CN113272695B - 用于量子位-光学-cmos集成的波导结构 - Google Patents

用于量子位-光学-cmos集成的波导结构 Download PDF

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Abstract

提供了使用结构化衬底将SiGe/Si光学谐振器与量子位和CMOS器件集成的技术。在一个方面，波导结构包括：晶片；以及布置在晶片上的波导，波导具有由Si包围的SiGe核，其中，晶片具有比Si低的折射率(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)。还提供了一种用于量子计算的计算设备和方法。

Description

用于量子位-光学-CMOS集成的波导结构
技术领域
本发明涉及光学谐振器，并且更具体地涉及使用结构化衬底的硅锗(SiGe)/硅(Si)光学谐振器与量子位(即，“量子位”)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的集成。
背景技术
连接微波电信号和光学光子以进行量子信息处理的能力要求在微波域和光域之间的有效转换。例如参见Rueda等人的“高效微波-光学光子转换：一种电光实现方法(Efficient microwave to optical photone conversion:an electro-opticalrealization)”光学学报(Optica)，第3卷(vol.3)，第6期(no.6)，页码(pp.)597-604(2016年6月)。
微波到光学换能器可以用于这种转换。参见，例如，美国授权Bishop等人的专利号9,857,609，名称为‘应变诱导电光材料集成微波-光学单光子传感器(IntegratedMicrowave-to-Optical Single-Photon Transducer with Strain-Induced Electro-Optic Material)’(下文称为美国专利号9,857,609)，其描述了一种具有用于将单光子微波信号转换成光信号的换能器的量子计算设备。美国专利号9,857,609提供了一种集成光学设计，所述集成光学设计结合了多个量子位、一个换能器以及一个光共振器，这些量子位联合运行以便将来自这些量子位的微波信号转换成光信号。光信号与波导耦合并被传输到它们的目的地。然而，通过在硅(Si)衬底架构上采用硅锗(SiGe)，光泄漏可能是个问题。
相应地，将期望得到在公共衬底晶片上集成量子计算和光学器件的改进设计。因此，本领域需要解决上述问题。
发明内容
从第一方面来看，本发明提供了一种波导结构，包括：晶片；以及布置在所述晶片上的波导，所述波导包括由硅(Si)包围的硅锗(SiGe)核，其中，所述晶片具有比所述Si低的折射率。
从另一方面来看，本发明提供了一种计算设备，包括：波导结构，所述波导结构包括晶片，以及布置在所述晶片上的波导，所述波导包括具有由Si包围的SiGe核的基于谐振器的微波到光学换能器，其中，所述晶片具有比所述Si低的折射率；布置在所述晶片上的至少一个量子位；对于至少一个量子位的每个：在所述波导与所述量子位之间的超导总线路径；以及布置在所述晶片上的FET，其连接所述波导和所述量子位之间的所述超导总线路径。
从另一方面来看，本发明提供了一种用于量子计算的方法，包括以下步骤：提供本发明的任何一个的计算设备；在所述波导与这些量子位中的一个给定的量子位之间选择所述超导总线路径中的一个；沿着所述超导总线路径中已经被选择的超导总线路径路由来自所述量子位中的给定的一个量子位的微波信号；以及经由所述基于谐振器的微波到光学换能器将所述微波信号转换成光信号。
本发明提供了用于使用结构化衬底将SiGe/Si光学谐振器与量子位和CMOS器件集成的技术。在本发明的一个方面中，提供了一种波导结构。所述波导结构包括：晶片；以及波导，所述波导布置在所述晶片上，所述波导具有由Si包围的SiGe核，其中，所述晶片具有比所述Si低的折射率。例如，晶片可以包括诸如蓝宝石、金刚石、碳化硅(SiC)和/或氮化镓(GaN)的材料。
在本发明的另一个方面中，提供了一种计算设备。所述计算设备包括：具有晶片的波导结构，以及布置在晶片上的波导，所述波导是基于谐振器的微波到光学换能器，其具有由Si包围的SiGe核，其中晶片具有比Si低的折射率；布置在所述晶片上的多个量子位；在所述波导与这些量子位之间的超导总线路径；以及布置在所述晶片上的多个FET，这些FET连接所述波导与这些量子位之间的这些超导总线路径。
