具体实施方式

图1A是根据本发明的实施例的超级电感器100的示意图。超级电感器100包括基板102和从基板102的表面106在垂直方向D上延伸的第一垂直堆叠体104。第一垂直堆叠体104包括沿着垂直方向D串联连接的第一约瑟夫逊结108和第二约瑟夫逊结110。超级电感器100包括从基板102的表面106沿着垂直方向D延伸的第二垂直堆叠体112。第二垂直堆叠体112包括第三约瑟夫逊结114。第二垂直堆叠体112与第一垂直堆叠体104间隔开。

超级电感器100包括超导连接器118，其串联连接第一和第二垂直堆叠体104、112，使得第一约瑟夫逊结108、第二约瑟夫逊结110和第三约瑟夫逊结114串联连接。

在一些实施例中，顶部连接不必使两个垂直堆叠体短路。两个垂直堆叠体可具有隧道势垒终止，例如但不限于隧道势垒，且其可从顶部短路。这将增加两个串联的电感器。该实施例可以提供更多的制造灵活性。

图1B是根据本发明的实施例的电感器132的示意图。除了图1A中所示的特征之外，超级电感器132的第二垂直堆叠体112包括沿着垂直方向D与第三约瑟夫逊结114串联连接的第四约瑟夫逊结116。超导连接器118串联连接第一垂直堆叠体104和第二垂直堆叠体112，使得第一约瑟夫逊结108、第二约瑟夫逊结110、第三约瑟夫逊结114和第四约瑟夫逊结116串联连接。

垂直方向D可实质上垂直于基板102的表面106。垂直方向D可精确地垂直于基板102的表面106，或可近似垂直于基板102的表面106。根据本发明的实施例，第一垂直堆叠体104和第二垂直堆叠体112具有相同数量的约瑟夫逊结，例如如图1B所示。根据本发明的实施例，连接第一和第二垂直堆叠体104、112的超导连接器118在基本上平行于基板102的表面106的方向上延伸。根据本发明的实施例，第一约瑟夫逊结、第二约瑟夫逊结、第三约瑟夫逊结和第四约瑟夫逊结中的每一个包括设置在两个超导层之间的隧道势垒层。例如，在图1A中，第二约瑟夫逊结110包括设置在两个超导层122、124之间的隧道势垒层120。第三约瑟夫逊结114包括设置在两个超导层128、130之间的隧道势垒层126。每个隧道势垒层的高度可以是例如大约1nm。

图2是根据本发明实施例的超级电感器200的示意图。超级电感器200包括图1A中所示的超级电感器100的特征，并且还包括设置在第一和第二垂直堆叠体204、206之间并且在超导连接器208下方的支撑材料202。支撑材料202可以是电介质材料。例如，支撑材料202可以是氧化硅或旋涂玻璃。支撑材料202可以是例如通过蚀刻能够容易地去除的电介质材料。

通过在垂直堆叠体中形成至少两个约瑟夫逊结，与并排形成约瑟夫逊结相比，所述两个约瑟夫逊结覆盖了所述基板表面的较小的表面面积。此外，对于进一步增加每个堆叠体的约瑟夫逊结的数量，没有表面积损失。例如，图3A是具有各包括至少五个约瑟夫逊结的第一垂直堆叠体302和第二垂直堆叠体304的超级电感器300的示意图。第一垂直堆叠体302包括串联连接的五个约瑟夫逊结306、308、310、312、314。第二垂直堆叠体304包括串联连接的五个约瑟夫逊结316、318、320、322、324。超导连接器326串联连接第一和第二垂直堆叠体302、304，使得第一垂直堆叠体302中的五个约瑟夫逊结306、308、310、312、314和第二垂直堆叠体304中的五个约瑟夫逊结316、318、320、322、324串联连接。

如图3A所示，与图1A和1B相比，每个垂直堆叠体增加三个或四个约瑟夫森结没有增加基板328表面上的第一和第二垂直堆叠体302、304的表面积。根据本发明的实施例，每个垂直堆叠体的表面积为约1μm²。

根据本发明的实施例，第一垂直堆叠体和第二垂直堆叠体各自包括至少20、50、100或200个约瑟夫逊结。当第一和第二垂直堆叠体被连接时，超级电感器包括串联连接的40、100、200或400个约瑟夫逊结。这里列出的约瑟夫逊结的数量作为非限制性示例提供。第一和第二垂直堆叠体可以包括可选数量的约瑟夫逊结。每个堆叠体的约瑟夫逊结的数量可以取决于超级电感器的期望电感，并且取决于用于形成各个约瑟夫逊结的材料。随着每个单独的约瑟夫逊结的电感增加，满足预定总电感所需的约瑟夫逊结的数目减少。

