CN115295711B - 超导量子比特结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导量子比特结构，其包括：衬底；地电极，设置于所述衬底上；第一比特电极，设置于所述衬底上，且与所述地电极之间具有间隙；介质层，覆盖于所述第一比特电极上；第二比特电极，设置于所述介质层上，且延伸并与所述地电极接触电连接；超导金属结构，设置于所述间隙中，且分别与所述第一比特电极和所述地电极接触电连接。本发明还公开一种该超导量子比特结构的制作方法。本发明的超导量子比特结构及其制作方法，能够大幅度减小超导量子比特结构中电容电极的面积，从而利于集成小型化。进一步地，本发明的超导量子比特结构具有较好的电磁屏蔽环境，能够有效的减小多比特环境下比特之间的电磁串扰。

Description

超导量子比特结构及其制作方法

技术领域

本发明属于超导技术领域，具体地讲，涉及一种超导量子比特结构及其制作方法。

背景技术

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机，其理论模型是通用图灵机；通用的量子计算机，其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个，而量子计算机中的2位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加，对于n个量子比特而言，量子信息可以处于2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度。

超导量子芯片目前是实现量子计算最有可能的平台，其运算基于超导量子比特。然而，现有的超导量子比特中电容电极的面积太大，难以实现集成小型化。进一步地，现有的超导量子比特中电磁屏蔽环境较差，尤其是在多比特环境下，比特之间的电磁串扰较为严重。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种减小电容电极面积且减小电磁串扰的超导量子比特结构及其制作方法。

根据本发明的实施例的一方面提供了一种超导量子比特结构，其包括：衬底；地电极，设置于所述衬底上；第一比特电极，设置于所述衬底上，且与所述地电极之间具有间隙；介质层，覆盖于所述第一比特电极上；第二比特电极，设置于所述介质层上，且延伸并与所述地电极接触电连接；超导金属结构，设置于所述间隙中，且分别与所述第一比特电极和所述地电极接触电连接。

在上述一方面提供的超导量子比特结构的一个示例中，所述超导金属结构包括：第一超导金属线，设置于所述间隙中，且仅与所述第一比特电极接触电连接；氧化层，覆盖于所述第一超导金属线上；第二超导金属线，设置于所述氧化层上，且仅与所述地电极接触电连接。

在上述一方面提供的超导量子比特结构的一个示例中，所述氧化层的厚度为0.1nm～10nm。

在上述一方面提供的超导量子比特结构的一个示例中，所述地电极围绕所述第一比特电极。

在上述一方面提供的超导量子比特结构的一个示例中，所述地电极、所述第一比特电极、所述第二比特电极、所述第一超导金属线和所述第二超导金属线包括铝、钽、铌和氮化钛铌中的至少一种。

根据本发明的实施例的另一方面提供了一种超导量子比特结构的制作方法，其包括：在衬底上制作形成彼此之间具有间隙的地电极和第一比特电极；在所述第一比特电极上形成覆盖所述第一比特电极的介质层；在所述介质层上形成延伸且与所述地电极接触电连接的第二比特电极；在所述间隙中形成分别与所述第一比特电极和所述地电极接触电连接的超导金属结构。

在上述一方面提供的制作方法的一个示例中，所述在衬底上制作形成彼此之间具有间隙的地电极和第一比特电极的方法包括：在所述衬底上形成金属薄膜层；对所述金属薄膜层进行图案化处理，以形成围绕所述第一比特电极的所述地电极。

在上述一方面提供的制作方法的一个示例中，所述在所述间隙中形成分别与所述第一比特电极和所述地电极接触电连接的超导金属结构的方法包括：在所述间隙中形成仅与所述第一比特电极接触电连接的第一超导金属线；在所述第一超导金属线上形成覆盖所述第一超导金属线的氧化层；在所述氧化层上和所述地电极上形成仅与所述地电极接触电连接的第二超导金属线。

在上述一方面提供的制作方法的一个示例中，所述氧化层的厚度为0.1nm～10nm。

在上述一方面提供的制作方法的一个示例中，所述地电极、所述第一比特电极、所述第二比特电极、所述第一超导金属线和所述第二超导金属线包括铝、钽、铌和氮化钛铌中的至少一种。