在本发明的又另一个方面中，提供了一种用于量子计算的方法。所述方法包括：提供计算设备，所述计算设备包括：(i)具有晶片的波导结构，以及，布置在所述晶片上的波导，所述波导是基于谐振器的微波到光学换能器，其具有由Si包围的SiGe核，其中所述晶片具有比所述Si低的折射率，(ii)布置在所述晶片上的多个量子位，(iii)在所述波导与这些量子位之间的超导总线路径，以及(iv)多个FET，这些FET被布置在所述晶片上，连接所述波导与这些量子位之间的这些超导总线路径；在所述波导与这些量子位中的一个给定的量子位之间选择这些超导总线通路中的一个；沿着这些超导总线路径中已经被选择的一个超导总线路径路由来自这些量子位中的给定的一个量子位的一个微波信号；以及经由所述基于谐振器的微波到光学换能器将所述微波信号转换成光信号。
通过参考以下详细描述和附图将获得对本发明的更完整理解以及本发明的进一步特征和优点。
附图说明
现在将参考如在以下附图中展示的优选实施例仅通过举例来描述本发明：
图1是示出根据本发明的实施例的示例性波导结构的截面图；
图2是示出了用于形成根据本发明的实施例的本波导结构的示例性方法的示图；
图3是示出根据本发明的实施例的形成基于闭环光学环谐振器的微波到光学换能器的本波导结构的俯视图；
图4是示出了根据本发明的实施例的集成在共用的较低折射率晶片上的量子位、光子和布线场效应晶体管(FET)的截面图；
图5是示出了根据本发明的实施例的包含集成在共用的较低折射率晶片上的多个量子位、光子器件以及FET部件的示例性量子计算设备的俯视图；以及
图6是示出了根据本发明的实施例的量子计算的示例性方法的图。
具体实施方式
在此提供了用于使用结构化衬底(例如，由多种材料形成的衬底)将硅锗/硅(SiGe/Si)光学谐振器/换能器与量子位(量子位)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件进行集成的技术。所述结构化衬底具有X上硅(SOX)配置，其中X是具有如下材料的晶片，所述材料具有i)折射率比Si低，并且ii)在10mK处对于量子位操作，在微波频率处的射频(RF)损耗角正切＜1x10-5。仅举例来说，可以满足这些资格的合适材料X包括但不限于蓝宝石、金刚石、碳化硅(SiC)和/或氮化镓(GaN)。
提供了独特的SiGe/Si光学谐振器，由此该结构化的SOX衬底提供了到SiGe/Si波导定义的次级的、更高的折射率对比度界面。本结构化的基于衬底的光学谐振器设计具有以下显著的益处。首先，由于较低折射率的X晶片(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)提供的折射率对比度，SiGe层的厚度和锗(Ge)摩尔分数可被减小，同时实现相同的辐射限制的品质因数。由较低折射率X晶片提供的折射率对比度减小了渐逝光模式的空间范围，并且因此使得底部电极能够更靠近波导放置，其通过增加用于量子应用的单光子场强来增强性能。
如以下将详细描述的，根据示例性实施例，本SiGe/Si光学谐振器与量子位和CMOS器件(例如，晶体管)集成在同一SOX结构的衬底上。这些设备可以连接在一起以具有新的功能。进一步地，在此提出了多种技术，这些技术用于通过晶体管使用可重构的电气路由在量子位和微波光学换能器的网络中引入重构能力。图1是示出了根据本技术的示例性波导结构的示图。如图1所示，波导结构包括布置在低折射率晶片104上的波导100，即，晶片104具有比Si层102更低的折射率。如上所述，用于晶片104的合适材料包括但不限于蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN。波导100下方的较低折射率晶片用于截断渐逝光场(例如，允许将底部电极106放置得更靠近波导100)并且使辐射损耗最小化。如下面将详细描述的，波导结构(以及可选的相关联的计算部件，诸如量子位和/或路由晶体管)的制造可以开始于SOX晶片，即，X材料(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)晶片104上的Si层102。
具体地，波导100包括由Si层102和Si层110包围的SiGe核108。SiGe核108具有比Si层102/110的折射率更高的折射率。利用该材料组合和配置，波导100提供主模态折射率引导。
本波导100可以具有多种不同的应用。例如，本波导100可以用作用于传输光信号的光路波导和/或用作光环谐振器滤波器。对于光环谐振器滤波器，波导100被配置为闭环光环谐振器，其充当用于特定(谐振)波长的光的滤波器。
根据本技术的示例性实施例，波导100被用作微波到光学变换器，该变换器将来自处于微波频率的量子位的信号转换成处于通信频率(例如，约1550纳米(nm)波长)的光信号。参见例如下面结合图5的描述所描述的示例性计算设备500。如以下详细描述的，多个物理超导总线路径可以存在于这些量子位与该换能器之间，其中多个晶体管连接这些路径。晶体管提供到换能器的可重新配置的连接(电布线)。有利地，这些量子位、CMOS晶体管、以及换能器都被集成在单一的共用SOX衬底上。
