Growth and characterization of InAs nanowire-based Josephson junctions

Subha Pujitha Perla, Sree Koti; Stampfer, Christoph; Schäpers, Thomas

doi:10.18154/RWTH-2022-08606

Growth and characterization of InAs nanowire-based Josephson junctions

Subha Pujitha Perla, Sree Koti^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sree Koti Subha Pujitha Perla, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Stampfer, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-06-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-08606
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/853110/files/853110.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
nanowires (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Josephson-Übergänge sind ein wesentlicher Bestandteil von supraleitenden Qubits. Diese Arbeit beschreibt deren Weiterentwicklung auf Basis von selektivem Wachstum von Halbleiternanodrähten und in-situ Prozessierung. Die hierfür hergestellten InAs-Nanodrähte wurden zunächst strukturell und elektrisch charakterisiert. In den entsprechenden Josephson Übergängen mit Aluminium und Niob Elektroden konnte nachfolgend eine höhere Transparenz der Halbleiter-Supraleiter-Grenzfläche festgestellt werden. Im ersten Teil beschäftigt sich diese Arbeit mit der Optimierung des selektiven Wachstums. Diese Methode bietet eine größere Kontrolle und ermöglicht somit eine höhere Gleichmäßigkeit des Wachstums der Nanodrähte. Parameter wie Temperatur, Indium-Depositionsrate und Arsendruck wurden optimiert, so dass am Ende eine Ausbeute von 95% erreicht wurde, wobei eine 20 nm dicke Siliziumdioxidmaske auf einem Si(111)-Substrat verwendet wurde. Das optimale Ergebnis wird bei InAs-Nanodrähte mit Durchmesser von 70-80 nm und Längen von 4-5 μm erreicht. Zusätzlich wurden die InAs-Nanodrähte mit Tellur dotiert. Im Falle von Josephson-Übergängen bietet eine Dotierung im Bereich von 1 × 10^18 cm^−3 bis 1 × 10^19 cm^−3 den großen Vorteil, dass eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Nanodrähte und damit des kritischen Stroms der Josephson-Übergänge beobachtet wird. Gleichzeitig hat die Te-Dotierung einen Einfluss auf den Durchmesser und die Länge der Nanodrähte handelt, da es sich um einen oberflächenaktiven Stoff. Atomsondentomographieuntersuchungen zeigen zusätzliche laterale Facetten (211), welche die hexagonale Struktur des InAs-Nanodrahtes bei Dotierungskonzentrationen größer als 1×10^19 cm^−3 zu einer teilweise dodekagonalen Struktur verändern. Weiterhin konnte die Transparenz der InAs/Supraleiter-Grenzfläche erhöht werden. Eine defektfreie Grenzfläche und eine glatte Schicht des Supraleiters ist eine Voraussetzung für einen hochwertigen Josephson-Übergang, da dies eine gute Kopplung zwischen den Materialien gewährleistet. Hierzu wurde eine vollständige in-situ-Methode angewandt, um Al und Nb auf die Nanodrähte zu deponieren, wodurch eine Kontamination der Halbleiteroberfläche durch Luft vermieden wird. Die gezüchteten Nanodrähte werden hierzu vor der Deposition der supraleitenden Metalle Aluminium oder Niob kurz entgast. Eine Optimierung durch systematische Untersuchungen der Depositionsparameter für die Metalle führt zu einer glatten und defektfreien InAs/Supraleiter-Grenzfläche mit erhöhter Transparenz. Dies ermöglicht die Beobachtung des Proximity-Effekts, bei dem Cooper-Paare in den Halbleiter induziert werden, d.h. der Nanodraht wird teilweise zu einem Supraleiter. Final wird der in-situ-Ansatz für die Herstellung von Josephson-Übergängen bei Ultrahochvakuum- Bedingungen durch die Deposition einer Schutzschicht gegen Oxidation ergänzt. Die zu diesem Zweck hergestellten Substrate werden so präpariert, dass zwei Nanodrähte in einem quadratischen Graben im Winkel von 90° zur Oberfläche des Grabens orientiert sind. Die Nanodrähte werden selektiv so platziert, dass ein Nanodraht den anderen während der Metallverdampfung beschattet und so ein Josephson-Übergang auf dem letzteren Draht entsteht. Im Falle von Aluminium wird festgestellt, dass das Wachstum der Metalle mehr von der Temperatur als vom Abscheidungswinkel abhängt. Im Gegensatz dazu hat bei Nb der Verdampfungswinkel einen großen Einfluss auf die Glattheit der Schicht. Die an diesen Übergängen durchgeführten Untersuchungen umfassen Transmissionselektronenmikroskopie- und entsprechende Quantentransportmessungen. Eine Erhöhung des Depositionswinkels des Metalls auf die Nanodrähte von 30° auf 87°, resultiert in einer glatten und defektfreien Schicht, deren Transparenz zwischen dem Nanodraht und den, Supraleiter erhöht ist. Am Ende wurde diese Technologie verwendet, um das Wachstum von komplexen Nanodraht-Netzwerken und mehrfachen Josephson-Kontakten zu demonstrieren.

