[論文レビュー] Superconducting Caps for Quantum Integrated Circuits

William O’Brien, Mehrnoosh Vahidpour+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、スパッタリング法で形成したアルミニウム被膜とインジウムバンプを用いて、キャップチップとキュービット回路との間に低抵抗で超伝導的な電気的接合を形成する3次元超伝導キャップ構造を提示する。この手法により、81ヶ所の試験サイトのうち80ヶ所で室温抵抗が5 Ω未満を達成し、0.8 K未満で抵抗ゼロを確認した。これは、キュービットのコherenceを向上させるとともに電磁的遮蔽を強化するための堅牢な超伝導的連続性を示している。

ABSTRACT

We report on the fabrication and metrology of superconducting caps for qubit circuits. As part of a 3D quantum integrated circuit architecture, a cap chip forms the upper half of an enclosure that provides isolation, increases vacuum participation ratio, and improves performance of individual resonant elements. Here, we demonstrate that such caps can be reliably fabricated, placed on a circuit chip, and form superconducting connections to the circuit.

研究の動機と目的

• 誘電体損失を低減するための真空参加度の向上により、キュービットコherenceを向上させる3次元超伝導キャップアーキテクチャの開発。
• レアメタル被膜とインジウムバンプを用いて、キャップチップと量子回路チップとの間に信頼性が高く、低抵抗の超伝導的電気的接続を実現すること。
• 既存の2次元量子統合回路アーキテクチャと統合可能な超伝導キャップの実現可能性を示し、電磁的遮蔽を強化し、クロストークを低減すること。
• テスト構造のメトロロジーを用いて、大面積チップにおけるキャップ-回路接合部の電気的および超伝導的完全性を検証すること。

提案手法

• 24 µmのSiデバイス層と1 µmの埋め込み酸化シリコンを有するシリコンインシュレータ（SOI）ウェーハを用い、ICP-RIEによる酸化物バンプパターン形成とボシュプロセスを用いた深めの反応イオンエッチング（DRIE）による2段階エッチングプロセスを実施し、垂直で24 µmの深さのポケットを形成する。
• 1 µmのアルミニウムをコンフォーマルスパッタリングで堆積させ、連続的な超伝導シールドを形成。その後、自然酸化被膜の形成を防ぎ、低抵抗接触を確保するため、インラインで200 nmのモリブデンを被膜化する。
• 電子ビーム蒸着とリリーフ法を用いてチタン接着層を介してインジウムバンプをパターン形成し、Tc > 3 Kの超伝導的接続を実現し、回路チップへの強固な接合を可能にする。
• 回路チップ上にパラジウムをボンディングパッドとして用い、1 Kで常態を示すパラジウムの性質にもかかわらず、近接効果により超伝導的挙動を維持する。
• 45 kgの圧力をかけながら約70 °Cでキャップチップと回路チップを正確にアライメントし、1 µmの酸化物バンプが接触ギャップを制限し、機械的安定性を確保する。
• 31 mmおよび29 mmのチップに9×9グリッドのテスト構造を設計し、標準セル、インジウムショートパッド、溝エッチングされたサイトを含め、Alのコンフォーマル性と接触抵抗を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低抵抗性と超伝導的連続性を維持したまま、超伝導キャップを量子回路チップに信頼性高く製造・接合することは可能か？
• RQ2 キャップ構造は、キュービット共振器における真空参加度をどの程度向上させ、誘電体損失を低減するか？
• RQ3 Mo被膜がAlの自然酸化被膜の劣化をどの程度効果的に防止し、低抵抗のインジウム接合を確保するか？
• RQ4 低温および室温抵抗を測定することで、大面積チップにおける超伝導パスの均一性と品質はどの程度か？
• RQ5 ミリケルビン温度でキャップ-回路接合部は超伝導性を維持できるか？また、接続パスの臨界電流はどの程度か？

主な発見

• 81ヶ所の試験サイトのうち80ヶ所で室温直列抵抗が5 Ω未満であった。これは、キャップ-回路接合部に高いプロセス忠実性と優れた電気的連続性が確認されたことを示している。
• インジウムとモリブデン間の接触抵抗は0.2 Ω未満であった。これは、接合界面で顕著に効果的な界面接触が実現していることを示している。
• チップ全体にわたり顕著な抵抗非対称性は観察されず、31 mmの範囲で良好な接合並列性と平面性が確認された。
• 低温測定では、インジウムで2.9–3.1 K、Mo/Alで0.8–0.9 Kに明確な超伝導転移が観察され、0.8 K未満で抵抗ゼロが確認された。これは、超伝導的連続性が裏付けられたことを示している。
• 接合パスの臨界電流は36 µA未満で境界づけられており、接続パスを介した強固なスパントランスポートが確認された。
• 標準、溝エッチング、インジウムショートテスト構造間で抵抗差は測定されず、ポケット全体にわたりアルミニウム被膜がコンフォーマルかつ連続的であることが確認された。