JP2023517503A - 量子ビット・アプリケーションのための全半導体ジョセフソン接合デバイス - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態によれば、量子機械的デバイスがモノリシック結晶構造を含む。モノリシック結晶構造は、第１の超伝導領域を設けるようにドープされた第１の領域と、第２の超伝導領域を設けるようにドープされた第２の領域とを含み、第２の超伝導領域は、非ドープ結晶領域によって第１の超伝導領域から分離される。第１および第２の超伝導領域ならびに非ドープ結晶領域がジョセフソン接合を形成する。

Description

ここで特許請求される本発明の実施形態は、量子機械的デバイスに関し、より詳細には、量子ビット・アプリケーションのための全半導体ジョセフソン接合デバイスに関する。

ジョセフソン接合量子ビットのコヒーレンス時間は一般に短く、恐らくは処理ステップの数および欠陥のある材料の使用に関係付けられる。たとえば、ジョセフソン接合誘電体を形成するために酸化アルミニウムが一般に使用される。しかしながら、酸化アルミニウムは、ジョセフソン接合量子ビットに結合し得るオープン構造を有することが知られており、量子ビット・コヒーレンス時間が減少する。ジョセフソン接合デバイスでのコヒーレンス時間を改善するための材料および方法が求められている。

本発明の一実施形態によれば、量子機械的デバイスはモノリシック結晶構造を含む。モノリシック結晶構造は、第１の超伝導領域を設けるようにドープされた第１の領域と、第２の超伝導領域を設けるようにドープされた第２の領域とを含み、第２の超伝導領域は、非ドープ結晶領域によって第１の超伝導領域から分離される。第１および第２の超伝導領域ならびに非ドープ結晶領域がジョセフソン接合を形成する。

本発明の一実施形態によれば、量子機械的デバイスを製造する方法は、結晶性基板を設けることと、結晶性基板の第１および第２の領域をドープして、第１および第２の超伝導領域を形成すると共に、第１の超伝導領域と第２の超伝導領域との間の領域を非ドープ結晶領域として確保することとを含む。第１および第２の超伝導領域ならびに非ドープ結晶領域がジョセフソン接合を形成する。

本発明の一実施形態によれば、量子機械的デバイスを製造する方法は、結晶性基板を設けることと、結晶性基板の第１および第２の領域にドーパントを注入することとを含み、第１および第２の領域が非ドープ結晶領域によって分離される。この方法は、第１および第２の領域をアニーリングして、第１および第２の超伝導領域を形成することを含む。アニーリングは、ドーパントを非ドープ結晶領域内に横方向に向かわせて、導電領域を形成することを含む。第１および第２の超伝導領域ならびに導電領域がジョセフソン接合を形成する。

本発明の一実施形態による量子機械的デバイスの平面視の概略図である。 本発明の一実施形態による量子機械的デバイスの断面視の概略図である。 本発明の一実施形態による横方向ドーパント濃度プロファイルの概略図である。 本発明の一実施形態による、１対のコンデンサを含む量子機械的デバイスの概略図である。 本発明の一実施形態による、量子機械的デバイスを製造する方法３００を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による、キャッピング層がその上に形成された基板の断面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、キャッピング層の頂面に形成された、パターン形成されたレジストを有する、基板およびキャッピング層の平面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、キャッピング層の頂面に形成された、パターン形成されたレジストを有する、基板およびキャッピング層の断面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、基板、キャッピング層、およびレジストの平面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、基板、キャッピング層、およびレジストの断面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、レジストが取り除かれた後の、基板およびエッチングされたキャッピング層の平面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、レジストが取り除かれた後の、基板およびエッチングされたキャッピング層の断面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、基板およびキャッピング層上で吸収または注入されたドーパントの層を有する、基板およびエッチングされたキャッピング層の平面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、基板およびキャッピング層上で吸収または注入されたドーパントの層を有する、基板およびエッチングされたキャッピング層の断面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、第１および第２の領域が注入およびアニーリングされ、第１の超伝導領域および第２の超伝導領域が形成された基板の平面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、第１および第２の領域が注入およびアニーリングされ、第１の超伝導領域および第２の超伝導領域が形成された基板の断面視の概略図である。 リフトオフ・レジストの第１の層および第２の層がその上に形成された基板の平面視の概略図である。 リフトオフ・レジストの第１の層および第２の層がその上に形成された基板の断面視の概略図である。 超伝導材料がその上に堆積した基板の平面視の概略図である。 超伝導材料がその上に堆積した基板の断面視の概略図である。 基板の第１の超伝導領域と接触する第１の超伝導ワイヤと、基板の第２の超伝導領域と接触する第２の超伝導ワイヤとを有する基板の平面視の概略図である。 基板の第１の超伝導領域と接触する第１の超伝導ワイヤと、基板の第２の超伝導領域と接触する第２の超伝導ワイヤとを有する基板の断面視の概略図である。 本発明の一実施形態による、量子機械的デバイスを製造する方法を示すフローチャートである。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明の一実施形態による量子機械的デバイス１００の平面視および断面視の概略図である。量子機械的デバイス１００はモノリシック結晶構造１０２を含む。モノリシック結晶構造１０２は、第１の超伝導領域１０４を設けるようにドープされた第１の領域と、第２の超伝導領域１０６を設けるようにドープされた第２の領域とを含む。第２の超伝導領域１０６は、非ドープ結晶領域１０８によって第１の超伝導領域１０４から分離される。第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６ならびに非ドープ結晶領域１０８がジョセフソン接合を形成する。

図１Ｃは、第１の超伝導領域１０４、非ドープ結晶領域１０８、および第２の超伝導領域１０６にわたる横方向ドーパント濃度プロファイルの概略図である。濃度レベル１１３は、ドーパント－半導体合金が超伝導性となるドーパント濃度である。Ｓｉ：Ｂでは、このレベルは約２原子百分率（ａｔ．％）、または同等には１ｅ２１ｃｍ^－３以上である。濃度レベル１１４は、ドープされた半導体が低温で永続的な金属型の導電率を示すドーパント濃度である。Ｓｉ：Ｂでは、このレベルは約０．００８ａｔ．％、または同等には４ｅ１８ｃｍ^－３以上である。「低温」という用語は、量子機械的デバイス１００の動作温度を指すことがある。

層１０４と層１０８との間の遷移界面領域は、ドーパント濃度がそれぞれ濃度レベル１１３および１１４を横切る、１０４’および１０８’と符号が付けられた２つの境界を有する。境界１０４’の左側に位置する領域１０４は、低温で超伝導性である。境界１０８’の右側に位置する領域１０８は、低温で絶縁性である。境界１０４’と境界１０８’との間の領域は、低温で導電性のままであり、有限の導電率を有する。同様に、遷移界面領域が層１０８と層１０６との間に存在し、ドーパント濃度がそれぞれ濃度レベル１１３および１１４を横切る、１０８’’および１０６’と符号が付けられた２つの境界を有する。境界１０６’の右側に位置する領域１０６は、低温で超伝導性である。境界１０８’’と境界１０６’との間の領域は、低温で導電性のままであり、有限の導電率を有する。

