ИЗГОТОВЛЕНИЕ НАНОПРОВОЛОЧНОЙ СТРУКТУРЫ ДЛЯ КВАНТОВОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2024 года по МПК G06N10/00 H10N69/00 

Область техники, к которой относится изобретение

[001] Эта заявка относится к способу получения квантового устройства, и к полученному квантовому устройству. Такое квантовое устройство может быть использовано, например, в квантовом компьютере.

Уровень техники

[002] Вычисления с помощью квантовых компьютеров представляют собой класс расчетов, в которых по существу квантово-механические явления, такие как суперпозиция и запутанность («квантовая сцепленность») квантовых состояний, используются для выполнения определенных вычислений гораздо быстрее, чем был бы способен любой классический компьютер. В «топологическом» квантовом компьютере расчеты выполняются посредством оперирования квазичастицами - называемыми «неабелевыми энионами» - которые возникают в определенных физических системах. Энионы имеют уникальные физические характеристики, которые отличают их как от фермионов, так и от бозонов. Неабелевы энионы также имеют уникальные свойства сравнительно с абелевыми энионами. Эти свойства уникальны тем, что служат как основа топологических квантовых вычислений, в которых информация кодируется как топологическая характеристика неабелевых энионов; более конкретно, сплетение их пространственно-временных мировых линий. Это обеспечивает определенные преимущества перед другими моделями квантовых вычислений. Одним ключевым преимуществом является стабильность, так как квантовое сплетение нечувствительно к возмущениям масштабных соотношений, которые могли бы вызывать приводящую к ошибкам квантовую декогеренцию в квантовых компьютерах других типов.

[003] В общих чертах, до сих пор рассматривали физические системы двух типов как потенциальные хост-системы неабелевых энионов, а именно, системы «5/2-дробный квантовый эффект Холла» в физике конденсированных сред, и (с недавних пор) полупроводник-сверхпроводниковые нанопроволоки (SE/SU). Что касается последних, ключевым достижением в этой области было осуществление того, что неабелевы энионы, в форме «нулевых состояний Майораны (Майорановского фермиона)» (MZM), могут быть сформированы в областях полупроводника (SE), соединенного со сверхпроводником (SU). На основе этого эффекта сеть из SE/SU-нанопроволок может быть использована для создания квантового бита, причем каждая SE/SU-нанопроволока включает участок длины полупроводника, покрытый сверхпроводником.

[004] Квантовый бит, или кубит, представляет собой элемент, посредством которого может быть выполнено измерение двух возможных результатов, но которые в любой данный момент времени (когда не будучи измеренными) фактически могут быть в квантовой суперпозиции двух состояний, соответствующих различным результатам.

[005] «Топологический» кубит представляет собой кубит, образованный на основе вышеуказанной технологии неабелевых энионов в форме MZM. Неабелев энион представляет собой тип квазичастицы, подразумевающий не саму частицу как таковую, а возбужденное состояние электронной жидкости, которая ведет себя, по меньшей мере отчасти, подобно частице. В частности, энион представляет собой квазичастицу, возникающую в двумерной системе (с двумя степенями свободы в пространстве). Нулевое состояние Майораны представляет собой конкретное связанное состояние таких квазичастиц. В определенных условиях эти состояния могут быть сформированы вблизи поверхности раздела «полупроводник/сверхпроводник» в сети SE/SU-нанопроволок, таким образом, что позволяет манипулировать ими как квантовыми битами с целью проведения квантовых вычислений. Области, или «сегменты», нанопроволочной сети между MZM находятся, так сказать, в «топологическом» режиме.

Сущность изобретения

[006] Этот раздел «Сущность изобретения» приведен для введения в курс относительно концепций в упрощенной форме, которые дополнительно описаны ниже в разделе «Подробное описание изобретения». Этот раздел «Сущность изобретения» как не предназначен для идентификации ключевых признаков или существенных особенностей заявленного изобретения, так и не предполагает использования для ограничения объема заявленного изобретения. Равным образом, заявляемое изобретение не ограничено вариантами осуществления, которые устраняют любой или все из указанных здесь недостатков.

[007] В то время как недавние разработки в технологии изготовления привели к значительным улучшениям качества нанопроволочных сетей, все обсуждаемые подходы ориентированы на задачи масштабируемости и/или качества. Это создает ограничения в размерах и сложности нанопроволочных сетей, которые могут быть изготовлены в пределах этих подходов.

[008] Различные способы микро/нанотехнологий могут быть использованы для получения высококачественных полупроводниковых (а также сверхпроводника и изоляции) структур, необходимых для квантовых устройств для потенциального применения в области квантовых вычислений. Они представляют собой конкретные задачи в случае эпитаксиальных структур (плоскостных проволочных сетей), где используют маску для регулирования процесса роста, который можно контролировать кинетически и/или термодинамически.

[009] Одна задача относится к контролю дефектов. Бездефектные области в нанопроволочных сетях имеют ограниченные размеры (как правило, в несколько микрон (мкм)). Структурные дефекты возникают внутри структуры беспорядочно с размерами сверх критической величины. Это является вредным для качества устройства, поскольку имеющие дефекты области могут возникать внутри его активной области, оказывая негативное влияние на перенос электронов.

[010] Еще одна задача относится к масштабируемости. В некоторых особых случаях, вследствие фундаментальных кинетических и/или термодинамических ограничений, максимально достижимый размер полученных структур (например, сетей) ограничен как раз до нескольких десятков микрон (мкм). Это делает некоторые способы изготовления немасштабируемыми, несмотря на то обстоятельство, что они могут создавать высококачественные структуры на более низком уровне. Существует естественная потребность в том, чтобы сделать эти способы масштабируемыми для вариантов применения в более крупных размерах.

[011] Варианты осуществления настоящего изобретения представляют способы изготовления нанопроволочных структур, которыми можно не только получать высококачественные структуры, но также делать их пригодными к масштабированию, чтобы обеспечивать возможность получения крупных и потенциально сложных нанопроволочных сетей.

