分子束外延(MBE)技術在生長半導體與超導體疊層的量子計算器件結構方面表現卓越。

20 世紀初，伴隨量子理論誕生的第一次量子革命拉開帷幕。如今，人類正立足此次革命的成果邁入第二次量子革命—— 這一時代的核心特征是對量子現象的操控、調控與利用，目標是創造全新的量子技術產品，而量子計算的問世正是這一時代的關鍵標志。

量子計算這一重大技術突破備受矚目，相關報道不僅見于專業科技媒體，也頻頻登上主流媒體版面。全球越來越多的實驗室正推動該領域發展，谷歌（字母表公司）、亞馬遜、元宇宙（原臉書）、蘋果、微軟這五大科技巨頭（簡稱 GAFAM）的核心研究中心也投身其中。這些機構的研發工作聚焦于為多個領域提供創新、高性能的解決方案，包括化學、藥理學等領域的仿真計算、加密數據傳輸，以及道路交通、物流等場景的流量優化。

透射電子顯微鏡圖像：展示了在砷化鎵（001）襯底上生長的 20 納米厚鋁（111）薄膜形成的完美界面。實驗結果由里博與法國國家科學研究中心合建的 Epicentre 聯合實驗室取得。

量子計算機的研發目標，不僅是利用量子物理原理實現運算，更要讓計算過程本身具備量子特性。要實現這一目標，計算過程必須依托量子的兩大核心特性：量子態疊加與量子糾纏。

工程師們打造量子計算機的技術路徑多種多樣。在信息載體的選擇上，可采用囚禁離子、光子、電子自旋、摻氮金剛石腔、約瑟夫森效應超導體，或是馬約拉納費米子 —— 這類費米子的反粒子為其自身，存在于鋁、鈮等超導體與鉍硒、鉍碲等拓撲絕緣體構成的混合體系等特殊材料中。這些信息載體均被稱為量子比特，簡稱量子位。究竟哪種技術路徑能最終走向成功，尚需時間驗證，目前尚無定論。

在眾多量子比特制備技術中，有三類技術可借助 ** 分子束外延（MBE）** 實現優化發展，分別是基于馬約拉納費米子、約瑟夫森結超導體和光子的量子比特制備技術。

分子束外延技術的核心優勢體現在三方面：可提供超凈超高真空生長環境、采用高純度原料實現無缺陷的完美界面生長、具備超高的工藝控制精度，可實現單原子層級的生長精度與完美的晶體質量。

里博公司深耕分子束外延設備研發制造超 45 年，為助力量子計算領域發展，我們近期推出了一款全新工藝平臺，可在單一超高真空環境內完成半導體 - 超導體異質結構的制備。

首個約瑟夫森結：由塞巴斯蒂安?普利薩德團隊在 Epicentre 聯合實驗室的研發框架下制備成功。

Supra 混合工藝平臺

這款名為 Supra 的混合工藝平臺，名稱源自法語中 “超導體” 一詞。它是一套全自動化超高真空系統，專為生長半導體 - 超導體異質結構設計，由里博公司與法國國家科學研究中心圖盧茲先進系統分析與架構實驗室依托 Epicentre 聯合實驗室深度合作研發。該平臺實現了對異質外延界面的前所未有的精準調控，為制備更高性能的量子比特開辟了新路徑。

Supra 混合工藝平臺的研發，充分依托了我們在 Ⅲ-Ⅴ 族半導體分子束外延領域積累的長期技術經驗。平臺核心包含一個Ⅲ-Ⅴ 族半導體主生長腔，經特殊優化后，可制備高純度的化合物半導體異質結構。

該生長腔在超高真空環境下，與一臺全新的、擁有專利的低溫金屬生長反應腔直接相連，該反應腔專門用于超導材料的沉積。工程師可在 100 開爾文以下的低溫環境中，將鋁、錫、鉛及特定超導合金薄膜直接沉積在半導體表面。平臺支持整晶圓旋轉襯底原位沉積，可在直徑達 100 毫米的晶圓上實現優異的薄膜厚度均勻性；同時，真空環境下的樣品轉移技術，確保了界面無氧化、無污染。

關鍵的低溫生長工藝

對于超導材料而言，將沉積溫度從傳統工藝溫度降至低溫區間，能帶來決定性的性能優勢。低溫環境可抑制金屬吸附原子的表面擴散，從而生長出表面光滑、連續的薄膜，大幅減少晶界與結構缺陷；此外，該生長工藝能最大限度降低薄膜厚度的不均勻性，制備出低損耗的超平整超導薄膜。

同等重要的是，低溫沉積能有效抑制半導體 - 超導體界面的互擴散與化學反應，避免合金形成與界面粗糙化，從而制備出原子級陡峭、化學組分完整的界面。這種超高質量的界面是實現高透明性與強超導近鄰效應的關鍵，而這兩大特性正是制備高性能約瑟夫森結與混合量子器件的核心要求。

尤其對于鋁材料而言，低溫生長可穩定其特定的晶體取向與外延關系 —— 這是高溫生長難以實現的。結構連貫的鋁薄膜至關重要，可直接提升器件的均勻性、收窄約瑟夫森結的臨界電流分布范圍、降低漏電流，而這三點均是量子電路實現規模化集成的必備條件。

從量子器件的性能角度來看，低溫生長的優勢同樣顯著：結構缺陷減少、界面保持原始潔凈狀態，這兩大特性可降低準粒子密度、減少噪聲源，進而提升量子相干時間—— 這是衡量量子比特性能的核心指標。

Supra 工藝平臺：部署于 Epicentre 聯合實驗室，該實驗室是里博公司與法國國家科學研究中心圖盧茲先進系統分析與架構實驗室的合建設施，隸屬于法國國家科研大型設備網絡 Renatech。

