(57)【要約】  マヨナラ材料と超伝導体のハイブリッド網構造をインサイチュにより製造する方法及びその方法により製造されたハイブリッド構造である。シャドウマスクを用いて、マヨナラ材料の上に超伝導材料を成膜する、マヨナラ材料と超伝導体のハイブリッド構造を製造する方法を提案し、この方法では、先ずは、基材１の上に、互いに相対的に方向付けられた、マヨナラ材料６を構造化して成膜するための第一のマスク２，３と、超伝導材料７を構造化して成長させるための別のマスク（シャドウマスク）４，５とを作成し、これらのマヨナラ材料と超伝導層の成膜が、不活性雰囲気内で、有利には、真空内で、特に有利には、超高真空内で中断すること無く実施される。この製造されたハイブリッド構造は、少なくとも一つの構造化されたマヨナラ材料、その上に配置された少なくとも一つの超伝導材料及び不活性化層を有し、この構造化されたマヨナラ材料は、０．１〜１００μｍの長さと、１０〜２００ｎｍの幅と、１２〜２６０ｎｍ、有利には、１５〜５０ｎｍの層厚によるワイヤー形状の形態を有する。構造化されたマヨナラ材料とその上に配置された少なくとも一つの超伝導材料の間の界面は、有利には、汚染されない。構造化されたマヨナラ材料の表面は、有利には、超伝導性の材料又は不活性化層によって完全に覆われる。
2020511780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの構造化されたマヨラナ材料（６）とその上に配置された少なくとも一つの構造化された超伝導材料（８，９）とを有するハイブリッド構造（６，７，８，９，１０）の製造方法であって、マスク（４，５）を用いて、この少なくとも一つの構造化された超伝導材料（８，９）が、この構造化されたマヨラナ材料の上に塗布される方法において、
先ずは、基材（１）の上に、互いに相対的に方向付けられた、マヨラナ材料（６）を構造化して塗布するための第一のマスク（２，３）と、少なくとも一つの構造化された超伝導材料（８，９）を構造化して成長させるための別のマスク（４，５）とが作成されて、
このマヨラナ材料（６）及びこの少なくとも一つの構造化された超伝導材料（８，９）を構造化して塗布することが、不活性雰囲気内、有利には、真空内で中断されること無く行なわれる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記のマスクが、以下の工程により作成され、
Ｉ．Ａ  基材（１）の上に、第一の追加層（２）が塗布される工程、
Ｉ．Ｂ  第一の追加層（２）の上に、第二の追加層（３）が塗布され、第一の追加層（２）が、第二の追加層（３）及び基材（１）に対して選択的にエッチング可能である工程、
Ｉ．Ｃ  第二の追加層（３）の少なくとも一つの部分領域が開放されるように、第二の追加層（３）の表面が構造化されて開放される工程、
Ｉ．Ｄ  第二の追加層（３）の開放された領域の下の第一の追加層（２）の一つ又は複数の開放された領域が基材（１）の上までアンダーカット可能に除去される工程、
ＩＩ．Ｅ  第一の追加層（２）と第二の追加層（３）の開放された領域が完全に塞がれるように、第三の追加層（４）が析出されて、第三の追加層（４）が第二の追加層（３）を平面的に覆う工程、
ＩＩ．Ｆ  第三の追加層（４）の上に、第四の追加層（５）が塗布され、第三の追加層（４）が第四の追加層（５）、第二の追加層（３）及び基材（１）に対して選択的にエッチング可能である工程、
ＩＩ．Ｇ  少なくとも二つの面の間に遷移域が生じて残るように、第四の追加層（５）の表面が構造化されて開放される工程、及び
ＩＩ．Ｈ  第四の追加層（５）の開放された面の下の第三の追加層（４）の領域が、基材（１）の上までアンダーカット可能に除去される工程、
これに続いて、マヨラナ材料（６）が、第一の追加層（２）及び第二の追加層（３）の開放された領域内に配置されるように、基材（１）の上に構造化されて析出される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第二の機能層（７，９）が、構造化されたマヨラナ材料（６）の上に塗布されるとともに、第四の追加層（５）の開放された表面上に少なくとも部分的に塗布される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
工程ＩＩ．Ｇにおいて、１００ｎｍ〜１００μｍ、有利には、３μｍ〜１０μｍの長さと、１０ｎｍ〜１０μｍ、有利には、１０ｎｍ〜２００ｎｍの幅の少なくとも一つの溝が作成されるように、第四の追加層（５）の表面が構造化されて開放される、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
第一の追加層（２）が、１ｎｍ〜２０ｎｍ、有利には、１〜５ｎｍの範囲内の全体的な層厚により塗布される、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
第二の追加層（３）が、５ｎｍ〜２５０ｎｍ、有利には、５〜１００ｎｍの範囲内の全体的な層厚により塗布される、請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
第一の追加層（２）と第二の追加層（３）が、１５〜５０ｎｍの全体的な層厚により析出される、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
第三の追加層（４）が、５〜５００ｎｍ、有利には、１０〜１５０ｎｍの範囲内の全体的な層厚により塗布される、請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
ディラック材料を含む構造化されたマヨラナ材料（６）が析出される、請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
（ＢｉｘＳｂ１−ｘ）２（ＴｅｙＳｅ１−ｙ）３（ここで、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）から成る構造化されたマヨラナ材料が析出される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第一の機能層（６）としての構造化されたマヨラナ材料の上に、先ずは、固有の酸化層を形成できる材料から成る第二の機能層（７）が、１〜３ｎｍの層厚により平面を覆うように塗布され、
次に、超伝導材料から成る第三の機能層（８）が、基材を回転させずに、第二の機能層（７）の部分領域の上に塗布される、
、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
ＡｌｘＯｙ、ＮｂｘＯｙ、ＴｉｘＯｙ（ここで、０≦ｘ，ｙ≦１）から成る材料が第二の機能層（７）として塗布される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
超伝導材料が第二の機能層（７）として塗布される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
超伝導材料から成る第二の機能層（９）が、基材を回転させずに、第一の機能層（６）としての構造化されたマヨラナ材料の部分領域の上に塗布され、
電気絶縁材料から成る第三の機能層（１０）が、第二の機能層（９）及び第一の機能層（６）の開放された表面の上に平面を覆うように塗布される。
、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１５】
超伝導材料が第三の機能層（１０）として析出される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも一つの構造化されたマヨラナ材料（６）、その上に配置された少なくとも一つの超伝導材料（８，９）及び一つの不活性化層（１１，１２，１３）を有する、請求項１から１５までのいずれか一つに記載の方法により製造可能なハイブリッド構造（６，７，８，９，１０）において、
構造化されたマヨラナ材料（６）が、０．１〜１００μｍの長さと、１０〜２００ｎｍの幅と、０．２〜２６０ｎｍ、有利には、５〜５０ｎｍの層厚によるワイヤー形状の形態を有することと、
構造化されたマヨラナ材料（６）とその上に配置された少なくとも一つの超伝導材料の間の界面が汚染されないことと、
構造化されたマヨラナ材料（６）の表面が、固有の酸化層を形成できる材料（７）、超伝導材料（９）又は不活性化層（１１，１３）によって完全に覆われることと、
を特徴とするハイブリッド構造。
【請求項１７】
ディラック材料を含む構造化されたマヨラナ材料（６）を有する、請求項１６に記載のハイブリッド構造。
【請求項１８】
構造化されたマヨラナ材料（６）の上に、二つの超伝導領域（８，９，１０）を備えたジョセフソン接点を有し、
構造化されたマヨラナ材料（６）が、０．１〜１００μｍの長さと、１０〜２００ｎｍの幅と、０．２〜２６０ｎｍ、有利には、５〜５０ｎｍの層厚によるワイヤー形状の形態を有する、
ことを特徴とする請求項１６又は１７に記載のハイブリッド構造。
【請求項１９】
（ＢｉｘＳｂ１−ｘ）２（ＴｅｙＳｅ１−ｙ）３（ここで、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）から成る構造化されたマヨラナ材料を有する、請求項１８に記載のハイブリッド構造。
【請求項２０】
トポロジカルＳＱＵＩＤ、トポロジカルＱｕｂｉｔ、トポロジカル量子レジスタ、ハイブリッド網構造、量子コンピュータ又はトポロジカル量子コンピュータにおいて請求項１６から１９までのいずれか一つに記載のハイブリッド構造の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不活性雰囲気内、有利には、超高真空内において、超伝導材料及びマヨラナ材料を異なる幾何学形状及び数ナノメートルまでの寸法により互いに精密に方向付けて析出させ、不活性保護層により保全することを可能にする、デバイスの製造方法に関する。上記の材料から成る複雑な網構造は、そのデバイスを有するように製造できる。この網構造は、最小のサブユニットとして、例えば、トポロジカルジョセフソン接点などのハイブリッド構造を含むが、更に別の実施形態では、多数のトポロジカル量子ビットまでをも表すことができる。この方法は、マヨラナ材料の表面特性の保全及びマヨラナ材料と超伝導体の間の高い界面品質を保証する。
【背景技術】
【０００２】
