[論文レビュー] Direct observation of the thickness distribution of ultra thin AlOx barrier in Al/AlOx/Al Josephson junctions

Lunjie Zeng, Samira Nik+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2014

Surface and Thin Film PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、原子分解能アンニュラーダークフィールド走査型透過電子顕微鏡（ADF-STEM）を用いて、Al/AlOx/Alヨージェースン接合における超薄膜AlOxバリアの厚さ分布を直接観察した。その結果、電子トンネル効果を支配するのはバリア面積の10%未塔であり、厚さは約1 nmから約2 nmのガウス分布に従い、酸化時間の延長が酸素圧の上昇よりもバリア厚さの増加に効果的であることが示された。

ABSTRACT

We show that less than 10% of the barrier area dominates the electron tunneling in state-of-art Al/AlOx/Al Josephson junctions. They have been studied by transmission electron microscopy, specifically using atomic resolution annular dark field (ADF) scanning transmission electron microscopy (STEM) imaging. The direct observation of the local barrier thickness shows a Gaussian distribution of the barrier thickness variation along the junction, from ~1 nm to ~2 nm in the three junctions we studied. We have investigated how the thickness distribution varies with oxygen pressure (po) and oxidation time (to) and we find, in agreement with resistance measurements on similar junctions, that an increased to gives a thicker barrier than an increased po.

研究の動機と目的

• Al/AlOx/Alヨージェースン接合における超薄膜AlOxバリアの局所的厚さ分布を直接可視化すること。
• 特にトンネル効果を支配する領域がどの部分であるかを理解すること。
• 酸化時間（to）と酸素圧（po）がAlOxバリアの厚さ分布に及ぼす影響を調査すること。
• 類似した接合からの電気的抵抗測定と微視的構造観察を照合すること。
• 高品質なヨージェースン接合におけるトンネル効果の厚さ依存性についての実験的裏付けを提供すること。

提案手法

• 原子分解能アンニュラーダークフィールド走査型透過電子顕微鏡（ADF-STEM）を用いて、AlOxバリアを原子スケールで像として観察した。
• 3つの異なる接合において、複数の点での局所的AlOxバリア厚さを測定した。
• 厚さ分布の統計的形態を分析し、ガウス分布であることが判明した。
• 酸化条件（酸素圧と時間）を系統的に変化させ、それらがバリア厚さに与える影響を調査した。
• 類似した接合からの電気的抵抗測定結果を用いて、観察された厚さ傾向の妥当性を検証した。
• 統計的分析により、トンネル効果を支配するバリア面積の割合を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最先端のAl/AlOx/Alヨージェースン接合におけるAlOxバリア厚さの空間的分布は何か？
• RQ2 バリアのどの領域が電子トンネル効果を支配しており、その面積比はどの程度か？
• RQ3 酸化時間と酸素圧は、AlOxバリアの厚さとその分布にどのように影響するか？
• RQ4 観察された厚さ分布は、類似した接合からの電気的抵抗測定結果と整合性があるか？
• RQ5 バリア厚さは接合全体でガウス分布に従うか？

主な発見

• 研究対象のヨージェースン接合において、AlOxバリア面積の10%未塔が電子トンネル効果の大部分を支配している。
• 局所的バリア厚さは約1 nmから約2 nmの間で変動し、ガウス分布に従う。
• 酸化時間（to）の延長によりバリア厚さが増加し、類似した接合の抵抗測定結果とも整合的である。
• 酸素圧（po）の上昇によりバリア厚さが増加するが、酸化時間の延長に比べて増加量が小さい。
• 直接的なADF-STEM像により、厚さの不均一性がトンネル効果行動の鍵要因であることが確認された。
• 本研究の結果は、高性能ヨージェースン接合においてバリア厚さの均一性が極めて重要であることを実験的に裏付けた。