[论文解读] 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 7

一句话总结

本文展示了在硅片上直接制备高质量因子（高-Q）超导α-钽谐振器的成功，克服了以往需要蓝宝石衬底的限制。通过优化沉积条件并确定表面氧化物是两能级系统损耗的主要来源，该研究实现了可扩展、与工业兼容的低损耗超导电路制造，显著提升了性能。

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.

研究动机与目标

• 通过消除对蓝宝石衬底的需求，实现超导量子器件的大规模工业化制造。
• 解决超导电路中微波介电损耗的长期挑战，特别是界面和表面处的损耗。
• 研究α-钽在硅片上的可行性——该材料以其低损耗氧化物层著称，且硅片是半导体制造中的标准衬底。
• 识别α-钽谐振器中主导的损耗机制，并分离衬底、界面和表面氧化物的贡献。
• 通过在硅片上优化制备工艺，为高性能超导电路提供基于材料的优化路径。

提出的方法

• 采用物理气相沉积（PVD）在不同条件下于硅片上沉积α-钽薄膜，以控制薄膜相态和质量。
• 通过X射线衍射和电子显微镜等全面材料表征，确认了钽的α相形成。
• 使用与硅工艺兼容的标准光刻和刻蚀技术制备微波谐振器。
• 测量不同沉积参数下谐振器的品质因数（Q），以确定高-Q工作的最佳条件。
• 将实验测得的Q因子与模拟损耗模型进行对比，区分表面氧化物处的两能级系统（TLS）损耗与衬底-金属界面处的损耗贡献。
• 利用阻抗谱和介电损耗分析，将表面氧化物确定为主要的TLS损耗来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在无种子层的情况下，在硅片上直接制备高-Q超导α-钽谐振器？
• RQ2 在α-钽谐振器中，两能级系统（TLS）损耗的主要来源是衬底-金属界面还是表面氧化物层？
• RQ3 在硅片上不同的沉积条件如何影响相形成、薄膜质量及最终谐振器的Q因子？
• RQ4 当α-钽转移到标准硅衬底时，其本征低损耗特性能在多大程度上得以保留？
• RQ5 是否能够通过实验与模拟相结合的方法，准确建模并区分α-钽谐振器中的损耗机制？

主要发现

• 成功在无种子层的硅片上制备出高品质因子（Q > 10^6）的超导谐振器，采用α-钽薄膜。
• 通过X射线衍射和电子显微镜确认了钽的α相，表明在硅片上成功实现了相态形成。
• 基于实验Q因子与模拟损耗贡献的对比，确定表面氧化物是两能级系统（TLS）损耗的主要来源，而非衬底-金属界面。
• 最优沉积条件使谐振器在4.2 K下Q因子超过1 × 10^6，证明其与最先进的超导器件兼容。
• 本研究建立了一套可扩展、与硅片兼容的α-钽谐振器制备工艺，支持与现有CMOS类工业设施的集成。
• 结果证实，α-钽的低损耗特性可在硅衬底上得以保留，为高性能超导电路的大规模生产铺平了道路。