[논문 리뷰] Direct observation of the thickness distribution of ultra thin AlOx barrier in Al/AlOx/Al Josephson junctions

Lunjie Zeng, Samira Nik외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 01.

Surface and Thin Film PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 원자 해상도의 원형 어두운 필드 스캐닝 투과 전자현미경(AADF-STEM)을 사용하여 알루미늄/알루미나산화물/알루미늄 조지프슨 접합에서 초박막 AlOx 장벽의 두께 분포를 직접 관측한다. 결과적으로 전자 터널링을 주도하는 것은 장벽 면적의 10% 미만이며, 두께는 약 1 nm에서 약 2 nm 사이의 가우시안 분포를 보이며, 산화 시간을 연장하는 것이 산소 기체 압력을 높이는 것보다 장벽 두께를 더 효과적으로 증가시킨다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초박막 AlOx 장벽의 국소 두께 분포를 직접 시각화하는 것.
• 특히 전자 터널링에 기여하는 영역가 장벽 두께의 역할을 이해하는 것.
• 산화 시간(to)과 산소 기체 압력(po)이 AlOx 장벽의 두께 분포에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 유사한 접합에서의 전기적 저항 측정 결과와 미세구조 관측 결과를 연계하는 것.
• 고품질 조지프슨 접합에서의 터널링 두께 의존성에 대한 실험적 검증을 제공하는 것.

제안 방법

• 원자 해상도의 원형 어두운 필드 스캐닝 투과 전자현미경(AADF-STEM)을 사용하여 AlOx 장벽을 원자 스케일에서 영상 촬영하였다.
• 세 개의 다른 접합에서 다수의 점에서 국소적으로 AlOx 장벽 두께를 측정하였다.
• 두께 분포를 분석하여 통계적 형태를 규명하였으며, 가우시안 프로파일을 확인하였다.
• 산화 조건(산소 기체 압력 및 시간)을 체계적으로 변화시켜 장벽 두께에 미치는 영향을 연구하였다.
• 유사한 접합에서의 전기적 저항 측정 결과를 사용하여 관측된 두께 경향을 검증하였다.
• 주요 터널링을 담당하는 장벽 면적 비율을 정량화하기 위해 통계 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 기술 수준의 알루미늄/알루미나산화물/알루미늄 조지프슨 접합에서 AlOx 장벽 두께의 공간 분포는 어떠한가?
• RQ2 장벽의 어떤 영역이 전자 터널링을 주도하며, 이에 기여하는 면적 비율은 얼마인가?
• RQ3 산화 시간과 산소 기체 압력은 AlOx 장벽의 두께와 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 두께 분포는 유사한 접합에서의 전기적 저항 측정 결과와 일치하는가?
• RQ5 장벽 두께는 접합 전반에 걸쳐 가우시안 분포를 따르는가?

주요 결과

• 연구된 조지프슨 접합에서 전자 터널링의 대부분을 담당하는 것은 AlOx 장벽 면적의 10% 미만이다.
• 국소적 장벽 두께는 약 1 nm에서 약 2 nm 사이로 변동하며, 가우시안 분포를 따른다.
• 산화 시간(to)을 연장하면 장벽 두께가 증가하며, 이는 유사한 접합에서의 저항 측정 결과와 일치한다.
• 산소 기체 압력(po)을 증가시키면 산화 시간 증가에 비해 장벽 두께 증가 폭이 더 작다.
• 직접 ADF-STEM 영상 분석을 통해 두께 비균일성이 터널링 거동의 핵심 요인임을 확인하였다.
• 이러한 결과는 장벽 두께 균일성이 고성능 조지프슨 접합에 있어 매우 중요하다는 실험적 증거를 제공한다.