[論文レビュー] Silicide-based Josephson field effect transistors for superconducting qubits

Tom Doekle Vethaak|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2022

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、シリコン基板上に作製された50 nmゲート長のPtSiベースのジョセフソンフィールド効果トランジスタにおいて、ゲートで制御可能なアンドレーエフ電流を実証した。これは、シリサイドを用いた高透過率界面を介して、CMOSプロセスと互換性を持つ超伝導キュービット統合を実現した。本研究は、シリコン系ヘテロ構造における静電的ゲーティングによって超伝導近接効果を制御することで、スケーラブルな超伝導量子コンピューティングプラットフォームを確立した。

ABSTRACT

Scalability in the fabrication and operation of quantum computers is key to move beyond the NISQ era. So far, superconducting transmon qubits based on aluminum Josephson tunnel junctions have demonstrated the most advanced results, though this technology is difficult to implement with large-scale facilities. An alternative "gatemon" qubit has recently appeared, which uses hybrid superconducting/semiconducting (S/Sm) devices as gate-tuned Josephson junctions. Current implementations of these use nanowires however, of which the large-scale fabrication has not yet matured either. A scalable gatemon design could be made with CMOS Josephson Field-Effect Transistors as tunable weak link, where an ideal device has leads with a large superconducting gap that contact a short channel through high-transparency interfaces. High transparency, or low contact resistance, is achieved in the microelectronics industry with silicides, of which some turn out to be superconducting. The first part of the experimental work in this thesis covers material studies on two such materials: $ ext{V}_3 ext{Si}$ and PtSi, which are interesting for their high $T_ ext{c}$, and mature integration, respectively. The second part covers experimental results on 50 nm gate length PtSi transistors, where the transparency of the S/Sm interfaces is modulated by the gate voltage. At low voltages, the transport shows no conductance at low energy, and well-defined features at the superconducting gap. The barrier height at the S/Sm interface is reduced by increasing the gate voltage, until a zero-bias peak appears around zero drain voltage, which reveals the appearance of an Andreev current. The successful gate modulation of Andreev current in a silicon-based transistor represents a step towards fully CMOS-integrated superconducting quantum computers.

研究の動機と目的

• シリサイドベースのジョセフソンフィールド効果トランジスタを用いて、スケーラブルでCMOSプロセスと互換性を持つ超伝導キュービットのアーキテクチャを開発すること。
• 従来のアルミニウムベースのトランモンキュービットやナノワイヤベースのゲートモンの限界を克服し、大規模なプロセスを可能にすること。
• 高臨界温度（Tc）で成熟したプロセスが確立されたシリサイドを用いて、高透過率の超伝導/半導体（S/Sm）界面を統合すること。
• シリコンベースのプラットフォームにおいて、ゲート電圧によるアンドレーエフ束縛状態の静電的制御を達成すること。
• 実験的に、ゲート電圧がS/Sm界面の透過率を制御可能であることを示し、超電流輸送を制御可能とする。

提案手法

• シリコン基板上に、CMOSプロセスと互換性を持つプロセスを用いて50 nmゲート長のPtSiベースのトランジスタを形成した。
• 微電子分野での統合実績が確認された高Tcのシリサイド材料（V3SiおよびPtSi）を用い、超伝導ギャップの増大と界面透過率の向上を図った。
• S/Sm界面における障壁高さを静電的ゲーティングで制御することで、界面透過率と近接効果を調整した。
• 4 Kまで冷却した低温輸送測定を実施し、準位間導電度およびアンドレーエフ束縛状態を評価した。
• ドレイン電圧とゲート電圧の関数として微分導電度（dI/dV）を測定し、アンドレーエフ反射の特徴およびゼロバイアスピークを検出した。
• ゲート電圧を印加することで超伝導ギャップを抑制し、ゼロバイアス導電度ピークを誘発させ、アンドレーエフ電流の発生を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 nmゲート長のPtSiベースのジョセフソンフィールド効果トランジスタは、シリコンベースのプラットフォームでゲートで制御可能なアンドレーエフ電流を実現できるか？
• RQ2 シリサイドベースのヘテロ構造において、ゲート電圧がS/Sm界面の透過率をどの程度制御できるか？
• RQ3 微分導電度にゼロバイアスピークが現れるかどうかが、静電的制御下でのアンドレーエフ束縛状態の生成を裏付けるか？
• RQ4 高透過率のシリサイド界面（例：PtSi）は、スケーラブルな超伝導キュービットに適したコherentな超電流輸送を可能にするか？
• RQ5 シリサイドベースのジョセフソン接合の統合は、大規模な量子回路用に標準的なCMOSプロセスと互換性を持つか？

主な発見

• ドレイン電圧がゼロの状態で、ゲート電圧を上昇させると明確なゼロバイアス導電度ピークが観測され、アンドレーエフ電流の発生が示された。
• 低ゲートおよび低ドレイン電圧領域では、準位間導電度が観測されず、超伝導ギャップエネルギーに一致する明確な特徴が観察された。これは、アンドレーエフ反射が抑制されていることを示している。
• ゲート電圧を上昇させることでS/Sm界面の障壁高さが低下し、透過率が向上し、コherentなアンドレーエフピークが出現した。
• 50 nmゲート長のPtSiトランジスタにおいて、アンドレーエフ電流のゲート制御が観測され、シリコンベースのプラットフォームにおける超電流輸送の静電的制御が確認された。
• 複数回の測定において、再現性のある輸送特性を示し、ゲートをオフにした際、低エネルギー領域での導電度が顕著に低下した。
• 本結果は、シリサイドベースのジョセフソンフィールド効果トランジスタを用いた、完全にCMOS統合型の超伝導量子プロセッサへの実現可能性を示している。