Температуру нанесения тантала на квантовые чипы удалось снизить с 400 до 200 °C

Физики из Корнеллского университета предложили технологию нанесения тантала на кремниевые подложки всего при 200 °C, тогда как стандартный подход требует прогрева свыше 400 °C. Синтезированные плёнки продемонстрировали превосходную электропроводность, а созданные на их базе сверхпроводящие кубиты показали добротность до 16,9 млн. Статья с описанием разработки вышла в журнале Nature Materials.

В последние годы тантал зарекомендовал себя как крайне перспективный материал для квантовой электроники — он служит основой для создания высокоэффективных кубитов и СВЧ-резонаторов. Тем не менее внедрение тантала в традиционные полупроводниковые фабрики сдерживал жёсткий температурный режим: классическое распыление требует нагрева подложки выше 400 °C, что несовместимо со многими технологическими линиями микроэлектроники.

Основная сложность кроется в кристаллографии: при недостаточных температурах тантал кристаллизуется в нежелательную фазу. Чтобы сформировать необходимую объёмно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру, ранее требовался мощный термический нагрев. Однако чрезмерно высокая температура провоцирует диффузию тантала в кремний и разрастание промежуточного слоя, что неизбежно приводит к потере квантовой информации и деградации параметров схемы.

Решением стала замена стандартного аргона на более тяжёлый криптон в процессе ионного распыления. Массивные ионы криптона сообщают атомам тантала значительно больший импульс и кинетическую энергию, благодаря чему требуемая ОЦК-фаза стабильно формируется непосредственно на кремнии уже при 200 °C. Это существенно расширило технологическое температурное окно — интервал между кристаллизацией правильной структуры и началом активного смешивания металла с кремнием.

Для подтверждения эффективности метода авторы изготовили сверхпроводящие микроволновые резонаторы. Измерения показали: при повышенных температурах осаждения потери возрастали пропорционально степени взаимопроникновения тантала и кремния. Напротив, низкотемпературные плёнки, выращенные в среде криптона, обеспечили высокую стабильность и повторяемость характеристик, что критически важно для серийного выпуска квантовых устройств.

На базе полученного материала учёные собрали трансмоны — одну из ключевых разновидностей сверхпроводящих кубитов. Главным элементом таких систем служит джозефсоновский переход, в котором электроны туннелируют через тонкий изолирующий барьер между металлическими областями. Для образцов с компактным 20-микрометровым зазором конденсатора предельная добротность достигла 16,9 млн, что свидетельствует о минимальном затухании квантового состояния.

Авторы подчёркивают, что существенное снижение температуры осаждения тантала открывает прямой путь к его использованию на существующих производственных линиях полупроводниковой индустрии. Отказ от работы на грани предельных возможностей оборудования обеспечивает достаточный технологический запас для масштабирования производства высокопроизводительных квантовых чипов.

Источник: iXBT