特許 7203055 超伝導体－半導体製造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-28

(45)【発行日】2023-01-12

(54)【発明の名称】超伝導体－半導体製造

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/10 20230101AFI20230104BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20230104BHJP

   H01L 29/06 20060101ALI20230104BHJP

【ＦＩ】

H01L39/22 G

C23C14/06 S

H01L29/06 601N

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019571656

(86)(22)【出願日】2017-11-30

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-08-27

(86)【国際出願番号】 EP2017081038

(87)【国際公開番号】W WO2019001753

(87)【国際公開日】2019-01-03

【審査請求日】2020-10-27

(31)【優先権主張番号】62/527,875

(32)【優先日】2017-06-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】1718897.0

(32)【優先日】2017-11-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】314015767

【氏名又は名称】マイクロソフト テクノロジー ライセンシング，エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】クローウストロプ イェッペセン，ピーター

【審査官】上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１４１２８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１３３５７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０４５１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２８３２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】KANUNGO, Pratyush Das et al.，Selective area growth of III-V nanowires and their heterostructures on silicon in a nanotube template: towards monolithic integration of nano-devices，NANOTECHNOLOGY，2013年05月01日，Vol. 24，pp. 225304-1－225304-6，<DOI: 10.1088/0957-4484/24/22/225304>

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３９／２２、２９／０６

Ｃ２３Ｃ １４／０６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

混合半導体－超伝導体プラットフォームを製造する方法であって、
マスキング段階にて、基板上に誘電体マスクを、該誘電体マスクが前記基板の１つ以上の領域を露出させたままにするように形成し、
選択的エリア成長段階にて、前記露出させた１つ以上の領域内で前記基板上に半導体材料を選択的に成長させ、
超伝導体成長段階にて、超伝導材料の層を形成し、該層の少なくとも一部が、前記選択的に成長させた半導体材料と直に接触する、
ことを有し、
前記露出させた１つ以上の領域内の前記半導体材料は、面内ナノワイヤのネットワークを形成し、
前記混合半導体－超伝導体プラットフォームは、前記選択的に成長させた半導体材料と、前記選択的に成長させた半導体材料と直に接触した前記超伝導材料とを有し、
前記超伝導体成長段階において、前記超伝導材料の層は、前記基板の面の法線に対して非ゼロの入射角を有するビームを用いた分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を用いてエピタキシャル成長され、その結果、前記基板の前記面の外側に突出する構造の一方側に前記ビームが入射し、それにより、前記突出する構造の他方側のシャドー領域が前記超伝導材料で覆われるのを防止するように、前記ビームが前記基板に対して角度付けられる、
方法。

【請求項2】

前記突出する構造は、前記半導体材料の突出部であり、前記シャドー領域が、前記半導体材料を、ゲート領域に堆積される前記超伝導材料の部分から分離する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ゲート領域から前記超伝導材料を除去し、
前記ゲート領域内に、ゲート材料からゲートを形成する、
ことを有する請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記突出する構造は誘電体材料で形成される、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記突出する構造は、前記半導体材料によって形成されるナノワイヤに隣接し、前記シャドー領域は、前記ナノワイヤの幅にわたって延在し、その結果、前記ナノワイヤの一セクションが、その全幅にわたって、前記超伝導材料によって覆われず、それにより、双方とも前記超伝導材料によって少なくとも部分的に覆われる前記ナノワイヤの２つの更なるセクションの間にジャンクションを形成する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記選択的エリア成長段階及び前記超伝導体成長段階は、真空チャンバ内で、これらの段階全体を通して及びこれらの段階の間に前記基板が前記真空チャンバ内にあるまま実行される、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、例えば量子コンピュータに使用される半導体－超伝導体プラットフォームなどの超伝導体－半導体プラットフォームの製造に関する。

【背景技術】

【0002】

量子コンピューティングは、例えば量子状態の重ね合わせ及びエンタングルメント（もつれ）などの本質的に量子力学的な現象を利用して、特定の計算を、古典的コンピュータが可能とするよりも遥かに速く計算を実行する類のコンピューティングである。“トポロジカル”量子コンピュータでは、特定の物理系で生じる“非可換エニオン”と呼ばれる準粒子を操作することによって計算が実行される。エニオンは、自身をフェルミオン及びボソンのどちらからも区別する独特な物理特性を持つ。非可換エニオンはまた、可換エニオンに対して、独特な特性を持つ。トポロジカル量子コンピューティングの基礎を成すのはこれら独特な特性であり、トポロジカル量子コンピューティングでは、情報が非可換エニオンのトポロジカル特性、具体的には、それらの空間－時間世界線の組み紐としてエンコードされる。これは、他のモデルの量子コンピューティングに対する一定の利益を有する。１つの主要な利益は安定性である。何故なら、量子組み紐は、他のタイプの量子コンピュータでは誤りを誘発する量子デコヒーレンスを引き起こし得るスケールの摂動によって影響されないからである。

