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用于原位制造“马约拉纳材料-超导体”混合网络的方法以及通过该方法制造的混合结构

阅读：1017发布：2020-05-16

专利汇可以提供用于原位制造“马约拉纳材料-超导体”混合网络的方法以及通过该方法制造的混合结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及用于制造马约拉纳材料-超导体混合结构的方法，其中在荫罩的辅助下在马约拉纳材料上施加超导材料，并且其中在衬底（1）上首先产生第一掩模（2,3），用于结构化地施加马约拉纳材料（6），以及产生其他掩模（荫罩）（4,5），用于超导材料（7）的结构化生长，第一掩模和其他掩模相对彼此对准，并且其中马约拉纳材料和超导层的施加在没有在惰性氛围中的中断的情况下优选在真空中并且特别有利地在超高真空中来进行。所制造的混合结构包括至少一个结构化的马约拉纳材料和至少一个在其上布置的超导材料以及钝化层，其中结构化的马约拉纳材料具有线形构型，其具有0.1至100μm之间的长度、10和200nm之间的宽度和具有12至260nm之间、优选15和50nm之间的层厚度。结构化的马约拉纳材料和至少一个在其上布置的超导材料之间的界面有利地是无污染的。结构化的马约拉纳材料的表面完全地要么由优选超导的材料要么由钝化层覆盖。，下面是用于原位制造“马约拉纳材料-超导体”混合网络的方法以及通过该方法制造的混合结构专利的具体信息内容。

权利要求

1.用于制造混合结构（6，7，8, 9, 10）的方法，所述方法包括至少一个结构化的马约拉纳材料（6）和至少一个在其上布置的结构化的超导材料（8,9），其中在掩模（4,5）的辅助下在所述结构化的马约拉纳材料（6）上施加至少一个超导材料（8,9），
其特征在于，
在衬底（1）上首先产生第一掩模（2,3），用于所述马约拉纳材料（6）的结构化的施加，以及产生其他掩模（4,5），用于所述至少一个超导材料（8,9）的结构化生长，所述第一掩模和所述其他掩模相对彼此对准，
其中所述马约拉纳材料（6）和所述至少一个超导材料（8,9）的所述结构化的施加在没有在惰性氛围中的中断的情况下优选在真空中来进行。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述掩模利用以下步骤来产生：
I.A. 在所述衬底（1）上施加第一附加层（2）；
I.B 将第二附加层（3）施加到所述第一附加层（2）上，其中所述第一附加层（2）相对于所述第二附加层（3）和所述衬底（1）能够选择性地蚀刻；
I.C 所述第二附加层（3）的表面这样被结构化并且露出，使得在所述第二附加层（3）中露出至少一个部分区域；
I.D 在所述第二附加层（3）的露出的部分区域之下所述第一附加层（2）的所述一个或多个露出的区域被移除直至衬底（1），其中能够发生根切；
II.E 第三附加层（4）这样沉积，使得所述第一附加层（2）的和所述第二附加层（3）的露出的区域被完全填充并且所述第三附加层（4）平面地覆盖所述第二附加层（3）；
II.F 第四附加层（5）被施加到所述第三附加层（4）上，其中所述第三附加层（4）相对于所述第四附加层（5）、所述第二附加层（3）和所述衬底（1）能够选择性地蚀刻；
II.G 所述第四附加层（5）的所述表面被这样结构化并且露出，使得在至少两个面之间保持存在过渡部；
II.H 在所述第四附加层（5）的露出的面之下所述第三附加层（4）的所述区域被移除直至所述衬底（1），其中能够发生根切，
并且其中，所述马约拉纳材料（6）紧接着在所述衬底（1）上被这样结构化地沉积，使得所述马约拉纳材料布置在所述第一附加层（2）的和所述第二附加层（3）的露出的区域之内。
3.根据权利要求1至2其中任意一项所述的方法，其中所述第二功能层（7,9）不仅在所述结构化的马约拉纳材料（6）上也至少部分地在所述第四附加层（3）的露出的表面上被施加。
4.根据权利要求1至3其中任意一项所述的方法，其中在步骤II.G中，所述第四附加层（5）的所述表面被这样结构化并且露出，使得产生至少一个沟，所述沟具有在100nm至100μm之间的、有利地3μm至10μm之间的长度以及在10nm至10μm之间、有利地10nm至200nm之间的宽度。
5.根据权利要求1至4其中任意一项所述的方法，其中施加具有在1nm至20nm之间、优选在1至5nm的范围内的总层厚度的所述第一附加层（2）。
6.根据权利要求1至5其中任意一项所述的方法，其中施加具有在5至250nm之间的、优选在5至100nm的范围内的总层厚度的所述第二附加层（3）。
7.根据权利要求1至6其中任意一项所述的方法，其中沉积具有15和50nm之间的总层厚度的所述第一附加层（2）和所述第二附加层（3）。
8.根据权利要求1至7其中任意一项所述的方法，其中施加具有5至500nm之间、优选在
10至150nm的范围内的总层厚度的所述第三附加层（4）。
9.根据权利要求1至8其中任意一项所述的方法，其中沉积包括狄拉克材料的结构化的马约拉纳材料（6）。
10.根据上一项权利要求所述的方法，其中沉积包括(BixSb1-x)2(TeySe1-y)3的结构化的马约拉纳材料（6），其中0 ≤ x ≤ 1 并且 0 ≤ y ≤ 1。
11.根据权利要求1至10其中任意一项所述的方法，
- 其中在作为第一功能层（6）的所述结构化的马约拉纳材料上首先具有以1至3nm之间的层厚度全面覆盖地施加第二功能层（7），所述第二功能层包括能够构成原生氧化物层的材料，
- 并且在其上，在没有衬底旋转的情况下在所述第二功能层（7）的部分区域上施加包括超导材料的第三功能层（8）。
12.根据上一项权利要求所述的方法，其中将包括AlxOy, NbxOy, TixOy的材料作为第二功能层（7）来施加，其中0 ≤ x,y ≤ 1。
13.根据权利要求11所述的方法，其中将超导材料作为第二功能层（7）来施加。
14.根据权利要求1至10其中任意一项所述的方法，其中
- 在没有衬底旋转的情况下在作为第一功能层（6）的所述结构化的马约拉纳材料的部分区域上施加包括超导材料的第二功能层（9）；和
- 其中将包括电绝缘的材料的第三功能层（10）全面覆盖地施加到所述第二功能层（9）上和所述第一功能层（6）的自由表面上。
15.根据上一项权利要求14所述的方法，其中将超导材料作为第三功能层（10）沉积。
16.能够根据权利要求1至15其中任意一项所述来制造的混合结构（6,7,8,9,10），所述混合结构包括至少一个结构化的马约拉纳材料（6）和至少一个在其上布置的超导材料（8,
9）以及钝化层（11,12,13），其特征在于，
- 所述结构化的马约拉纳材料（6）具有线形构型，所述线形构型具有0.1至100μm之间的长度、10至200nm之间的宽度和具有0.2至260nm之间、优选5至50nm之间的层厚度；
- 在所述结构化的马约拉纳材料（6）和至少一个在其上布置的超导材料之间的界面是无污染的，和
- 所述结构化的马约拉纳材料（6）的所述表面完全地要么通过能够构成原生氧化物层的材料（7）、要么通过超导材料（9）要么通过钝化层（11,13）来覆盖。
17.根据上一项权利要求16所述的混合结构，所述混合结构具有结构化的马约拉纳材料（6），所述马约拉纳材料包括狄拉克材料。
18.根据权利要求16至17其中任意一项所述的混合结构，所述混合结构包括约瑟夫森接触部，所述约瑟夫森接触部具有在结构化的马约拉纳材料（6）上的两个超导区域（8,9,
10），
其特征在于，
所述结构化的马约拉纳材料（6）具有线形构型，所述线形构型具有在0.1至100μm之间的长度、具有10至200nm之间的宽度和具有0.2至260nm之间、优选5至50nm之间的层厚度。
19.根据上一项权利要求18所述的混合结构，其中所述混合结构具有结构化的马约拉纳材料（6），所述马约拉纳材料（6）包括(BixSb1-x)2(TeySe1-y)3，其中0 ≤ x ≤ 1并且0 ≤ y ≤ 1。
20.根据权利要求16至19其中任意一项所述的混合结构的应用，其中所述混合结构应用在拓扑SQUID、拓扑量子位、拓扑量子寄存器、混合网络、量子计算机或拓扑量子计算机中。

说明书全文

用于原位制造“马约拉纳材料-超导体”混合网络的方法以及

通过该方法制造的混合结构

技术领域

[0001] 本发明涉及用于制造如下装置的方法，该装置实现：在惰性氛围中并且优选在超高真空中将超导材料以及马约拉纳（Majorana）材料以不同几何结构和维度以直至几纳米精确的方式相对彼此对准地沉积并且利用钝化保护层来将其封闭。由所提到的材料组成的复杂网络可以以该装置来制造。这些网络作为最小次级单位（Subeinheit）包含混合结构、诸如拓扑约瑟夫森接触部，但是可以在其他实施方案中表示直至多个的拓扑量子位。该方法保证：对马约拉纳材料的表面特性的封闭以及在马约拉纳材料和超导体之间的高界面品质。