为了用作微波至光学换能器，波导100优选地包括底部电极106、顶部电极112和偏置电极114。如图1所示，底部电极106布置在晶片104的与波导100相对的侧上，顶部电极112布置在波导100上(即，在Si层110的顶部上)，并且偏置电极114布置在晶片104上，在波导100的相对侧上。这些电极形成传输线谐振器，其中存在驻波射频(RF)场。微波频率通常是指大于或等于约1千兆赫(GHz)的那些RF频率。由此，传输线谐振器在空间上与RF和光学模式重叠。根据示例性实施例，克尔电光效应或DC克尔效应用于微波到光转换。如本领域已知的，DC克尔效应是指响应于施加到样品材料的缓慢变化的电场，材料的折射率的变化。在此，经由偏置电极114或通过经由底部电极106通过晶片104反向选通波导100来施加电场。如以上提供的，由较低折射率X晶片104提供的折射率对比度减小了渐逝光模式的空间范围，其使得能够将底部电极106更靠近波导100放置，并且因此通过增加单光子场强度来增强性能。如下文将结合图2的描述所描述的，顶部电极112可配置为在光学环谐振器上方的新月形形状，从而形成四分之一波长RF谐振器，其提供电极与光学环谐振器的紧密集成。
可以采用标准CMOS兼容的制造工艺来形成波导结构。参见例如图2的方法200。仅作为示例，该过程在步骤202开始，具有在较低折射率X晶片104(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)上具有SOX层102(Si层)的SOX衬底。
在步骤204中，然后采用标准光刻和蚀刻技术，使用例如诸如反应离子蚀刻(RIE)的定向(各向异性)蚀刻工艺将SOX层102构图成波导结构的相应形状。例如，SOX层102可以被构图成任何形状的光路由波导。例如，为了用作光环谐振器滤波器或基于光环谐振器的微波到光学换能器，SOX层102被构图为闭环/环。
在步骤206中，在构图的SOX层102上布置(即，沉积、生长等)SiGe。SiGe具有比Si的折射率更高的折射率。在步骤208中，然后采用标准光刻和蚀刻技术来使用例如诸如RIE的定向(各向异性)蚀刻工艺将SiGe构图为核108的形状。构图的核108将具有与构图的SOX层102相同的大体形状。
最后，在步骤210中，核108被覆盖在Si层110中以完成波导结构100。同样，可以采用标准光刻和蚀刻技术来将Si层110构图成围绕核108的波导100的相应形状。
图3是示出其中波导100形成基于闭环光学环谐振器的微波到光学换能器的示例性实施方式的俯视图。如从图3中的俯视图可见，波导100是形成在较低折射率X晶片104(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)上的光学环谐振器。顶部电极112被配置为波导100上方的新月形，从而形成四分之一波长RF谐振器(见上文)。为了清楚起见，在此图中省略了偏置电极和/或接地平面。
波导100光耦合至路由波导总线302。路由波导总线302将光信号波导100传送到它们的目的地。根据示例性实施例，路由波导总线302以与波导100相同的方式在晶片104上形成，并且包括相同的部件，例如，围绕(例如，SiGe)核108的SOX层/Si层110。然而，路由波导总线302将不需要与换能器相关联的电极106/112/114。
微波波导304也光耦合到波导100。通常，微波波导304可以是用于承载微波光子的任何波导总线。例如，根据示例性实施例，微波波导304以与波导100相同的方式在晶片104上形成并且包括相同的部件，例如，围绕(例如，SiGe)核108的SOX层/Si层110。如以下将详细描述的，在此提供了多个实施例，其中波导100与其他量子计算设备(如量子位以及可选地用于从这些量子位到该变换器的可重新配置的连接(电布线)的晶体管)集成在晶片104上。在这种情况下，微波波导304可以用作到换能器的信号总线。参见下文。
例如，图4是展示了集成在共用的较低折射率X晶片104(例如，蓝宝石、金刚石、SiC和/或GaN)上的量子位、光子器件和布线场效应晶体管(FET)的横截面图。下面结合图5的描述来描述这些设备的示例性布局。首先，关于光子学组件，如图4所示，集成设计包括至少一个波导100。即，如上所述，本波导100可以被配置为光路由波导和/或光环谐振器滤波器，以及基于光环谐振器的微波到光学变换器。因此，这些设备中的一个或多个可以结合到本设计中。如图5所示，并且如上所述，每个波导100包括例如包围SiGe核108的SOX层/Si层110。