有益效果：本发明的超导量子比特结构及其制作方法，能够大幅度减小超导量子比特结构中电容电极的面积，从而利于集成小型化。进一步地，本发明的超导量子比特结构具有较好的电磁屏蔽环境，能够有效的减小多比特环境下比特之间的电磁串扰。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的超导量子比特结构的侧视图；

图2是根据本发明的实施例的超导量子比特结构中地电极和第一比特电极的俯视图；

图3A至图3D是根据本发明的实施例的超导量子比特结构的制作方法的制程图；

图4A和图4B是根据本发明的实施例的地电极和第一比特电极的制程图；

图5A至图5C是根据本发明的实施例的超导金属结构的制程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。

图1是根据本发明的实施例的超导量子比特结构的侧视图。图2是根据本发明的实施例的超导量子比特结构中地电极和第一比特电极的俯视图。

参照图1，根据本发明的实施例的超导量子比特结构包括衬底10、地电极20、第一比特电极31、第二比特电极32、介质层33以及超导金属结构40。

具体地，衬底10可以例如是高阻硅、蓝宝石材料等。地电极20和第一比特电极31设置于衬底10上，且地电极20和第一比特电极31之间具有间隙。进一步地，作为一个示例，如图2所示，地电极20可以包围围绕第一比特电极31，间隙处于地电极20的内侧和第一比特电极31的外侧之间。

介质层33覆盖在第一比特电极31上。进一步地，介质层33覆盖在第一比特电极31的背向衬底10的表面上。第二比特电极32设置于介质层33上，并且第二比特电极32延伸至地电极20处，以与地电极20接触电连接。需要说明的是，本发明不限制第二比特电极32的延伸路径，但是第二比特电极32不能与第一比特电极31接触。如此，第一比特电极31、第二比特电极32、介质层33三者构成一介质电容器30。在这种情况下，与不含介质层33的电容器相比，在电容器的电容值不变的情况下，含介质层33的介质电容器30的第一比特电极31和第二比特电极32的面积可以被大幅度减小，从而有利于集成小型化。

超导金属结构40构成一约瑟夫森结，其设置于所述间隙中，且分别与所述第一比特电极31和所述地电极20接触电连接。作为一个示例，超导金属结构40包括：第一超导金属线41、第二超导金属线42以及氧化层43。

具体地，第一超导金属线41设置于所述间隙中，且仅与所述第一比特电极31接触电连接。也就是说，第一超导金属线41依旧与地电极20之间保持间隔。氧化层43是将第一超导金属线41的表面氧化而成，从而覆盖在未被氧化的第一超导金属线41上。进一步地，氧化层43覆盖在第一超导金属线41的背向衬底10的表面和背向第一比特电极31的表面上，但本发明并不限制于此。在一个示例中，氧化层43的厚度可例如是0.1nm～10nm。第二超导金属线42设置于所述氧化层43上，且仅与所述地电极20接触电连接。也就是说，第二超导金属线42跨设在第一超导金属线41与地电极20之间的间隔上。

在一个示例中，所述地电极20、所述第一比特电极31、所述第二比特电极32、所述第一超导金属线41和所述第二超导金属线42包括铝、钽、铌和氮化钛铌中的至少一种。

在一个示例中，介质层33包括硅氧化物(例如二氧化硅)、硅氮化物(例如四氧化三硅)中的至少一种。以下对上述实施例的超导量子比特结构的制作方法进行详细描述。

图3A是图3D是根据本发明的实施例的超导量子比特结构的制作方法的制程图。

参照图3A，在步骤一中，在衬底10上制作形成彼此之间具有间隙的地电极20和第一比特电极31。

图4A和图4B是根据本发明的实施例的地电极和第一比特电极的制程图。参照图4A，首先，在衬底10上制作形成金属薄膜层10A；其次，对金属薄膜层10A进行图案化处理(包括但不限于曝光、显影、刻蚀等工艺)，以形成第一比特电极31以及包围围绕第一比特电极31的地电极20。如此，间隙处于地电极20的内侧和第一比特电极31的外侧之间。

在一个示例中，金属薄膜层10A包括铝、钽、铌和氮化钛铌中的至少一种。

参照图3B，在步骤二中，在所述第一比特电极31上形成覆盖所述第一比特电极31的介质层33。在一个示例中，介质层33包括硅氧化物(例如二氧化硅)、硅氮化物(例如四氧化三硅)中的至少一种。

