本申请涉及超导体-半导体平台的制造，超导体-半导体平台诸如用于在量子计算机中使用的半导体-超导体平台。
背景技术：
：：量子计算是这样的计算类别，其中利用固有的量子力学现象(诸如量子态叠加和纠缠)，能够比任何传统计算机更快地执行某些计算。在拓扑量子计算机中，通过操纵在某些物理系统中出现的准粒子——称为“非阿贝尔任意子(non-abeliananyon)”——来执行运算。任意子具有将其与费密子(fermion)与玻色子(boson)二者区分开来的独特的物理特性。非阿贝尔任意子也具有相对于阿贝尔任意子而言独特的性质。这些独特的性质充当用于拓扑量子计算的基础，其中信息被编码为非阿贝尔任意子的拓扑性质；特别地，被编码为其时空世界线的编织。这相对于量子计算的其他模型而言具有某些益处。一个关键益处是稳定性，因为量子编织不受一定规模的扰动的影响，该规模的扰动在其他类型的量子计算机中可能导致引起错误的量子退相干。广义而言，迄今为止，两种类型的物理系统已被视为非阿贝尔任意子的潜在主体，即凝聚态物质物理学中的“5/2分数量子霍尔”系统，以及(最近的)半导体-超导体(se/su)纳米线。关于后者，该领域的关键进步是实现了可以在耦合至超导体(su)的半导体(se)纳米线(nw)中形成“马约拉纳零模式”(mzm)形式的非阿贝尔任意子。在se/su纳米线的背景下遇到的一个问题是所谓的“软间隙”状态的存在。软间隙问题已经在公开可用的文献中进行了记载，并且足以说明这些软间隙状态在存在时是mzm退相干的根源。分析和实验表明，软间隙的根源是se/su界面(interface)中的无序，并且该领域中最近进行了改善se/su界面的质量的工作，目的是提供更加稳定的mzm。技术实现要素：虽然最近制造技术的发展已经导致se/su纳米线中的se/su界面的质量的显著改善，但是所讨论的方法都面临可扩展性方面的挑战。这对于可以利用这些方法制造的se/su纳米线网络的大小和复杂度提出了限制。随后给出示例以提供上下文。本技术的实施方式提供了制造se/su纳米线结构的方法，其不仅可以产生高质量se/su界面，而且还可以以可扩展方式产生，以允许大型并且可能复杂的se/su纳米线网络的产生。这通过选择性区域生长(sag)半导体技术与超导体沉积/生长(注意，术语“选择区域生长”和“选择性区域生长”在本文中可互换使用)的结合来实现。本技术的第一方面在于一种制造混合半导体-超导体平台的方法，该方法包括以下步骤。在掩模阶段，在衬底上形成电介质掩模，以使得电介质掩模将衬底的一个或多个区暴露。在选择性区域生长阶段，在衬底上在暴露的一个或多个区中选择性地生长半导体材料。在超导体生长阶段，形成超导材料层，超导材料层的至少一部分与选择性生长的半导体材料直接接触。混合半导体-超导体平台包括选择性生长的半导体材料和与选择性生长的半导体材料直接接触的超导材料。在实施方式中，暴露的一个或多个区中的半导体材料可以形成平面内纳米线的网络。可以在超导体生长阶段中外延地生长超导材料层。可以使用分子束外延(mbe)外延地生长超导材料。可以使用束来在超导体生长阶段中形成超导材料层。束可以具有相对于衬底的平面的法线的非零入射角。粒子束可以相对于衬底存在角度，以使得束入射到向外突出于衬底的平面的结构的一侧上，从而防止突出结构的另一侧上的阴影区被超导体材料覆盖。突出结构可以是半导体材料的突出部分，以使得阴影区将半导体材料与沉积在栅控区中的超导体材料的一部分分离。该方法可以包括：从栅控区移除半导体材料；以及在栅控区中从栅控材料形成栅极。突出结构可以由电介质材料形成。突出结构可以与由半导体材料形成的纳米线邻近，阴影区跨纳米线的宽度延伸，以使得纳米线的分段跨其整个宽度不被超导体材料覆盖，从而形成纳米线的两个其他分段之间的接点，两个其他分段都被超导体材料至少部分地覆盖。选择性区域生长阶段和超导体生长阶段可以在真空室中进行，贯穿那些阶段以及在那些阶段之间衬底被保留在真空室中。