[012] Согласно одному раскрытому здесь аспекту, представлен способ изготовления квантового устройства, причем способ включает: в фазе формирования маски, формирование первого сегмента аморфной маски на нижележащем базовом слое подложки, причем первый сегмент включает первую серию канавок, обнажающих базовый слой; в фазе формирования маски, формирование второго сегмента аморфной маски на базовом слое, причем второй сегмент включает вторую серию канавок, обнажающих базовый слой, причем первый и второй сегменты не перекрываются, и причем открытый конец одной канавки из первой серии обращен к открытому концу одной канавки из второй серии, но концы разделены участком аморфной маски; в фазе роста полупроводника, выращивание, в условиях выращивания на локальной площади, полупроводникового материала в первой и второй сериях канавок с образованием первой и второй субсетей нанопроволок на базовом слое; и соединение первой и второй субсетей нанопроволок с образованием единой нанопроволочной сети на базовом слое.

[013] Первый и второй сегменты могут быть сформированы в одно и то же время. То есть, первая и вторая серия канавок могут быть сформированы в одно и то же время. В альтернативном варианте, первый и второй сегменты могут быть сформированы друг за другом.

[014] Отдельные канавки тем самым образуют первую и вторую части совокупной (то есть, более широкой или более длинной) канавки (то есть, канала), определяющей нанопроволоку, но с прерыванием во всей канавке, образованной указанным участком маски. Другими словами, указанный участок маски эффективно действует как нарушение непрерывности в длинной канавке, сформированной отдельными канавками. Участок предпочтительно составляет величину порядка нескольких нанометров по направлению канавки. Особенностью некоторых способов выращивания на локальной площади является то, что вероятность заполнения канавки возрастает по мере сокращения площади поверхности. В случае, где, вследствие фундаментальных кинетических и/или термодинамических ограничений, максимально достижимый размер образованных структур (например, сетей) ограничен всего несколькими десятками микрон (мкм), то является благоприятным сегментировать крупную маску на более мелкие сегменты, для повышения возможностей полного выращивания нанопроволочной сети.

[015] В вариантах осуществления изобретения используют основанный на сегментировании подход для построения единой (то есть, более крупной) нанопроволочной сети из двух или многих субсетей (то есть, более мелких сетей) нанопроволок. Это позволяет применять способы выращивания, которые не способны создавать крупные структуры, в увеличенном масштабе (например, в масштабе вафли). Варианты осуществления также обеспечивают эффективный контроль дефектов в пределах крупномасштабных нанопроволочных сетей, так как дефекты ограничиваются разделениями между сегментами маски, то есть, между открытым концом одной канавки из первой серии и открытым концом одной канавки из второй серии.

[016] В вариантах осуществления указанное соединение может включать слияние посредством бокового роста полупроводникового материала во время фазы выращивания полупроводника.

[017] В альтернативном варианте, указанное соединение может включать, в последующей фазе после фазы выращивания полупроводника, соединение открытого конца одной канавки из первой серии с открытым концом одной канавки из второй серии посредством электрического проводника.

[018] В вариантах осуществления базовый слой может представлять собой вафлю-пластину подложки. В альтернативном варианте, между маской и вафлей могут быть размещены один или многие промежуточные слои.

[019] В вариантах осуществления открытый конец первой канавки первой серии может быть отделен от открытого конца первой канавки второй серии неактивным участком нанопроволочной сети.

[020] Не все участки (например, точки или области) внутри нанопроволочной сети служат для квантовой и/или электрической цели. В то время как вся часть сети в целом играет конкретную роль в квантовом вычислении, требования к качеству кристаллического строения различных частей различаются. Части, где «проявляются» квантовые эффекты, отличаются наивысшими требованиями к качеству кристаллического строения. Их называют «активными областями». Другими словами, квантовые или электрические эффекты, необходимые для указанного квантового вычисления, обычно ограничены определенными областями внутри нанопроволочной сети, например, определенными контактами в сети. Активная (или оперативная) область нанопроволочной сети подразумевает любую область, которая согласуется с указанными эффектами, или где предполагается проявление указанных эффектов. Другими словами, оперативная область представляет собой активную область, или рабочую область квантового устройства. Напротив, неоперативная область подразумевает область, которая не соответствует указанным эффектам, или где проявление указанных эффектов не ожидается. Поэтому разделение между первым и вторым сегментами маски, то есть, участок маски, который отделяет первые концы одной из канавок первой серии и одной из канавок второй серии, может быть позиционирован совпадающим с неоперативной областью маски. Авторы настоящего изобретения допускают, что дефекты нанопроволочной структуры, если имеются, возникают в указанном разделении, вместо случайных местоположений. Тем самым это позволяет локализовать дефекты в неоперативных областях вместо беспорядочного возникновения их на протяжении оперативных областей, тем самым повышая общее качество устройства.

[021] В вариантах осуществления первая и вторая сети канавок могут быть сформированы травлением аморфной маски от базового слоя. В альтернативном варианте, канавки могут быть сформированы с использованием нанопечати или других способов создания рисунка.

[022] В вариантах осуществления соответствующий рисунок первой и второй канавок может быть определен литографией.

[023] В вариантах осуществления аморфная маска может быть диэлектрической. В вариантах осуществления базовый слой может представлять собой изоляционный материал.

[024] В вариантах осуществления полупроводниковый материал может быть выращен по эпитаксиальной технологии. Например, полупроводниковый материал может быть выращен способом молекулярно-лучевой эпитаксии.

[025] В вариантах осуществления способ может включать, в фазе выращивания сверхпроводника, выращивание слоя сверхпроводящего материала поверх по меньшей мере части нанопроволочной сети.

[026] В вариантах осуществления слой сверхпроводящего материала может быть нанесен с использованием пучка частиц.

[027] В вариантах осуществления сверхпроводящий материал может быть выращен по эпитаксиальной технологии.

