面向十层超导体制造工艺的自分流约瑟夫森结开发：Nb/NbN$_x$/Nb 结

为提高超导电子学的集成规模，我们正在 MIT 林肯实验室开发新的 SFQ7ee 制造工艺节点。与现有的 SFQ5ee 节点相比，我们将完全平面化的超导层数增加至十层，并利用 NbN 和 NbN/Nb 动能电感器，使电感器面密度超过每平方厘米 1 亿个。将约瑟夫森结 (JJ) 的面密度提升至同等水平需要实现自分流的高临界电流密度 ($J_c$) 结。我们研究了 Nb/NbN$_x$/Nb 三层结的特性，作为高$J_c$ Nb/Al-AlO$_x$/Nb 结的潜在替代方案，其中 NbN$_x$ 是通过反应溅射沉积的无序非超导氮化物。我们在 5 nm 至 20 nm 的厚度范围内，研究了$I_cR_n$乘积和约瑟夫森临界电流密度$J_c$对 NbN$_x$势垒厚度及温度的依赖关系。制造的结可以用 SNS 结的微观理论来描述，该理论假设 Nb 电极在 NbN$_x$界面附近的能隙没有受到抑制，且 NbN$_x$势垒中的库珀对衰减长度约为 2.3 nm。结的电流 - 电压特性很好地符合 RCSJ 模型。在研究的$J_c$ < 10 mA/$\mu$$m^2$范围内，与具有相同临界电流密度的自分流或临界阻尼外分流 Nb/Al-AlO$_x$/Nb 结相比，Nb/NbN$_x$/Nb 结具有更低的比电阻$R_nA$、更低的$I_cR_n$乘积，以及$I_cR_n$对温度更强的依赖性；此处$A$为结面积，$R_n$为结的有效分流电阻。