高質(zhì)量超導(dǎo)薄膜生長及量子器件制備

1、高質(zhì)量超導(dǎo)薄膜生長及量子器件制備自1911年Onne極現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來,人們對于超導(dǎo)電現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的探索從未停止。近年來隨著低溫技術(shù)的蓬勃發(fā)展,超導(dǎo)技術(shù)的實際應(yīng)用成為了可能。在這些應(yīng)用中,超導(dǎo)量子器件作為實現(xiàn)量子計算的有力競爭者受到了越來越多的關(guān)注。這其中,高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜和器件的制備是決定量子比特性能的關(guān)鍵一步。本論文對高質(zhì)量超導(dǎo)薄膜的生長,超導(dǎo)量子器件的制備及性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)論主要有以下幾個方面:通過優(yōu)化本底真空,濺射氣壓,濺射時Ar和N2比例，濺射功率等生長參數(shù),我們獲得了一系列不同厚度的高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜。300nm厚的NbTiNlMTc達(dá)至U15.5K,表面粗糙度0.2nm,

2、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度0.03K。極低的表面粗糙度和極窄的轉(zhuǎn)變寬度表明薄膜良好的均勻性，為超導(dǎo)隧道結(jié)等量子器件的制備提供了很好的基礎(chǔ)。室溫濺射生長在高阻Si襯底上的5nm超薄NbTiN膜,Tc達(dá)至U7.63K,為單光子探測等器件的制備奠定良好的基礎(chǔ)。為了研究薄膜的熱穩(wěn)定性,提高薄膜的超導(dǎo)特性，我們分別在純氮氣氛圍和氮氫混合氣體氛圍下對NbTiN薄膜進(jìn)行快速熱退火處理。實驗表明,在兩種氣體下進(jìn)行快速熱退火處理可以提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。在氮氫混合氣體中熱退火處理效果更好。在85%N2/sub和15%H2/sub混合氣體中，經(jīng)過450?？焖贌嵬嘶?0min的10nm厚的NbTiN薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度從9.6K增加到

3、10.3K。利用激光直寫,電感耦合等離子體刻蝕等技術(shù),制備了高品質(zhì)因子的超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振腔器件。通過比較不同襯底處理工藝,改變顯影曝光參數(shù),以及比較不同襯底刻蝕深度等制備參數(shù),研究了影響超導(dǎo)諧振腔本征品質(zhì)因子的主要原因。實驗發(fā)現(xiàn),襯底與薄膜界面存在的二能級系統(tǒng)對諧振腔的品質(zhì)因子的影響巨大。在沉積薄膜前對Si襯底的表面進(jìn)行鈍化,去氣處理將極大提高薄膜的品質(zhì)因子。目前經(jīng)過襯底表面處理以及襯底深度刻蝕等技術(shù)，我們制備的超導(dǎo)Nb膜共面波導(dǎo)諧振腔本征品質(zhì)因子，在20mK,近單光子水平下可以達(dá)到100萬，最高達(dá)到150萬量級。超導(dǎo)NbTiN薄膜共面波導(dǎo)諧振腔品質(zhì)因子可以達(dá)到30萬量級,對其性能的提高還在進(jìn)

4、一步的研究當(dāng)中。應(yīng)用磁控濺射的超導(dǎo)Nb膜在Si襯底上制備了結(jié)陣型約瑟夫森參量放大器,探索了在Si襯底上制備約瑟夫森器件的工藝流程及注意事項。應(yīng)用Nb膜在Si襯底上制備超導(dǎo)量子比特,相比于Al膜在藍(lán)寶石襯底上制備器件,由于無需單獨制備一層金薄膜作為套刻定位,簡化了量子比特的制備工藝。結(jié)陣型約瑟夫森參量放大器通過叉指電容替代平板電容，通過幾個SQUID的串聯(lián)獲得大的電感,從而實現(xiàn)參量放大,簡化了參量放大器的制備工藝。目前Si襯底上SQUIDB聯(lián)結(jié)的制備工藝基本成熟，對其性能進(jìn)行了初步測試。應(yīng)用濕法刻蝕技術(shù)嘗試制備一種平面約瑟夫森隧道結(jié)。首先在襯底上生長一定厚度的InGaZnO無定形絕緣薄膜,通過微加工技術(shù)和濕法刻蝕方法,刻蝕獲得內(nèi)凹的臺階,在臺階兩側(cè)鍍超導(dǎo)薄膜,通過控制臺階高度薄膜厚度,內(nèi)凹深度等方法在臺階處獲得納米量級的縫隙,可以在縫隙內(nèi)填入待研究的納米顆粒等對其隧穿性質(zhì)進(jìn)行研究。高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜和量子器件是實現(xiàn)量子計算的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。本論文深入研究了影響薄膜質(zhì)量和器件性能的各個參數(shù),探討影響器