[028] Согласно еще одному раскрытому здесь аспекту, может быть представлено квантовое устройство, включающее: подложку и аморфную маску, сформированную на базовом слое подложки, причем аморфная маска включает первый сегмент, включающий первую серию канавок, и второй сегмент, включающий вторую серию канавок, причем первый и второй сегменты не перекрываются, и причем открытый конец первой канавки из первой серии канавок обращен к открытому концу первой канавки из второй серии канавок и отделен от него; и нанопроволочную сеть на базовом слое, причем нанопроволочная сеть сформирована из соединения первой и второй субсетей нанопроволок поверх маски, причем первая и вторая субсети нанопроволок включают нанесенный выращиванием на локальной площади полупроводниковый материал, в первой и второй сериях канавок.

[029] В вариантах осуществления устройство может включать электрический проводник, соединяющий открытые концы первых канавок первой и второй серий канавок.

[030] Согласно еще одному раскрытому здесь аспекту может быть представлен способ действия устройства, причем способ включает индуцирование по меньшей мере одного Майорановского фермиона, MZM, в одной или многих нанопроволоках нанопроволочной сети, причем по меньшей мере один MZM индуцируют охлаждением сверхпроводника до температуры сверхпроводимости, и приложением магнитного поля к устройству. Индуцирование по меньшей мере одного MZM может дополнительно включать подведение к по меньшей мере одной из одной или многих нанопроволок электростатического потенциала.

Краткое описание чертежей

[031] Для лучшего понимания данной технологии, и чтобы показать, как варианты осуществления могут быть эффективно исполнены, приведена ссылка, только в порядке примера, на следующие фигуры, в которых

[032] Фигура 1 схематически иллюстрирует пример способа изготовления сети нанопроволок;

[033] Фигуры 2А и 2В показывают примеры выращивания на локальной площади нанопроволочных сетей;

[034] Фигура 3 показывает пример полученного в сканирующем электронном микроскопе (SEM) изображения части масштабированной (>10 мкм) нанопроволочной сети;

[035] Фигуры 4 и 4А показывают SEM-изображения нанопроволочной сети малого масштаба (<7 мкм);

[036] Фигуры 5 и 5А схематически иллюстрируют пример субсетей нанопроволок, которые соединены с образованием единой нанопроволочной сети;

[037] Фигура 6 иллюстрирует пример SEM-изображений, демонстрирующий основанный на сегментировании подход на линии длиной 30 мкм, разделенной на сегменты в 10 мкм, и врезка показывает закрытие зазора между сегментами;

[038] Фигуры 7А и 7В схематически иллюстрируют пример сплошной маски и пример сегментированной маски с дефектами, возникшими в случайных положениях внутри нанопроволок; и

[039] Фигура 8 иллюстрирует пример снятого в просвечивающем электронном микроскопе (TEM) поперечного сечения нанопроволоки с дефектом, возникшим в случайном положении внутри нанопроволоки.

Подробное описание изобретения

[040] Эпитаксиальные полупроводниково-сверхпроводниковые материалы представляют собой многообещающую платформу для сверхпроводящих электронных устройств и квантового вычисления в условиях сверхпроводимости. В контексте топологического квантового вычисления сверхпроводящие нанопроволоки со строгим спин-орбитальным взаимодействием могут поддерживать топологические возбуждения, которые могут служить как основа стойкой к дефектам обработки квантовой информации.

[041] Современные подходы к синтезу полупроводниково-сверхпроводящих материалов для сверхпроводящих нанопроволочных электронных устройств либо основаны на двумерных плоскостных материалах (например, смотри работу авторов Shabani и др., PRB 93, 155402 (2016)), либо на выращивании снизу вверх нанопроволочных материалов (например, смотри работу авторов Krogstrup и др., Nature Mater., том 14, стр. 400-406 (2015)). Оба подхода сталкиваются с проблемами масштабируемости по различным причинам.

[042] В частности, некоторые способы изготовления с использованием маски приводят к высококачественным структурам в мелком масштабе, но не могут быть распространены на более крупные структуры. Фигура 3 представляет полученное в сканирующем электронном микроскопе (SEM) изображение маски, используемой для регулирования выращивания нанопроволочной сети. Маска, размер которой превышает 10 мкм, не была полностью заполнена материалом после выращивания (смотри обведенную кружком часть изображения). Напротив, Фигуры 4 и 4А представляют SEM-изображения, которые показывают маломасштабные нанопроволочные сети, которые были выращены с полным заполнением мелких масок. Здесь характеристический размер отверстий маски в каждом случае составляет менее 7 мкм.

[043] Более того, в случае, где возможно достижение крупномасштабных сетей, тогда возникает проблема образования дефектов, причем дефекты появляются в случайных местах внутри сети. Это иллюстрировано схематическим изображением в Фигуре 7А, где нанопроволока выращена с использованием сплошной маски, как в случае предыдущих способов. Здесь дефекты 702а, 702b возникают в случайных положениях. Изображение поперечного сечения в Фигуре 8, которая представляет полученное в просвечивающем электронном микроскопе (TEM) изображение нанопроволоки, показывает фактический пример дефекта, возникшего в нанопроволоке.

[044] Для разрешения этих и прочих проблем, в вариантах осуществления изобретения используют сегментационный подход для изготовления квантового устройства, в котором конструкцию маски для крупных сетей подразделяют на мелкие сегменты. Как только происходит выращивание в мелких сегментах, образующих субсети нанопроволок, субсети могут быть соединены (например, слиянием). Например, субсети могут быть соединены боковым расширением кристалла. Полученная структура (сеть) будет подобна сплошной конфигурации, но с дефектами (если наличествуют), ограниченными местами преднамеренного разрыва маски. Это схематически показано в Фигуре 7В, где дефект 902а возникает скорее в месте 904 разрыва, нежели в случайном положении на протяжении нанопроволоки 906. Это разрешает проблему дефектов. Что касается вопроса масштабируемости, каждая субсеть растет независимо, обеспечивая то, что каждая из них находится ниже критического достижимого размера для конкретного материала и условий выращивания. Любое число полностью выращенных субсетей может быть соединено с образованием крупной сети. Это обеспечивает неограниченную масштабируемость нанопроволочных сетей.

