Materials Research Letters：应用材料公司/布法罗大学合作研发高质量晶片规模尺寸外延超薄NbN超导薄膜

文献链接

Ultrathin epitaxial NbN superconducting films with high upper critical field grown at low temperature. Materials Research Letters, 9:8, 336-342. (https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1919934)

背景信息

氮化铌（NbN）超导薄膜因其相对较高的超导转变温度（T_c），以及优异的临界电流密度-磁场（J_c-H）特性被广泛应用于多种电子设备中，比如超导纳米线单光子探测器（SNSPD）及超导Josephson结。 研究表明，氮化铌薄膜的超导特性不仅与其本身膜的厚度有关，还与薄膜沉积过程中所应用的沉积方法以及沉积温度密切相关。对于某些特定应用，比如超导量子干涉仪和快速单通量量子逻辑电路等，不仅对氮化铌薄膜的厚度有很高要求（3-5纳米），还需要外延生长技术。因此为了优化氮化铌薄膜在特定应用方面的性能，研究其生长-结构-性质之间的关系至关重要。

结果介绍

在本文中，美国应用材料公司Mingwei Zhu团队和布法罗大学Quanxi Jia教授团队展开合作，利用磁控反应溅射技术，成功在较低的温度下（400摄氏度）制备出了高质量超薄（5-50纳米）外延生长的氮化铌超导薄膜。重要的是晶片规模尺寸高质量超导膜可以使用应用材料公司的Endura® 300-mm Impulse™ PVD物理气相沉积设备来制备。 该文并探讨了其超导转变温度，上临界磁场强度，不可逆磁场强度，超导相干长度等物理特性与其薄膜厚度的密切关系。结果表明（111）晶向的外延氮化铌薄膜的超导转变温度随薄膜厚度逐渐降低，并会在薄膜厚度为1.4纳米时完全消失。即使在5纳米的超薄厚度下，其依然有11.2K的超导转变温度和36±2T的上临界磁场。

相关重要成果以“Ultrathin epitaxial NbN superconducting films with high upper critical field grown at low temperature”为题发表在Materials Research Letters上。

图文导读

图1  不同厚度氮化铌薄膜的X光衍射谱。右上角插图为氮化铌晶格常数以及（111）衍射峰的半高宽与其厚度的关系。

图2  厚度为5纳米的氮化铌薄膜的STEM分析以及EDS图谱。

图3  超导转变温度以及转变宽度与薄膜厚度的关系。

图4  与磁场相关的氮化铌薄膜超导特性。（a）不同厚度下的超导转变宽度与磁场的关系。（b）不同磁场强度下（0-7T）厚度为5纳米的氮化铌薄膜的电阻率-温度特性曲线。（c）和（d）：5纳米和50纳米薄膜的上临界磁场以及不可逆磁场强度对于温度的关系。

总结

该工作实现了比较低温条件下晶片规模尺寸的氮化铌薄膜的外延生长，并深入探讨了氮化铌超导薄膜的超导特性与薄膜厚度的密切关系。证实了使用工业规模的物理气相沉积技术为量子器件生产高性能外延超导薄膜的切实可行性。

*本文由MRL编辑部邀请，作者团队供稿。