CN112133720B - 一种多维多功能超导超晶格大规模集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型多维多功能超导超晶格大规模集成电路，属于集成电路技术领域。所述大规模集成电路包括衬底、过渡层和超导超晶格大规模集成电路层；所述过渡层设置于所述衬底与所述超导超晶格大规模集成电路层之间。所述衬底采用硅晶圆或化合物半导体晶圆制成。

Description

一种多维多功能超导超晶格大规模集成电路

技术领域

本发明提出一种多维多功能超导超晶格大规模集成电路，属于集成电路技术领域。

背景技术

高速发展的大数据，人工智能以及全方位数据化智能化市场急需高性能、高可靠并具有可接受成本的新型大规模集成电路，特别是在高速信息处理，量子计算及量子通讯领域，现有的量子器件面临居多挑战，如器件性能的稳定性，可测试性，集成度与高成本等等。更重要的是以硅为基础的硅基大规模集成电路元器件已经越来越难以满足人工智能及太空时代对超高速，高可靠及抗辐射等特殊性能要求。

发明内容

本发明提供了一种新型多维多功能超导超晶格大规模集成电路，用以解决现有器件的集成电路存在稳定性差、可测试性差、集成度低以及成本较高的问题：

一种新型多维多功能超导超晶格大规模集成电路，所述大规模集成电路包括衬底、过渡层和超导超晶格大规模集成电路层；所述过渡层设置于所述衬底与所述超导超晶格大规模集成电路层之间。

进一步地，所述衬底采用硅晶圆或化合物半导体晶圆制成。

进一步地，所述硅晶圆的尺寸为150cm、200cm或300cm；所述化合物半导体晶圆尺寸为150cm或200cm。

进一步地，所述过渡层采用二氧化硅、碳化硅，化合物半导体或绝缘体层制成。

进一步地，所述超导超晶格大规模集成电路层包括量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块；所述量子信号接收与发射模块分别与所述量子计算与量子信息处理模块和量子信息传输与控制模块进行电连接；所述量子计算与量子信息处理模块分别与量子信息存储模块和功率模块进行电连接；所述量子信息存储模块与所述辅助功能模块进行电连接；所述功率模块分别与所述量子信息传输与控制模块和辅助功能模块进行电连接。

进一步地，在所述量子信号接收与发射模块和量子计算与量子信息处理模块之间，量子计算与量子信息处理模块和量子信息存储模块之间，以及，量子信号接收与发射模块和量子信息传输与控制模块之间均设有光波导与微波波导，所述光波导与微波波导用于模块之间的光电信息传递或转换。

进一步地，所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块之间设有金属隔离层和介电隔离层。

进一步地，所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块中均包括量子器件和超晶格器件。

进一步地，所述量子器件采用超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常闭器件和超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常开器件。

进一步地，所述量子器件采用超导掺杂n-i-p-i超晶格量子器件和超导掺杂n-i-p-i超晶格场效应量子器件。

进一步地，所述超晶格场效应量子器件的存储状态由超导区电压Vss、超晶格P-N区电压Vpn、栅极电压、超晶格N区电压Vnn和超晶格P区电压Vpp进行调制。

进一步地，所述超晶格场效应量子器件的量子状态由超导区电压Vss、超晶格P-N区电压Vpn、栅极电压Vg、超晶格N区电压Vnn、超晶格P区电压Vpp以及光电信号进行调制。

进一步地，所述超晶格场效应量子器件的开关状态可由超导区电压Vss、超晶格P-N区电压Vpn，、栅极电压Vg和超晶格P-N区电压Vpn，进行控制。

进一步地，所述超晶格场效应量子器件的读写方式包括：

读写方式一：电子写入，电子读出；

读写方式二：光电子写入，电子读出；

读写方式三：电子写入，光电子读出；

读写方式四：.光电子写入，光电子读出。

进一步地，所述量子器件和超晶格器件采用高温超导材料制成。

进一步地，所述量子器件与超晶格器件之间、量子器件与量子器件之间以及超晶格器件与超晶格器件之间设有金属隔离层和介电隔离层。

进一步地，所述介电隔离层的形成过程包括：

步骤1、在所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块之间设置介电隔离层区域；所述介电隔离层区域分割为多个介电隔离层子区域；

步骤2、将所述介电隔离层区域通入离子刻蚀加强气体，使所述介电隔离层区域形成清洁的沟道；所述离子刻蚀加强气体通入的速率为：

其中，V₁表示介电隔离层区域进行离子刻蚀时离子刻蚀加强气体通入的速率；α表示所述介电隔离层区域进行离子刻蚀时的速率调整系数；W_i表示所述介电隔离层区域内第i个介电隔离层子区域的刻蚀产额；L_i表示相同离子刻蚀加强气体的入射角度下，同种离子对第i个介电隔离层子区域的刻蚀速率；ρ表示被刻蚀材料的原子密度；n表示所述介电隔离层子区域的个数；s₁表示介电隔离层的层数；θ_i表示第i个介电隔离层子区域的离子刻蚀加强气体入射角度；θ_max表示所述离子刻蚀加强气体的最大入射角度；θ_min表示所述离子刻蚀加强气体的最小入射角度；