ビットを表すためには、古典的なトランジスタ技術では二つの区別可能な電圧値により定義される区別可能な物理状態が存在しなければならない。量子コンピュータの場合、それらの状態は、区別可能な量子力学的状態により表される。そのような量子コンピュータは、ビット、所謂量子ビット（Ｑｕｂｉｔｓ）を表す、大きな数の、極端な場合、任意の大きい数の区別可能な状態により特徴付けられる。そのような理由から、或る計算を量子コンピュータにおいて非常に速く効率的に解くことができる。そのようにして、グーグル社は、２０１６年１月に、Ｄ−ｗａｖｅ量子アニーラーを用いて、一つの問題を古典的なコンピュータよりも凡そ１００，０００，０００倍速く解くことができたと発表した。量子アニーラーは、特別な形式の量子コンピュータであるが、最適化問題だけに用いることができる。量子力学現象を実現可能な計算能力全体は、所謂汎用量子コンピュータにおいて初めて明らかになった。汎用量子コンピュータの主問題は、非常に敏感で短い寿命の量子状態が安定せず、それらの状態の読み出しだけで状態を変化させてしまう可能性が有ることである。その結果発生する誤りを各計算工程後に反復して訂正しなければならない。その誤り訂正（英語で、Ｅｒｒｏｒ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）は、汎用量子コンピュータの開発がゆっくりとしか進まず、最近の３０年内で二桁の数のＱｕｂｉｔを有する汎用量子コンピュータが未だ実現できていない理由である。誤り訂正式量子計算分野において、グーグル社は、２０１６年の初めに、同じく画期的な偉業を達成し、それまでの最も高い性能の誤り訂正式汎用量子コンピュータを構築した。Ｄ−ｗａｖｅ２Ｘ型量子アニーラーの１，０００Ｑｕｂｉｔと異なり、そこでは、単に８Ｑｕｂｉｔが実装されている。ＩＢＭは、同じく、確かに２０１６年５月から「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ」の枠組みに基づく開示にアクセスできる、５Ｑｕｂｉｔによる最初の汎用量子コンピュータを開発した。しかし、今のところ最新のスーパーコンピュータにより一度も解くことができなかった計算を実行するためには、少なくとも５０Ｑｕｂｉｔを必要とする（非特許文献１）。
【０００３】
５０Ｑｕｂｉｔの量子コンピュータの目的を出来る限り速く実現するために、学問機関及び産業機関が、トポロジカル量子コンピューティングと呼ばれる量子コンピューティングの比較的新しい部門に集中している。そのような形式の量子コンピュータに関して、理論において、誤り訂正が必要でなく、実際には非常に僅かな程度の誤り訂正しか必要でないとの事実は、そのアプローチを特に有望にしており、５０Ｑｕｂｉｔの機械を近い将来に近付けている。
【０００４】
従来の（トポロジカルでない）量子コンピュータの場合と同様に、トポロジカル量子コンピュータにおいても、量子物体又は量子粒子（量子力学の法則に従う物体、粒子又は準粒子）を能動的に計算プロセスに導入しなければならず、そのために、チップ上に配置して、別個に駆動し、操作して、読み出さなければならない。トポロジカル量子コンピュータの計算のベースとなる量子力学的準粒子は、所謂マヨラナゼロモード（ＭＺＭ、英語でＭａｊｏｒａｎａ  Ｚｅｒｏ  Ｍｏｄｅ）と関連する。ＭＺＭは、非アーベル交換関係に基づき、誤り耐性の有る量子コンピューティングに関する新しい方式を期待させる、０次元の準粒子励起である。
【０００５】
ＭＺＭは、所謂マヨラナ材料を超伝導材料と組み合わせた場合に発生させることができる。本明細書において、材料を超伝導材料と接触させて、ＭＺＭの発生に必要な場（Ｅフィールド及びＢフィールド）を印加した場合にマヨラナゼロモードが発生する全ての材料をマヨラナ材料と称する。マヨラナ材料は、例えば、一例としてトポロジカル絶縁体とワイル金属に更に分けることができるディラック材料や、半金属（英語で「ｓｅｍｉｍｅｔａｌ」）と混同してはならない「ハーフメタル」や、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ナノワイヤーである。必然的に、マヨラナ材料は、（英語及び本明細書の以降の記述において、「スピンレスフェルミオン」と称する）スピン自由度を持たないフェルミオン状態を有する。マヨラナ材料の部分集合、所謂トポロジカル絶縁体（ＴＩ）では、例えば、固体内のスピン軌道相互作用は、ＴＩの表面でのフェルミオン状態に関して、スピンの方向を運動量空間内のｋベクトルに直に関連付けることを引き起こす。そのような「スピンレスフェルミオン」システムにおいて超伝導を誘導すると、好適な状況（マヨラナ材料の立体的な幾何学形状、Ｅフィールド及びＢフィールド）の下でＭＺＭが発生する。
【０００６】
ＭＺＭの兆候は、２０１２年に初めてＬｅｏ  Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ等のグループによりＩｎＡｓナノワイヤーで実証され（非特許文献３）、その後別の材料系でも実証されている。マヨラナゼロモードは、基本的に常に対になって発生し、一次元構造の場合には、二つのモードが場所的に離れて一次元構造の両端に０次元励起の形で出現する。二つのマヨラナが一つのフェルミオン状態を一緒に形成する。一つの電子が、この状態を占めるか、或いは同じく占めないことが可能である。二つのマヨラナ内に一つの電子が存在するのか否かを見つけるためには、それらの二つのマヨラナを互いに向かって動かさなければならない。それらは、「接触」するか、或いはそれらの波動関数が重なり合うと、一つの電子に融合するか、或いは消滅して電子を発生させない。
【０００７】
「電子の無い」状態と「一つの電子」状態の二つの状態は、従来のスピンＱｕｂｉｔの「スピンアップ」及び「スピンダウン」の固有状態と同様に、マヨラナ対又はマヨラナＱｕｂｉｔの二つの固有状態を形成する。
【０００８】
従来のＱｕｂｉｔとの基本的な違いは、マヨラナＱｕｂｉｔでは、二つの固有状態が同じエネルギーを有する、即ち、縮退していることである。従来のＱｕｂｉｔでは、常に励起状態と基底状態が存在する。Ｑｕｂｉｔが励起状態に長く留まり過ぎると、基底状態に緩和されて、情報が失われる。マヨラナＱｕｂｉｔの場合、これは起こり得ない。これらの特性及び別の特性は、マヨラナＱｕｂｉｔが理論的に誤り訂正を必要としないこととなる（非特許文献２）。この事実は、５０Ｑｕｂｉｔの機械のための技術的な負担を大幅に軽減するとともに、そのようにしてトポロジカル量子コンピューティングの方式を魅力的にしている。
【０００９】
マヨラナ量子コンピューティングによる動作のためには、即ち、一つ又は複数のＱｕｂｉｔの状態を変更するためには、この０次元物体を二次元平面に配置しなければならない。更に、それらを互いの周りに互いに向かって動かすことが重要である。即ち、２マヨラナシステムの量子力学的状態の変更は、二つのマヨラナを互いの周りに回転させることによって行なわれる。システムが｜０＞の（電子の無い）状態に初期化され、次に、二つのマヨラナが３６０°互いの周りに回転されると、｜１＞の状態に変化する。ここで、二つのマヨラナが互いに融合できる場合、一つの電子の状態が１００％で計測されるとともに、非占有状態が０％で計測される。互いの周りを１８０°回転させた場合には、一つの電子を計測する確率が５０％になり、９０°回転させた場合には僅かに２５％になる云々。
【００１０】
即ち、基本的に、トポロジカル量子コンピュータは、平面内に配置された、目的通り互いの周りを回転（或いは編組、英語でｂｒａｉｄ）可能である或る数のマヨラナから構成される。この数のマヨラナにより、「ブレード」操作可能性が、そのため、量子コンピュータの処理能力が向上する。この試みは、要求に応じてマヨラナモードを移動できるように、（準）一次元構造又はナノワイヤーを配置することである。
【００１１】
マヨラナモードを発生させ、それに基づく第一の網構造を作成するための様々なアプローチが存在する。マヨラナモードの第一の兆候は、２０１２年にＩｎＡｓナノワイヤーで実証された（非特許文献２）。その方式及び同様の方式に基づき、その時々の目的に応じてマヨラナＱｕｂｉｔを最初に作成することが集中的に探求された。そのようにして、例えば、特許文献１により、超伝導体と準一次元磁気ナノワイヤーから成る磁気トポロジカルナノワイヤー構造が知られている。その準一次元磁気ナノワイヤーは、自己完結相互作用を奏するために、超伝導体に結合されるか、或いは組み込まれており、そのことは、空間的に分離されたマヨラナフェルミオン対を生じさせる。
【００１２】
個々の半導体ナノワイヤーからマヨラナＱｕｂｉｔを構成するアプローチは、二つの決定的な欠点を有する。一つは、トポロジカルフェーズに到達するためには、そのナノワイヤーに比較的大きな磁場が必要なことである。そのフェーズにおいてのみ、マヨラナモードを発生できる（非特許文献４）。更に、半導体ナノワイヤーからＱｕｂｉｔを構成するためには、個々のナノワイヤーをナノメートルの精度で互いに整列させなければならない。個々のナノワイヤーを用いて、或いは成長させたナノワイヤーから成る網構造を用いて処理するのか否かに関係無く、そのアプローチの拡大は膨大な負担を必要とする。
【００１３】
例えば、トポロジカル絶縁体などの幾つかのマヨラナ材料は、本質的に必要なトポロジカル特性を有する。その場合、マヨラナ物理現象を動作可能とするためには、単に化学ポテンシャルが真正バルクエネルギーギャップ内に存在すれば良い。２０１６年には、二つの独立した実験において、初めてトポロジカル絶縁体でのマヨラナモードの兆候が発見された。エネルギーギャップが表面状態の拡散内に生じるように、トポロジカル絶縁体の空間的寸法を制限する場合、同様にその構造を通して磁場／磁力線を印加する必要がある。その磁場は、ＩｎＡｓナノワイヤーにおいてラシュババンドのゼーマン分裂に必要な磁場と比較して見ると非常に小さい。その場合、特徴的な大きさは、磁束量子の１／２であり、そのことは、別の文献で引用されている寸法では、１５０ｍＴ以内の磁場に相当する（非特許文献５及び６）。
【００１４】
それらの材料において、トポロジカルフェーズを発生させる磁場が不要であるとの決定的な利点以外に、例えば、（Ｂｉ（１−ｘ）Ｓｂｘ）２Ｔｅ３（０≦ｘ≦１）などの或るトポロジカル絶縁体が選択的に成長する（例えば、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４に向かい合ったＳｉ（１１１）上において）との別の利点が有る（非特許文献７）。光リソグラフィ又は電子線リソグラフィによる成長前の予備構造は、大きな負担無しに非常に広範囲かつ複雑に定義することができる。その技術は、非常に短時間に複雑な幾何学形状を実現することを可能にする。
【００１５】
トポロジカル絶縁体の場合、マヨラナ材料内の「スピンレスフェルミオン」は固体の表面に存在する。トポロジカル絶縁体の表面を不活性環境外の周辺の空気に晒した場合、それにより生じる酸化は、ディラック状態（トポロジカル絶縁体の表面のスピンレスフェルミオンの系をそのように称する）を、そのため、表面移動を妨げることとなる。不活性雰囲気、特に、超高真空（ｐ≦１×１０−７ｍｂａｒ、有利には、ｐ≦１×１０−８ｍｂａｒ）内では、容易にトポロジカル絶縁体を酸化又は表面状態の劣化から保護するための不活性化層をトポロジカル絶縁体上に配置できることが分かった。それによって、表面状態を保持し続けることができる。不活性化層としては、例えば、酸素を全く通過させない、そのようにしてトポロジカル絶縁体を保護する、凡そ２ｎｍの層厚の薄いアルミニウム層を用いることができる。それに代わって、Ｔｅ層、Ｓｅ層及び別の絶縁層も既に不活性化層として使用されている。即ち、不活性雰囲気、場合によっては、超高真空から取り出す前に、トポロジカル絶縁体の表面全体を密閉して、それによりマヨラナ物理現象のために表面状態を保全することが重要である。（マヨラナ）材料に合わせて、その雰囲気内に存在する原子及び分子と材料の表面との如何なる（化学）反応をも阻止する雰囲気が、不活性雰囲気と呼ばれる。
