钽薄膜正成为超导量子电路的重要材料研究方向。已有钽基谐振器在低功率条件下实现超过1000万的内部品质因数，钽基Transmon量子比特的能量弛豫时间也超过了1毫秒。这些结果表明，钽能够支撑低损耗器件；但要将单个器件的性能延伸至大规模芯片，仍需解决薄膜制备、工艺集成和器件一致性等问题。
钽薄膜为何适合超导量子电路？它需要形成什么晶相，又要经过哪些加工步骤，才能成为芯片上的基础金属层？从材料性质、制备工艺到器件表现，可以梳理出钽基技术的发展路径。
钽薄膜为何受到超导量子计算领域关注
超导量子芯片中的量子比特电容、谐振器、传输线和接地平面，通常由沉积在硅或蓝宝石衬底上的超导薄膜加工而成。这层形成主要电路图形的导电薄膜称为基础金属层，与硅、蓝宝石等衬底不同。钽能够在低温下进入超导态，因此可以用作基础金属层。
器件损耗并不只取决于金属是否超导。薄膜表面、衬底表面以及两者之间的界面，都可能存在吸收微波能量的双能级缺陷。已有钽基器件表现出较低的相关损耗；钽较好的化学稳定性，也为采用后处理工艺改善界面状态提供了条件。
钽还能够在常用的硅衬底上制成高性能器件。不过，材料潜力能否稳定转化为芯片性能，取决于晶相、衬底、沉积条件和后续加工。单个器件的高性能只是起点，薄膜制备的可重复性与多器件性能的一致性同样需要验证。
从钽薄膜制备到超导器件性能验证
（1）控制晶相与薄膜生长
使用钽薄膜，首先要控制其晶相。钽主要有α相和β相，两者在晶体结构、电阻率和超导性质上存在差异。α钽的超导转变温度接近块体钽的约4.4 K，电阻率较低，是目前高性能钽基谐振器和量子比特主要采用的晶相。β钽的电阻率更高，超导转变温度也较低。
在硅、蓝宝石等常用衬底上于室温直接沉积钽，薄膜往往形成β相。为获得适合高性能器件的α钽，研究人员主要探索了四种路径：一是加热衬底后沉积，使钽在生长过程中形成α相；二是先引入缓冲层，再沉积钽薄膜；三是对已形成的β钽薄膜进行退火，促使其发生相变；四是先在低温衬底上沉积钽，再通过升温处理获得α相。不同路径对衬底表面、氧含量和工艺条件的要求不同，目前尚难确定适用于所有衬底和器件的统一方案。
图 α钽薄膜的四种形成方法
（2）将钽薄膜加工成超导电路
获得所需晶相的钽薄膜后，研究人员通过光刻确定电路图形，再刻蚀去除多余的钽，形成传输线、谐振器、接地平面和量子比特电容等结构。连同此前的衬底清洁与薄膜沉积，以及图形化后的清洁和表面处理，这些步骤构成钽基电路基础金属层的主要加工流程。各环节留下的污染物或氧化层，都可能增加器件在低功率条件下的能量损耗。
硅衬底上的表面处理体现了工艺的重要性。适当使用含氢氟酸的溶液，可以去除电路间隙中的天然氧化硅，并暂时抑制其重新生长。一些钽基谐振器经此处理后，损耗有所下降。这说明钽基电路的性能既与钽薄膜有关，也受衬底表面和界面状态影响。
图 钽基超导电路基础金属层的加工流程
（3）谐振器与量子比特验证材料性能
2021年，采用α钽基础金属层的Transmon量子比特实现超过300微秒的能量弛豫时间T₁。后续研究将这一指标推进到接近500微秒；2025年，单个钽基量子比特的T₁超过1毫秒。T₁越长，表明量子比特从激发态衰减时的能量损失越慢。
钽基谐振器也表现出较低损耗。在接近单光子的低功率条件下，已有钽基共面波导谐振器的内部品质因数超过1000万。该指标越高，意味着谐振器的内部能量损耗越低。不过，不同研究采用的器件尺寸、衬底和处理方法并不相同，数值不能简单排序。
在多比特集成方面，研究人员已分别研制出13量子比特和63量子比特的钽基处理器。前者的能量弛豫时间T1中位数超过100微秒，后者的平均T1约为33微秒。由于两项研究的器件设计和实验目标不同，数据不宜直接比较；但它们表明，钽基器件已进入多比特芯片验证阶段。单量子比特超过1毫秒的寿命，仍需在更大规模的系统中稳定实现。
钽基电路仍面临哪些问题
（1）β相对性能的影响仍需厘清
目前，高性能钽基谐振器和量子比特主要采用α钽。但在薄膜制备中，少量β相可能与α相共存。直观上看，β钽电阻率更高、超导转变温度更低，似乎应尽量避免；然而，已有研究并未证明少量β相一定会降低器件性能，β钽量子比特本身也取得了较好的结果。因此，晶相纯度不能直接等同于器件质量。β相的含量、分布及其与其他工艺因素的关系，还需要进一步厘清。
（2）表面处理需要兼顾去氧化物与避免损伤
含氢氟酸的溶液能够去除硅衬底表面的天然氧化层，适当处理后，部分钽基谐振器的损耗明显降低。但处理效果与溶液配方、浓度和时间有关。有研究发现，在特定条件下延长处理时间，反而会使谐振器性能下降，可能与钽氢化物形成有关。要将这一方法用于稳定制造，就需要确定既能降低界面损耗、又不会损伤钽薄膜的工艺范围。
（3）异常非线性的来源尚未确定
部分α钽谐振器在输入功率或温度升高时，内部品质因数会突然下降；同一晶圆上的器件，有时也会出现不同表现。研究人员提出了氢杂质、准粒子加热和磁通涡旋运动等解释，但现有结果还不能由单一机制完全说明。这种难以预测的行为不仅影响器件性能，也增加了筛选薄膜和制定制造工艺的难度。
图 α钽谐振器随功率和温度变化的异常行为
结语
现有研究已将钽薄膜用于谐振器、Transmon量子比特和多比特芯片，并在低功率损耗和单量子比特寿命方面取得突出结果。钽作为超导电路基础金属层的潜力已得到器件验证，但最佳单器件性能尚未在多比特系统中普遍实现；晶相、表面处理和异常非线性对器件的影响，也仍有待厘清。
https://doi.org/10.1038/s43246-026-01352-1
