高质量超导薄膜生长及量子器件制备

1、高质量超导薄膜生长及量子器件制备自1911年Onne极现超导现象以来,人们对于超导电现象的本质和规律的探索从未停止。近年来随着低温技术的蓬勃发展,超导技术的实际应用成为了可能。在这些应用中,超导量子器件作为实现量子计算的有力竞争者受到了越来越多的关注。这其中,高质量的超导薄膜和器件的制备是决定量子比特性能的关键一步。本论文对高质量超导薄膜的生长,超导量子器件的制备及性能进行了系统的研究。结论主要有以下几个方面:通过优化本底真空,溅射气压,溅射时Ar和N2比例，溅射功率等生长参数,我们获得了一系列不同厚度的高质量的超导薄膜。300nm厚的NbTiNlMTc达至U15.5K,表面粗糙度0.2nm,

2、超导转变宽度0.03K。极低的表面粗糙度和极窄的转变宽度表明薄膜良好的均匀性，为超导隧道结等量子器件的制备提供了很好的基础。室温溅射生长在高阻Si衬底上的5nm超薄NbTiN膜,Tc达至U7.63K,为单光子探测等器件的制备奠定良好的基础。为了研究薄膜的热稳定性,提高薄膜的超导特性，我们分别在纯氮气氛围和氮氢混合气体氛围下对NbTiN薄膜进行快速热退火处理。实验表明,在两种气体下进行快速热退火处理可以提高其超导转变温度。在氮氢混合气体中热退火处理效果更好。在85%N2/sub和15%H2/sub混合气体中，经过450。快速热退火10min的10nm厚的NbTiN薄膜超导转变温度从9.6K增加到

3、10.3K。利用激光直写,电感耦合等离子体刻蚀等技术,制备了高品质因子的超导共面波导谐振腔器件。通过比较不同衬底处理工艺,改变显影曝光参数,以及比较不同衬底刻蚀深度等制备参数,研究了影响超导谐振腔本征品质因子的主要原因。实验发现,衬底与薄膜界面存在的二能级系统对谐振腔的品质因子的影响巨大。在沉积薄膜前对Si衬底的表面进行钝化,去气处理将极大提高薄膜的品质因子。目前经过衬底表面处理以及衬底深度刻蚀等技术，我们制备的超导Nb膜共面波导谐振腔本征品质因子，在20mK,近单光子水平下可以达到100万，最高达到150万量级。超导NbTiN薄膜共面波导谐振腔品质因子可以达到30万量级,对其性能的提高还在进

4、一步的研究当中。应用磁控溅射的超导Nb膜在Si衬底上制备了结阵型约瑟夫森参量放大器,探索了在Si衬底上制备约瑟夫森器件的工艺流程及注意事项。应用Nb膜在Si衬底上制备超导量子比特,相比于Al膜在蓝宝石衬底上制备器件,由于无需单独制备一层金薄膜作为套刻定位,简化了量子比特的制备工艺。结阵型约瑟夫森参量放大器通过叉指电容替代平板电容，通过几个SQUID的串联获得大的电感,从而实现参量放大,简化了参量放大器的制备工艺。目前Si衬底上SQUIDB联结的制备工艺基本成熟，对其性能进行了初步测试。应用湿法刻蚀技术尝试制备一种平面约瑟夫森隧道结。首先在衬底上生长一定厚度的InGaZnO无定形绝缘薄膜,通过微加工技术和湿法刻蚀方法,刻蚀获得内凹的台阶,在台阶两侧镀超导薄膜,通过控制台阶高度薄膜厚度,内凹深度等方法在台阶处获得纳米量级的缝隙,可以在缝隙内填入待研究的纳米颗粒等对其隧穿性质进行研究。高质量的超导薄膜和量子器件是实现量子计算的关键和基础。本论文深入研究了影响薄膜质量和器件性能的各个参数,探讨影响器