【００１６】
マヨラナモードを発生させるためには、トポロジカルフェーズ以外に、第二の前提条件として、超伝導体も存在しなければならない。短い間隔（５〜１５０ｎｍ）を有し、それ自体超伝導性ではないが、低温時に超伝導体の存在により接点の間の自身の領域が超伝導性になる材料を介して接続された二つの超伝導接点がジョセフソン遷移域と呼ばれる。この「それ自体超伝導性ではない」材料は、マヨラナ材料であり、このジョセフソン遷移域をトポロジカルジョセフソン遷移域と称する。このジョセフソン遷移域は、超伝導体とマヨラナ材料から成る最も簡単なハイブリッド部品の中の一つであり、多くの複雑な部品のための基本部品である。
【００１７】
従来技術により、超伝導ジョセフソン接点をエクスサイチュにより塗布することが知られている。そのために、先ずは、真空によるコーティング方法又は薄膜技術（物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、有利には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ））によって、マヨラナ材料を、詳しくは、トポロジカル絶縁体を析出させることができる。それに続き、電子線リソグラフィ（ＥＢＬ）によって、そのための好適なレジストにより超伝導接点を定義して、その後、別の設備で蒸着又はスパッタリングすることができる。トポロジカル絶縁体が事前にキャッピング（不活性化）により密閉されている場合、超伝導体がマヨラナ材料と直に接触しなければならないので、超伝導体の析出直前に、それを除去しなければならない。そのような措置では、通常マヨラナ材料の表面が超伝導材料の塗布前に既に酸化してしまうか、或いは周囲の空気と反応する虞れが有る。そのことは、例えば、欠陥及びアモルファス化する表面領域、即ち、マヨラナ材料と超伝導体の間の汚染及び起伏を含む界面を生じさせる。そのことは、トンネル障壁として不利に作用する。そのような界面は、通常マヨラナ物理現象の動作に適していない。
【００１８】
更に、例えば、ＩｎＡｓなどの別の材料系に関して、薄膜上に、超伝導材料、特に、アルミニウムから成る均質な層をインサイチュにより塗布することが知られている（非特許文献８）。それに続いて、超伝導材料が化学的及び／又は物理的に構造化される。それは、超伝導層の部分領域の除去によって行なわれる。
【００１９】
不活性雰囲気、特に、超高真空無しに超伝導材料の塗布を可能にすることによって、マヨラナ材料（又はトポロジカル絶縁体）と超伝導体の間の非常に高い品質の界面を作成できる。そのような超伝導層の部分領域の除去が、常にその下に有る材料の表面の変化又は破壊も引き起こすことが欠点である。そのことは、特に、トポロジカル絶縁体を使用する場合に、表面の化学的変化を引き起こす。
【００２０】
マヨラナ材料の上に配置された超伝導層のナノメートル精度による除去及びそれに続くその領域の局所的な酸化は、超伝導体の表面特性のために、通常は不可能である。更に、その場合、アルミニウムでは、そのアルミニウムの表面が通常粗過ぎる。
【００２１】
従来技術により、所謂ステンシルリソグラフィが知られている。その技術は、シャドウマスク（ハードマスク）を用いて、基材又は薄膜の部分領域に第二の構造化された層を（インサイチュにより）配備することを可能にする（非特許文献９及び１０）。ハードマスクの使用は、不活性雰囲気内、有利には、超高真空内での第二の層、例えば、超伝導層の構造化を可能にする。その場合、構造化は、ハードマスク上に定義された構造の転写によって材料の流れを部分的に方向付ける設備で行なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許公開第２０１６／００３５４７０号明細書
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】「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  （ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／１６０８．００２６３）
【非特許文献２】「Ｕｎｐａｉｒｅｄ  Ｍａｊｏｒａｎａ  ｆｅｒｍｉｏｎｓ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｉｒｅｓ」，  Ａ  Ｙｕ  Ｋｉｔａｅｖ，  Ｃｈｅｒｎｏｇｏｌｏｖｋａ  ２０００：  Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ａｎｄ  ｓｔｒｏｎｇｌｙ  ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｕｓｐ．  Ｆｉｚ．  Ｎａｕｋ  （Ｓｕｐｐｌ．）  １７１  （１０）  （ｈｔｔｐ：／／ｉｏｐｓｃｉｅｎｃｅ．ｉｏｐ．ｏｒｇ／ａｒｔｉｃｌｅ／１０．１０７０／１０６３−７８６９／４４／１０Ｓ／Ｓ２９／ｍｅｔａ；ｊｓｅｓｓｉｏｎｉｄ＝７Ｂ６Ａ３８６Ｅ４７１８１５ＢＢ１６Ｂ２ＣＣＤＦ０５ＣＦ２Ｂ３４．ｃ３．ｉｏｐｓｃｉｅｎｃｅ．ｃｌｄ．ｉｏｐ．ｏｒｇ）
【非特許文献３】「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  （ｈｔｔｐ：／／ｓｃｉｅｎｃｅ．ｓｃｉｅｎｃｅｍａｇ．ｏｒｇ／ｃｏｎｔｅｎｔ／３３６／６０８４／１００３）
【非特許文献４】「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｉａｇｒａｍ  ｏｆ  ａ  Ｏｎｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ」，  Ｊｕｎ  Ｃｈｅｎ，  Ｐｅｎｇ  Ｙｕ，  Ｊｏｈｎ  Ｓｔｅｎｇｅｒ，  Ｍｏiｒａ  Ｈｏｃｅｖａｒ，  Ｄｉａｎａ  Ｃａｒ，  Ｓｅａｂａｓｔｉｅｎ  Ｒ．  Ｐｌｉｓｓａｒｄ，  Ｅｒｉｋ  Ｐ．Ａ．Ｍ．  Ｂａｋｋｅｒｓ，  Ｔｕｄｏｒ  Ｄ．  Ｓｔａｎｅｓｃｕ，  Ｓｅｒｇｅｙ  Ｍ．  Ｆｒｏｌｏｖ，  ａｒＸｉｖ：１６１０．０４５５５ｖ１  ［ｃｏｎｄ−ｍａｔ．ｍｅｓ−ｈａｌｌ］  ｆｏｒ  ｔｈｉｓ  ｖｅｒｓｉｏｎ）  （ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／１６１０．０４５５５）
【非特許文献５】「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  （ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌｓ．ａｐｓ．ｏｒｇ／ｐｒｌ／ａｂｓｔｒａｃｔ／１０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ．１１６．２５７００３）
【非特許文献６】「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．  Ｂｒuｎｅ，  Ｃ．  Ｇｏｕｌｄ，  Ａ．  Ｏｉｗａ，  Ｋ．  Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ，  Ｓ．  Ｔａｒｕｃｈａ，  Ｈ．  Ｂｕｈｍａｎｎ，  Ｌ．  Ｗ．  Ｍｏｌｅｎｋａｍｐ，  Ｎａｔ．  Ｃｏｍｍｕｎ．  ２０１６，  ７，  １０３０３  （ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｔｕｒｅ．ｃｏｍ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／ｎｃｏｍｍｓ１０３０３）
【非特許文献６】「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｂｉ２Ｔｅ３  ａｎｄ  Ｓｂ２Ｔｅ３  ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ」，  Ｊｏｅｒｎ  Ｋａｍｐｍｅｉｅｒ，  Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｗｅｙｒｉｃｈ，  Ｍａｒｔｉｎ  Ｌａｎｉｕｓ，  Ｍｅｌｉｓｓａ  Ｓｃｈａｌｌ，  Ｅｌｍａｒ  Ｎｅｕｍａｎｎ，  Ｇｒｅｇｏｒ  Ｍｕｓｓｌｅｒ，  Ｔｈｏｍａｓ  Ｓｃｈaｐｅｒｓ，  Ｄｅｔｌｅｖ  Ｇｒuｔｚｍａｃｈｅｒ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ４４３，  １  Ｊｕｎｅ  ２０１６，  Ｐａｇｅｓ  ３８-４２  （ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｐｉｉ／Ｓ００２２０２４８１６３００８４７）
【非特許文献８】「Ｅｐｉｔａｘｙ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ-ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ，  Ｐ．  Ｋｒｏｇｓｔｒｕｐ，  Ｎ．  Ｌ．  Ｂ．  Ｚｉｉｎｏ，  Ｗ．  Ｃｈａｎｇ，  Ｓ．  Ｍ．  Ａｌｂｒｅｃｈｔ，  Ｍ．  Ｈ．  Ｍａｄｓｅｎ，  Ｅ．  Ｊｏｈｎｓｏｎ，  Ｊ．  Ｎｙｇaｒｄ，  Ｃ．  Ｍ．  Ｍａｒｃｕｓ，  Ｔ．  Ｓ．  Ｊｅｓｐｅｒｓｅｎ，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  １４，  ４００-４０６  （２０１５）  ｄｏｉ：１０．１０３８／ｎｍａｔ４１７６  （ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｔｕｒｅ．ｃｏｍ／ｎｍａｔ／ｊｏｕｒｎａｌ／ｖ１４／ｎ４／ａｂｓ／ｎｍａｔ４１７６．ｈｔｍｌ）
【非特許文献９】「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  （ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｐｉｉ／Ｓ０１６７９３１７１４００３３５９）