本技术的另一方面提供一种量子电路，包括：选择性区域生长(sag)半导体区；以及超导区。在实施方式中，sag半导体区包括导电的平面内纳米线。平面内纳米线可以是可调节的。平面内纳米线可以是经由侧栅、顶栅或底栅而可调节的。超导区可以包括与sag半导体区的半导体材料直接接触的超导体材料。量子电路可以包括在其上生长sag半导体区的绝缘衬底以及在绝缘衬底上形成的电介质掩模，由超导体材料形成的超导区在没有被电介质掩模覆盖的衬底的一个或多个区上选择性生长。本技术的另一方面提供一种拓扑量子计算机，包括：选择性区域生长(sag)纳米线的网络；以及在sag纳米线上形成的超导体材料层。sag纳米线的网络和超导体材料耦合，以便提供用于在执行量子计算时使用的马约拉纳模式。在实施方式中，拓扑量子计算机可以包括布置用于操纵马约拉纳模式的至少一个栅极。技术的另一方面提供一种方法，包括：生成用于执行量子计算的混合半导体-超导体平台。生成包括：在衬底上沉积超导体层；移除沉积的超导体区的一个或多个区；以及在沉积的超导体区的移除区中生长一个或多个选择性区域生长半导体区。在实施方式中，生长一个或多个选择性区域生长半导体区包括：形成可以利用侧栅、顶栅和/或底栅调节的纳米线。技术的另一方面提供一种方法，包括：生成用于执行量子计算的混合半导体-超导体平台，其中生成包括：在衬底上生长一个或多个超导体层；在衬底上在没有被一个或多个超导体层占据的衬底的区中生长一个或多个选择性区域生长半导体区。在实施方式中，生长一个或多个选择性区域生长半导体区包括：形成可以利用侧栅、顶栅和/或底栅调节的纳米线。本公开内容的另一方面提供一种制造混合半导体-超导体平台的方法，该方法包括：在衬底上形成半导体结构；形成至少一个突出的电介质结构；以及使用束来形成超导材料层，超导材料层的至少一部分与半导体结构直接接触，其中束相对于突出的电介质结构存在角度，以使得束入射到突出的电介质结构的一侧上，从而防止突出的电介质结构的另一侧上的阴影区被超导体材料覆盖。附图说明为了更好地理解本技术，并且为了示出可以如何实施本技术的实施方式，仅通过示例的方式参考以下附图，其中：图1示出了制造se/su纳米线的网络的方法的示意图；图2示出了外延生长阶段中的sagse纳米线的示意透视图，其中超导材料沉积在纳米线之上和周围；以及图3示出了inp衬底上的saginas纳米线网络的顶视图图像；图4示出了包括se/su纳米线和侧栅区的量子电路的示意顶视图；图5示出了针对使用所描述的方法制造的用于两个sag纳米线而测量的相应i-v图形；图6示意性地图示了制造方法的扩展，其中原位构图(in-situpatterning)用于创建附加结构；图7示出了用于图示用于创建接点的原位构图的示例的示意透视图；图8示出了原位构图的另一示例中的衬底的示意侧视图；图9和图10示出了原位构图的又一示例中的衬底的示意透视图；图11示出了具有不同密勒(miller)指数的纳米线的横截面图；图12示出了以第一沉积角度利用超导体涂覆[100]纳米线的图像；图13示出了以第二沉积角度涂覆[100]纳米线的示例；图14示出了以第二沉积角度涂覆[100]纳米线的另一图像；图15示出了sagse/su纳米线网络的部分的顶视图图像。具体实施方式外延半导体-超导体材料是用于可栅控(gatable)的低耗散超导电子器件和超导量子计算的有前途的平台。在拓扑量子计算的背景下，具有强自旋-轨道耦合的超导纳米线可以支持拓扑激发，该拓扑激发可以充当容错量子信息处理的基础。用于合成半导体-超导体材料用于可栅控超导纳米线电子器件的当前方法基于二维平面材料(参见例如shabani等人，prb93，155402(2016))或者自底向上生长纳米线材料(参见例如krogstrup等人，naturemater.14,400-406(2015))。由于不同原因，两种方法都面临可扩展性的挑战。