步骤3、利用等离子溅射方法使绝缘材料在所述沟道表面形成膜层结构；

步骤4、对所述膜层结构进行化学机械抛光后，形成介电隔离层。

进一步地，所述金属隔离层的形成过程包括：

第一步、在所述量子器件与超晶格器件之间、量子器件与量子器件之间以及超晶格器件与超晶格器件之间设置金属隔离层区域；所述金属隔离层区域分割为多个金属隔离层子区域；

第二步、将所述金属隔离层区域通入离子刻蚀加强气体，使所述金属隔离层区域形成清洁的沟道；所述离子刻蚀加强气体通入的速率为：

其中，V₂表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时离子刻蚀加强气体通入的速率；β表示所述金属隔离层区域进行离子刻蚀时的速率调整系数；W_j表示所述金属隔离层区域内第j个金属隔离层子区域的刻蚀产额；L_j表示相同离子刻蚀加强气体的入射角度下，同种离子对第i个金属隔离层子区域的刻蚀速率；ρ表示被刻蚀材料的原子密度；m表示所述金属隔离层子区域的个数；s₂表示金属隔离层的层数；λ_j表示第j个金属隔离层子区域的离子刻蚀加强气体入射角度；λ_max表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时所述离子刻蚀加强气体的最大入射角度；λ_min表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时所述离子刻蚀加强气体的最小入射角度；

第三步、利用等离子溅射方法或化学气相沉淀方法将氮化金属，氮硅化金属，硅化金属或钨化金属所形成的一层或多层金属阻挡层，如氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)，氮化硅钽(Ta-Si-N)，氮化钨(W2N，WN，WNx)，硅化钛(TiSi2)，钨化钛(TiW)，等，或其它种类的金属阻挡层沉积在所述沟道表面；

第四步、利用电化学方法使金属材料沉积在所述沟道内和表面；

第五步、利用金属化学机械抛光方法去除沟道表面多余的金属。

本发明有益效果：

1、多功能：新型多维多功能超导超晶格大规模量子集成电路(MDMFSCSL-LSQI:Multi-DimensionMulti-FunctionalSuperconductorSuperlatticeLargeScaleQuantumIntegratedCircuit)是以超导库珀电子对以及二维电子气与二维空穴气超晶格与量子阱为基础，以多种量子器件及超晶格器件组合层多模块多功能大规模集成电路，包括量子计算，量子存储，量子信息传输等功能，将能满足信息化社会超高速量子通讯，量子计算，人工智能，自动驾驶，智能医疗等高新技术领域的需求。

2.高性能：可以利用各种新型超导超晶格量子器件，如场效应量子器件，量子比特器件，场效应量子阱器件，场效应量子存储器件，量子开关器件等，并结合采用各种新型两维电子及空穴气场效应晶体管，模拟晶体管(垂直型与平面型)以及特殊功能器件，如：超晶格闪存存储器，超晶格电容与变容器，超晶格电阻与变阻器与超晶格电感与变感器，设计制造高性能多功能的量子信息处理集成电路。这一新型集成电路的量子计算，量子存储以及量子信息传输等都将在速度，可测试度，稳定度，集成度等各方面比相应的分离器件有数量级的提高。

3.高可靠：由于此新型集成电路采用新型超导超晶格器件结构并充分利用同质与异质超晶格两维电子及空穴气的特殊性能，其抗干扰与抗辐射性能大大的优于现有的量子器件。特殊设计的金属与介质沟道隔离结构有效的避免了量子信号与射频信号的相互干扰，进一步增强了MDMFSCSL-LSQI集成电路的可靠性。

4.设计灵活性：利用超导超晶格量子器件与超晶格二维电子气与二维空穴气的特殊性能及特殊器件，根据实际应用的需要选择不同特性的超导超晶格量子器件以及超晶格二维载流子器件，并可以根据性能与成本决定低温与高温超导材料的选择。

5.工艺简化，生产周期短，成本合理：由于利用了超导超晶格器件以及超晶格二维电子气与二维空穴气的特殊性能来设计所需的集成电路元器件，工艺步骤可大大简化，如光刻模板数及相应工艺步骤可减少自少百分之三十，以至生产周期与成本都可大幅度优化。

附图说明

图1为本发明所述集成电路的结构示意图；

图2为本发明所述集成电路的功能模块示意图；

图3为本发明的掺杂超导p-i-n-i超晶格量子器件(常闭)剖面示意图；

图4为本发明的掺杂超导p-i-n-i超晶格量子器件(常闭)俯瞰示意图；

图5为本发明的超导异质结量子阱超晶格量子器件剖面示意图；

图6为本发明的典型的掺杂超导p-i-n-i异质超晶格量子器件(常闭)剖面示意图；

图7为本发明的掺杂超导p-i-n-i超晶格量子器件(常开)剖面示意图；

图8为本发明的掺杂超导p-i-n-i超晶格量子器件(常开)俯瞰示意图；

图9为本发明的掺杂超导n-i-p-i超晶格量子器件(常闭)剖面示意图；

图10为本发明的掺杂超导n-i-p-i超晶格量子器件俯瞰示意图；

图11为本发明的超导n-i-p-i超晶格场效应量子器件剖面示意图；

图12为本发明的超导n-i-p-i超晶格场效应量子器件俯瞰示意图；

图13为本发明的超导超晶格n-i-p-i场效应量子器件的等效电路图；

图14为本发明的光调制信号与量子信息传输示意图；

图15为本发明的多维多功能超导超晶格大规模量子集成电路的集成电路功能模块隔离层剖面示意图；

图16为本发明的多维多功能超导超晶格大规模量子集成电路的集成电路功能模块俯瞰示意图；

图17为多维多功能超导超晶格大规模量子集成电路功能模块与光波导及微波波导通道俯瞰示意图；

图18为多维多功能超导超晶格大规模集成电路集成电路功能模块隔离槽剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提出了一种新型多维多功能超导超晶格大规模集成电路，如图1所示，所述大规模集成电路包括衬底、过渡层和超导超晶格大规模集成电路层；所述过渡层设置于所述衬底与所述超导超晶格大规模集成电路层之间。

