Supraleitende Quantenschaltungen (II): Herstellung in Dünnschichttechnik R. Dolata Physikalisch-Technische Bundesanstalt Bundesallee 100 38116 Braunschweig 3. Braunschweiger SUPRALEITER Seminar 26.05.2008
Gliederung: - Anforderungen (Josephson-Kontakte) - Schattenbedampfung für Aluminium (und Niob) - Sub-µm Nb/AlO x /Nb-Trilayer Josephson-Kontakte - Beispiele von Qubit-Schaltungen - Neue Entwicklungen: Verlustarme Dielektrika
Anforderungen: - lange Kohärenzzeit geringe Dissipation - SIS Josephson-Kontakte hoher Qualität (geringer Subgap Leckstrom) - Verlustarme Dielektrika - Sub-µm Abmessungen der Josephson-Kontakte - Einfacher Herstellungsprozess mit guter Ausbeute
Elektronenstrahllithographie High tension unit E-gun Magnification/Focus Lense Beamblanker Pattern-Generator D/A-Converter Deflection system Detector (SEM) Laser Interferometer Table control Computersystem Designdata Load lock Table Vacuum-System Vibration damping Lense SE/BSE- Detector EBPG 5000+ (Vistec) Energy: 20, 50 or 100 kv Resolution: 10 nm
Schrägbedampfungstechnik PMMA Germanium PMMA-MAA Dreilagiges Lacksystem Schrägbedampfung von "rechts" Belichtung und Entwicklung des PMMA als Ätzmaske für das Germanium Erzeugung der Tunnelbarriere durch thermische Oxidation Trockenätzen des Germaniums Schrägbedampfung von "links" Strukturierung der unteren Lackschicht durch Trockenätzen (O -Plasma) 2 Struktur nach dem Lift-Off
Schrägbedampfungstechnik + einfache Technik für Aluminium + sub-100 nm Abmessungen der Josephson-Kontakte machbar + geringe parasitäre Kapazität - Einschränkungen im Layout - parasitäre Schatten - schwierig für Niob Al-Transistor
Motivation: Warum Niob? - Test der Quantenschaltung bei 4,2 K möglich (T C Nb 9,2 K) - Große Energielücke ( Nb 1,5 mev) und entsprechend größeres E J ist für einige Quantenschaltungen von Vorteil - Niob ist robuster als Aluminium Herausforderung: Sub-µm Josephson-Kontakte hoher Qualität
Niob Schrägbedampfung T c / K 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Hoss et al. this work [PMMA] [PMMA] T C in Abhängigkeit der Linienbreite aufgedampfter Nb-Schichten, strukturiert durch Lift-Off (d = 50 nm) 0 100 1000 w / nm Degradation der Nb-Eigenschaften durch Ausgasen organischer Materialien
Niob Schrägbedampfung T c / K 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 100 1000 w / nm Hoss et al. [PMMA] Dubos et al. [PES] this work [PMMA] this work [PES] T C in Abhängigkeit der Linienbreite aufgedampfter Nb-Schichten, strukturiert durch Lift-Off (d = 50 nm) PES = Polyethersulfone Degradation der Nb-Eigenschaften durch Ausgasen organischer Materialien
Niob Schrägbedampfung Ge (1. Nb) (2. Al) (3. Nb) AlO x Al Nb PES Da Nioboxid keine gute Tunnelbarriere bildet, wird eine Al-Hilfsschicht benötigt (Drei-Winkel Bedampfung)
Niob Schrägbedampfung PES/Ge Maske Transistor mit Nb/Al-AlO x /Nb Kontakten Mechanische Spannungen in den Nb-Schichten verbiegen die Ge-Maske
Niob Schrägbedampfung Transistoren mit Nb/Al-AlO x /Nb Kontakten I / na I / na 600 400 200 0-200 -400-600 di/du / kω -1 10-1 10-2 10-3 10-4 T = 25 mk B = 0 T Tr-4 Tr-5 Tr-4 Tr-5 R n 24 kω -15-10 -5 0 5 10 15 U / mv 69 kω U / mv 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-30 -20-10 0 10 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 Vg / mv 20 30-2 -1-2,0-30 -20-10 0 10 20 30 V g / mv 0 1 U / mv eff erreicht 1 mev e-periodische Gatemodulation Nb-Qualität und Reproduzierbarkeit bleiben unbefriedigend
Trilayertechnik für Niob + bewährte Technik für Niob (z. B. Spannungsnormal) + geringe Kontamination (keine organischen Materialien) - sub-µm Abmessungen der Josephson-Kontakte erfordern ausgefeilte Prozessierung (Ätzen, Planarisieren) - mehrere Lithographieschritte erforderlich
Nb-Trilayer Josephson Kontakte Al/AlO x Nb Substrat Deposition des Nb/Al-AlO x /Nb Trilayers auf dem ganzen Wafer durch Sputtern. Oxidation der Al-Schicht in separater Kammer (keine Kontamination der Niobschichten durch Sauerstoff).
