx/Al-Übergangs. Oben: Die Verbindung, die während der EBL mit einer 10 nm dicken leitfähigen Schicht vorbereitet wurde. Unten: Die Verbindung, die während der EBL mit einer leitenden Schicht von 20 nm hergestellt wurde.

Die nachfolgenden Verdampfungsschritte sind in Abb. 1a dargestellt, wobei der Planetenwinkel und der Neigungswinkel (von der Z-Achse) des Probenhalters mit θ bzw. φ bezeichnet sind. Der endgültige Aufbau des SQUID in diesem Experiment ist in Abb. 1b dargestellt, und das orangefarbene Rechteck markiert eine der Verbindungen. Um die Auswirkungen des transversalen Einfallswinkeleffekts abzuschwächen, der in der Literatur25 diskutiert wird und zu Abweichungen im Verbindungsbereich führt, wurden die Probe und der Probenhalter vor dem Einführen der Probe in das Ultrahochvakuumsystem unter dem Mikroskop ausgerichtet. Nach vollständiger Entgasung wurde die erste Al-Elektrode der Übergänge bei θ = 0° und φ = 45° abgeschieden, um die Abschattungseffekte zu reduzieren10. Es wurden eine Abscheidungsrate von 1 nm/s und eine Dicke von 30 nm verwendet. Sowohl der Abscheidungswinkel als auch die Wachstumsrate wurden optimiert, um die beste Korngleichmäßigkeit für die untere Elektrode zu erreichen, was die Gleichmäßigkeit der Oxidschicht im nächsten Schritt verbessern würde10. Nach statischer Oxidation bei 5 mbar für 30 Minuten wurde die zweite Al-Elektrode ebenfalls mit einer Abscheidungsrate von 1 nm/s im Winkel von θ = 90° und φ = 45° bis zu einer Dicke von 60 nm abgeschieden. Nach dem Entfernen der Oberflächenoxidschicht von der Probe mittels Ar+-Ionenfräsen wurde Aluminium in einem Winkel von θ = 45° und φ = 60° zum Ausbessern abgeschieden. Der letzte Schritt im Herstellungsprozess ist der Passivierungsprozess, bei dem diese Verbindungen 30 Minuten lang bei 100 mbar statisch oxidiert werden. Der Barrierebereich wird mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) beobachtet (siehe Abb. 2) und zeigt eine sehr geringe Rauheit und eine steile Grenzfläche zwischen Al und O.

TEM-Bilder und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)-Kartierung der Josephson-Übergangsbarriereschicht. (a) TEM-Bilder der Barriereschicht. (b) EDX-Kartierung von O in der Barriereschicht. (c) EDX-Kartierung von Al in der Barriereschicht.

Der kritische Strom Ic ist ein Schlüsselparameter des Josephson-Kontakts, der von der Kontaktfläche, dem Oxidationszustand und anderen chemischen Verschmutzungen abhängt. Es wird häufig verwendet, um ihre Qualität und Zuverlässigkeit zu charakterisieren. Allerdings muss der Ic bei niedrigen Temperaturen gemessen werden26, was die Charakterisierung erschwert. Glücklicherweise kann der Ic-Wert des Josephson-Kontakts aus seinem normalen Widerstand abgeleitet werden27. In dieser Studie wurden die Gleichmäßigkeit und Stabilität der SQUIDs anhand ihrer Widerstände charakterisiert, die mithilfe einer Vier-Sonden-Methode gemessen wurden, um die Auswirkungen des Kontaktwiderstands zu vermeiden. Die durchschnittlichen Widerstände dieser SQUIDs liegen zwischen 5 kΩ und 12 kΩ.