其中，所述衬底采用硅晶圆或化合物半导体晶圆制成。所述化合物半导体晶圆包括氮化镓(GaN)，砷化镓(GaAs)或碳化硅(SiC)等材料。

所述硅晶圆的尺寸为150cm、200cm或300cm；所述化合物半导体晶圆尺寸为150cm或200cm。

所述过渡层采用二氧化硅、碳化硅或化合物半导体层制成。所述化合物半导体层由氮化铝(AIN)，氮化镓(GaN)，砷化镓(GaAs)或碳化硅(SiC)等材料制成。

上述技术方案的工作原理为：所述新型多维多功能超导超晶格大规模集成电路整体包括三个部分，分别为衬底、过渡层和超导超晶格大规模集成电路层；其中，所述过渡层设置于所述衬底与所述超导超晶格大规模集成电路层之间；所述超导超晶格大规模集成电路层设有各电路功能模块。其电路功能模块是以超导库珀电子对以及二维电子气与二维空穴气超晶格与量子阱为基础，以多种量子器件及超晶格器件组合层多模块多功能大规模集成电路，包括量子计算，量子存储，量子信息传输等功能。

上述技术方案的效果为：新型多维多功能超导超晶格大规模量子集成电路能满足信息化社会超高速量子通讯，量子计算，人工智能，自动驾驶，智能医疗等高新技术领域的需求。同时，这一新型集成电路的量子计算，量子存储以及量子信息传输等都将在速度，可测试度，稳定度，集成度等各方面比相应的分离器件有数量级的提高。同时，利用超导超晶格量子器件与超晶格二维电子气与二维空穴气的特殊性能及特殊器件，根据实际应用的需要选择不同特性的超导超晶格量子器件以及超晶格二维载流子器件，并可以根据性能与成本决定低温与高温超导材料的选择。同时，由于利用了超导超晶格器件以及超晶格二维电子气与二维空穴气的特殊性能来设计所需的集成电路元器件，工艺步骤可大大简化，如光刻模板数及相应工艺步骤可减少自少百分之三十，以至生产周期与成本都可大幅度优化。

本发明的一个实施例，如图2所示，所述超导超晶格大规模集成电路层包括量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块；所述量子信号接收与发射模块分别与所述量子计算与量子信息处理模块和量子信息传输与控制模块进行电连接；所述量子计算与量子信息处理模块分别与量子信息存储模块和功率模块进行电连接；所述量子信息存储模块与所述辅助功能模块进行电连接；所述功率模块分别与所述量子信息传输与控制模块和辅助功能模块进行电连接。其中，所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块中均包括量子器件和/或超晶格器件。其中，所述量子器件包括场效应量子器件，量子比特器件，场效应量子阱器件，场效应量子存储器件，量子开关器件等，所述超晶格器件包括各种新型两维电子及空穴气场效应晶体管，模拟晶体管(垂直型与平面型)以及特殊功能器件，如：超晶格闪存存储器，超晶格电容与变容器，超晶格电阻与变阻器与超晶格电感与变感器。

其中，所述量子器件采用超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常闭器件和超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常开器件。

和/或，所述量子器件采用超导掺杂n-i-p-i超晶格量子器件和超导掺杂n-i-p-i超晶格场效应量子器件。

所述超晶格场效应量子器件的存储状态由超导区电压Vss、超晶格P-N区电压Vpn、栅极电压、超晶格P-N区电压Vpn、超晶格N区电压Vnn和超晶格P区电压Vpp进行调制。

所述超晶格场效应量子器件的量子状态由超导区电压Vss、超晶格P-N区电压Vpn、栅极电压Vg、超晶格P-N区电压Vpn、超晶格N区电压Vnn、超晶格P区电压Vpp以及光电信号进行调制。

所述超晶格场效应量子器件的开关状态可由超导区电压Vss、超晶格P-N区电压Vpn，、栅极电压Vg和超晶格P-N区电压Vpn，进行控制。

所述超晶格场效应量子器件的读写方式包括：

读写方式一：电子写入，电子读出；

读写方式二：光电子写入，电子读出；

读写方式三：电子写入，光电子读出；

读写方式四：.光电子写入，光电子读出。

所述量子器件和超晶格器件采用高温超导材料制成。

上述技术方案的工作原理：本实施例提出的集成电路的电路层包括量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块中均包括量子器件和/或超晶格器件。其中，所述量子器件包括场效应量子器件，量子比特器件，场效应量子阱器件，场效应量子存储器件，量子开关器件等，所述超晶格器件包括各种新型两维电子及空穴气场效应晶体管，模拟晶体管(垂直型与平面型)以及特殊功能器件，如：超晶格闪存存储器，超晶格电容与变容器，超晶格电阻与变阻器与超晶格电感与变感器。其中，各器件的工作原理如下：

