[論文レビュー] High critical magnetic field superconducting contacts to Ge/Si core/shell nanowires

Zhaoen Su, Azarin Zarassi+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、臨界磁場が最大800 mTに達するNbTiN-Ge/Siコア/シェルナノワイヤジャンクションにおいて、ゲートで調整可能なジョセフソン超電流を実証した。220 μeVの誘導超伝導ギャップを達成した。アルミニウム中間層を導入し、180 °Cでアニールすることで、接触透過率が向上し、ゲートで調整可能なピンチオフ電圧が実現された。本研究により、この系におけるトポロジカル量子デバイスの実現可能性が前進した。

ABSTRACT

Contacts between high critical field superconductors and semiconductor nanowires are important in the context of topological quantum circuits in which superconductivity must be sustained to high magnetic fields. Here we demonstrate gate-tunable supercurrent in NbTiN-Ge/Si core/shell nanowire-NbTiN junctions. We observe supercurrents up to magnetic fields of 800 mT. The induced soft superconducting gap measured by co-tunneling through a quantum dot is 220 μeV. To improve contact transparency, we deposit an aluminum interlayer prior to NbTiN and observe a systematic change in the device pinch-off voltages with aluminum thickness. We inform future multi-step device fabrication by observing that aluminum anneals with the Ge/Si nanowire at 180° celsius, the baking temperature of common electron beam lithography resists.

研究の動機と目的

• トポロジカル量子回路に適したGe/Siコア/シェルナノワイヤ用の高臨界磁場超伝導接触を開発すること。
• 高磁場下でも持続するゲートで調整可能なジョセフソン電流を達成すること。
• 中間層とアニール処理を用いて、NbTiNとGe/Siナノワイヤ間の接触透過率を向上させること。
• Al中間層の厚さと誘電体工学を用いて、デバイスのピンチオフ電圧を体系的に制御すること。
• 誘導超伝導ギャップを評価し、マヨラナゼロモードの検出に適した条件かどうかを検討すること。

提案手法

• SiO2/Si3N4バックゲートを備えたドーピングされたSi基板上に、NbTiN-Ge/Si-NbTiNジョセフソンジャンクションを形成。
• 接触透過率を向上させるために、NbTiNの前段階でTiまたはAl中間層（3 nm）を堆積。
• ナノワイヤの自然酸化被膜を除去するため、バッファー水酸化フッ素酸とインラインアーチンプラズマ清掃を用いる。
• 電子ビームリソグラフィーを用い、PMMAレジストを180 °Cで焼成することで、AlがGe/Siナノワイヤと合金化するのを誘導。
• 180 °Cでのアニールにより、Alがナノワイヤに拡散し、ジャンクション抵抗を低減。
• 40 mKのデュアル冷却器で輸送測定を実施し、共鳴トンネル効果を用いて超電流、微分抵抗、誘導ギャップを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbTiNベースの接触は、800 mTを超える高磁場下でもGe/Siナノワイヤで超電流を維持できるか？
• RQ2 NbTiNで接触されたGe/Siナノワイヤにおける誘導超伝導ギャップの大きさと性質は何か？
• RQ3 Al中間層の厚さが、NbTiN-Ge/Siジャンクションにおけるピンチオフ電圧と接触透過率に与える影響は？
• RQ4 ナノファブリケーションで一般的に用いられる180 °Cでのアニール処理は、AlがGe/Siナノワイヤと合金化を誘導し、デバイス性能を向上させるか？
• RQ5 Si3N4とHfO2を用いた誘電体工学と中間層の厚さを組み合わせることで、ゼロゲート電圧近辺でのデバイス動作点を調整可能か？

主な発見

• NbTiN-Ge/Si-NbTiNジャンクションにおいて、ジョセフソン超電流が800 mTまで持続することを観測し、高臨界磁場動作を実証した。
• 量子ドットを通る共鳴トンネル効果により、220 μeVの誘導超伝導ギャップが測定されたが、軟ギャップ特性を示し、顕著な準位ギャップ電導度を示した。
• 180 °Cでのアニール後、Al中間層によりジャンクション抵抗が10倍以上低減し、低抵抗デバイスの収率は約25％に達した。
• Al中間層の厚さが増加するにつれ、ピンチオフ電圧が正から負にシフトし、ゼロゲート電圧近辺でのデバイス動作が調整可能となった。
• 180 °CでAlがGe/Siナノワイヤと急速に合金化するが、これは一般的なPMMAレジストの焼成温度と一致しており、工程計画に注意が必要である。
• ゲート誘電体としてSi3N4の代わりにHfO2を用いることで、ピンチオフ電圧がより正の値にシフトし、追加の調整可能性が得られた。