Optymalizacja wzrostu epitaksjalnego azotku niobu do zastosowań w elektronice nadprzewodzącej

Nadprzewodzące materiały stanowią doskonałą platformę do wytwarzania urządzeń kwantowych, w tym kubitów, obwodów logicznych, interferometrów kwantowych SQUID i detektorów pojedynczych fotonów. Urządzenia te opierają się na strukturach złączy Josephsona (JJ), które składają się z sekwencji materiałów: nadprzewodnik/normalny materiał/nadprzewodnik. Jednak powszechnie stosowane złącza Al/AlOx/Al mają poważne ograniczenia ze względu na amorficzną naturę AlOx, która wprowadza stany defektowe, prowadzące do dekoherencji kubitów. Dodatkowo, aluminium jest podatne na utlenianie, co pogarsza parametry urządzeń.
Obiecującą alternatywą jest azotek niobu (NbN). Kubiczna faza δ-NbN o wysokiej temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa (Tc ) wynoszącej 17 K i doskonałej odporności na utlenianie ma potencjał, by przewyższyć złącza na bazie aluminium. Ponadto, podobieństwo strukturalne między podsieciami kationowymi δ-NbN a półprzewodnikami z grupy III-azotków (GaN, AlN), w połączeniu z korzystnym dopasowaniem sieci krystalicznych, umożliwia epitaksjalną integrację tych materiałów. Integracja ta otwiera nowe możliwości precyzyjnej kontroli nad heterostrukturami NbN/III-azotek, ułatwiając rozwój zaawansowanych nadprzewodzących urządzeń kwantowych. Chociaż NbN jest tradycyjnie hodowany za pomocą epitaksji rozpyleniowej, MBE (epitaksja z wiązek molekularnych) zapewnia lepszą kontrolę nad domieszkowaniem, czystością i integracją heterostruktur. Jednak uzyskanie wysokiej jakości δ-NbN na podłożach o strukturze wurcytu jest wyzwaniem ze względu na tendencję do tworzenia bliźniaków, co pogarsza morfologię powierzchni i ogranicza wytwarzanie cienkich barier w złączach JJ.Niniejszy projekt ma na celu hodowlę wysokiej jakości warstw δ-NbN oraz struktur złączy Josephsona δ-NbN/III-azotek/δ-NbN przy użyciu MBE. Główny nacisk kładzie się na rozwój warstw wolnych od bliźniaków i minimalizowanie chropowatości powierzchni poprzez optymalizację warunków wzrostu. Aby zidentyfikować najbardziej odpowiednią platformę do wzrostu NbN za pomocą MBE, zbadane zostaną różne podłoża. Początkowo badanie skoncentruje się na opcjach z najlepszym dopasowaniem sieci, takich jak natywne AlN i szafirowe podłoża wyżarzane w wysokiej temperaturze (HTA), które oferują wyjątkowo niskie niedopasowanie sieci, wynoszące zaledwie 0,2%.Ponadto, zbadane zostanie nowatorskie podejście do wzrostu kubicznego NbN na kryształach GaN i AlN o orientacji płaszczyzny m. Ze względu na symetrię tych niepolarnych podłoży III-azotkowych, bliźniaczenie powinno być naturalnie tłumione, co umożliwi wytwarzanie wysokiej jakości warstw o lepszych właściwościach strukturalnych. Oczekuje się, że takie postępy otworzą nowe możliwości dla projektów urządzeń nowej generacji. Ponadto, do rozwoju heterostruktur JJ zastosowane zostaną podłoża krzemowe z różnymi warstwami buforowymi hodowanymi za pomocą MBE (TiN, AlN). Ta strategia ma na celu zapewnienie opłacalnej alternatywy przy jednoczesnym utrzymaniu znacznie wyższej jakości warstw i kontroli nad procesem wzrostu niż w przypadku obecnych technik, co czyni ją obiecującym rozwiązaniem dla skalowalnego wytwarzania nadprzewodzących urządzeń. Projekt ma również na celu optymalizację wzrostu NbN za pomocą MBE w warunkach bogatych w ind. W przeciwieństwie do konwencjonalnego wzrostu w warunkach bogatych w azot, podejście to już wykazało obiecujące wyniki, łagodząc szkodliwe skutki tworzenia bliźniaków w warstwach NbN hodowanych na podłożach GaN o orientacji płaszczyzny c. Warunki bogate w ind doprowadziły do większych rozmiarów ziaren bliźniaczych, tłumienia wzrostu kolumnowego, znacznie gładszych powierzchni i poprawy T c w porównaniu z warunkami bogatymi w azot. Te postępy umożliwiły pierwszą udaną produkcję złącza Josephsona NbN/InAlN/NbN hodowanego za pomocą MBE o gęstości prądu krytycznego 1 kA/cm² i niewywoływanych histerezą charakterystykach I-V. Następnym kluczowym zadaniem jest wzrost cienkiej (~1 nm), ciągłej bariery z III-azotku na warstwie NbN, a następnie nadbudowa dodatkowej warstwy NbN. Proces ten wymaga opracowania procedury przejściowej między warunkami wzrostu NbN i III-azotków, która zachowa morfologię i stechiometrię fazy δ-NbN, zapewniając gładkie interfejsy.
Poza optymalizacją wzrostu, projekt ma również na celu zrozumienie, w jaki sposób warunki wzrostu i wybór podłoża wpływają na mikrostrukturę, mechanizmy nukleacji i tworzenie defektów w warstwach NbN. Aby to osiągnąć, zastosowane zostaną zaawansowane techniki transmisyjnej mikroskopii elektronowej, zapewniające dogłębną analizę strukturalną warstw.
Odkrycia z tych badań nie tylko przyczynią się do rozwoju nadprzewodzących urządzeń na bazie NbN, ale także pogłębią zrozumienie fizyki rządzącej heterostrukturami nadprzewodzącymi.