引 言

美国耶鲁大学Hongxing Tang团队在《Nature Materials》上发表研究成果，报道了采用原子层沉积（ALD）技术制备的氮化铌/氮化铝/氮化铌三层结构超导量子比特。该工作通过等离子体增强ALD工艺实现薄膜的原子级精度生长与厚度控制，结合倒装芯片键合，成功制备出可在300毫开尔文温度以上稳定运行的“ALDmon”量子比特，为发展兼容半导体工艺、适于高温工作的可扩展超导量子平台提供了新材料与技术路径。

第一章 超导量子比特的温度瓶颈与材料挑战

超导量子比特是当前实现大规模量子计算的重要平台，其主流的铝基器件需在低于100毫开的极低温下运行。随着比特数量增加，量子操控带来的热负载使制冷压力日益凸显，发展能在更高温度下工作的量子比特成为重要方向。选用具有更高超导临界温度的材料是关键，氮化铌（Tc约13–16 K）结合高质量、低缺陷的氮化铝隧穿势垒，构成了有潜力的全氮化物材料平台。然而，传统制备方法如磁控溅射，在纳米级厚度控制与工艺均匀性方面仍面临挑战，制约了该体系的实际应用。

图1 NbN/AlN/NbN 三明治结构的ALD生长序列及原子级表征。

第二章 原子层沉积技术：精密可控的薄膜生长工艺

原子层沉积是一种基于自限制表面反应的气相沉积技术，具备原子级厚度控制、优异均匀性及与半导体工艺的良好兼容性。该研究采用等离子体增强ALD工艺，在300–400°C下于c面蓝宝石衬底上沉积氮化铌/氮化铝/氮化铌三层结构。通过前驱体脉冲、惰性气体吹扫与氮氢等离子体反应的循环工艺，实现逐层生长。调节循环次数可精确控制氮化铝隧穿势垒的厚度至埃米尺度。表征结果显示，所得薄膜层状结构清晰、界面锐利，氮化铝势垒厚度均匀（约1.6纳米），且具备与硅衬底及CMOS工艺集成的兼容性。

图2 器件原理图及4K下的电流－电压特性。

第三章 约瑟夫森结特性与可编程的临界电流调控

研究团队基于ALD生长的全氮化物薄膜成功制备出高性能约瑟夫森结。该结表现出典型的滞回I-V特性，其亚能隙电阻比最高达55，超导能隙电压约4.3毫伏，性能与高质量外延结相当。通过调节AlN势垒的ALD生长循环数，实现了临界电流密度跨越七个数量级的精确调控，且电流密度随循环数增加呈指数下降。这证实了ALD能以原子层精度线性调控势垒厚度，从而实现对约瑟夫森能的“编程式”设计。

图3 量子比特性能（升温）。

第四章 “ALDmon”量子比特的制备与低温相干性能

研究采用倒装芯片键合技术将包含约瑟夫森结的芯片与包含读取谐振器及微波布线芯片垂直集成，避免了传统介质侧墙隔离引入的额外微波损耗，简化了工艺复杂度。由此制备的全氮化物量子比特被称为“ALDmon”。在10毫开尔文温度下测试，ALDmon的典型弛豫时间T₁约为3.0微秒，退相干时间T₂约为1.2微秒，对应的量子比特内禀品质因数约在0.4–0.9×10⁵范围。频谱测量显示出清晰的能级结构，并可提取约223 MHz的非谐性，符合transmon型量子比特的设计特征。这些结果验证了ALD生长的氮化物三层结构作为高质量量子比特材料平台的可行性。

第五章 迈向更宽松的热管理环境

该研究最具特色的成果是实现了全氮化物量子比特在较高温度下的运行。得益于氮化铌的高临界温度，ALDmon在310毫开下仍能观测到清晰的拉比振荡。系统测量表明，在26–400毫开温区内，弛豫时间T₁随温度升高平缓下降，符合自旋-玻色子模型。这与传统铝基量子比特形成鲜明对比——后者在超过约200毫开尔文温度时，会因热激发准粒子剧增而导致相干时间显著恶化。因此，全氮化物体系为在更高温度或更宽松热预算下运行量子处理器提供了可能，有助于降低大规模系统的制冷需求。

终章 总结与展望

该研究成功利用原子层沉积技术制备出全氮化物超导量子比特，实现了氮化铝隧穿势垒的原子级精确控制。所制备的“ALDmon”量子比特在极低温下表现出微秒级相干时间，并能在300毫开以上温度稳定运行，展现出优于传统铝基体系的高温工作潜力。通过进一步优化材料生长与器件工艺，此类氮化物平台有望推动量子计算在更宽松热管理环境下向实用化迈进。

正文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02448-8