【非特許文献１０】「Ｎｏｎｏｒｇａｎｉｃ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ  ｍａｓｋ  ｆｏｒ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｎａｎｏｄｅｖｉｃｅｓ」，  Ｔ．  Ｈｏｓｓ，  Ｃ．  Ｓｔｒｕｎｋ，  Ｃ．  Ｓｃｈｏｅｎｅｎｂｅｒｇｅｒ，  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ４６，  Ｉｓｓｕｅｓ  １-４，  Ｍａｙ  １９９９，  Ｐａｇｅｓ  １４９-１５２  （ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｐｉｉ／Ｓ０１６７９３１７９９０００４７７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の課題は、マヨラナ材料と超伝導体のハイブリッド網構造の最小単位としての少なくとも一つの構造化されたマヨラナ材料及びその上に構造化されて配置された少なくとも一つの超伝導材料から成る、マヨラナ材料と超伝導体の構造（以下において、ハイブリッド構造とも称する）を少ない処理工程で作成できる方法を提供することである。本方法は、一方において、表面と界面の高い品質を保証し、更に、構造化されたマヨラナ材料の不活性化を保証する。特に、本方法によって、特に、マヨラナ物理現象のために、作成された表面状態を保全できることを可能にする。
【００２５】
更に、本方法は、構造化されたマヨラナ材料と超伝導材料を高い精度で互いに相対的に方向付けるとともに、高い拡張性を保証することを可能にする。
【００２６】
更に、本発明の課題は、前記の方法を用いて、マヨラナ材料と超伝導体から成る任意の複雑な網構造の構築を可能にする高品質のハイブリッド構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の課題は、主請求項に基づく少なくとも一つの構造化されたマヨラナ材料、その上に構造化されて配置された少なくとも一つの超伝導材料及び構造化されたマヨラナ材料の自由な表面上に配置された不活性化層から成るマヨラナ材料と超伝導体の構造（以下において、ハイブリッド構造と略称する）の製作方法によって解決される。
【００２８】
更に、本課題は、副請求項に基づく少なくとも一つの構造化されたマヨラナ材料、特に、横方向に成長させた（準）一次元ナノワイヤーの形の少なくとも一つの構造化されたマヨラナ材料又は横方向に成長させた（準）一次元ナノワイヤーと、その上に構造化されて配置された少なくとも一つの超伝導材料と、構造化されたマヨラナ材料の自由な表面上に配置された不活性化層とから成るハイブリッド構造、並びに別の副請求項に基づくそのようなハイブリッド構造の使用方法によって解決される。
【００２９】
本方法、本デバイス及び本使用方法の有利な実施形態は、それぞれ主請求項及び副請求項を引用する請求項から明らかになる。
【００３０】
本発明は、表面付近のマスクを用いて、（ハイブリッド構造と略称する）マヨラナ材料と超伝導体の構造を製造できる方法に関する。このハイブリッド構造は、本発明の範囲内において、横方向に成長させた（準）一次元ナノワイヤー又は横方向に成長させた（準）一次元ナノ構造として定義され、後者は、例えば、構造化されたトポロジカル薄膜の形で存在できる少なくとも一つの構造化されたマヨラナ材料を有する。このハイブリッド構造は、構造化されたマヨラナ材料以外に、その構造化されたマヨラナ材料の上に配置された構造化された少なくとも一つの超伝導材料と、この超伝導材料と接触しない、構造化されたマヨラナ材料の自由な表面の上に配置された不活性化層とを有する。
【００３１】
本発明による構造では、二つの層のインサイチュによる成長、有利には、エピタキシャル成長によって、例えば、トポロジカル絶縁体と超伝導金属の間の界面の特別な品質が保証される。
【００３２】
更に、本発明による方法を用いて、有利には、製造時に、マヨラナ材料の表面状態の破壊も変化も引き起こさないようにする保護用不活性化層を構造化されたマヨラナ材料の開放領域の上に直に作成することもできる。トポロジカル絶縁体の表面状態は、ディラック状態とも呼ばれる。
【００３３】
本発明による方法では、有利には、マヨラナ材料の上に少なくとも一つの超伝導材料を構造化して塗布するための従来技術により周知のマスク（シャドウマスク、ハードマスク、「ステンシルマスク」）以外に、マヨラナ材料を所定の幾何学形状で基材の上に析出させる役割を果たす別のマスク（予備構造、「選択エリア」を作成するためのマスク）が事前に基材の上に直に作成される。ハイブリッド構造の製造時に、基材の上に二つのマスクを作成することは、有利には、それに続いて、析出される構造化されたマヨラナ材料と、その後の少なくとも一つの超伝導構造との両方が、有利には、製造中に早くも互いに相対的に精密に方向付けることができるとの作用を奏する。更に、本発明では、処理工程が不活性雰囲気内、有利には、ＵＨＶ内において継続して実行されることによって、ハイブリッド構造の界面の非常に良好な品質及び特性を保証することができる。
【００３４】
本発明による方法によって、有利には、品質が高く、精密に方向付けらた超伝導材料とマヨラナ材料から成る横方向に成長させたヘテロ構造を作成することができる。様々な幾何学形状と寸法は、トポロジカルジョセフソン接合を初めとして、拡張可能なトポロジカルＱｕｂｉｔ及びトポロジカル量子レジスタで使用するための複雑な網構造までの機能デバイスの構造された定義を可能にする。
【００３５】
本発明では、構造化されたマヨラナ材料と超伝導材料の両方を横方向に成長させる。本発明による方法では、これらの処理を蒸着に基づき実施する必要無しに、構造化されたマヨラナ材料と超伝導材料の両方が構造化されて互いに相対的に塗布される。従来から周知のインサイチュによる構造化方法と異なり、本発明による方法は、界面の凹凸性及び個々の機能層の実現可能な寸法において特別な利点を提供する。
【００３６】
そのような本発明により製造された、高品質のハイブリッド構造は、有利には、トポロジカル材料の良好に定義された遷移域及び超伝導体に対して最小単位としての役割を果たす、トポロジカルジョセフソン接点でも、トポロジカルＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉デバイスの略称）、トポロジカルＱｕｂｉｔ（量子ビットの略称）及びトポロジカル量子レジスタなどの複雑な部品でも使用することができる。
【００３７】
そのようなハイブリッド構造をマヨラナ物理現象及びその上に構築されるトポロジカル量子に対して前述した通り使用するには、製造すべき部品又は界面が、本発明による構造を提供するような高い品質を有することが必要である。
【００３８】
例えば、そのような本発明による構造を有するジョセフソン接点とは、超伝導性ではない薄い領域によって互いに分離された二つの超伝導材料であると理解する。以下において、ジョセフソン接点において二つの超伝導体を互いに分離する、定義により超伝導性ではない領域が弱結合部であると理解する。
【００３９】
以下において、本発明によるハイブリッド構造に関する一例としてのトポロジカルジョセフソン接点の例に基づき本発明を詳しく説明するが、それに限定されるものではない。この場合、トポロジカルジョセフソン接点は、互いに横方向に配置された二つの超伝導材料と、超伝導性ではない領域（弱結合部）を表す構造化されたマヨラナ材料とを有する。
【００４０】
従来技術により、トポロジカル材料を有する二つの超伝導体の間の中間領域としての弱結合部が、超伝導体の間の間隔が十分に短い場合に同じく超伝導性となれることが知られている。十分に短い間隔とは、トポロジカル材料内の対を成す電子状態の可干渉距離よりも短い間隔である。アルミニウムを超伝導材料とする場合の可干渉距離は、結晶材料及び超伝導体とトポロジカル材料の間の境界層の両方の品質に応じて、周知の通り１００〜４００ｎｍである。ニオブを使用する場合、この可干渉距離の特性値は、より高い転移温度のために若干低下して、５０〜２５０ｎｍの範囲内である。
【００４１】
ジョセフソン接点の場合の品質保証は、一方において、弱結合部の領域における良好な移動が保証され、そのために、インサイチュによる密閉（キャッピング）が必要であることと、この接点が、他方において、超伝導体と構造化されたマヨラナ材料の間にクリーンな鋭い界面を有することとを意味する。このことは、特に、インサイチュによる成長により、有利には、両方の層のエピタキシャル成長により実現することができる。構造化するマヨラナ材料を構造化して互いに相対的に方向付けて成長させることであるインサイチュによるキャッピングと、有利には、エピタキシャルによる超伝導接点のインサイチュによる塗布との両方が本発明による方法により可能であり、その際、不活性雰囲気及び／又は超高真空を断念する必要はない。
【００４２】
この場合、本発明は、そのようなハイブリッド構造を作成するために、既に周知のステンシルマスク（シャドウマスク）以外に、構造化するマヨラナ材料の幾何学形状を定義できる、同じく基材と固く結合された別のマスクを用いると規定する。
【００４３】
以下において、本発明によるハイブリッド構造の製造方法をトポロジカル絶縁体と超伝導金属を用いたジョセフソン接点の例に基づき記述するが、そのような具体的な実施形態に限定されない。
【００４４】
本発明による方法の個々の工程は、図１〜６に基づく本発明によるハイブリッド構造としてのジョセフソン結合（ジョセフソン接点）の製造例により理解できる。この場合、以下における処理工程において例示する材料又は層情報は、明らかに本発明を限定するものではないと理解されたい。この場合、当業者は、そこでは如何なる情報が特にジョセフソン結合に関連して、別のハイブリッド構造を製造する際に相応に修正すべきであるのかを容易に認識できる。
【００４５】
ここで説明するジョセフソン接点の製造例は、本発明を限定するものではなく、トポロジカルＱｕｂｉｔの最小単位であると同時に、その後の実施例を説明する役割を果たす例であると理解されたい。この場合、個々のトポロジカルジョセフソン接点を製造する処理工程の符号は図１〜６の符号に対応する。そのような個々のジョセフソン接点の上に構築される複雑なデバイスを製造する更なる実施例は図７〜８に見ることができる。
【００４６】
本発明による方法は、全体として、次の三つの部分処理に分けられる。
Ｉ．基材の上に第一の機能性マスクを作成することによる、マヨラナ材料を構造化して析出するための基材の前処理（処理工程Ｉ「選択エリア」）。
ＩＩ．同じく基材の上に少なくとも一つの超伝導材料を定義して塗布するための表面付近のシャドウマスク（ステンシルマスク）の作成（処理工程ＩＩ「ステンシルマスク」）。
ＩＩＩ．機能層を方向付けて構造化して塗布するための真空室内における積層中の方法（処理工程ＩＩＩ「コーティング方法」）。
【００４７】
作成されたマスクを用いて機能構造を積層するための異なる手法を区別するために、この第三の部分処理は、更に、次の二つの異なる変化形態から構成される。
【００４８】
［部分処理Ｉ：「選択エリア」］