[045] Со ссылкой на Фигуры 1, 5 и 5А, теперь будет описан пример трехфазного способа изготовления. Способ изготовления может быть использован для создания сети нанопроволок из полупроводника (SE) и/или полупроводника/сверхпроводника (SE/SU), которая, в свою очередь, может образовывать основу квантового устройства или схемы (например, для квантового компьютера), или другой смешанной платформы из полупроводника-сверхпроводника. В частности, способ в особенности пригоден для изготовления SE/SU-нанопроволочной сети, способной размещать стабильные MZM, которые могут формировать основу безошибочных топологических квантовых вычислений. Здесь SE/SU-нанопроволока относится к полупроводниковой проволоке, покрытой сверхпроводником.

[046] В примере способа изготовления применяют выращивание на локальной площади (SAG). SAG представляет собой способ выращивания с использованием вакуумных камер для выращивания кристаллов такими технологиями, как химико-лучевая эпитаксия (CBE), молекулярно-лучевая эпитаксия, и осаждение металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD). Например, смотри работы авторов G. J Davies, Proc. SPIE 2140, Epitaxial Growth Processes, том 58 (11 мая 1994); doi:10.1117/12.175795; M. Fahed, докторская диссертация: Selective area growth of in-plane III-V nanostructures using molecular beam epitaxy, 2016, http://www.theses.fr/2016LIL10114; Fukui и др., Appl. Phys. Lett., том 58, стр. 2018 (1991); doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.105026.

[047] Поскольку SE/SU-нанопроволочную сеть создают с использованием SAG, вся нанопроволочная сеть или многочисленные такие сети могут быть сформированы как единое целое на подложке. Подложка и нанопроволочная сеть могут быть встроены непосредственно в конечное изделие, без какой-то необходимости в переносе нанопроволок на иную поверхность.

[048] Изготовление квантового устройства включает построение вафли путем осаждения многочисленных слоев или материала, обычно с различными конфигурациями рисунков, поверх подложки. Весь процесс в целом включает многочисленные стадии, так как наращивают различные слои. Для последующего описания «вафля» будет упоминаться здесь для обозначения базового слоя, и «подложка» будет иметь отношение к вафле плюс любым другим слоям, уже осажденным поверх вафли на текущей стадии способа изготовления.

[049] В первой фазе I (стадии формирования маски) на нижележащем (базовом) слое подложки 104 формируют аморфную маску 102. Аморфная маска 102 может быть выполнена из диэлектрического материала. Базовый слой подложки может представлять собой самое подложку 104, или может быть промежуточным слоем из материала, который был осажден на подложку. Аморфную маску 102 формируют из многочисленных сегментов. Нижеследующие примеры будут описаны в отношении первого сегмента и второго сегмента, но будет понятно, что описываемые способы применимы к более чем двум сегментам. Каждый сегмент включает серию канавок, которые обнажают базовый слой, например, подложку, причем первый сегмент включает первую серию канавок, раскрывающую первый рисунок базового слоя, и второй сегмент включает вторую серию канавок, раскрывающую второй рисунок базового слоя. Первый и второй сегменты могут быть сформированы в одно и то же время, или один сегмент (например, первый сегмент) может быть сформирован первым, с последующим образованием другого сегмента (например, второго сегмента).

[050] Первый и второй сегменты формируются так, что они не перекрываются, то есть, их канавки не перекрываются в пространстве или не покрывают одну и ту же область базового слоя подложки. Первый и второй сегменты также сформированы так, что открытый конец одной канавки первой серии (принадлежащей к первому сегменту маски) обращен к открытому концу одной канавки второй серии канавок (принадлежащей ко второму сегменту маски). Открытые концы разделены участком аморфной маски. То есть, участок маски действует как начальный барьер между открытыми концами канавок, которые обращены друг к другу. Это схематически иллюстрировано в примерах Фигур 5 и 5А. В Фигуре 5 канавка 502а первой серии канавок (принадлежащей к первому сегменту маски) обращена к канавке 502b второй серии канавок (принадлежащей ко второму сегменту маски). Разделение канавок выделено блоком пунктирной линии. В этом примере открытый конец канавки 502b второй серии канавок обращен к открытому концу канавки 502с третьей серии канавок (принадлежащей к третьему сегменту маски). Подобным образом, в Фигуре 5А канавка 502а первой серии 504а канавок (принадлежащей к первому сегменту маски) обращена к канавке 502b второй серии 504b канавок (принадлежащей ко второму сегменту маски).

[051] Аморфные материалы не могут поддерживать эпитаксиальное выращивание. То есть, они подавляют рост в областях, где они осаждены на подложку, тогда как рост может происходить на кристаллической подложке, где маска открыта.

[052] Как правило, первый и второй сегменты могут иметь одинаковые размеры или различные размеры. Первый и второй сегменты могут иметь одинаковую форму или различные формы.

[053] В примере согласно Фигуре 1 снабженный рисунком слой 102 аморфного материала (аморфная маска) сформирован поверх подложки 104. Вид сбоку и вид сверху подложки 104 с аморфной маской 102 показаны на левой стороне Фигуры 1. Подложка 104 может быть сформирована из любого пригодного для подложки материала, такого как InP (фосфид индия), и в описываемых примерах представляет собой изолирующую подложку. В описываемых примерах материал маски 102 представляет собой оксид, но он может быть аморфным материалом, который облегчает исполнение SAG во второй фазе II способа изготовления (смотри ниже).

