[发明专利]一种磁通驱动约瑟夫森参量放大器及其制备方法

说明书

本发明提供一种磁通驱动约瑟夫森参量放大器及其制备方法，所述制备方法包括：于衬底表面形成Nb/Al‑AlOx/Nb叠层结构；刻蚀Nb/Al‑AlOx/Nb叠层结构以形成共面波导谐振腔结构、泵浦线结构、地线结构、信号输入配线结构及泵浦输入配线结构，共面波导谐振腔结构中形成有Nb/Al‑AlOx/Nb约瑟夫森结；于上述结构表面形成绝缘层，刻蚀绝缘层以形成约瑟夫森结过孔、接地过孔、输入信号引脚过孔及泵浦输入引脚过孔；于上述结构表面形成超导薄膜层，刻蚀超导薄膜层以将约瑟夫森结过孔和接地过孔电连接，同时于接地过孔中形成接地引脚、于输入信号引脚过孔中形成输入信号引脚、于泵浦输入引脚过孔中形成泵浦输入引脚。

技术领域

本发明属于超导电子学，特别是涉及一种磁通驱动约瑟夫森参量放大器及其制备方法。

背景技术

量子计算机作为一种新型的计算工具，运用了量子力学的叠加态原理和量子纠缠特性，具有强大的并行运算能力。超导量子比特由于其具有低损耗、可扩展性好、与传统微纳加工技术兼容等特点，成为最有可能实现量子计算机的方案之一。在量子比特测量实验中，为了保护量子比特的状态，测量信号功率非常小，在电路的输出端需要外加放大器对输出信号进行放大。而商用的HEMT(高电子迁移率晶体管)噪声温度在4K左右，难以用于量子比特的单发(single shot read out)非破坏性读出。

约瑟夫森参量放大器(Josephson Parametric Amplifier，JPA)基于约瑟夫森结的非线性电感特性，在适当的泵浦频率作用下，将泵浦信号的能量转换为被放大信号频率的能量，实现对输入信号的放大。JPA的噪声水平接近量子极限噪声，可以作为超导量子比特电路的第一级放大器，使得读出信号的信噪比获得极大提高，实现量子比特单发非破坏性读出。

现有技术中，JPA的关键电路元件约瑟夫森结采用Al/AlOx/Al三层膜结构，该结构的制备方法是：先对基片101上的双层光刻胶102、103进行曝光显影形成悬空桥104或者非对称下切(asymmetric undercut)结构(如图1-2所示)，然后通过电子束双角度斜蒸发和原位氧化工艺制备Al/AlOx/Al隧道结108(如图3-5所示)，最后剥离双层光刻胶(如图6所示)。现有制备方法具有如下缺点：1)采用双角度蒸发制备的Al约瑟夫森结，虽然工艺步骤较少，但由于悬空桥本身比较脆弱，在蒸发薄膜之前难以对基片或约瑟夫森结表面利用等离子刻蚀进行清洗；2)利用双层光刻胶制备Al约瑟夫森结，会有多余图形(图6中虚线框所示)存在，不利于实现集成电路的规模化；3)Al薄膜的超导转变温度较低(约1K左右)，需要在更低的温度下才能工作。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁通驱动约瑟夫森参量放大器及其制备方法，用于解决现有Al/AlOx/Al隧道结制备过程中存在的诸多问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种磁通驱动约瑟夫森参量放大器的制备方法，所述制备方法包括：

1)提供一衬底；

2)于所述衬底的上表面形成Nb/Al-AlOx/Nb叠层结构；

3)对所述Nb/Al-AlOx/Nb叠层结构中的上层Nb层、Al-AlOx层及下层Nb层依次进行刻蚀，形成共面波导谐振腔结构及泵浦线结构，同时于所述共面波导谐振腔结构和所述泵浦线结构之间形成地线结构、于所述共面波导谐振腔结构的另一侧形成信号输入配线结构、于所述泵浦线结构的另一侧形成泵浦输入配线结构；其中，所述共面波导谐振腔结构中形成有Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结；

4)于步骤3)所述结构上表面形成一绝缘层，并对所述绝缘层进行刻蚀，以于所述Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结表面形成约瑟夫森结过孔、于所述地线结构表面形成接地过孔、于所述信号输入配线结构表面形成输入信号引脚过孔、于所述泵浦输入配线结构表面形成泵浦输入引脚过孔；