層１０４と層１０８の間、および層１０８と層１０６との間の遷移界面領域は、最小限の厚さに抑えられ得る。このことは、左側および右側遷移領域についての、１１５および１１６と符号が付けられたドーパント濃度プロファイルの急激性を増大させることで達成される。ドーパント濃度プロファイルの急激性は、ｎｍ／ｄｅｃａｄｅ単位のドーパント空間的減衰で表される。濃度ドーパント・プロファイルの急激性が高いと、ｎｍ／ｄｅｃａｄｅ数が低くなる。いくつかの実施形態によれば、ドーパント濃度プロファイルは１ｎｍ／ｄｅｃａｄｅ未満の急激性を有する。

「非ドープ結晶領域」という用語は、本明細書では、導電率が低温でゼロとなり、絶縁体となる、十分に低いドーピングを有する半導体を示すために使用され得る。このことは、ドーピング・レベルが金属－絶縁体（Ｍｏｔｔ）遷移の臨界値未満である、通常のドープされた半導体では自然に生じる。Ｍｏｔｔ遷移は、ドーパント軌道関数（dopant orbital）が重複し、低温で永続する金属型導電率を有するサブバンドを形成する所である。Ｓｉ：Ｂシステムでは、Ｍｏｔｔ遷移は約４ｅ１８ｃｍ^－３で生じる。したがって、本発明のいくつかの実施形態による非ドープ結晶領域は、４ｅ１８ｃｍ^－３未満のＢを有するＳｉ層である。

「モノリシック結晶構造」という用語は、本明細書では、単一の材料から形成された基板を示すために使用され得、基準基板と、基準基板の頂面に堆積する他の材料の層とを含み、段階的に基板を形成する基板ではない。モノリシック結晶構造は、基板の領域内に様々な材料を組み込むようにドープされ、または合金にされ得る。モノリシック結晶構造は、半導体結晶面と、高濃度にドープされたときに低温で超伝導性を示す半導体から作製された２つ以上の部分とを有する任意の適切な基板であり得る。基板は、絶縁層、他の半導体構造、他の金属構造、およびコンデンサ、インダクタ、事前構築済みトランジスタ、回路などの他の有用なデバイスを含み得る。いくつかの実施形態による基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、ダイヤモンド（Ｃ）などの超伝導性を示す半導体から作製されたバルク半導体基板であり得る。

本発明のいくつかの実施形態によれば、モノリシック結晶構造１０２は非ドープ結晶性Ｓｉを含み、第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６は超伝導Ｓｉを含む。いくつかの実施形態によれば、第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６はＢドープされたＳｉを含む。いくつかの実施形態によれば、第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６はＧａドープされたＳｉを含む。いくつかの実施形態によれば、モノリシック結晶構造１０２は非ドープ結晶性Ｇｅを含み、第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６は、ＧａドープされたＧｅまたはＡｌドープされたＧｅを含む。最高の量の準安定ドーパント－半導体化合物は１０～３０ａｔ．％程度であり得る。より具体的には、最高の量の準安定ドーパント－半導体化合物は、Ｇｅ中のＧａおよびＡｌでは約１０ａｔ．％、Ｓｉ中のＢでは２０ａｔ．％であり得る。いくつかの実施形態では、第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６はｐ型超伝導ＳｉまたはＧｅを含む。いくつかの実施形態によれば、第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６は結晶性である。いくつかの実施形態によれば、第１の超伝導領域１０４は、非ドープ結晶領域１０８によって第２の超伝導領域１０６から横方向に分離される。

本発明のいくつかの実施形態によれば、モノリシック結晶構造１０２は、上面１１０と、上面の反対側の下面１１２とを含む。図１Ａに示されるように、第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６ならびに非ドープ結晶領域１０８はそれぞれ、モノリシック結晶構造１０２の上面１１０と同一平面上にある上面を含み得る。

図２は、本発明の一実施形態による量子機械的デバイス２００の概略図である。量子機械的デバイス２００は、モノリシック結晶構造２０２、第１の超伝導領域２０４、第２の超伝導領域２０６、および非ドープ結晶領域２０８を含む。量子機械的デバイス２００は、第１の超伝導領域２０４と接触する、モノリシック結晶構造２０２の表面上に配設された超伝導ワイヤ２１４を含む。超伝導ワイヤ２１４は、第１の超伝導領域２０４とは異なる超伝導材料を含み得る。たとえば、超伝導ワイヤ２１４はＮｉ、Ａｌ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、Ｔｉ、またはＶを含み得る。いくつかの実施形態による量子機械的デバイス２００は、第２の超伝導領域２０６と接触する、モノリシック結晶構造２０２の表面上に配設された第２の超伝導ワイヤ２１６を含む。量子機械的デバイス２００は、最初に述べた超伝導ワイヤ２１４と接触する第１のコンデンサ２１８と、第２の超伝導ワイヤ２１６と接触する第２のコンデンサ２２０とを含み得る。量子機械的デバイス２００は、たとえばジョセフソン接合量子ビットであり得る。

図３は、本発明の一実施形態による量子機械的デバイスを製造する方法３００を示すフローチャートである。方法３００は、結晶性基板を設けること（３０２）と、結晶性基板の第１および第２の領域をドープして、第１および第２の超伝導領域を形成すると共に、第１の超伝導領域と第２の超伝導領域との間の領域を非ドープ結晶領域として確保することとを含み、第１および第２の超伝導領域ならびに非ドープ結晶領域がジョセフソン接合を形成する（３０４）。

図４～９Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、量子機械的デバイスを形成するための例示的プロセスを概略的に示す。図４は基板４００の断面視の概略図である。基板４００は、たとえば結晶性基板であり得る。基板４００は、たとえば非ドープＳｉ基板または低濃度にドープされたＳｉ基板であり得る。量子機械的デバイスを形成するためのプロセスは、基板４００の第１および第２の領域をドープして、第１および第２の超伝導領域を形成すると共に、第１の超伝導領域と第２の超伝導領域との間の領域を非ドープ結晶領域として確保することを含む。第１および第２の領域をドープするためのプロセスは、基板４００上にキャッピング層４０２を形成することを含み得る。キャッピング層４０２は、たとえばＳｉＯ_２を含み得る。

プロセスは、キャッピング層上にレジストを堆積させることと、レジストをパターン形成することとを含み得る。図５Ａおよび５Ｂは、キャッピング層５０２の頂面に形成された、パターン形成されたレジスト５０４を有する、基板５００およびキャッピング層５０２の平面視および断面視の概略図である。パターン形成されたレジスト５０４はキャッピング層５０２の２つの部分を露出させる。