Ｉ．Ａ  洗浄された基材１の上に、第一の追加層２が、真空の下で、有利には、ＵＨＶの下で平面的に塗布される。この基材は、例えば、任意の大きさのシリコンウェーハ又はシリコンウェーハの一部であるとすることができる。洗浄された基材とは、基材表面の汚れを除去するための基材に関して典型的な当業者に周知の標準的な方法により処理された基材であると理解する。そのようにして、基材特有の化合物だけを有する基材表面が準備される。
【００４９】
基材の材料は、その上にトポロジカル絶縁体を成長可能とするのに適した材料でなければならない。第一の層２に関して、有利には、基材及び第二の層３に対して、選択的にエッチング可能な材料を使用することができる。例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）がそれに適しており、それは、有利には、高い品質を有し、例えば、シリコン表面の熱変換方法により作成できる。有利には、このＳｉＯ２は、基材１及び第二の追加層３のシリコンと比べて非常に良好なエッチング選択性を有する。
【００５０】
このＳｉＯ２層は、例えば、フッ化水素酸により、等方に除去することができ、基材の上に、好適な表面を成長させるための原子の面が作成される。有利には、ＳｉＯ２層は、更に、漏れ電流を抑制できる誘電特性を有する。従来技術により、１〜１０ｎｍの薄いＳｉＯ２層は、第二の追加層３として化学量論的な窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を使用した場合に、Ｓｉ３Ｎ４がシリコン表面に加える可能性の有る応力を効果的に緩和又は防止することが知られている。シリコン基材内の応力は、第一の機能層６による基材の密閉に対して不利に作用する可能性が有る。
【００５１】
第一の層２の選定された層厚は、基材に対して起こり得る応力を相殺する。第一の層２の層厚としては、１〜２０ｎｍの実現可能な範囲、有利には、１〜５ｎｍの範囲が選定される。
【００５２】
Ｉ．Ｂ  第一の追加層２の上に、第二の追加層３が、真空の下で平面的に塗布される。この層３は、第一の追加層２に対して選択的に除去できることを特徴とする。この第二の層は、ここで述べた実施例では、ＨＦに対して安定しており、特に、応力を持たない。前述した例では、例えば、薄い厚さの寄生酸素化合物を有する化学量論的な窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）が使用される。この場合、好適な方法は、低圧の下での気相の窒化物の析出（英語で、ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＬＰ−ＣＶＤ）が有効である。有利には、湿式化学エッチング方法又は乾式エッチング方法におけるマスクとして、透明なＳｉ３Ｎ４層を使用することができる。この第二の追加層３は、成長中にシリコン基材に対してトポロジカル絶縁体を選択的に積層させない部分領域を定義する役割を果たす。
【００５３】
第二の層３の表面は、有利には、処理工程ＩＩＩ．Ｉにおいて、第一の機能層６の表面により密閉される。従って、層厚は、０．２〜２５０ｎｍの範囲内で、有利には、５〜１００ｎｍの範囲内で選定される。
【００５４】
Ｉ．Ｃ  第二の追加層３の塗布後に、有利には、電子線リソグラフィ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ＥＢＬ）により、好適なラッカー又はレジストを用いて、その層の構造化が行なわれる。このレジストにおいて定義される構造は、ラッカーの展開後に、それに続くエッチング方法を用いて、第二の追加層３に転写される。この第二の追加層３は、その限りにおいて、第一の追加層２に対して選択的に構造化されるように、部分的に除去される。
【００５５】
有利には、反応性イオンエッチング（英語で、ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）により、第二の追加層３、特に、Ｓｉ３Ｎ４層において、所望の構造を精密に作成することができる。特に、この方向性エッチング方法によって、異方性構造が作成される。
【００５６】
ここで述べる例では、例えば、反応性ガス成分としてフッ素化合物と純粋な酸素を用いた反応性イオンエッチングが好適である。代替手法は、例えば、フッ化水素酸による窒化珪素の湿式化学除去、或いは、例えば、イオンビーム設備における、加速イオンを用いた窒化珪素の物理的な剥離（英語で、ｉｏｎ  ｂｅａｍ  ｅｔｃｈｉｎｇ：ＩＢＥ）である。
【００５７】
ここで述べる第二の層３を構造化する方法では、例えば、１０〜１０，０００ｎｍ、有利には、３０〜２００ｎｍの幅による細い溝が第二の層３において定義される。この場合、作成する溝の長さは、有利には、１００ｎｍ〜１００μｍ、有利には、３〜１０μｍ内で変わる。これらの溝は、同じくリング又は長方形の構造で定義することができる。
【００５８】
そのため、本方法のＡ〜Ｃの工程によって、第一の機能性マスクが形成され、そのマスクを用いて、本発明により、有利には、構造化されるマヨラナ材料の定義された幾何学形状を実現することが可能である。
【００５９】
Ｉ．Ｄ  第一の追加層２の開放された部分領域が、第二の追加層３及び基材１に対して選択的に除去される。この場合、有利には、基材１の化学的変化及び／又は基材表面の損傷を引き起こさないプロセスが使用される。例えば、前記の材料を用いて、二酸化珪素を選択的にエッチングするとともに、シリコン基材の表面を変化させずに開放する希釈されたフッ化水素酸が使用される。
【００６０】
希釈されたフッ化水素酸内における二酸化珪素の等方性エッチング処理によって、図１に図示された処理工程Ｄに近いエッチング輪郭が形成される。
［部分処理ＩＩ「ステンシルマスク」］
【００６１】
ＩＩ．Ｅ  第一の工程において、部分処理Ｉで作成された構造の上に、第三の追加層４が真空の下で平面的に析出される。この層は、基材１と第一及び第二の追加層２，３に対して選択的に除去される。この場合、例えば、第一の二酸化珪素層２に比べて低い品質の二酸化珪素が使用されるとともに、低圧において気相から（ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＬＰ−ＣＶＤ）析出することができる。この第二の二酸化珪素層４は、希釈されたフッ化水素酸内で明らかにより速くエッチングされ、その結果、エッチング時間の選定によって、この層を第一の二酸化珪素層２に対して選択的に除去することができる。
【００６２】
第三の追加層４の選定された層厚は、基材１の表面からの表面付近のマスク（シャドウマスク）の間隔を定義する。部分処理ＩＩＩにおいて、四つまでの機能層が基材表面の上に析出される。従って、第三の追加層４の層厚としては、５〜５００ｎｍの範囲、有利には、１０〜１５０ｎｍの範囲が選定される。
【００６３】
ＩＩ．Ｆ  第三の追加層４の上に、第四の追加層５が真空の下で平面的に塗布される。この層は、第三の追加層４に対して選択的に除去される。窒化珪素を新たに使用する場合、処理工程Ｉ．Ｃで述べた方法を用いることができる。
【００６４】
ＩＩ．Ｇ  第四の追加層５は、第三の追加層４に対して選択的に部分的に除去される。作成すべき構造は所望のデバイスに応じて変わる。例えば、断面に関して、構造の異なる実施形態を実施例により説明する。この場合、これらの構造は、大きな面と小さく狭い遷移域の両方を含み、これらの両方は、第一の追加層２内に作成された構造に対して相対的に方向付けられる。最終的にジョセフソン接点を定義する前記の遷移域は、少なくとも、事前に処理工程Ｉ．Ｃで作成された構造の幅と、１０〜５００ｎｍ、有利には、１０〜２００ｎｍの横方向の相互間隔とを有する。この狭い領域は、以下において、ナノブリッジと称する。
【００６５】
ＩＩ．Ｈ  第三の追加層４は、基材１と第一、第二及び第四の追加層２，３，５の両方に対して少なくとも部分的に選択的に除去される。この場合、工程ＩＩ．Ｇで開放された領域が除去される。本発明による方法のためには、第三の追加層４を全ての方向に等方に除去することが必要である。その結果、工程ＩＩ．Ｇで定義されたナノブリッジの下の第三の追加層４の如何なる材料も除去される。更に、本方法の部分Ｉで定義された構造は、部分的に開放される。これらのナノブリッジは、この時点以降、基材１の上方に部分的に自由に浮かぶように定義される。
【００６６】
本発明の工程Ｄ〜Ｆによって、その限りにおいて、多くの場合、シャドウマスクとも呼ばれる第二の機能マスクが形成される。
【００６７】
二つの部分処理Ｉ及びＩＩは、その限りにおいて、基材の上におけるハイブリッド構造の機能層の本来の析出又は作成に対する前処理の役割を果たす。
【００６８】
以下における本方法の工程Ｉ〜Ｋは、真空、ここでは、特に、超高真空（ｐ≦１×１０−７ｍｂａｒ、有利には、ｐ≦１×１０−８ｍｂａｒ）を中断すること無く、不活性雰囲気内で順番に実施される。不活性雰囲気としては、例えば、純粋なＮ２ガスが考えられる。
【００６９】
［部分処理ＩＩＩ「コーティング方法」の変化形態Ａ］
ＩＩＩ．Ｉ  ナノブリッジと基材１の部分的に開放された面を有する試料は、機能層／機能構造を析出させるために、真空室、例えば、分子線エピタキシー設備内を移送される。しかし、本方法のこの工程は、成長が部分的に方向付けられて実施される別のコーティング設備で実行することもできる。この場合、例えば、化学気相析出設備（英語で、ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）におけるＩＩＩ／Ｖ族ナノワイヤーの成長を参照する。第一の機能層６が析出される。この層は、基板１の開放された表面の上に選択的に成長させなければならない一方、追加層２，３の開放された表面の上に、必ず材料を析出させるとともに、追加層４，５の表面の上には、有利には、材料を析出させない。第一の機能層６はマヨラナ材料から成る。
【００７０】
例えば、（ＢｉｘＳｂ１−ｘ）２（ＴｅｙＳｅ１−ｙ）３（ここで、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）の形のトポロジカル絶縁体をシリコン１１１の表面の上に二酸化珪素２．４及び窒化珪素３．５に対して選択的に成長させる。
【００７１】
この析出は、基材の１〜５００回転／分の回転により行なわれ、それによって、トポロジカル絶縁体がナノブリッジの下の開放された部分領域の上に同様に成長することが保証される。
【００７２】
この場合、本方法の工程Ａ〜Ｃにより作成される第一の機能マスクは、マヨラナ材料の構造を定義する。
【００７３】
この場合、層厚は、特に、トポロジカル薄膜６の表面が、有利には、第二の層３の開放された表面により密閉されるように設定される。
【００７４】
ＩＩＩ．Ｊ  同様に、基板を回転させて、固有の酸化層を形成する、例えば、アルミニウム、ニオブ、タングステン、チタン、ハフニウム又はプラチナの第二の機能層７が、平面を覆うように塗布される。有利には、超伝導材料、例えば、アルミニウム又はニオブが使用される。この層は、同じく基材の回転に基づきナノブリッジの下に積層される。
【００７５】
