CN219812425U - 一种超导电路结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超导电路结构，属于微电子电路技术领域。针对相关技术中约瑟夫森结由于环境改变带来的温度湿度及其它影响因素的干扰，而导致电学参数的改变甚至损坏的问题，本申请提供的超导电路结构包括至少一个约瑟夫森结，以及位于约瑟夫森结上的保护膜，通过保护膜使约瑟夫森结与外部环境隔绝，实现了对约瑟夫森结的保护，提高了电学参数的稳定性，确保约瑟夫森结的电学参数不易因工艺环境的改变而波动。

Description

一种超导电路结构

技术领域

本申请属于微电子电路技术领域，特别地，本申请涉及一种超导电路结构。

背景技术

约瑟夫森结具有诸多用处，例如，基于约瑟夫森结的超导体系的量子芯片，因具有可扩展性好、门操作保真度高等优点被认为是实现量子计算最有前景的体系之一。作为超导量子芯片的关键元件，约瑟夫森结是一种三层薄膜构成的结构，该结构由两层超导金属，如铌膜或者铝膜，中间夹一层势垒层(通常是一层很薄的氧化膜)，形成S(超导体)-I(半导体或绝缘体)-S(超导体)的三层结构。在超导量子芯片中，量子比特电路包括对地电容、与电容并联的闭环装置、以及控制信号线，该闭环装置由两个约瑟夫森结并联构成。

在制备量子芯片时，先制备获得约瑟夫森结，然后还需要经其他工序，例如，倒装焊工序、键合工序等。该过程使约瑟夫森结所处环境发生改变，这种改变常常造成约瑟夫森结由于温度、湿度及其它影响因素的干扰，而造成电学参数的改变甚至损坏，进而导致量子芯片整体报废。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种超导电路结构，确保约瑟夫森结的电学参数不易因工艺环境的改变而波动。

本申请的一个实施例提供了一种超导电路结构，包括：至少一个约瑟夫森结；以及，位于约瑟夫森结上的保护膜。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，所述约瑟夫森结包括第一超导电极和第二超导电极，且所述第一超导电极和所述第二超导电极形成弱连接。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，所述第一超导电极和所述第二超导电极形成弱连接的结构形式包括：

所述第一超导电极和所述第二超导电极形成点接触；或者，

所述第一超导电极和所述第二超导电极间隔有势垒层。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，所述势垒层包括绝缘层。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，所述绝缘层形成于所述第一超导电极的表面。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，所述保护膜包括位于所述第一超导电极和所述第二超导电极上的氧化膜。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，位于所述第一超导电极上的氧化膜的厚度不超过所述第一超导电极厚度的十分之一，和/或位于所述第二超导电极上的氧化膜的厚度不超过所述第二超导电极厚度的十分之一。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，所述约瑟夫森结的一端连接电容极板，另一端连接接地极板。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，所述约瑟夫森结的一端连接一电容极板，另一端连接另一电容极板。

如上所述的超导电路结构，在一些实施方式中，各所述约瑟夫森的电阻不相同。

与现有技术相比，本申请提供的超导电路结构，包括至少一个约瑟夫森结，以及位于约瑟夫森结上的保护膜，通过保护膜使约瑟夫森结与外部环境隔绝，实现了对约瑟夫森结的保护，提高了电学参数的稳定性，确保约瑟夫森结的电学参数不易因工艺环境的改变而波动。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的一种超导电路结构的示意图；

图2为本申请另一个实施例提供的一种超导电路结构的示意图；

图3为本申请一个实施例提供的约瑟夫森结区域的放大示意图。

附图标记说明：

1－衬底，2－约瑟夫森结，3－保护膜，4－接地极板，5－第一电容极板，6－第二电容极板，7－第一连接部，8－第二连接部，

21－第一超导电极，22－势垒层，23－第二超导电极。

具体实施方式

以下详细描述仅是说明性的，并不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，无意受到前面的“背景技术”或“发明创造内容”部分或“具体实施方式”部分中呈现的任何明示或暗示信息的约束。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，现在参考附图描述一个或多个实施例，其中，贯穿全文相似的附图标记用于指代相似的组件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的更透彻的理解。然而，很明显，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，应该理解的是，当层(或膜)、区域、图案或结构被称作在衬底、层(或膜)、区域和/或图案“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。