参照图3C，在步骤三中，在所述介质层33上形成延伸且与所述地电极20接触电连接的第二比特电极32。在一个示例中，第二比特电极32包括铝、钽、铌和氮化钛铌中的至少一种。如此，第一比特电极31、第二比特电极32、介质层33三者构成一介质电容器30。

参照图3D，在步骤四中，在所述间隙中形成分别与所述第一比特电极31和所述地电极20接触电连接的超导金属结构40。

图5A至图5C是根据本发明的实施例的超导金属结构40的制程图。参照图5A，首先，在所述间隙中形成仅与所述第一比特电极31接触电连接的第一超导金属线41；其次，在所述第一超导金属线41上形成覆盖所述第一超导金属线41的氧化层43；最后，在所述氧化层43上和所述地电极20上形成仅与所述地电极20接触电连接的第二超导金属线42。

综上所述，根据本发明的实施例的超导量子比特结构及其制作方法，能够大幅度减小超导量子比特结构中电容电极的面积，从而利于集成小型化。

进一步地，本发明的超导量子比特结构具有较好的电磁屏蔽环境，能够有效的减小多比特环境下比特之间的电磁串扰。这是因为在多比特环境下，需要同时利用电磁波操控多个比特，而分布在空间中的电磁波会互相串扰。由于本发明中量子比特结构的特殊性，部分地电极覆盖在量子比特电极的上方，从而形成了天然屏障，可有效的屏蔽空间中的电磁场，减小各比特间的电磁串扰。

上述对本发明的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。

在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。

本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (8)

1.一种超导量子比特结构，其特征在于，所述超导量子比特结构包括：

衬底；

地电极，设置于所述衬底上；

第一比特电极，设置于所述衬底上，且与所述地电极之间具有间隙；

介质层，覆盖于所述第一比特电极上；

第二比特电极，设置于所述介质层上，且延伸并与所述地电极接触电连接；

超导金属结构，设置于所述间隙中，且分别与所述第一比特电极和所述地电极接触电连接；

其中，所述超导金属结构包括：

第一超导金属线，设置于所述间隙中，且仅与所述第一比特电极接触电连接；

氧化层，覆盖于所述第一超导金属线的背向所述衬底的表面和背向所述第一比特电极的表面上；

第二超导金属线，设置于所述氧化层上且仅与所述地电极接触电连接，从而所述第二超导金属线跨设在所述第一超导金属线与所述地电极之间的间隔上。

2.根据权利要求1所述的超导量子比特结构，其特征在于，所述氧化层的厚度为0.1nm～10nm。

3.根据权利要求1所述的超导量子比特结构，其特征在于，所述地电极围绕所述第一比特电极。

4.根据权利要求1或3所述的超导量子比特结构，其特征在于，所述地电极、所述第一比特电极、所述第二比特电极、所述第一超导金属线和所述第二超导金属线包括铝、钽、铌和氮化钛铌中的至少一种。

5.一种超导量子比特结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

在衬底上制作形成彼此之间具有间隙的地电极和第一比特电极；

在所述第一比特电极上形成覆盖所述第一比特电极的介质层；

在所述介质层上形成延伸且与所述地电极接触电连接的第二比特电极；

在所述间隙中形成分别与所述第一比特电极和所述地电极接触电连接的超导金属结构；

其中，所述在所述间隙中形成分别与所述第一比特电极和所述地电极接触电连接的超导金属结构的方法包括：

在所述间隙中形成仅与所述第一比特电极接触电连接的第一超导金属线；

在所述第一超导金属线上形成覆盖所述第一超导金属线的背向所述衬底的表面和背向所述第一比特电极的表面的氧化层；

在所述氧化层上和所述地电极上形成仅与所述地电极接触电连接的第二超导金属线，所述第二超导金属线跨设在所述第一超导金属线与所述地电极之间的间隔上。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述在衬底上制作形成彼此之间具有间隙的地电极和第一比特电极的方法包括：

在所述衬底上形成金属薄膜层；

对所述金属薄膜层进行图案化处理，以形成围绕所述第一比特电极的所述地电极。

7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为0.1nm～10nm。

8.根据权利要求5或6所述的制作方法，其特征在于，所述地电极、所述第一比特电极、所述第二比特电极、所述第一超导金属线和所述第二超导金属线包括铝、钽、铌和氮化钛铌中的至少一种。

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