在共同的较低折射率X晶片104上形成至少一个量子位。例如，如图4所示，每个量子位包括形成在SOX层102上的量子位电路402。可选地，SOX层102的区域在量子位电路402下方被底切，使得量子位电路被悬置在晶片104上方。
根据示例性实施例，量子位电路402是由被绝缘体410分开的两个超导薄膜(即，超导底部电极406和超导顶部电极408)形成的约瑟夫逊隧道结。约瑟夫逊隧道结总体上描述于德沃雷特(Devoret)等人的“超导量子位：短综述(Superconducting Qubits：A ShortReview)”，arXiv：cond-mat/0411174(2008年2月)(41页)中。用于超导底部/顶部电极406/408的合适材料包括但不限于铝(Al)和/或氮化钛。用于绝缘体410的合适材料包括但不限于氧化物，例如氧化铝(Al2O3)。例如，根据示例性实施例，超导底部电极406/绝缘体410/超导顶部电极408分别是Al/Al2O3/Al。
可以采用标准的CMOS兼容工艺来在晶片104上制造量子位。可根据本技术采用的量子位制造技术在例如美国专利公开号2015/0340584中描述，由Chang等人的名称为‘悬浮超导量子位(Suspended Superconducting Qubits)’(下文称美国专利申请公开号2015/0340584)。
可选地，SOX层102的区域在底部电极406下方被底切，使得量子位被悬置在晶片104上方。仅作为示例，SOX层102可使用二氧化氮(XeF2)蚀刻来底切。在量子位电路402下方底切SOX层102是有益的，因为它去除了衬底到金属界面并且使衬底到金属界面移动得更远离量子电路的谐振模式的电场。更多细节参见美国专利申请公开号2015/0340584。
根据示例性实施例，在共用的较低折射率X晶片104上形成至少一个FET412。参见图4。通常，每个FET 412包括将源极和漏极互连的沟道以及用于调节流过沟道的电流的栅极。在这个示例性实施例中，沟道由SOX层102形成。可以根据本技术实现任何标准FET设计，包括但不限于平面或非平面FET配置(诸如finFET、纳米线/纳米片FET等)。用于形成这些平面和非平面FET设计的技术在本领域中是众所周知的。
源极413和漏极414形成在沟道/SOX层102的相对端上。根据示例性实施例，源极413和漏极414由原位或非原位掺杂的外延材料，诸如磷掺杂的硅(Si：P)或硼掺杂的SiGe(SiGe：B)，形成。触点416和418分别形成到源极413和漏极414。
可以实施顶栅极420和/或底栅极422以调节通过沟道的电流流动。每个栅极通常包括通过栅极电介质与沟道分离的导体或导体的组合。合适的栅极导体包括但不限于掺杂的多晶硅和/或金属，例如钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)和/或钨(W)。合适的栅极电介质包括但不限于氧化硅(SiOx)和/或高κ电介质，例如氧化铪(HfO2)和/或氧化镧(LaO2)。
图5中示出了包含集成在共用的较低折射率X晶片104上的量子位、光子器件和FET部件的示例性量子计算设备500(俯视图)。具体地说，如图5所示，设备500包括量子位402，这些量子位通过多个物理超导总线路径502a、b、c、d等互连到波导100，该波导100被配置为光环微波到光学变换器。多个FET 412连接波导100与这些量子位402之间的超导总线路径502a、b、c、d等。以上详细描述的这些设备组件中的每一个布置在晶片104上。
FET 412使得能够在波导100与量子位402之间进行可重新配置的电气布线，从而允许这些器件连接在一起以具有新的功能性。例如，每个超导总线路径502a、b、c、d等被连接到分离的FET 412上。参见图5，即，每个超导总线路径502a、b、c、d等被连接到对应的FET412的源极和漏极(即，源极和漏极413和414-参见图4)上。触点504被提供至每个FET 412的栅极(即，顶部栅极420和/或底部栅极422-参见图4)。向FET412施加栅极电压(经由触点504)将相应的FET412从该FET412的源极和漏极之间的高电阻状态切换到源极和漏极之间的低电阻状态。然后，具有低电阻开关的超导总线路径502a、b、c、d等是微波信号将被路由的地方。参见例如图6的方法600。
即，图6提供了用于使用如图5的量子计算设备500的设备进行量子计算的示例性方法600。如以上提供的，计算设备500包括通过多个物理超导总线路径502a、b、c、d等互连到光环微波到光学变换器波导100上的多个量子位402。多个FET 412连接波导100与这些量子位402之间的超导总线路径502a、b、c、d等。
