技术特征：
1.一种三维封装超导量子比特器件，其特征在于，所述铌基超导量子比特器件从下到上依次设置为：下层衬底、第一超导薄膜、金属柱子、第二超导薄膜、上层衬底；其中，所述第一超导薄膜包括谐振腔、传输线和电极；和所述第二超导薄膜包括电容和约瑟夫森结；优选地，所述谐振腔和所述电容均通过微加工制备而成。2.根据权利要求1所述的三维封装超导量子比特器件，其特征在于：所述下层衬底和所述上层衬底的材料选自以下一种或多种：蓝宝石、高阻硅、非晶硅，优选为蓝宝石或高阻硅，最优选为蓝宝石；所述第一超导薄膜和所述第二超导薄膜的材料选自以下一种或多种：铌基超导材料、钽基超导材料、tin基超导材料、nbn基超导薄膜、nbtin基超导薄膜，优选为铌基超导薄膜、钽基超导薄膜、氮化钛超导薄膜，最优选为铌基超导薄膜；和/或所述金属柱子为铟柱子或铅-锡柱子，最优选为铟柱子；优选地，所述谐振腔、传输线、电极和电容的材料选自以下一种或多种：铌基超导材料、钽基超导材料、tin基超导材料、nbn基超导薄膜、nbtin基超导薄膜，优选为铌基超导材料、钽基超导材料、氮化钛超导材料，最优选为铌基超导材料；和/或优选地，所述约瑟夫森结的材料为al基超导材料或nb基超导材料，最优选为al基超导材料。3.根据权利要求1或2所述的三维封装超导量子比特器件，其特征在于：当所述谐振腔、所述电容和所述电极的材料均为铌基超导材料，所述金属柱子为铟柱子时，所述铌基超导材料和所述铟柱子的连接处反应生成超导材料nb3in；优选地，所述铌基超导材料和所述铟柱子的连接处为超导连接。4.制备根据权利要求1至3中任一项所述的三维封装超导量子比特器件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)清理上层衬底和下层衬底，并在所述上层衬底和/或下层衬底衬底上生长金属铌薄膜；(2)在步骤(1)制得的样品表面进行光刻与显影；(3)对步骤(2)显影后的样品进行刻蚀并去胶，得去胶后的上层衬底和下层衬底；(4)在步骤(3)制得的去胶后的上层衬底上制备约瑟夫森结；(5)在步骤(3)制备的下层衬底和步骤(4)制得的上层衬底表面光刻和显影；(6)在步骤(5)制得的样品上生长金属柱子，并去胶剥离，得所述上层衬底和下层衬底；(7)将步骤(6)制得的上层衬底和下层衬底对准压焊，得所述三维封装超导量子比特器件；优选地，所述步骤(3)中，所述刻蚀的方法选自以下一种或多种:反应离子刻蚀、化学腐蚀，进一步优选为反应离子刻蚀；更优选地，所述步骤(3)还包括对刻蚀完毕的样品进行除胶的步骤。5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中还包括以下步骤:将所述上层衬底和下层衬底浸泡于溶剂中，超声清理，超声清理结束后以氮气吹淋所述上层衬底和下层衬底；优选地，所述溶剂为丙酮或异丙醇；
优选地，所述超声的功率为50～100w，更优选为90w；优选地，所述超声的时间为1～30分钟，更优选为10分钟；优选地，所述金属铌薄膜的厚度为50～200nm，更优选为80～150nm；和/或优选地，所述生长金属铌薄膜的方法为磁控溅射或电子束蒸发，更优选为磁控溅射。6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括以下步骤：(a)在步骤(2)所得样品表面旋涂光刻胶，热板烘烤；(b)对旋涂好光刻胶的样品进行激光直写，曝光设计好的图形；(c)对曝光完毕后的样品进行显影定影，定影完成后以氮气吹淋所述衬底；优选地，所述步骤(a)中，所述光刻胶的厚度为1.0～4.8微米，优选为1.3微米；和/或优选地，所述步骤(a)中，所述光刻胶为s1813光刻胶或spr220光刻胶，最优选为s1813光刻胶。7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括以下步骤:(a)清理步骤(3)所得的样品，并在其上依次旋涂maa光刻胶、pmma光刻胶和sx ar-pc导电胶；(b)对步骤(a)所得样品进行电子束曝光约瑟夫森结图形；(c)对曝光完毕后的样品进行显影定影，定影完成后以氮气吹淋所述衬底；(d)将步骤(c)所得样品放入plassys-meb550s中，制备约瑟夫森结；(e)对步骤(e)所得样品进行除胶剥离，得到所述铌基平面多超导量子比特；优选地，所述步骤(a)中，所述maa光刻胶的厚度优选为80～400纳米，更优选为150～250纳米，最优选为200纳米:和/或所述pmma光刻胶的厚度优选为100～400纳米，最优选为200nm。8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，其中，所述步骤(5)还包括以下步骤:(f)在步骤(4)所得样品表面旋涂光刻胶，热板烘烤；(g)对旋涂好光刻胶的样品进行激光直写，曝光设计好的图形；(h)对曝光完毕后的样品进行显影定影，定影完成后以氮气吹淋所述衬底；优选地，所述步骤(f)中，所述光刻胶的厚度为5～15微米，更优选为5～10微米，最优选为8微米；和/或所述光刻胶为az p4620光刻胶或spr220光刻胶，最优选为az p4620光刻胶。9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，所述金属柱子的薄膜厚度为5～10um，优选为7um，和/或所述生长金属铟薄膜的方法选自以下一种或多种:热蒸发，电子束蒸发，磁控溅射，最优选为热蒸发；和/或所述步骤(7)中，所述压焊压强为10～30n/mm2，优选为15n/mm2；和/或所述压焊方法为冷压压焊或热压压焊，优选为冷压压焊。10.一种基于超导电路的量子计算设备，其特征在于，所述量子计算设备包含权利要求1至3中任一项所述的三维封装超导量子比特器件或按照权利要求4至9中任一项所述的方法制备的三维封装超导量子比特器件。
技术总结
本发明提供了一种三维封装超导量子比特器件，所述铌基超导量子比特器件从下到上依次设置为：下层衬底、第一超导薄膜、金属柱子、第二超导薄膜、上层衬底；还提供了其制备方法和设备。本发明三维封装超导量子比特器件避免了铝基比特样品，铝材料与铟柱子之间合金化,形成非超导层,难以实现超导连接的弊端，简化了工艺步骤，实现了三维立体超导连接。多个焊接点串联测试得到超导临界电流达到100mA，远大于铝基倒装焊器件30mA的临界电流。器件制备工艺简单，性能稳定。由于超导材料铌与铟之间超导连接，可以在连接处施加大的电流而不会引起发热等现象，有助于对超导比特器件实现三维立体操控。倒装芯片短的互连减小了电感，电阻和电容，信号完整性和频率特性更好。信号完整性和频率特性更好。信号完整性和频率特性更好。
技术研发人员：宋小会 杜燕京 相忠诚 张贺 郑东宁
受保护的技术使用者：中国科学院物理研究所
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2022/8/16