プロセスは、キャッピング層をエッチングして、モノリシック結晶構造の第１の部分および第２の部分を露出させることを含み得る。図６Ａおよび６Ｂは、基板６００、キャッピング層６０２、およびレジスト６０４の平面視および断面視の概略図である。エッチングされたキャッピング層６０２は、第１および第２の超伝導領域が形成される、基板６００の第１の部分６０６および第２の部分６０８を露出させる。キャッピング層６０２は、たとえば化学的酸化物除去（ＣＯＲ）または希釈フッ化水素酸溶液（ＤＨＦ）を使用してエッチングされ得る。レジスト６０４は、第１の部分６０６と第２の部分６０８との間のキャッピング層６０２の部分６１０のサイズを削減するためにアンダーカットされる。部分６１０はサブリソグラフィック・サイズまで削減され得る。たとえば、部分６１０は５ｎｍ未満の幅を有し得る。いくつかの実施形態によれば、部分６１０は３ｎｍ以下の幅を有し得る。ジョセフソン接合デバイスの周波数が、部分６１０のイメージ・サイズを調節することによって同調され得る。部分６１０は、本明細書では酸化物マンドレルと呼ばれることがある。いくつかの実施形態では、酸化物マンドレル６１０の幅は、以下で詳述するように次のプロセス・ステップで実施される注入横方向散在またはドーパント拡散あるいはその両方に対処するようにより広く作製され得る。いくつかの例では、酸化物マンドレルの幅は、マンドレルのそれぞれの側から５～６ｎｍのドーパント注入散在および拡散に対処するように１５ｎｍであり得る。

プロセスはレジストを取り除くことを含み得る。図７Ａおよび７Ｂは、レジストが取り除かれた後の、基板７００およびエッチングされたキャッピング層７０２の平面視および断面視の概略図である。

ドーピング・プロセスは、結晶性基板の第１および第２の領域にドーパントを注入することを含み得る。ドーピング・プロセスはまた、結晶性基板の第１および第２の領域内でドーパントを吸収することと、第１および第２の領域をアニーリングすることとを含み得る。図８Ａおよび８Ｂは、基板８００およびキャッピング層８０２上での注入または吸収あるいはその両方が行われたドーパントの層８０４を有する、基板８００およびエッチングされたキャッピング層８０２の平面視および断面視の概略図である。ドーパントは、たとえばＢ、Ａｌ、またはＧａであり得る。基板８００およびキャッピング層８０２内へのドーパント８０４の注入または吸収あるいはその両方が行われた後に、基板８００がアニーリングされ、低温で超伝導性を示す第１の領域８０６および第２の領域８０８が形成され得る。たとえば、注入はイオン・ビーム注入またはプラズマ浸漬注入を含み得る。代替として、ドーピングを吸収するプロセスは、ガス浸漬レーザ・ドーピングを利用し得る。代替として、ドーピング・プロセスは、格子整合結晶性基板（lattice-matched crystalline substrate）上のドープされたＳｉまたはＧｅの選択的エピタキシャル成長を含み得る。選択的エピタキシャル成長はまた、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を使用して、露出した基板８００内の領域８０６／８０８をくぼませることと、くぼんだ領域をドープされたエピタキシャル材料で埋め戻すこととを含み得る。ドーピング・プロセスはその後に、レーザ・アニーリングして、低温で超伝導性を示す、高度に活性化された高濃度にドープされた領域８０６／８０８を形成することが続き得る。ガス浸漬レーザ・ドーピングのケースでは、ドーパントの吸収と、レーザ溶融アニーリングが同時に実施され、ドーパントが、レーザ・アニーリング中に、溶融した基板表面内に吸収され、表面凝固中に活性化される。代替として、ドーパントの固体源が、露出した基板８００の上に堆積され、次いでレーザ溶融アニーリング中に領域８０６／８０８内に吸収され得る。

「エピタキシャル成長および／または堆積」ならびに「エピタキシャル形成され、かつ／または成長した」という用語は、半導体材料（結晶性材料）の、別の半導体材料（結晶性材料）の堆積表面上の成長を意味し、成長中の半導体材料（結晶性オーバ層）は、堆積表面（シード材料）の半導体材料とほぼ同一の結晶特性を有する。エピタキシャル堆積プロセスでは、ソース・ガスによって与えられる化学反応物が制御され得、堆積する原子が半導体基板の堆積面上で動き回るのに十分なエネルギーで表面に到達するようにシステム・パラメータが設定され得、したがって、堆積する原子は、それ自体で堆積面の原子の結晶配列に順応する。エピタキシャル成長した半導体材料は、エピタキシャル成長した材料が形成される堆積面とほぼ同一の結晶特性を有し得る。たとえば、シリコンの＜１００＞配向結晶面上に堆積した、エピタキシャル成長した半導体材料は、シリコンと同様の原子配列および間隔で＜１００＞配向を呈し得る。本発明のいくつかの実施形態では、エピタキシャル成長プロセスまたは堆積プロセスあるいはその両方は、半導体表面上形成するように選択的であり得、二酸化シリコン表面や窒化シリコン表面などの他の露出面上に材料を堆積させ、または堆積させないことがある。

本発明のいくつかの実施形態では、半導体材料のエピタキシャル堆積のためのガス源は、シリコン含有ガス源、ゲルマニウム含有ガス源、炭素含有源、またはそれらの組合せを含む。たとえば、シリコン層は、シラン、ジシラン、トリシラン、テトラシラン、ヘキサクロロジシラン、テトラクロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、メチルシラン、ジメチルシラン、エチルシラン、メチルジシラン、ジメチルジシラン、ヘキサメチルジシラン、およびそれらの組合せからなるグループから選択されるシリコン・ガス源からエピタキシャル堆積または成長し得る。ゲルマニウム層は、ゲルマン、ジゲルマン、ハロゲルマン、ジクロロゲルマン、トリクロロゲルマン、テトラクロロゲルマン、およびそれらの組合せからなるグループから選択されるゲルマニウム・ガス源からエピタキシャル堆積し得る。炭素（ダイヤモンド）層が、メタン、エチレン、アセチレン、プロパン、イソブタン、およびそれらの組合せからなるグループから選択される炭素ガス源からエピタキシャル堆積し得る。シリコン・ゲルマニウム合金または炭化ケイ素層が、そのようなガス源の組合せを利用してエピタキシャル形成され得る。水素、窒素、ヘリウム、アルゴンなどのキャリア・ガスが使用され得る。本発明のいくつかの実施形態では、エピタキシャル半導体材料は、ホウ素、アルミニウム、またはガリウムを用いたｉｎ－ｓｉｔｕドーピングを含む。このケースでは、Ｂ、Ａｌ、またはＧａに対するガス状前駆物質（gaseous precursor）がガス混合物に加えられる。こうしたドーパント・ガス源は、ホウ素に対するジボラン、アルミニウムに対するトリメチルアルミニウムＴＭＡ、およびガリウムに対するトリメチルガリウムＴＭＧを含む。