所述量子开关器件分为超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常闭器件和超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常开器件，结合图3至图6所示，所述超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常闭器件的构成及原理如下：

所述超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常闭器件：

掺杂P通道p-i-n-i超导超晶格量子常闭器件由掺杂超晶格本征层，掺杂超晶格N型层，超晶格本征层，掺杂超晶格P型层，超导材料层，P+导电层，N+导电层等组成。为达到量子集成电路的性能要求，可设计更多层的重复结构，如p-i-n-i-p-i-n-i-p-i-n-i……，不仅可采用同质超晶格层，如硅，氮化镓(GaN)，砷化镓(GaAs)，也可采用异质超晶格层，如氮砷化镓Ga(x)As(1-x)N，氮铝化镓Ga(x)Al(1-x)N等，利用不同禁带宽度以及不同的载流子浓度在超导材料层之间形成特殊载流子通道，如二维电子气，二维空穴气，二维及一维量子阱等，以提升器件性能。用低能离子注入技术分别形成N+导电层与P+导电层，欧姆电极用等离子体溅射技术形成，但等离子体溅射材料将依据超晶格半导体层的材料而定，如对氮化镓材料，一般可用钛铝合金等。栅极绝缘层可用氮化硅等。器件之间需要用绝缘层隔离。隔离层可用特殊沟道离子刻蚀工艺并加上绝缘材料离子溅射而后化学机械抛光形成。

高温超导材料可采用铱钡铜氧(YBa(x)Cu(y)O(z))薄膜。薄膜生长可利用金属氧化物化学气相淀积(MOCVD)，原子层外延(ALD)，分子束外延(MBE)或激光溅射(LA)技术等。由于超导材料层与超晶格材料层之间晶格匹配的程度会直接影响到高温超导层的超导转变温度等主要器件参数，可通过在超导材料层与超晶格材料层之间加入一层或多层晶格匹配层以实现最佳晶格匹配。例如，对于铱钡铜氧(YBa(x)Cu(y)O(z))薄膜，可用掺杂钛酸锶(SrTiO3)，如掺钕钛酸锶(Nd：SrTiO3)，可以达到晶格常数与热膨胀系数等参数的较好匹配。

超导材料层的生长分为两部分：

A超低温超导材料

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的超导金属材料，如铝(Al)，钛(Ti)，铌(Nb)等等。

B高温超导材料

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的高温超导材料，如铱

钡铜氧(YBa(x)Cu(y)O(z))等。由于使用超低温(如液氦)超导材料的系统成本很高，本发明的器件设计将主要使用高温超导材料。

掺杂超导p-i-n-i超晶格量子常闭器件隧道电流Ic的大小交流信号位相分量不仅与顶层超导材料薄膜层与底层超导材料薄膜层之间的直流与交流电压Vss(dc)和Vss(ac)有关，而且也将被超晶格P型与N型层之间的等效电阻R与等效电容C所调制(被超晶格P型与N型层材料的能带结构，厚度，载流子浓度等以及外加直流与交流信号电压Vpn(dc)和Vpn(ac)所调制)。

通过控制超晶格P型与N型层的参数，如材料(能带结构等)，厚度，载流子浓度，层数等等，隧道电流Ic的大小交流信号位相分量可以被精准调控。如用作量子比特器件，则有更多更稳定的量子态可供选择。

另外，掺杂超导p-i-n-i超晶格量子器件不仅仅可设计更多层的重复结构，如p-i-n-i-p-i-n-i-p-i-n-i……，即不仅可采用同质超晶格层，如硅，氮化镓(GaN)，砷化镓(GaAs)，也可采用异质超晶格层，如氮砷化镓Ga(x)As(1-x)N，氮铝化镓Ga(x)Al(1-x)N，利用不同禁带宽度形成特殊量子阱以提升器件性能。但是超晶格层的总厚度将被超导隧道结的隧道电流所制约。

利用超晶格异质结构设计的超导异质结量子阱超晶格量子器件可以形成多个高稳定抗干扰的量子态，例如用氮化铝(AlN)/氮化镓(GAN)/氮化铝(AlN)制成的超晶格异质结构可在超导材料层之间形成量子阱，而量子阱中的载流子浓度及能量状态可被异质结两端的电压所调制。特别是当超导约瑟夫森结开启，有隧道电流流过时，组成隧道电流的库珀电子对的载流子浓度及能量状态将会被量子阱中的载流子浓度及能量状态所调制从而产生不同的量子比特状态。

结合图7至图8所示，所述超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常开器件的构成及原理如下：

超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常开器件是超导超晶格量子器件的另一种结构与工作模式。

掺杂P通道p-i-n-i超导超晶格量子常开器件由掺杂超晶格本征层，掺杂超晶格N型层，超晶格本征层，掺杂超晶格P型层，超导材料层，P+导电层，N+导电层等组成。为达到量子集成电路的性能要求，可设计更多层的重复结构，如p-i-n-i-p-i-n-i-p-i-n-i……，不仅可采用同质超晶格层，如硅，氮化镓(GaN)，砷化镓(GaAs)，也可采用异质超晶格层，如氮砷化镓Ga(x)As(1-x)N，氮铝化镓Ga(x)Al(1-x)N等，利用不同禁带宽度以及不同的载流子浓度在超导材料层之间形成特殊载流子通道，如二维电子气，二维空穴气，二维及一维量子阱等，以提升器件性能。用低能离子注入技术分别形成N+导电层与P+导电层，欧姆电极用等离子体溅射技术形成，但等离子体溅射材料将依据超晶格半导体层的材料而定，如对氮化镓材料，一般可用钛铝合金等。栅极绝缘层可用氮化硅等。器件之间需要用绝缘层隔离。隔离层可用特殊沟道离子刻蚀工艺并加上绝缘材料离子溅射而后化学机械抛光形成。