背景技术

[0002] 为了对位进行表示，必须存在不同物理态，这些物理态在传统晶体管技术中通过两个能够区别的电压值来限定。在量子计算机的情况下，由能够区别的量子机械状态来表示所述状态。这种量子计算机以大的、在极端情况下任意大数目的能够区分的状态而出众，这些能够区分的状态表示位、所谓的量子位（Qubits）。出于这种理由，可以在量子计算机上明显更快速和有效地对一些计算求解。因此，Google在2016年1月已经表示：其利用自己的D波量子退火装置可以比传统计算机大约100000000x更快速地解决问题。量子退火装置是一种特殊类型的量子计算机，然而其仅能够应用用于优化问题。量子机械能够实现的总计算功率在所谓的通用量子计算机中才得以显现。通用量子计算机的主要问题是：非常敏感的并且短时的量子状态是不稳定的并且仅仅这种状态的读出就可导致状态的改变。由此引起的误差必须在每次计算步骤之后立刻被校正。这种误差校正（英文：Error Correction）就是为何通用量子计算机的发展仅缓慢地进行并且在近30年之内还不能实现具有两位数的量子位的通用量子计算机的原因。在误差校正的量子计算的领域上，Google在2016年初同样已经设立了里程碑并且构造了迄今为止功率最强的误差校正的通用量子计算机。与在D波2X量子退火装置的1000 量子位情况下不同，在此却仅实现8量子位。IBM同样地已经开发了第一个具有5 量子位的通用量子计算机，甚至自2016年五月起在Quantum Experience（量子体验）的范围内使公众可访问该通用量子计算机。但是，为了执行当今由当代的超级计算机还不曾能够解决的计算却需要至少50 量子位 [1] 。

[0003] 为了尽可能快速地实现具有50 量子位的量子计算机的目标，科学和工业机构集中在量子计算的相对新的领域、所谓的拓扑量子计算。理论上对于这种量子计算机不需要并且实际上仅需要非常小程度的误差校正这一事实使得该方案是特别有希望的并且在不久的将来将推动50 量子位的机器。

[0004] 如在常规的（非拓扑的）量子计算机的情况下那样，必须也在拓扑量子计算机的情况下，将量子对象或量子粒子（对象、粒子或准粒子，其遵守量子机械的规则）主动地纳入到计算过程中并且为此定位在芯片上，分开地操控，操纵和读出。量子机械的准粒子是所谓的经结合的马约拉纳零模式（MZM，马约拉纳 Zero Mode），其中拓扑量子计算机在量子机械准粒子的基础上进行计算。MZMS是0维的准粒子激发，其基于自身的非阿贝尔的（nicht-ablisch）对易关系而承诺对于容错的量子计算的新方案。

[0005] 如果将所谓的马约拉纳材料与超导材料结合，则MZM可以产生。作为马约拉纳材料，我们在本文中表示所有如下材料，一旦使这种材料与超导体接触并且施加为了产生MZM所需的场（E-场和B-场），就在所述材料中产生马约拉纳零模式。马约拉纳材料例如是：狄拉克材料（Diracmaterialien），狄拉克材料又能例如划分为拓扑绝缘体和外尔半金属，以及如下“half-metals（半金属）”，该半金属不应与类金属（英文semimetal）混淆，以及III-V 半导体纳米线。必要地，马约拉纳材料具有费米子状态，其不具有旋转自由度（在英文中以及在本文接下来的过程中将这种状态称为“spinless fermions（无自旋费米子）”）。在马约拉纳材料的子集中、所谓的拓扑绝缘体（TIs），例如自旋-轨道相互作用在固体中导致：对于在TIs的表面上的费米子状态，自旋的方向直接耦合到在动量空间中的k矢量。如果将超导诱导到这种“无自旋费米子”系统中，则在适合的情况下（马约拉纳材料的空间几何结构、E和B场）产生MZM。

[0006] MZM的标志已经首次在2012年由Leo Kouwenhoven小组在InAs纳米线中证实[3]并且接下来也在其他材料系中被证实。马约拉纳零模式基本上总是成对地产生并且在1D结构的情况下这两种模式局部分开地在1D结构的两个末端处以0D激发的形式出现。这两个马约拉纳共同形成费米子状态。这种状态可以是要么由电子占据的要么恰好是不被占据的。为了查明电子是否处于这两个马约拉纳中，必须将这两个马约拉纳移动接近彼此。一旦其“接触”或其波函数重叠，它们就融合成电子，或者它们消除并且不产生电子。

[0007] 这两种状态、即“无电子”和“有电子”与常见自旋量子位的本征态“上自旋（Spin-up）”和“下自旋（Spin-down）”类似地构成马约拉纳对或马约拉纳量子位的本征态。

[0008] 在马约拉纳量子位的情况下，与常规的量子位的基本区别在于：这两个本征态具有相同能量，也即是退化的。在常规的量子位情况下，总是存在激发态和基态。如果量子位过长地停留在激发态中，则其松弛到基态中并且信息被丢失。这在马约拉纳量子位的情况下则并不发生。这种特性和其他特性导致：马约拉纳量子位理论上并不需要误差校正[2]。这一事实决定性地减小用于50 量子位机器的技术耗费并且使得拓扑量子计算的方案因此有吸引力。

[0009] 为了以马约拉纳量子计算来运行，也即改变一个或多个Qubit的状态，必须将这些0维的对象布置在2维的平面中。此外，重要的是，能够使它们围绕彼此地并且接近彼此地移动。2-马约拉纳系统的量子机械状态的改变因此通过这两个马约拉纳的围绕彼此的旋转来进行。如果系统在状态|0>（=无电子）下安装并且随后使这两个马约拉纳以360°围绕彼此转动，则将状态改变为|1>。如果这两个马约拉纳现在与彼此融合，则对于100%测量到有电子并且对于0%测量到未占据的状态。对于围绕彼此转动180°的情况，测量到电子的概率为
50%，而在90°的情况下则仅还有25%，以此类推。

[0010] 原则上，因此由一定数目的马约拉纳来组成拓扑量子计算机，这些马约拉纳布置在一个平面中并且有针对性地围绕彼此转动（或者联网（geflechtet）=英文：to braid（编织））。随着马约拉纳的数目，“编织”操作的可能性增大，并且因此使量子计算机的有效功率增大。挑战在于：（准）1D结构或纳米线这样布置，使得马约拉纳模式能够根据要求地移动。

[0011] 存在不同方案来产生马约拉纳模式并且基于此来生成第一网络。马约拉纳模式的第一标志已经在2012年在InAs纳米线中被证实[2]。基于这些方案和类似的方案而密集地研究，其目标是迅速地构造第一马约拉纳量子位。因此，例如从US 2016/0035470 A1中已知磁拓扑纳米线结构，其包括超导体和准1D磁纳米线。该准1D磁纳米线耦合到超导体上或者嵌入到超导体上，以便产生自包含的交互作用，这导致一对空间上分离的马约拉纳费米子。

[0012] 由各个半导体纳米线来构造马约拉纳量子位的方案具有两个重要缺陷。一方面，在这种纳米线中需要相对强的磁场，以便达到拓扑相。只有在这种相中能够产生马约拉纳模式[4]。为了继续由半导体纳米线构造量子位，必须将各个纳米线以纳米精确的方式相互对准。无关于以单个纳米线还是以由生长的纳米线组成的网络来工作，这种方案的扩展需要巨大程度的耗费。

[0013] 一些马约拉纳材料、诸如拓扑绝缘体本来就具有所需的拓扑特性。在此，化学势仅仅必须位于本征块能隙之内，以便能够运行马约拉纳物理。在2016，在两个独立的试验中首次在拓扑绝缘体中找到马约拉纳模式的标志。如果应该这样限制拓扑绝缘体的空间维度，使得在表面状态的分散之内得出能隙，则同样需要通过该结构施加磁场/磁通量。这种磁场相对于用于Rashba带到InAs纳米线的Zeeman分配所需的磁场来看是非常小的。表征参量在此是半个磁通量子，这在下文中所采用的维度情况下相应于不大于150mT的磁场[5,6]。

[0014] 除了该决定性的优点，即在这种材料中不需要用于产生拓扑相的磁场，还存在其他优点：一定的拓扑绝缘体、诸如(Bi(1-x)Sbx)2Te3 ，其中0 ≤ x ≤ 1,选择性地生长[例如相对于SiO2或Si3N4而言，在Si（111）上][7]。预先结构（Vorstrukturen）能够在没有大的耗费情况下非常广泛地并且复杂地在生长之前通过光学或电子束曝光来限定。这种技术使得能够在非常短时间内实现复杂几何结构。