浅いイオン注入やｉｎ－ｓｉｔｕエピタキシャル成長などのいくつかの適切な技術が、ｐ型ドーパントで半導体層を高濃度にドープするために使用され得る。本明細書では、「高濃度にドープされた」とは、ドーパントの原子濃度が１０^２１ｃｍ^－３（約２原子百分率と同等）を超え得ること意味する。本発明のいくつかの実施形態では、ドーパント濃度は、２原子百分率から３０原子百分率の範囲に及び、たとえば１０原子百分率である。ナノ秒アニールなどの高速アニールが、高濃度にドープされた半導体層を所望の深さまで溶融するように同調された温度で使用され得る。半導体層の溶融のために、ドーパントが溶融層全体にわたって再分配され、一様な準安定半導体－ドーパント合金となる。得られる合金のドーパントの原子濃度は、ドーパント最大固溶限を超える。ドーパント固溶限（一様に固体半導体に混合され得るドーパントの最高の濃度）は、通常は１～２原子百分率である。ナノ秒スケールのアニールが、それぞれの固溶限を超える濃度でドーパントを液体半導体と混合し、次いで溶液をナノ秒スケールで急冷し、非常に準安定なドーパント－半導体合金を保持することを可能にする。エピタキシャル成長したＳｉまたはＧｅ半導体が、半導体ホスト内の最大固溶度に応じてｐ型ドーパント（たとえば、Ｂ、Ｇａ、Ａｌ）を加えることによってドープされ得る。Ｓｉホストでは、Ｓｉ内の高い固溶度のためにホウ素が好ましいことがあり、Ｇｅホストでは、Ｇｅ内の高い固溶度のためにＧａまたはＡｌが好ましいドーパントであり得る。半導体層は、たとえばｉｎ－ｓｉｔｕドープト・エピタキシ（堆積中のドーピング）、注入およびプラズマ・ドーピング、またはガス浸漬レーザ・ドーピングとも呼ばれるナノ秒アニール中のドーピングを含む気相ドーピングなどの様々な方法によってエピタキシャル形成され、ドープされ得る。ｉｎ－ｓｉｔｕドープト・エピタキシは、エピタキシャル成長中にドーパントを取り込むために、Ｂに対してジボランＢ_２Ｈ_６、Ａｌに対してトリメチルアルミニウムＴＭＡ、Ｇａに対してトリメチルガリウムＴＧＡなどのガス状前駆物質を利用する。イオン注入は、^１１Ｂ、^２７Ａｌ、^６９Ｇａ、^７１Ｇａなどの精製イオン化同位体を使用して、選択されたドーパントを露出した基板８００内に所定の線量で所定の深さまで注入する。プラズマ浸漬ドーピングは、Ｂ_２Ｈ_６＋、ＢＦ_３＋、ＢＣｌ_３＋、ＴＧＡ＋、ＴＭＡ＋、およびそれらのイオン化ラジカルなどのイオン化ガス状前駆物質を注入することを含む。ガス浸漬レーザ・ドーピングは、露出した基板８００内にＢを吸収するためにＢ_２Ｈ_６、ＢＦ_３、またはＢＣｌ_３ガス源を使用し得る。レーザ誘導ドーピングのためのドーパント固体源が、露出した基板８００の上でホウ素、アルミニウム、ガリウムなどの純粋な固体材料を使用し得る。こうしたドーピング技術のそれぞれは、下にある半導体材料内に取り込まれ得るドーパントの量および純度に関する限界を有し得る。ドーパントをホスト固体材料内に取り込むことについての化学的限界の１つは、特定のホスト材料内の特定のドーパントについての固溶度と呼ばれる物理量である。

固溶度は周囲温度の関数であり、ホスト材料融点の少し下（たとえば、１００～２００℃下）でピークに達することが多い。Ｓｉベースの半導体では、約１１００～１２５０℃で典型的な最大溶解限度に達し、最大溶解限度は通常、Ｂなどの一般的なドーパントでは２～３原子百分率未満、または同等には１．５×１０^２１ｃｍ^－３である。固溶度は低い周囲温度では低く、したがってＳｉベースの半導体内への一般的なドーパントの一様な取込みは、たとえば約１０００℃で約１ａｔ．％または５×１０^２０ｃｍ^－３を超えない。ｉｎ－ｓｉｔｕドープト・エピタキシは、最大固溶限を超えて成長中のホスト材料内にドーパントを閉じ込めることができ得る。しかしながら、成長中のホスト材料内へのドーパントのそのような非平衡取込みは通常、ドーパント－ホスト対についてのいくつかの最大溶解限度に等しい量を超えない。Ｓｉベースの半導体では、ｉｎ－ｓｉｔｕドープト・エピタキシは、いくつかのドーパントを数ａｔ．％（たとえば、４～６ａｔ．％）まで、または同等には３×１０^２１ｃｍ^－３まで組み込むことができ得る。さらに、そのような非常に準安定な材料を長期間にわたって高い温度で維持することができない。たとえば、そのような材料を６００℃で数秒間保持することにより、通常は１０^２０ｃｍ^－３未満である６００℃でのドーパント溶解限度を超える過剰なドーパントが析出する。ドープされた一様な半導体内のドーパント析出物およびクラスタは、散乱中心として働くことがあり、超伝導デバイス内の量子デコヒーレンスを増大させ得るので、その存在は望ましくないことがある。

イオン注入およびプラズマ・ドーピングはまた、その最大固溶限を超えてドーパントを十分に導入し得るが、注入で損なわれた半導体材料を改善し、注入された材料内にドーパントを拡散および再分配し、ドーパントを格子置換部位（lattice substitutional site）内に配置するために高温アニールを必要とし得る。イオン注入は、炭素、フッ素、塩素、水素、窒素などの不注意によるどんな汚染もない、同位体的に浄化されたドーパントを提供するという利点を有する。汚染および不均質性は、量子ビット・コヒーレンス時間を低減する量子デコヒーレンスに寄与し得るので、望ましくない。イオン注入パラメータは、所定の表面層深さ以内に、所定の濃度レベルまで、選択されたドーパント同位体を注入または配置するように選択される。^１１Ｂ＋をＳｉ内に注入するために、注入エネルギーは、５ｎｍから８０ｎｍまでの注入される表面層を可能にする、２００ｅＶから１０ｋｅＶまでの範囲に及び、注入線量は、１ｅ１５ｃｍ^－２から５ｅ１６ｃｍ^－２までの範囲に及び、１ｅ２１ｃｍ^－３から１ｅ２２ｃｍ^－３までの注入された層内の平均ホウ素濃度を可能にする。ドーパント注入は、基板内の導電率に関して電気的に中性である元素からなる事前アモルファス化注入（ＰＡＩ）の援助を受け得る。ＰＡＩの目的は、露出した結晶を意図的に損ない、またはアモルファス化して、ドーパント・イオン・チャネリングを抑制し、以下で論じるようにドーパント再分配のための境界をセットアップすることである。量子デコヒーレンスに寄与するどんな結晶汚染も避けるために、ＰＡＩ種が基板ネイティブ・イオンとなるように選ばれ、たとえばＳｉ結晶に対してＳｉ＋である。ＰＡＩエネルギーは、アモルファスまたは損なわれた結晶層の一定の深さを設定するように選ばれる。ＰＡＩ線量は、注入される層内の所望のレベルの損傷、たとえばアモルファス化を生み出すように選ばれる。ＰＡＩエネルギーとＰＡＩ線量はどちらも、注入種および基板構成成分に依存する。ＰＡＩは一般にドーパント注入前に実施される。Ｓｉ＋をＳｉ内に注入するために、注入エネルギーは、１０ｎｍから１００ｎｍのアモルファス表面層を可能にする、３ｋｅＶから５０ｋｅＶの範囲に及び、注入線量は、完全なアモルファス化を保証する１ｅ１５ｃｍ^－２から５ｅ１５ｃｍ^－２までの範囲に及ぶ。注入時、ドーパントがアニーリング・プロセスによって再分配され、再分配後により低いドーパント濃度となる。したがって、目標ドーパント注入線量は、ドーパント再分配中のドープされた領域の体積変化を反映すべきである。たとえば、５００ｅＶ注入エネルギーでのＳｉ内への浅い^１１Ｂ＋注入は、７ｎｍの深さのドープされた領域を生成するが、ドーパント再分配時に、ドープされた領域は３０ｎｍの深さとなる。この例では、注入された^１１Ｂ＋線量１．２ｅ１６ｃｍ^－２により、再分配後のホウ素ドーピング・レベル約４ｅ２１ｃｍ^－３または８ａｔ．％となる。注入されたドーパントの再分配は、長期の高温アニールを必要とするので特に困難である。そのようなアニールは過剰なドーパントの析出を引き起こし得、導電率およびデバイス動作に悪影響を及ぼす。