[054] Аморфная маска или оксидный слой 102 снабжены рисунком так, что оксидный слой 102 образован с возможностью оставления канавок (или узких полосок) с обнажением подложки - в желательной области 106 (то есть, не покрытой маской 102). Рисунок в этом контексте подразумевает структуру желательной области 106, которая в конечном итоге будет становиться структурой нанопроволочной сети, так как он представляет собой открытую область 106, в которой выращены SE-нанопроволоки. Соответственно этому, размер и структура нанопроволок согласована с размером и структурой открытой области 106. Хотя в Фигуре 1 показана только одна открытая область 106, нанопроволоки могут быть выращены одновременно в многочисленных областях, и все описания, имеющие отношение к желательной области 106, равным образом применимы к многочисленным таким областям. Соответственно этому, структура всей нанопроволочной сети может быть определена структурой открытой области(ей), которые сами определены структурой канавок каждого сегмента маски. В этом примере полоски и тем самым образованные нанопроволоки имеют ширину порядка десятков или сотен нанометров.

[055] Аморфная маска 102 может быть сформирована так, чтобы оставлять желательную область 106 обнаженной любым подходящим образом. Например, однородный сплошной слой аморфного материала, такого как оксид, может быть осажден на подложку 104 или другой базовый слой, и затем открытая область 105 может быть образована селективным вытравливанием аморфной маски 102 из желательной области 106 (в этом случае, литографией и последующим травлением, которое определяет возможную структуру нанопроволочной сети). В качестве еще одного примера, изоляционный материал 102 может быть селективно осажден на подложку 104 с маской, используемой для предотвращения осаждения материала (например, оксида) 102 в желательных областях 106 (в этом случае, с маской, которая определяет возможную структуру нанопроволочной сети). Оксид 102 может представлять собой, например, оксид кремния (SiО_х). S более общем плане, могли бы быть применены другие подходящие аморфные материалы.

[056] Во второй фазе II (фазе выращивания полупроводника, или SAG-фазе) выращивают полупроводниковый материал 108 в первой и второй сериях канавок, обнажающих базовый слой подложки. В случае, где базовый слой представляет собой самое подложку, полупроводниковый материал 108 выращивают на открытых участках подложки. Выращивание полупроводникового материала инициируют в каждой серии канавок. Полупроводниковый материал в условиях выращивания на локальной площади образует первую и вторую субсети из нанопроволок в каждой из серий канавок. Каждая субсеть нанопроволок может включать одну или многие нанопроволоки. Как показано в примере согласно Фигуре 5, каждый сегмент включает единственную нанопроволоку. Напротив, в примере Фигуры 5А каждый сегмент включает многочисленные канавки, и поэтому каждая соответствующая субсеть включает многочисленные нанопроволоки.

[057] Со ссылкой обратно на пример Фигуры 1, полупроводниковый материал 108 селективно выращивают внутри желательных областей 106, поверх открытой области подложки 104. Пример иллюстрирован сверху справа в Фигуре 1, где показан вид подложки 104 сбоку. Благодаря наличию рисунка в аморфной маске 102, селективное выращивание полупроводника 108 образует плоскостные нанопроволоки (то есть, нанопроволоки выращены целиком из отверстия; рост протекает по z-направлению по всей серии отверстий, определяемый x-y-плоскостью). Например, полупроводниковый материал 108 может представлять собой арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), или любой другой полупроводник с относительно большим спин-орбитальным взаимодействием и G-фактором, или набор из более чем одного материала (гетероструктуры, составленные несколькими материалами). Например, SAG-полупроводник 108 может представлять собой ограниченный 2DEG (двумерным электронным газом) полупроводник или полупроводник из единственного материала.

[058] SAG представляет собой способ выращивания. SAG имеет отношение к локализованному выращиванию полупроводника в открытых областях подложки, в условиях выращивания, выбранных для предотвращения такого роста на самой аморфной маске. Это может быть основано, например, на химико-лучевой эпитаксии (CBE), молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), или осаждении металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD). В контексте полупроводников SAG может иметь отношение к классу эпитаксиального выращивания полупроводника (и также подразумевать селективную по площади эпитаксию), в которой снабженную рисунком аморфную маску используют для определения предполагаемой структуры выращиваемого полупроводникового материала (форму литографии). Эпитаксия относится к технологии, согласно которой второй кристалл выращивают на первом кристалле с использованием первого как затравочного кристалла. В SAG процесс настраивают так, что рост полупроводника происходит только в областях подложки, которые не покрыты аморфной маской 102, и не на самой аморфной маске, например, не на аморфной маске. Это отличает ее от других способов осаждения/выращивания, таких как равномерное осаждение (эпитаксиальное или иное), когда не применяют маску, и в которых материал однородно осаждают по всей поверхности, независимо от состава ее материала (как в фазе III - смотри ниже). Способ SAG может быть исполнен в высоком или сверхвысоком вакууме, и может потребовать тщательного регулирования для достижения желательного селективного роста полупроводника.

[059] Во второй фазе II может быть использован любой способ SAG для создания желательных SE-нанопроволок в открытой области 106. SAG-нанопроволоки образованы с высокой симметрией в плоскостных ориентациях кристалла на подложке, что также обусловливает хорошо определенное фасетирование нанопроволок. Это делает поверхность SU/SE-раздела плоской, потенциально атомарно-плоской, и четко определенной.

[060] Способ SAG является общеизвестным, и поэтому не будет здесь подробно обсужден. Для ссылки, смотри работу авторов Aseev P. и др., Selectivity Map for Molecular Beam Epitaxy of Advanced III-V Quantum Nanowire Networks, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03733, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03733. Для дополнительного описания SAG, смотри, например, вышеуказанные ссылки на работы авторов G.J. Davies, M Fahed, и Fukui и др.

[061] Достаточно сказать, что фаза выращивания полупроводника (то есть, SAG-фаза II) является такой, что в конце этой фазы полупроводниковый материал 108 заполняет желательную область 106 (то есть, области 106, в которых базовый слой или подложка 104 не покрыты маской 102), но не распространяется по существу в плоскости базового слоя или подложки 104 (далее xy-плоскости), за пределы границ желательной области 106, как определяемой маской 102. В некоторых случаях он может распространяться наружу по направлению нормально (перпендикулярно) к плоскости базового слоя или подложки 104 (далее z-направлению) так, что выступает наружу из маски 102. То есть, полупроводниковый материал 108 является протяженным на более длинное расстояние от базового слоя или подложки 104, чем маска 102, по z-направлению. Этим путем полупроводниковый материал 108 образует нанопроволоки, лежащие по существу в плоскости базового слоя или подложки 104 (нанопроволоки на месте размещения).

