[論文レビュー] Manufacturing high-Q superconducting α-tantalum resonators on silicon wafers

Daniel Pérez Lozano, M. Mongillo+20 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Semiconductor materials and devices参考文献 41被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、酸化アルミニウムを必要としない従来のサファイア基板に依存する制限を克服し、シリコンウェーパー上に高品質因数（高-Q）の超伝導性αタングステン共振器を実際に作製することに成功した。堆積条件の最適化と、表面酸化被膜が2準位系損失の主因であることを同定することで、低損失の超伝導回路のスケーラブルで産業用途に適した製造が可能になった。

ABSTRACT

The performance of state-of-the-art superconducting quantum devices is currently limited by microwave dielectric losses at different surfaces and interfaces. α-tantalum is a superconductor that has proven effective in reducing dielectric loss and improving device performance due to its thin low-loss oxide. However, without the use of a seed layer, this tantalum phase has so far only been realised on sapphire substrates, which is incompatible with advanced processing in industry-scale fabrication facilities. Here, we demonstrate the fabrication of high-quality factor α-tantalum resonators directly on silicon wafers over a variety of metal deposition conditions and perform a comprehensive material and electrical characterization study. By comparing experiments with simulated resonator loss, we demonstrate that two-level-system loss is dominated by surface oxide contributions and not the substrate-metal interface. Our study paves the way to large scale manufacturing of low-loss superconducting circuits and to materials-driven advancements in superconducting circuit performance.

研究の動機と目的

• サファイア基板の必要性を排除することで、超伝導量子デバイスの大量生産・産業的製造を可能にすること。
• 特に界面および表面で生じるマイクロ波誘電損失という、長年の課題に取り組むこと。
• 半導体製造で一般的なシリコンウェーパー上に、低損失酸化被膜を有するαタングステンの実現可能性を調査すること。
• αタングステン共振器における主な損失メカニズムを特定し、基板、界面、表面酸化被膜の寄与を分離すること。
• シリコン上での最適化されたプロセスを用いることで、より高性能な超伝導回路への材料駆動型の道筋を提示すること。

提案手法

• 薄膜の相と品質を制御するために、異なる条件で物理蒸着法（PVD）を用いてシリコンウェーパー上にαタングステン膜を堆積した。
• X線回折および電子顕微鏡を用いた包括的な材料特性評価により、タングステンのα相の形成を確認した。
• シリコン処理と互換性のある標準的なリソグラフィーおよびエッチング技術を用いてマイクロ波共振器を形成した。
• 異なる堆積パラメータにおける共振器の品質因数（Q）を測定し、高-Q動作に最適な条件を同定した。
• 実験的Q因数測定値とシミュレートされた損失モデルを照合することで、表面酸化被膜における2準位系（TLS）損失と基板-金属界面における損失の寄与を区別した。
• インピーダンススペクトロスコピーおよび誘電損失解析を用いて、表面酸化被膜がTLS損失の主因であることを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸化アルミニウムの種層を必要とせずに、シリコンウェーパー上に高-Qの超伝導性αタングステン共振器を形成できるか？
• RQ2 αタングステン共振器における2準位系（TLS）損失の主因は、基板-金属界面か、表面酸化被膜か？
• RQ3 シリコン上での異なる堆積条件が、相形成、膜品質、および最終的な共振器Q因数に与える影響は何か？
• RQ4 一般的なシリコン基板に移行させた場合、αタングステンの固有の低損失特性はどの程度維持できるか？
• RQ5 実験的およびシミュレーションベースのアプローチを用いて、αタングステン共振器の損失メカニズムを正確にモデル化し、区別できるか？

主な発見

• 酸化アルミニウムの種層を必要とせず、αタングステン膜を用いてシリコンウェーパー上に高品質因数（Q > 10^6）の超伝導共振器を実際に作製した。
• X線回折および電子顕微鏡による確認により、タングステンのα相が形成されたことが確認された。
• 実験的Q因数とシミュレートされた損失寄与の比較から、表面酸化被膜が2準位系（TLS）損失の主因であり、基板-金属界面ではないことが判明した。
• 最適な堆積条件により、4.2 Kで1 × 10^6を超えるQ因数を有する共振器が得られ、最先端の超伝導デバイスと同等の性能を示した。
• 本研究は、αタングステン共振器のスケーラブルでシリコンウェーパー対応のプロセスを確立し、既存のCMOSに類似した産業施設への統合を可能にした。
• 結果として、αタングステンの低損失特性がシリコン上でも維持可能であることが実証され、高性能超伝導回路の大規模生産への道が開かれた。