Materials Research Letters：應用材料公司/布法羅大學合作研發高質量晶片規模尺寸外延超薄NbN超導薄膜

文獻鏈接

Ultrathin epitaxial NbN superconducting films?with high upper critical field grown at low?temperature. Materials Research Letters, 9:8, 336-342. (https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1919934)

背景信息

氮化鈮（NbN）超導薄膜因其相對較高的超導轉變溫度（T_c），以及優異的臨界電流密度-磁場（J_c-H）特性被廣泛應用于多種電子設備中，比如超導納米線單光子探測器（SNSPD）及超導Josephson結。?研究表明，氮化鈮薄膜的超導特性不僅與其本身膜的厚度有關，還與薄膜沉積過程中所應用的沉積方法以及沉積溫度密切相關。對于某些特定應用，比如超導量子干涉儀和快速單通量量子邏輯電路等，不僅對氮化鈮薄膜的厚度有很高要求（3-5納米），還需要外延生長技術。因此為了優化氮化鈮薄膜在特定應用方面的性能，研究其生長-結構-性質之間的關系至關重要。

結果介紹

在本文中，美國應用材料公司Mingwei Zhu團隊和布法羅大學Quanxi Jia教授團隊展開合作，利用磁控反應濺射技術，成功在較低的溫度下（400攝氏度）制備出了高質量超薄（5-50納米）外延生長的氮化鈮超導薄膜。重要的是晶片規模尺寸高質量超導膜可以使用應用材料公司的Endura? 300-mm Impulse? PVD物理氣相沉積設備來制備。 該文并探討了其超導轉變溫度，上臨界磁場強度，不可逆磁場強度，超導相干長度等物理特性與其薄膜厚度的密切關系。結果表明（111）晶向的外延氮化鈮薄膜的超導轉變溫度隨薄膜厚度逐漸降低，并會在薄膜厚度為1.4納米時完全消失。即使在5納米的超薄厚度下，其依然有11.2K的超導轉變溫度和36±2T的上臨界磁場。

相關重要成果以“Ultrathin epitaxial NbN superconducting films with high upper critical field grown at low temperature”為題發表在Materials?Research?Letters上。

圖文導讀

圖1 ?不同厚度氮化鈮薄膜的X光衍射譜。右上角插圖為氮化鈮晶格常數以及（111）衍射峰的半高寬與其厚度的關系。

圖2 ?厚度為5納米的氮化鈮薄膜的STEM分析以及EDS圖譜。

圖3??超導轉變溫度以及轉變寬度與薄膜厚度的關系。

圖4??與磁場相關的氮化鈮薄膜超導特性。（a）不同厚度下的超導轉變寬度與磁場的關系。（b）不同磁場強度下（0-7T）厚度為5納米的氮化鈮薄膜的電阻率-溫度特性曲線。（c）和（d）：5納米和50納米薄膜的上臨界磁場以及不可逆磁場強度對于溫度的關系。

總結

該工作實現了比較低溫條件下晶片規模尺寸的氮化鈮薄膜的外延生長，并深入探討了氮化鈮超導薄膜的超導特性與薄膜厚度的密切關系。證實了使用工業規模的物理氣相沉積技術為量子器件生產高性能外延超導薄膜的切實可行性。

*本文由MRL編輯部邀請，作者團隊供稿。