分子束外延(MBE)技術(shù)在生長半導(dǎo)體與超導(dǎo)體疊層的量子計算器件結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)卓越。

20 世紀(jì)初，伴隨量子理論誕生的第一次量子革命拉開帷幕。如今，人類正立足此次革命的成果邁入第二次量子革命—— 這一時代的核心特征是對量子現(xiàn)象的操控、調(diào)控與利用，目標(biāo)是創(chuàng)造全新的量子技術(shù)產(chǎn)品，而量子計算的問世正是這一時代的關(guān)鍵標(biāo)志。

量子計算這一重大技術(shù)突破備受矚目，相關(guān)報道不僅見于專業(yè)科技媒體，也頻頻登上主流媒體版面。全球越來越多的實驗室正推動該領(lǐng)域發(fā)展，谷歌（字母表公司）、亞馬遜、元宇宙（原臉書）、蘋果、微軟這五大科技巨頭（簡稱 GAFAM）的核心研究中心也投身其中。這些機構(gòu)的研發(fā)工作聚焦于為多個領(lǐng)域提供創(chuàng)新、高性能的解決方案，包括化學(xué)、藥理學(xué)等領(lǐng)域的仿真計算、加密數(shù)據(jù)傳輸，以及道路交通、物流等場景的流量優(yōu)化。

透射電子顯微鏡圖像：展示了在砷化鎵（001）襯底上生長的 20 納米厚鋁（111）薄膜形成的完美界面。實驗結(jié)果由里博與法國國家科學(xué)研究中心合建的 Epicentre 聯(lián)合實驗室取得。

量子計算機的研發(fā)目標(biāo)，不僅是利用量子物理原理實現(xiàn)運算，更要讓計算過程本身具備量子特性。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，計算過程必須依托量子的兩大核心特性：量子態(tài)疊加與量子糾纏。

工程師們打造量子計算機的技術(shù)路徑多種多樣。在信息載體的選擇上，可采用囚禁離子、光子、電子自旋、摻氮金剛石腔、約瑟夫森效應(yīng)超導(dǎo)體，或是馬約拉納費米子 —— 這類費米子的反粒子為其自身，存在于鋁、鈮等超導(dǎo)體與鉍硒、鉍碲等拓?fù)浣^緣體構(gòu)成的混合體系等特殊材料中。這些信息載體均被稱為量子比特，簡稱量子位。究竟哪種技術(shù)路徑能最終走向成功，尚需時間驗證，目前尚無定論。

在眾多量子比特制備技術(shù)中，有三類技術(shù)可借助 ** 分子束外延（MBE）** 實現(xiàn)優(yōu)化發(fā)展，分別是基于馬約拉納費米子、約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)體和光子的量子比特制備技術(shù)。

分子束外延技術(shù)的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在三方面：可提供超凈超高真空生長環(huán)境、采用高純度原料實現(xiàn)無缺陷的完美界面生長、具備超高的工藝控制精度，可實現(xiàn)單原子層級的生長精度與完美的晶體質(zhì)量。

里博公司深耕分子束外延設(shè)備研發(fā)制造超 45 年，為助力量子計算領(lǐng)域發(fā)展，我們近期推出了一款全新工藝平臺，可在單一超高真空環(huán)境內(nèi)完成半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備。

首個約瑟夫森結(jié)：由塞巴斯蒂安?普利薩德團隊在 Epicentre 聯(lián)合實驗室的研發(fā)框架下制備成功。

Supra 混合工藝平臺

這款名為 Supra 的混合工藝平臺，名稱源自法語中 “超導(dǎo)體” 一詞。它是一套全自動化超高真空系統(tǒng)，專為生長半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，由里博公司與法國國家科學(xué)研究中心圖盧茲先進(jìn)系統(tǒng)分析與架構(gòu)實驗室依托 Epicentre 聯(lián)合實驗室深度合作研發(fā)。該平臺實現(xiàn)了對異質(zhì)外延界面的前所未有的精準(zhǔn)調(diào)控，為制備更高性能的量子比特開辟了新路徑。

Supra 混合工藝平臺的研發(fā)，充分依托了我們在 Ⅲ-Ⅴ 族半導(dǎo)體分子束外延領(lǐng)域積累的長期技術(shù)經(jīng)驗。平臺核心包含一個Ⅲ-Ⅴ 族半導(dǎo)體主生長腔，經(jīng)特殊優(yōu)化后，可制備高純度的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