[062] Как только сформированы первая и вторая субсети нанопроволок, их соединяют с образованием единой нанопроволочной сети. Нанопроволочная сеть, будучи суммой субсетей, тем самым является более обширной, чем каждая из субсетей. Это позволяет сформировать крупномасштабные сети из более мелких субсетей. Соединение субсетей может происходить естественным образом. То есть, субсети могут сливаться в результате бокового роста полупроводника во время (или в конце) фазы выращивания полупроводника. Другими словами, ранее разделенные открытые концы канавок, которые обращены друг к другу, распространяются вбок до слияния с еще одним из них. Один пример этого явления показан в Фигуре 6. Верхнее изображение в Фигуре 6 иллюстрирует канавку 602 с длиной 30 мкм, которая только частично заполнена во время роста нанопроволоки. Нижнее изображение иллюстрирует три отдельных канавки 604а, 604b, 604с с длиной 10 мкм, которые полностью заполнены во время роста нанопроволоки. Изображение снято до слияния канавок. Увеличенное изображение показывает первую и вторую субсети нанопроволок перед слиянием.

[063] В альтернативном варианте, первая и вторая субсети могут быть соединены после фазы выращивания полупроводника (но до любой фазы выращивания сверхпроводника, если это предусмотрено). Субсети могут быть соединены с использованием электрического проводника, например, металлического провода или материала. То есть, открытые концы отдельных канавок соединены посредством электропроводного материала.

[064] Однако субсети соединены поверх аморфной маски. То есть, боковое расширение полупроводника вызывает рост полупроводникового материала поверх участка маски, который действует как барьер между открытыми концами канавок. В альтернативном варианте, электрический проводник размещают поверх участка для соединения открытых концов канавок.

[065] Природа SAG-процесса состоит в том, что чем крупнее выращиваемая структура, тем она более чувствительна к образованию дефектов в форме прорастающих дислокаций или дефектов подобного типа. Разделением на сегменты с преднамеренными разрывами в маске, это обусловливает образование дефектов ближе к преднамеренным разрывам и предотвращает формирование неумышленных дефектов где-то еще. Тем самым это позволяет контролировать дефекты и образование любой суперструктуры произвольного размера.

[066] Во время фазы выращивания полупроводника могут нарастать полупроводниковые материалы нескольких типов с образованием многоярусных блоков (гетероструктур). В необязательной третьей фазе III (фазе выращивания сверхпроводника) один или многие слои сверхпроводящего материала 112 могут быть выращены поверх по меньшей мере части нанопроволочной сети. В некоторых примерах могут быть выращены другие материалы (например, диэлектрики). В примере согласно Фигуре 1 слой сверхпроводящего материала выращивают с использованием пучка 110 частиц. Здесь под сверхпроводящим материалом подразумевают материал, который проявляет сверхпроводящие свойства по меньшей мере в определенных условиях. Примером такого материала является алюминий (Al) В альтернативном варианте, сверхпроводящий материал может представлять собой ниобий (Nb), нитрид титана (TiN), или любой другой s-волновой сверхпроводник. В нижеследующих примерах сверхпроводник выращивают эпитаксиально в фазе III, и фаза III выращивания сверхпроводника может быть названа фазой эпитаксиального роста в этом контексте. Однако технология не ограничивается этим подходом, и может быть возможным достижение предполагаемого результата неэпитаксиальным выращиванием сверхпроводника в фазе III.

[067] Сверхпроводящий материал 112 может быть выращен в фазе III, например, с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), или электронно-лучевым испарением.

[068] По меньшей мере часть сверхпроводящего слоя 112 осаждают на верх SE-нанопроволоки 108 так, что эта часть сверхпроводящего слоя 112 (обозначенная номером 116 в Фигуре 1) находится в непосредственном контакте с SE 108 нанопроволоки. То есть, так, что полупроводник 108 нанопроволоки, по меньшей мере частично, покрыт сверхпроводящим материалом.

[069] Это также представляет собой форму эпитаксии, но не является SAG. В частности, в фазе III эпитаксиального выращивания эпитаксиальный рост происходит на аморфной маске (или диэлектрическом слое) 102, а также на SE 108 нанопроволоки.

[070] В некоторых примерах, после выращивания одного или многих слоев во время фазы III, могут быть выращены опять один или многие слои полупроводникового материала.

[071] В одном возможном способе пучок может быть наклонен главным образом в z-направлении (направлении, перпендикулярном плоскости подложки) так, что по существу все открытые поверхности аморфной маски 102 и SE-материал 108 нанопроволоки становятся покрытыми SU-слоем 112. Однако, в еще одном примере, как иллюстрировано, пучок 110 частиц падает на подложку 104 под ненулевым углом падения относительно z-направления (углом осаждения). Как следствие этого ненулевого угла осаждения, и ввиду выступающей структуры SE-сердцевины 108 нанопроволоки, SE нанопроволоки оказывается только частично покрытым сверхпроводящим слоем 112; то есть, часть SE-сердцевины нанопроволоки (помеченная номером 118) не покрыта сверхпроводящим материалом. Массив аморфной маски 102 также покрыт сверхпроводящим слоем 112, однако вследствие поступления пучка 110 под углом и выступающей структуры SE-сердцевины 108 нанопроволоки небольшие участки аморфной маски 102 (затененные участки), непосредственно примыкающие к выступающим SE нанопроволокам 108, остаются открытыми, то есть, не покрытыми SU-материалом. Один такой затененный участок помечен номером 120 в Фигуре 1. Затененный участок 120 отделяет SE-материал 108 от участка SU-слоя 112 в области 122 «бокового затвора». Участок SU-слоя 112 в области 122 бокового затвора может быть использован для образования затвора для контроля нанопроволок, или (более вероятно) SU-материал может быть вытравлен из этой области и заменен более подходящим материалом затвора. В любом случае затененный интервал 120 обеспечивает то, что затвор будет действовать как следует. Формирование интервала 120 с использованием такого «in-situ»-создания рисунка в стадии III SU-эпитаксии (как описано выше) обеспечивает то, что материал не нужно вытравливать слишком близко к чувствительным нанопроволокам 108.