【0003】

大まかに言えば、これまでに、物性凝縮における“５／２分数量子ホール”系、及び（より最近になっての）半導体‐超伝導体（ＳＥ／ＳＵ）ナノワイヤという２種類の物理系が、可能性あるホストとして考えられてきた。後者に関し、現場での重要な進展は、超伝導体（ＳＵ）に結合された半導体（ＳＥ）ナノワイヤ（ＮＷ）において“マヨラナゼロモード”（ＭＺＭ）の形態の非可換エニオンが形成され得ることが認識されたことである。

【0004】

ＳＥ／ＳＵナノワイヤの状況で遭遇する問題の１つは、所謂“ソフトギャップ”状態の存在である。ソフトギャップ問題は、公開された文献に記載されており、これらのソフトギャップ状態は、存在する場合に、ＭＺＭのデコヒーレンスの原因となると言っておけば十分である。ＳＥ／ＳＵ界面における無秩序がソフトギャップの原因となることを解析と実験が指し示しており、より安定なＭＺＭを提供することを狙ってＳＥ／ＳＵ界面の品質を改善することについての研究が現場で最近行われている。

【発明の概要】

【0005】

製造技術における最近の発展が、ＳＥ／ＳＵナノワイヤにおけるＳＥ／ＳＵ界面の品質の有意な改善につながっているが、問われているアプローチは全て、スケーラビリティの難題に直面している。これは、これらのアプローチで製造されることが可能なＳＥ／ＳＵナノワイヤネットワークのサイズ及び複雑さに制限を課す。後で例を示して状況を提示する。

【0006】

本技術の実施形態は、ＳＥ／ＳＵナノワイヤ構造を製造する方法を提供し、当該方法は、高品質のＳＥ／ＳＵ界面を製造することができるだけでなく、そうすることを、大規模で潜在的に複雑なＳＥ／ＳＵナノワイヤネットワークの製造を可能にするスケーラブルな手法で行うことができる。これは、超伝導体堆積／成長との、選択的エリア成長（ＳＡＧ）による半導体技術の組み合わせによって達成される（なお、用語“選択エリア成長”及び“選択的エリア成長”は、ここでは交換可能に使用される）。

【0007】

本技術の第１の態様は、以下のステップを有した混合半導体－超伝導体プラットフォームを製造する方法に向けられる。マスキング段階にて、基板上に誘電体マスクが、該誘電体マスクが基板の１つ以上の領域を露出させたままにするように形成される。選択的エリア成長段階にて、露出させた１つ以上の領域内で基板上に半導体材料が選択的に成長される。超伝導体成長段階にて、超伝導材料の層が形成され、該層の少なくとも一部が、選択的に成長させた半導体材料と直に接触する。混合半導体－超伝導体プラットフォームは、選択的に成長させた半導体材料と、該選択的に成長させた半導体材料と直に接触した超伝導材料とを有する。

【0008】

実施形態において、露出させた１つ以上の領域内の半導体材料は、面内（インプレーン）ナノワイヤのネットワークを形成し得る。

【0009】

超伝導体成長段階において、超伝導材料の層はエピタキシャル成長され得る。

【0010】

超伝導体材料は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を用いてエピタキシャル成長され得る。

【0011】

超伝導体成長段階において、超伝導材料の層はビームを用いて形成され得る。

【0012】

ビームは、基板の面の法線に対して非ゼロの入射角を有し得る。

【0013】

基板の面の外側に突出する構造の一方側にビームが入射し、それにより、突出する構造の他方側のシャドー領域が超伝導材料で覆われるのを防止するように、粒子のビームが基板に対して角度付けられ得る。

【0014】

突出する構造は、半導体材料の突出部とすることができ、シャドー領域が、半導体材料を、ゲート領域に堆積される超伝導材料の部分から分離する。

【0015】

当該方法は、ゲート領域から半導体材料を除去することと、ゲート領域内に、ゲート材料からゲートを形成することとを有し得る。

【0016】

突出する構造は誘電体材料で形成され得る。

【0017】

突出する構造は、半導体材料によって形成されるナノワイヤに隣接することができ、シャドー領域は、ナノワイヤの幅にわたって延在し、その結果、ナノワイヤの一セクションが、その全幅にわたって、超伝導材料によって覆われず、それにより、双方とも超伝導材料によって少なくとも部分的に覆われるナノワイヤの２つの更なるセクションの間にジャンクションを形成する。

【0018】

選択的エリア成長段階及び超伝導体成長段階は、真空チャンバ内で、これらの段階全体を通して及びこれらの段階の間に基板が真空チャンバ内にあるまま実行され得る。

【0019】

本技術の他の一態様は、選択エリア成長（ＳＡＧ）半導体領域と、超伝導領域と、を有する量子回路を提供する。

【0020】

実施形態において、ＳＡＧ半導体領域は、導電性の面内ナノワイヤを有得る。

【0021】

面内ナノワイヤは調節可能（チューナブル）であるとし得る。

【0022】

面内ナノワイヤは、サイドゲート、トップゲート、又はボトムゲートを介して調節可能であるとし得る。

【0023】

超伝導領域は、ＳＡＧ半導体領域の半導体材料と直に接触した超伝導体材料を有し得る。

【0024】

当該量子回路は、上にＳＡＧ半導体領域が成長された絶縁基板と、該絶縁基板上に形成された誘電体マスクとを有することができ、超伝導領域は、誘電体マスクによって覆われていない基板の１つ以上の領域上に選択的に成長された超伝導体材料で形成される。

