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Sep 18, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12810 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

Intrigués par la découverte de la longue durée de vie du qubit Transmon basé sur α-Ta/Al2O3, les chercheurs ont récemment découvert que le film α-Ta est une plate-forme prometteuse pour fabriquer des multi-qubits avec un long temps de cohérence. Pour répondre aux exigences d’intégration de circuits quantiques supraconducteurs, la méthode idéale consiste à faire croître un film d’α-Ta sur un substrat de silicium compatible avec une fabrication industrielle. Nous rapportons ici le film α-Ta cultivé par pulvérisation sur Si (100) avec une couche tampon TiNx supraconductrice à faibles pertes. Le film α-Ta présentant une grande fenêtre de température de croissance présente un bon caractère cristallin. La température de transition critique (Tc) supraconductrice et le rapport de résistivité résiduelle (RRR) dans le film α-Ta cultivé à 500 ° C sont supérieurs à ceux du film α-Ta cultivé à température ambiante (RT). Ces résultats fournissent des indices expérimentaux cruciaux pour comprendre le lien entre la supraconductivité et les propriétés des matériaux dans le film α-Ta et ouvrent une nouvelle voie pour produire un film α-Ta de haute qualité sur un substrat de silicium pour les futurs ordinateurs quantiques supraconducteurs industriels.

Les matériaux supraconducteurs cultivés sur des substrats de Si ou d'Al2O3 peuvent former des films de haute cristallinité et avec une perte diélectrique intrinsèquement faible. Ils sont donc explorés comme matériaux pour la construction de circuits quantiques supraconducteurs1,2,3,4,5,6. Récemment, des chercheurs se sont efforcés de rechercher de nouveaux films supraconducteurs dotés de propriétés supraconductrices stables et d'un traitement mature utilisés dans le domaine de l'informatique quantique, dans le but d'améliorer les performances des qubits supraconducteurs, notamment un temps de cohérence long et des portes rapides5,7,8,9,10. ,11,12. Les films supraconducteurs de haute qualité présentant de faibles pertes diélectriques au niveau des surfaces et des interfaces qui présentent un RRR élevé sont prometteurs pour la fabrication de qubits hautes performances1,2,7,13,14. En particulier, en utilisant des films α-Ta pour fabriquer les Transmons 2D, les dispositifs ont montré une amélioration significative des performances résultant de la perte liée à la surface inférieure7,8. Ainsi, le film α-Ta est un supraconducteur de base prometteur pour construire des circuits quantiques supraconducteurs à grande échelle dotés de propriétés de haute performance, ouvrant la voie à des ordinateurs quantiques supraconducteurs pratiques. Cependant, dans ces études sur les qubits supraconducteurs7,8, le substrat saphir utilisé pour développer le film α-Ta ne peut pas être facilement mis à l’échelle avec une intégration avancée, telle que la technologie through via. En revanche, le substrat de silicium est largement utilisé pour les circuits intégrés à grande échelle. Il est donc tout à fait naturel de se poser la question de savoir si un film d’α-Ta peut ou non être développé sur un substrat de silicium.

L'obtention d'un film α-Ta qui se forme facilement à haute température et est déposé sur un substrat de Si sans interface de diffusion interne est très limitée, en partie à cause de l'obstacle que Ta est hautement réactif au chauffage du substrat de Si15,16,17. Bien qu'il ait été rapporté que le film α-Ta est déposé avec succès sur un substrat de Si à température ambiante en utilisant plusieurs stratégies telles que l'optimisation des conditions de pulvérisation et l'ajout de sous-couches18,19,20,21,22,23,24,25,26, 27,28,29,30. Par rapport à la croissance à haute température, ces films sont plus susceptibles d'avoir des tailles de grains plus petites, plus de joints de grains et plus de défauts de surface en raison du dépôt RT18,19,20,21,22, ce qui pourrait entraîner une perte diélectrique supplémentaire. dans le dispositif quantique supraconducteur8,12,13,14,31,32,33. En outre, dans ces études, l'interface Ta-Si peut inclure des sous-couches non supraconductrices plus épaisses ou des siliciures métalliques qui pourraient se former en raison des traitements thermiques utilisés lors de la fabrication du dispositif. Cela augmenterait les canaux de perte micro-ondes aux interfaces12,13,31,32,33. Ainsi, nous avons besoin d'une nouvelle méthode pour faire croître un film α-Ta sur le substrat de Si qui présente une grande taille de grain et une interface claire avec des couches tampons supraconductrices à faible perte tout en minimisant les pertes diélectriques au niveau des surfaces et des interfaces afin d'améliorer les performances des qubits supraconducteurs.