[072] SAG-фаза II и фаза III выращивания сверхпроводника могут быть проведены в вакуумной камере, предпочтительно без перемещения подложки 104 между фазами. Эти фазы могут быть проведены в высоком вакууме или сверхвысоком вакууме, и эти условия вакуумирования могут быть сохранены между фазами. Помимо всего прочего, это обеспечивает чистую SE/SU-поверхность раздела, свободную от нежелательных примесей.

[073] Как SAG-выращивание полупроводника в фазе II, так и выращивание сверхпроводника в фазе III требуют тщательно откалиброванных условий в пределах соответствующих «диапазонов выращивания» для этих двух фаз, и тем самым достижения желательного выращивания полупроводника и сверхпроводника, соответственно. Условия выращивания, температуру и течения выбирают в зависимости от типа материала. например, для MBE (которая может быть использована как в SAG-фазе выращивания полупроводника, так и в фазе III выращивания сверхпроводника), подложку, как правило, нагревают до температуры около 500°С или более для очистки поверхности от естественного оксида. Однако в фазе II SAG-выращивания и в фазе III SU-выращивания соответствующие диапазоны температур, в которых происходит желательный рост, зависят от состава SE-материала 108 и SU-материала 112, соответственно. Сверхпроводник может быть выращен/осажден in-situ, без прерывания вакуумирования. Тем самым поверхность SAG не окисляется в воздухе и остается чистой, пока поступает SU, чем обеспечивают чистую SE-SU-поверхность раздела.

[074] Подложка (или базовый слой подложки) 104 и маска 102, на которой выращена SE/SU-нанопроволочная сеть, могут быть встроены в конечное изделие, такое как квантовая схема или квантовый компьютер, вместе с SE/SU-нанопроволочной сетью, без переноса нанопроволок с подложки, на которой она была первоначально сформирована.

[075] В порядке обобщения, вместо изготовления крупных структур в одном блоке, получают матрицу из более мелких структур, которые затем взаимно соединяют в более крупную структуру. Это может быть сделано размещением отверстий маски близко друг к другу и созданием возможности слияния наноструктур во время процесса выращивания. Это позволяет изготовить крупные сети без необходимости в дополнительном материале для соединения структур. Это является особенно благоприятным для структур, где является критически важным сохранение одного и того же набора материалов на всей нанопроволочной сети, например, при квантовом вычислении.

[076] Фаза формирования маски может включать: 1. осаждение пленки аморфной маски на кристаллическую подложку, 2. литографическое определение положения всех канавок, тем самым с позиционированием канавок близко друг к другу для достижения сегментирования, 3. удаление материала маски внутри канавок для обнажения кристаллического материала подложки, открываемой для эпитаксии, 4. выращивание. Фаза выращивания может включать эпитаксиальное выращивание нанопроволочных сетей.

[077] В фазе выращивания может быть использовано выращивание на локальной площади от источника металла (MS SAG). MS SAG представляет собой трехстадийный способ. Во время стадии (i), осаждают индий (In) при повышенной температуре T_(i) для накопления индия только внутри отверстий маски, и во избежание его накопления на поверхности маски. Это возможно благодаря более высокой скорости десорбции адсорбированных атомов In с аморфной маски, сравнительно с поверхностью кристаллической подложки. Во время стадии (ii) подложку охлаждают до критической температуры T_(ii)≤T_crit для последующей конверсии In в InSb, подачей только потока Sb. Следует отметить, что, несмотря на то, что снаружи подают только поток Sb, выращивание происходит в режиме локального обогащения индием (In) вокруг капельки, которая действует как резервуар металла. Во время стадии (iii), температуру подложки повышают до T_(iii), при которой может протекать селективный рост InSb из потоков как In, так и Sb, подаваемых одновременно.

[078] В некоторых примерах начальное селективное осаждение In в стадии (i) выполняют в условиях приблизительно T_(i)=465°C, F_In=0,16 ML_InSb/сек, t=10 минут. Эти условия благоприятствуют селективности. Во время стадии (ii), преобразование In в InSb выполняют только потоком Sb в условиях приблизительно T_(ii)=360°C, F_Sb=0,22 ML_InSb/сек, t=10 минут. Эти условия благоприятствуют зародышеобразованию. В то время как эти условия не благоприятствуют селективности, рост InSb протекает только внутри маски, так как атомы In присутствуют только там, и вероятность перемещения их на маску низка. Во время стадии (iii), SAG из InSb с одновременной подачей потоков In и Sb при повышенных температурах подложки проводят в условиях приблизительно T_(iii)=430°C, F_In=0,03 ML_InSb/сек, F_Sb=0,38 ML_InSb/сек, t=60 минут. Эти условия благоприятствуют селективности. Здесь T представляет температуру подложки, F_In и F_Sb представляют потоки In и Sb, соответственно измеренные в эквиваленте роста 2D-монослоев в секунду ML_InSb/сек, и t представляет длительность каждой стадии.

[079] Варианты осуществления раскрытой технологии включают топологически защищенные схемы квантовых вычислений, которые включают сети нанопроволок, сформированных с использованием таких смешанных областей полупроводника и сверхпроводника. В Фигуре 2, например, показана конфигурация проволок, состоящих из InAs-нанопроволок, выращенных на изоляционнной GaAs-подложке. В частности, Фигура 2 показывает изготовление усложненной сети на основе одномерной нанопроволочной сети.