いくつかの実施形態では、超伝導性を示す高濃度にドープされた半導体層を形成するためにレーザ・アニーリングが利用される。本明細書では、「レーザ・アニーリング」という用語は、レーザを利用して処理中の表面で熱を誘導するアニーリング方法を表す。レーザは、コヒーレント放射を放射する電気光学デバイスである。いくつかの実施形態では、典型的なレーザは、定義された波長を有する、細い低発散ビームの光を放射する。いくつかの例では、アニーリング・プロセスのためにレーザを利用する利点は、光が容易に成形され、アニーリング表面の特定のエリア上に集束され、短い露光持続時間で非常に高い放射強度が達成され得ることである。

いくつかの実施形態では、基板表面にわたって集束したレーザ・ビームをラスタ走査することによって短い露光持続時間が達成される。このケースでは、入射強度半値全幅ＦＷＨＭで測定された露光持続時間は、走査方向のビーム幅を走査速度で割ったものである。代替実施形態では、パルス・レーザを利用することによって短い露光持続時間が達成される。このケースでは、製品ダイ全体などの、選択された基板エリアにわたる必要とされるピーク強度を達成するようにレーザ・ビームが成形され、レーザが、Ｑスイッチ・レーザのケースなどのパルス・モードで動作する。強度ＦＷＨＭでのＱスイッチ・レーザのパルス持続時間が、基板露光時間を決定する。露光プロセスが、ステップ・アンド・リピート手法でウェハ表面全体について反復され得る。いくつかの実施形態では、光に対する露出、すなわちレーザ・アニーリング、たとえばレーザ・ビームの印加による露出は、１パルスから１００パルスの露光を含む。

いくつかの実施形態では、レーザ・アニーリング方法で利用されるレーザ・タイプが、１０６４ｎｍで放射し、５３２ｎｍまたは３５５ｎｍでそれぞれ周波数２倍または３倍放射するソリッド・ステートＮｄ：ＹＡＧレーザ、または４００ｎｍ未満で放射するエキシマ・レーザから選択される。エキシマ・レーザは、少なくとも一方が励起電気状態にある２つの種（原子）から形成された短寿命の二量体またはヘテロ二量体分子である励起二量体、すなわちエキシマを含む化学反応によって動作し得る。一般的に使用されるエキシマ分子は、Ｆ２（フッ素、１５７ｎｍで放射）、およびＡｒＦ（１９３ｎｍ）、ＫｒＣｌ（２２２ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）などの希ガス化合物を含む。エキシマ・レーザは、通常、ステップ・アンド・リピート・パルス・ウェハ露光に適しているＱスイッチ・パルス・モードで動作する。ソリッド・ステートＮｄ：ＹＡＧレーザは、効率的に周波数２倍または３倍され得、５３２ｎｍまたは３５５ｎｍを放射する、１，０６４ｎｍでの安定した高パワー出力のために、エキシマ・レーザの代替を提供する。ソリッド・ステート・レーザは、ラスタ走査とステップ・アンド・リピート・パルス動作のどちらにも適している、連続モード、パルス・モード、またはＱスイッチ・パルス・モードで構成され得る。いくつかの実施形態では、入射放射の約４０～６０％を表面の約１０～２０ｎｍ以内の半導体層に結合するＸｅＣｌレーザ（３０８ｎｍ）が利用され得る。

高濃度にドープされた半導体層を有する基板が、ラスタ走査またはレーザ・パルスのどちらかによってレーザ放射に露光されると、その表面温度はその基準値から上昇し始め、その直後に降下する。ナノ秒レーザ・アニール・プロセスの代表的な温度－時間トレースは、初期または基準基板温度、加熱部分、温度ピーク点、および冷却部分という４つの別個の温度領域を含む。初期または基準基板温度は、２３℃（室温）から４００℃の範囲内である。この温度は通常、基板がその上にある加熱板によって設定される。レーザ・ビームは、約１，０００，０００，０００℃／秒から約１００，０００，０００，０００℃／秒までの上昇率で基板の表面温度を基準温度からピークまで上昇させる。レーザ放射露光の後、表面温度は、約３００，０００，０００℃／秒から約３０，０００，０００，０００℃／秒の低下率で急速に基準温度まで低下する。温度ピーク点の周りで測定されたアニール持続時間は、通常はピーク点より５０℃下のレベルで、約１ナノ秒から約５００ナノ秒の範囲に及び、通常は約１０から１００ナノ秒の範囲に及ぶ。ピーク温度より５０℃下の温度レベルでのアニール持続時間ではなく、ＦＷＨＭでの放射露光持続時間によってレーザ・アニールのプロセス持続時間を指定することが慣習となっている。こうした持続時間量が互いに関係付けられ、いくつかの実施形態では、アニール持続時間は放射露光持続時間の小部分（たとえば、約１／３）である。

レーザで誘導された表面温度上昇は、レーザ入射放射強度、レーザ・パルスまたは露光持続時間、および基板の熱的および光学的特性によって設定される。短いフロントサイド・レーザ露光は非一様な加熱を引き起こす。ナノ秒スケール・レーザ・パルスのケースでの熱侵入深さは、ＳｉやＧｅなどの半導体では約１ミクロンから約３ミクロンの範囲に及び、典型的な誘電体では約１００ナノメートルから約５００ナノメートルの範囲に及ぶ。したがって、比較的薄い高濃度にドープされた半導体層が、約０．１～０．３℃／ｎｍの小さい上から下への温度勾配で、その厚さ全体にわたって比較的一様に加熱される。高濃度にドープされた半導体層がその融点（たとえば、Ｓｉでは１４１２℃、またはＧｅでは９４０℃）に達する、必要とされる放射強度は、下にある基板、レーザ・パルス持続時間およびエネルギー密度、および選択されたレーザ波長に依存することを理解されよう。いくつかの実施形態では、高濃度にドープされた半導体層がＢでドープされたＳｉであり、ナノ秒レーザ波長が３０８ｎｍであり、基板基準温度が２５０℃であり、ＦＷＨＭでのパルス持続時間が１６０ナノ秒であり、高濃度にドープされたＳｉが溶融し始める、結合されるレーザ・エネルギー密度が０．６Ｊ／ｃｍ^２である（これは、入射レーザ・エネルギー密度の１．４Ｊ／ｃｍ^２に相当する）。この較正点が、３０８ｎｍの光反射率および半導体層についての融点の差に適切に正規化することによって、半導体層の特定の選択肢について必要とされる入射レーザ・エネルギー密度に変換され得る。たとえば、（３０８ｎｍで約０．４７の光反射率を有する）高濃度にドープされたＧｅ層を溶融するために必要とされる入射レーザ・エネルギー密度は、約０．６８Ｊ／ｃｍ^２となる。高濃度にドープされた半導体層のタイプ、基板構造、およびレーザ・パラメータが変動し得、入射レーザ・エネルギー密度の選択に影響を及ぼすが、約０．１Ｊ／ｃｍ^２から約３Ｊ／ｃｍ^２の範囲の入射レーザ・エネルギー密度、および約５から５００ナノ秒の範囲のレーザ放射露光持続時間が、高濃度にドープされた半導体層を溶融するために利用され得る。

