Structural and electrical properties of ultrathin niobium nitride films grown by atomic layer deposition
Structural and electrical properties of ultrathin niobium nitride films grown by atomic layer deposition
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原子层沉积超薄氮化铌薄膜的结构和电学特性
DOI：
10.1088/1361-6668/aa572a
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发表时间：
2017
影响因子：
3.6
通讯作者：
Linzen S
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Linzen S
我们研究并优化了采用等离子体增强原子层沉积 (PEALD) 工艺制造的超薄超导氮化铌薄膜的性能。通过调整工艺参数，将不需要的氧化学嵌入薄膜中的情况最小化，并形成主要由多晶氮化铌和少量非晶氧化铌和铌氧氮化物组成的薄膜结构。对于该组合物，在 40 nm 厚的薄膜上测量了 13.8 K 的临界温度和 4.2 K 下 7× 10 6 A cm–2 的临界电流密度。发现了这些超导特性与立方δ-铌氮化物晶粒的晶格尺寸之间的基本相关性。此外，40 至 2 nm 之间的膜厚变化在室温下表现出显着的电导率变化，并在低温下在 3 nm 膜厚附近显示出超导体-绝缘体-转变。正常状态下电阻高达每平方 5 kΩ 的较厚薄膜在低温下会转变为超导薄膜。 PEALD 生长的完美厚度控制和薄膜均匀性使此类薄膜成为开发相干量子相滑效应新型器件的极有希望的候选者。
We studied and optimised the properties of ultrathin superconducting niobium nitride films fabricated with a plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) process. By adjusting process parameters, the chemical embedding of undesired oxygen into the films was minimised and a film structure consisting of mainly polycrystalline niobium nitride with a small fraction of amorphous niobium oxide and niobium oxo-nitrides were formed. For this composition a critical temperature of 13.8 K and critical current densities of 7× 10 6 A cm–2 at 4.2 K were measured on 40 nm thick films. A fundamental correlation between these superconducting properties and the crystal lattice size of the cubic δ-niobium-nitride grains were found. Moreover, the film thickness variation between 40 and 2 nm exhibits a pronounced change of the electrical conductivity at room temperature and reveals a superconductor–insulator-transition in the vicinity of 3 nm film thickness at low temperatures. The thicker films with resistances up to 5 kΩ per square in the normal state turn to the superconducting one at low temperatures. The perfect thickness control and film homogeneity of the PEALD growth make such films extremely promising candidates for developing novel devices on the coherent quantum phase slip effect.
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