[080] Как отмечено, выращивание на локальной площади (SAG) нанопроволочных сетей может быть использовано для получения топологических кубитов на основе Майорановского фермиона, в котором применяют формирование сверхпроводящих островков, некоторые части которых являются топологическими (Т), и некоторые части которых не являются топологическими (например, стандартными s-волновыми (S)). Способы SAG могут обеспечивать высокий уровень контроля в отношении формы полученных устройств, и тем самым являются полезными для получения компонентов, используемых в масштабируемых топологических квантовых вычислениях. В примерных вариантах осуществления один или многие Майорановские фермионы, MZM, могут быть индуцированы по меньшей мере в одной нанопроволоке нанопроволочной сети охлаждением сверхпроводника до температуры сверхпроводимости, и приложением магнитного поля к устройству.

[081] Описанные здесь примеры должны толковаться как иллюстративные примеры вариантов осуществления изобретения. Представимы дополнительные варианты осуществления и примеры. Любые признаки, описанные в отношении любого одного примера или варианта осуществления, могут быть использованы по отдельности или в комбинации с другими признаками. В дополнение, любой признак, описанный в отношении любого одного примера или варианта осуществления, также может быть использован в комбинации с одним или многими признаками любого другого из примеров или вариантов осуществления, и в любой комбинации любых других примеров или вариантов осуществления. Кроме того, эквиваленты и модификации, не описанные здесь, также могут быть использованы в пределах объема изобретения, который определяется формулой изобретения.

Изобретение относится к способу изготовления нанопроволочной структуры для квантового устройства, квантовому устройству и способу его работы. Технический результат заключается в повышении надежности нанопроволочных структур для квантовых устройств. В способе, в фазе формирования маски, формируют первый сегмент аморфной маски на нижележащем базовом слое подложки, причем первый сегмент включает в себя первую серию канавок, обнажающих базовый слой; в фазе формирования маски, формируют второй сегмент аморфной маски на базовом слое, причем второй сегмент включает в себя вторую серию канавок, обнажающих базовый слой, при этом первый и второй сегменты не перекрываются, причем открытый конец одной из канавок первой серии обращен к открытому концу одной из канавок второй серии, но концы разделены участком аморфной маски; в фазе выращивания полупроводника, выращивают, в условиях выращивания на локальной площади, полупроводниковый материал в первой и второй сериях канавок с образованием первой и второй субсетей нанопроволок на базовом слое и соединяют первую и вторую субсети нанопроволок с образованием единой нанопроволочной сети на базовом слое. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ изготовления нанопроволочной структуры для квантового устройства, содержащий этапы, на которых:

в фазе формирования маски, формируют первый сегмент аморфной маски на нижележащем базовом слое подложки, причем первый сегмент включает в себя первую серию канавок, обнажающих базовый слой;

в фазе формирования маски, формируют второй сегмент аморфной маски на базовом слое, причем второй сегмент включает в себя вторую серию канавок, обнажающих базовый слой, при этом первый и второй сегменты не перекрываются, причем открытый конец одной из канавок первой серии обращен к открытому концу одной из канавок второй серии, но концы разделены участком аморфной маски;

в фазе выращивания полупроводника, выращивают, в условиях выращивания на локальной площади, полупроводниковый материал в первой и второй сериях канавок с образованием первой и второй субсетей нанопроволок на базовом слое; и

соединяют первую и вторую субсети нанопроволок с образованием единой нанопроволочной сети на базовом слое.

2. Способ по п.1, в котором упомянутое соединение включает в себя слияние боковым ростом полупроводникового материала во время фазы выращивания полупроводника.

3. Способ по п.1, в котором упомянутое соединение содержит, в последующей фазе после фазы выращивания полупроводника, соединение открытого конца упомянутой одной из канавок первой серии с открытым концом упомянутой одной из канавок второй серии посредством электрического проводника или сверхпроводника.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором базовый слой представляет собой вафлю подложки.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором открытый конец первой канавки первой серии отделен от открытого конца первой канавки второй серии неактивным участком нанопроволочной сети.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором первая и вторая серии канавок формируются травлением аморфной маски с базового слоя.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором упомянутое выращивание полупроводникового материала содержит этапы, на которых:

осаждают соответствующую каплю первого материала в первую и вторую серии канавок;

затем осаждают второй материал для преобразования первого материала в полупроводниковый материал.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором полупроводниковый материал выращивают эпитаксией или испарением.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, содержащий этап, на котором в фазе выращивания сверхпроводника, выращивают слой сверхпроводящего материала поверх по меньшей мере части нанопроволочной сети.

10. Квантовое устройство, содержащее:

подложку и аморфную маску, сформированную на нижележащем базовом слое подложки, причем аморфная маска включает в себя первый сегмент, включающий в себя первую серию канавок, и второй сегмент, включающий в себя вторую серию канавок, при этом первый и второй сегменты не перекрываются, причем открытый конец первой канавки из первой серии канавок отделен от открытого конца первой канавки из второй серии канавок и обращен к нему; и

нанопроволочную сеть на базовом слое, при этом нанопроволочная сеть сформирована из соединения первой и второй субсетей нанопроволок поверх маски, причем первая и вторая субсети нанопроволок включают в себя полупроводниковый материал, выращенный в первой и второй сериях канавок.

11. Устройство по п.10, причем устройство включает в себя электрический проводник, соединяющий открытые концы первых канавок первой и второй серии канавок.

12. Устройство по п.10 или 11, в котором подложка включает в себя вафлю и в котором базовый слой представляет собой вафлю.

13. Устройство по любому из пп.10-12, в котором аморфная маска представляет собой диэлектрик.

14. Устройство по любому из пп.10-13, причем устройство включает в себя слой сверхпроводящего материала, выращенный, по меньшей мере отчасти, поверх нанопроволочной сети.

15. Способ работы устройства по любому из пп.10-14, при этом способ содержит индуцирование по меньшей мере одного Майорановского фермиона (MZM) в одной или более нанопроволоках нанопроволочной сети, причем этот по меньшей мере один MZM индуцируют охлаждением сверхпроводника до температуры сверхпроводимости и приложением магнитного поля к устройству.