液相でのドーパント拡散率は、固相よりも約１０^９（１０億）倍高い。したがって、高濃度にドープされた領域内のドーパントは、液体層の全体にわたって分散し、準安定半導体－ドーパント合金で作製された領域を画定する。重要なことに、アニールの極めて短い持続時間のために、隣接する固体層内のどんなドーパントも拡散しない。厳密なドーパントおよび半導体材料に応じて、ドーパント再分配のための十分な処理時間を可能にするために、融点より上のアニール持続時間が選択され得る。本発明のいくつかの実施形態では、適切なアニール持続時間を選択することが、複数の連続する短い持続時間のアニールを実施することによって達成され得る。

溶融した半導体層の液相全体にわたってドーパントを再分配した後、過剰なドーパント析出およびクラスタ化を防止するために半導体構造体が急冷され得る。急冷により、液体層の急速な凝固および得られる固相の急速冷却が施され、それによって、得られる固相内のドーパントはその最も近い近隣まで移動することができず、したがってドーパントがクラスタおよび析出物に凝集することが防止される。急冷の速度はアニール持続時間に関係付けられ、アニールが長いと、急冷の速度が低くなり、１００ｎ秒のアニールでは約１０^１０（１００億）度／秒である。高速な急冷が望ましいので、同等の持続時間を有するが、急冷の速度が低い１つの長いアニールではなく、高速な急冷をそれぞれ有する、いくつかの連続する短いアニールを実施することが有利であり得る。高速な急冷により、一様なドーピングの、準安定な高濃度にドープされたｐ型半導体合金が生成される。そのような合金は低温で超伝導性を示し、超伝導デバイスに適している。

得られる高濃度にドープされた半導体層内のドーパントの原子百分率または濃度は、材料内のドーパント固溶限を超え、低温で超伝導相を得るための約１×１０^２１ｃｍ^－３よりも高い。注入、アニール、急冷プロセス全体が、高濃度にドープされた半導体層全体にわたって分散するドーパント濃度をさらに増大させるために任意の回数だけ反復され得る。得られるドーパント－半導体準安定合金は、室温で低い境膜抵抗率（film resistivity）を可能にし、低温で超伝導性を可能にする。本発明のいくつかの実施形態では、得られるドーパント－半導体準安定合金の室温での電気抵抗率は、１．５×１０^－４Ωｃｍ以下であり、または同等には、金属膜の電気抵抗率に近づく。

本発明のいくつかの実施形態による量子機械的デバイスを形成するプロセスは、第１および第２の領域をアニーリングして、第１および第２の超伝導領域を形成することを含む。図９Ａおよび９Ｂは、第１および第２の領域がアニーリングされ、第１の超伝導領域９０６および第２の超伝導領域９０８が形成された基板９００の平面視および断面視の概略図である。第１の超伝導領域９０６と第２の超伝導領域９０８との間の基板の領域９１０が非ドープのままである。キャッピング層９０２により、ドーパント９０４の層がその領域内に注入あるいは吸収されるのが防止されるからである。プロセスは、第１および第２の領域を複数回アニーリングして、結晶性超伝導体を形成することを含み得る。第１および第２の領域が複数回注入およびアニーリングされ、第１の超伝導領域９０６および第２の超伝導領域９０８が形成され得る。アニーリングは、たとえばレーザ・アニーリングであり得る。領域９１０の幅も、注入条件およびアニール条件を変更することによって調整され得る。横方向ドーパント拡散または注入散在を制限するために、１ｋｅＶ未満の注入エネルギーでの浅い注入が利用され得る。ドープされた領域をアニーリングすることにより、第１の超伝導領域９０６および第２の超伝導領域９０８の深さならびに幅が増大し得、それによって、第１の超伝導領域９０６と第２の超伝導領域９０８の分離が低減される。しかしながら、過剰な固相ドーパント拡散は、濃くドープされた準安定半導体－ドーパント合金では、ドーパント析出およびドーパント・クラスタの形成につながるので望ましくないことがある。ドーパント・クラスタは、量子ビット・コヒーレンス時間を低減する量子デコヒーレンスに寄与し得る。

いくつかの実施形態によれば、領域９０６および９０８内のドーパントの析出を誘発することなく、ドーパントを領域９１０内に横方向に向かわせるためにアニーリングが使用される。非常に短いアニール（＜１ｍ秒）は１～３ｎｍを超える何らかの感知できる距離まで固体材料内のドーパントを移動／拡散することができず、極めて短いアニール（＜１マイクロ秒）は、ドーパントが最も近い近隣（１ｎｍ程度の距離）まで移動することを可能にすることができない。そのような短いアニールは、ドーパントを活性化し、領域９０６／９０８内の過剰なドーパント析出なしに、１～３ナノメートルだけ横方向に向かわせるために利用され得る。ドーパントを活性化することと、析出なしにドーパントを横方向に拡散することの両方を行うより効率的な方法は、前述のナノ秒スケール・レーザ溶融アニーリングである。そのような極めて短いレーザ・アニーリングを利用するために、ドープされた領域８０６／８０８が、非ドープ領域８１０／９１０に対して選択的に溶融されなければならない。このことは、ドープされた領域８０６／８０８が、内部の非ドープ領域８１０／９１０よりも低い融点を有する場合に達成される。たとえば、注入された領域８０６／８０８は、注入で誘発された結晶損傷およびアモルファス化のために、注入されていない結晶に対して、その融点の２００～２５０℃もの抑制を示し得る。さらに、注入で誘発された結晶損傷は、注入されたイオンの横方向散在のために、酸化物マンドレル６１０の下に延びる。したがって、酸化物マンドレルの下の損傷を受けた結晶性材料の融点が類別され、８１０／９１０の内部領域で高い融点であり、８１０／９１０の縁部で低い融点である。レーザ入射エネルギー密度を同調することにより、酸化物マンドレル６１０の下の溶融の範囲が制御され得る。ドーパントは、ナノ秒スケール・レーザ・パルス中に溶融層内で横方向に横方向固体境界まで再分布するのに十分な時間を有することになり、領域９１０と領域９０６／９０８との間の急激なプロファイルを形成する。したがって、いくつかの実施形態では、領域９１０の幅が酸化物マンドレル６１０の幅と、注入されるイオン横方向散在およびマンドレル６１０の下の結晶損傷の範囲に影響を及ぼす注入パラメータ、すなわち注入エネルギーと、酸化物マンドレル６１０の下の結晶溶融の範囲に影響を及ぼす、入射レーザ・エネルギー密度などのアニーリング・パラメータとによって制御される。酸化物マンドレル６１０の下の領域の残留ドーピングを最小限に抑えるという第１の要件と、領域９０６および９０８の境界を設定するように横方向および垂直結晶損傷の範囲を制御するという第２の要件のために、ドーパント注入プロセスについて矛盾する注入要件が存在し得る。こうした矛盾する要件は、領域８０６／８０８のネイティブ・イオンを用いた領域８０６／８０８の追加のＰＡＩ注入を導入することによって、すなわちＳｉ＋をシリコン基板内に注入し、またはＧｅ＋をゲルマニウム基板内に注入することによって解決され得る。このケースでは、ネイティブ・イオンについてのＰＡＩ注入パラメータが、望ましい結晶損傷の範囲を制御するように選ばれ、ドーパント・イオンについての注入パラメータが、領域８１０／９１０の残留ドーピングを最小限に抑えるように選ばれる。いくつかの実施形態では、ドーパント・イオン注入エネルギーが、１ｋｅＶ未満、好ましくは５００ｅＶ未満となるように選ばれ、一方、ネイティブ・イオン注入エネルギーが、１ｋｅＶ超、好ましくは１０ｋｅＶ超となるように選ばれる。しかし、ドーパントを領域９０６／９０８内に注入することにより、領域９１０は、横方向注入散在のために室温で導電領域となり得る。第１の超伝導領域９０６、第２の超伝導領域９０８、および導電領域は、誘電体ゲートを有するジョセフソン接合よりも高い臨界電流を有するジョセフソン接合を低温で形成し得る。