ここで述べた実施形態では、その後の工程において、トポロジカル絶縁体のための不活性化層を形成できるように、第二の機能層７の層厚は、それぞれ選定された材料の固有の酸化物の厚さを上回ってはならない。
【００７６】
本方法の一つの実施形態では、有利には、アルミニウムにより、不活性化層を目的通り形成することができるので、アルミニウムから成る薄膜が塗布される。例えば、層厚が最大３ｎｍである、アルミニウムから成る薄膜を塗布することができ、その理由は、この層厚では、その後の酸化時に、アルミニウム層が、空気と接触した場合に、第二の機能層７として酸素を完全に通さなくなるからである。
【００７７】
ＩＩＩ．Ｋ  超伝導材料、例えば、アルミニウム又はニオブから成る第三の機能層８が、基材を回転させずに、第二の機能層７の部分領域の上に構造化されて塗布される。第四の追加層５において定義されたナノブリッジは、電子／分子の流れを部分的に遮蔽する。この電子／分子の流れの部分的な遮蔽によって、第二の機能層７が完全に平面的にコーティングされるのではなく、部分領域においてのみコーティングされる。
【００７８】
ここで積層される材料８の層厚は、一方において、少なくともその材料の超伝導特性の取得に関して重要な厚さであるが、他方において、使用する材料のその後の工程で形成される固有の酸化部の厚さを下回らない。
【００７９】
更に、第三の機能層８の層厚は、さもないと、生成されたハイブリッド構造とシャドウマスクの望ましくない接触を排除できなくなるので、第二の機能層７の表面と第四の追加層５の下端の間の間隔を上回らない。
【００８０】
積層される部分領域８の層厚は、その限りにおいて、第一の追加層２の選定された層厚に応じて、通常は５〜５００ｎｍである。有利には、大抵の超伝導金属の超伝導特性を保証する３０〜１００ｎｍの層厚が選定され、その際、酸化物層のその後の形成も一緒に考慮すべきである。
【００８１】
第二の機能層７の材料は、第三の機能層８の材料と同じもの、即ち、超伝導材料を選定することができる。しかし、第二の機能層の機能に関して、超伝導性を必ずしも必要とせず、不活性化層としての固有の酸化物層の形成が優先されるので、これらの二つの材料を異なるように選定することもできる。相互拡散バリアとして非超伝導材料を選定した場合、定義された弱結合部を介する近接誘導超伝導性が保証されるように、そのバリアが十分に薄く選定されることに留意されたい。
【００８２】
そのように、本発明による方法では、例えば、チタンは、第一の機能層６と第三の機能層８の間の相互拡散バリアとしての役割を果たすことができるので、第二の機能層７として、チタンを選定するのが有利であるが、別の超伝導材料を、例えば、アルミニウムやニオブの金属は、チタンと比べて特に有利な超伝導特性を有するので、第三の機能層８として、アルミニウム又はニオブを選定するのが有利である。
【００８３】
［本方法の部分ＩＩＩ「コーティング方法」の変化形態Ｂ］
ＩＩＩ．Ｉ  本方法のこの工程は、変化形態Ａと同じである。
【００８４】
ＩＩＩ．Ｊ’  超伝導材料、例えば、アルミニウム又はニオブから成る第二の機能層９が、基材を回転させずに、第一の機能層（構造化されたマヨラナ材料）６の部分領域の上に塗布される。この場合、第四の追加層５において定義されたナノブリッジは、原子／分子の流れを部分的に遮蔽する。ＩＩＩ．Ｋと同様に、この原子／分子の流れの部分的な遮蔽によって、構造化されたマヨラナ材料６が完全に平面的にコーティングされるのではなく、部分領域においてのみ第二の機能層９の超伝導材料により構造化されてコーティングされる。
【００８５】
代替実施形態では、第二の機能層９は、薄い相互拡散バリアと厚い超伝導層から成る層システムとして塗布することもできる。相互拡散バリアのための材料として、有利には、金属又は超伝導体を選定することができる。超伝導層の層厚に関しては、超伝導性を取得するために重要な厚さに新ためて留意されたい。文献からは、相互拡散バリアとして、例えば、プラチナ、タングステン又はチタンから成る薄い層が知られている。相互拡散バリアとして非超伝導材料を選定した場合、定義された弱結合部を介する近接誘導超伝導性が保証されるように、そのバリアが十分に薄く選定されることに留意されたい。
【００８６】
第二の機能層９の積層される材料の厚さは、少なくともその材料の超伝導特性を取得するために重要な厚さであり、その際、更に、固有の酸化物の層厚を考慮しなければならない。この層は、使用する材料が、析出後に空気中の酸素又は任意の別の形の酸素と接触した時に形成される。
【００８７】
従って、有利には、第二の機能層９の部分領域の厚さは、５０〜１００ｎｍであり、材料の厚さは、第一の機能層６と第四の追加層５の表面の間の間隔を上回らない。
【００８８】
ＩＩＩ．Ｋ’  電気絶縁材料から成る第三の機能層１０が、第二の機能層９／層システム及び第一の機能層６の開放された領域の上に平面を覆うように塗布される。この定義は、処理工程ＩＩＩ．Ｊで述べたような酸化する金属を含む。
【００８９】
しかし、有利には、本方法の部分ＩＩＩのこの実施形態では、処理工程ＩＩＩ．Ｊ’で作成された部分領域における構造化されたマヨラナ材料の表面及び表面状態を保護するために別の材料を使用することもできる。この場合、使用する材料は、技術的に関連する温度範囲において、実際の電子温度を考慮して、選定された材料における荷電粒子のコヒーレントなトンネリングが起こり得ないような十分に大きなエネルギーバンドギャップを有する。この技術的に関連する範囲は、使用する超伝導体の特徴的な臨界温度により定義される。
【００９０】
有利には、この第三の機能層１０は、第一の機能層６とも、第二の機能層９とも反応／相互拡散しない。例えば、第三の機能層１０として、窒化珪素を使用することができる。
【００９１】
更に、例えば、ＡｌｘＯｙ、ＮｂｘＯｙ、ＴｉｘＯｙ（ここで、０≦ｘ，ｙ≦１）などの不活性金属酸化物の化合物も、或いは硫黄、テルルやセレンなどの別のＶＩ族の元素を有する不活性金属化合物も好適である。同様に、トポロジカル表面状態の一時的な保護層として、純粋なテルルやセレンから成る層を析出させることができる。
【００９２】
本発明による方法によって、有利には、品質が高く、精密に方向付けられ（配列され）た、構造化された超伝導材料と構造化されたマヨラナ材料から成る横方向に成長させたヘテロ構造を作成することができる。このことは、例えば、トポロジカル材料の超伝導特性の特徴付けに関して重要であるが、最終的には拡張可能なトポロジカルＱｕｂｉｔと量子レジスタの両方での使用に関しても重要である。
【００９３】
本発明による方法によって、有利には、クリーンルームにおいて従来技術で用いられている全てのエクスサイチュによる工程を回避して、デバイス全体をインサイチュにより製造する、例えば、成長させることができる。当業者に周知の成長前の基材の前処理によって、接点パッド、ノコギリマーカー、横方向の超伝導構造及び構造化されたトポロジカル薄膜を提供するデバイスを成長させることができる。そのため、特に、クリーンルームにおいてトポロジカルジョセフソン接点を製造する際に従来技術で生じる全ての問題が回避される。周囲環境、例えば、空気中の酸素との相互作用によって、表面が、そのため、トポロジカル特性が変化するか、それどころか破壊される可能性が有るので、このことは、トポロジカル材料において特に有利である。
【００９４】
特に、有利には、コスト及び時間の負担の少ない高い拡張可能性が本発明による方法と関連する。従来技術によるナノワイヤーＱｕｂｉｔを製造する従来からの方法と異なり、本発明による方法では、各ナノワイヤー又は各ナノ構造を手動で位置決めして接触させる必要が無く、好適に前処理された基材の上に構造化されたマヨラナ材料を目的通り選択的に析出させて定義することができる。Ｑｕｂｉｔや量子レジスタなどの所望のデバイスの大きさ及び複雑さが増大するにつれて、本発明による方法は、拡張可能性に関する利点を提供する。
【００９５】
この場合、本発明による方法のための層を塗布する好適な手法として、物理的な気相析出（ＰＶＤ）以外に、特に、低圧での化学的な気相析出（ｌｏｗｅｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＬＰ−ＣＶＤ）及び分子線エピタキシー（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）が挙げられる。
【００９６】
化学的な気相析出は、特に、本方法の工程Ｉ．Ａ、Ｉ．Ｂ、ＩＩ．Ｅ及びＩＩ．Ｆによる第一及び第二の追加層と第三及び第四の追加層を析出させるためのシリコンを含有する平坦な層の生成に適している。
【００９７】
本方法の工程Ｉ〜Ｋによる機能層の塗布には、特に、分子線エピタキシーが適している。
【００９８】
エピタキシャル成長とは、特に、成長させる結晶層の少なくとも一つの結晶方向が結晶層又は結晶基材の向きと一致するように、結晶層又は結晶基材の上に別の結晶層を析出させることであると理解する。
【００９９】
有利には、エピタキシャル接点のインサイチュによる製造以外に、表面の汚染又は化学的な再構造化からトポロジカル絶縁体（構造化されたマヨラナ材料）を保護する保護用不活性化層の形成がインサイチュにより実行される。この場合、トポロジカル材料は、空気中の酸素又は自然環境の別の構成成分との如何なる相互作用に対しても効果的に保護される。
【０１００】
不活性化層として、例えば、２ｎｍ、最大３ｎｍの厚さのアルミニウム層をトポロジカル絶縁体の上に成長させることができ、この層は、不活性雰囲気から、場合によっては、超高真空からの試料の取り出し後に、完全に酸化され、そのようにして、その下の構造化されたマヨラナ材料の表面状態を保護する。更に、例えば、ＡｌｘＯｙ、ＮｂｘＯｙ、ＴｉｘＯｙ（ここで、０≦ｘ，ｙ≦１）などの不活性金属酸化物の化合物を使用することも、硫黄、テルルやセレンなどの別のＶＩ族の元素を含む不活性金属化合物を使用することも好適である。同様に、純粋なテルルやセレンの層は、トポロジカル表面状態の一時的な保護層として実証されている。
【０１０１】
この場合、例えば、トポロジカル誘導超伝導体を用いたジョセフソン接点の製造により述べた、本発明による方法は、有利には、界面の特に高い品質を生じさせる、インサイチュによる接点の特別なエピタキシャル製造を可能にする。超伝導体と常伝導体の界面を実現する場合、界面の品質が透過性により規定される。透過性とは、一般的に、更に、アンドレーエフ反射としても知られる、界面を介した対を成す電子状態の相互作用が成功する確率であると理解される。この界面でのアンドレーエフ反射過程には、界面での個々の電子の直接的な後方散乱が対置される。アンドレーエフ反射と通常反射の確率を加算すると、１００％になる。
【０１０２】