超导材料层的生长分为两部分：

A超低温超导材料

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的超导金属材料，如铝(Al)，钛(Ti)，铌(Nb)等等。

B高温超导材料

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的高温超导材料，如铱

钡铜氧(YBa(x)Cu(y)O(z))等。由于使用超低温(如液氦)超导材料的系统成本很高，本发明的器件设计将尽可能使用高温超导材料。

当所述器件的Vss电压超过约瑟夫森结的临界电压Vj时，并且在超晶格P型与N型层之间的直流电压不为零而且高于超晶格器件的阈值电压时，将会有约瑟夫森隧道电流流过，与经典约瑟夫森器件不同的是，掺杂超导p-i-n-i超晶格量子“常开”器件隧道电流的大小不仅与第一超导材料区与第二超导材料区之间的直流与交流电压Vss(dc)和Vss(ac)有关，而且也将被超晶格P型与N型层之间的直流与交流电压Vpn(dc)和Vpn(ac)所调制。

所述量子开关器件还分为超导掺杂n-i-p-i超晶格量子器件和超导n-i-p-i超晶格场效应量子器件，结合图9至图10所示，所述超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常闭器件的构成及原理如下：

超导掺杂n-i-p-i超晶格量子器件：

掺杂N通道n-i-p-i超导超晶格量子器件由掺杂超晶格本征层，掺杂超晶格N型层，超晶格本征层，掺杂超晶格P型层，N+导电层，超导材料层等组成。为达到集成电路的性能要求，可设计更多层的重复结构，如n-i-p-i-n-i-p-i-n-i-p-i……，不仅可采用同质超晶格层，如硅，氮化镓(GaN)，砷化镓(GaAs)，也可采用异质超晶格层，如氮砷化镓Ga(x)As(1-x)N，氮铝化镓Ga(x)Al(1-x)N，利用不同禁带宽度以及不同的载流子浓度在超导材料层之间形成特殊载流子通道，如二维电子气，二维空穴气，二维以及一维量子阱等以提升器件性能。用低能离子注入技术分别形成P+导电层与N+导电层，欧姆电极用等离子体溅射技术形成，但等离子体溅射材料将依据超晶格半导体层的材料而定，如对氮化镓材料，一般可用钛铝合金等。栅极绝缘层可用氮化硅等。器件之间需要用绝缘层隔离。隔离层可用特殊沟道离子刻蚀工艺并加上绝缘材料离子溅射而后化学机械抛光形成。

超导材料层的生长分为两部分：

A超低温超导材料(用于低温超导器件)

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的超导金属材料，如铝(Al)，钛(Ti)，铌(Nb)等等。

B高温超导材料(用于高温超导器件)

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的高温超导材料，如铱

钡铜氧(YBa(x)Cu(y)O(z))，等。由于使用超低温(如液氦)超导材料的系统成本很高，本发明的器件设计将尽可能使用高温超导材料。

掺杂超导n-i-p-i超晶格量子“常闭”器件的工作原理与掺杂超导p-i-n-i超晶格量子“常闭”器件的工作原理相似，其关键区别在于交流工作状态下的信号位相与强度。

超导n-i-p-i超晶格场效应量子器件：

掺杂N通道n-i-p-i超导超晶格场效应量子器件由掺杂超晶格本征层，掺杂超晶格N型层，超晶格本征层，掺杂超晶格P型层，N+导电层，P+导电层，栅极绝缘层，超导材料层等组成。为达到集成电路的性能要求，可设计更多层的重复结构，如n-i-p-i-n-i-p-i-n-i-p-i……，不仅可采用同质超晶格层，如硅，氮化镓(GaN)，砷化镓(GaAs)，也可采用异质超晶格层，如氮砷化镓Ga(x)As(1-x)N，氮铝化镓Ga(x)Al(1-x)N，利用不同禁带宽度以及不同的载流子浓度在超导材料层之间形成特殊载流子通道，如二维电子气，二维空穴气，二维以及一维量子阱等，以提升器件性能。用低能离子注入技术分别形成P+导电层与N+导电层，欧姆电极用等离子体溅射技术形成，但等离子体溅射材料将依据超晶格半导体层的材料而定，如对氮化镓材料，一般可用钛铝合金等。栅极绝缘层可用氮化硅，碳化硅等。器件之间需要用绝缘层隔离。隔离层可用特殊沟道离子刻蚀工艺并加上绝缘材料离子溅射而后化学机械抛光形成。

超导材料层的生长分为两部分，如图11至图14所示：

A超低温超导材料(用于低温超导器件)

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的超导金属材料，如铝(Al)，钛(Ti)，铌(Nb)等等。

B高温超导材料(用于高温超导器件)

-根据器件性能与应用的需要来选择合适的高温超导材料，如铱

钡铜氧(YBa(x)Cu(y)O(z))，等。由于使用超低温(如液氦)超导材料的系统成本很高，本发明的器件设计将尽可能使用高温超导材料。

超导超晶格n-i-p-i场效应量子器件的工作原理叙述如下:

