[論文レビュー] Tunneling Spectroscopy of Atomically-Thin Al2O3 Films for Tunnel Junctions

Jamie Wilt, Youpin Gong+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2017

Semiconductor materials and devicesEngineering参考文献 20被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、原子層沈積（ALD）とインサイトスキャントンネル分光法（STS）および分子動力学シミュレーションを用いて、原子的に薄く高品質なAl2O3トンネルバリアの作製を実証した。制御されたH2Oパルスを用いてアルミニウム（Al）表面をヒドロキシル化することで、均一で漏れのないバリアを実現し、顕著に高いバリア高さと低い欠陥密度を達成した。これにより、ヨセフソン接合における優れた性能が得られ、次世代の金属-絶縁体-金属トンネル接合の発展が進んだ。

ABSTRACT

Metal-Insulator-Metal tunnel junctions (MIMTJ) are common throughout the microelectronics industry. The industry standard AlOx tunnel barrier, formed through oxygen diffusion into an Al wetting layer, is plagued by internal defects and pinholes which prevent the realization of atomically-thin barriers demanded for enhanced quantum coherence. In this work, we employed in situ scanning tunneling spectroscopy (STS) along with molecular dynamics simulations to understand and control the growth of atomically thin Al2O3 tunnel barriers using atomic layer deposition (ALD). We found that a carefully tuned initial H2O pulse hydroxylated the Al surface and enabled the creation of an atomically-thin Al2O3 tunnel barrier with a high quality M-I interface and a significantly enhanced barrier height compared to thermal AlOx. These properties, corroborated by fabricated Josephson Junctions, show that ALD Al2O3 is a dense, leak-free tunnel barrier with a low defect density which can be a key component for the next-generation of MIMTJs.

研究の動機と目的

• 従来の熱的AlOxバリアに見られる欠陥やピンホールの問題を克服するため、原子的に薄く高品質なトンネルバリアの開発を目的とする。
• 量子コherenceの向上を図るため、トンネル接合における金属-絶縁体（M-I）界面品質およびバリア高さの改善を目的とする。
• ALDによる制御されたH2Oパルスを用いた表面ヒドロキシル化の役割が、均一で高密度なAl2O3成長を可能にする仕組みを解明することを目的とする。
• インサイトSTS測定結果と分子動力学シミュレーションを照合し、核生成および成長メカニズムの理解を深めることを目的とする。
• 量子デバイス応用を想定した機能的ヨセフソン接合におけるALD Al2O3の性能を検証することを目的とする。

提案手法

• ALD成長中のAl2O3膜の電子的性質を測定するため、インサイトスキャントンネル分光法（STS）を用いた。
• Al表面にヒドロキシル化を施した状態としない状態の両方を想定し、初期核生成およびAl2O3成長をモデル化するため、分子動力学シミュレーションを実施した。
• ALDサイクル開始前に、正確に調整された初期H2Oパルスを用いてAl表面をヒドロキシル化した。
• ALDパラメータを制御することで、Al2O3の厚さと均一性を原子層レベルで精密に制御した。
• ALD Al2O3をトンネルバリアとして用いたヨセフソン接合をプロトタイピングし、特性評価を実施した。
• ALD Al2O3と従来の熱的AlOxとの間で、バリア特性（バリア高さ、欠陥密度、漏れ電流）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期H2Oパルスによる表面ヒドロキシル化が、ALD中のAl2O3膜の核生成および成長に与える影響は何か？
• RQ2 ALD成長Al2O3は、熱的AlOxと比較してトンネルバリア高さおよび界面品質にどのような影響を及えるか？
• RQ3 インサイトSTSは、原子的に薄いAl2O3膜における欠陥密度および電子的不均一性を検出・定量できるか？
• RQ4 ALDプロセスは、トンネル接合における漏れ電流およびピンホールをどの程度低減できるか？
• RQ5 ALD Al2O3バリアの電子的性質と、ヨセフソン接合における性能の相関関係は何か？

主な発見

• 制御されたH2OパルスによりAl表面がヒドロキシル化され、均一で原子的に薄いAl2O3層の形成が可能となり、優れた核生成特性を示した。
• インサイトSTSにより確認されたように、ALD成長Al2O3バリアは、熱的AlOxと比較して顕著に高いトンネルバリア高さを示した。
• M-I界面品質が顕著に向上し、電子的不均一性および欠陥密度が低減した。
• ALD Al2O3膜には測定可能な漏れが認められず、高密度でピンホールのない構造であることが示された。
• ALD Al2O3を用いたヨセフソン接合は、高いコherenecと優れた性能を示し、量子デバイス応用への適性が裏付けられた。
• 分子動力学シミュレーションにより、ヒドロキシル化が均一で層状の成長を促進し、島状成長の抑制に寄与することが確認された。