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Sep 18, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12810 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Intrigados com a descoberta da longa vida útil do qubit Transmon baseado em α-Ta/Al2O3, os pesquisadores descobriram recentemente que o filme α-Ta é uma plataforma promissora para a fabricação de multi-qubits com longo tempo de coerência. Para atender aos requisitos de integração de circuitos quânticos supercondutores, o método ideal é cultivar filme α-Ta em um substrato de silício compatível com a fabricação industrial. Aqui relatamos o filme α-Ta cultivado em Si (100) com uma camada tampão TiNx supercondutora de baixa perda. O filme α-Ta com uma grande janela de temperatura de crescimento possui um bom caráter cristalino. A temperatura crítica de transição supercondutora (Tc) e a razão de resistividade residual (RRR) no filme α-Ta cultivado a 500 ° C são maiores do que no filme α-Ta cultivado à temperatura ambiente (RT). Esses resultados fornecem pistas experimentais cruciais para a compreensão da conexão entre a supercondutividade e as propriedades dos materiais no filme α-Ta e abrem um novo caminho para a produção de um filme α-Ta de alta qualidade em substrato de silício para futuros computadores quânticos supercondutores industriais.

Materiais supercondutores cultivados em substratos de Si ou Al2O3 podem formar filmes de alta cristalinidade e com perda dielétrica inerentemente baixa, sendo assim explorados como materiais para a construção de circuitos quânticos supercondutores . Recentemente, pesquisadores têm feito esforços para buscar novos filmes supercondutores com propriedades supercondutoras estáveis ​​e processamento maduro utilizados no campo da computação quântica, visando melhorar o desempenho de qubits supercondutores, incluindo longo tempo de coerência e portas rápidas5,7,8,9,10 ,11,12. Os filmes supercondutores de alta qualidade com baixas perdas dielétricas em superfícies e interfaces que apresentam alto RRR são promissores para a fabricação de qubits de alto desempenho . Especialmente, utilizando filmes α-Ta para fabricar os Transmons 2D, os dispositivos mostraram uma melhoria significativa no desempenho decorrente da menor perda relacionada à superfície . Assim, o filme α-Ta é um supercondutor de base promissor para construir circuitos quânticos supercondutores em larga escala com propriedades de alto desempenho, abrindo caminho para computadores quânticos supercondutores práticos. No entanto, nestes estudos de qubits supercondutores7,8, o substrato de safira que foi usado para cultivar o filme α-Ta não pode ser facilmente ampliado com integração avançada, como a tecnologia through via. Por outro lado, o substrato de silício é amplamente utilizado em circuitos integrados de grande escala. É portanto muito natural levantar a questão de saber se o filme α-Ta pode ser cultivado num substrato de silício ou não.

A obtenção de filme α-Ta que é facilmente formado em alta temperatura depositado em substrato de Si sem interface de difusão interna é muito limitada, em parte devido ao obstáculo de que Ta é altamente reativo ao substrato de Si aquecido . Embora tenha sido relatado que o filme α-Ta é depositado no substrato de Si à temperatura ambiente com sucesso usando diversas estratégias, como otimizar as condições de pulverização catódica e adicionar camadas inferiores . 27,28,29,30. Em comparação com o crescimento em alta temperatura, esses filmes são mais propensos a ter tamanhos de grãos menores, mais limites de grãos e mais defeitos superficiais como resultado da deposição à temperatura ambiente , o que pode levar a uma perda dielétrica adicional no dispositivo quântico supercondutor8,12,13,14,31,32,33. Além disso, nestes estudos, a interface Ta-Si pode incluir subcamadas não supercondutoras mais espessas ou silicietos metálicos 15,16,17 que podem se formar devido aos tratamentos de aquecimento utilizados durante o fluxo de fabricação do dispositivo. Isso aumentaria os canais de perda de micro-ondas nas interfaces 12,13,31,32,33. Assim, precisamos de um novo método para cultivar filme α-Ta no substrato de Si que tenha um tamanho de grão grande e interface clara com camadas tampão supercondutoras de baixa perda, minimizando a perda dielétrica em superfícies e interfaces para melhorar o desempenho do qubit supercondutor.