CN116193974B - 利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子核心产业超导集成电路技术领域，特别涉及一种利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，分别选取多种无缺陷模型；从多种无缺陷模型中选取晶格失配率最低且结合能最高的模型作为参考模型，在参考模型中增加势垒层AlN中的N空位缺陷，控制N空位的总数相同，在界面层设置N空位和在AlN的每个原子层中设置不同N空位数量，构建缺陷模型，在保证AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建缺陷模型；将上述模型转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型；采用Nanodcal软件计算模型的电输运性质；对电输运性质结果进行分析。本发明探究了势垒层AlN中N空位分布的不同及位置的不同对NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的影响。
Description
技术领域
本发明属于电子核心产业超导集成电路技术领域，特别涉及一种利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法。
背景技术
超导量子计算机的大跨步发展很大程度是由于其退相干时间的提高，如改进电路设计、采用新材料和改良制造工艺等。聚焦新材料的研究，多是在电容器或微波谐振器的材料选取方面，而对约瑟夫森结材料的探索很少。先进的计算建模理论可以提供更快的方式优化工艺和提高性能，如第一性原理等，能将计算结果快速应用于工艺制备，节省成本，加快实验迭代周期，改进工艺制造过程。目前，针对NbN基全氮结的工艺实验已取得一部分成果，但通过计算机进行模拟仿真，定性/半定量的说明约瑟夫森结的电学特性，这类研究还少见报道。为了更好的理解NbN基全氮结的工作机理，对其进行微观结构的研究很有必要。因此，对NbN/AlN/NbN界面进行细致的原子结构分析至关重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，探究了势垒层AlN中N空位分布的不同及位置的不同对NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的影响，为现有约瑟夫森结制备工艺的改进提供方向，从而提升约瑟夫森结及超导集成电路的性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明提供了一种利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，包括以下步骤：
分别选取不同晶格常数的AlN和NbN结合构建多种无缺陷模型；
从上述多种无缺陷模型中选取晶格失配率最低且结合能最高的模型作为参考模型，在参考模型中增加势垒层AlN中的N空位缺陷，控制N空位的总数相同，在界面层设置N空位和在AlN的每个原子层中设置不同N空位数量，构建反应不同的空位分布对电学性质影响的缺陷模型，在保证AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建反应不同的空位位置对电学性质影响的缺陷模型；
根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型；
采用Nanodcal软件计算不同器件模型的电输运性质，电输运性质至少包含：平衡态透射谱、平衡态电导和局域态密度；
通过对得到的电输运性质结果进行分析，确定势垒层AlN中N空位分布的不同及位置的不同对NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的影响。
进一步地，将晶格常数的氮化铌与/>的氮化铝结合，将晶格常数的氮化铌分别与/>和/>的氮化铝结合构建模型，分别为无缺陷模型一、无缺陷模型二和无缺陷模型三，其中无缺陷模型三的晶格失配率最低且结合能最高，作为参考模型。
进一步地，选取空位总数为8，在参考模型中将所有N空位分布在界面层构建出缺陷模型一，对参考模型中AlN的每个原子层设置不同N空位数量，构建出缺陷模型二、缺陷模型三、缺陷模型四和缺陷模型五；在保证缺陷模型二中AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建出缺陷模型六和缺陷模型七，对缺陷模型三、四和五做如缺陷模型二的相同处置，构建出缺陷模型八至十三。
进一步地，根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型，包括：
