СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ИОННОЙ ЛОВУШКИ Российский патент 2023 года по МПК H01J49/42 G06N10/40 H01L29/12 

Изобретение относится к способам изготовления многослойных поверхностных ионных ловушек и основанных на них монолитных интегральных фотонных схем для квантовых вычислений.

В известном патенте США №US 7411187 приведен способ изготовления ионной ловушки на основе GaAs/AlGaAs гетероструктуры путем создания микрополости для улавливания ионов в слое AlGaAs, расположенного между слоями GaAs. В начале на GaAs пластине методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается приборная структура, состоящая из следующей последовательности слоев: изолирующий AlGaAs, легированный кремнием проводящий GaAs, изолирующий AlGaAs и легированный проводящий GaAs. Для обеспечения доступа управляющего оптического излучения проводится травление обратной стороны подложки до слоя AlGaAs. Для обеспечения доступа к внутреннему проводящему слою GaAs проводится травление окон в вышележащих слоях приборной гетероструктуры в индуктивно-связанной плазме. Для создания электрического контакта к GaAs электродам ловушки формируются контактные площадки на основе металлизации золото/германий/никель. Травление в индуктивно-связанной плазме формирует и изолирует консольные электроды из GaAs, а травление плавиковой кислотой удаляет часть слоя AlGaAs между электродами и формирует микрополость для улавливания ионов.

Основной недостаток предлагаемого способа изготовления ионной ловушки заключается в получении плоских управляющих электродов. Известно, что напряженность электрического поля уменьшается вблизи плоских поверхностей. Это приводит к существенному отклонению удерживающего электрического поля от квадрупольного. Частота колебаний ионов становится зависящей не только от массы ионов, но и от амплитуды их колебаний в ловушке. Попадая в резонанс с возбуждающим полем, ионы увеличивают амплитуду колебаний и могут столкнуться со стенками удерживающей микрополости или вылететь из ловушки.

В известном патенте США №US 7180078 описывается способ изготовления планарной ионной ловушки по кремниевой технологии. Во-первых, химическое осаждение из паровой фазы при температуре 400-500°С формирует слой диоксида кремния толщиной около 300 нанометров (нм) на верхней поверхности сильно легированной кремниевой пластины. Затем с помощью осаждения из паровой фазы, легирования, отжига и полировки формируют слой низкоомного поликремния (удельное сопротивление от 0,5 до 5 мОм⋅см). Затем с помощью сухого травления слой поликремния разделяется на отдельные электроды постоянного тока. Далее на поликремний осаждается толстый слой SiO2, на котором в последствии изготавливаются ВЧ электроды. На задней стороне пластины проводятся следующие технологические операции. Во-первых, механическое шлифование уменьшает толщину пластины до 280 мкм. Затем с помощью контактной литографии и глубокого реактивного ионного травления получают сквозные отверстия, которые заполняются поликремнием и тем самых получаются контакты к электродам постоянного тока.

Недостатком указанного способа изготовления ионной ловушки является необходимость утонения и травления обратной стороны пластины для получения контактов к электродам постоянного тока. Также следует отметить, что для масштабирования одиночной ионной ловушки и изготовления большого массива для удержания сотен ионов необходимо перейти к технологии изготовления многоуровневых ловушек, содержащих три-четыре проводящих слоя. Во-первых, это позволит изготовить заземленный экран для экранирования ловушки от фонового электромагнитного излучения. Во-вторых, можно разместить управляющие микроволновые электроды внутри центрального электрода постоянного тока. Это приближает их к иону, уменьшая потребляемую мощность и перекрестные помехи. Наконец, интеграция конденсаторов в заземляющий слой непосредственно под электродами позволит заземлить электроды постоянного тока в нескольких точках, закоротить наведенные токи на заземляющий слой и уменьшить их распространение на другие части микросхемы.

В известном патенте США №US 10418443, являющийся прототипом, приведена конструкция многослойной поверхностной ионной ловушки, которая может быть изготовлена путем нанесения на подложку трех металлических слоев, разделенных двумя слоями изолирующего диэлектрика. Предлагается использовать кремниевые подложки с высоким удельным сопротивлением и SiO₂ в качестве изолирующего диэлектрика. Для лучшей электрической изоляции на подложку может осаждаться слой нитрида кремния с низкими механическими напряжениями. Для улучшения теплоотвода на подложке, под самым нижним металлическим слоем, может изготавливаться слой карбида кремния.