【0025】

本技術の他の一態様は、選択エリア成長（ＳＡＧ）ナノワイヤのネットワークと、ＳＡＧナノワイヤ上に形成された超伝導体材料の層と、を有するトポロジカル量子コンピュータを提供する。ＳＡＧナノワイヤのネットワークと超伝導体材料とが、量子コンピューティングを実行するのに使用されるマヨラナモードを提供するように結合される。

【0026】

実施形態において、当該トポロジカル量子コンピュータは、マヨラナモードを操作するように構成された少なくとも１つのゲートを有し得る。

【0027】

本技術の他の一態様は、量子コンピューティングを実行する混合半導体－超伝導体プラットフォームを生成することを有する方法を提供する。前記生成することは、基板上に超伝導体層を堆積させることと、堆積させた超伝導体領域の１つ以上の領域を除去することと、堆積させた超伝導体領域の除去した領域内に１つ以上の選択的エリア成長半導体領域を成長させることとを有する。

【0028】

実施形態において、１つ以上の選択的エリア成長半導体領域を成長させることは、サイドゲート、トップゲート、及び／又はボトムゲートで調節されることが可能なナノワイヤを形成することを有する。

【0029】

本技術の他の一態様は、量子コンピューティングを実行する混合半導体－超伝導体プラットフォームを生成することを有する方法を提供し、前記生成することは、基板上に１つ以上の超伝導体層を成長させることと、該１つ以上の超伝導体層によって占有されていない基板の領域内で、基板上に１つ以上の選択的エリア成長半導体領域を成長させることとを有する。

【0030】

実施形態において、１つ以上の選択的エリア成長半導体領域を成長させることは、サイドゲート、トップゲート、及び／又はボトムゲートで調節されることが可能なナノワイヤを形成することを有する。

【0031】

本開示の他の一態様は、混合半導体－超伝導体プラットフォームを製造する方法を提供し、当該方法は、基板上に半導体構造を形成し、少なくとも１つの突出誘電体構造を形成し、そして、ビームを使用して、超伝導材料の層を、その少なくとも一部を半導体構造と直に接触させて形成することを有し、突出誘電体構造の一方側にビームが入射し、それにより、突出誘電体構造の他方側のシャドー領域が超伝導材料で覆われるのを防止するように、ビームが突出誘電体構造に対して角度付けられる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

本技術のいっそう十分な理解のために、また、その実施形態がどのように実施に移されるのかを示すために、単に例として、以下を含む図面を参照する。

【図1】ＳＥ／ＳＵナノワイヤのネットワークを製造する方法の概略図を示している。

【図2】エピタキシャル成長段階におけるＳＡＧ ＳＥナノワイヤの概略的な斜視図を示しており、ナノワイヤの上及び周囲に超伝導材料が堆積されている。

【図3】ＩｎＰ基板上のＳＡＧ ＩｎＡｓナノワイヤネットワークの上面像を示している。

【図4】ＳＥ／ＳＵナノワイヤとサイドゲート領域とを有する量子回路の概略的な上面図を示している。

【図5】記載される方法を用いて製造された２つのＳＡＧナノワイヤについて測定されたそれぞれのＩ－Ｖグラフを示している。

【図6】その場パターニングを用いて追加の構造が作り出される、製造方法の一拡張を概略的に示している。

【図7】ジャンクションを作り出すために使用されるその場パターニングの一例を示す概略的な斜視図を示している。

【図8】その場パターニングの他の一例における基板の概略的な側面図を示している。

【図9】図９及び１０は、その場パターニングの更なる他の一例における基板の概略的な斜視図を示している。

【図10】図９及び１０は、その場パターニングの更なる他の一例における基板の概略的な斜視図を示している。

【図11】異なるミラー指数を持つナノワイヤの断面図を示している。

【図12】第１の堆積角度にて超伝導体で被覆された［１００］ナノワイヤの像を示している。

【図13】第２の堆積角度にて被覆された［１００］ナノワイヤの一例を示している。

【図14】第２の堆積角度にて被覆された［１００］ナノワイヤの更なる像を示している。

【図15】ＳＡＧ ＳＥ／ＳＵナノワイヤネットワークの一部の上面像を示している。

【発明を実施するための形態】

【0033】

エピタキシャル半導体－超伝導体材料は、ゲート可能で低消費の超伝導エレクトロニクス及び超伝導量子コンピューティングのための有望なプラットフォームである。トポロジカル量子コンピューティングの状況においては、強いスピン－軌道結合を持つ超伝導ナノワイヤが、フォールトトレラントな量子情報処理の基礎を成し得るトポロジカル励起をサポートすることができる。