关于后一种方法，这已经能够实现非常高质量的se/su界面。然而，利用该方法，用于形成网络的一部分的se/su纳米线必须单独生长，并且一旦生长，必须单独放置在绝缘材料上以形成实际网络。由此，将该方法扩展到更大网络提出了非常重大的挑战。所公开的技术的示例实施方式通过将sag半导体与超导阶段进行结合而提供了对可扩展性问题的解决方案。参考图1，现在将描述示例三阶段制造方法。该制造方法可以用于创建se/su纳米线的网络，其转而可以例如形成(例如，用于量子计算机的)量子电路的基础或者其他混合半导体-超导体平台。特别地，该方法特别适用于制造能够承载稳定mzm的se/su纳米线网络，而没有或者没有显著减小软间隙退相干，其可以形成无故障拓扑量子计算的基础。然而，需要注意的是，虽然材料平台与量子计算相关，但是其提供的可栅控超导电子器件很可能具有量子计算之外或者与量子计算不直接相关的其他应用，特别是在需要低能量耗散的背景下。将变得易见的是，因为使用sag创建se/su纳米线网络，整个纳米线网络可以作为整体制造在绝缘衬底上。绝缘衬底和纳米线可以直接并入到最终产品上，而不需要将纳米线转移至不同的表面。由此，该方法比现有的方法明显更加适于销售。1)掩模阶段在第一阶段p1(掩模阶段)中，在绝缘衬底104的顶部上形成电介质材料102的构图层(电介质掩模)。在图1的左手侧示出了具有电介质掩模102的衬底104的侧视图和顶视图。衬底104以由任何适当的衬底材料形成，诸如inp(磷化铟)，并且在所描述的示例中是绝缘衬底。在所描述的示例中，电介质材料102是氧化物，但是其可以是促进制造方法的第二阶段p2(参见下文)中的sag的任何电介质材料。在氧化物层102形成的过程中对氧化物层进行构图，以使得期望区106中的衬底的狭窄条带暴露(即，没有被氧化物102覆盖)。在该上下文中，图案是指期望区106的结构，其将最终成为纳米线网络的结构，因为其是se纳米线在其中生长的该暴露区106。因此，纳米线的大小和结构与暴露区106的大小和结构相匹配。虽然图1中仅示出了一个暴露区106，但是纳米线可以在多个区中同时生长，并且关于期望区106的所有描述等同地适用于多个此类区。因此，整个纳米线网络的结构可以由(一个或多个)暴露区的结构来限定。在该示例中，条带以及由此产生的纳米线具有数十或数百纳米数量级的宽度。可以形成氧化物层102以便以任何适当的方式暴露期望区106。例如，可以在衬底104上沉积均匀、连续的氧化物层，并且继而可以从期望区106选择性地刻蚀掉氧化物102来形成暴露区106(在这种情况下，刻蚀限定了最终的纳米线网络结构)。作为另一示例，可以利用掩模在衬底104上选择性地沉积氧化物层102，掩模用于防止氧化物102在期望区106中沉积(在这种情况下，掩模限定了最后的纳米线网络结构)。sag纳米线沿着衬底上的高对称性平面内晶体定向而限定，其也给出了纳米线明确限定的刻面。这使得su/se界面平坦、可能原子级平坦，并且被明确限定。2)sag阶段在称为sag阶段的第二阶段p2中，在衬底104的暴露部分的顶部上，半导体材料108在期望区106内选择性地生长。图1的右上方示出了示例，其中示出了衬底104的侧视图。由于氧化物层102的构图，选择性生长的半导体108形成了平面内(in-plane)纳米线(即，位于衬底104的位置处的纳米线)。sag是使用晶体生长真空室的生长方法。sag是指衬底的暴露区中半导体的局部生长，生长条件被选择为防止电介质掩模本身上的此类生长。例如，这可以基于化学束外延(cbe)、分子束外延(mbe)或金属-有机化学气相沉积(mocvd)。在半导体的背景下，sag是指特定类别的外延半导体生长(并且也称为选择性区域外延)，其中构图电介质掩模用于限定要生长的半导体材料的预期结构(光刻形式)。对sag过程进行调节以使得半导体生长仅在衬底上没有被电介质掩模覆盖的区上发生，而不在电介质掩模本身上发生。