在超晶格P型与N型层之间的直流与交流电压皆为零，即Vpn(dc)和Vpn(ac)为零，第一超导材料区与第二超导材料区之间的直流与交流电压也为零，即Vss(dc)和Vss(ac)也为零时，此时流过第一超导材料区与第二超导材料区之间约瑟夫森结电流Jc为零。

当Vss(dc)和Vss(ac)不为零但低于约瑟夫森结的临界电压Vj，同时，在超晶格P型与N型层之间的直流与交流电压皆为零，或是低于超晶格器件的阈值电压时，约瑟夫森结电流Jc不为零，并且将被Vss与Vpn调制，此时掺杂超导n-i-p-i超晶格量子器件处于“常开”状态。

当Vss(dc)和Vss(ac)不为零但低于约瑟夫森结的临界电压Vj，同时，在超晶格P型与N型层之间的直流电压高于超晶格器件的阈值电压时等效电阻R将趋于无穷大而等效电容C趋于零，此时流过第一超导材料区与第二超导材料区之间约瑟夫森结电流Jc为零。此时掺杂超导n-i-p-i超晶格量子器件处于“常闭”状态。

当所述场效应量子器件的Vss电压超过约瑟夫森结的临界电压Vj时，并且在超晶格P型与N型层之间的直流电压高于超晶格器件的阈值电压时，将会有约瑟夫森隧道电流流过，与经典约瑟夫森器件不同的是，掺杂超导p-i-n-i超晶格量子“常开”器件隧道电流的大小不仅与第一超导材料区与第二超导材料区之间的直流与交流电压Vss(dc)和Vss(ac)有关，而且也将被超晶格P型与N型层之间的直流与交流电压Vpn(dc)和Vpn(ac)所调制。

与经典场效应器件的主要区别是：当所述场效应量子器件的Vss电压超过约瑟夫森结的临界电压Vj时，流过第一超导材料区与第二超导材料区之间约瑟夫森结隧道电流的幅度与相位将会以下多个方式所调制：

a.被栅极电压调制

b.被超晶格P型与N型层之间的直流与交流电压Vpn(dc)和Vpn(ac)所调制。

c.被超晶格N通道电压Vnn与P通道电压Vpp所调制，其原理是通过电压调制分别控制N通道内的两维电子气以及N通道内的两维空穴气，而通道内两维电子气以及两维空穴气则分别为超晶格P型与N型层材料的能带结构，厚度，载流子浓度等，所决定。

被光电器件的光波调制。光电器件(LED，激光二极管等)的发射光波可先被其它电信号调制，然后调制后的信号通过光波导传输至场效应量子器件的超晶格层并且引起超晶格中两维电子气以及两维空穴气的波函数的变化。(参见光调制信号与量子信息传输示意图)。

上述技术方案的效果为：通过上述电路功能模块和元器件应用设计能够有效提高集成电路的量子计算，量子存储以及量子信息传输等都将在速度，并且所述集成电路的可测试度，稳定度，集成度等各方面比相应的分离器件有数量级的提高。

本发明的一个实施例，所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块之间设有金属隔离层和介电隔离层。所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块中均包括量子器件和超晶格器件。所述量子器件与超晶格器件之间、量子器件与量子器件之间以及超晶格器件与超晶格器件之间设有金属隔离层。

其中，所述介电隔离层的形成过程包括：

步骤1、在所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块之间设置介电隔离层区域；所述介电隔离层区域分割为多个介电隔离层子区域；

步骤2、将所述介电隔离层区域通入离子刻蚀加强气体，使所述介电隔离层区域形成清洁的沟道；所述离子刻蚀加强气体通入的速率为：

其中，V₁表示介电隔离层区域进行离子刻蚀时离子刻蚀加强气体通入的速率；α表示所述介电隔离层区域进行离子刻蚀时的速率调整系数；W_i表示所述介电隔离层区域内第i个介电隔离层子区域的刻蚀产额；L_i表示相同离子刻蚀加强气体的入射角度下，同种离子对第i个介电隔离层子区域的刻蚀速率；ρ表示被刻蚀材料的原子密度；n表示所述介电隔离层子区域的个数；s₁表示介电隔离层的层数；θ_i表示第i个介电隔离层子区域的离子刻蚀加强气体入射角度；θ_max表示所述离子刻蚀加强气体的最大入射角度；θ_min表示所述离子刻蚀加强气体的最小入射角度；

步骤3、利用等离子溅射方法使绝缘材料在所述沟道表面形成膜层结构；其中，所述绝缘材料包括氮化硅等；

步骤4、对所述膜层结构进行化学机械抛光后，形成介电隔离层。

第一步、在所述量子器件与超晶格器件之间、量子器件与量子器件之间以及超晶格器件与超晶格器件之间设置金属隔离层区域；所述金属隔离层区域分割为多个金属隔离层子区域；

第二步、将所述金属隔离层区域通入离子刻蚀加强气体，使所述金属隔离层区域形成清洁的沟道；所述离子刻蚀加强气体通入的速率为：

其中，V₂表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时离子刻蚀加强气体通入的速率；β表示所述金属隔离层区域进行离子刻蚀时的速率调整系数；W_j表示所述金属隔离层区域内第j个金属隔离层子区域的刻蚀产额；L_j表示相同离子刻蚀加强气体的入射角度下，同种离子对第i个金属隔离层子区域的刻蚀速率；ρ表示被刻蚀材料的原子密度；m表示所述金属隔离层子区域的个数；s₂表示金属隔离层的层数；λ_j表示第j个金属隔离层子区域的离子刻蚀加强气体入射角度；λ_max表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时所述离子刻蚀加强气体的最大入射角度；λ_min表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时所述离子刻蚀加强气体的最小入射角度；

