[论文解读] High critical magnetic field superconducting contacts to Ge/Si core/shell nanowires

Zhaoen Su, Azarin Zarassi+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 10

一句话总结

本研究在NbTiN-Ge/Si核/壳纳米线结中实现了门控可调的约瑟夫森超导电流，临界磁场高达800 mT，诱导超导能隙达220 μeV。通过引入铝中间层并优化180 °C退火工艺，提升了接触透明度，实现了可调的夹断电压，推动了该体系中拓扑量子器件的可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发适用于拓扑量子电路的高临界磁场超导接触，用于Ge/Si核/壳纳米线。
• 实现可在高磁场下持续存在的门控可调约瑟夫森电流。
• 通过中间层与退火工艺，改善NbTiN与Ge/Si纳米线之间的接触透明度。
• 通过Al中间层厚度与电介质工程，系统控制器件的夹断电压。
• 评估诱导超导能隙大小，并评估其在马约拉纳零模探测中的适用性。

提出的方法

• 在掺杂Si衬底上制备NbTiN-Ge/Si-NbTiN约瑟夫森结，采用SiO2/Si3N4背栅。
• 在NbTiN沉积前，预先沉积3 nm厚的Ti或Al中间层，以增强接触透明度。
• 使用缓冲氢氟酸和原位氩等离子体清洗去除纳米线表面的自然氧化物。
• 采用电子束光刻，PMMA抗蚀剂在180 °C烘烤，触发Al与Ge/Si纳米线的合金化。
• 在180 °C下退火，促进Al扩散进入纳米线，降低结电阻。
• 在稀释制冷机中于40 mK温度下进行输运测量，通过共隧穿探测超电流、微分电阻及诱导能隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 NbTiN基接触能否在高磁场（>800 mT）下维持Ge/Si纳米线中的超电流？
• RQ2 用NbTiN接触的Ge/Si纳米线中，诱导超导能隙的大小与性质如何？
• RQ3 Al中间层厚度如何影响NbTiN-Ge/Si结的夹断电压与接触透明度？
• RQ4 在180 °C下退火——这一在纳米加工中常见的工艺——是否诱导Al与Ge/Si纳米线合金化并改善器件性能？
• RQ5 能否通过电介质工程（Si3N4与HfO2对比）与中间层厚度调控，将器件工作点调节至接近零栅压？

主要发现

• 在NbTiN-Ge/Si-NbTiN结中观察到约瑟夫森超电流在800 mT磁场下仍能持续，证明了高临界磁场下的工作能力。
• 通过量子点共隧穿测量，测得220 μeV的诱导超导能隙，但该能隙呈现软隙特征，伴有显著的亚能隙电导。
• Al中间层经180 °C退火后，结电阻降低一个数量级以上，低电阻器件的良品率约为25%。
• 随着Al中间层厚度增加，夹断电压由正值变为负值，实现了在零栅压附近的可调器件操作。
• Al在180 °C下迅速与Ge/Si纳米线合金化，该温度与标准PMMA抗蚀剂烘烤温度一致，因此需谨慎规划工艺流程。
• 使用HfO2替代Si3N4作为栅介质，可使夹断电压向更正的电压方向移动，提供了额外的调制能力。