[論文レビュー] Temperature-Dependent Dielectric Function of Tantalum Nitride Formed by Atomic Layer Deposition for Tunnel Barriers in Josephson Junctions

Ekta Bhatia, Aaron Lopez Gonzalez+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2026

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 0

ひとこと要約

論文は絶縁性ALD TaN膜の誘電関数を温度依存的に測定・モデリングし、Taベースジョセフソン接合のトンネル障壁としての適性を評価。絶縁的挙動を示し、Tauc-Lorentzに基づく分散モデルを開発。

ABSTRACT

We report the dielectric functions of insulating tantalum nitride (TaN) films, deposited using atomic layer deposition (ALD) on 300 mm Si/SiO2 substrates, to demonstrate their suitability as tunnel barriers in tantalum-based Josephson junctions (JJ) for superconducting quantum circuits. The temperature-dependent ellipsometric angles were measured using ALD TaN films with nominal thicknesses of 13 nm and 25 nm at an incidence angle of 70 degrees, across photon energy ranges of 0.03 eV to 0.7 eV (80-300 K) and 0.5 eV to 6.5 eV (80-600 K). This data was used to develop a dispersion model for insulating ALD TaN films that incorporates a Tauc-Lorentz oscillator with a band gap of 1.5-1.8 eV to model the interband optical transitions. The extracted dielectric function of ALD TaN films shows an insulating behavior (mid-infrared transparency) at all temperatures and for both film thicknesses tested. ALD TaN does not exhibit infrared absorption due to free carriers, even at elevated temperatures, demonstrating its insulating nature, which is required for the tunnel barrier of the JJ in quantum applications. The results of transmission electron microscopy, including selected area electron diffraction, and X-ray diffraction are also discussed. Sputter depth-profile X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) shows an N/Ta ratio of ~1.2 throughout the film. The lower band gap, low roughness, and thermal stability of ALD TaN compared to AlOx suggest the possibility of fabricating JJs with thicker barriers while achieving critical current densities required for qubits, better control of thickness and composition, reduced topography, and resistance to aging.

研究の動機と目的

• ALD TaN膜がジョセフソン接合のトンネル障壁として適用可能であることを80–600 K幅で絶縁的な誘 dielectric 振る舞いとして示す。
• ALD TaN膜の温度依存の光学定数と分散を特徴づけ、障壁モデルを正確に可能とする。
• 間接遷移のための特定のバンドギャップ範囲（1.5–1.8 eV）を持つTauc-Lorentzオシレーターを組み込んだ誘電関数モデルを開発する。
• 厚い障壁とキュービット臨界電流密度に関する厚さ制御、粗さ、熱安定性、経年耐性の点でAlOxに対するALD TaNの潜在的利点を評価する。
• 超伝導量子回路に適した材料特性を支持するため、構造・組成分析と光学特性の相関を明らかにする。

提案手法

• Si/SiO2上のTaN膜（厚さ13 nmおよび25 nm）を70°入射で温度依存エリプソメトリ計測を行う。
• 1.5–1.8 eVのバンドギャップを持つTauc-Lorentzオシレーターを用いた分散モデルを適合させ、間接遷移を説明する。
• 中赤外域の透過と高温までの赤外域自由キャリア吸収の不存在を示すことで、絶縁挙動を評価する。
• TEM（選択領域電子回折を含む）およびXRDによる支持的な構造データ、スパッタ深さプロファイルXPS（N/Ta ≈ 1.2）による組成データを提供する。
• ALD TaNの特性をAlOxと比較し、厚い障壁およびキュービット臨界電流密度への影響を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 絶縁ALD TaN膜の誘電関数の温度依存性はどうなるか。
• RQ2 関連温度範囲で絶縁挙動を維持し、Taベースジョセフソン接合の適切なトンネル障壁材料としてALD TaNは適切か。
• RQ3 Tauc-Lorentzベースの分散モデルはALD TaNの光学遷移をどれだけうまく記述し、適切なバンドギャップはどれか。
• RQ4 ALD TaN膜の構造・組成特性は誘電特性と熱安定性とどのように相関するか。

主な発見

• ALD TaN膜は13 nmおよび25 nmの厚さで、すべての試験温度域において中赤外域透過を伴う絶縁挙動を示す。
• 赤外自由キャリアによる吸収は高温でも観測されず、トンネル障壁としての適性を支持する。
• バンドギャップ1.5–1.8 eVを持つTauc-Lorentzオシレーターを含む分散モデルは、間接遷移を適切に記述する。
• 薄膜の粗さが低く、熱安定性が高いため、必要な臨界電流密度を達成しつつ、より厚い障壁への適用が見込まれる。
• スパッタ深さプロファイルXPSによれば膜全体でN/Ta比は約1.2で、測定された光学挙動と一致する。
• TaN膜の構造的性質を裏付けるため、TEM（選択領域回折を含む）およびXRDの解析結果を議論する。