Optimization of Nb/Al-AlO x /Nb Josephson junctions through wafer-scale anodic oxidation: a systematic characterization and performance analysis

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作者
Jian Chen,Zhenyu Wang,Da Xu,Huan Qiao,Jinjin Li,Qing Zhong,Shijian Wang,Jiusun Zeng,Jinhui Cai,Mingyu Zhang,Yeru Wang,Xu Li,Yuan Zhong,Wenhui Cao,Xueshen Wang
出处
期刊:Superconductor Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:36 (10): 105003-105003 被引量:5
标识
DOI:10.1088/1361-6668/acf0f0
摘要

Abstract The Nb/Al-AlO x /Nb (SIS) Josephson junction is a crucial component in many types of superconducting devices. However, it can be easily damaged during the plasma fabrication processes. Anodic oxidation is an effective method for protecting SIS junctions by oxidizing Nb and Al from the junction profile. We used a custom wafer-scale anodic oxidation system and a neutral electrolyte to study the oxidation process of Nb films and Nb-Al(-AlO x )-Nb junctions. The oxidation process was thoroughly characterized by considering factors such as morphology and electrical properties. Anodization spectroscopy revealed varying oxidation sections from the top Nb layer to the bottom layer, extending across the Al-AlO x interlayer. This indicates that a 4 nm Al layer is sufficient to cover the surface of the bottom Nb film. High-resolution transmission electron microscopy and energy dispersive spectroscopy revealed that the Nb 2 O 5 layer produced from the oxidation of the bottom Nb layer penetrated the Al 2 O 3 layer and migrated to the top surface as the oxidation voltage increased. The top Nb layer of the SIS junction was also subjected to oxidation, despite the presence of a protective photoresist. Following the anodic oxidation process, the entire wafer surface was coated with an insulating Nb 2 O 5 film. This film provided protection for the SIS junctions during the subsequent microfabrication process. The fabricated junction array, consisting of 128 junctions, demonstrated uniform electrical properties benefiting from the anodic oxidation process. This systematic analysis will further the research and practical applications of SIS junctions.
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