耐用的混合异质结构及其制造方法与流程

1.本公开涉及混合异质结构，并且具体地涉及适用于实现量子计算设备的超导体/半导体异质结构。


背景技术：

2.量子计算是一种计算类型，其中利用诸如量子态叠加和纠缠等量子力学现象来执行计算。在拓扑量子计算机中，计算是通过操纵准粒子来执行的，准粒子称为非阿贝尔任意子(non-abelian anyons)，准粒子具有独特的物理特性，该物理特性可以用于执行量子计算。
3.可以产生诸如超导体/半导体异质结构等混合异质结构使得在半导体中形成非阿贝尔任意子区。在混合异质结构中形成的非阿贝尔任意子通常被称为马约拉纳零模式。诸如绝缘栅等控制结构可以与小的异质结构网络一起使用以操纵非阿贝尔任意子并且从而创建诸如量子位或量子位等量子计算单元。
4.通常，希望在混合异质结构的不同材料中的原子之间具有良好配准。即，希望控制混合异质结构中不同材料在其交叉处的相互作用。
5.已经研究的用于量子计算的一种混合异质结构是砷化铝/铟。将铝沉积在砷化铟上会在不同材料之间产生明确边界。这进而允许形成非阿贝尔任意子区。因此，铝/砷化铟纳米线已经显示出用于形成功能量子位的前景。
6.已经研究的用于量子计算的另一种混合异质结构是铝/锑化铟。将铝沉积到锑化铟上不会在不同材料之间产生明确边界。在将铝沉积到锑化铟上之后，即使在室温下，铝也会与锑化铟反应，使得最终铝层被消耗并且被锑化铝铟层替代。换言之，目前的制造技术不能生产耐用的铝/锑化铟异质结构。所得到的锑化铝铟/锑化铟结构没有表现出期望的非阿贝尔任意子区的形成。因此，在将铝/铟锑化物混合异质结构用于量子计算应用方面几乎没有发展。
7.理论上，锑化铟可以在混合异质结构中提供优于砷化铟的性能，包括铝作为用于量子计算应用的超导体(例如，由于其较大的兰德g因子)。然而，如上所述，常规的制造实践不会产生耐用的铝/锑化铟混合异质结构。因此，需要一种包括铝和锑化铟的耐用的混合异质结构及其制造方法。