Die Gleichmäßigkeit der Übergangswiderstände bei Raumtemperatur ist in Abb. 3 dargestellt. Auf 15 mm × 15 mm großen Chips ist \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R} _{\mathrm{N}}>\) ist kleiner als 2 %. Auf 2-Zoll-Wafern beträgt \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R}_{\mathrm{N}}>\) weniger als 3 %. Sowohl bei der Chipgröße als auch bei der Wafergröße nimmt die Gleichmäßigkeit dieser Übergänge mit zunehmender Verbindungsfläche ab (Abb. 3a, d). Dies weist darauf hin, dass Muster mit einem größeren Maßstab, die mit niedriger Strahlenergie belichtet werden, gleichmäßiger sind. Allerdings weist der Widerstand der kleinsten Übergangsgröße mit 130 × 130 nm2 immer noch eine sehr regelmäßige Gauß-Verteilung relativ zum entworfenen Übergangswiderstand auf, wie in Abb. 3b,e dargestellt. Die räumliche Verteilung der Übergangswiderstände (Abb. 3c, f) zeigt, dass die relative Widerstandsabweichung auf der rechten Seite des Chips höher ist. Dies dürfte auf Änderungen der Verdampfungsbedingungen zurückzuführen sein, wenn sich der Abscheidungswinkel über dem Wafer ändert. Die effektive Wachstumsrate und der Schattierungseffekt können die Korngleichmäßigkeit beeinflussen, und der Abscheidungswinkel relativ zur Seitenwand des Resists kann sich auf die Verbindungsfläche auswirken. Die meisten dieser Zustandsschwankungen sollten durch eine Optimierung des Verdunstungsverfahrens verbessert werden24.

Übergangswiderstände bei Raumtemperatur auf 15 mm × 15 mm-Chips und 2-Zoll-Wafern. (a), (b), (c) Übergangswiderstände auf den 15 mm × 15 mm großen Chips. (d), (e), (f) Übergangswiderstände auf den 2-Zoll-Wafern. (a), (d) \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R}_{\mathrm{N}}>\) versus Verbindungsflächen. Die Verbindungsflächen betragen 130 nm × 130 nm, 145 nm × 145 nm, 160 nm × 160 nm, 175 nm × 175 nm, 190 nm × 190 nm, 200 nm × 200 nm und der entsprechende SQUID-Durchschnittswiderstand < \({ R}_{\mathrm{N}}\)> sind 11,9 kΩ, 9,63 kΩ, 7,79 kΩ, 6,53 kΩ, 5,74 kΩ, 5,09 kΩ. (b), (e) Gaußsche Verteilung der Raumtemperaturwiderstände dieser Verbindungen mit einer Verbindungsfläche von 130 nm × 130 nm. (c), (f) Räumliche Verteilung der Übergangswiderstände mit einer Übergangsfläche von 130 nm × 130 nm.

Um die Qualität und Zuverlässigkeit unseres SQUID weiter zu charakterisieren, haben wir Widerstandsschwankungsmessungen mit der Temperatur durchgeführt. Als die Temperatur von Raumtemperatur (300 K) auf 4 K gesenkt wurde, stiegen die SQUID-Widerstände um durchschnittlich 9,73 %, und es gab keine signifikante Änderung der Gleichmäßigkeit (siehe Abb. 4a). Mit steigender Temperatur kehrten die Widerstände in einem reversiblen Prozess nahezu auf ihre Ausgangswerte zurück. Die Endwerte zeigten einen durchschnittlichen Anstieg von 0,75 % im Vergleich zu den Widerständen vor dem Abkühlen. Abbildung 4b zeigt detaillierter die Widerstandsschwankung bei sinkender Temperatur. Der Widerstand stieg von Raumtemperatur schnell auf 170 K an, gefolgt von einem kleinen Anstieg von 170 auf 4 K. Frühere Studien haben gezeigt, dass der Widerstand des Josephson-Übergangs mit sinkender Temperatur zunimmt16,28,29, was auf den durch thermische Fluktuationen induzierten Tunneleffekt zurückzuführen sein sollte Leitung durch Hot Spots in der Barriereschicht28. Diese Hotspots sollten im Herstellungsprozess entstehen und zu einer Inhomogenität der Oxidschicht führen. Sie sollten auch durch die OH-Ionendiffusion30 und andere chemische Verschmutzungen31,32 in der Barriereschicht entstehen. Die Brüche und andere irreversible Verformungen, die aus der Spannung während der Temperaturabnahme resultieren, sollten ebenfalls zu einer Erhöhung des Verbindungswiderstands führen33. Allerdings ist die Variation des Widerstands mit der Temperatur in unserem SQUID nahezu reversibel, was mit der schwachen isolierenden Temperaturabhängigkeit übereinstimmt, die vom Simmons-Modell34 beschrieben wird. Dies bestätigt, dass die Barriereschicht in den durch unser optimales Verfahren hergestellten Verbindungen sehr gleichmäßig und stabil ist und keine Restadsorption organischer Stoffe aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass die temperaturabhängige Variation des Widerstands uns auch daran erinnert, dass eine Kompensation des Übergangswiderstands bei Raumtemperatur erforderlich sein sollte, um beim Entwurf der Quantenbauelemente auf Basis des Josephson-Übergangs einen genauen Ic zu erhalten16.

