硅基集成量子芯片、制备及测试方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112305670A(43)申请公布日2021.02.02(21)申请号202011409416.0(22)申请日2020.12.04(71)申请人中国科学院上海微系统与信息技术研究所地址200050上海市长宁区长宁路865号(72)发明人李杨陶略甘甫烷(74)专利代理机构上海光华专利事务所(普通合伙)31219代理人余明伟(51)Int.Cl.G02B6/12(2006.01)权利要求书1页说明书7页附图4页(54)发明名称硅基集成量子芯片、制备及测试方法(57)摘要本发明提供一种硅基集成量子芯片、制备及测试方法，将超导纳米线集成在硅波导的上方，使得超导纳米线与硅波导通过氧化硅覆盖层形成倏逝波耦合，可实现波导耦合的片上单光子探测；通过位于超导纳米线与硅波导之间的氧化硅覆盖层，可实现较高的倏逝波吸收率，且氧化硅覆盖层在生长超导纳米线时可充当掩膜，避免损伤硅波导，以降低硅波导的损耗；经CMP之后的具有较小的表面粗糙度的氧化硅覆盖层可确保超导纳米线的平整性，以减小暗计数，提高量子性能；可制备多通道的硅基集成量子芯片。本发明可实现集成化、规模化，并可靠保持高保真度的单光子信号的处理能力。CN112305670ACN112305670A权利要求书1/1页1.一种硅基集成量子芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供SOI基底，所述SOI基底包括自下而上依次堆叠的底硅层、氧化硅绝缘层及顶硅层；图形化所述顶硅层，形成硅波导；形成包覆所述硅波导的氧化硅覆盖层；于所述氧化硅覆盖层上形成超导纳米线，且所述超导纳米线与所述硅波导通过所述氧化硅覆盖层形成倏逝波耦合。2.根据权利要求1所述的硅基集成量子芯片的制备方法，其特征在于，形成所述氧化硅覆盖层的步骤包括：在所述硅波导的表面形成包覆所述硅波导的氧化硅覆盖层；减薄所述氧化硅覆盖层，使得位于所述硅波导上的所述氧化硅覆盖层的厚度为20nm～50nm，且所述氧化硅覆盖层的表面粗糙度小于1nm。3.根据权利要求1所述的硅基集成量子芯片的制备方法，其特征在于：所述超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi。4.根据权利要求1所述的硅基集成量子芯片的制备方法，其特征在于：所述硅基集成量子芯片包括N根所述硅波导，N≥2且为整数。5.一种硅基集成量子芯片，其特征在于，所述硅基集成量子芯片包括：底硅层；氧化硅绝缘层，所述氧化硅绝缘层位于所述底硅层上；硅波导，所述硅波导位于所述氧化硅绝缘层上；氧化硅覆盖层，所述氧化硅覆盖层包覆所述硅波导；超导纳米线，所述超导纳米线位于所述氧化硅覆盖层上，且所述超导纳米线与所述硅波导通过所述氧化硅覆盖层形成倏逝波耦合。6.根据权利要求5所述的硅基集成量子芯片，其特征在于：所述硅波导上的所述氧化硅覆盖层的厚度为20nm～50nm。7.根据权利要求5所述的硅基集成量子芯片，其特征在于：所述氧化硅覆盖层的表面粗糙度小于1nm。8.根据权利要求5所述的硅基集成量子芯片，其特征在于：所述超导纳米线为NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线；所述超导纳米线的厚度为5nm～10nm，所述超导纳米线的形貌包括曲折蜿蜒状。9.根据权利要求5所述的硅基集成量子芯片，其特征在于：所述硅基集成量子芯片包括N根所述硅波导，N≥2且为整数。10.一种硅基集成量子芯片的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：提供权利要求5～9中任一所述的硅基集成量子芯片；提供光纤阵列，所述光纤阵列包括上盖板、下盖板及光纤，所述光纤的个数与所述硅波导相对应；将所述光纤与对应的所述硅波导耦合，在温度小于2K的低温恒温腔中，使输入光信号耦合进所述硅基集成量子芯片，且输出光信号由异质集成的所述超导纳米线吸收，并转换为电信号输出。2CN112305670A说明书1/7页硅基集成量子芯片、制备及测试方法技术领域[0001]本发明属于量子技术领域，涉及一种硅基集成量子芯片、制备及测试方法。背景技术[0002]量子芯片就是将量子线路集成在基片上，进而承载量子信息处理的功能。近年来，许多实验都已证明，量子信息处理在解决某些计算问题时，比起传统计算机，要具有明显的优势，而将这个优势继续扩大的关键在于能否实现集成化及规模化。而传统的光子探测器需要将光子经波导光栅耦合到片外探测器这一繁琐的步骤，难以满足集成化及规模化的需求。[0003]绝缘体上硅(SOI)技术，以其丰富的有源无源器件、成熟的加工工艺、极好的兼容性一直是大规模集成研究的主流材料体系，因此，将硅基芯片应用于量子领域，便成了目前的硅基集成量子芯片研究领域的热门。但是，如何实现集成化、规模化，并