Al/AlOx/Al 结合器中氢气污染的分析

Josephson 结合器中的氢气污染是导致器件间变异性和两水平系统损耗的潜在来源。本文通过结合分子动力学模拟和原子尺度量子传输计算, 研究氢气在氧化铝垫片中的掺杂情况。氧化过程使用 CHGNET 对暴露于稠密 O$_{2}$ 和 H$_{2}$O 环境中的 Al 表面进行模拟, 得到与实验相关水平相当的氢含量的非晶 AlO$_{x}$ 层。从 400 个统计独立样本中发现, 氢原子数服从 beta-二项分布, 这反映了由自限制氧化过程引起的相关性。结构分析显示, 大多数氢原子位于 AlO$_{x}$ 表面附近, 并主要形成 Al-OH 和 Al-OH-Al 构型。为评估氢气对传输的影响, 我们构建 Al/Al$_{2}$O$_{3}$/Al 结合器模型, 使用NanoDCAL进行 NEGF-DFT 计算, 采用 GGA+U 方案校准带隙和带对齐。发现氢原子会在费米能级附近增加透射系数, 并以有效 p型掺杂的方式改变电子结构。将分子动力学中的氢原子数统计与量子传输计算得到的透射系数结合, 可获得 Josephson 能的概率分布。对于平均氢含量为 2.56 at.\% 的 Josephson 结合器, 预测其 Josephson 能为 $E_{J}/h=10.92\pm 0.26$ GHz。这些结果提供了氢污染的原子尺度图景, 并给出了结合器器件变异性的估计。