This work delves into the growth mechanism as well as structural and electrical characterization of InAs nanowires (NWs) for Josephson junctions. The superconductors used in this case are aluminum and niobium. Josephson junctions are an essential component of a superconducting qubit. This work describes the evolution of the Josephson junctions within the state-of-the-art and achieving higher transparency of the semiconductor/superconductor interfaces. The first part of the work deals with the optimization of the selective area growth. This method offers greater control of the growth of nanowires and provides higher uniformity. Parameters such as temperature, indium growth rate, and arsenic beam equivalent pressure (BEP) have been optimized to achieve a growth yield of 95%, using a 20 nm thick silicon dioxide mask on a Si(111) substrate. Eventually, the InAs nanowires are grown and optimized for diameters of 70-80 nm and lengths of 4-5 μm. Additional experiments have been performed to dope the InAs nanowires with tellurium. In the case of Josephson junctions, they offer a huge asset, with a doping range of 1× 10^18 cm^−3 to 1× 10^19 cm^−3. An increase in the conductance of these nanowires is observed with increased doping and thereby an enhanced critical current of the Josephson junctions. Moreover, Te doping has shown an impact on the diameter and the length of the nanowires, since it is a surfactant. Atom probe tomography investigations performed on these nanowires show additional (211) lateral facets, that shift the hexagonal structure of the InAs nanowire to a partly dodecagon structure at Te doping concentrations greater than 1×10^19 cm^−3. Furthermore, the transparency of the InAs/superconductor interface has been tuned. A defect-free interface and a smooth film of a superconductor is apre-requisite for a high-quality Josephson junction, since this ensures a good coupling between the materials. A complete in-situ method has been adopted, to grow Al and Nb, onto the nanowires, thereby eliminating, any possible exposure of the semiconductor surface to the ambient. To achieve defect-free semiconductor/superconductor interfaces, a brief degassing step is introduced to the nanowires before the growth of the superconducting metals such as aluminum or niobium. This process, ensured enhanced transparency between the materials, thereby strengthening the coupling, by that improving the proximity effect. To be brief, the proximity effect induces Cooper pairs into the semiconductor, i.e. it turns the NW partly into a superconductor. Furthermore, the growth parameters of the metals evaporated are optimized to produce a smooth and defect-free interface and are investigated systematically. Lastly, the in-situ approach is expanded to encompass the fabrication of Josephson junctions at ultra-high vacuum conditions and to include other superconducting and capping materials in the process. The substrates made for this purpose have been prepared in such a way that two nanowires grow in a square trench at 90° to the planes of the trench. The growth windows for the NW growth are meticulously and selectively placed in such a way that one NW shadows the other during the metal evaporation, thus, causing a junction on the latter wire. The superconductors used in this process are optimized to create smooth and defect-free layers. In the case of aluminum, the growth of the metals is found to depend more on the temperature than on the angle of deposition. In contrast, for Nb, the angle of evaporation has a huge effect on the smoothness of the film. The investigations presented in these sections include transmission electron microscopy and corresponding low-temperature electrical measurements. This shadow approach, increased the metal evaporation angles onto the nanowires, from 30° to 87°, thus causing smooth and defect-free layers. This has also been shown to increase the interface transparency, between the NW and the superconductors. Lastly, this platform has also been used to demonstrate the growth of complex NW networks and multiple Josephson junctions.

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