該生長腔在超高真空環(huán)境下，與一臺全新的、擁有專利的低溫金屬生長反應(yīng)腔直接相連，該反應(yīng)腔專門用于超導(dǎo)材料的沉積。工程師可在 100 開爾文以下的低溫環(huán)境中，將鋁、錫、鉛及特定超導(dǎo)合金薄膜直接沉積在半導(dǎo)體表面。平臺支持整晶圓旋轉(zhuǎn)襯底原位沉積，可在直徑達(dá) 100 毫米的晶圓上實現(xiàn)優(yōu)異的薄膜厚度均勻性；同時，真空環(huán)境下的樣品轉(zhuǎn)移技術(shù)，確保了界面無氧化、無污染。

關(guān)鍵的低溫生長工藝

對于超導(dǎo)材料而言，將沉積溫度從傳統(tǒng)工藝溫度降至低溫區(qū)間，能帶來決定性的性能優(yōu)勢。低溫環(huán)境可抑制金屬吸附原子的表面擴散，從而生長出表面光滑、連續(xù)的薄膜，大幅減少晶界與結(jié)構(gòu)缺陷；此外，該生長工藝能最大限度降低薄膜厚度的不均勻性，制備出低損耗的超平整超導(dǎo)薄膜。

同等重要的是，低溫沉積能有效抑制半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體界面的互擴散與化學(xué)反應(yīng)，避免合金形成與界面粗糙化，從而制備出原子級陡峭、化學(xué)組分完整的界面。這種超高質(zhì)量的界面是實現(xiàn)高透明性與強超導(dǎo)近鄰效應(yīng)的關(guān)鍵，而這兩大特性正是制備高性能約瑟夫森結(jié)與混合量子器件的核心要求。

尤其對于鋁材料而言，低溫生長可穩(wěn)定其特定的晶體取向與外延關(guān)系 —— 這是高溫生長難以實現(xiàn)的。結(jié)構(gòu)連貫的鋁薄膜至關(guān)重要，可直接提升器件的均勻性、收窄約瑟夫森結(jié)的臨界電流分布范圍、降低漏電流，而這三點均是量子電路實現(xiàn)規(guī)模化集成的必備條件。

從量子器件的性能角度來看，低溫生長的優(yōu)勢同樣顯著：結(jié)構(gòu)缺陷減少、界面保持原始潔凈狀態(tài)，這兩大特性可降低準(zhǔn)粒子密度、減少噪聲源，進(jìn)而提升量子相干時間—— 這是衡量量子比特性能的核心指標(biāo)。

Supra 工藝平臺：部署于 Epicentre 聯(lián)合實驗室，該實驗室是里博公司與法國國家科學(xué)研究中心圖盧茲先進(jìn)系統(tǒng)分析與架構(gòu)實驗室的合建設(shè)施，隸屬于法國國家科研大型設(shè)備網(wǎng)絡(luò) Renatech。

我們的平臺還配備了專用的氧化工藝模塊，可在低溫生長腔或獨立氧化模塊中完成氧化工藝，能在可控條件下精準(zhǔn)、可重復(fù)地制備超薄隧道勢壘。

半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體的生長與氧化全流程均在超高真空環(huán)境中完成，徹底避免了傳統(tǒng)外場工藝中常見的非可控氧化與污染問題。

傳統(tǒng)制備工藝的一大短板是，工藝過程中超導(dǎo)薄膜常暴露于空氣中，導(dǎo)致界面發(fā)生非可控氧化與污染。與之相反，我們的混合工藝平臺讓半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體的整個生長流程始終處于超高真空環(huán)境，確保制備出的外延界面具備超高的透明性與穩(wěn)定性。

為驗證 Supra 混合工藝平臺的性能，我們在砷化鎵（001）襯底上生長了一款異質(zhì)結(jié)構(gòu)并完成表征，該結(jié)構(gòu)由外延鋁（111）薄膜、氧化鋁超薄隧道勢壘與多晶鋁頂電極構(gòu)成。其中，鋁薄膜的沉積在 90 開爾文的低溫下完成，有效降低了鋁吸附原子的表面遷移率，抑制其長程擴散，減少取向失配晶核的形成，最終讓鋁在砷化鎵（001）襯底上實現(xiàn)了取向明確的（111）晶向外延生長。

對該結(jié)構(gòu)的截面電子顯微鏡觀測顯示，薄膜襯度均勻，無可見晶界，同時證實了鋁（111）薄膜的單晶特性。

在該超導(dǎo)體 - 半導(dǎo)體疊層結(jié)構(gòu)的生長過程中，氧化鋁超薄勢壘由外延鋁表面的可控氧化制備而成。該氧化層無長程有序結(jié)構(gòu)，為非晶態(tài)，最終形成了 “鋁（111）外延 / 氧化鋁非晶 / 鋁多晶” 的疊層結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)結(jié)合了高品質(zhì)超導(dǎo)底電極與高穩(wěn)定性隧道勢壘，非常適合在半導(dǎo)體平臺上集成制備約瑟夫森結(jié)，是超導(dǎo)電子器件與量子器件的理想制備技術(shù)方案。

