Supraleitung in hochdotierten Gruppe IV Halbleitern
Final Report Abstract
Mit Hilfe der mikroelektronikkompatiblen Prozeßschritte Galliumionenimplantation und Kurzzeitausheilung können supraleitfähige Schichten oder Mikrostrukturen in den Standardhalbleitern Si und Ge hergestellt werden. Dünne SiO2-Deckschichten verhindern dabei die Oberflächenerosion der Halbleiter und eine Ausdiffusion der Ga-Atome während der Prozessierung. Eine monolithische Integration von klassischen und Quanten-Bauelementen in Si- oder Ge-Chips wäre mit dieser Technologie möglich. Die supraleitfähigen Schichten haben Ga Konzentrationen von über 5 at.%. Nach der Ausheilung bilden sich amorphe, Ga-reiche (< 20 at.%) Nanoausscheidungen (~ 1-10 nm) in der p-leitenden Halbleitermatrix. Die Schichten gehören damit zur Klasse der inhomogenen Supraleiter. Aufgrund ihrer Transporteigenschaften lassen sie sich als Typ II Supraleiter im „schmutzigen“ Grenzfall mit starker Elektron- Phonon-Kopplung klassifizieren. In Abhängigkeit von Ausscheidungsdichte und Matrixdotierung können kritische Temperaturen bis zu 7 K erreicht werden. Die Si:Ga Schichten haben darüber hinaus ein hohes kritisches Feld und eine für elektronische Anwendungen ausreichende kritische Stromdichte. Bei tiefen Temperaturen verhalten sich die inhomogenen Si:Ga Schichten wie ein Netzwerk von Josephsonkontakten. In Abhängigkeit von deren Eigenschaften können Cooperpaare tunneln oder in den Nanoauscheidungen lokalisiert werden. Der normalleitende Schichtwiderstand ist ein Indikator welcher Quantenzustand beim Abkühlen erreicht wird. Im Fall von Si:Ga wurde ein kritischer Widerstandsbereich von 12-16 kOhm gefunden. Der Supraleiter-Isolator-Übergang (SIT) vollzieht sich in Si:Ga durch irreversible strukturelle Änderungen bei Ausheilung oder reversibel unter dem Einfluß von Magnetfeld und Anregungsstrom. In Ge:Ga konnte kein isolierender Quantenzustand nachgewiesen werden. Nichtsupraleitfähige Schichten bleiben wegen der guten Dotierbakeit von Ge mit Ga auch bei tiefen Temperaturen metallisch. Da das Transportverhalten der Schichten in einem weiten Bereich modifiziert werden kann, sind sie interessante Modellsysteme für die Untersuchung von makroskopischen Quantenzuständen und nichtlinearen Transportprozessen in Josephson-Netzwerken.
Publications
- On-chip superconductivity via gallium overdoping of silicon. Applied Physics Letters 97, 192505 (2010)
Skrotzki, R.; Fiedler, J.; Herrmannsdörfer, T.; Heera, V.; Voelskow, M.; Mücklich, A.; Schmidt, B.; Skorupa, W.; Gobsch, G.; Helm, M.; Wosnitza, J.
- Superconductivity in thin-film germanium in the temperature regime around 1 K Superconductor Science and Technology 23, 034007 (2010)
Herrmannsdörfer, T.; Skrotzki, R.; Heera, V.; Ignatchik, O.; Uhlarz, M.; Mücklich, A.; Posselt, M.; Schmidt, B.; Heinig, K.-H.; Skorupa, W.; Voelskow, M.; Wündisch, C.; Helm, M.; Wosnitza, J.
- Superconducting films fabricated by high fluence Ga implantation in Si. Physical Review B 83, 214504 (2011)
Fiedler, J.; Heera, V.; Skrotzki, R.; Herrmannsdörfer, T.; Voelskow, M.; Mücklich, A.; Oswald, S.; Schmidt, B.; Skorupa, W.; Gobsch, G.; Wosnitza, J.; Helm, M.
- The impact of heavy Ga doping on superconductivity in germanium. Low Temperature Physics 37, 1098 (2011)
Skrotzki, R.; Herrmannsdörfer, T.; Heera, V.; Fiedler, J.; Mücklich, A.; Helm, M.; Wosnitza, J.
- Superconducting Ga-overdoped Ge layers capped with SiO2 – structural and transport investigations. Physical Review B 85, 134530 (2012)
Fiedler, J.; Heera, V.; Skrotzki, R.; Herrmannsdörfer, T.; Voelskow, M.; Mücklich, A.; Facsko, S.; Reuther, H.; Perego, M.; Heinig, K.-H.; Schmidt, B.; Skorupa, W.; Gobsch, G.; Helm, M.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.134530) - Superconductor-insulator transition controlled by annealing in Ga implanted Si. Applied Physics Letters 100, 262602 (2012)
Heera, V.; Fiedler, J.; Voelskow, M.; Mücklich, A.; Skrotzki, R.; Herrmannsdörfer, T.; Skorupa, W.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4732081) - Optical study of superconducting Ga-rich layers in silicon. Physical Review B 87, 014502 (2013)
Fischer, T.; Pronin, A. V.; Skrotzki, R.; Herrmannsdörfer, T.; Wosnitza, J.; Fiedler, J.; Heera, V.; Helm, M.; Schachinger, E.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.014502) - Silicon Films with Gallium Rich Nanograins - from Superconductor to Insulator. New Journal of Physics 15, 083022 (2013)
Heera, V.; Fiedler, J.; Hübner, R.; Schmidt, B.; Voelskow, M.; Skorupa, W.; Skrotzki, R.; Herrmannsdörfer, T.; Wosnitza, J.; Helm, M.
- Depth-resolved transport measurements and atom-probe tomography of heterogeneous, superconducting Ge:Ga films. Superconductor Science and Technology 27, 055025 (2014)
Heera, V.; Fiedler, J.; Naumann, M.; Skrotzki, R.; Kölling, S.; Wilde, L.; Herrmannsdörfer, T.; Skorupa, W.; Wosnitza, J.; Helm, M.
(See online at https://doi.org/10.1088/0953-2048/27/5/055025) - High-fluence Ga-implanted silicon—The effect of annealing and cover layers. Journal of Applied Physics 116, 024502 (2014)
Fiedler, J.; Heera, V.; Hübner, R.; Voelskow, M.; Germer, S.; Schmidt, B.; Skorupa, W.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4887450)
