Les jonctions Josephson sont le fondement des dispositifs supraconducteurs modernes : des SQUID, qui servent de détecteurs de flux magnétique les plus sensibles, aux qubits dans les ordinateurs quantiques. La croissance de ces technologies exige une production de masse de jonctions aux propriétés identiques sur toute la plaquette. Les jonctions fenêtre traditionnelles souffrent d'imprécisions d'alignement des couches et de capacités parasites, ce qui limite la sensibilité. Les jonctions croisées résolvent ces problèmes, mais leur fabrication implique généralement un décollement de masque laborieux qui laisse des défauts. Ce travail s'inscrit dans la lignée des recherches visant à améliorer les jonctions Josephson et les qubits, où la reproductibilité et l'évolutivité sont des enjeux clés.
Sur une plaquette de silicium de trois pouces, la structure tricouche Nb/Al-AlOx/Nb a été déposée par pulvérisation cathodique magnétron : électrode inférieure de 125 nm, barrière d'aluminium de 14 nm, oxydée à 33,3 mbar pendant 65 minutes, et électrode supérieure de 200 nm. La tricouche a été gravée en une bande, puis 500 nm de SiO2 ont été déposés sans retirer la résine photosensible. L'excès de dioxyde de silicium a été éliminé par polissage chimico-mécanique (CMP) sur une machine GNP POLI-400L avec une suspension de particules de SiO2 de 80 nm de diamètre. La vitesse d'enlèvement était d'environ 128 nm/min, et le polissage a duré 70 secondes. Une couche de contact en Nb a été déposée par-dessus, perpendiculairement à la bande, puis gravée avec l'électrode supérieure, définissant ainsi la surface de la jonction par l'intersection des bandes. Les mesures des caractéristiques courant-tension et des figures de Fraunhofer ont été effectuées à 4,2 K selon un montage quatre fils.
Le rendement des jonctions a dépassé 90 % sur la plaquette, et pour les jonctions avec une électrode supérieure de 200 nm, tous les échantillons testés étaient de haute qualité. Le courant critique dépend linéairement de la surface de la jonction, ce qui a donné une densité de courant critique de 220±5 A/cm² pour la plaquette A et de 549±4 A/cm² pour la plaquette B. La résistance normale est inversement proportionnelle à la surface, avec une résistivité de 743±26 Ω·µm² (plaquette A) et de 269±2 Ω·µm² (plaquette B). La tension caractéristique Vc = IcRN était de 1,39±0,02 mV et 1,47±0,02 mV respectivement, ce qui indique l'homogénéité de la barrière. Le rapport de la résistance sous le gap à la résistance normale Rsg/RN a atteint 38,3±1,5 et 31,2±0,8, et la tension de gap était de 2,84±0,03 mV et 2,79±0,01 mV, proche de la valeur théorique pour le niobium. Les figures de Fraunhofer ont montré un profil lisse du courant critique avec une profondeur de pénétration effective d'environ 84 nm. Pour les jonctions de moins de 1×1 µm², le rendement chutait en raison des résidus de suspension, mais pour des tailles de 1 à 4,2 µm, le processus est stable.
Ce travail montre que le polissage chimico-mécanique peut remplacer le décollement de masque dans la fabrication des jonctions Josephson croisées sans perte de qualité. Contrairement aux études voisines, où le polissage était appliqué à d'autres structures ou avec des étapes de nettoyage supplémentaires, ici on a réussi à se passer de supports et de lavage post-polissage, tout en conservant la résine photosensible pendant le polissage. Cela simplifie le processus et le rend adapté à l'intégration multicouche des circuits supraconducteurs. La méthode est évolutive vers des plaquettes de plus grand diamètre et d'autres matériaux de barrière.
La prochaine étape logique est l'adaptation du processus aux jonctions de dimensions submicroniques, où les résidus de particules abrasives posent actuellement problème. L'ajout d'une étape de nettoyage après polissage, par exemple un scrubber, pourrait améliorer le rendement pour les jonctions de moins de 1 µm². Il est également prometteur de remplacer le dépôt de SiO2 par pulvérisation magnétron par un dépôt par couche atomique ou un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, afin d'éviter les effets d'ombre et les rainures autour des structures. Cela permettrait de créer des réseaux plus denses de jonctions pour les processeurs quantiques.
Cette technologie sera utile aux fabricants de SQUID, de qubits supraconducteurs et de circuits logiques rapides à quantum unique, où de grands réseaux de jonctions homogènes sont nécessaires.
Optimiser le nettoyage des plaquettes après polissage pour les jonctions submicroniques et vérifier la reproductibilité sur des plaquettes de plus grand diamètre avec d'autres résines photosensibles.
Pour l'électronique supraconductrice, le problème non résolu clé est la production évolutive de qubits à haute cohérence. Ce travail résout une partie de ce problème : il fournit une méthode reproductible pour créer des jonctions Josephson aux paramètres homogènes, ce qui affecte directement la dispersion des fréquences des qubits et la qualité des circuits quantiques.
La pression lors du polissage n'est que de 138 mbar, soit à peu près le souffle d'un vent sur la paume de la main, mais cela suffit pour enlever 128 nanomètres de dioxyde de silicium par minute.
Dans la série « The Expanse », les vaisseaux utilisent des champs magnétiques supraconducteurs pour se protéger des radiations. Les jonctions Josephson sont un élément clé des capteurs de ces champs, et leur production de masse rapproche la science-fiction de la réalité.