量子比特为一个遵循量子力学规律的二能级系统，可以处于0和1的任意叠加状态，是量子计算的基本单元。根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。

超导体系的量子计算是目前进展最快最好的一种固体量子计算实现方法。由于超导量子电路的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，电路的设计定制的可控性强。同时，得益于基于现有的成熟集成电路工艺，超导量子电路具有多数量子物理体系难以比拟的可扩展性。

超导体系中，作为量子芯片基本单元的量子比特电路，其核心部分是具有约瑟夫森效应的元件，又叫约瑟夫森结(Josephson junction)。约瑟夫森结常用的一种结构形式是在衬底上形成的超导层－势垒层－超导层的三层层叠结构，约瑟夫森结的两端(两超导层)通常需要和其他超导元件连接，势垒层的厚度一般为纳米量级，在两超导层之间起弱连接的作用，当温度足够低时，超导层能够以非常快的速度通过势垒层交换成对的电子。在制备量子芯片时，获得约瑟夫森结后还需要经其他工序处理，这导致了约瑟夫森结所处环境的改变，这种改变常常造成温度湿度及其它影响因素波动，进而造成约瑟夫森结的电学参数发生改变甚至损坏，最终有可能导致量子芯片整体报废。

图1为本申请一个实施例提供的一种超导电路结构的示意图。

图2为本申请另一个实施例提供的一种超导电路结构的示意图。

图3为本申请一个实施例提供的约瑟夫森结区域的放大示意图。

参照图1至图3所示，本申请的一个实施例提供了一种超导电路结构，包括：至少一个约瑟夫森结2，以及位于约瑟夫森结2上的保护膜3。通过保护膜3使约瑟夫森结2与外部环境隔绝，实现了对约瑟夫森结2的保护，提高了电学参数的稳定性，确保约瑟夫森结2的电学参数不易因工艺环境的改变而波动。

本申请实施例中，可以是基于现有的成熟集成电路工艺，在衬底1上形成超导电路结构，衬底1可以采用诸如硅或蓝宝石的介电衬底。

在一些实施例中，所述约瑟夫森结2包括第一超导电极21和第二超导电极23，且所述第一超导电极21和所述第二超导电极23形成弱连接，弱连接的第一超导电极21和第二超导电极23具有约瑟夫森效应而形成约瑟夫森结2，所述约瑟夫森结2为隧道结、点接触、或者其他具有约瑟夫森效应的结构。所述第一超导电极21和所述第二超导电极23可以由在等于或低于临界温度的温度时展现超导特性的超导体材料形成，例如铝、铌或氮化钛等等，具体实施时不限于这几种，在等于或低于临界温度的温度时展现超导特性的材料均可。

在一些实施例中，所述第一超导电极21和所述第二超导电极23形成弱连接的结构形式包括：所述第一超导电极21和所述第二超导电极23形成点接触，点接触的目的是减小两电极的接触面以便于形成量子遂穿，示例性的，点接触可以是不大于100nm²的接触面。在另一些实施例中，所述第一超导电极21和所述第二超导电极23形成弱连接的结构形式包括：所述第一超导电极21和所述第二超导电极23间隔有势垒层22，具体实施时，所述势垒层22可以采用绝缘层的形式，该绝缘层可以是在所述第一超导电极21的表面形成的氧化物层。

在一些实施例中，所述保护膜3包括在所述第一超导电极21的表面和所述第二超导电极23的表面形成的氧化膜。在一些实施例中，在所述第一超导电极21上的所述氧化膜，其厚度不超过所述第一超导电极21厚度的十分之一。在一些实施例中，在所述第二超导电极23上的所述氧化膜，其厚度不超过所述第二超导电极23厚度的十分之一。以第二超导电极23为例，具体实施时，第二超导电极23的厚度为100nm左右，氧化膜厚度则不超过10nm。在形成第二超导电极23后直接进行氧化工艺，例如，在密闭腔室内、特定氧化气压和氧化时间下获得该氧化膜，稳定的氧化条件使得氧化膜均匀一致、厚度可控，并具有较优良的致密性，这使约瑟夫森结2获得稳定的保护的同时性能参数也稳定，第二超导电极23的厚度为100nm左右时，获得的氧化膜可以是3nm、5nm或8nm。需要说明的是，在所述势垒层22采用在所述第一超导电极21的表面形成的氧化物层时，在所述第一超导电极21表面的氧化膜可以至少有一部分是和势垒层22同步制备，例如，在形成所述第一超导电极21后直接进行氧化工艺形成氧化物层，该氧化物层位于第一超导电极21和第二超导电极23交叠的部分为势垒层22，该氧化物层的其他部分用作氧化膜的一部分或全部。若是作为位于第一超导电极21上的氧化膜的一部分，该氧化膜的其他部分，可以在形成第二超导电极23后再次进行的氧化工艺获得。