[0015] 在马约拉纳材料中的“无自旋费米子”在拓扑绝缘体的情况下处于固体的表面上。如果拓扑绝缘体的表面在惰性环境之外被暴露于环境空气，则接下来进行的氧化导致：狄拉克状态，因此提及在拓扑绝缘体的表面中的无自旋费米子的系统，并且因此使表面输送被干扰。已证实的是，还在惰性氛围中、尤其是在超高真空中（p ≤ 1 x 10-7 mbar, 优选p ≤ 1 x 10-8 mbar），能够将用于保护拓扑绝缘体免受氧化或表面状态降解的钝化层布置在拓扑绝缘体上。由此，能够保持获得这些表面状态。作为钝化层可以例如使用大约2nm的层厚度的铝的薄层，其能够完全地氧化并且因此保护拓扑绝缘体。可替代地，也已经使用Te层、Se层和其他绝缘层来作为钝化层。因此重要的是，在从惰性氛围和必要时的超高真空中提取之前，将拓扑绝缘体的整个表面密封并且因此封闭用于马约拉纳物理的表面状态。惰性氛围表示如下氛围，该氛围与（马约拉纳）材料适配地阻止处在该氛围中的原子和分子与材料表面的每种（化学）反应。

[0016] 为了产生马约拉纳模式，除了拓扑相以外作为第二前提也必须存在超导体。具有较小间距（5-150nm）并且通过本身非超导的材料连接的两个超导接触部却由于超导体的存在而在低温度情况下自身在接触部之间的区域内变得超导，将其称为约瑟夫森过渡部。如果“本身非超导体的”材料是马约拉纳材料，则将约瑟夫森过渡部称为拓扑的约瑟夫森过渡部。该约瑟夫森过渡部是最简单的混合构件之一，其由超导体和马约拉纳材料组成并且是用于许多更复杂构件的基本模块。

[0017] 从现有技术中已知：非原位地（ex situ）施加超导的约瑟夫森接触部。为此，可以将马约拉纳材料或拓扑绝缘体其中的特定拓扑绝缘体首先通过基于真空的覆层方法或薄层技术（物理气相沉积（PVD）化学气相沉积（CVD）、有利地分子束外延（MBE））来沉积。超导接触部可以然后接下来通过电子束曝光（EBL）来被限定成为此适合的保护性涂料并且接下来在另一设施中被蒸镀或溅射。如果拓扑绝缘体事先已经以遮盖（钝化）来被密封，则这必须直接在超导体的沉积之前被移除，因为超导体与马约拉纳材料必须产生直接接触。在这样的程序中，常常存在如下危险：马约拉纳材料的表面在施加超导材料之前已经氧化并且与环境空气反应。这导致例如缺陷和非晶化的表面区域、也即导致在马约拉纳材料和超导体之间的具有干扰点和不平坦性的界面。其作为隧穿屏障而不利地进行影响。这种界面通常并不对此适合地运行马约拉纳物理。

[0018] 对于其他材料系统、诸如InAs，此外已知的是以原位的方式地在薄膜上施加由超导材料、尤其是铝组成的均质层[8]。接下来超导材料被化学地和/或物理地结构化。这通过移除超导层的部分区域来进行。

[0019] 通过在并不脱离惰性氛围并且尤其是并不脱离超高真空情况下施加超导材料，可以在马约拉纳材料（或拓扑绝缘体）和超导体之间产生非常高品质的界面。超导层的部分区域的移除也总是不利地导致处于其下的材料的表面的改变或损坏。这尤其是在使用拓扑绝缘体的情况下导致表面的化学改变。

[0020] 以纳米精确的方式来对在马约拉纳材料上所布置的超导层以及所述区域的接下来的局部氧化物的移除由于超导体的表面特性而通常是不可能的。在铝情况下可能此外使铝的表面在此变得常常过于粗糙。

[0021] 从现有技术中已知的是：所谓的镂空曝光（Stencil Lithographie）。这种技术实现：衬底或薄膜的部分区域借助荫罩（Hart-Maske（硬掩模））而（原位地）配备有第二结构化层[9,10]。硬掩模的应用实现：在惰性氛围之内并且有利地在超高真空中结构化第二层、例如超导层。所述结构化在这里在设施中利用部分定向的材料流来通过在硬掩模上限定的结构的形成而进行。

发明内容

[0022] 本发明任务本发明的任务是，提供一种方法，利用所述方法能够在少量过程步骤中生成马约拉纳材料-超导体结构，其包括至少一个结构化的马约拉纳材料和至少一个在其上结构化地布置的超导材料，该马约拉纳材料-超导体结构接下来也称为混合结构，作为马约拉纳材料-超导体混合网络的最小单位。该方法应该一方面确保表面和界面的高品质并且此外也保证结构化的马约拉纳材料的钝化。尤其是应该通过该方法实现：所生成的表面状态尤其是能够针对马约拉纳物理被封闭。

[0023] 此外该方法应该实现：能够将结构化的马约拉纳材料和超导材料以高精确度相对彼此对准，并且保证高可扩展性。

[0024] 此外本发明的任务是：借助于前面提到的方法来提供品质高值的混合结构，利用这些混合结构然后能够任意地构造由马约拉纳材料-超导体组成的复杂的网络。

[0025] 任务的解决方案本发明的任务通过根据主权利要求所述的用于制造马约拉纳材料-超导体结构的方法而得以解决，其中该马约拉纳材料-超导体结构接下来简称为混合结构，其包括至少一个结构化的马约拉纳材料、至少一个在其上布置的结构化的超导材料以及钝化层，该钝化层被布置在经结构化的马约拉纳材料的所述一个或多个自由表面上。

[0026] 所述任务此外通过根据并列权利要求所述的混合结构得以解决以及通过根据另一并列权利要求所述的这种混合结构的应用得以解决，其中该混合结构包括至少一个结构化的马约拉纳材料、尤其是包括以横向生长的（准）1D纳米线或横向生长的（准）1D纳米结构的形式的至少一个结构化的马约拉纳材料和至少一个在其上布置的结构化的超导材料以及钝化层，其被布置在结构化的马约拉纳材料的自由表面上。

[0027] 该方法以及该装置和该应用的有利的构型分别从对其引用的从属专利权利要求中得出。

[0028] 本发明的描述本发明涉及一种方法，其中能借助于接近表面的掩模来制造马约拉纳材料-超导体结构、简称混合结构。这种混合结构包括至少一个结构化的马约拉纳材料，该马约拉纳材料在本发明的范畴内被限定为横向生长的（准）1D纳米线或横向生长的（准）1D纳米结构，其中后者例如能够以结构化拓扑薄膜的形式存在。除了结构化马约拉纳材料以外，该混合结构还具有至少一个在这种结构化的马约拉纳材料上布置的结构化的超导材料以及钝化层，其中该钝化层布置在结构化的马约拉纳材料的自由表面上，其并不通过超导材料来接触。

[0029] 在根据本发明的结构中，通过原位地并且优选通过外延生长两个层而确保示例性地在拓扑绝缘体和超导金属之间的界面的特殊性能。

[0030] 此外，能够利用根据本发明的方法也直接在制造中在结构化的马约拉纳材料的露出的区域上产生保护性的钝化层，该钝化层有利地导致其表面状态既不被损坏也不被改变。在拓扑绝缘体中的表面状态也被表示为狄拉克状态。

[0031] 在根据本发明的方法中，有利地除了由现有技术中已知的用于结构化地施加至少一个超导材料在马约拉纳材料上的掩模（荫罩、硬掩模、“镂空掩模”）以外，事先直接在衬底上产生另一掩模（用于产生预先结构的掩模，“选择区域（Selective Area）”），其用于，将马约拉纳材料以限定几何结构沉积在衬底上。在制造混合结构时两个掩模在衬底上的形成接下来有利地导致：不仅所沉积的结构化的马约拉纳材料而且接下来的至少一个超导结构优选地能够已经在制造期间相对彼此精准地对准。通过使这些过程步骤连续地在惰性氛围中和优选在UHV中进行，可以此外根据本发明确保混合结构的界面的非常良好的品质和性能。

[0032] 通过根据本发明的方法，可以有利地高品质和精准对准地产生由超导材料和马约拉纳材料组成的横向生长的多相结构。以在拓扑约瑟夫森结开始直至复杂网络的方式，针对在能够扩展的拓扑量子位和拓扑量子寄存器中的应用，不同几何结构和维度允许结构化地限定功能装置。

[0033] 不仅结构化的马约拉纳材料而且超导材料也根据本发明横向生长。不仅结构化的马约拉纳材料而且超导材料也在根据本发明的方法中结构化并且相对彼此来施加，而不需要在堆叠之后进行这种处理。相对于迄今为止已知的以原位方式结构化的方法，根据本发明的方法提供在各个功能层的可能尺寸以及界面的斜率方面的特殊优点。

