[논문 리뷰] Epitaxial titanium nitride microwave resonators: Structural, chemical, electrical, and microwave properties

Ran Gao, Wenlong Yu외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 07.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 48인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 300 °C에서 RF-마그네트론 스퍼터링을 통해蓝 sapphire 기판 상에 고도로 에피택셜인 툦늄 질화물(TiN) 박막을 성장시켜 초전도성 평면파이프 공진기에서 뛰어난 마이크로파 성능을 달성함을 보여준다. 최고의 내부 품질 인자는 단일 광자 영역에서 3.3 × 10⁶에 도달했고 고출력 영역에서는 >1.0 × 10⁷를 기록하여, 에피택셜 TiN이 고조화성 초전도 양자 회로를 위한 저손실 플랫폼으로서 확립되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 TiN 박막을 사파이어 기판 상에 저열적 부담(300 °C)으로 고품질로 성장시키는 가용성 있는 방법을 개발하기 위해.
• 에피택셜 TiN의 구조적, 화학적, 전기적 성질과 그 마이크로파 성능 간의 체계적 상관관계를 규명하기 위해.
• 에피택셜 TiN을 사용하여 초전도성 마이크로파 공진기에서 초고품질 인자를 달성함으로써 고조화성 양자 회로를 가능하게 하기 위해.
• 다이크립스성의 원인인 다결정 박막에 존재하는 결정립 경계를 제거함으로써, 비가역적 손실 연구를 위한 결정적 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 300 °C에서 RF-마그네트론 스퍼터링을 이용해 c-축 방향 사파이어 기판 상에 100-nm 두께의 에피택셜 TiN 박막을 증착함.
• 고해상도 X선 회절(XRD) 및 투과전자현미경(TEM) 분석을 통해 FWHM 0.04°를 확보하여 에피택셜 성장과 우수한 결정성을 확인함.
• 엑스선 광전자분광법(XPS) 및 에너지 분산형 X선 분석(EDX) 맵핑을 통해 스토이키오메트릭 TiN 조성을 검증함.
• 유도 결합 플라즈마(ICP) 건식 에칭 및 SC-1 용액을 이용한 습식 에칭을 통해 마이크로파 공진기를 제작함.
• 벡터 네트워크 분석기와 고온에서의 증폭기를 사용하여 약 10 mK에서의 냉각 측정을 수행함.
• 단일 광자 및 고출력 영역에서 S21 산란 파ameter 측정을 통해 품질 인자를 추출함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 스퍼터링을 이용해 저열적 부담(300 °C)에서 고결정성과 저마이크로파 손실을 동시에 확보할 수 있는 에피택셜 TiN 박막을 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 에피택셜 TiN 내의 구조적 결함, 예를 들어 휨 도메인과 같은 요소들이 마이크로파 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 에피택셜 TiN 공진기의 본질적 마이크로파 품질 인자는 다결정성 및 기타 초전도 물질과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 건식 및 습식 에칭 공정이 모두 에피택셜 TiN 공진기에서 동일한 고품질 인자를 제공할 수 있는가?
• RQ5 에피택셜 인터페이스의 품질이 초전도 회로의 마이크로파 손실과 조화성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 에피택셜 TiN/사파이어 이종접합에서 롤링 커브 FWHM가 0.04°로 나타나 뛰어난 결정질 품질을 보임.
• XRD 및 TEM 분석을 통해 [111]TiN이 [0001]사파이어 방향으로 정렬되어 있음을 확인함. 이는 8%의 격자 불일치가 존재하더라도 성장 가능함을 의미함.
• XPS 및 EDX 분석을 통해 화학적 비균일성이 최소화된 스토이키오메트릭 TiN 조성을 확인함.
• 최고의 내부 품질 인자는 단일 광자 영역에서 3.3 × 10⁶에 도달했고 고출력 영역에서는 >1.0 × 10⁷를 기록함.
• 건식 및 습식 에칭 기법을 모두 사용하여 평균 단일 광자 품질 인자 >1.4 × 10⁶를 재현 가능하게 확보함.
• 에피택셜 TiN 공진기의 마이크로파 손실 탄성률은 초전도 공진기에서 보고된 최고 수준의 값과 유사하게 유리하게 비교됨.