计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离；
对具有最佳界面接触距离的晶体模型进行界面驰豫；
将驰豫后的晶体模型转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型。
进一步地，所述计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离包括：首先采用VASP软件对NbN和AlN的超胞进行驰豫，用驰豫之后得到的材料搭建晶体模型，通过DFT总能驰豫进行单点能计算，得到势垒层与超导层界面之间的最佳距离。
进一步地，采用VASP软件对具有最佳界面接触距离的晶体模型中氮化铝和氮化铌相接触的原子层进行界面驰豫，将除氮化铝和与氮化铝接触的两层NbN原子以外的原子固定。
进一步地，采用Nanodcal软件将驰豫后的晶体模型转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型。
进一步地，所述Nanodcal软件采用基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型的电输运性质。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过创建原子结构的三维NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型，并采用基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算不同器件模型的电输运特性，探究势垒层AlN中N空位分布的不同及位置的不同对NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的影响，为现有约瑟夫森结制备工艺的改进提供方向，从而提升约瑟夫森结及超导集成电路的性能。
2、通过第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论进行计算，计算出无缺陷模型和不同缺陷模型在零偏压下的电导，结果显示N空位增加了约瑟夫森结的电输运性质。当控制N空位总数量，对AlN的每个原子层增加不同N空位数量时，对电导的影响很大，即空位的增加提高了器件模型的电导。当控制AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，改变N空位的位置时，对电导的影响不大。通过计算势垒层每个Al原子与N空位之间的平均键长，结合N空位数量的方差分布，发现N空位分布的均匀性对约瑟夫森结的电导影响很大，即每层N空位数量分布越均匀，器件模型的电导越大。缺陷的产生是工艺制备过程中的必然，对缺陷机理的深入研究能帮助在工艺上制备出更高电输运性质的NbN/AlN/NbN约瑟夫森结。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的无缺陷模型和缺陷模型的示意图；
图3是本发明实施例的零偏压下三种无缺陷模型的电导对比柱状图；
图4是本发明实施例的零偏压下无缺陷模型三model3与五组缺陷模型的电导对比柱状图；
图5是本发明实施例的五组缺陷模型在零偏压下的透射谱对比曲线图；
图6是本发明实施例的无缺陷模型三model3与五组缺陷模型在费米能级附近的局域态密度分析图，其中d是无缺陷模型三model3的局域态密度分析图，e是缺陷模型一model3b的局域态密度分析图，f是缺陷模型二model3c的局域态密度分析图，g是缺陷模型三model3d的局域态密度分析图，h是缺陷模型四model3e的局域态密度分析图，i是缺陷模型五model3f的局域态密度分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，包括以下步骤：
步骤S1，分别选取不同晶格常数的AlN和NbN结合构建多种无缺陷模型。
考虑到晶格失配度的问题，将晶格常数的氮化铌与/>的氮化铝结合，作为无缺陷模型一model1(如图2a)；将晶格常数/>的氮化铌分别与/>和/>的氮化铝结合构建模型，分别作为无缺陷模型二model2(如图2b)和无缺陷模型三model3(如图2c)。
步骤S2，从步骤S1的三种无缺陷模型中选取晶格失配率最低且结合能最高的模型model3作为参考模型，在参考模型中增加势垒层AlN中的N空位缺陷，控制N空位的总数相同，在界面层设置N空位和在AlN的每个原子层中设置不同N空位数量，构建反应不同的空位分布对电学性质影响的缺陷模型，在保证AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建反应不同的空位位置对电学性质影响的缺陷模型。