【0034】

ゲート可能な超伝導ナノワイヤエレクトロニクスのための半導体－超伝導体材料を合成するための現行アプローチは、二次元平面材料（例えば、Ｓｈａｂａｎｉ他のＰＲＢ ９３，１５５４０２（２０１６）参照）又はボトムアップ成長されたナノワイヤ材料（例えば、Ｋｒｏｇｓｔｒｕｐ他のＮａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒ．１４，４００－４０６（２０１５）参照）のいずれかに基づいている。どちらのアプローチも、様々な理由でスケーラビリティの難題に直面している。後者のアプローチに関し、これは、非常に高い品質のＳＥ／ＳＵ界面を達成することができるようになっている。しかしながら、このアプローチでは、ネットワークの部分を形成するためのＳＥ／ＳＵナノワイヤが、個々に成長されて、成長後に、実際のネットワークを形成するように絶縁材料上に個々に配置されなければならない。従って、このアプローチをいっそう大規模なネットワークに拡張することは、非常に大きな難題を提示する。

【0035】

開示される技術の実施形態例は、ＳＡＧ半導体を超伝導相と組み合わせることによって、スケーラビリティの問題に対するソリューションを提供する。

【0036】

ここで、図１を参照して、三段階製造方法の一例を説明する。この製造方法を用いて、ＳＥ／ＳＵナノワイヤのネットワークを作り出すことができ、そしてそれが、例えば、量子回路（例えば、量子コンピュータ用）又は他の混合半導体－超伝導体プラットフォームの基盤を形成することができる。特に、この方法は、特に、ソフトギャップデコヒーレンスのない、又はそれが大幅に低減された、安定したＭＺＭをホストすることが可能なＳＥ／ＳＵナノワイヤネットワークを製造するのにとりわけ適している。安定したＭＺＭは、フォールトフリーなトポロジカル量子コンピューティングの基礎を形成し得るものである、
しかしながら、言及しておくことには、この材料プラットフォームは量子コンピューティングに関連するものであるが、それが提供するゲート可能な超伝導エレクトロニクスは、特に低エネルギー消費が要求される状況において、量子コンピューティングには属さない又は量子コンピューティングに直接的には関係しない他の用途をも有し得るものである。

【0037】

明らかになるように、ＳＥ／ＳＵナノワイヤネットワークがＳＡＧを用いて作り出されるので、ナノワイヤネットワーク全体が、絶縁基板上に全体として製造されることができる。これらの絶縁基板及びナノワイヤは、ナノワイヤを別の異なる表面に転写する必要なく、最終製品に直接的に組み込まれることができる。従って、この方法は、既存のアプローチよりも大幅に手頃である。

【0038】

１） マスキング段階
第１段階Ｐ１（マスキング段階）にて、絶縁基板１０４の上に、パターニングされた誘電体材料１０２の層（誘電体マスク）が形成される。図１の左側に、誘電体マスク１０２を備えた基板１０４の側面図及び上面図が示されている。基板１０４は、例えばＩｎＰ（インジウム燐）などの任意の好適な基板材料で形成されることができ、記載される例では絶縁基板である。記載される例では、誘電体材料１０２は酸化物であるが、誘電体材料１０２は、この製造方法の第２段階Ｐ２（以下参照）におけるＳＡＧを容易にする任意の誘電体材料とし得る。

【0039】

酸化物層１０２が、所望の領域１０６内で基板の狭いストリップを露出させる（すなわち、酸化物１０２によって覆われない）ように形成されるという点で、この酸化物層はパターン形成されている。この文脈でのパターンは、最終的にナノワイヤネットワークの構造になる所望の領域１０６の構造を指す（ＳＥナノワイヤが成長されるのはこの露出させた領域１０６であるため）。従って、ナノワイヤ群の大きさ及び構造が、露出領域１０６の大きさ及び構造と一致する。図１には１つの露出領域１０６のみが示されているが、ナノワイヤは、複数の領域内で同時に成長されることができ、所望の領域１０６に関連する全ての説明が、複数のこのような領域に等しく当てはまる。従って、（１つ以上の）露出領域の構造によって、ナノワイヤネットワーク全体の構造を定めることができる。この例では、ストリップ、ひいては、得られるナノワイヤは、数十ナノメートル又は数百ナノメートルのオーダーの幅を持つ。

【0040】

酸化物層１０２は、任意の好適手法にて、所望の領域１０６を露出させたままにするように形成され得る。例えば、均一で連続した酸化物の層を基板１０４上に堆積させることができ、次いで、所望の領域１０６から酸化物１０２を選択的にエッチング除去することによって、露出領域１０６を形成することができる（この場合、最終的なナノワイヤネットワーク構造を定めるのは、このエッチングである）。他の一例として、所望の領域１０６における酸化物１０２の堆積を防止するマスクを用いて、酸化物層１０２を基板１０４上に選択的に堆積させることができる（この場合、最終的なナノワイヤネットワーク構造を定めるのは、このマスクである）。