そのため、本発明の範囲内には、構造化された超伝導接点の間で電流を搬送するためのトポロジカル材料の表面特性を取得する本発明によるハイブリッド構造のための例として、トポロジカルジョセフソン接点の製造方法が想定され、そこでは、更に、超伝導体と、トポロジカル絶縁体としての構造化されたマヨラナ材料との間の界面が、特別な品質を有し、有利には、それによりマヨラナ物理現象による動作も可能となるように、鋭くかつクリーンに形成される。特に、そのようなハイブリッド構造により、従来のＱｕｂｉｔと異なり、理論的にエラー訂正が不要であるトポロジカルＱｕｂｉｔを製造することができる。
【０１０３】
有利には、析出させるマヨラナ材料、インサイチュにより、有利には、エピタキシャルにより成長させる構造化された超伝導接点及び不活性化層の構造化の定義を含む、本発明によるハイブリッド構造の製造は、クリーンルーム設備内において、例えば、分子線エピタキシー設備を用いて、不活性雰囲気を中断すること無く、特に、超高真空内で行なわれる。
【０１０４】
本発明による方法では、トポロジカル材料、インサイチュにより、有利には、エピタキシャルにより成長させる超伝導接点及び不活性化層は、横方向のサイズが５ｎｍ〜１０，０００μｍの大きな領域により十分に定義して析出させることができる。
【０１０５】
更に、本発明による方法では、電子線リソグラフィを用いた構造の定義によって、２．５ｎｍ〜最大２０ｎｍの範囲内の偏差による構造の方向付けが行なわれる。この方法により、有利には、絶縁領域、不活性化領域及び（超）伝導領域から成る任意の二次元レイアウトをインサイチュにより定義することができる。
【０１０６】
本発明は、特に、構造化されたマヨラナ材料を作成するために、シャドウマスク以外に、別のマスク２，３を用いて、それにより、例えば、トポロジカル薄膜の幾何学形状を定義することができると規定する。
【０１０７】
そのためには、選択的な成長のために、有利には、使用するトポロジカル材料の特性を利用する。例えば、シリコン基材を使用する場合、基材の上に追加層を塗布して、その上に、トポロジカル材料を全く成長させないか、或いは単に異なる成長パラメータを選定して成長させることができる。基材を疎らに開放する場合、それらの定義された領域にのみ、トポロジカル材料を析出させる。そして、成長パラメータの選定に応じて、シリコン基材の開放された部分領域において、マヨラナ材料を追加層に対して選択的に成長させる。
【０１０８】
有利には、分子線エピタキシーが、構造化された超伝導層及び構造化されたマヨラナ材料の塗布に好適であり、その理由は、有利には、本発明による方法では、定義されたマスクを用いて、例えば、定義されたナノワイヤーを用いて、固体相からの蒸着中に、方向付けられた材料の原子／分子の流れを部分的に析出させることができるからである。
【０１０９】
このコーティング方法では、基材の回転を行なわずに、入射角を変化させることによって、ハードマスクを使用した場合でも、有利には、異なる析出を実現することができる。このことは、マスクの下に異なる領域を成長又は構造化させることを可能にする。
【０１１０】
本発明による方法は、空気及び／又は周囲環境に敏感な機能層、例えば、トポロジカル絶縁体の表面をインサイチュにより選択的に成長させる、蒸着する、或いはコーティングすることを可能にする。厚い超伝導層がトポロジカル絶縁体の上の選定された場所に塗布される一方、例えば、酸化する材料を使用した場合、空気中に取り出した後、周囲環境と反応して、トポロジカル絶縁体のための絶縁保護層になれる薄い層だけが別の選定された場所に配置される。それによって、有利には、機能層の局所的な接触が保証されると同時に、部品全体を保護する不活性化層が保証される。
【０１１１】
本出願では、本発明による方法における基材の回転とは、マスク、特に、ナノワイヤーの遮蔽作用にも関わらず、開放された基材表面の上の全ての領域が分子線により捕捉されるように、基材及びマスクを含む、作成する層構造とコーティング源、例えば、分子線との間の相対的な動きであると理解する。そのために、例えば、一方において、分子線を９０°に等しくない所定の角度で基材又はマスクに当てることと、他方において、分子線による基板面のコーティング中に基材を回転（自転）させることとの中の一つ以上を実行しなければならない。この場合、１〜５００回転／分による基材の回転が典型的である。
【０１１２】
これらの機能層は、例えば、分子線エピタキシー設備において、不活性雰囲気を中断すること無く、有利には、超高真空内で塗布することができる。所定の構造を有する基材を不活性雰囲気から取り出した後、空気中の酸素の存在により、超伝導材料の表面付近の領域の酸化が起こる。本発明の第一の実施形態（変化形態Ａ）では、その時々の材料の固有の酸化物の層厚を下回る層厚の部分領域のために、不活性化する酸化物層の形成が行なわれる。この二つの超伝導接点の間のトポロジカル絶縁体の表面の上に不活性化層を形成することは、トポロジカル材料の表面及び電流を搬送する表面状態が保護されるとの作用を奏する。
【０１１３】
任意のハイブリッドシステムの（原子プローブトモグラフィ及び透過型電子顕微鏡を用いて）個々の原子の場所的な配置を分析することは、ここで述べた方法をそれ以外の方法と区別すること、特に、個々の層が真空内で、或いは不活性雰囲気内で塗布されたのか否かを、そのために、酸素の軌跡が界面に検知できないのか否かを区別することを可能にする。
【０１１４】
層厚が相応の厚さの部分領域のために、同様に、固有の酸化物の厚さに応じて、表面付近の領域に酸化層が形成される。しかし、層厚が固有の酸化物の厚さ及び超伝導特性を取得するための臨界厚を上回る、これらの部分領域では、トポロジカル材料に対する界面における最も上の層の酸化にも関わらず、この材料は、引き続き超伝導特性を有する。
【０１１５】
本発明による方法の別の実施形態では、不活性化する層を形成するために、酸化する材料だけに頼るのではない。この別の実施形態（変化形態Ｂ）では、相変わらず、原子／分子の流れを目的通り遮蔽することによって、超伝導接点が定義される。超伝導接点を構造化して塗布し、超伝導材料とその下に有る構造化されたマヨラナ材料の間の遷移域の品質を保証した後、構造化されたマヨラナ材料の残存する開放された部分領域の上に平面を覆うように不活性化層を析出させることができる。不活性化する層としては、例えば、前記の材料を用いることができる。
【０１１６】
本発明による方法によって、品質が高く、精密に方向付けられ（配列され）た、超伝導材料とマヨラナ材料から成る横方向に成長させたヘテロ構造を作成することができる。異なる幾何学形状及び寸法は、トポロジカルジョセフソン結合などの機能デバイスから、拡張可能なトポロジカルＱｕｂｉｔと量子レジスタの両方で使用するための複雑な網構造までの構造化された定義を可能にする。
【０１１７】
以下において、二つの実施例と幾つかの図面に基づき本発明の対象を詳しく説明する。これらの例は、本発明を限定すると理解してはならない。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】ハイブリッド構造としてのジョセフソン結合（ジョセフソン接点）の製造例に基づき本発明による方法の工程Ａ〜Ｄを説明する平面図（左側）、前面図（中央）及び側面図（右側）
【図２】ハイブリッド構造としてのジョセフソン結合（ジョセフソン接点）の製造例に基づき本発明による方法の工程Ｅ〜Ｈを説明する平面図（左側）、前面図（中央）及び側面図（右側）
【図３】ハイブリッド構造としてのジョセフソン結合（ジョセフソン接点）の製造例により本発明による方法の工程Ｉ〜Ｋを説明する平面図（左側）、前面図（中央）及び側面図（右側）
【図４】ハイブリッド構造としてのジョセフソン結合（ジョセフソン接点）の製造例に基づき本発明による方法の工程Ｉ〜Ｋ’を説明する平面図（左側）、前面図（中央）及び側面図（右側）
【図５】本発明による変化形態Ａに基づく取り出し後にジョセフソン接点を製造する方法の工程の説明図
【図６】本発明による変化形態Ｂに基づく取り出し後にジョセフソン接点を製造する方法の工程の説明図
【図７】本発明によるワイヤー形状のトポロジカル絶縁体６から成るジョセフソン遷移域（Ｇ１）、トポロジカル絶縁体を完全に覆う超伝導アイランド９を有するワイヤー形状のトポロジカル絶縁体６から成る別のジョセフソン遷移域（Ｇ２の変化形態Ａ）及びトポロジカル絶縁体の一部だけを覆う超伝導アイランド９を有するワイヤー形状のトポロジカル絶縁体６から成る別のジョセフソン遷移域（Ｇ２の変化形態Ｂ）の処理工程Ｉ後の平面図（左側）、処理工程Ｊ’後の前面図（中央）及び処理工程Ｋ’後の前面図（右側）
【図８】図７の幾何学形状Ｇ２（変化形態Ｂ）に関する二重接合と三重接合としての処理工程Ｉ後の平面図（左側）、処理工程Ｊ’後の前面図（中央）及び処理工程Ｋ’後の前面図（右側）
【発明を実施するための形態】
【０１１９】
これらの実施例では、先ずは、本発明による構造化されたマヨラナ材料と超伝導金属を用いてジョセフソン接点を製造する方法の有利な実施構成を述べる。このジョセフソン接点の定義は、本発明を限定すると理解してはならず、それに続いて行なわれる実施例から見てトポロジカルＱｕｂｉｔの最小単位としての役割を同時に果たす。この場合、個々のトポロジカルジョセフソン接点を製造する処理工程の符号は図１〜６の符号と一致する。
【０１２０】
本発明による方法は、複数の機能層を有し、以下の実施例では、使用する具体的な材料を記述するが、それらが本発明を限定すると理解してはならない。本方法は、全体として、トポロジカル材料を構造化して析出させるための基材の前処理（処理工程Ｉ「選択エリア」）、超伝導金属を定義して塗布するための表面付近のステンシルマスク又はシャドウマスクの塗布（処理工程ＩＩ「ステンシルマスク」）及び機能層を方向付けて塗布するための分子線エピタキシー設備内における積層中の方法（処理工程ＩＩＩ「コーティング方法」）の本方法の三つの部分に分けられる。
【０１２１】
［本方法の部分Ｉ「選択エリア」］
Ｉ．Ａ  真空の下で、表面に対する法線を＜１１１＞方向に向けた、５２５μｍの厚さの、（２０００Ωｃｍ以内の）ホウ素をドーピングされた４インチシリコンウェーハ１の中の基材の表面を出発点とする第一の５ｎｍの分を二酸化珪素（ＳｉＯ２）層２に変換する。そのために、乾燥酸化を引き起こすために、水平炉であるテンプレスＴＳ８を使用する。分子形態の酸素を用いた８２０°Ｃでの酸化後に、５．８ｎｍの実際の層厚が実現される。そのようにして変換する二酸化珪素のエッチング速度は、希釈されたフッ化水素酸（１％ＨＦ）内で６ｎｍ／分である。
【０１２２】
Ｉ．Ｂ  変換した二酸化珪素層２の上に、標準的には２０ｎｍの厚さの化学量論的な窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の層を真空の下で平面的に塗布する。この窒化珪素は、セントロサーム社のＬＰＣＶＤシステムＥ１２００Ｒ＆Ｄ炉において、７７０°Ｃで、１２０ｓｃｃｍのアンモニア（ＮＨ３）と２０ｓｃｃｍのジクロロシラン（ＤＣＳ）を用いて析出される。２５．６ｎｍの実際の層厚が実現される。その結果として得られる窒化珪素は、希釈されたフッ化水素酸（１％ＨＦ）において０．４ｎｍ／分の速度でエッチングされる。
【０１２３】