在实际工艺中，单晶氮化铝很难制备，内部多有缺陷，而N空位最为常见，因此增加N空位来研究其对模型的影响。为了增加实验的可对比性，所有缺陷模型的空位总数为8，空位元素类型为氮元素，空位位置可随机选取。缺陷模型分为五组对比实验，在参考模型中将所有N空位分布在界面层构建出缺陷模型一model3b，对参考模型中AlN的每个原子层设置不同N空位数量，构建出缺陷模型二model3c、缺陷模型三model3d、缺陷模型四model3e和缺陷模型五model3f(如图2d、2e、2f、2g)，在保证缺陷模型二model3c中AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建出缺陷模型六model3c-com1(如图2h)和缺陷模型七model3c-com2(如图2l)，对缺陷模型三model3d、缺陷模型四model3e和缺陷模型五model3f做如缺陷模型二model3c的相同处置，构建出缺陷模型八至十三(model3d-com1、model3d-com2、model3e-com1、model3e-com2、model3f-com1和model3f-com2)，如图2i、2m、2j、2n、2k和2o。如图2d、2h、2l所示的model3c、model3c-com1和model3c-com2，每层原子的N空位数量相同，空位数量分别为0,3,2,3，如图2e、2i、2m所示的model3d、model3d-com1和model3d-com2，每层原子的N空位数量相同，空位数量分别为1,2,3,2，如图2f、2j、2n所示的model3e、model3e-com1、model3e-com2，每层原子的N空位数量相同，空位数量分别为2,1,1,4，如图2g、2k、2o所示的model3f、model3f-com1、model3f-com2，每层原子的N空位数量相同，空位数量分别为2,2,2,2。
步骤S3，根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型，具体包括：
步骤S31，计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离。
具体的，首先采用VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package)软件对NbN和AlN的超胞进行驰豫，用驰豫之后得到的材料搭建晶体模型，通过DFT总能驰豫进行单点能计算，得到势垒层与超导层界面之间的最佳距离，通常认为能量最低时所对应的距离即为最佳距离。
步骤S32，对具有最佳界面接触距离的晶体模型进行界面驰豫。
采用VASP软件对具有最佳界面接触距离的晶体模型中氮化铝和氮化铌相接触的原子层进行界面驰豫，将除氮化铝和与氮化铝接触的两层NbN原子以外的原子固定，计算过程中使用的交换关联泛函均采用Perdew–Burke–Ernzerhof(PBE)，赝势采用PAW，布里渊区采样值为Gamma中心策略。NbN的平面波截断能设为400eV，依据固体模型进行K点采样，AlN在z轴增加真空层，根据二维材料，使用8*8*1的k点采样对原子位置进行优化。总能收敛准则为10-4eV/原子，最大哈密顿-费曼力小于
步骤S33，采用Nanodcal软件将驰豫后的晶体模型转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型。
Nanodcal软件中哈密顿量和密度矩阵的收敛标准设为10-5eV，利用原子轨道线性组合基展开Kohn-Sham波函数，实空间格点的截断能为100Hatree，同时k点为5*5*100和5*5*1分别对电极部分和中心区进行自洽计算。
器件包含左、右电极和中心散射区三个部分，左、右电极构成电极区，缓冲区和中心区构成中心散射区，z方向为器件的电子输运方向，模型左右两端的氮化铌电极往z＝±∞处周期性延伸，整个器件在x、y方向呈周期性结构。电极区材料为NbN，中心区材料为AlN，缓冲区与电极区材料一致。
步骤S4，采用Nanodcal软件计算不同器件模型的电输运性质，电输运性质至少包含：平衡态透射谱、平衡态电导和局域态密度。
Nanodcal软件采用基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数理论(NEGF-DFT)相结合的方法计算NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型的电输运性质。
首先，根据建立好的器件模型，需要进行自洽计算得到密度矩阵。通过Kohn-Sham(KS)函数，密度矩阵可以用KS方程的本征态ψi表示：