Основные недостатки приведенного технологического маршрута -несовместимость с методами оптического управления состоянием иона и технологией изготовления интегральных фотонных схем. Во-первых, величина оптической мощности, передаваемая через кремний, ограничивается двухфотонным поглощением. Во-вторых, кремний пропускает только излучение ИК диапазона. Однако, для контроля легких ионов (Ве⁺, Mg⁺и др.) используется ультрафиолетовое (УФ) излучение.

Задача, на решение которой направленно техническое решение, заключается в удержании иона и обеспечении возможности управления его квантовым состоянием с помощью электромагнитных волн УФ диапазона.

Техническим результатом является разработка способа изготовления поверхностной ионной ловушки, с помощью которого осуществляется расширение частотного диапазона управляющего электромагнитного излучения, передаваемого через электропроводящие слои ионной ловушки, до ультрафиолетовой части спектра, обеспечение возможности монолитного изготовления на едином кристалле интегральных фотонных схем для электромагнитных волн УФ диапазона и ионной ловушки.

Технический результат достигается тем, что до осаждения первого слоя диэлектрика на подложке с помощью эпитаксии выращивается GaN буферный слой, затем на GaN буферном слое с помощью эпитаксии выращивается барьерный слой AlGaN, тем самым формируя двумерный электронный газ на GaN/AlGaN гетерогранице, на барьерном слое изготавливаются омические контакты к области двумерного электронного газа, а в первом слое изолирующего диэлектрика вскрываются окна к омическим контактам к области двумерного электронного газа, и перед нанесением второго слоя изолирующего диэлектрика металлизация первого уровня покрывается тонким слоем адгезионного и антибликового покрытия.

Основные этапы изготовления ионной ловушки показаны на фиг. 1-5, где

1 - подложка, 2 - буферный слой GaN, 3 - барьерный слой AlGaN, 4 - область двумерного электронного газа на гетерогранице GaN/AlGaN, 5 - изолирующий диэлектрик, 6 - окна в диэлектрике к омическим контактам, 7 - омические контакты к области двумерного электронного газа, 8 - электрод постоянного напряжения, 9 - электрод заземления, 10 - переходные отверстия, 11 - электрод ВЧ-напряжения.

На фиг. 1 показано эпитаксиальное выращивание на подложке буферного слоя GaN и барьерного слоя AlGaN.

На фиг. 2 показано формирование омических контактов к области двумерного электронного газа, осаждение первого слоя изолирующего диэлектрика и вскрытие в диэлектрике окон к омическим контактам.

На фиг. 3 показано изготовление металлизации первого уровня, включающей шины постоянного тока и заземленный металлический экран.

На фиг. 4 показано осаждение второго слоя изолирующего диэлектрика и изготовление переходных отверстий.

На фиг. 5 показано изготовление металлизации второго уровня, включающей контакты ВЧ-электродов, электродов постоянного тока и заземляющие электроды

Для демонстрации достижимости технического результата по предлагаемому способу были изготовлены многослойные поверхностные ионные ловушки. Использовалась сапфировая подложка диаметром 76 мм. На одной пластине вместе с ионными ловушками были изготовлены специальные тестовые блоки для контроля параметров технологических операций.

Буферный слой GaN и барьерный слой AlGaN выращивались методом газофазной эпитаксии (MOCVD). GaN и тройные растворы на его основе (AlGaN) прозрачны для УФ излучения. Высокое критическое поле (3,3 МВ/см) позволяет использовать слои нелегированных нитридных полупроводников в качестве изолирующих. Кроме того, сильный пьезоэлектрический эффект вызывает образование двумерного электронного газа на гетерогранице GaN/AlGaN.

Концентрация и подвижность в слое двумерного электронного газа определялись по результатам холловских и вольт-фарадных измерений. Холловские измерения проводились на квадратной тестовой структуре Ван-дер-Пау, рекомендованной консорциумом KORRIGAN и агентством DARPA. Модуль для C-V измерений имеет круглую геометрию. Измерения показали слоевую концентрацию носителей более 10¹³ см^-2и подвижность более 1500 см²/В⋅с. Т.е. слой двумерного электронного газа может использоваться как заземляющая плоскость экранирования ионной ловушки от микроволнового излучения и блуждающих зарядов со стороны подложки.

