[论文解读] Epitaxial titanium nitride microwave resonators: Structural, chemical, electrical, and microwave properties

Ran Gao, Wenlong Yu+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 48被引用 31

一句话总结

本论文展示了通过在蓝宝石衬底上使用射频磁控溅射法在300 °C下外延生长的高质量氮化钛（TiN）薄膜，在超导共面波导谐振器中实现了优异的微波性能。在单光子工作状态下，最佳内部品质因数达到3.3 × 10⁶，在高功率状态下超过1.0 × 10⁷，确立了外延TiN作为高相干超导量子电路低损耗平台的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低热预算、可扩展的外延TiN薄膜生长方法，用于在蓝宝石衬底上制备高质量薄膜。
• 系统地关联外延TiN的结构、化学和电学特性与其微波性能。
• 利用外延TiN实现超导微波谐振器中超高的品质因数，从而支持高相干量子电路。
• 通过消除多晶薄膜中的晶界，提供一种确定性的退相干研究平台。

提出的方法

• 采用300 °C下的射频磁控溅射法在c切蓝宝石衬底上沉积100 nm厚的外延TiN薄膜。
• 利用高分辨率X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）确认了外延生长与结晶质量，半高全宽（FWHM）为0.04°。
• 利用X射线光电子能谱（XPS）和能谱色散X射线谱（EDX）测绘验证了化学计量比的TiN组成。
• 采用感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀和SC-1溶液湿法刻蚀两种方法制备微波谐振器。
• 在约10 mK的稀释制冷机中，利用矢量网络分析仪和低温放大器进行低温测量。
• 通过单光子和高功率工作状态下S21散射参数的测量提取品质因数。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以使用标准溅射法在低热预算（300 °C）下外延生长高质量TiN薄膜，实现高结晶度和低微波损耗？
• RQ2 外延TiN中的结构缺陷（如扭转畴）如何影响微波性能？
• RQ3 与多晶及其它超导材料相比，外延TiN谐振器的本征微波品质因数是多少？
• RQ4 干法和湿法刻蚀工艺是否都能在外延TiN谐振器中实现相当高的品质因数？
• RQ5 外延界面质量如何影响超导电路中的微波损耗与相干性？

主要发现

• 外延TiN/蓝宝石异质结构的摇摆曲线半高全宽（FWHM）为0.04°，表明其结晶质量极为优异。
• XRD与TEM分析证实了外延生长，[111]TiN与[0001]蓝宝石取向对齐，尽管存在8%的晶格失配。
• XPS与EDX分析确认了化学计量比的TiN，且化学成分均匀性良好。
• 最高内部品质因数在单光子工作状态下达到3.3 × 10⁶，在高功率状态下超过1.0 × 10⁷。
• 采用干法和湿法刻蚀工艺均能可重复地实现平均单光子品质因数大于1.4 × 10⁶。
• 外延TiN谐振器的微波损耗正切值与目前报道的超导谐振器最佳值相当。