Ｉ．Ｃ  化学量論的な窒化珪素３の塗布後に、その層の構造化が行なわれる。そのために、先ずは、１２０ｎｍのＡＲ−Ｐ６２００のレジストが塗布され、このレジストは、ビステック社のＥＢＰＧ５０００＋電子線リソグラフィ設備で構造化される。それらの電子は、１００ｐＡの強さのビーム電流で５ｋＶのコーティング電圧を受ける。５ｎｍのステップ幅と２５０μＣ／ｃｍ２の近接効果補正された照射量が選定される。次に、ＡＲ６００−５４６において、このレジストを０°Ｃで６０秒間展開する。この展開は、６０ｓ２−Ｐｒｏｐａｎｏｌ浴で停止される。このレジストにおいて定義された構造は、レジストの展開後に、オックスフォード社のプラズマラボ１００設備を用いて化学量論的な窒化珪素３に転写される。この使用するプラズマは、２２ｓｃｃｍのＣＨＦ３と２ｓｃｃｍのＯ２）の比率によるフルオロフォルム（ＣＨＦ３）と分子形態の酸素（Ｏ２）から成り、５０Ｗの選定された無線電力でトリガーされる。この場合、エッチング時間は９０秒である。
【０１２４】
この例示した化学量論的な窒化珪素３を構造化する方法では、４０〜１０，０００ｎｍの幅の薄い溝が定義される。作成される溝の長さは３μｍ〜１００μｍ内で変化する。
【０１２５】
Ｉ．Ｄ  第一の二酸化珪素層２の開放された部分領域は、希釈されたフッ化水素酸（１％ＨＦ）で７５秒間等方にエッチングされる。このエッチングプロセスは、省イオン化された水において停止される。この希釈されたフッ化水素酸内での二酸化珪素の等方エッチング処理によって、図１に図示された処理工程Ｄに近いエッチング輪郭が形成される。
【０１２６】
［本方法の部分ＩＩ「ステンシルマスク」］
ＩＩ．Ｅ  第一の工程では、真空の下で、本方法の部分Ｉで作成された構造の上に、標準的には４００ｎｍの厚さの二酸化珪素層４を平面的に析出させる。この層は、セントロサーム社のＬＰＣＶＤシステムＥ１２００Ｒ＆Ｄ炉において、６５０°Ｃによりテトラエトキシシランを用いて析出される。
【０１２７】
この二酸化珪素層４は、その下の二酸化珪素層２及び窒化珪素層３に応じて形成されて、それらの層の上に盛り上がる。上方の二酸化珪素層４は、化学機械的に研磨されて（英語でｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ：ＣＭＰ）、それにより平坦にされる。
【０１２８】
ＩＩ．Ｆ  真空の下で、第二の二酸化珪素層４の上に、化学量論的な窒化珪素の別の層５が平面的に塗布される。処理工程Ｉ．Ｃで述べた通りのＬＰ−ＣＶＤプロセスが新たに進行する。標準的には１００ｎｍの厚さの化学量論的な窒化珪素の層が塗布される。
【０１２９】
ＩＩ．Ｇ  化学量論的な窒化珪素の第二の層５は、第二の二酸化珪素層４に対して選択的に部分的に除去される。部分処理Ｉ．Ｃで述べた通りの電子線リソグラフィプロセスが新たに進行する。最終的に簡単なジョセフソン接点の弱結合部を形成する遷移域が定義される。この狭い領域は、前述した文献で既にナノブリッジと呼ばれている。従って、この遷移域は、少なくとも化学量論的な窒化珪素の第一の層３において処理工程Ｉ．Ｃで事前に作成された構造の厚さと２０〜２００ｎｍの横方向の相互間隔を有する。これらの溝に対するナノブリッジの方向付けは、相応のマーカーによって行なわれる。
【０１３０】
ＩＩ．Ｈ  第二の二酸化珪素層４は、シリコン基材１及び第一の二酸化珪素層２の両方と化学量論的な窒化珪素の第一及び第二の層３，５に対して選択的に除去される。この場合、工程ＩＩ．Ｇで開放された領域が除去される。このエッチング選択性は、前記の層の異なるエッチング速度から見て、それらに対して相対的に得られる。本発明による方法では、第二の二酸化珪素層４が全ての方向において等方に除去されることが必要である。その結果、工程ＩＩ．Ｇで定義されたナノブリッジの下における化学機械的な酸化シリコン４を含む、第二の層４の如何なる材料も除去されることとなる。更に、本方法の部分Ｉで定義された構造が部分的に開放される。これらのナノブリッジは、この時点以降、シリコン基材１の上で部分的に自由に浮遊するように存在する。
【０１３１】
［本方法の部分ＩＩＩ「コーティング方法」変化形態Ａ］
ＩＩＩ．Ｉ  ナノブリッジとシリコン基材１の部分的に開放された面を有する試料が、機能層／構造を析出させるために分子線エピタキシー設備に移送される。ｐ≦１×１０−９ｈＰａ（例えば、５×１０−１０ｈＰａ）の超高真空が設定される。（Ｂｉ０．０６Ｓｂ０．９４）２Ｔｅ３の組成のトポロジカル絶縁体６を析出させて、開放された基材表面の上に選択的に成長させる。１０回転／分による基材の回転は、前記のトポロジカル絶縁体が、開放された部分領域の上でナノブリッジの下に同様に成長することが保証される。
【０１３２】
ＩＩＩ．Ｊ  同じ分子線エピタキシー設備において、基材を回転させて、密集した固有の酸化層を形成する、標準的には２ｎｍの薄いチタン層７が平面を覆うように塗布される。この層は、基材の回転により、ナノブリッジの下に同様に積層される。ここで述べた実施形態では、チタン層の層厚は、チタンの固有の酸化物の厚さを上回らず、次の工程において、設備から取り出された場合に、部分領域において、トポロジカル絶縁体のための不活性化層を形成する。
【０１３３】
ＩＩＩ．Ｋ  ７０ｎｍのアルミニウムの別の層８が、基材を回転させずに、事前に析出させたチタン層７の部分領域の上に塗布される。この場合、第二の層５において定義されたナノブリッジは、原子／分子の流れを部分的に遮蔽する。この実施例では、チタンが第一の機能層６と第三の機能層８の間の相互拡散バリアとしての役割を果たすことができるので、第二の機能層７としてチタンを選定するのが有利であるが、アルミニウムやニオブなどの金属がチタンと比べて特に有利な超伝導特性を有するので、第三の機能層８として、例えば、アルミニウムやニオブなどの別の超伝導金属を選定することが有利であると実証されている。
【０１３４】
［本方法の部分ＩＩＩ「コーティング方法」の変化形態Ｂ］
ＩＩＩ．Ｉ  ナノブリッジとシリコン基材１の部分的に開放された面を有する試料が、機能層／構造を析出させるために分子線エピタキシー設備の超高真空（設備の仕様から、ｐ≦１×１０−９ｈＰａ）内に移送される。（Ｂｉ０．０６Ｓｂ０．９４）２Ｔｅ３から成るマヨラナ材料を析出させて、開放された基材表面の上に選択的に成長させる。１０回転／分による基材の回転は、マヨラナ材料が、開放された部分領域の上でナノブリッジの下に同様に成長することを保証する。
【０１３５】
ＩＩＩ．Ｊ’  試料は、所謂真空ケース（仕様から、ｐ≦１×１０−８ｈＰａ）内への搬入後に、標準的には７０ｎｍの厚さのニオブ層９を析出させるために分子線エピタキシー設備に移送される。この層は、基材を回転させずに、第二の機能層の部分領域の上に塗布される。化学量論的な窒化珪素の第二の層５において定義されたナノブリッジは、原子／分子の流れを部分的に遮蔽する。
【０１３６】
ＩＩＩ．Ｋ’  試料は、真空を中断すること無く、隣の分子線エピタキシー設備に移送される。そのようにして、これらの層６及び９は、誘電層１０の塗布まで継続して不活性雰囲気内に保持される。１０ｎｍの厚さの化学量論的なＡｌ２Ｏ３の層１０が試料の全表面の上に平面的に塗布される。この場合、酸化アルミニウムは、化学量論的なＡｌ２Ｏ３から成るターゲットから転写される。この層は、処理工程ＩＩＩ．Ｊ’で作成された部分領域の間のトポロジカル絶縁体の表面及び表面状態を保護する役割を果たすともに、有利には、ニオブを酸化から保護する。
【０１３７】
図５及び６には、ここで示した方法の中から、変化形態Ａ及びＢに関する取り出し後にジョセフソン接点を製造する方法の工程が図示されている。この場合、基材１とマスクに関する層２，３，４，５が簡単化のために省略されている。
【０１３８】
変化形態Ａ（図５）では、構造化されたマヨラナ材料６が、それぞれ超伝導材料から成る、その上に配置された第二の機能層７及び第三の機能層８の二つの分離して存在する領域と共に存在する。空気中の酸素との接触により、ここでは符号１２として表示された、第三の機能層８の二つの領域の表面付近の領域と、ここでは符号１１として表示された、第二の機能層７の開放された領域の表面付近の領域とが酸化する。第二の機能層７の層厚が相応に薄く選定されることによって、この領域１１において、層の完全な酸化が、そのため、第三の機能層８の分離して存在する領域の間のトポロジカル絶縁体６のための所望のキャッピングが生じる一方、第二の機能層８と接触する、第一の機能層７の開放されていない領域は酸化しない。
【０１３９】
変化形態Ｂ（図６）では、構造化されたマヨラナ材料６が、それぞれ超伝導材料から成る、第二の機能層９の二つの分離して配置された領域及びその上に形成された第三の機能層１０と共に存在する。この場合、空気中の酸素と接触すると、ここでは、符号１３で表示された、第三の機能層１０の表面付近の領域だけが酸化する。第三の機能層１０の層厚を全体的に相応に薄く選定することによって、この領域１３において、層の完全な酸化が生じる。それによって、第二の機能層９の分離して存在する領域の間において、トポロジカル絶縁体６のための所望のキャッピングが実現される。第三の機能層１０が絶縁体である限り、この層１０の厚さを任意に選定することができる。
【０１４０】
本発明により製造されたハイブリッド構造は、有利には、複雑な網構造として構築することができる。これらの網構造は、例えば、最小のサブユニットとして、トポロジカルジョセフソン接点を含むが、別の実施形態では、多くのトポロジカル量子ビットまでを表すことができる。本発明による方法は、トポロジカル絶縁体としての構造化されたマヨラナ材料の表面特性の保全及び構造化されたマヨラナ材料と超伝導体の間の高い界面品質を保証する。
【０１４１】
図７には、本発明に関する更に別の用途が図示されている。本方法の工程Ｉを出発点として、ワイヤー形状のトポロジカル絶縁体６を有する本発明によるジョセフソン遷移域（＝Ｇ１）以外に、例えば、超伝導アイランド９を有するワイヤー形状のトポロジカル絶縁体６などのそれ以外の幾何学形状のジョセフソン遷移域（＝Ｇ２）を製造することもでき、ここでは、超伝導アイランド９は、トポロジカル絶縁体を完全に覆うこと（変化形態Ａ）も、一部だけを覆うこと（変化形態Ｂ）もできる。この場合、図７では、左側の列には、処理工程Ｉ後の平面図が、中央の列には、処理工程Ｊ’後の前面図が、右側の例には、処理工程Ｋ’後の前面図が図示されている。
【０１４２】
特に、変化形態Ｂによるジョセフソン遷移域は、有利には、図８に図示されている通り、二重接合としても、三重接合としても構成することができる。この場合、図８では、それぞれ幾何学形状Ｇ２（変化形態Ｂ、図７を参照）に関する二重接合と三重接合として、左側の列には、処理工程Ｉ後の平面図が、中央の列には、処理工程Ｊ’後の前面図が、右側の例には、処理工程Ｋ’後の前面図が図示されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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