根据本发明的实施例，超级电感器包括三个或更多个垂直堆叠体。图3B是包括四个垂直堆叠体的超级电感器330的示意图。除了包括三个约瑟夫逊结336、338、340的第一和第二垂直堆叠体332、334之外，超级电感器330包括在垂直方向D上延伸的第三垂直堆叠体342。第三垂直堆叠体包括沿着垂直方向D串联连接的第四约瑟夫逊结344和第五约瑟夫逊结346。超级电感器330包含在垂直方向D上从基板的表面延伸的第四垂直堆叠体348。第四垂直堆叠体348包括第六约瑟夫逊结350。超级电感器330包括超导连接器352、354，其将第三和第四垂直堆叠体342、348与第一和第二垂直堆叠体332、334串联连接，使得第一约瑟夫逊结336、第二约瑟夫逊结338、第三约瑟夫逊结340、第四约瑟夫逊结344、第五约瑟夫逊结346和第六约瑟夫逊结350串联连接。

根据本发明的实施例，超级电感器与约瑟夫逊结并联连接以形成fluxonium量子位。图4是根据本发明的实施例的fluxonium量子位400的示意图。fluxonium量子位400包括超级电感器402。超级电感器402包括基板404和从基板404的表面408在垂直方向D上延伸的第一垂直堆叠体406。第一垂直堆叠体406包括沿垂直方向串联连接的第一约瑟夫逊结410和第二约瑟夫逊结412。超级电感器402包括从基板404的表面408在垂直方向D上延伸的第二垂直堆叠体414。第二垂直堆叠体414包括第三约瑟夫逊结416。第二垂直堆叠体414与第一垂直堆叠体406间隔开。超级电感器402还包括将第一和第二垂直堆叠体406、414串联连接的超导连接器420，使得第一约瑟夫逊结410、第二约瑟夫逊结412和第三约瑟夫逊结416串联连接。尽管图4是具有六个约瑟夫逊结的示例，但是本发明的一般概念不限于该特定数目。在其它实施例中，可以有多于总共六个约瑟夫逊结，或者少于总共六个约瑟夫逊结。

除了超级电感器402之外，fluxonium量子位400包括用超导导线424、426连接到超级电感器402的分流的约瑟夫逊结422，使得串联的超级电感器402的第一约瑟夫逊结410、第二约瑟夫逊结412以及第三约瑟夫逊结416与该分流约瑟夫逊结422并联连接。fluxonium量子位400可以包括具有多于两个垂直堆叠体的超级电感器，如图3B中示意性地展示的超级电感器330。

图5是示出根据本发明实施例的产生fluxonium量子位的方法500的流程图。注意，图5中的步骤的顺序不是限制性的。例如，在一些实施例中，在图5中最后出现的步骤也可以是第一个。方法500包括在基板上形成从基板的表面在垂直方向上延伸的第一垂直堆叠体502。第一垂直堆叠体包括沿垂直方向串联连接的第一约瑟夫逊结和第二约瑟夫逊结。方法500还包括在基板上形成从基板的表面在垂直方向上延伸的第二垂直堆叠体504。第二垂直堆叠体包括第三约瑟夫逊结。第二垂直堆叠体与第一垂直堆叠体间隔开。方法500还包括形成超导连接器506，其串联连接第一和第二垂直堆叠体，使得第一、第二和第三约瑟夫逊结串联连接。方法500还包括将分流的约瑟夫逊结连接到第一和第二垂直堆叠体508，使得超级电感器的串联的第一、第二和第三约瑟夫逊结与分流的约瑟夫逊结并联连接。

根据本发明的实施例，形成过程是始终具有减法步骤的加法过程。图6-20是根据本发明实施例的可用于形成超级电感器的附加过程的示意图。在图6-20中，相同的附图标记表示相同的特征，例如，图6中的附图标记600和图7中的附图标记700都表示基板。

为了制造超级电感器，在基板600上形成超导材料，如图6所示。可以使用掩模和阴影蒸发技术来施加超导材料，使得其具有第一部分602和与第一部分602间隔开的第二部分604。根据本发明的实施例，第一部分602与第二部分604间隔开约1μm。例如，基板600可以是硅基板，但是本发明的实施例不限于硅基板。超导材料可以是例如铌，或者适合于量子计算应用的任何超导材料。

如图7所示，一旦形成超导材料的第一部分702和第二部分704，就可以在第一部分702、第二部分704和基板700上旋涂和烘焙抗蚀剂706。抗蚀剂可以是例如紫外线光致抗蚀剂或电子束抗蚀剂。然后，抗蚀剂可以被图案化以形成两个孔808、809，如图8所示。

除了图8所示的图案化之外，或者作为其替代，可以对抗蚀剂进行离子研磨以形成相反的轮廓。图9示出了通过离子研磨形成的孔908、909。孔908、909在超导材料的第一部分902和第二部分904的上表面处比在抗蚀剂906的上表面处更宽。相反的轮廓可有利于在生产过程中除去抗蚀剂。