技术实现要素：

8.在一个示例性实施例中，一种混合异质结构包括：包括锑化铟的半导体层、包括铝的超导体层、以及在半导体层与超导体层之间的屏蔽层，屏蔽层包括砷化铟。通过在锑化铟半导体层与铝超导体层之间包括砷化铟屏蔽层，提供了适用于量子计算设备的高性能且耐用的混合异质结构。
9.在一个示例性实施例中，一种用于制造混合异质结构的方法包括：提供包括锑化铟的半导体层，提供包括铝的超导体层，以及在半导体层与超导体层之间提供包括砷化铟
的屏蔽层。通过在锑化铟半导体层与包括铝的超导体层之间提供砷化铟屏蔽层，提供了适用于量子计算设备的高性能且耐用的混合异质结构。
10.在阅读以下结合附图对优选实施例的详细描述之后，本领域技术人员将能够理解本公开的范围并且实现其附加方面。
附图说明
11.并入本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且与本说明书一起用于解释本公开的原理。
12.图1示出了根据本公开的一个实施例的包括屏蔽层的混合异质结构。
13.图2是示出根据本公开的一个实施例的用于制造混合异质结构的方法的流程图。
14.图3a到图3c示出了根据本公开的一个实施例的用于制造混合异质结构的图2的方法。
15.图4示出了根据本公开的一个实施例的混合异质结构。
16.图5示出了根据本公开的一个实施例的包括一个或多个控制结构的混合异质结构。
17.图6示出了根据本公开的一个实施例的包括一个或多个控制结构的混合异质结构。
具体实施方式
18.下面阐述的实施例表示用于使得本领域技术人员能够实践实施例并且说明实践实施例的最佳模式的必要信息。在根据附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将能够理解本公开的概念并且将认识到本文中未特别提及的这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
19.应当理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元素，但是这些元素不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元素与另一元素。例如，第一元素可以称为第二元素，并且类似地，第二元素可以称为第一元素，而不脱离本公开的范围。如本文中使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
20.应当理解，当诸如层、区域或衬底等元件被称为“在另一元件上”或延伸“到另一元件上”时，它可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一元件”或“直接延伸到另一元件”时，不存在中间元件。同样，应当理解，当诸如层、区域或衬底等元件被称为“在另一元件之上”或“在另一元件之上延伸”时，它可以直接在另一元件之上或直接在另一元件之上延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一元件之上”或“直接在另一元件之上延伸”时，不存在中间元件。还将理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
21.诸如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“竖直”等相对术语在本文中可以用于描述如图所示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。应当理解，这些术语和上面讨论的术语旨在涵盖除了图中描绘的取向之外的设备的其他不同取向。
22.本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”在本文中使用时指定了所述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其组的存在或添加。
23.除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解，本文中使用的术语应当被解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确如此定义，否则不会以理想化或过于正式的意义进行解释。
24.如上所述，虽然包括锑化铟和铝的混合异质结构显示出用于诸如拓扑量子位等量子计算应用的前景，但由于它们之间的相互作用，迄今为止使用这些材料制造耐用的混合异质结构一直是一个挑战。因此，图1示出了根据本公开的一个实施例的混合异质结构10。混合异质结构10包括半导体层12、在半导体层12上的屏蔽层14和在屏蔽层14上的超导体层16。半导体层12包括锑化铟，并且在一些实施例中仅由锑化铟组成。在一个或多个附加实施例中，半导体层12包括锑化铝铟(in
x
al
1-x
sb)。超导体层16包括铝，并且在一些实施例中仅由铝组成。屏蔽层14包括砷化铟，并且在一些实施例中仅由砷化铟组成。通过在半导体层12与超导体层16之间包括屏蔽层14，可以减少或消除半导体层12与超导体层16之间的相互作用。因此，屏蔽层14的材料被选择以使得其不与半导体层12或超导体层16相互作用。在上述实施例中，砷化铟不与锑化铟或铝显著相互作用，并且因此提供屏蔽层14维持半导体层12、屏蔽层14与超导体层16之间的界面。如上所述，如果没有屏蔽层14，铝将与锑化铟反应，使得铝被消耗以形成锑化铝铟，这是不希望的。因此，砷化铟屏蔽层极大地提高了锑化铟/铝混合异质结构的耐用性。