プロセスは、たとえばＤＨＦを使用して、酸化物層を除去することを含み得る。図１Ａおよび１Ｂは、酸化物層の除去後の図９Ａおよび９Ｂの量子機械的デバイスの平面視の概略視および断面図である。第１の超伝導領域１０４および第２の超伝導領域１０６ならびに非ドープ結晶領域１０８が、低温でジョセフソン接合を形成する。領域１０４、１０６、および１０８を横切る横方向ドーパント・プロファイルが図１Ｃに示される。非ドープ領域または低濃度にドープされた領域１０８は、その残留ドーピングのために室温で導電性であり得るが、その導電率は低温でゼロとなる。領域１０４／１０６と領域１０８との間のドーパント・プロファイル遷移領域が、注入横方向散在を制御し、固相でドーパント拡散がほとんどないアニーリング・プロセスを選択することによって最小限に抑えられる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ジョセフソン接合が、ワイヤを使用して他の構造に結合され得る。図１０Ａ～１２Ｂは、ジョセフソン接合に接続されたワイヤを形成するためのプロセスの概略図である。プロセスは、ワイヤのためにリフトオフ・レジストをパターン形成することを含み得る。図１０Ａおよび１０Ｂは、リフトオフ・レジストの第１の層１００２および第２の層１００４がその上に形成された基板１０００の平面視および断面視の概略図である。第１の層１００２は、第１の超伝導領域１００６および第２の超伝導領域１００８の一部、ならびに第１の超伝導領域１００６を第２の超伝導領域１００８から分離する領域１０１０を覆う。第１の層１００２は、ワイヤ材料が堆積した後にレジストのリフトオフを可能にするようにアンダーカットされ得る。

プロセスは、超伝導材料を堆積することを含み得る。図１１Ａおよび１１Ｂは、超伝導材料１１１２がその上に堆積した基板１１００の平面視および断面視の概略図である。超伝導材料１１１２は、レジストの第１の層１１０２および第２の層１１０４に対して横方向の、第１の層１１０２および第２の層１１０４によって露出する基板１１００の部分と接触する。

プロセスは、レジストおよびその上に堆積した超伝導材料をリフトオフすることを含み得る。図１２Ａおよび１２Ｂは、基板１２００の第１の超伝導領域１２０６と接触する第１の超伝導ワイヤ１２０２と、基板１２００の第２の超伝導領域１２０８と接触する第２の超伝導ワイヤ１２０４とを有する基板１２００の平面視および断面視の概略図である。第１の超伝導ワイヤ１２０２および第２の超伝導ワイヤ１２０４は、ジョセフソン接合を、たとえばコンデンサや共振器などの他の構造に接続し得る。コンデンサまたは共振器が超伝導ワイヤ１２０２、１２０４の形成中に形成され得、または別個のプロセス中に形成され得る。図２は、ジョセフソン接合量子ビットを形成するために超伝導ワイヤ２１４、２１６に接続されたコンデンサ２１８、２２０を含む量子機械的デバイス２００の概略図である。

本発明のいくつかの実施形態によれば、２つの超伝導領域間の結晶領域は、非ドープ結晶領域ではなく、室温で導電性結晶領域である。本発明のいくつかの実施形態によれば、量子機械的デバイスが、低温で第１の超伝導領域を設けるようにドープされた第１の領域と、低温で第２の超伝導領域を設けるようにドープされた第２の領域と、室温で第１の導電領域を設けるようにドープされた第３の領域とを含むモノリシック結晶構造を含む。第１の導電領域は、第１の超伝導領域を第２の超伝導領域から分離する。第１および第２の超伝導領域ならびに第１の導電領域が低温でジョセフソン接合を形成する。

図１３は、本発明の一実施形態による量子機械的デバイスを製造する方法１３００を示すフローチャートである。方法１３００は、結晶性基板を設けること（１３０２）と、結晶性基板の第１および第２の領域にドーパント元素およびネイティブ元素を注入することとを含み、第１および第２の領域が非ドープ結晶領域によって分離される（１３０４）。方法１３００は、第１および第２の領域をアニーリングして、低温で第１および第２の超伝導領域を形成することを含み、アニーリングは、ドーパントを非ドープ結晶領域内に横方向に向かわせて、室温で導電領域を形成することを含み、第１および第２の超伝導領域ならびに導電領域が低温でジョセフソン接合を形成する（１３０６）。

