制造工艺
多兰桥(影子蒸镀)结
多兰桥结是制作约瑟夫森结最经典、几乎像手工活的方法:它就是一块小小的三明治结构,铝、几个原子厚的氧化铝、再加铝,这个结构正位于大多数超导量子比特的核心。巧妙之处在于,整叠结构是在一次芯片加工里一气呵成的,中途完全不打开真空腔,靠的是几何和影子的把戏。它之所以重要,是因为今天高校实验室里几乎每一块超导量子芯片都是这么做出来的。
首先,电子束光刻在光刻胶上刻出一个模板,其中有一座悬空的细胶桥架在一道缝隙上方,像一座小小的人行天桥。然后铝以某个倾斜角度垂直蒸镀下来;胶桥投下阴影,于是金属落在缝隙的一侧。接着把芯片暴露在少量氧气中,让第一层铝上长出一层薄薄的氧化皮。再以相反的倾角蒸镀第二次铝;这时阴影落向另一边,第二层铝错位落下,部分与第一层重叠。两层交叠、中间夹着氧化层的地方,就形成了铝/氧化铝/铝的搭接,这块搭接就是结。正是那座投下阴影的悬空胶桥,给这种方法起了名字。
它简单又便宜,但也很不稳定。结的电学强度取决于搭接面积和氧化层厚度,而这两者都由角度、时间以及一层难以控制到原子级的自生氧化层决定。于是名义上完全相同的结,做出来会相差几个百分点,而既然这个强度决定了量子比特的频率,这些结的频率也就跟着分散开来。在拥有许多量子比特的芯片上,这种频率分散会引起碰撞,所以各实验室一方面在打磨更精细的工艺配方,另一方面也在为大规模量产探索别的结型方案。
Ic ~ A / t_ox, f_qubit set by Ic
粗略地说,结的临界电流 Ic 随搭接面积 A 增大、随氧化层厚度 t_ox 减小;由于量子比特频率由 Ic 决定,这两者的微小波动都会让频率分散开来。
多兰桥结非常适合科研,因为它快、又不需要额外的对准步骤,但它那原子尺度的氧化层很难精确把控,因此这种方法带来的频率分散是扩大规模时实实在在的障碍。
又称
另见