【0041】

ＳＡＧナノワイヤは、基板上の高対称性の面内結晶方位に沿って画成され、これがまた、明確に画成されてのナノワイヤのファセット化を与える。これは、ＳＵ／ＳＥ界面を平坦（可能性として、原子レベルで平坦）で明確に画成されたものとする。

【0042】

２） ＳＡＧ段階
第２段階Ｐ２すなわちＳＡＧ段階にて、基板１０４の露出部分の上で、所望の領域１０６内に、半導体材料１０８が選択的に成長される。一例を図１の右上に示しており、そこに基板１０４の側面図が示されている。酸化物層１０２のパターニングにより、選択的に成長された半導体１０８は、面内（インプレーン）ナノワイヤ（すなわち、基板１０４の面内に位置するナノワイヤ）を形成する。

【0043】

ＳＡＧは、結晶成長真空チャンバを用いる成長法である。ＳＡＧは、誘電体マスクそれ自体上での成長を防止するように成長条件を選択した、基板の露出領域での局所的な半導体の成長を指す。これは、例えば、化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）に基づくことができる。半導体との関連で、ＳＡＧは、特定のクラスのエピタキシャル半導体成長を指し（及び選択的エリアエピタキシとも呼ばれ）、成長される半導体材料の意図した構造を規定するために、パターニングされた誘電体マスクが使用される（リソグラフィの形態）。ＳＡＧプロセスは、半導体成長が、誘電体マスクそれ自体上では起こらずに、誘電体マスクによって覆われていない基板の領域上のみで起こるように調節される。これは、例えば、ボトムアップ成長（マスクが使用されない）及び材料がその材料組成に関係なく表面にわたって均一に堆積される均一堆積（エピタキシャル又はその他）（段階Ｐ３においてのような；以下参照）などの、その他の堆積／成長プロセスとは全く異なる。ＳＡＧは、高真空又は超高真空で行われ、所望の選択的半導体成長を達成するために注意深い調節を必要とする。

【0044】

第２段階Ｐ２では、露出領域１０６内に所望のＳＥナノワイヤを作り出すため、好適な如何なるＳＡＧプロセスが使用されてもよい。

【0045】

ＳＡＧそれ自体は知られており、故に、ここで更に詳細に説明することはしない。ＳＡＧの更なる説明については、例えば、Ｇ．Ｊ Ｄａｖｉｅｓ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ２１４０，Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｐｒｏｃｅｓｓ，５８（１９９４年５月１１日）；Ｍ Ｆａｈｅｄ，Ｄｏｃｔｏｒａｌ ｔｈｅｓｉｓ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｅａ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｉｎ－ｐｌａｎｅ ＩＩＩ－Ｖ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ，２０１６，http://www.theses.fr/2016LIL10114；Ｆｕｋｕｉ ｅｔ ａｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５８，２０１８（１９９１）；ｄｏｉ：http://dx.doi.org/10.1063/1.105026を参照されたい。

【0046】

敢えて言うなら、ＳＡＧ段階Ｐ２は、その段階の終了時に、半導体材料１０８が、所望の領域１０６（すなわち、基板１０４が酸化物マスク１０２によって覆われていない領域１０６）を満たすが、基板１０４の面（以下では、ｘｙ平面）内で、酸化物層１０２で画成された所望の領域１０６の境界を越えて延在しないようにするものである。しかしながら、理解され得るように、半導体材料１０８は、基板１０４の面に垂直な方向（以下では、ｚ方向）に外向きに、酸化物マスク１０２の外方まで突出するように延在する。すなわち、半導体材料１０８は、ｚ方向において、酸化物層１０２よりも大きい距離だけ基板１０４から延在する。斯くして、半導体材料１０８は、実質的に基板１０４の面内にあるナノワイヤ（面内ナノワイヤ）を形成する。

【0047】

半導体材料１０８は、例えばインジウム砒素（ＩｎＡｓ）などの任意の好適な半導体材料とすることができる。ＳＡＧ半導体１０８は、例えば、閉じ込め２ＤＥＧ（二次元電子ガス）半導体又は単一材料の半導体とすることができる。

【0048】

３） 超伝導体成長段階
第３段階Ｐ３（超伝導体成長段階）にて、粒子ビーム１１０を用いて超伝導材料の層１１２が成長される。ここでは、超伝導材料は、少なくとも特定の条件下で超伝導特性を示す材料を意味する。そのような材料の一例はアルミニウム（Ａｌ）である。以下の例において、超伝導体は段階Ｐ３でエピタキシャルに成長され、超伝導体成長段階Ｐ３は、この文脈で、エピタキシャル成長段階として参照され得る。しかしながら、この技術は、これに関して限定されるものではなく、段階Ｐ３で非エピタキシャルな超伝導体成長によって、意図した結果を達成することが可能であり得る。

【0049】

超伝導材料１１２は、段階Ｐ３で、例えば、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）電子銃エピタキシを用いて成長され得る。