这与其他沉积/生长过程完全不同，其他沉积/生长过程诸如自底向上生长(其中不使用掩模)和均匀沉积(外延或其他方式)，其中材料在整个表面上均匀沉积而不管材料组成如何(如阶段p3中——参见下文)。sag是在高真空或超高真空中进行的，并且需要仔细调节与实现期望的选择性半导体生长。在第二阶段p2中可以使用任何适当的sag过程来创建暴露区106中的期望se纳米线。sag本身是已知的，因此在本文中不再详细讨论。针对sag的进一步描述，参见例如g.jdavies，spie会议论文2140，外延生长过程，58(1994年5月11日)；doi:10.1117/12.175795；mfahed，博士论文：使用分子束外延的平面内iii-v纳米结构的选择性区域生长，2016。http://www.theses.fr/2016lil10154；fukui等人，应用物理学快报58,2018(1991)；doi：http://dx.doi.org/10.1063/1.105026。一言以蔽之，sag阶段p2是使得在该阶段结束时，半导体材料108填充期望区106(也就是，衬底104没有被氧化物掩模102覆盖的区106)，但是在衬底104的平面中(下文称xy平面)不延伸到如氧化物层102限定的期望区106的边界之外。然而，可以看出，其确实在正交(垂直)于衬底104的平面的方向(下文称z方向)上向外延伸，以便向外突出于氧化物掩模102。也即，半导体材料108在z方向上从衬底104延伸比氧化物层102更大的距离。以这种方式，半导体材料108形成基本上位于衬底102的平面中的纳米线(平面内纳米线)。半导体材料108可以是任何适当的半导体材料，诸如砷化铟(inas)。sag半导体108例如可以是受限的2deg(二维电子气)半导体或单一材料半导体。3)超导体生长阶段在第三阶段p3(超导体生长阶段)中，使用粒子束110生长超导材料层112。在本文中，超导材料的意思是至少在某些条件下表现超导性质的材料。此类材料的一个示例是铝(al)。在以下示例中，在阶段p3中外延生长超导体，并且在该上下文中，超导体生长阶段p3可以称为外延生长阶段。然而，技术在这一方面不做限制，并且其也许有可能在阶段p3中经由非外延超导体生长而实现预期结果。例如，可以使用分子束外延(mbe)电子枪外延在阶段p3中生长超导材料112。超导体层112的至少一部分沉积在se纳米线108的顶部上，以使得超导体层112的该部分(图1中标记为116)与se纳米线108直接接触。也即，使得se纳米线108至少部分利用超导材料覆盖。这也是外延的一种形式，但是不是sag。特别地，在外延生长阶段p3中，外延生长不在氧化物层102以及se纳米线108上发生。束的角度可以设置在大致z方向，以使得氧化物层102和se材料108的所有暴露表面基本上都被su层112覆盖。然而，在该示例中，粒子束110以相对于z方向的非零入射角(沉积角度)入射到衬底104上。由于该非零沉积角度和se纳米线108的突出结构，se纳米线108仅部分被超导体层112涂覆；也即，se纳米线的一部分(标记为118)没有被超导体材料涂覆。氧化物层102的主体也被超导体层112涂覆，然而，由于入射束110的角度和se纳米线108的突出结构，紧邻突出se纳米线108的氧化物层102的小区(阴影区)被暴露，即，没有被su材料涂覆。一个此类阴影区在图1中被标记为120。阴影区120将se材料108与“侧栅”区122中的su层112的一部分分离。侧栅区122中的su层112的该部分可以用于形成用于控制se纳米线108的栅极，或者(更加可能的是)su材料可以从该区被刻蚀掉，并且利用更适合的栅极材料代替，如以下示例中的。无论以何种方式，阴影间隙120保证栅极如所预期的进行操作。在su外延阶段p3中使用此类“原位”构图形成间隙120(如上文所述)，这保证材料不需要被刻蚀得太靠近精密的纳米线108。