第三步、利用等离子溅射方法或化学气相沉淀方法将氮化金属，氮硅化金属，硅化金属或钨化金属所形成的一层或多层金属阻挡层，如氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)，氮化硅钽(Ta-Si-N)，氮化钨(W2N，WN，WNx)，硅化钛(TiSi2)，钨化钛(TiW)，等，或其它种类的金属阻挡层沉积在所述沟道表面；

第四步、利用电化学方法使金属材料沉积在所述沟道内和表面；

第五步、利用金属化学机械抛光方法去除沟道表面多余的金属。

上述技术方案的工作原理为：由于上述各类器件，如量子器件，超晶格器件，等等，都是超高速器件，需要在

严格屏蔽的环境下工作。本发明的核心技术之一就是根据器件的特性采用新型的多层次金属与介电隔离工艺，如超导场效应量子器件，量子比特器件，场效应量子存储器件，量子开关器件之间，以及与其它超晶格器件之间都必须设计金属加介质的隔离层。

如图15和图16所示，器件之间的介电隔离层可用特殊沟道离子刻蚀工艺并加上绝缘材料，如氮化硅，等离子溅射而后化学机械抛光形成。器件之间以及模块之间的金属隔离层(高频电信号与光信号之间的隔离层，等)可先用离子刻蚀工艺形成沟道，然后等离子体溅射或化学气相淀积氮化硅钛(TiSiN)、或氮化钽(TaN)、再用电化学方法(ECD)淀积金属如铜(Cu)，用金属化学机械抛光去除表面多余的金属。

在光学与电学有相关性的量子传感信息处理时，需要实现多个传感器功能模块之间的光电信息传递或转换，这可以通过模块之间特殊设计的光波导与微波波导来实现。

如图17所示，多维多功能超导超晶格大规模量子集成电路(MDMFSCSL-LSQI)功能模块，如量子信号接收与发射模块，量子计算及量子信息处理模块，量子信息存储模块，以及量子信息传输与控制模块之间的光信号和电信号(射频与微波信号等)均可通过光波导与微波波导来传输。具体的，在所述量子信号接收与发射模块和量子计算与量子信息处理模块之间，量子计算与量子信息处理模块和量子信息存储模块之间，以及，量子信号接收与发射模块和量子信息传输与控制模块之间均设有光波导与微波波导，所述光波导与微波波导用于模块之间的光电信息传递或转换。

超导超晶格大规模集成电路中的各个功能模块，包括量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、量子信号接收与发射模块之间的连接与信息的传输，除了经典工艺中的电学连接，即金属导电层的连接，还需要特殊的信号传输通道，如对于光信息的传输，需要通过光波导通道，而对于高频与超高频电信号的传输，则需要通过微波波导通道。具体的，如图18所示，当量子信号接收与发射模块中的量子接收器件，如光学传感器，微波传感器等，接收到量子信号并经过调制与放大后，分别通过光波导与微波波导通道将信号传输至量子计算与量子信息处理模块，经过量子计算与量子信息处理后的光学，微波即其它光电信号再分别通过光波导与微波波导通道将信号传输至量子信息存储模块以及其它功能模块。

上述技术方案的效果为：由于此新型集成电路采用新型超导超晶格器件结构并充分利用同质与异质超晶格两维电子及空穴气的特殊性能，其抗干扰与抗辐射性能大大的优于现有的量子器件。特殊设计的金属与介质沟道隔离结构有效的避免了量子信号与射频信号的相互干扰，进一步增强了MDMFSCSL-LSQI集成电路的可靠性。同时，通过上述公式计算的离子刻蚀加强气体通入的速率能够有效提高金属隔离层和介电隔离层的均匀度以及形成效率，并且，根据入射角等因素获取的离子刻蚀加强气体通入的速率，能够使金属隔离层和介电隔离层的喷射速率与离子刻蚀的实际情况相结合，使离子刻蚀加强气体通入的速率更符合生产过程的实际情况，进而提高金属隔离层和介电隔离层制造效率和产量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种多维多功能超导超晶格大规模集成电路，其特征在于，所述大规模集成电路包括衬底、过渡层和超导超晶格大规模集成电路层；所述过渡层设置于所述衬底与所述超导超晶格大规模集成电路层之间，其中，所述超导超晶格大规模集成电路层包括量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块；所述量子信号接收与发射模块分别与所述量子计算与量子信息处理模块和量子信息传输与控制模块进行电连接；所述量子计算与量子信息处理模块分别与量子信息存储模块和功率模块进行电连接；所述量子信息存储模块与所述辅助功能模块进行电连接；所述功率模块分别与所述量子信息传输与控制模块和辅助功能模块进行电连接，所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块中均包括量子器件和超晶格器件。