Die Änderung der SQUID-Widerstände als Reaktion auf den Abkühlungs- und Erwärmungsprozess. (a) Die SQUID-Widerstandsschwankung bei 4 K (schwarze Kurve) und Raumtemperatur (300 K) nach mehreren Abkühl- und Erwärmungszyklen (rote Kurve). R300k stellt den anfänglichen SQUID-Widerstand bei Raumtemperatur dar. R4k stellt den SQUID-Widerstand bei 4 K dar. Rre300k stellt den SQUID-Widerstand bei Raumtemperatur nach einem Abkühl- und Erwärmungszyklus dar. (b) Der zunehmende Prozess des SQUID-Widerstands, wenn die Temperatur von 300 K auf 4 K sinkt. Der Durchschnittswert von R300k für den SQUID beträgt 8,92 kΩ.

Die Gleichmäßigkeit und Stabilität dieser prozessoptimal hergestellten Verbindungen wird darüber hinaus durch die Alterungsmessung bestätigt. Berichte haben gezeigt, dass die Variation der Oxidschicht, des Restlacks und anderer chemischer Verunreinigungen zu einer Änderung der Verbindungsparameter führen kann35,36,37. Ein 15 mm × 15 mm großer Chip mit verschiedenen Anschlüssen wurde in einen Stickstoffschrank gelegt, um den Alterungsprozess supraleitender Qubits in einer gemeinsamen Speicherumgebung zu simulieren. Nach 100 Tagen wurde eine durchschnittliche Widerstandsschwankung von 1,16 % im Vergleich zu ihren Ausgangswerten beobachtet, wie in Abb. 5a dargestellt. Es gab keine signifikante Änderung in der Gleichmäßigkeit dieser Übergänge (siehe Abb. 5b).

Die Alterung der Al/AlOx/Al-Übergänge auf Saphirsubstrat. (a) Chipkarte der Übergangswiderstandsschwankung, die 100 Tage lang bei Raumtemperatur in einem Stickstoffschrank gelagert wurde. \(\Delta R=|\frac{{R}_{\mathrm{N}0}-{R}_{\mathrm{N }100\mathrm{Tage}}}{{R}_{\mathrm{ N}0}}|\), wobei \({R}_{\mathrm{N}0}\) und \({R}_{\mathrm{N }100\mathrm{Tage}}\) die darstellen Anfangswiderstände bzw. Widerstände nach 100 Tagen. (b) Gaußsche Verteilung der Anfangswiderstände (oben) und der Widerstände nach 100 Tagen (unten).