【0050】

超伝導体層１１２の少なくとも一部は、超伝導体層１１２のこの部分（図１で符号１１６を付す）がＳＥナノワイヤ１０８と直に接触するように、ＳＥナノワイヤ１０８の上に堆積される。すなわち、ＳＥナノワイヤ１０８が少なくとも部分的に超伝導材料で覆われるようにされる。

【0051】

これもエピタキシの形態であるが、ＳＡＧではない。特に、エピタキシャル成長段階Ｐ３では、エピタキシャル成長が、ＳＥナノワイヤ１０８上だけでなく、酸化物層１０２上でも起こる。

【0052】

ビームは、露出されている酸化物層１０２及びＳＥ材料１０８の表面の基本的に全てがＳＵ層１１２によって覆われるように、実質的にｚ方向に角度付けられることができる。しかしながら、この例において、粒子ビーム１１０は、ｚ方向に対して非ゼロの入射角（堆積角度）で基板１０４に入射している。この非ゼロの堆積角度及びＳＥナノワイヤ１０８の突出構造の結果として、ＳＥナノワイヤ１０８は超伝導体層１１２によって部分的に被覆されるのみであり、すなわち、ＳＥナノワイヤの一部（符号１１８を付す）は、超伝導体材料によって被覆されない。酸化物層１０２の大部分も超伝導体層１１２によって被覆されるが、入射ビーム１１０の角度及びＳＥナノワイヤ１０８の突出構造に起因して、突出したＳＥナノワイヤ１０８のすぐ隣の酸化物層１０２の小さい領域（シャドー領域）は、露出したまま残され、すなわち、ＳＵ材料によって被覆されない。図１では、１つのこのようなシャドー領域に符号１２０を付している。シャドー領域１２０は、“サイドゲート”領域１２２内のＳＵ層１１２の部分からＳＥ材料１０８を離隔させる。サイドゲート領域１２２内のＳＵ層１１２の部分は、ＳＥナノワイヤ１０８を制御するためのゲートを形成するために使用されることができ、又は（より大きな可能性として）以下の例においてのように、ＳＵ材料がこの領域からエッチング除去され、より好適なゲート材料で置換され得る。いずれにしても、シャドーギャップ１２０は、意図した通りにゲートが動作することを確保する。（上述のように）ＳＵエピタキシ段階Ｐ３において“ｉｎ－ｓｉｔｕ（インサイチュ、その場）”パターニングを用いてギャップ１２０を形成することは、壊れやすいナノワイヤ１０８の過度に近くで材料をエッチングする必要がないことを確保する。

【0053】

これは、超伝導体が均一層として堆積されるが、選択的エリア成長された材料による“影（シャドー）”を用いて半導体と超伝導体との間にギャップが形成されるという基本的プロセスの一例である。この特定の例では、半導体に接触していない超伝導体が、サイドゲートとして使用され得る又はエッチング除去されてもっと好適なゲート材料で置換され得る一方で、半導体に直に接触した超伝導体が、超伝導を誘起するために使用される。

【0054】

図１の右下が、第３段階Ｐ３の終了時における基板１０４の側面図及び上面図の双方を示している。なお、この上面図では、ＳＥナノワイヤ１０８を部分的に被覆する超伝導体層１１２の部分１１６が、ＳＥナノワイヤ１０８の被覆されない部分１１８から区別されておらず、むしろ、ナノワイヤ１０８と、それらナノワイヤを（部分的に）覆う（すなわち、それらと直に接触した）超伝導体材料１１６の部分とで形成された、組み合わせのナノワイヤ構造が、ラベルＳＥ∥ＳＵを付した単一の要素として描かれている。以降の図でもこの組み合わせ構造は同様にラベルを付されて表されており、ここでの“ＳＥ／ＳＵナノワイヤ”又は“ＳＥ∥ＳＵナノワイヤ”への言及は、別段の指示がない限り、ＳＥナノワイヤ１０８と、ＳＥナノワイヤ１０８を（部分的に）覆うＳＵ材料１１６とに言及するものである。

【0055】

説明を更に助けるために、図２は、第３段階Ｐ３における第１及び第２のナノワイヤ１０８Ａ、１０８Ｂの概略的な斜視図を示しており、これらのナノワイヤが部分的に、超伝導体層１１２のそれぞれの部分１１６Ａ、１１６Ｂによって被覆されている。第１のナノワイヤ１０８Ａにすぐ隣にあって、上述のようにして、第１のナノワイヤ１０８Ａを、サイドゲート領域１２２内の超伝導体層１１２の部分から分離するものである上述の類のシャドーギャップ１２０が示されている。

【0056】

ＳＡＧ段階Ｐ２及び超伝導体成長段階Ｐ３は、好ましくは段階間で基板１０４を移動させることなく、真空チャンバ内で行われ得る。これらの段階は、高真空又は超高真空（～１０^－８－１０^－１２Ｔｏｒｒ以下）の条件下で実行されることができ、これらの真空条件が段階間で維持され得る。とりわけ、これは、望ましくない不純物を含まない清浄なＳＥ／ＳＵ界面を保証する。