[0034] 这种根据本发明制造的并且品质上高值的混合结构可以优选地在拓扑约瑟夫森接触部但是也在复杂的构件中、如拓扑SQUID（superconducting quantum interference device（超导量子干涉器件）的缩写）中、拓扑Qubits（Quantenbit（量子位）的缩写）中和拓扑量子寄存器中使用，其作为最小单位而用于拓扑材料和超导体的好限定的过渡部。

[0035] 对于在马约拉纳物理以及在基于其的拓扑量子计算中的这种混合结构的所要求的应用而言需要的是，待制造的构件或界面具有高品质，以及其提供根据本发明的结构。

[0036] 约瑟夫森接触部例如包括这种根据本发明的结构，所述约瑟夫森接触部被理解为两个超导材料，这两个超导材料通过薄的、并非超导的区域相互分离。作为弱键在下文中理解为如下区域：该区域在约瑟夫森接触部中将这两个超导体彼此分离并且该区域经限定是非超导的。

[0037] 接下来以拓扑约瑟夫森接触部为例，作为用于根据本发明的混合结构的示例而进一步阐述本发明，而并不对其作出限制。拓扑约瑟夫森接触部在此包括：两个超导材料，这两个超导材料相对于彼此横向地布置；和结构化的马约拉纳材料，该马约拉纳材料表现出非超导区域（弱键）。

[0038] 从现有技术中已知：如果在超导体之间的距离是足够短的，则弱键作为两个超导体之间的包括拓扑材料的中间区域能够同样是超导的。如果距离小于拓扑材料中的配对的电子态的相干长度，则这样的距离是足够短的。根据结晶材料的品质也根据超导体和拓扑材料之间的边界层的品质而定，相干长度在铝作为超导材料的情况下已知为100-400nm。在使用铌的情况下，相干长度的特征值由于更大的转变温度而略减小并且处于50-250nm之间的区域内。

[0039] 对于约瑟夫森接触部的情况，质量保证意味着：一方面确保在弱键范围内的良好传输，为此需要以原位的方式的覆盖（capping（遮盖））并且该接触部另一方面具有在超导体和结构化的马约拉纳材料之间的干净的和清楚的界面。这可以尤其是通过以原位的方式并且优选地通过两个层的外延生长而实现。不仅结构化的马约拉纳材料的结构化的和相对彼此对准的生长、原位遮盖而且原位施加优选外延的超导接触部都通过根据本发明的方法来实现，而并不在此脱离惰性氛围和/或超高真空。

[0040] 本发明规定：为了产生这种混合结构，除了已经已知的镂空掩模（荫罩）也使用其他掩模，通过所述其他掩模能够限定结构化的马约拉纳材料的几何结构并且所述其他掩模同样地与衬底牢固连接。

[0041] 接下来以约瑟夫森接触部为例说明在使用拓扑绝缘体和超导金属的情况下的用于制造混合结构的根据本发明的方法，而并不对具体构型进行限制。

[0042] 根据本发明的方法的各个步骤可以根据图1至6以制造约瑟夫森结（Josephson-Kontakt（约瑟夫森接触部））作为根据本发明的混合结构为例来被理解。在接下来的过程步骤中示例性地提到的材料或层说明在此明确地不应理解为限制性的。本领域专业人员可以在此容易地看出，哪些说明在此特别涉及约瑟夫森结并且在制造其他混合结构时可能相应地变换。

[0043] 对约瑟夫森接触部的在此示例性描述的制造并不应理解为限制性的，而是同时作为拓扑量子位的最小单位用作接下来列举的实施例的解说。用于制造各个拓扑约瑟夫森接触部的过程步骤的字母在此对应于在图1至6中的那些。继续进行的用于制造基于这样的各个约瑟夫森接触部的复杂装置的实施例在图7至8中可见。

[0044] 根据本发明的方法划分为总共三个部分过程。

[0045] I. 针对马约拉纳材料的结构化的沉积通过在衬底上产生第一功能掩模而对衬底的准备（过程步骤（I） “选择区域（Selective Area）”）。

[0046] II. 同样地在衬底上为了经限定地施加至少一种超导材料而产生接近表面的荫罩（镂空掩模（Stencil mask））（过程步骤（II）“镂空掩模”）。

[0047] III. 为了定向地和结构化地施加所述功能层而在真空腔之内沉积期间的方法（过程步骤（III）“覆层方法”）。

[0048] 为了区分在所产生的掩模的辅助下结构化地堆积功能结构的不同可能性，第三部分过程还包括两个不同变型。

[0049] 部分过程I：“选择区域”I．A 在经清洁的衬底（1）上平面地并且在真空下、优选在UHV中施加第一附加层（2）。该衬底可以示例性地是任意大小的硅晶片或硅晶片部分件。经清洁的衬底被理解为如下这种衬底，其中为了移除衬底表面上的污染物而利用本领域专业人员已知的衬底典型的标准方法已处理了该衬底。以这种方式，提供如下衬底表面，该衬底表面仅具有衬底自身的化合物。

[0050] 该衬底的材料必须为此适合于，拓扑绝缘体可以在其上生长。对于第一层（2），可以优选地使用如下材料，该材料相对于该衬底和第二层（3）能够选择性地蚀刻。为此适合的例如是二氧化硅（SiO2），其中该二氧化硅优选应具有高品质并且示例性地在用于热处理硅表面的方法中能够产生。有利地，这种SiO2具有与第二附加层（3）和衬底(1)的硅相比而言非常良好的蚀刻选择性。

[0051] SiO2层可以例如通过氟氢酸各向同性地移除，其中在该衬底上产生适合于所述生长的原子平面的表面。有利地，该SiO2层还具有介电特性，由此能够抑制漏电流。从现有技术中已知：1至10nm薄的SiO2层在使用化学计量的硅氮化物（Si3N4）作为第二附加层（3）的情况下有效地减小或防止如下张紧，其中Si3N4可能将所述张紧作用到硅表面上。在硅衬底中的张紧可能负面地影响通过第一功能层（6）来对衬底的覆盖。

[0052] 第一层（2）的所选层厚度应该对到衬底上的可能张紧进行均衡。作为第一层（2）的层厚度，选择1至20nm的可能范围，优选地选择1至5nm的范围。

[0053] I．B 在第一附加层（2）上平面地并且在真空下施加第二附加层（3）。所述层（3）的特征在于，其能够选择性地相对于第一附加层（2）来被移除。该第二层应该在所列举的实施例中是耐HF的并且尤其是低应力的。在前述示例中，示例性地使用具有小密度的寄生氢化物的化学计量的硅氮化物（Si3N4）。在此，适合的方法提供：在低压下由气相沉积氮化物（英文：low pressure chemical vapour deposition（低压化学气相沉积），LP-CVD）。有利地，可以在湿化学的或干燥的蚀刻方法中使用透明的Si3N4层作为掩模。该第二附加层（3）用于限定如下部分区域，在这些部分区域上选择性地相对于硅衬底在生长期间并不堆积拓扑绝缘体。

[0054] 在过程步骤III.I中该第二层（3）的表面有利地以第一功能层（6）的表面来封闭。该层厚度因此应该在范围0.2至250nm的范围内被选择，优选地在5至100nm的范围内被选择。

[0055] I．C 在将第二附加层（3）施加之后，进行该层的结构化，有利地在使用适合的漆料（Lack）或保护性涂料（Resist）的情况下通过电子束曝光（electron beam lithography（电子束曝光）, EBL）来进行。在该防护性涂料中限定的结构在该漆料展开之后借助接下来的蚀刻方法而被传递到第二附加层（3）中。第二附加层（3）就此而论选择性地和结构化地相对于第一附加层（2）部分地被移除。

[0056] 有利地，能够通过反应离子蚀刻（英文: reactive ion etching, RIE）来在第二附加层（3）中、尤其是在Si3N4层中精准产生期望结构。尤其是各向异性的结构通过这种定向的蚀刻方法来产生。

[0057] 在这里所讲述的示例中适合的是，在使用示例性的氟仿和纯氧作为反应气体成分的情况下进行反应离子蚀刻。替代方案可以例如是通过磷酸以湿化学方式移除硅氮化物或者在加速离子的辅助下、例如在离子射束设施中（英文：Ion beam etching（离子束蚀刻），IBE）对硅氮化物的物理剥除。

[0058] 在这里所讲述的用于结构化第二层（3）的方法中，在第二层（3）中限定例如具有10-10000nm、优选30-200nm的宽度的薄沟。所产生的沟的长度在此优选在100nm-100μm之间、优选3-10μm之间变化。沟可以同样地以环结构或矩形结构的方式来限定。

[0059] 通过方法步骤A至C，因此构造第一功能掩模，借助于其根据本发明并且有利地实现结构化的马约拉纳材料的限定几何结构。

[0060] I．D 第一附加层（2）的露出的部分区域选择性地相对于第二附加层（3）以及衬底（1）被移除。优选地，在此使用如下过程，该过程并不将衬底（1）化学地转化和/或并不损害该衬底表面。示例性地，在使用所提到的材料情况下，使用稀释的氢氟酸，该氢氟酸选择性地蚀刻二氧化硅并且使该硅衬底的表面不变地露出。