Дополнительно следует отметить, что желательными компонентами монолитной фотонной интегральной схемы для квантовых вычислений являются активные встроенные модуляторы амплитуды, частоты и фазы. Материалы для модуляторов должны быть оптически прозрачными и изменять показатель преломления под действием электрического сигнала, т.е. обладать большими электрооптическими или пьезоэлектрическими коэффициентами, чтобы устройства можно было делать быстрыми и маленькими и приводить в действие низкими напряжением и электрической мощностью. Этому требованию удовлетворяют широкозонные нитридные полупроводники GaN и AlN.

Для формирования омических контактов применялась многослойная металлизация Si/Ti/Al/Ni/Au. Осаждение металлов проводилось методом электронно-лучевого испарения в высоком вакууме. Вжигание омических контактов проводилось с помощью быстрого термического отжига.

Металлизация электродов постоянного тока и ВЧ-электродов выполняется из AlSiCu (структурируется посредством плазменного травления) с покрытием толщиной 25±5 нм из нитрида титана (TiN). AlSiCu содержит 98,5±1,0% алюминия, 1,0±0,5% кремния и 0,5±0,2% меди. Нитрид титана TiN выполняет две задачи: способствует адгезии между осажденным оксидом (SiO2) и металлом (AlSiCu), и действует как антибликовое покрытие, необходимое для литографии на осажденном оксидном слое.

После напыления металлизации производится измерение шероховатости поверхности и толщины слоя металла методами атомно-силовой микроскопии. Измерения показали, что толщина металлизации выдерживается с высокой точностью. Удельное поверхностное сопротивление металлизации измерялось четырех-зондовым методом на тестовых структурах.

Основное требование к межслоевому диэлектрику - способность выдерживать напряжения до 300 В без пробоя. Изготовление пленок оксида кремния производилось с помощью химического осаждения из паровой фазы (PECVD) при температуре 250°С. В качестве исходных реагентов были выбраны силан и закись азота.

Таким образом такое техническое решение обеспечивает удержание иона и возможность управления его квантовым состоянием с помощью электромагнитных волн УФ диапазона.

Такое техническое решение расширяет частотный диапазон управляющего электромагнитного излучения, передаваемого через электропроводящие слои ионной ловушки, до ультрафиолетовой части спектра, обеспечивает возможность монолитного изготовления на едином кристалле интегральных фотонных схем для электромагнитных волн УФ диапазона и ионной ловушки.

Изобретение относится к способам изготовления многослойных поверхностных ионных ловушек и основанных на них монолитных интегральных фотонных схем для квантовых вычислений. Технический результат - расширение частотного диапазона управляющего электромагнитного излучения, передаваемого через электропроводящие слои ионной ловушки, до ультрафиолетовой части спектра, обеспечение возможности монолитного изготовления на едином кристалле интегральных фотонных схем для электромагнитных волн УФ-диапазона и ионной ловушки. До осаждения первого слоя диэлектрика на подложке с помощью эпитаксии выращивается GaN буферный слой, затем на GaN буферном слое с помощью эпитаксии выращивается барьерный слой AlGaN, тем самым формируя двумерный электронный газ на GaN/AlGaN гетерогранице. На барьерном слое изготавливаются омические контакты к области двумерного электронного газа, а в первом слое изолирующего диэлектрика вскрываются окна к омическим контактам к области двумерного электронного газа. Перед нанесением второго слоя изолирующего диэлектрика металлизация первого уровня покрывается тонким слоем адгезионного и антибликового покрытия. 5 ил.

Способ изготовления поверхностной ионной ловушки, заключающийся в последовательном осаждении первого слоя изолирующего диэлектрика, изготовлении металлизации первого уровня, осаждении второго толстого слоя изолирующего диэлектрика, в котором изготавливаются переходные отверстия для металлизации первого уровня, формировании контактов ВЧ-электродов, электродов постоянного тока и заземляющих электродов, отличающийся тем, что до осаждения первого слоя диэлектрика на подложке с помощью эпитаксии выращивается GaN буферный слой, затем на GaN буферном слое с помощью эпитаксии выращивается барьерный слой AlGaN, тем самым формируя двумерный электронный газ на GaN/AlGaN гетерогранице, на барьерном слое изготавливаются омические контакты к области двумерного электронного газа, а в первом слое изолирующего диэлектрика вскрываются окна к омическим контактам к области двумерного электронного газа, и перед нанесением второго слоя изолирующего диэлектрика металлизация первого уровня покрывается тонким слоем адгезионного и антибликового покрытия.