本発明の実施形態は、ＳｉＯ_２または他の酸化物誘電体の代わりに結晶性ジョセフソン接合障壁を有するジョセフソン接合デバイスを含む。障壁は、たとえば単結晶の非ドープの、または低濃度にドープされたＳｉまたはＧｅを含み得る。結晶性材料は、より少ない欠陥を有し得、したがって量子コヒーレンスが改善され得る。デバイス製造は従来のＣＭＯＳ処理と互換性があり得、短いプロセス・フローを有し得る。デバイス周波数がリソグラフィックに同調され得る。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ジョセフソン接合量子ビット・デバイスは、超伝導ＳｉまたはＧｅをジョセフソン接合のソースおよびドレインとして使用し、非ドープの、または低濃度にドープされた結晶性ＳｉまたはＧｅをデバイス接合として使用する。本発明のいくつかの実施形態によれば、量子機械的デバイスを製造するための方法は、非ドープＳｉ上に６～１５ｎｍの幅の酸化物マンドレルをパターン形成することを含む。この方法は、酸化物マンドレルの両端にｐ型エピタキシャル層（Ｐ＋ ｅｐｉ）を形成すること、およびその後の、注入された半導体を結晶化するためのイオン注入およびレーザ・アニーリングを含む。この方法は、酸化物マンドレルをＤＨＦで除去することを含む。この方法はまた、コンデンサおよび共振器ワイヤをリフトオフ処理で形成することを含み得る。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ジョセフソン接合（ＪＪ）量子ビット・デバイスが、ＪＪのソースおよびドレイン領域を形成する超伝導半導体領域と、ソース領域とドレイン領域との間に配置されたＪＪゲート領域を形成する非ドープの、または低濃度にドープされた結晶性半導体領域とを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ＪＪ量子ビット・デバイスを形成する方法が、非ドープＳｉ基板上に酸化物マンドレルをパターン形成することと、酸化物マンドレルの両端にＰ＋ ｅｐｉ領域を形成することと、その後に続く注入およびアニーリングとを含む。この方法は、Ｐ＋ ｅｐｉ領域をアニーリングして、結晶化注入Ｓｉ領域を形成することと、酸化物マンドレルを除去して、非ドープ結晶性Ｓｉ領域を形成し、Ｐ＋ ｅｐｉ領域間に配置されたＪＪゲート領域を形成することとを含む。いくつかの実施形態による方法は、コンデンサおよび共振器ワイヤをリフトオフ処理で形成することをさらに含む。

本発明の様々な実施形態の説明が例示のために提示されたが、網羅的なものではなく、開示された実施形態に限定されないものとする。記載の実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正形態および変形形態が当業者には明らかとなるであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に勝る実際の応用または技術的改善を最良に説明するように、あるいは当業者が本明細書で開示される実施形態を理解することを可能にするように選ばれた。

Claims (20)

1. 量子機械的デバイスであって、
   モノリシック結晶構造備え、前記モノリシック結晶構造が、
   第１の超伝導領域を設けるようにドープされた第１の領域と、
   第２の超伝導領域を設けるようにドープされた第２の領域であって、前記第２の超伝導領域が、非ドープ結晶領域によって前記第１の超伝導領域から分離される、前記第２の領域と
   を備え、
   前記第１および第２の超伝導領域ならびに前記非ドープ結晶領域がジョセフソン接合を形成する、量子機械的デバイス。
2. 前記モノリシック結晶構造が非ドープ結晶性Ｓｉを含み、前記第１および第２の超伝導領域が超伝導Ｓｉを含む、請求項１に記載の量子機械的デバイス。
3. 前記第１および第２の超伝導領域がＢドープされたＳｉを含む、請求項１または２に記載の量子機械的デバイス。
4. 前記第１および第２の超伝導領域がＧａドープされたＳｉを含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
5. 前記モノリシック結晶構造が非ドープ結晶性Ｇｅを含み、前記第１および第２の超伝導領域が超伝導Ｇｅを含む、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
6. 前記第１および第２の超伝導領域がＧａドープされたＧｅを含む、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
7. 前記第１および第２の超伝導領域がＡｌドープされたＧｅを含む、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
8. 前記モノリシック結晶構造が、上面と、前記上面と反対側の下面とを含み、
   前記第１および第２の超伝導領域ならびに前記非ドープ結晶領域がそれぞれ、前記モノリシック結晶構造の前記上面と同一平面上にある上面を含む、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
9. 前記第１の超伝導領域と接触する、前記モノリシック結晶構造の表面上に配設された超伝導ワイヤをさらに備え、前記超伝導ワイヤが、前記第１の超伝導領域とは異なる超伝導材料を含む、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
10. 前記第２の超伝導領域と接触する、前記モノリシック結晶構造の表面上に配設された第２の超伝導ワイヤと、
    最初に述べた前記超伝導ワイヤと接触する第１のコンデンサと、
    前記第２の超伝導ワイヤと接触する第２のコンデンサと
    をさらに備え、
    前記量子機械的デバイスがジョセフソン接合量子ビットである、請求項９に記載の量子機械的デバイス。
11. 前記非ドープ結晶領域が５ｎｍ未満だけ前記第１および第２の超伝導領域を分離する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
12. 前記第１の超伝導領域および第２の超伝導領域が結晶性である、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の量子機械的デバイス。
13. 量子機械的デバイスであって、
    モノリシック結晶構造を備え、前記モノリシック結晶構造が、
    第１の超伝導領域を設けるようにドープされた第１の領域と、
    第２の超伝導領域を設けるようにドープされた第２の領域と、
    金属領域を設けるようにドープされた第３の領域であって、前記第２の超伝導領域が、前記金属領域によって前記第１の超伝導領域から分離される、前記第３の領域と
    を備え、
    前記第１および第２の超伝導領域ならびに前記金属領域がジョセフソン接合を形成する、量子機械的デバイス。
14. 量子機械的デバイスを製造する方法であって、
    結晶性基板を設けることと、
    前記結晶性基板の第１および第２の領域をドープして、第１および第２の超伝導領域を形成すると共に、前記第１の超伝導領域と前記第２の超伝導領域との間の領域を非ドープ結晶領域として確保することとを含み、
    前記第１および第２の超伝導領域ならびに前記非ドープ結晶領域がジョセフソン接合を形成する、方法。
15. 前記結晶性基板の前記第１および第２の領域をドーパントでドープすることが、前記結晶性基板の前記第１および第２の領域上で前記ドーパントを吸収することと、前記結晶性基板の前記第１および第２の領域をアニーリングすることとを含む、請求項１４に記載の量子機械的デバイスを製造する方法。
16. 前記結晶性基板が非ドープ結晶性Ｓｉを含み、前記結晶性基板の前記第１および第２の領域がＢまたはＧａでドープされる、請求項１４または１５に記載の量子機械的デバイスを製造する方法。
17. 前記結晶性基板の前記第１および第２の領域をドープすることが、
    前記結晶性基板の前記第１および第２の領域にドーパントを注入することと、
    前記第１および第２の領域をアニーリングして、前記第１および第２の超伝導領域を形成することと
    を含む、請求項１４ないし１６のいずれか一項に記載の量子機械的デバイスを製造する方法。
18. 前記第１および第２の領域をアニーリングして、前記第１および第２の超伝導領域を形成することが、前記第１および第２の領域をレーザ・アニーリングして、前記第１および第２の超伝導領域を形成することを含む、請求項１７に記載の量子機械的デバイスを製造する方法。
19. 前記非ドープ結晶領域が５ｎｍ未満だけ前記第１および第２の超伝導領域を分離する、請求項１４ないし１８のいずれか一項に記載の量子機械的デバイスを製造する方法。
20. 前記第１の超伝導領域と接触する第１の超伝導ワイヤと、前記第２の超伝導領域と接触する第２の超伝導ワイヤとを形成することをさらに含む、請求項１４ないし１９のいずれか一項に記載の量子機械的デバイスを製造する方法。

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