这是基本过程的示例，其中超导体被沉积为均匀层，但是其中来自选择性区域生长材料的“阴影”用于形成半导体和超导体之间的间隙。在这种特定情况下，不接触半导体的超导体可以用作侧栅，或者被刻蚀掉并且利用更适合的栅极材料代替，同时与半导体直接接触的超导体用于诱导超导性。图1的右下方示出了第三阶段p3结束处的衬底104的侧视图和顶视图。需要注意，在顶视图中，部分涂覆se纳米线108的超导体层112的部分116没有与se纳米线108的未涂覆部分118进行区分；而是，由纳米线108以及(部分)覆盖那些纳米线(即，与其直接接触)的超导体材料116的部分形成的组合纳米线结构被描绘为单个元件，标记为se//su。该组合结构在后续附图中相似地表示和标记，并且本文中对“se/su纳米线”或“se//su纳米线”的引用是指se纳米线108和(部分)覆盖se纳米线108的su材料116，除非另有指示。为了进一步辅助说明，图2示出了第三阶段p3期间的第一纳米线108a和第二纳米线108b的示意透视图，其被超导体层112的相应部分116a、116b部分涂覆。示出了上述类型的阴影间隙120，其紧邻第一纳米线108a，并且以上述方式将第一纳米线108a与侧栅区122中的半导体层112的一部分相分离。sag阶段p2和超导体生长阶段p3可以在真空室中进行，优选地在阶段之间不移动衬底104。这些阶段可以在高真空或超高真空条件(～10-8-10-12托或更低)下实现，并且可以在阶段之间维持那些真空条件。此外，这保证了干净的se/su界面，没有不希望的杂质。将可以理解，阶段p2的sag半导体生长和阶段p3的超导体生长都需要仔细校准的条件，以进入针对这两个阶段的相应“生长窗口”内，并且从而分别实现期望的半导体和超导体生长。取决于材料类型，需要仔细选择生长条件、温度和通量。例如，针对mbe(其可以在半导体sag阶段p2和超导体生长阶段p3两者中使用)，衬底一般需要加热到约500℃或更高的温度，以清洁表面的原生氧化物。然而，在sesag生长阶段p2和su生长阶段p3中，期望的生长发生的相应温度窗口分别取决于se材料108和su材料112的组成。超导体原位生长/沉积，而不打破真空。以这种方式，sag的表面不在空气中氧化，并且保持清洁直到放上su，这保证了清洁的se-su界面。示例用例使用sag作为可栅控超导体网络的基础可期望地涉及绝缘衬底，并且选择性区域生长材料可以携带感应出的超导性。se//su纳米线网络在其上生长的衬底104和氧化物层102可以与se/su纳米线网络一起并入到最终产品中，最终产品诸如量子电路或量子计算机，而无需将纳米线从初始在其上制造纳米线的衬底转移。所公开的技术的实施方式包括拓扑保护量子计算电路，其包括使用此类混合半导体和超导体区形成的纳米线的网络。在图3中，例如，示出了包括在绝缘inp衬底上生长的inas纳米线的线图案。特别地，图3示出了基于一维纳米线网络的复杂网络的制造。网络是在inp衬底上形成的saginas纳米线网络。图4示出了t形se//su纳米线结构的示意顶视图，其已经使用上述方法制造以形成量子电路400。量子电路402的触点402已经被添加到se//su纳米线，以允许与其的电连接。示出了栅控区112，其中大多数su材料112已经被刻蚀掉，例如，将要利用不同的栅控材料(未示出)代替，以便形成用于操纵se//su纳米线的侧栅，并且——在拓扑量子计算的上下文中，例如——用于操纵由se//su纳米线承载的马约拉纳零模式，以便执行量子计算。图5示出了根据所描述的方法制造的两个匹配的并排示例se/su纳米线结构502a、502b的顶视图图像500。此处，可以看出触点(亮垂直线)和顶栅(暗垂直线)应用于sag纳米线(亮水平线)。例如，这些可以使用光刻方法来添加。图5也示出了分别用于匹配结构502a、502b的相应i-v(电流-电压)图形504a、504b。