除半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備外，憑借可低溫生長超導(dǎo)材料的專用腔體，該平臺也可用于制備約瑟夫森結(jié)。值得一提的是，Supra 工藝平臺的生長腔支持晶圓旋轉(zhuǎn)，確保整晶圓范圍內(nèi)的生長均勻性。

鋁在砷化鎵襯底上的生長特性：呈現(xiàn)二維生長形貌與單晶相；X 射線衍射測試結(jié)果：92 開爾文下在砷化鎵（001）襯底上生長的 18 納米厚鋁薄膜。Epicentre 聯(lián)合實驗室可在鋁薄膜生長過程中，將襯底溫度穩(wěn)定在 100 開爾文以下超 3 小時。

邁向早期產(chǎn)業(yè)化

Supra 混合工藝平臺兼具超高真空密封性、全自動化操作、基于工藝配方的過程控制，以及基于光學(xué)測量的實時原位監(jiān)測功能，實現(xiàn)的工藝可重復(fù)性不僅適用于高校科研工作，也為量子技術(shù)的早期產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。隨著量子計算領(lǐng)域向規(guī)模化架構(gòu)發(fā)展，在整晶圓范圍內(nèi)制備均勻的混合界面與約瑟夫森結(jié)的技術(shù)能力，將成為行業(yè)發(fā)展的必備條件。

該平臺將 Ⅲ-Ⅴ 族半導(dǎo)體生長、低溫超導(dǎo)體沉積與可控氧化工藝集成于單一超高真空環(huán)境，最大限度減少了污染、提升了器件均勻性、簡化了工藝流程 —— 這三點正是量子器件從實驗室驗證走向工業(yè)化量產(chǎn)的核心要求。

里博公司量子技術(shù)的研發(fā)工作，得到了 Epicentre 聯(lián)合實驗室的全力支持。該實驗室由里博與法國國家科學(xué)研究中心圖盧茲先進(jìn)系統(tǒng)分析與架構(gòu)實驗室合建，是法國國家科學(xué)研究中心旗下規(guī)模最大的實驗室之一。雙方合作已取得一系列成果：借助 Supra 工藝平臺，成功在砷化鎵襯底上實現(xiàn)了高品質(zhì)鋁薄膜的低溫生長，可在 100 開爾文以下連續(xù)數(shù)小時生長單晶鋁薄膜；透射電子顯微鏡驗證了原子級陡峭的界面；塞巴斯蒂安?普利薩德團隊成功制備出首個約瑟夫森結(jié)。

除器件驗證外，Epicentre 聯(lián)合實驗室還在攻克制約低溫超導(dǎo)生長與分子束外延環(huán)境集成的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸中發(fā)揮核心作用。其中，研發(fā) Supra 工藝平臺時解決的一大核心難題是：設(shè)計一款兼容超高真空與整晶圓分子束外延標(biāo)準(zhǔn)的低溫金屬生長腔，同時能在長時間沉積過程中，將襯底溫度精準(zhǔn)穩(wěn)定在 100 開爾文以下。為實現(xiàn)這一溫度穩(wěn)定性，我們研發(fā)了專用的低溫制冷架構(gòu)，可實現(xiàn)均勻冷卻、可控的溫度梯度，以及與晶圓旋轉(zhuǎn)相兼容的機械穩(wěn)定性。

我們攻克的另一項關(guān)鍵難題是，低溫沉積過程中的界面純度保持。低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)的蒸發(fā)源與擋板設(shè)計易產(chǎn)生寄生冷凝、束流不穩(wěn)定與非可控的背景沉積問題。Supra 生長腔通過專利的 “源 - 襯底” 幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱管理方案，克服了上述缺陷，實現(xiàn)了穩(wěn)定的金屬束流、可重復(fù)的生長速率，并有效抑制了冷表面的非預(yù)期冷凝。

此外，實現(xiàn)半導(dǎo)體生長、低溫金屬沉積、可控氧化各工序間的原位無污染樣品轉(zhuǎn)移，也是一項同等重要的挑戰(zhàn)。Supra 混合工藝平臺采用超高真空互聯(lián)的簇式設(shè)計，確保半導(dǎo)體 - 超導(dǎo)體界面全程不暴露于大氣環(huán)境，這一能力是保持界面原子級陡峭、制備可重復(fù)隧道勢壘的關(guān)鍵。

我們將持續(xù)升級這款混合工藝平臺的性能，并及時分享研發(fā)成果。相關(guān)成果將在 2026 年超導(dǎo)體 - 半導(dǎo)體混合材料國際研討會上展示，塞巴斯蒂安?普利薩德將發(fā)表專題報告，重點介紹 Supra 平臺作為核心使能平臺，在下一代混合量子技術(shù)研發(fā)中的重要作用。