イオン

Apr 23, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6315 (2023) この記事を引用

711 アクセス

メトリクスの詳細

窒化チタンは、ナノワイヤマイクロ波共振器や光子検出器などの多くの超伝導デバイスにとって興味深い材料です。 したがって、望ましい特性を備えた TiN 薄膜の成長を制御することは非常に重要です。 この研究は、窒化ニオブ (NbN) に関する以前の研究と並行して、公称臨界温度と上部臨界磁場の上昇が観察された、イオンビーム支援スパッタリング (IBAS) における効果を調査することを目的としています。 従来のDC反応性マグネトロンスパッタリング法とIBAS法の両方で窒化チタン薄膜を成長させ、その超電導臨界温度\(T_{c}\)を厚さ、シート抵抗、窒素流量の関数として比較しました。 電気輸送およびX線回折測定により、電気的および構造的特性評価を行います。 従来の反応性スパッタリング法と比較して、IBAS 技術では、格子構造に目立った変化はなく、公称臨界温度が 10% 上昇することが実証されました。 さらに、超薄膜中の超伝導 \(T_c\) の挙動を調査します。 高窒素濃度で成長させた膜の傾向は、無秩序な膜における平均場理論の予測に従い、幾何学的効果による超伝導\(T_c\)の抑制を示しているが、低窒素濃度で成長させた窒化物膜は理論モデルから大きく逸脱している。

TiN は、その多くの有用な機械的、電気的、光学的特性について広く研究されてきました。 TiN は、ナノワイヤマイクロ波共振器や光子検出器などの超伝導デバイスに製造されると、量子ビットの大きなアレイを多重化するために使用される共振器など、量子電気回路の基本構造の重要な材料として機能します。 TiN は、高駆動電力と低駆動電力の両方での低い RF 損失、高い運動インダクタンス、調整可能な \(T_{c}\)1,2,3,4 など、量子計算と光子検出に求められる基準を満たすことが示されています。 5、6、7、8。 さらに、超電導窒化物である TiN は、高化学量論相において、元素 Ti や Ti\(_{2}\)N と比較して、高い超電導 \(T_{c}\) を示します。 これは硬く、機械的に堅牢で安定した材料です9、10、11、12。 堆積した TiN\(_{x}\) 化合物の組成は、製造中に存在する反応性窒素ガスのフラックスを変えることで変えることができます。窒素濃度を変えると、超伝導 \(T_{c}\) が調整されるだけでなく、フィルムの結晶構造と運動インダクタンスを変化させます12、13。

窒素濃度が最も低い場合、窒素が格子間に組み込まれた \(\alpha \)-Ti 相が最初に形成されます。 窒素の増加はほとんどなく、Ti-N 化合物中の \(T_{c}\) を抑制することが知られている Ti\(_{2}\)N 相を形成する窒素の原子分率が存在します14。 次に、より高い窒素流量領域では、TiN が最も支配的で安定した化合物になります 15。 TiN (111) 相と TiN (002) 相の混合が形成される場合があります。 TiN (002) は、TiN (111) に比べて表面エネルギーが低い配向であり、より弾性のある粒子を形成しますが、多くの蒸着パラメータにより、蒸着圧力、基板バイアス/温度、イオン流束、およびガス組成14、16、17。 TiN の成長は、スパッタリング、蒸着、分子線エピタキシー (MBE) などのさまざまな物理蒸着 (PVD) 技術を使用して実行できます。

MBE では、超高真空環境内で低温で TiN などの多成分膜を高度に化学量論的かつ規則的に成長させることができます 18。一方、反応性スパッタリングまたは蒸着の使用により、より多結晶でアモルファスの格子構造が促進されます。 後者の技術は、堆積中の結晶構造の制御が低下する代わりに、より速い成長とより高いスループットを提供します。 ただし、スパッタリングと蒸着では、蒸着パラメータを調整することで、望ましい特性を備えた高品質の膜を成長させることができます9。