【0057】

理解されることになるように、段階Ｐ２のＳＡＧ半導体成長及び段階Ｐ３の超伝導体成長はどちらも、これらの２つの段階に関するそれぞれの“成長ウィンドウ”内に入り、それにより、それぞれ、所望の半導体成長及び超伝導体成長を達成するように、注意深く較正された条件を必要とする。材料の種類に応じて、成長条件、温度及びフラックスを慎重に選定する必要がある。例えば、ＭＢＥ（半導体ＳＡＧ段階Ｐ２及び超伝導体成長段階Ｐ３の双方で使用され得る）の場合、基板は一般的に、自然酸化物に関して表面をクリーンにするために、およそ５００℃以上又はそれより高い温度に加熱される必要がある。しかしながら、ＳＥ ＳＡＧ成長段階Ｐ２及びＳＵ成長段階Ｐ３では、所望の成長が起こるそれぞれの温度ウィンドウが、それぞれ、ＳＥ材料１０８及びＳＵ材料１１２の組成に依存する。超伝導体は、真空を破壊することなく、インサイチュで成長／堆積される。斯くして、ＳＡＧの表面が空気中で酸化されず、上にＳＵが置かれるまでクリーンなまま維持され、それにより、クリーンなＳＥ－ＳＵ界面が確保される。

【0058】

ユースケース例
ゲート可能な超伝導体ネットワークの基礎としてＳＡＧを用いることは、望ましくは、絶縁された基板を伴い、選択的エリア成長された材料が、誘起される超伝導を担持することができる。

【0059】

その上にＳＥ／ＳＵナノワイヤネットワークが成長される基板１０４及び酸化物層１０２は、ナノワイヤをそれらが元々その上に製造された基板から転写することなく、ＳＥ／ＳＵナノワイヤネットワークとともに、例えば量子回路又は量子コンピュータなどの最終製品に組み込まれることができる。

【0060】

開示される技術の実施形態は、このような混合された半導体及び超伝導体領域を使用して形成されるナノワイヤのネットワークを有した、トポロジカルに保護される量子コンピューティング回路を含む。

【0061】

図３には、例えば、絶縁性のＩｎＰ基板上に成長されたＩｎＡｓナノワイヤで構成されたワイヤパターンが示されている。特に、図３は、一次元ナノワイヤネットワークに基づく複雑なネットワークの製造を示している。このネットワークは、ＩｎＰ基板上に形成されたＳＡＧ ＩｎＡｓナノワイヤネットワークである。

【0062】

図４は、量子回路４００を形成するように上述の方法を用いて製造されたＴ字型ＳＥ∥ＳＵナノワイヤ構造の概略的な上面図を示している。ＳＥ∥ＳＵナノワイヤとの電気接続を可能にするために、量子回路４００のコンタクト（Ｃｏｎｔａｃｔ）４０２がＳＥ∥ＳＵナノワイヤに付加されている。ゲート用の領域１１２が示されており、そこでは、ＳＥ∥ＳＵナノワイヤを操作するための、また、例えば、トポロジカル量子コンピューティングの状況では、量子計算を実行するために、ＳＥ∥ＳＵナノワイヤによってホストされるマヨラナゼロモードを操作するための、サイドゲート（Ｓｉｄｅ－ｇａｔｅ）を形成するために、ＳＵ材料１１２の大部分がエッチング除去されて、例えば、異なるゲート材料（図示せず）で置換される。

【0063】

図５は、上述の方法に従って製造された、２つのマッチング用の、隣り合わせた例の、ＳＥ／ＳＵナノワイヤ構造５０２ａ、５０２ｂの上面像５００を示している。ここでは、コンタクト（縦方向の明るい線）及びトップゲート（縦方向の暗い線）がＳＡＧナノワイヤ（横方向の明るい線）に適用されているのが見て取れる。これらは、例えばリソグラフィ法を用いて付加されることができる。

【0064】

図５はまた、マッチング構造５０２ａ、５０２ｂのそれぞれについてのそれぞれのＩ－Ｖ（電流－電圧）グラフ５０４ａ、５０４ｂを示している。見て取れるように、２つのＳＥ／ＳＵナノワイヤ構造５０２ａ、５０２ｂは、非常に類似したＩ－Ｖ特性を示している。これは、この製造方法の利点の１つである再現性、すなわち、一致した物理特性を持つナノワイヤ構造を生産する能力を実証するものである。このレベルの再現性は、既存のナノワイヤ製造方法に対する大幅な改善を表す。

【0065】

拡張－その場パターニング
図６及び７は、図１の方法の拡張の一例を概略的に示しており、ここでは、その場パターニングを行うために、超伝導体成長段階Ｐ３における角度付きビーム１１０と共に、突出誘電体構造１０２Ｐが使用される。突出誘電体構造１０２Ｐが、角度付きビームを選択的に遮って、ＳＵ材料１１２の堆積が上述の種類の特定のシャドー領域で起こるのを防止するという点で、原理は、突出したＳＥ材料１０８によって提供されるその場パターニングと同様である。

