Nb-based superconducting silicon interconnect fabric for cryogenic electronics

薄脆饼 材料科学 互连 光电子学 超导电性 制作 集成电路 量子位元 晶圆规模集成 量子 计算机科学 凝聚态物理 物理 电信 病理 医学 替代医学 量子力学
作者
Yutao Yang,Chaowei Hu,Peng Zhang,Niloofar Shakoorzadeh,Ni Ni,Kang L. Wang,Subramanian S. Iyer
出处
期刊:Quantum science and technology [IOP Publishing]
卷期号:6 (2): 025014-025014 被引量:6
标识
DOI:10.1088/2058-9565/abe279
摘要

Abstract Quantum computing for real world applications requires large arrays of qubits. This requires advanced integration technologies. In this work, we propose a simple integration method with fine interconnect pitch (10 μ m) and close spacing that can overcome the large input and output (I/O) and high wiring level requirements of very large scale of quantum circuits. A system-on-wafer (SoW) packaging concept called superconducting silicon interconnect fabric (superconducting-IF), based on silicon interconnect fabric (Si-IF), is proposed, with the help of a Au interlayer technology onto the superconducting-IF. The fine-pitch and die-to-wafer-scale Au interlayer is the first demonstration of direct metal–metal thermocompression bonding (TCB) that is optimized for superconducting applications without the use of solders. The developed Au interlayer integration technology is demonstrated to be Josephson-junction-compatible (<150 °C), mechanically robust (>30 MPa), and electrically reliable down to 2 K. The mechanical strength of the Au interlayer integration method is optimized through shear tests with a shear force around 150 N on 2 × 2 mm 2 dies. The transition temperature ( T c) of Nb, which is at 9 K, is experimentally verified to be unchanged after each fabrication process. Electrical and temperature cycling measurements on over 20 bonded dies of large-pitch Kelvin structures as well as fine-pitch daisy chain structures reveal reliable connections in the low-temperature regime. This work pushes quantum computing a step closer to realize its potential through 3D integration of a very large scale of quantum circuits with a high density of I/O (>10 000 per mm 2 ) as well as high wiring capability and without introducing lossy amorphous dielectrics.

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