[0061] 通过在稀释的氢氟酸中二氧化硅的各向同性的蚀刻行为，接近于图1中所示地形成蚀刻轮廓，过程步骤D。

[0062] 部分过程II：“镂空掩模”II．E 在部分过程I中所产生的结构上，在第一步骤中平面地并且在真空下沉积第三附加层（4）。第三附加层应该选择性地相对于衬底（1）以及第一附加层（2）和第二附加层（3）被移除。示例性地，在此使用具有相对于二氧化硅的第一层（2）而言经减小的品质的二氧化硅，以及能够在低压下由气相（low pressure chemical vapour deposition（低压化学气相沉积）, LP-CVD）对其沉积。这种二氧化硅的第二层（4）明显更快速地在稀释的氢氟酸中被蚀刻，从而通过选择蚀刻时间能够将该层选择性地相对于二氧化硅的第一层（2）来移除。

[0063] 第三附加层（4）的所选择的层厚度限定接近表面的掩模（荫罩）与衬底表面（1）的间距。在衬底表面上，在部分过程III中沉积最多四个功能层。作为第三附加层（4）的层厚度，因此选择5至500nm的范围、优选10至150nm的范围。

[0064] II．F 在第三附加层（4）上，平面地并且在真空下施加第四附加层（5）。其应该选择性地相对于第三附加层（4）被移除。在重新使用硅氮化物的情况下，可以采用在过程步骤I.C中提及的方法。

[0065] II．G 第四附加层（5）选择性地相对于第三附加层（4）部分地被移除。待产生的结构根据期望的装置而定地变化。所述结构的不同实施方案示例性地在该段中利用所述实施例来阐述。这些结构在此不仅包含大的面积而且也包含小的窄的过渡部，这两者相对于在第一附加层（2）中所产生的结构对准。最终限定约瑟夫森接触部的、所提到的过渡部具有至少之前在过程步骤I.C中所产生在第一附加层（2）中的结构的宽度和10-500nm、优选10-200nm的彼此间的横向间距。这种窄的范围在下文中表示为纳米桥。

[0066] II．H 第三附加层（4）选择性地相对于衬底（1）也相对于第一附加层（2）、第二附加层（3）以及第四附加层（5）至少部分地移除。在此，在步骤II.G中露出的区域被移除。对于根据本发明的方法需要的是，第三附加层（4）各向同性地在所有方向上被移除。由此引起：在步骤II.G中所限定的纳米桥之下的第三附加层（4）的每种材料被移除。附加地，在部分方法I中所限定的结构部分地被露出。自该时间点起，这些纳米桥部分地自由浮动地处于该衬底（1）之上。

[0067] 通过这些方法步骤D至F，就此而论构造第二功能掩模，其常常也被表示为荫罩。

[0068] 这两个部分过程I和II就此而论用于：为了在衬底上混合结构的功能层的真正沉积或生成作出准备。

[0069] 接下来的方法步骤I至K相继地在惰性氛围中执行，而并不在真空、并且在此尤其-7 -8是超高真空（p ≤ 1 x 10 mbar,优选p ≤ 1 x 10 mbar）情况下中断。作为惰性氛围，例如考虑纯N2气体。

[0070] 部分过程III：“覆层方法”变型AIII．I 具有纳米桥以及衬底（1）的部分露出的面的试样为了对功能层/结构的沉积而被转移到真空腔中、例如分子束外延设施中。但是，这种方法步骤也可以在其他覆层设施中进行，在所述其他覆层设施中部分定向地实施该生长。示例性地，在此应提及在化学气相沉积设施中（英文：chemical vapor deposition CVD）III/V的纳米线的生长。第一功能层（6）被沉积。这种层必须选择性地在露出的衬底表面（1）上生长，而在附加层（2，3）的露出的表面上则必要地并不沉积材料并且在附加层（4，5）的表面上有利地并不沉积材料。第一功能层（6）包括马约拉纳材料。

[0071] 示例性地，以(BixSb1-x)2(TeySe1-y)3形式的拓扑绝缘体在硅（111）表面上选择性地相对于二氧化硅（2，4）和硅氮化物（3，5）表面来生长，其中0 ≤ x ≤ 1 和 0 ≤ y ≤ 1。

[0072] 这种沉积通过1 - 500 min-1的衬底旋转来进行，由此确保：拓扑绝缘体同样在露出的部分区域上在纳米桥之下生长。

[0073] 通过方法步骤A至C所产生的第一功能掩模在此限定马约拉纳材料的结构。

[0074] 层厚度在此尤其是这样调整，使得拓扑薄膜（6）的表面优选地以第二层（3）的露出的表面封闭。

[0075] III．J 同样地在衬底旋转情况下，能够构造原生氧化层的第二功能层（7）、例如铝或铌或钨、钛、铪或铂全面覆盖地被施加。优选地，超导金属被使用，例如铝或铌。这种层由于衬底旋转而同样地在纳米桥下被堆积。

[0076] 在这里所描述的实施方案中，第二功能层（7）的层厚度不允许超出分别所选的材料的原生氧化物的厚度，以便在接下来的步骤中能够构成针对拓扑绝缘体的钝化层。

[0077] 在本方法的构型方案中，包括铝的薄膜被施加，因为在铝中有利地有针对性地能构成钝化层。例如，施加具有最大3 nm的层厚度的、包括铝的薄膜，因为在这种层厚度情况下确保：在接下来的氧化中，只要是与空气产生接触，所述铝层作为第二功能层（7）就完全氧化。

[0078] III．K 包括超导材料、例如铝或铌的第三功能层（8）在没有衬底旋转的情况下在第二功能层（7）的部分区域上结构化地被施加。在第四附加层（5）中限定的纳米桥部分地遮蔽原子/分子流。通过原子/分子流的这种部分遮蔽，第二功能层（7）并不全平面地而是仅在部分区域中被覆层。

[0079] 现在堆积的材料（8）的层厚度应该一方面至少为针对于获得材料的超导特性的临界厚度，另一方面却并不超出所使用的材料的在接下来步骤中所形成的原生氧化物的厚度。

[0080] 附加地，第三功能层（8）的层厚度应并不超出第二功能层（7）的表面和第四附加层（5）下棱边之间的间距，因为否则的话并不能排除所生成的混合结构与荫罩的不期望的接触。

[0081] 根据第一附加层（2）的所选择的层厚度而定，所堆叠的部分区域（8）的层厚度就此而论常常为5-500nm。优选地，为了确保大多超导金属的超导特性而应选择30和100nm之间的层厚度，其中也应该一并考虑氧化物层接下来的形成。

[0082] 第二功能层（7）的材料可以选择得与第三功能层（8）的材料、也就是说超导材料一致。然而，这两种材料也可以选择得不同，因为针对于第二功能层的功能，并不强制性地需要超导，而是以作为钝化层的原生氧化物层的形成为优先。在选择非超导材料作为相互扩散屏障的情况下应考虑：将其选择得足够薄，从而通过所限定的弱键保证接近诱导的超导。

[0083] 因此，在根据本发明的方法中例如有利的是，将钛选择为第二功能层（7），因为其能够用作第一功能层（6）和第三功能层（8）之间的相互扩散屏障，然而将其他超导金属、例如铝或铌选择为第三功能层（8），因为这些金属相对于钛具有特别有利的超导特性。

[0084] 部分方法III：“覆层方法”变型BIII．I这种方法步骤相应于变型A的方法步骤。

[0085] III．J’第二功能层（9）包括超导材料、示例性地铝或铌，该第二功能层在没有衬底旋转的情况下被施加到第一功能层（结构化的马约拉纳材料）（6）的部分区域上。在第四附加层（5）中所限定的纳米桥在此部分地遮蔽原子/分子流。与在III.K的情况下类似地，通过原子/分子流的这种部分遮蔽，结构化的马约拉纳材料（6）并不全面地、而是结构化地并且仅在部分区域中以第二功能层（9）的超导材料被覆层。

[0086] 在可替代的实施方案中，第二功能层（9）也可以作为由薄的相互扩散屏障和厚的超导层所组成的层系统来施加。作为用于相互扩散屏障的材料可以优选地选择金属或超导体。在超导层的层厚度的情况下，重新注意用于获得超导的临界厚度。作为相互扩散屏障，示例性地从文献中已知由铂、钨或钛组成的薄层。在选择非超导材料作为相互扩散屏障的情况下应注意：将其选择得足够薄，从而通过所限定的弱键保证接近诱导的超导。

[0087] 用于第二功能层（9）的所堆积的材料的厚度应至少为针对于获得材料的超导特性的临界厚度，其中附加地必须考虑原生氧化物的层厚度。如果所使用的材料在沉积之后与空气氧气或以任意形式的氧接触，则该原生氧化物形成。