图10示出了隧道势垒层1010的沉积。隧道势垒层1010形成在超导材料的第一部分1002和第二部分1004上。隧道势垒层1010可以是电介质材料。例如，隧道势垒层1010可以是氧化物，诸如氧化铝。或者，代替沉积材料以形成隧道势垒层1010，隧道势垒层1010可以通过将超导材料的第一部分902和第二部分904的上表面暴露于氧从而形成氧化物来形成。根据本发明的实施例，隧道势垒层1010具有在约0.5nm与1.5nm之间的厚度。根据本发明的实施例，隧道势垒层1010具有约1nm的厚度。

如图11所示，一旦形成隧道势垒层1110，在隧道势垒层上形成超导材料层1112。第一部分1102、隧道势垒层1110和超导材料1112的组合形成第一约瑟夫逊结。类似地，第二部分1104、隧道势垒层1110和超导材料1112的组合形成第二约瑟夫逊结。根据本发明实施例的超导材料1112可具有约30-35nm的厚度。根据本发明的实施例，抗蚀剂1006具有大约1μm的厚度，允许隧道势垒和超导材料的许多交替层形成在孔1108、1109内。根据本发明的实施例，抗蚀剂1006具有大于1μm的厚度。

图12示出了通过例如沉积或通过暴露于氧形成附加隧道势垒层1214以及形成附加超导材料层1216的结果。超导材料1212、隧道势垒层1214和超导材料1216的组合在每个垂直堆叠体上形成附加的约瑟夫逊结。通过交替形成隧道势垒和超导材料的层，可以增加附加的约瑟夫逊结。

该过程继续进行至剥离抗蚀剂，得到图13所示的结构。该结构包括两个垂直堆叠体1318、1320。垂直堆叠体中的至少一个包括两个或更多个约瑟夫逊结。根据一些实施例，每个垂直堆叠体包括至少五个、二十、五十或一百个约瑟夫逊结。第一和第二垂直堆叠体可以包括相同数量的约瑟夫逊结。或者，第一和第二垂直堆叠体可以包括不同数量的约瑟夫逊结。

一旦去除了抗蚀剂，如图14所示，沉积并烘焙新的抗蚀剂层1422，然后如图15所示，图案化以暴露两个垂直堆叠体1518、1520之间的基板1500。然后如图16所示，该过程包括在两个垂直堆叠体1618、1620之间沉积氧化物或牺牲材料1624。氧化物或牺牲材料1624足够宽以防止两个垂直堆叠体1618、1620之间的隧穿。氧化物或牺牲材料1624用作随后形成的超导连接器的支撑材料。一旦已经沉积氧化物或牺牲材料1624，就可以去除抗蚀剂1622。图17中示出了所得的结构。

该过程然后包括形成超导连接器以串联连接垂直堆叠体1818、1820。在沉积超导连接器之前，沉积、烘焙并且然后蚀刻抗蚀剂1826以形成孔1828，其暴露氧化物或牺牲材料1824和两个垂直堆叠体1820、1822的最上超导层，如图18所示。

如图19所示，在抗蚀剂1926中的孔1928中沉积超导材料层1930。超导材料1930可以通过双角度蒸发(dual angle evaporation)沉积，尽管本发明的实施例不限于超导材料1930的双角度蒸发。超导材料1930接触两个垂直堆叠体1918、1920的最上面的超导层。此外，超导材料1930将第一垂直堆叠体1918的约瑟夫逊结与第二垂直堆叠体1920的约瑟夫逊结串联连接。根据本发明的实施例，超导材料1930在基本上平行于基板1900的表面的方向上延伸。

该过程进一步包括移除抗蚀剂1926，得到图20中所示的超级电感器2032。尽管图20中的超级电感器2032包括氧化物或牺牲材料2024，但是该过程还可以包括蚀刻掉氧化物或牺牲材料2024，从而得到类似于图1A中所示的超级电感器100的超级电感器，其中超导材料层2030仅由两个垂直堆叠体2018、2020支撑。

图21是根据本发明实施例的量子计算机2100的示意图。量子计算机2100包括在真空下的制冷系统，该制冷系统包括容纳容器2102。量子计算机2100还包括包含在由容纳容器2102限定的制冷的真空环境中的量子位芯片2104。量子位芯片2104包括多个fluxonium量子位2106、2108、2110。fluxonium量子位2106、2108、2110可以各自包括分离的基板，或者可以形成在量子位芯片2104上，其中量子位芯片2104作为共享的基板起作用。量子计算机2100还包括多个电磁波导2112、2114，这些电磁波导被安排在制冷的真空环境中以便将电磁能引导到多个fluxonium量子位2106、2108、2110中的至少一个选定的fluxonium量子位并且从其接收电磁能。如图21中所示，电磁波导2112、2114可以形成在量子位芯片2104上。

每个fluxonium量子位2106、2108、2110可以具有在此描述的垂直结构。fluxonium量子位2106、2108、2110的垂直结构显著地减少了它们在传统阵列上的覆盖区。该制造与传统的超导电路技术兼容。用于基于外延堆叠体制造的阵列的垂直堆叠体可以具有比传统的角度蒸发结(angled-evaporated junction)更好的质量和更低的损耗。

已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的或限于所公开的实施例。在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择本文所使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或为了使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。