[논문 리뷰] Temperature-Dependent Dielectric Function of Tantalum Nitride Formed by Atomic Layer Deposition for Tunnel Barriers in Josephson Junctions

Ekta Bhatia, Aaron Lopez Gonzalez외 10명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 05.

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한 줄 요약

논문은 절연 ALD TaN 박막의 유전 함수(dielectric function)를 다양한 온도에서 측정·모델링하여 Ta 기반 Josephson 접합의 터널 바리어로서의 적합성을 평가하고, 절연 거동을 보이며 Tauc-Lorentz 기반 분산 모델을 개발한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 80–600 K 범위에서 Josephson 접합의 터널 바리어로 사용할 때 ALD TaN 박막의 절연 유전체 거동을 입증한다.
• ALD TaN 박막의 온도 의존 광학 상수와 분산 특성을 규명하여 정확한 바리어 모델링을 가능하게 한다.
• 간접전이용 1.5–1.8 eV 대역갭을 갖는 Tauc-Lorentz 진동자를 포함하는 유전 함수 모델을 개발한다.
• 쿼비트 응용에서 두께 제어, 표면 거칠기, 열적 안정성, 노화 저항성 측면에서 ALD TaN이 AlOx보다 가지는 잠재적 이점을 평가한다.
• 초전도 양자 회로에 대한 재료 적합성을 지지하기 위해 구조/조성 분석과 광학 특성 간의 상관관계를 연결한다.

제안 방법

• Si/SiO2 기판 위의 TaN 박막(두께 13 nm와 25 nm)에 대해 70° 입사에서 온도 의존 엘립시메트릭 각을 측정한다.
• 간접전이를 설명하기 위해 1.5–1.8 eV 대역갭의 Tauc-Lorentz 진동자를 사용하여 분산 모델을 적합한다.
• 중적외선 투과성과 고온까지의 자유전하 흡수의 부재를 통해 절연 거동을 평가한다.
• 선택 영역 회절을 포함한 TEM 및 XRD로부터의 구조 데이터와 분사 깊이 프로파일 XPS(N/Ta ≈ 1.2)로부터의 조성 데이터를 제공한다.
• 더 두꺼운 바리어 및 큐비트 임계 전류 밀도에 대한 시사점을 논의하기 위해 ALD TaN의 특성을 AlOx와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 절연 ALD TaN 박막의 유전 함수의 온도 의존성은 무엇인가?
• RQ2 해당 온도 범위에서 절연 거동을 유지함으로써 ALD TaN이 Ta 기반 Josephson 접합의 적합한 터널 바리어 재료가 될 수 있는가?
• RQ3 Tauc-Lorentz 기반 분산 모델이 ALD TaN의 광학 전이를 얼마나 잘 설명하며 적절한 대역갭은 무엇인가?
• RQ4 ALD TaN 박막의 구조적 및 조성적 특성이 유전 특성과 열적 안정성과 어떤 상관관계를 보이는가?

주요 결과

• ALD TaN 박막은 시험된 모든 온도 및 두께(13 nm 및 25 nm)에서 중적외선 투명성을 갖는 절연 거동을 보인다.
• 자유 전하에 의한 적외선 흡수가 고온에서도 관측되지 않아 터널 바리어로의 적합성을 뒷받침한다.
• 1.5–1.8 eV 대역갭을 갖는 Tauc-Lorentz 진동자를 포함하는 분산 모델이 간접 전이를 충분히 설명한다.
• 얇은 TaN 박막은 낮은 거칠기와 열적 안정성을 보여, 필요한 임계 전류 밀도를 달성하면서 더 두꺼운 바리어에 대한 가능성을 시사한다.
• 스퍼터 깊이 프로파일 XPS는 박막 전체에서 N/Ta 비가 약 1.2임을 나타내며 측정된 광학 특성과 일치한다.
• TEM(선택 영역 회절 포함) 및 XRD 분석은 TaN 박막의 구조적 특성을 보강하기 위해 논의된다.