[0088] 有利地，第二功能层（9）的部分区域的厚度因此为50-100nm之间，其中该材料的厚度不应超出第四附加层（5）和第一功能层（6）的表面之间的间距。

[0089] III．K’包括电绝缘的材料的第三功能层（10）全面覆盖地被施加到第二功能层（9）/层系统以及第一功能层（6）的露出区域上。这种限定如在过程步骤III.J中提及的那样包括氧化性的金属。

[0090] 但是，有利地，在部分方法III的这种构型方案中也可以使用其他材料，用于保护在过程步骤III.J’中所产生的部分区域中的结构化的马约拉纳材料的表面和表面状态。所使用的材料在此应该具有足够大的带隙，从而在技术相关的温度范围内，在考虑实际电子温度的情况下可以不出现在所选的材料中的电荷载体的相干隧穿。技术上相关的范围通过所使用的超导体的特征性的、临界的温度而限定。

[0091] 优选地，这种第三功能层（10）既不与第一功能层（6）反应/相互扩散也不与第二功能层（9）反应/相互扩散。示例性地，硅氮化物可以作为第三功能层（10）使用。

[0092] 此外，惰性金属氧化物化合物、诸如AlxOy, NbxOy, TixOy,其中0 ≤ x, y ≤ 1也是适合的或者具有其他族VI元素、例如硫、碲或硒的惰性金属化合物也是适合的。同样地，由纯碲或硒组成的层可以作为对拓扑的表面状态的临时保护来被沉积。

[0093] 通过根据本发明的方法，由结构化的超导材料和结构化的马约拉纳材料组成的横向生长的多相组织可以有利地以高品质和准确对准（alignment）来产生。这例如对于拓扑材料的超导特性的表征是重要的，但是也最终对于可扩展的拓扑量子位（Qubits）以及量子寄存器中的应用是重要的。

[0094] 通过根据本发明的方法可以有利地回避现有技术中所使用的所有在无尘室中的非原位（ex-situ）步骤并且以原位的方式制造或者说生长复杂装置。通过对于本领域技术人员在该领域已知的在生长之前对衬底的准备，如下装置可以生长，其拥有接触垫、锯标记、横向超导结构以及结构化的拓扑薄膜。因此回避全部的在现有技术中存在的在无尘室中制造尤其是拓扑约瑟夫森接触部的情况下的问题。这在拓扑材料情况下是特别有利的，因为通过与周围环境、例如与空气氧气的交换而可能改变表面并且因此改变拓扑特性，或者甚至可能损坏表面并因此损坏拓扑特性。

[0095] 尤其是，在较小成本和时间耗费的情况下的高可扩展性有利地与根据本发明的方法相关联。与从现有技术中用于制造纳米线量子位的常规方法不同，在根据本发明的方法中不需要手动地定位和接触每个纳米线或每个纳米结构，而是可以有针对性地并且选择性地在适合地准备的衬底上沉积和限定结构化的马约拉纳材料。一旦所期望的装置的尺寸和复杂性、如量子位或量子寄存器增大，根据本发明的方法就鉴于可扩展性方面提供优点。

[0096] 作为用于施加针对根据本发明的方法的层的适合的方法，在此除了物理气相沉积（PVD）以外，尤其是应提及在低压情况下的化学气相沉积（液相化学气相沉积（liquid phase - chemical vapour deposition），LP-CVD）以及分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）。

[0097] 化学气相沉积尤其是适合于根据方法步骤I.A、I.B、II.E和II.F针对第一和第二以及第三和第四附加层的沉积而生成平面的、含硅的层。

[0098] 为了根据方法步骤I至K施加功能层，尤其适合的是分子射束外延。

[0099] 外延生长尤其是理解为：在结晶层上或结晶衬底上沉积另一结晶层，其中生长的晶体层的至少一个结晶学取向相应于结晶层或结晶衬底的取向。

[0100] 除了原位制造优选外延的接触部，原位地实现进行保护的钝化层的形成，其中该钝化层保护拓扑绝缘体（结构化的马约拉纳材料）免受表面的污染或化学重组。该拓扑材料在此有效地被保护免受与空气氧气或自然环境的其他组成部分的所有交换。

[0101] 作为钝化层，可以在拓扑绝缘体上例如生长2nm、最大3nm厚度的铝层，其在试样从惰性氛围中并且必要时从超高真空中提取之后完全地被氧化并且因此保护在其下的结构化的马约拉纳材料的表面状态。此外，已经适合地使用惰性金属氧化物化合物、诸如AlxOy, NbxOy, TixOy, 其中 0 ≤ x, y ≤ 1，以及具有其他族VI元素、诸如硫、碲或硒的惰性金属化合物。同样地，纯碲或硒的层已证实自身适合作为拓扑表面状态的临时保护。

[0102] 在此示例性地以根据约瑟夫森接触部的制造在使用拓扑诱导的超导的情况下来有利地表示的方式，根据本发明的方法有利地实现：尤其是原位接触部的外延制造，其导致界面的特别高的性能。在超导体/正常导体界面的实现中，界面的性能以透明度来说明。透明度一般理解为：通过该界面配对的电子态的成功交换的概率，其此外作为安德烈夫反射而已知。与在界面上的安德烈夫反射过程相对的是各个电子在界面上的直接背散射。安德烈夫反射和正常反射的概率相加为100%。

[0103] 在本发明的范畴内，因此提出在获得用于在结构化超导接触部之间的电流传输的拓扑材料的表面特性的情况下，用于制造作为用于根据本发明的混合结构的示例的拓扑约瑟夫森接触部的方法，其中此外超导体和作为拓扑绝缘体的结构化马约拉纳材料之间的界面而具有特殊性能并且这样清晰且干净地构造，使得有利地也能够因此运行马约拉纳物理。尤其是，可以利用这种混合结构来制造拓扑量子位，其中与在常规量子位的情况下不同地、理论上不需要误差校正。

[0104] 有利地，包括所沉积的马约拉纳材料的结构化限定、以原位的方式并且优选外延地生长的结构化的超导接触部以及钝化层在内，根据本发明的混合结构的制造能够在没有惰性氛围中断的情况下、尤其是在超高真空中、在无尘室设施之内，例如借助分子束外延设施来进行。

[0105] 拓扑材料、以原位的方式并且优选外延生长的超导接触部以及钝化层可以在根据本发明的方法中在横向维度为5nm至10000μm的大范围内很好限定地沉积。

[0106] 此外在根据本发明的方法中，利用电子束曝光、结构以通过结构限定给出的2.5nm至最大20nm的范围内的偏差相对彼此来进行对准。利用该方法，可以优选地从绝缘的、钝化的和（超）导的范围中原位地限定任意2D布局。

[0107] 本发明尤其是规定：除了荫罩以外还使用其他掩模（2，3）用于产生结构化的马约拉纳材料，通过所述其他掩模能够限定例如拓扑薄膜的几何结构。

[0108] 为此，有利地，所使用的拓扑材料的特性被利用用于，选择性地生长。示例性地，可以在使用硅衬底的情况下施加如下附加层在该衬底上，在所述附加层上，拓扑材料根本不生长或者仅在选择不同生长参数的情况下生长。如果衬底局部地被露出，则拓扑材料仅在这些限定的区域内沉积。该马约拉纳材料于是根据对生长参数的选择来选择性地在硅衬底的露出的部分区域内相对于附加层来生长。

[0109] 为了施加结构化的超导层以及结构化的马约拉纳材料，有利地适合的是分子束外延法，因为在从固态相来蒸发期间在根据本发明的方法中在使用限定的掩模、或在使用限定的纳米桥的情况下能够有利地部分遮蔽这些材料的定向的原子/分子流。

[0110] 在覆层方法中，可以通过入射角的变化、在不存在衬底旋转的情况下，即使在使用刚性掩模的情况下有利地实现不同的遮蔽。这导致：不同区域能够在该掩模之下生长或结构化。

[0111] 根据本发明的方法实现：以原位的方式并且选择性地生长或者蒸镀或覆盖空气和/或环境敏感的功能层、例如拓扑绝缘体的表面。在所选位置，将厚的超导层施加到拓扑绝缘体上，而在其他所选位置则仅仅布置薄的层，所述层示例性地在使用氧化性材料的情况下在转移到空气之后能够与环境反应成为用于拓扑绝缘体的绝缘保护层。由此，有利地确保功能层的局部接触并且同时地保证对整个构件进行保护的钝化层。

[0112] 在根据本发明的方法中的衬底旋转在本申请中理解为，在所产生的层构造（包括衬底和掩模）和覆层来源、例如分子束之间的这样的相对运动，使得尽管有掩模的和尤其是纳米桥的遮蔽作用，还通过分子束检测所露出的衬底表面上的所有区域。为此，必须例如一方面使分子束以不等于90°的确定角来击中到衬底或掩模，和/或另一方面使衬底在在通过-1分子束覆层期间在衬底平面中转动（旋转）。1-500 min 的衬底旋转在此是典型的。