Motiviert durch die Herstellung supraleitender Quantenprozessoren mit Hunderten von Qubits wurde ein Prozess zur Herstellung von Al/AlOx/Al-Übergängen im Submikrometerbereich mit hoher Gleichmäßigkeit und Stabilität auf einem Saphirsubstrat mithilfe eines 50-kV-Elektronenstrahllithographieprozesses entwickelt. Diese Verbindungen mit Flächen im Bereich von 0,0169 bis 0,04 μm2 zeigten \({\upsigma }_{{R}_{\mathrm{N}}}/<{R}_{\mathrm{N}}>\)-Werte besser als 1,7 % auf einem 15 mm × 15 mm großen Chip und besser als 2,66 % auf einem 2-Zoll-Wafer. Um dies zu erreichen, wurde eine 20 nm dicke Al-Schicht als leitfähige Schicht verwendet, um den Aufladungseffekt während der Elektronenstrahllithographie zu reduzieren. Vor der Entwicklung wurde die Hauptleiterschicht aus Al mit einer TMAH-Verdünnung entfernt, ohne den Fotolack anzugreifen, und der Rest wurde mit entionisiertem Wasser entfernt. Anschließend wurden die endgültigen Muster definiert, was zu scharfen Fotolackmustern führte. Anschließend wurden der Veraschungsprozess zur Entfernung organischer Rückstände und die Al-Verdampfungsraten im Zusammenhang mit der Rauheit der unteren Elektrode optimiert. Die nach diesem Verfahren hergestellten Verbindungen zeigten auch eine gute Stabilität. Ihre Widerstände stiegen in einem festen Verhältnis von 9,73 %, wenn die Temperatur von Raumtemperatur auf 4 K sank, und kehrten in einem reversiblen Prozess nahezu auf ihre Ausgangswerte zurück, als die Temperatur wieder anstieg. Dieses Verhalten steht im Einklang mit dem Simmon-Modell und weist darauf hin, dass die Barriereschicht dieser Verbindungen stabil und gleichmäßig ist. Über drei Monate Lagerung in einem Stickstoffschrank zeigten diese Verbindungen eine durchschnittliche Widerstandsänderung von 1,16 %. Unser optimierter Prozess zur Herstellung von Josephson-Kontakten mit hoher Gleichmäßigkeit und Stabilität ebnet den Weg für die Herstellung supraleitender Quantenchips in großem Maßstab auf einem Saphirsubstrat.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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KL X dankt der Youth Innovation Promotion Association der Chinese Academy of Sciences (2019319) für seine Unterstützung. JGF dankt der Start-up-Stiftung des Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, CAS, Suzhou (Y9AAD110) für die Unterstützung.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Yuzhen Zheng und Shuming Li.

School of Nano-Tech and Nano-Bionics, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, Volksrepublik China

Yuzhen Zheng & Hui Yang

Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Suzhou, 215123, Volksrepublik China

Yuzhen Zheng, Kanglin Xiong, Jiagui Feng und Hui Yang

Gusu Laboratory of Materials, Suzhou, 215123, Volksrepublik China

Shuming Li, Zengqian Ding, Kanglin Xiong, Jiagui Feng und Hui Yang

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YZ: Untersuchung, Datenanalyse, Schreiben – Originalentwurf. SL: Untersuchung, Datenanalyse, Schreiben – Originalentwurf. ZD: Untersuchung, Datenanalyse. KX: Projektverwaltung, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. JF: Projektverwaltung, Konzeptualisierung, Supervision, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung. HY: Aufsicht.

Korrespondenz mit Kanglin Xiong, Jiagui Feng oder Hui Yang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zheng, Y., Li, S., Ding, Z. et al. Herstellung von Al/AlOx/Al-Übergängen mit hoher Gleichmäßigkeit und Stabilität auf Saphirsubstraten. Sci Rep 13, 11874 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39052-2

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Eingegangen: 11. Mai 2023

Angenommen: 19. Juli 2023

Veröffentlicht: 22. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39052-2

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