[논문 리뷰] The effect of niobium thin film structure on losses in superconducting circuits

Maxwell Drimmer, Sjoerd Telkamp외 8명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 18.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 Nb 박막 결정성 및 표면 형태를 증착 온도에 의해 제어하고 이를 Nb-온-사파이어 공진기의 마이크로파 손실 메커니즘과 연결하여 단일 광자 품질 계수에서 기록적 수준에 근접한 결과를 제시한다.

ABSTRACT

The performance of superconducting microwave circuits is strongly influenced by the material properties of the superconducting film and substrate. While progress has been made in understanding the importance of surface preparation and the effect of surface oxides, the complex effect of superconductor film structure on microwave losses is not yet fully understood. In this study, we investigate the microwave properties of niobium resonators with different crystalline properties and related surface topographies. We analyze a series of magnetron sputtered films in which the Nb crystal orientation and surface topography are changed by varying the substrate temperatures between room temperature and 975 K. The lowest-loss resonators that we measure have quality factors of over one million at single-photon powers, among the best ever recorded using the Nb on sapphire platform. We observe the highest quality factors in films grown at an intermediate temperature regime of the growth series (550 K) where the films display both preferential ordering of the crystal domains and low surface roughness. Furthermore, we analyze the temperature-dependent behavior of our resonators to learn about how the quasiparticle density in the Nb film is affected by the niobium crystal structure and the presence of grain boundaries. Our results stress the connection between the crystal structure of superconducting films and the loss mechanisms suffered by the resonators and demonstrate that even a moderate change in temperature during thin film deposition can significantly affect the resulting quality factors.

연구 동기 및 목표

• 증착 중 기판 온도에 따라 조정된 Nb 박막 결정성 및 표면 지형이 초전도 공진기에 미치는 영향을 조사한다.
• 입계 경계 및 결정성 질이 준입자 역학 및 TLS 관련 손실에 어떤 영향을 미치는지 파악한다.
• 손실을 최소화하고 공진기 성능을 향상시키는 성장 온도 영역을 확인한다.

제안 방법

• 동일한 스퍼터링 조건 하에서 sapphire에 Nb 박막을 다섯 온도(300, 550, 745, 900, 975 K)에서 성장시킨다.
• XRD 및 폴 피겨를 통해 결정 구조를 특성화하고 다결정화 대 단일결정 정렬을 판단한다.
• AFM으로 표면 형태를 평가하여 거칠기와 도메인 구조를 정량화한다.
• 각 웨이퍼에서 CPW 공진기를 제작하고 S21를 측정하여 공진 특성과 내부 Q 값을 추출한다.
• TLS 기반 프레임워크와 온도 독립 손실 항(delta_PI)을 더해 TLS 및 비-TLS 기여를 분리하는 손실 모델을 적용한다.
• 마이크로파 성능과 미시적 박막 특성과의 연관성을 밝히기 위해 DC 전도성(Tc, Hc, l_MFP, xi_GL)을 분석한다.

Figure 1: (a) XRD radial scans of the wafers listed in Table 1 . The traces are offset with respect to each other for clarity. The sharp peaks that are associated with the mono-crystalline sapphire substrate are labeled with a star. (b) XRD polefigures of the 110 Bragg peak showing the orientation d

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성장 온도로 제어된 Nb 박막 결정성이 Nb-온-사파이어 공진기의 마이크로파 손실 메커니즘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이들 박막에서 표면 거칠기, 입계 및 TLS 관련 손실 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 중간 성장 온도가 결정 질서와 표면 형태의 최적 조합을 가진 저손실 박막을 제공하는가?
• RQ4 온도 의존적 손실 기여와 온도 독립 손실 기여는 결정 구조 및 입계 밀도에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ5 입계 밀도와 준입자 포획 역학과 관련된 기제는 어떤가?

주요 결과

• 중간 온도 성장(550 K)에서 만든 공진기가 단일 광자 내부 Q가 가장 높아, 1.0 × 10^6를 초과한다.
• 550 K에서 성장한 박막은 주로 [110] 방향의 법선 방향에 정렬되며 표면 거칠기가 낮아 TLS 손실 감소와 관련이 있다.
• 웨이퍼 E는 975 K에서 성장되어 많은 결함을 보이고 Q 요인이 현저히 낮아, 결함 밀도가 손실의 기여 요인임을 강조한다.
• TLS 손실은 저온 저전력에서 우세하고, PI 손실은 더 높은 온도에서 일부 웨이퍼에 대해 더 중요해진다.
• 실온(다결정) 박막은 더 높은 TLS 손실과 더 거친 표면을 보이며 결정성 및 형태가 손실에 영향을 준다.
• 온도 의존 손실에서 두 가지 행동 흐름이 관찰되며, 입계 밀도 및 준입자 포획 역학에 연관되어 있다.

Figure 2: An overview of the effect of deposition temperature on Nb surface morphology studied by AFM topography images. In (a), Wafer A shows the commonly observed randomly oriented grain structure of Nb while the wafers grown at higher temperature start to display a triangular pattern that can be