[0113] 功能层可以在没有惰性氛围的中断情况下和优选在超高真空中、示例性地在分子束外延设施中被施加。在从惰性氛围中将具有限定结构的衬底提取之后，在存在空气氧气的情况下在超导材料的区域附近进行表面的氧化。在本发明的第一构型（变型A）中，对于具有低于相应材料的原生氧化物的层厚度的层厚度的部分区域，进行钝化氧化层的形成。在这两个超导接触部之间的拓扑绝缘体的表面上的这种钝化层的形成引起：保护拓扑材料的表面以及载流的表面状态。

[0114] 任意的混合系统的各个原子的局部布置的（借助原子探头断层成像和透射电子显微镜）的分析实现：在此所描述的方法与其他方法区别，尤其是区别：是否各个层在真空中或在惰性氛围中已被施加以及因此应识别在界面上没有氧踪迹。

[0115] 对于具有相应更厚的层厚度的部分区域，在接近表面的区域内，与原生氧化物厚度相应地，同样形成氧化物层。然而，在具有高于原生氧化物厚度和高于用于获得超导特性的临界厚度的层厚度的这些部分区域内，该材料尽管有与拓扑材料的界面上的最高层的氧化还是继续具有超导特性。

[0116] 在根据本发明的方法的其他构型中，为了构造惰性层并不仅动用到氧化性材料。在这种其他构型（变型B）中，超导接触部如之前那样通过原子/分析流的有针对性的遮蔽而限定。在结构化地施加超导接触部和确保在超导材料和处于其下的结构化的马约拉纳材料之间的过渡部的品质之后，可以全面覆盖地将钝化层沉积到结构化的马约拉纳材料的剩余的、露出的部分区域之上。作为钝化层可以例如使用之前提及的材料。
附图说明

[0117] 接下来，本发明的主题根据两个实施例和一些附图进一步来阐述。这些示例并不应理解为限制性的。实施例

[0118] 通过根据本发明的方法可以产生高品质的并且准确对准的由超导材料和马约拉纳材料组成的横向生长的多相组织。不同几何结构和维度允许结构化地限定功能装置、例如拓扑约瑟夫森结直至用于在可扩展的拓扑量子位中以及在拓扑量子寄存器中的应用的复杂网络。

具体实施方式

[0119] 在这些实施例中首先讲述在使用结构化的马约拉纳材料和超导金属的情况下用于制造约瑟夫森接触部的根据本发明的方法的优选实施方式。约瑟夫森接触部的定义不应限制性地来理解，而是同时作为拓扑量子位的最小单位而用作接下来进行的实施例的解说。用于制造各个拓扑约瑟夫森接触部的过程步骤的字母在此对应于在图1至6中的那些。

[0120] 根据本发明的方法包括多个功能层，其中在接下来的实施例中提及用于应用的具体的材料，这些具体材料不应理解成限制性的。该方法划分为总共三个部分方法：针对拓扑材料的结构化的沉积而对衬底的准备（过程步骤（I）“选择区域（Selective Area）”）；为了经限定地施加超导金属而施加接近表面的镂空掩模（Stencil mask）或荫罩（过程步骤（II）“镂空掩模”）以及在分子束外延设施之内的沉积期间用于定向地施加功能层的方法（过程步骤（III）“覆层方法”）。

[0121] 部分方法I：“选择区域”I.A 以<111>方向上的表面法线的取向，由525μm厚的硼掺杂的（大于2000Ωcm）的4”硅晶片（1）额定地从衬底的表面出发地、在真空下将第一个5nm转换成二氧化硅（SiO2）（2）。为此，使用用于干燥氧化形成的Tempress TS 8水平炉。在分子的氧的辅助下在820℃情况下的氧化之后，达到5.8nm的实际层厚度。这样转化的二氧化硅具有在稀释的氟氢酸（1%HF）中的6nm/min的蚀刻速率。

[0122] I．B在经转化的二氧化硅层（2）上平面地并且在真空下施加额定20nm厚的化学计量的硅氮化物层(Si3N4)（3）。硅氮化物在Centrotherm LPCVD系统 E1200 R&D炉中在770℃的情况下在120 sccm 氨（NH3）和20 sccm二氯硅烷（DCS）的辅助下被沉积。达到25.6nm的实际层厚度。最终得出的硅氮化物以0.4nm/min的速率在稀释的氢氟酸（1%HF）中蚀刻。

[0123] 1.C 在将化学计量的硅氮化物（3）施加后进行该层的结构化。为此首先施加120nm的AR-P 6200保护性涂料，该保护性涂料在Vistec EBPG 5000+ 电子束曝光设施中被结构化。电子在100 pA强的射束电流情况下进行50kV的加速电压。选择了5nm的步宽和250μC/cm2的邻近度校正的剂量。保护性涂料接下来在0℃的情况下以60s在AR 600-546中展开。该展开在60s 2-丙醇浴中停止。在保护性涂料中限定的结构在保护性涂料展开之后借助Oxford Plasmalab（牛津等离子实验室）100设施而被传递到化学计量的硅氮化物（3）中。所使用的等离子在50W RF-Power的所选择的功率情况下以22 sccm CHF3比2 sccm O2的比例、由氟仿（CHF3）和分子的氧（O2）来点燃。蚀刻时长在此情况下为90s。

[0124] 在示例性示出的用于结构化化学计量的硅氮化物（3）的方法中，限定具有40-10000nm的宽度的薄沟。所产生的沟的长度在此在3μm-100μm变化。

[0125] I．D二氧化硅第一层（2）的所露出的部分区域各向同性地在稀释的氢氟酸（1%HF）中被蚀刻75s。蚀刻过程在去离子水中被停止。通过在稀释的氢氟酸中二氧化硅的各向同性的蚀刻行为，接近于图1中所示地形成蚀刻轮廓，过程步骤D。

[0126] 部分方法II：“镂空掩模”II．E在部分方法I中所产生的结构上，在第一步骤中平面地并且在真空下沉积额定
400nm厚的二氧化硅层（4）。这种二氧化硅层在Centrotherm LPCVD系统 E1200 R&D炉中在
650℃的情况下并且在四乙氧基硅烷的辅助下沉积。

[0127] 这种二氧化硅层（4）仿制下方的二氧化硅层（2）和硅氮化物层（3）并且对其填充。上方的二氧化硅层（4）化学机械地被抛光（英语：chemical-mechanical planarization（化学机械平坦化），CMP）并因此被平坦化。

[0128] II．F 在二氧化硅第二层（4）上平面地并且在真空下施加化学计量硅氮化物的其他层（5）。如在过程步骤I.C中提及的，LP-CVD过程重新被进行。化学计量的硅氮化物的额定100nm厚的层被施加。

[0129] II．G 化学计量的硅氮化物第二层（5）选择性地相对于二氧化硅第二层（4）部分地被移除。重新进行电子束曝光过程，如在部分过程I.C中提及的。限定如下过渡部，该过渡部最终构成简单的约瑟夫森接触部的弱键。这种窄范围已经在之前的连续文本中作为纳米桥表示了。这些过渡部因此至少具有在化学计量的硅氮化物的第一层（3）中的之前在过程步骤I.C中所产生的结构的宽度并且彼此间具有20-200nm的横向间隔。纳米桥相对于沟的对准通过相应标记来进行。

[0130] II．H二氧化硅第二层（4）选择性地不仅相对于硅衬底（1）也相对于二氧化硅第一层（2）以及化学计量的硅氮化物的第一层（3）和第二层（5）被移除。在此，在步骤II.G中露出的区域被移除。蚀刻选择性相对来看由所提到的层的不同蚀刻速率得出。对于根据本发明的方法需要的是，二氧化硅第二层（4）在所有方向上各向同性地被移除。由此引起：包括化学计量的硅氧化物（4）的第二层的每种材料在步骤II.G中限定的纳米桥之下被移除。附加地，在部分方法I中限定的结构部分地被露出。纳米桥自该时间点起部分自由浮动地处于硅衬底（1）之上。

[0131] 部分方法III：“覆层方法”变型AIII.I具有纳米桥以及硅衬底（1）的部分露出的表面的试样被转移到用于沉积功能的层/结构的分子束外延设施中。设置p ≤ 1 x 10-9 hPa (例如 5 x 10-10 hPa)的超高真空。
组成为(Bi0.06Sb0.94)2Te3的拓扑绝缘体（6）被沉积，该拓扑绝缘体选择性地在露出的衬底表面上生长。每分钟10周转的衬底旋转保证：所提及的拓扑绝缘体同样在露出的部分区域上在纳米桥之下生长。

[0132] III.J 在衬底旋转情况下，在相同分子束外延设施中全面覆盖地施加额定2nm的钛薄层（7），该薄层能够构成密的、原生氧化物层。这种层基于衬底旋转而同样地在纳米桥之下堆积。在这里描述的实施方案中钛层的层厚度并不超出钛的原生氧化物的厚度并且在接下来的步骤中、在从设施中提取时、在部分区域内形成用于拓扑绝缘体的钝化层。