【0066】

この例において、突出誘電体構造１０２Ｐは、ナノワイヤ１０８の全幅にわたって延在するシャドー領域６０２を提供するようにＳＥナノワイヤ１０８に隣接して位置付けられた誘電体材料の“ピラー”であり、その結果、ナノワイヤ１０８は、その全幅にわたって、領域６０２内でＳＵ材料で全く被覆されない。故に、この被覆されない部分６０２が、ＳＥ／ＳＵナノワイヤの２つのセクション６０４ａ、６０４ｂの間のＳＥジャンクションを形成する。これが、図６の側面図及び上面図、並びに図７の斜視図に示されている。

【0067】

図８－１０に例示するように、複数の突出誘電体構造１０２Ｐを使用して、任意の所望のその場パターニングを達成することができる。

【0068】

理解されることになるように、これは、ジャンクションの形成に限定されるものではなく、上述の原理に従って、突出誘電体構造（例えば、ウォール、ピラー、ループなど）を個別に又は組み合わせで用いることで、ＳＵ材料の任意の所望のパターニングを達成することができる。

【0069】

更なるユースケース例
図１１は、“［１００］”ＳＥ／ＳＵナノワイヤ及び“［１１０］”ＳＥ／ＳＵナノワイヤという、特定の種類の量子回路に見出され得る２つの結晶ナノワイヤ構造を示している。ここで、［１００］及び［１１０］はミラー指数であり、これは、この文脈において、ナノワイヤの配向自体に対するナノワイヤの結晶構造の向きを指す。理解されるように、異なるミラー指数は、ＳＡＧ段階Ｐ２において異なる形状のナノワイヤの成長をもたらす。特に、ワイヤの幅を横切って断面をとるときに、ＳＡＧ［１００］ワイヤは基本的に三角形のプロファイルを持つのに対し、ＳＡＧ［１１０］ワイヤは、その頂部に、より平坦な部分を持つ。これら異なるプロファイルのため、エピタキシャル成長段階Ｐ３において、粒子ビーム１１０の角度が、（１つ以上の）ＳＡＧナノワイヤのミラー指数に応じて好ましく選定される。［１００］ナノワイヤでは、ｚ軸に対して少なくとも４５度の角度が好適であり得るのに対し、［１１０］ナノワイヤでは、少なくとも３５度の角度が好適であり得る。

【0070】

図１２及び図１３－１４は、異なる堆積角度（各図の左上に概略的に示す）で製造されたＳＥ∥ＳＵナノワイヤのトップダウン像を示している。理解されるように、異なる堆積角度を使用することで、異なる幅のシャドーギャップ１２０を達成することができる。ここでは、上述のように、ＳＥナノワイヤ１０８が角度付きビームを遮ることによりシャドーギャップが生み出されて、得られるＳＥ／ＳＵナノワイヤをゲート用の領域１２２から分離する。

【0071】

図１２のＳＥ／ＳＵナノワイヤは、Ａｌ堆積を用いて、金属堆積チャンバ内で低温のステージにて電子銃（ｅ－ｇｕｎ）から製造されたものである。

【0072】

図１３及び１４のＳＥ／ＳＵナノワイヤは、ＭＢＥを用いて、ＭＢＥチャンバ内で、法線から（すなわち、上で定めたｚ軸に対して）ほんの３３度のビーム角度で製造されたものである。これは純粋なる例であり、大抵のシステムは、角度を所望の方向に変えることを可能にしている。

【0073】

図１５は、記載された方法を用いて製造されたＳＥ／ＳＵナノワイヤ構造の別の像を示している。

【0074】

一般に、超伝導材料は、基板全体上に均一に堆積／成長されてその後に特定の領域で除去されるか、堆積／成長中にリソグラフィマスクを用いて特定の領域に堆積／成長されるか、のいずれかであることができる。これは、上述のように、その場パターニングの形態とすることができる。一部の実装例では、選択的エリア成長された材料が、サイドゲート、トップゲート、及び／又はボトムゲートを用いて調節されることができる導電性の面内配向のナノワイヤを残す。また、一部の実施例では、リーク電流を防止するために基板が絶縁される。

【0075】

開示された方法、装置、及びシステムは、いかようにも限定するものとして解釈されるべきでない。いずれかの例からの技術が、他の例のうちのいずれか１つ以上にて記載された技術と組み合わされ得る。開示された技術の原理が適用され得る数多くの可能な実施形態に鑑みて、認識されるはずのことには、説明した実施形態は、開示された技術の例であり、開示された技術の範囲についての限定として解されるべきでない。構造機構及び／又は方法行為に特有の言葉で事項を説明してきたが、理解されるべきことには、添付の請求項にて定められ事項は必ずしも上述の特定の機構又は行為に限定されるわけではない。むしろ、上述の特定の機構及び行為は、請求項を実施する形態例として開示されたものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】