我們的平臺還配備了專用的氧化工藝模塊，可在低溫生長腔或獨立氧化模塊中完成氧化工藝，能在可控條件下精準、可重復地制備超薄隧道勢壘。

半導體 - 超導體的生長與氧化全流程均在超高真空環境中完成，徹底避免了傳統外場工藝中常見的非可控氧化與污染問題。

傳統制備工藝的一大短板是，工藝過程中超導薄膜常暴露于空氣中，導致界面發生非可控氧化與污染。與之相反，我們的混合工藝平臺讓半導體 - 超導體的整個生長流程始終處于超高真空環境，確保制備出的外延界面具備超高的透明性與穩定性。

為驗證 Supra 混合工藝平臺的性能，我們在砷化鎵（001）襯底上生長了一款異質結構并完成表征，該結構由外延鋁（111）薄膜、氧化鋁超薄隧道勢壘與多晶鋁頂電極構成。其中，鋁薄膜的沉積在 90 開爾文的低溫下完成，有效降低了鋁吸附原子的表面遷移率，抑制其長程擴散，減少取向失配晶核的形成，最終讓鋁在砷化鎵（001）襯底上實現了取向明確的（111）晶向外延生長。

對該結構的截面電子顯微鏡觀測顯示，薄膜襯度均勻，無可見晶界，同時證實了鋁（111）薄膜的單晶特性。

在該超導體 - 半導體疊層結構的生長過程中，氧化鋁超薄勢壘由外延鋁表面的可控氧化制備而成。該氧化層無長程有序結構，為非晶態，最終形成了 “鋁（111）外延 / 氧化鋁非晶 / 鋁多晶” 的疊層結構。這一結構結合了高品質超導底電極與高穩定性隧道勢壘，非常適合在半導體平臺上集成制備約瑟夫森結，是超導電子器件與量子器件的理想制備技術方案。

除半導體 - 超導體異質結構制備外，憑借可低溫生長超導材料的專用腔體，該平臺也可用于制備約瑟夫森結。值得一提的是，Supra 工藝平臺的生長腔支持晶圓旋轉，確保整晶圓范圍內的生長均勻性。

鋁在砷化鎵襯底上的生長特性：呈現二維生長形貌與單晶相；X 射線衍射測試結果：92 開爾文下在砷化鎵（001）襯底上生長的 18 納米厚鋁薄膜。Epicentre 聯合實驗室可在鋁薄膜生長過程中，將襯底溫度穩定在 100 開爾文以下超 3 小時。

邁向早期產業化

Supra 混合工藝平臺兼具超高真空密封性、全自動化操作、基于工藝配方的過程控制，以及基于光學測量的實時原位監測功能，實現的工藝可重復性不僅適用于高校科研工作，也為量子技術的早期產業化奠定了基礎。隨著量子計算領域向規模化架構發展，在整晶圓范圍內制備均勻的混合界面與約瑟夫森結的技術能力，將成為行業發展的必備條件。

該平臺將 Ⅲ-Ⅴ 族半導體生長、低溫超導體沉積與可控氧化工藝集成于單一超高真空環境，最大限度減少了污染、提升了器件均勻性、簡化了工藝流程 —— 這三點正是量子器件從實驗室驗證走向工業化量產的核心要求。

里博公司量子技術的研發工作，得到了 Epicentre 聯合實驗室的全力支持。該實驗室由里博與法國國家科學研究中心圖盧茲先進系統分析與架構實驗室合建，是法國國家科學研究中心旗下規模最大的實驗室之一。雙方合作已取得一系列成果：借助 Supra 工藝平臺，成功在砷化鎵襯底上實現了高品質鋁薄膜的低溫生長，可在 100 開爾文以下連續數小時生長單晶鋁薄膜；透射電子顯微鏡驗證了原子級陡峭的界面；塞巴斯蒂安?普利薩德團隊成功制備出首個約瑟夫森結。

除器件驗證外，Epicentre 聯合實驗室還在攻克制約低溫超導生長與分子束外延環境集成的關鍵技術瓶頸中發揮核心作用。其中，研發 Supra 工藝平臺時解決的一大核心難題是：設計一款兼容超高真空與整晶圓分子束外延標準的低溫金屬生長腔，同時能在長時間沉積過程中，將襯底溫度精準穩定在 100 開爾文以下。為實現這一溫度穩定性，我們研發了專用的低溫制冷架構，可實現均勻冷卻、可控的溫度梯度，以及與晶圓旋轉相兼容的機械穩定性。

我們攻克的另一項關鍵難題是，低溫沉積過程中的界面純度保持。低溫環境下，傳統的蒸發源與擋板設計易產生寄生冷凝、束流不穩定與非可控的背景沉積問題。Supra 生長腔通過專利的 “源 - 襯底” 幾何結構設計與熱管理方案，克服了上述缺陷，實現了穩定的金屬束流、可重復的生長速率，并有效抑制了冷表面的非預期冷凝。

此外，實現半導體生長、低溫金屬沉積、可控氧化各工序間的原位無污染樣品轉移，也是一項同等重要的挑戰。Supra 混合工藝平臺采用超高真空互聯的簇式設計，確保半導體 - 超導體界面全程不暴露于大氣環境，這一能力是保持界面原子級陡峭、制備可重復隧道勢壘的關鍵。

我們將持續升級這款混合工藝平臺的性能，并及時分享研發成果。相關成果將在 2026 年超導體 - 半導體混合材料國際研討會上展示，塞巴斯蒂安?普利薩德將發表專題報告，重點介紹 Supra 平臺作為核心使能平臺，在下一代混合量子技術研發中的重要作用。