[0133] III．K 70nm的铝的其他层（8）在没有衬底旋转的情况下被施加在之前沉积的钛层（7）的部分区域上。在第二层（5）中限定的纳米桥在此部分遮蔽原子/分子流。在当前实施例中，已证实为有利的是，作为第二功能层（7）选择钛，因为其能够用作在第一功能层（6）和第三功能层（8）之间的相互扩散屏障，然而其他超导金属、诸如铝或铌选择为第三功能层（8），因为这些金属相对于钛具有特别有利的超导特性。

[0134] 部分方法III：“覆层方法”变型BIII.I 具有纳米桥以及硅衬底(1)的部分露出的表面的试样被转移到分子束外延设施的超高真空（设施特定地p ≤ 1 x 10-9 hPa）中，用于沉积功能的层/结构。包括(Bi0.06Sb0.94)2Te3的马约拉纳材料被沉积，该材料选择性地在露出的衬底表面上生长。10 min-1的衬底旋转保证：马约拉纳材料同样在露出的部分区域上在纳米桥之下生长。

[0135] III.J’在所谓的真空箱（特定p ≤ 1 x 10-8 hPa）之内的转移之后，试样被转移到分子束外延设施，用于沉积额定70nm厚的铌层（9）。该层在没有衬底旋转的情况下在第二功能层的部分区域上被施加。在分子计量的硅氮化物（5）的第二层中限定的纳米桥部分地遮蔽原子/分子流。

[0136] III.K’试样在没有真空中断的情况下被转移到相邻的分子束外延设施中。因此，层（6）和（9）连续地在惰性氛围中保持直至施加介电层（10）。分子计量的Al2O3的10nm厚的层（10）平面地被施加到试样的整个表面上。铝氧化物在此从由化学计量的Al2O3组成的靶被剥除。这种层用于在过程步骤III.J’中产生的部分区域之间保护拓扑绝缘体的表面状态和表面并且有利地保护Nb免受氧化。

[0137] 在图5和6中超出已示出的方法地针对变型A和B示出在所述提取之后用于制造约瑟夫森接触部的方法步骤。在此情况下，衬底（1）和用于掩模的层（2，3，4，5）为了简单起见而已经被省去。

[0138] 在变型A（图5）中存在：具有在其上布置的第二功能层（7）的结构化的马约拉纳材料（6）以及第三功能层（8）的这两个分开地存在的区域，其分别包括超导材料。在与空气氧气接触时，不仅使第三功能层（8）的这两个区域的接近表面的区域（在此被表示为（12））氧化而且使第二功能层（7）的露出的区域的接近表面的区域（在此被标为（11））氧化。通过将第二功能层（7）的层厚度已选择得相应薄，在这里（11）发生层的完全氧化并且因此发生针对第三功能层的分开地存在的区域（8）之间的针对拓扑绝缘体（6）的期望的遮盖（capping），而第一功能层（7）的并不露出的、与第二功能层（8）处于接触的区域则并不氧化。

[0139] 在变型B（图6）中存在具有第二功能层（9）的这两个分开地布置的区域以及在其上构造的第三功能层（10）的结构化的马约拉纳材料（6），其分别包括超导材料。在与空气氧气接触的情况下，在这种情况下，仅第三功能层（10）的接近表面的区域（在此表示为（13））氧化。通过将第三功能层（10）的层厚度总体上已选择得相应薄，在这里（13）发生层的完全氧化。由此在第二功能层的分开地存在的区域（9）之间实现针对拓扑绝缘体（6）的期望的遮盖（capping）。只要是第三功能层（10）是绝缘体，该层（10）就可以选择得任意地厚。

[0140] 根据本发明所制造的混合结构可以有利地构造成复杂的网络。这些网络包含例如作为最小次级单位的拓扑约瑟夫森接触部，但是可以在其他实施方案中示出直至多个的拓扑量子位。根据本发明的方法保证：作为拓扑绝缘体的、结构化的马约拉纳材料表面特性的封闭以及在结构化的马约拉纳材料和超导体之间的高界面品质。

[0141] 在图7中，示出本发明的其他应用。从方法步骤I出发，可以除了具有以线形式（6）（=G1）的拓扑绝缘体的根据本发明的约瑟夫森过渡部还制造约瑟夫森过渡部的其他几何结构、诸如以具有超导岛（9）的线形式（6）的拓扑绝缘体（=G2），其中超导岛（9）不仅能够完全覆盖拓扑绝缘体（变型A），而且也能够仅部分地覆盖拓扑绝缘体（变型B）。在图7中，在此在左列中指明在过程步骤I之后的俯视图、在中间列中指明在过程步骤J’之后的前视图并且在右列中指明在过程步骤K’之后的前视图。

[0142] 尤其是，根据变型B的约瑟夫森过渡部有利地也能够构型为双结（Bi-Junction）并且也构型为三结（Tri-Junction），就如在图8中示出的那样。在图8中，分别针对几何结构G2（变型），在此在左列中示出在过程步骤I之后的俯视图，在中间列中示出在过程步骤J’之后的前视图并且在右列中示出在过程步骤K’之后的前视图，作为双结和三结参见图7。

[0143] 在本申请中所引用的文献：[1]https://arxiv.org/abs/1608.00263
"Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices", Sergio Boixo, Sergei V. Isakov, Vadim N. Smelyanskiy, Ryan Babbush, Nan Ding, Zhang Jiang, John M. Martinis and Hartmut Neven, arXiv:1608.00263v2 [quant-ph] 3 Aug 2016.[2]http://iopscience.iop.org/article/10.1070/1063-7869/44/10S/S29/meta;
jsessionid=7B6A386E471815BB16B2CCDF05CF2B34.c3.iopscience.cld.iop.org"Unpaired Majorana fermions in quantum Wires", A Yu Kitaev, Chernogolovka
2000: Mesoscopic and strongly correlated electron systems, Usp. Fiz. Nauk (Suppl.) 171 (10).
[3]http://science.sciencemag.org/content/336/6084/1003
"Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices", V. Mourik, K. Zuo, S. M. Frolov, S. R. Plissard, E. P. A. M. Bakkers, L. P. Kouwenhoven,www.sciencemag.org SCIENCE VOL 336 25 MAY 2012
1003.
[4]https://arxiv.org/abs/1610.04555
"Experimental Phase Diagram of a One-Dimensional Topological
Superconductor", Jun Chen, Peng Yu, John Stenger, Moïra Hocevar, Diana Car, Sébastien R. Plissard, Erik P.A.M. Bakkers, Tudor D. Stanescu, Sergey M. Frolov,
arXiv:1610.04555v1 [cond-mat.mes-hall] for this version).
[5]http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.257003" Majorana Zero Mode Detected with Spin Selective Andreev Reflection in the Vortex of a Topological Superconductor", Hao-Hua Sun, Kai-Wen Zhang, Lun-Hui Hu, Chuang Li, Guan-Yong Wang, Hai-Yang Ma, Zhu-An Xu, Chun-Lei Gao, Dan-Dan Guan, Yao-Yi Li, Canhua Liu, Dong Qian, Yi Zhou, Liang Fu, Shao-Chun Li, Fu-Chun Zhang, and Jin-Feng Jia, Phys. Rev. Lett. 116, 257003 – Published 21 June 2016
[6]http://www.nature.com/articles/ncomms10303
“4π-periodic Josephson supercurrent in HgTe-based topological Josephson junctions” J. Wiedenmann, E. Bocquillon, R. S. Deacon, S. Hartinger, O. Herrmann, T. M. Klapwijk, L. Maier, C. Ames, C. Brüne, C. Gould, A. Oiwa, K. Ishibashi, S. Tarucha, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, Nat. Commun. 2016, 7,
10303.
[7]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022024816300847"Selective area growth of Bi2Te3 and Sb2Te3 topological insulator thin films", Jörn Kampmeier, Christian Weyrich, Martin Lanius, Melissa Schall, Elmar Neumann, Gregor Mussler, Thomas Schäpers, Detlev Grützmacher, Journal of Crystal Growth, Volume 443, 1 June 2016, Pages 38 – 42.
[8]http://www.nature.com/nmat/journal/v14/n4/abs/nmat4176.html,
"Epitaxy of semiconductor–superconductor nanowires", P. Krogstrup, N. L. B. Ziino, W. Chang, S. M. Albrecht, M. H. Madsen, E. Johnson, J. Nygård, C. M. Marcus, T. S. Jespersen, Nature Materials, 14, 400 – 406 (2015) doi:
10.1038/nmat4176.
[9]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167931714003359"Resistless nanofabrication by stencil lithography: A review", O.
Vazquez-Mena, L. Gross, S. Xie, L. G. Villanueva, J. Brugger, Microelectronic Engineering, Volume 132, 25 January 2015, Pages 236 – 254.
[10]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167931799000477"Nonorganic evaporation mask for superconducting nanodevices", T. Hoss, C. Strunk, C. Schönenberger, Microelectronic Engineering, Volume 46, Issues 1 – 4, May 1999, Pages 149 – 152。

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