Nb-Trilayer Josephson Kontakte Al PMMA SiO 2 Al/AlO x Nb Substrat 1. Deposition des Nb/Al-AlO x /Nb Trilayers mit einer dünnen SiO 2 -Deckschicht. Erste Elektronenstrahllithographie und Deposition einer Al-Schicht.
Nb-Trilayer Josephson Kontakte 2. Al Lift-Off zur Erzeugung einer harten Ätzmaske für die Definition der Josephson-Kontakte.
Nb-Trilayer Josephson Kontakte 3. Reaktives Ionenätzen (RIE) der SiO 2 - und der oberen Nb-Schicht. Ar Ionenätzen der Al-Schichten.
Nb-Trilayer Josephson Kontakte Nb 2 O 5 4. Anodische Oxidation der Nioboberfläche.
Nb-Trilayer Josephson Kontakte Negativlack 5. Zweite Elektronenstrahllithographie mit Negativlack und reaktives Ionenätzen der unteren Nb-Schicht. Lackentfernung.
Nb-Trilayer Josephson Kontakte 6. SiO 2 Abscheidung durch PECVD.
Nb-Trilayer Josephson Kontakte 7. CMP Planarisierung.
Nb-Trilayer Josephson Kontakte 8. Deposition der Nb-Verdrahtung, dritte Elektronenstrahllithographie mit PMMA und Al-Ätzmaske, reaktives Ionenätzen der Nb-Verdrahtung.
REM Aufnahme eines Nb-Transistors Island Josephson-junction Drain Source Gate [ R. Dolata et al., J. Appl. Phys. 97, 054501 (2005) ]
DC-Charakterisierung von Nb-Transistoren I-U Kurven der Nb-Transistoren I / na 300 200 100 0 B = 0 T T = 25 mk -100 T1: 70 nm 70 nm T2: 105 nm 105 nm -200 T3: 120 nm 120 nm T4: 160 nm 160 nm -300-15 -10-5 0 5 10 15 U / mv T4 T3 T2 T1 1,4 mev Kleine Leckströme
DC-Charakterisierung von Nb-Transistoren I-U Kurven der Nb-Transistoren Kapazität der Josephson-Kontakte I / na 300 200 100 0 B = 0 T T = 25 mk -100 T1: 70 nm 70 nm T2: 105 nm 105 nm -200 T3: 120 nm 120 nm T4: 160 nm 160 nm -300-15 -10-5 0 5 10 15 U / mv T4 T3 T2 T1 C J / f F 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 T1 Transistor (Thermometrie) Transistor (Offset) Seriensch. (Thermometrie) 50T2 T2 T3 T4 50T4 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 A exp / µm 2 1,4 mev Kleine Leckströme C J = C A A + C 0 mit C A = 60 ff/µm 2 (Fläche) und C 0 = 0,4 ff (parasitäre Kapazität)
Quantenschaltungen in Nb-Technologie Nb-Resonanzkreis 1 mm Nb Ladungs-Phasen Qubit (Gradiometer-Design) Integrierte Qubit-Struktur mit Nb-Resonanzkreis und Nb-Transistor
Nb-Resonanzkreis Al 1 mm Ladungs-Phasen Qubit (Gradiometer-Design) 0,5 µm Al-Schichtdicke Insel: 30 nm Zuleitungen: 50 nm Kontaktfläche: 75 nm x 90 nm E J = 90 µev E C = 130 µev Al = 210 µev Nb-Schwingkreis kombiniert mit Al-Transistor in Schrägbedampfungstechnik
Quantenschaltungen in Nb-Technologie Phasen Qubit in SQUID-Konfiguration (Kooperation mit dem CNRS in Grenoble) Current-biased dc-squid I B µwave pulse Josephson camel potential 1 0 escape I B = 140 na dc Squid mit Nb/AlO x /Nb Josephson- Kontakten E ϕ I B = 20 na Rabi-Oszillationen für verschiedene Arbeitspunkte
Quantenschaltungen in Nb-Technologie Phasen Qubit (Kooperation mit der Universität Erlangen) Current-biased Josephson junction 100 µm Josephson wash-board energy potential µwave pulse ϕ 1 0 escape measurement Phasen-Qubit mit sub-µm Nb/AlO x /Nb Josephson-Kontakt und Parallelkapazität
Dielektrische Verluste in Qubits Rabi-Oszillationen von Phasen-Qubits T = 25 mk Martinis et al. PRL, 2005 Verluste durch resonante Absorption von Zwei-Niveau- Defekten im Dielektrikum Korrelation zwischen dielektrischen Verlusten und der Kohärenzzeit SiN: T 1 ~500 ns (30 ns für SiO 2 ) PTB: erste Proben mit Si 3 N 4 -Isolation wurden hergestellt
Die Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Makroskopische Quantenobjekte im Fachbereich Quantenelektronik Diese Arbeiten wurden zum Teil von der Europäischen Union im Rahmen des FP6 durch das Projekt EuroSquip und von der DFG unterstützt.