2.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，所述衬底采用硅晶圆或化合物半导体晶圆制成。

3.根据权利要求2所述的大规模集成电路，其特征在于，所述硅晶圆的尺寸为150cm、200cm或300cm；所述化合物半导体晶圆尺寸为150cm或200cm。

4.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，所述过渡层采用化合物半导体或绝缘体层制成。

5.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，在所述量子信号接收与发射模块和量子计算与量子信息处理模块之间，量子计算与量子信息处理模块和量子信息存储模块之间，以及，量子信号接收与发射模块和量子信息传输与控制模块之间设有光波导与微波波导。

6.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块之间设有金属隔离层和介电隔离层。

7.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，所述量子器件采用超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常闭器件和超导掺杂p-i-n-i超晶格量子常开器件。

8.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，所述量子器件采用超导掺杂n-i-p-i超晶格量子器件和超导掺杂n-i-p-i超晶格场效应量子器件。

9.根据权利要求8所述的大规模集成电路，其特征在于，所述超晶格场效应量子器件的存储状态由超导区电压Vss、超晶格P-N区电压Vpn、栅极电压、超晶格N区电压Vnn和超晶格P区电压Vpp进行调制。

10.根据权利要求8所述的大规模集成电路，其特征在于，所述超晶格场效应量子器件的量子状态由超导区电压Vss、栅极电压Vg、超晶格P-N区电压Vpn、超晶格N区电压Vnn、超晶格P区电压Vpp以及光电信号进行调制。

11.根据权利要求8所述的大规模集成电路，其特征在于，所述超晶格场效应量子器件的开关状态可由超导区电压Vss、栅极电压Vg和超晶格P-N区电压Vpn进行控制。

12.根据权利要求8所述的大规模集成电路，其特征在于，所述超晶格场效应量子器件的读写方式包括：

读写方式一：电子写入，电子读出；

读写方式二：光电子写入，电子读出；

读写方式三：电子写入，光电子读出；

读写方式四：.光电子写入，光电子读出。

13.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，所述量子器件和超晶格器件的超导材料层采用高温或低温超导材料制成。

14.根据权利要求1所述的大规模集成电路，其特征在于，所述量子器件与超晶格器件之间、量子器件与量子器件之间以及超晶格器件与超晶格器件之间设有金属隔离层和介电隔离层。

15.根据权利要求6或14所述的大规模集成电路，其特征在于，所述介电隔离层的形成过程包括：

步骤1、在所述量子信号接收与发射模块、量子计算与量子信息处理模块、量子信息存储模块、量子信息传输与控制模块、功率模块和辅助功能模块之间设置介电隔离层区域；所述介电隔离层区域分割为多个介电隔离层子区域；

步骤2、将所述介电隔离层区域通入离子刻蚀加强气体，使所述介电隔离层区域形成清洁的沟道；所述离子刻蚀加强气体通入的速率为：

其中，V ₁表示介电隔离层区域进行离子刻蚀时离子刻蚀加强气体通入的速率；α表示所述介电隔离层区域进行离子刻蚀时的速率调整系数；W _i 表示所述介电隔离层区域内第i个介电隔离层子区域的刻蚀产额；L _i 表示相同离子刻蚀加强气体的入射角度下，同种离子对第i个介电隔离层子区域的刻蚀速率；ρ表示被刻蚀材料的原子密度；n表示所述介电隔离层子区域的个数；s ₁表示介电隔离层的层数；θ _i 表示第i个介电隔离层子区域的离子刻蚀加强气体入射角度；θ _max表示所述离子刻蚀加强气体的最大入射角度；θ _min表示所述离子刻蚀加强气体的最小入射角度；

步骤3、利用等离子溅射方法使绝缘材料在所述沟道表面形成膜层结构；

步骤4、对所述膜层结构进行化学机械抛光后，形成介电隔离层。

16.根据权利要求6或14所述的大规模集成电路，其特征在于，所述金属隔离层的形成过程包括：

第一步、在所述量子器件与超晶格器件之间、量子器件与量子器件之间以及超晶格器件与超晶格器件之间设置金属隔离层区域；所述金属隔离层区域分割为多个金属隔离层子区域；

第二步、将所述金属隔离层区域通入离子刻蚀加强气体，使所述金属隔离层区域形成清洁的沟道；所述离子刻蚀加强气体通入的速率为：

其中，V ₂表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时离子刻蚀加强气体通入的速率；β表示所述金属隔离层区域进行离子刻蚀时的速率调整系数；W _j 表示所述金属隔离层区域内第j个金属隔离层子区域的刻蚀产额；L _j 表示相同离子刻蚀加强气体的入射角度下，同种离子对第i个金属隔离层子区域的刻蚀速率；ρ表示被刻蚀材料的原子密度；m表示所述金属隔离层子区域的个数；s ₂表示金属隔离层的层数；λ _j 表示第j个金属隔离层子区域的离子刻蚀加强气体入射角度；λ _max 表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时所述离子刻蚀加强气体的最大入射角度；λ _min 表示金属隔离层区域进行离子刻蚀时所述离子刻蚀加强气体的最小入射角度；

第三步、利用等离子溅射方法或化学气相沉淀方法将氮化金属，氮硅化金属，硅化金属或钨化金属所形成的一层或多层金属阻挡层沉积在所述沟道表面；

第四步、利用电化学方法使金属材料沉积在所述沟道内和表面；

第五步、利用金属化学机械抛光方法去除沟道表面多余的金属。

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