[論文レビュー] Epitaxial titanium nitride microwave resonators: Structural, chemical, electrical, and microwave properties

Ran Gao, Wenlong Yu+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 48被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、300 °CでRFマグネトロンスパッタリングを用いて sapphire サブストレート上に成長した高エピタキシャル性を示す窒化チタン（TiN）薄膜が、超伝導平面波導共振器において優れたマイクロ波特性を示すことを実証している。最高の内部品質因子は、単光子状態で3.3 × 10⁶、高出力状態で>1.0 × 10⁷に達し、エピタキシャル TiN が高コherence性超伝導量子回路のための低損失プラットフォームとして確立された。

ABSTRACT

Titanium nitride is an attractive material for a range of superconducting quantum-circuit applications owing to its low microwave losses, high surface inductance, and chemical stability. The physical properties and device performance, nevertheless, depend strongly on the quality of the materials. Here we focus on the highly crystalline and epitaxial titanium nitride thin films deposited on sapphire substrates using magnetron sputtering at an intermediate temperature (300$^{\circ}$C). We perform a set of systematic and comprehensive material characterization to thoroughly understand the structural, chemical, and transport properties. Microwave losses at low temperatures are studied using patterned microwave resonators, where the best internal quality factor in the single-photon regime is measured to be $3.3 imes 10^6$, and $> 1.0 imes 10^7$ in the high-power regime. Adjusted with the material filling factor of the resonators, the microwave loss-tangent here compares well with the previously reported best values for superconducting resonators. This work lays the foundation of using epitaxial titanium nitride for low-loss superconducting quantum circuits.

研究の動機と目的

• sapphire サブストレート上に高品質なエピタキシャル TiN 薄膜を成長させる低熱的コスト、スケーラブルな方法の開発。
• エピタキシャル TiN の構造的・化学的・電気的特性とそのマイクロ波特性との系統的相関の解明。
• エピタキシャル TiN を用いた超伝導マイクロ波共振器で、超高品質因子を達成し、高コherence性量子回路を実現すること。
• 多結晶薄膜に存在する結晶粒界を排除することで、デコherence 研究のための決定的プラットフォームを提供すること。

提案手法

• 300 °CでRFマグネトロンスパッタリングを用いて、c面cut sapphire サブストレート上に100-nm厚のエピタキシャル TiN 薄膜を堆積した。
• 高分解能X線回折（XRD）および透過型電子顕微鏡（TEM）により、エピタキシャル成長と結晶性が確認され、FWHMは0.04°であった。
• X線光電子分光法（XPS）およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）マッピングにより、化学 Stoichiometric なTiN組成が確認された。
• マイクロ波共振器は、誘導結合プラズマ（ICP）ドライエッチングおよびSC-1溶液を用いたウェットエッチングの両方を用いて作製された。
• 低温測定は、10 mK程度のデュアルフリーザーを用い、ベクトルネットワークアナライザおよび低温用アンプを用いて実施された。
• 品質因子は、単光子状態および高出力状態の両方でS21散乱パラメータ測定から抽出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なスパッタリング法を用いて、低熱的コスト（300 °C）で高結晶性かつマイクロ波損失が小さいエピタキシャル TiN 薄膜を成長させることができるか？
• RQ2 エピタキシャル TiN に存在する構造的欠陥（たとえばねじれドメイン）は、マイクロ波特性にどのように影響するか？
• RQ3 エピタキシャル TiN 共振器の固有のマイクロ波品質因子は、多結晶薄膜および他の超伝導材料と比較してどの程度か？
• RQ4 ドライエッチングおよびウェットエッチングの両方のプロセスが、エピタキシャル TiN 共振器で同等の高品質因子を達成できるか？
• RQ5 エピタキシャル界面の品質は、超伝導回路におけるマイクロ波損失およびコherenceにどのように影響するか？

主な発見

• エピタキシャル TiN/sapphire ハイブリッド構造は、ロッキングカーブのFWHMが0.04°であった。これは優れた結晶性を示している。
• XRDおよびTEM分析により、[111]TiN が[0001]sapphire と整列していることが確認され、8%の格子不整合にもかかわらずエピタキシャル成長が成立していることが示された。
• XPSおよびEDXにより、化学的に化学 Stoichiometric なTiNで、化学的不均一性が最小限に抑えられていることが確認された。
• 最高の内部品質因子は、単光子状態で3.3 × 10⁶、高出力状態で>1.0 × 10⁷に達した。
• ドライエッチングおよびウェットエッチングの両方の技術を用いて、平均して単光子品質因子が1.4 × 10⁶を超える再現性の高い結果が得られた。
• エピタキシャル TiN 共振器のマイクロ波損失タンジェントは、報告済みの超伝導共鳴器の最高値と比較して優れている。