可以看出，两个se/su纳米线结构502a、502b表现出了非常相似的i-v特性。这证明了制造方法的益处之一，也就是再现性，即，产生具有一致物理特性的纳米线的能力。相对于现有纳米线制造方法，该水平的再现性表现出了显著改进。延伸——原位构图图6和图7示意性地图示了图1的方法的延伸的一个示例，其中使用了突出的电介质结构102p，与超导体生长阶段p3中的呈角度的束110相结合，以执行原位构图。原理类似于由突出的se材料108提供的原位构图，其中突出的电介质结构102p选择性地阻挡角度束以防止发生su材料112的沉积在所描述类型的某些阴影区中。在该示例中，突出的电介质结构102p是位于邻近se纳米线108的电介质材料的“柱”，以便提供跨纳米线108的整个宽度延伸的阴影区602，以使得在该区602中纳米线108跨越其整个宽度没有被su材料涂覆。这在图6的侧视图和顶视图以及图7的透视图中示出。如图8至图10所图示，多个突出的电介质结构102p可以用于实现任何期望的原位构图。将可以理解，根据上述原理，这不限于接点的形成，并且可以个体地或组合地使用突出的电介质结构(例如，墙、柱、环等)，以实现su材料的任何期望构图。另一示例用例图11图示了可以在某些类型的量子电路中发现的两个晶体纳米线结构，即“[100]”se/su纳米线和“[110]”se/su纳米线。此处，[100]和[110]是密勒指数，在该上下文中，其是指纳米线的晶体结构相对于纳米线定向本身的定向。可以看出，在sag阶段p2中，不同的密勒指数导致不同形状的纳米线的生长。特别地，当跨越其宽度截取横截面时，sag[100]线具有基本上三角形的轮廓，而sag[110]线在其顶部具有较平坦的部分。由于不同的轮廓，在外延生长阶段p3中，粒子束110的角度优选地根据一个或多个sag纳米线的密勒指数而选择。针对[110]纳米线，相对于z轴至少45度的角度可能是适当的，而针对[110]纳米线，至少35度的角度可能是适合的。图12和图13-图14示出了针对不同的沉积角度所制造的se//su纳米线的自顶向下的图像——在每个图的左上方示意性地图示。可以看出，不同的沉积角度可以用于实现不同宽度的阴影间隙120。此处，如上所述，由于阻挡角度束的se纳米线108而创建了阴影间隙，以便将所产生的se/su纳米线与栅控区122分离。图12的se/su纳米线是在金属沉积室中在低温阶段使用来自电子枪(e枪)的al沉积而制造的。图13和图14的se/su纳米线是利用与法线(即，如上文定义的相对于z轴)仅成33度的束角度在mbe室中使用mbe制造的。这仅是示例，并且大多数系统允许角度改变为期望的方向。图15示出了使用所描述的方法制造的se/su纳米线结构的另一图像。一般地，超导材料可以在整个衬底上均匀地沉积/生长并且随后在指定区中被移除，或者在沉积/生长期间使用光刻掩模在指定区中沉积/生长。这可以是原位构图的形式，如上所述。在一些示例实现中，选择性区域生长材料留下可以利用侧栅、顶栅和/或底栅调节的导电平面内定向纳米线。另外，在一些示例实现中，衬底是绝缘的以防止泄漏电流。所公开的方法、装置和系统不应当以任何方式解释为限制性的。来自任何示例的技术可以与在任何一个或多个其他示例中描述的技术相结合。鉴于所公开的技术的原理可以应用的许多可能实施方式，应当认识到，所说明的实施方式是所公开的技术的示例，并且不应当被认为是对所公开的技术的范围的限制。虽然已经以特定于结构性特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中限定的主题不一定限制于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作作为实现权利要求的示例形式而公开。当前第1页1 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