在一些实施例中，所述约瑟夫森结2的一端连接第一电容极板5，另一端连接接地极板4，接地极板4可以由在等于或低于临界温度的温度时展现超导特性的超导体材料形成。第一电容极板5不直接连接接地极板4，而是与接地极板4之间具有合适的间隙，间隙的物理尺寸根据性能参数的需要进行设计确定，需要说明的，第一电容极板5与接地极板4之间形成电容C₁，可以根据超导电路结构需要的性能参数计算确定电容C₁的值进而计算确定出第一电容极板5和接地极板4的物理尺寸。

在另一些实施例中，所述约瑟夫森结2的一端连接第一电容极板5，另一端连接第二电容极板6，两电容极板与接地极板4间隔开并具有合适的间隙。在本申的请实施例中，约瑟夫森结2与接地极板4没有直接的物理接触，避免在工艺制备、测试过程中对接地极板4的操作而造成约瑟夫森结2发生损坏的情况，并且相对于单个对地电容的结构，与接地极板4形成电容的电容极板的物理尺寸更大，二维排布时衬底上预留给布线的空间更大，可以容置读取谐振腔和调控信号线等结构。

在一些实施例中，该超导电路结构包括至少两个约瑟夫森结2，且各所述约瑟夫森结2的电阻不相同，以此获得非对称结构使该超导电路结构的频谱具有至少两个磁通量不敏感点。为了确保约瑟夫森结2与其他元件建立良好的电性连接，本申请实施例借助额外形成的连接部连接约瑟夫森结2和该其他元件，示例性的，通过第一连接部7连接约瑟夫森2的第二超导电极23和第二电容极板6，通过第二连接部8连接约瑟夫森2的第一超导电极21和第一电容极板5。本申请提供的超导电路结构，每个约瑟夫森结2均为超导层－绝缘层－超导层的层叠结构，可以沉积第一层超导体材料以形成约瑟夫森结的第一超导电极21，然后在第一超导电极21的部分区域氧化以形成势垒层22，然后可以沉积第二层超导体材料以形成约瑟夫森结2的第二超导电极23，从而获得超导层－绝缘层－超导层的层叠结构。示例性的，为了方便同步制备多个约瑟夫森结，降低工艺难度，约瑟夫森结2均为同向结构，即多个约瑟夫森结2的第一超导电极21、势垒层22、第二超导电极23的延伸方向对应相同，多个约瑟夫森结2的第一超导电极21、势垒层22、第二超导电极23的层叠次序也相同。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超导电路结构，其特征在于，包括：

至少一个约瑟夫森结，所述约瑟夫森结包括形成弱连接的第一超导电极和第二超导电极，且所述弱连接的结构形式包括：所述第一超导电极和所述第二超导电极形成点接触，或者所述第一超导电极和所述第二超导电极间隔有势垒层；以及，

位于约瑟夫森结上的保护膜，所述保护膜包括氧化膜，且所述氧化膜位于所述第一超导电极和所述第二超导电极上。

2.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述势垒层包括绝缘层。

3.根据权利要求2所述的超导电路结构，其特征在于，所述绝缘层形成于所述第一超导电极的表面。

4.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，位于所述第一超导电极上的氧化膜的厚度不超过所述第一超导电极厚度的十分之一，和/或位于所述第二超导电极上的氧化膜的厚度不超过所述第二超导电极厚度的十分之一。

5.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述约瑟夫森结的一端连接电容极板，另一端连接接地极板。

6.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，所述约瑟夫森结的一端连接一电容极板，另一端连接另一电容极板。

7.根据权利要求1所述的超导电路结构，其特征在于，各所述约瑟夫森结的电阻不相同。