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硅上外延钴二硅化物超导薄膜异质结构中的超低 1/f 噪声。

Ultralow 1/f Noise in a Heterostructure of Superconducting Epitaxial Cobalt Disilicide Thin Film on Silicon.

机构信息

IBM Thomas J. Watson Research Center , Yorktown Heights, New York 10598, United States.

出版信息

ACS Nano. 2017 Jan 24;11(1):516-525. doi: 10.1021/acsnano.6b06553. Epub 2016 Dec 30.

DOI:10.1021/acsnano.6b06553
PMID:28027434
Abstract

High-precision resistance noise measurements indicate that the epitaxial CoSi/Si heterostructures at 150 and 2 K (slightly above its superconducting transition temperature T of 1.54 K) exhibit an unusually low 1/f noise level in the frequency range of 0.008-0.2 Hz. This corresponds to an upper limit of Hooge constant γ ≤ 3 × 10, about 100 times lower than that of single-crystalline aluminum films on SiO capped Si substrates. Supported by high-resolution cross-sectional transmission electron microscopy studies, our analysis reveals that the 1/f noise is dominated by excess interfacial Si atoms and their dimer reconstruction induced fluctuators. Unbonded orbitals (i.e., dangling bonds) on excess Si atoms are intrinsically rare at the epitaxial CoSi/Si(100) interface, giving limited trapping-detrapping centers for localized charges. With its excellent normal-state properties, CoSi has been used in silicon-based integrated circuits for decades. The intrinsically low noise properties discovered in this work could be utilized for developing quiet qubits and scalable superconducting circuits for future quantum computing.

摘要

高精度电阻噪声测量表明,在 150 和 2 K(略高于其超导转变温度 Tc=1.54 K)下的外延 CoSi/Si 异质结构在 0.008-0.2 Hz 的频率范围内表现出异常低的 1/f 噪声水平。这对应于 Hooge 常数γ≤3×10 的上限,比 SiO2 覆盖的 Si 衬底上的单晶铝薄膜低约 100 倍。我们的分析支持高分辨率的横截面透射电子显微镜研究,揭示了 1/f 噪声主要由过剩的界面 Si 原子及其二聚体重构诱导的涨落器主导。外延 CoSi/Si(100)界面上过剩 Si 原子的非键轨道(即悬空键)本质上很少,为局部电荷提供的俘获-释放中心有限。由于其优异的正常态性能,CoSi 已在基于硅的集成电路中使用了数十年。在这项工作中发现的固有低噪声特性可用于开发用于未来量子计算的静音量子位和可扩展超导电路。

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