25.屏蔽层14的厚度可以非常小，例如小于10个单层，更优选地小于5个单层，最优选地是2个单层。屏蔽层14越薄，其对混合异质结构10中使用的主要材料的操作影响越小。因此，希望最小化屏蔽层14的厚度。在上述实施例中，铟砷化物非常薄，几乎不会影响锑化铟/铝异质结构的操作，但仍能显著提高其耐用性。在一些实施例中，半导体层12可以形成纳米线。因此，半导体层12的厚度可以在1nm到10nm之间，半导体层12的宽度可以在50nm到200nm之间，并且半导体层12的长度可以在微米量级。因此，半导体层12可以形成准一维(quasi-1d)，使得仅最低子带在厚度方向上被占据，而在宽度方向上的较弱限制提供了一些被占据的子带。超导体层16的厚度可以在5nm到40nm之间。
26.虽然为了说明的目的单独示出了混合异质结构10，但是混合异质结构10可以集成到任何数目的已知结构(例如，纳米线阵列)中、在衬底上被提供、或者被包括在任何数目的其他层中以形成功能性量子计算设备。
27.图2是示出根据本公开的一个实施例的用于制造混合异质结构10的方法的流程图。图3a到图3c示出了图2所示的方法的各个步骤，因此下面将一起讨论图2和图3a到图3c。提供半导体层12(框100和图3a)。值得注意的是，半导体层12可以通过任何合适的方式来提供。在一个示例中，半导体层12通过诸如分子束外延等外延工艺提供。此外，半导体层12可以选择性地生长，例如，通过选择性区域生长(sag)工艺，诸如在国际专利公开号wo 2019/
074557 a1(其全部内容通过引用并入本文)中描述的工艺。使用sag工艺形成半导体层12允许半导体层12被形成为纳米线，这可以用于形成诸如拓扑量子位等量子计算设备。
28.在半导体层上提供屏蔽层14(框102和图3b)。屏蔽层12可以通过任何合适的方式提供。例如，屏蔽层12可以通过诸如分子束外延等外延工艺来提供。
29.在屏蔽层上提供超导体层16(框104和图3c)。超导体层16可以通过任何合适的方式提供。例如，超导体层16可以通过诸如化学气相沉积、溅射等沉积工艺来提供。
30.值得注意的是，半导体层12、屏蔽层14和超导体层16可以以任何顺序提供。例如，在一个实施例中，屏蔽层14设置在超导体层16上，而半导体层12设置在屏蔽层上。不同制造技术可能需要提供半导体层12、屏蔽层14和超导体层16，所有以上这些都在本文中设想。
31.任选地，然后可以提供一个或多个控制和/或互连结构使得它们耦合到或以其他方式靠近半导体层12、屏蔽层14和超导体层16中的一个或多个(框106)。这些控制和/或互连结构可以实现混合异质结构10的某些功能，例如，作为拓扑量子位。
32.图4示出了根据本公开的一个实施例的混合异质结构10的三维表示。如上所述，半导体层12可以形成纳米线。因此，半导体层12的厚度(lz)可以在1nm到10nm之间，半导体层12的宽度(ly)可以在50nm到200nm之间，并且半导体层的长度(l
x
)12可以在微米量级，特别是1μm或更大。更一般地，半导体层12、屏蔽层14和超导体层16的尺寸被选择以提供可以用于创建诸如拓扑量子位等量子计算设备的非阿贝尔任意子区域。
33.图5示出了根据本公开的一个实施例的包括用于操纵其行为的多个控制结构的混合异质结构10。特别地，图5示出了包括多个栅极18的混合异质结构10，这些栅极18通过绝缘层20与半导体层12的底侧分离。栅极18可以包括金属层，诸如铝、钛、金等。绝缘层20可以包括诸如氧化铝等氧化物层。栅极18可以用于选择性地向混合异质结构10提供电场，这可以引起其化学势的变化并且从而引起其在拓扑相(即，具有马约拉纳模式)与非拓扑相(即，没有马约拉纳模式)之间的部分的变化。关于栅极结构以及它们如何用于控制混合异质结构10以提供拓扑量子位的更多细节在美国专利号9,040,959b2(其全部内容通过引用并入本文)中有描述。
34.图6示出了根据本公开的另一实施例的包括用于操纵其行为的多个控制结构的混合异质结构10。特别地，图6示出了包括多个栅极22的混合异质结构10，这些栅极22通过绝缘层24与半导体层12的一侧分离。值得注意的是，图6所示的栅极22沿着半导体层12的厚度定位，而图5所示的栅极18沿着半导体层12的宽度定位。有时称为“侧栅极”和“顶栅极”的这些栅极可以不同地影响混合异质结构10的行为，并且因此可以用于控制其行为的不同方面。
35.值得注意的是，很多其他控制和/或互连结构以及支撑衬底、中间层等可以与混合异质结构10一起提供，以提供诸如拓扑量子位等量子计算设备。如上所述，锑化铟因其大的自旋轨道相互作用强度和大的兰德g因子而在量子计算应用中显示出巨大的前景。此外，铝是量子计算应用的首选超导体。通过在锑化铟与铝之间提供砷化铟屏蔽层，提供了一种高性能并且耐用的混合异质结构，该结构可以在量子计算设备中提供高性能。
36.本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为在本文中公开的概念和所附权利要求的范围内。