[논문 리뷰] High critical magnetic field superconducting contacts to Ge/Si core/shell nanowires

Zhaoen Su, Azarin Zarassi외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 10.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 임계 자기장까지 800 mT에 이르는 NbTiN-Ge/Si 코어/쉘 나노와이어 접합에서 게이트 조절이 가능한 조지프슨 초전류를 입증한다. 이로 인해 220 μeV의 유도 초전도 갭이 달성되었다. 알루미늄 인터레이어를 도입하고 180 °C에서 열처리를 최적화함으로써 접합의 투과도를 향상시키고, 조절 가능한 핑크오프 전압을 실현함으로써, 이 시스템에서 토폴로지 양자 장치의 실현 가능성을 높였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 토양 양자 회로에 적합한 Ge/Si 코어/쉘 나노와이어에 적합한 고임계 자기장 초전도 접합을 개발하기 위해.
• 높은 자기장 조건에서도 지속되는 게이트 조절이 가능한 조지프슨 초전류를 달성하기 위해.
• 인터레이어와 열처리를 통해 NbTiN과 Ge/Si 나노와이어 간의 접합 투과도를 향상시키기 위해.
• Al 인터레이어 두께와 유전체 공학을 통해 장치의 핑크오프 전압을 체계적으로 제어하기 위해.
• 유도 초전도 갭을 평가하고 Majorana 제로 모드 탐지에 적합한지 평가하기 위해.

제안 방법

• SiO2/Si3N4 백게이트를 갖는 도핑된 Si 기판 위에 NbTiN-Ge/Si-NbTiN 조지프슨 접합을 제작한다.
• 접합 투과도를 향상시키기 위해 NbTiN 투과 이전에 Ti 또는 Al 인터레이어(3 nm 두께)를 증착한다.
• 나노와이어 표면의 산화막을 제거하기 위해 버퍼드 희석산 및 현장 내 아르곤 플라즈마 세정을 시행한다.
• 전자선 리소그래피를 사용하며, PMMA 리트랙을 180 °C에서 굳혀, Al 이 나노와이어의 Ge/Si와 합금화되도록 유도한다.
• 180 °C에서 열처리를 실시하여 Al 이 나노와이어로 확산되도록 하여 접합 저항을 감소시킨다.
• 40 mK에서 동작하는 극저온 냉각기에서 운반 측정을 실시하여, 공동터널링을 통한 초전류, 미분 저항 및 유도 갭을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NbTiN 기반 접합은 고자기장 조건(800 mT 이상)에서도 Ge/Si 나노와이어에서 초전류를 유지할 수 있는가?
• RQ2 NbTiN로 접합된 Ge/Si 나노와이어에서 유도 초전도 갭의 크기와 특성은 무엇인가?
• RQ3 Al 인터레이어 두께가 NbTiN-Ge/Si 접합의 핑크오프 전압과 접합 투과도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 나노재료 공정에서 일반적으로 사용되는 180 °C에서의 열처리는 Ge/Si 나노와이어와 Al의 합금화를 유도하고 장치 성능을 향상시키는가?
• RQ5 유전체 공학(Si3N4 대비 HfO2)과 인터레이어 두께를 통해 게이트 전압이 0에 가까운 장치의 작동점을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• NbTiN-Ge/Si-NbTiN 접합에서 조지프슨 초전류가 800 mT까지 지속됨을 관측하여 고임계 자기장 작동을 입증하였다.
• 양자점을 통한 공동터널링을 통해 측정된 유도 초전도 갭은 220 μeV이지만, 소프트 갭 특성을 보이며 상당한 고하위 도핑 도전도를 나타낸다.
• 180 °C에서 열처리를 한 후 Al 인터레이어로 인해 접합 저항이 10배 이상 감소하였으며, 저저항 장치의 수율은 약 25%였다.
• Al 인터레이어 두께가 증가할수록 핑크오프 전압이 양성에서 음성으로 이동하여, 게이트 전압이 0 근처에서 조절 가능한 장치 작동이 가능해졌다.
• 180 °C에서 Al 이 Ge/Si 나노와이어와 급속하게 합금화되며, 이는 일반적인 PMMA 리트랙 굳히기 온도와 일치하여, 철저한 공정 계획이 필요하다.
• 게이트 유전체로 Si3N4 대신 HfO2를 사용할 경우 핑크오프 전압이 더 양성으로 이동하여 추가적인 조절 능력을 제공한다.