在步骤602中，将栅极电压施加到这些FET 412中的至少一个上以便选择这些超导总线路径502a、b、c、d等中的至少一个。即，如以上提供的，每个超导总线路径502a、b、c、d等被连接到对应的FET 412的源极和漏极(即，源极和漏极413和414-见图4)上，以及向FET412施加栅极电压(经由触点504)，将相应的FET412从该FET412的源极和漏极之间的高电阻状态切换到源极和漏极之间的低电阻状态。
在步骤604中，微波信号从量子位402沿着所选择的超导总线路径502a、b、c、d等被路由到该光环微波到光学变换器波导100。即，如以上提供的，具有低电阻开关的超导总线路径502a、b、c、d等是微波信号将被路由的地方。在步骤606中，光环微波到光学变换器波导100将微波信号转换为光信号。
尽管在此已经描述了本发明的说明性实施例，但是应当理解的是，本发明不限于那些精确的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以做出各种其他改变和修改。

Claims (16)

1.一种波导结构，包括：
晶片；以及
波导，布置在所述晶片上，所述波导包括由硅（Si）包围的硅锗（SiGe）核，其中，所述晶片具有比所述Si低的折射率;
其中，所述波导具有环形形状;
其中，所述波导包括基于谐振器的微波到光学换能器;
至少一个量子位，布置在所述晶片上。
2.如权利要求1所述的波导结构，其中，所述晶片包括选自由以下各项组成的组中的材料：蓝宝石、金刚石、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、以及它们的组合。
3.如权利要求1所述的波导结构，进一步包括：
顶部电极，布置在所述波导上。
4.如权利要求3所述的波导结构，其中，所述顶部电极具有新月形形状。
5.如权利要求1和3至4中任一项所述的波导结构，进一步包括：
底部电极，所述底部电极布置在所述晶片的与所述波导相对的侧上。
6.如权利要求1和3至4中任一项所述的波导结构，进一步包括：
偏置电极，所述偏置电极布置在所述晶片上，在所述波导的相对两侧上。
7. 如权利要求1所述的波导结构，其中所述至少一个量子位包括：
超导底部电极，所述超导底部电极在Si层上；以及
超导顶部电极，所述超导顶部电极通过绝缘体与所述超导底部电极分开。
8.如权利要求7所述的波导结构，其中，所述Si层在所述超导底部电极下方被底切，使得所述至少一个量子位悬置在所述晶片上方。
9.如权利要求7至8中任一项所述的波导结构，进一步包括：
至少一个超导总线路径，在所述波导与所述至少一个量子位之间。
10.如权利要求9所述的波导结构，还包括：
至少一个场效应晶体管（FET），布置在所述晶片上，所述场效应晶体管连接在所述波导与所述至少一个量子位之间的所述至少一个超导总线路径。
11.一种计算设备，包括：
波导结构，所述波导结构包括晶片以及布置在所述晶片上的波导，所述波导包括具有由Si包围的SiGe核的基于谐振器的微波到光学换能器，其中，所述晶片具有比所述Si低的折射率；
布置在所述晶片上的至少一个量子位；
对于至少一个量子位的每个：在所述波导与所述量子位之间的超导总线路径；以及
场效应晶体管，所述场效应晶体管被布置在所述晶片上，连接在所述波导与所述量子位之间的所述超导总线路径。
12.如权利要求11所述的计算设备，其中，所述晶片包括选自由以下各项组成的组中的材料：蓝宝石、金刚石、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、以及它们的组合。
13. 如权利要求11或12之一所述的计算设备，其中每个量子位包括：
超导底部电极，所述超导底部电极在Si层上；以及
超导顶部电极，所述超导顶部电极通过绝缘体与所述超导底部电极分开。
14.如权利要求13所述的计算设备，其中所述Si层在所述超导底部电极下方被底切，使得所述至少一个量子位被悬置在所述晶片上方。
15.一种用于量子计算的方法，包括以下步骤：
提供权利要求11至14中任一项所述的计算设备；
在所述波导与所述量子位中的给定的量子位之间选择所述超导总线路径中的一个；
沿着所述超导总线路径中已经被选择的超导总线路径路由来自所述量子位中的给定的量子位的微波信号；以及
经由所述基于谐振器的微波到光学换能器将所述微波信号转换成光信号。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述超导总线路径被连接到所述场效应晶体管的源极和漏极上，并且其中选择所述超导总线路径之一的步骤包括以下步骤：
沿着所述超导总线路径之一将栅极电压施加到所述场效应晶体管中的给定场效应晶体管上，以便将所述场效应晶体管中的所述给定场效应晶体管从所述源极和漏极之间的高电阻状态切换到所述源极和漏极之间的低电阻状态。
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