基于超导二维电子气平台的可扩展量子集成电路

为了在混合超导体-半导体-超导体约瑟夫森结中实现连贯的量子输运，必须在两种不同材料之间形成均匀且无势垒的界面。本文介绍一种新型二维材料平台，并研究基于混合量子集成电路基础的二维电子气砷化铟镓中的近邻诱导超导性。在设计约瑟夫森结（JJ）和量子集成电路（QIC）器件结构之前，首先使用丙酮和异丙醇清洗砷化铟镓晶圆。

然后用氮气吹干器件。在砷化镓铟晶圆表面旋涂光刻胶。将器件放在热板上烘烤数秒钟。

随后，将光掩模放入掩模对准仪中，并将器件置于相应的图形下方。通过台面和QIC布局的光掩模，用紫外光照射器件。然后将器件在MF-319显影液中显影数分钟。

通过将器件置于水、硫酸和过氧化氢的混合溶液中，刻蚀出台面结构以作为有源区。用去离子水冲洗器件30秒，并用氮气吹干。现在使用DEKTAK表面轮廓仪确认刻蚀深度约为150纳米。

用丙酮和异丙醇清洁器件。接下来，通过在器件表面旋涂光刻胶，形成欧姆接触电极，以实现金属与二维电子气之间的电接触。然后将器件放在热板上烘烤数秒。

将光掩模放入掩模对准器中，并将器件置于相应的图形下方。通过欧姆图形的光掩模对器件进行紫外光曝光。然后将器件在MF-319显影液中显影数分钟。

随后，在蒸发仪中将一层薄薄的金锗镍合金沉积到已形成光刻胶图形的样品上。在丙酮中完成剥离工艺后，将器件在430摄氏度下退火数秒。在器件表面旋涂一层光刻胶。

然后将器件放在加热板上烘烤数秒钟。通过光刻图形化并在酸中进行湿法刻蚀，如前所述，在有源区顶部刻蚀出130纳米深的沟槽，以形成二维约瑟夫森结（JJ）。将器件切割成小芯片。

使用 GE 漆将包含二维约瑟夫森结阵列的芯片装载到标准的无引线芯片载体上。然后在器件与无引线芯片载体焊盘之间制作电极连接。最后，将器件装入稀释制冷机中进行输运测量。

此处展示了器件2电路中一个结的扫描电子显微镜（SEM）图像。在结的每一侧，两片铌膜之间最短路径的距离为550纳米。器件1的一个结的扫描电子显微镜（SEM）图像显示，该结通过光刻工艺制备，两个铌电极之间的间距为850纳米。

本文展示了超导-半导体混合结中的正常反射和安德烈夫反射。同时展示了器件1中由温度依赖性引起的超导能隙，其具有明显的次谐波能隙结构、峰和谷。在最低温度下，次谐波能隙结构呈现出3个峰和3个谷。

此处展示了随着温度升高，由于诱导超导性被抑制而导致的峰和谷随温度演变的情况。所有特征均表现出显著的温度依赖性，在50毫开尔文时观察到最强的次谐波能隙峰。此处还展示了器件2的超导能隙随施加的源漏电压和温度的变化情况。

器件2的输运测量在温度和磁场依赖性方面未显示出任何能隙内或次能隙振荡迹象，而这些现象在器件1中可以观察到。执行该程序时最重要的环节是获得合适的H水平，以接触器件中的二维电子气并形成纳米结。我认为可以通过研究不同长度和宽度的二维约瑟夫森结，来探究结的尺寸对所观测拓扑相的影响。

该技术使得在一次冰箱冷却过程中能够测量数百个量子器件，为实现可扩展的混合量子器件铺平了道路。