其中，β表示电子温度，μ表示化学势，f EQ(E-μ；β)是费米狄拉克分布函数，表示为：
为了实现最后的模型自洽，通过计算格林函数来迭代求解密度矩阵，格林函数表示为：
GR,A(ε)＝[ES-H-∑R,A]-1
其中，GR、GA分别表示推迟和超前格林函数，S是由于轨道非正交而导致的重叠矩阵(如果轨道正交，S为单位矩阵)，H代表体系的哈密顿矩阵，∑R、∑A分别表示推迟和超前自能，并且可以利用通过矩阵变换来计算GR。
然后，平衡态下的透射谱利用非平衡格林函数表示：
Tαβ(ε)＝tr[GR(ε)Γα(ε)GA(ε)Γβ(ε)]
其中表示α导线的线宽函数，/>表示导线引起的超级自能。由此可得到电导：
其中G0＝2e2/h是量子电导，h是普朗克常数，e是单个电子的电荷，fl(ε)-fr(ε)是左右电极费米分布的差值，Vr-Vl是左右电极所施加偏压的差值，T(ε)是某一能量下的透射谱，当施加的偏压趋近于零时，得到的极限值也就是平衡态下的电导值，由上面公式可知电导与施加的偏压大小以及透射谱紧密相关。
基于以上电导和透射谱的计算公式，基于Nanodcal软件，将k空间格点数取[10,10,1]，为自洽计算格点数的两倍，保证计算的准确性。能量间隔为0.05eV在[-10,10]的能量区间内计算透射谱。在图5中截取了能量区间为[-4,4]的透射谱，图5为显示出费米能级附近透射谱的变化。根据透射谱的计算结果得到零偏压下的电导值，如图3和图4所示，不同模型的电导及透射谱计算方法相同。
由于不同模型的电导差异较大，为了探究其深层影响因素，计算了中心散射区费米能级附近的局域态密度：
其中局部区域Ω具有平行六面体的形状，{C}表示中心单元格，即模型中的中心散射区，能谱{εi}一般由离散点和连续带组成，ζ(r)为原子轨道基。
根据局域态密度的计算公式，计算模型在中心散射区费米能级附近的电子态分布，所有模型的能量点均设置为401，k空间的格点数在周期性方向取60，在输运方向取1。对于无缺陷模型，区域格点数在输运方向取224，而缺陷模型的区域格点数在输运方向均为300。这是由于缺陷模型中空位的影响未知，为了使缓冲层起到更好的屏蔽作业，故而在缺陷模型中多加了原子层，如图6中所示，这也是缺陷模型区域格点数增设的原因。
步骤S5，通过对得到的电输运性质结果进行分析，确定势垒层AlN中N空位分布的不同及位置的不同对NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的影响。
十六种模型处于平衡态下的电导。首先，基于Nanodcal软件计算了三种不同无缺陷模型的平衡态电导，如图3所示，三种模型的电导近似。如图4所示，发现N空位的增加有效提高了约瑟夫森结器件模型的电导，对比图3和图4，缺陷模型的电导明显高于三个无缺陷模型的电导。并且五种缺陷模型由于每个原子层中N空位数量不同，导致电导也不同，发现空位分布的均匀性在一定程度上影响模型的电导，当N空位数量的方差小，即空位数量分布均匀，电导相对更大，反之电导较小。从图4可以看出，数量方差最小的model3f，电导最大，而数量方差最大的model3b，电导最小。这是由于空位分布均匀，使得电子隧穿势垒降低，电子隧穿几率增加，电导相应增大。
空位的位置对电导的影响较小，当保持每层N空位的数量不变，改变N空位的位置，电导的变化并不大。由此可见，势垒层AlN中N空位的均匀性对器件的电输运性质有很大影响。
平衡态下的透射谱。在不施加偏压的情况下计算缺陷模型的透射谱，得到的结果与电导的结果一致，电导最大的模型在费米能级附近，透射能力最强，反之，透射能力最弱。
不同模型的局域态密度。选取空位数量一致，空位分布不同而电导相差较大的五种缺陷模型model3b，model3c，model3d，model3e，model3f与无缺陷模型model3进行局域态密度对比，如图6所示，发现空位导致费米能级附近的态密度发生变化。当增加空位，器件模型中AlN产生非饱和键，导带和价带出现简并并呈现金属性，导致缺陷模型在费米能级附近的态密度的增加。整体来看，空位导致态密度的增加，不仅费米能级附近态密度变大，而且价带和导带峰值都有不同程度的增加，出现缺陷能级。由于缺陷的存在，导致局部密度和化学计量的波动，会导致局部传输通道，从而导致电导值增大。因此我们得出结论，N原子的缺失导致费米能级附近局部态密度的增加，局部传输通道形成，电子向金属Al离子聚集，实现了电子通过Al离子的通道隧穿。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别选取不同晶格常数的AlN和NbN结合构建多种无缺陷模型；
从上述多种无缺陷模型中选取晶格失配率最低且结合能最高的模型作为参考模型，在参考模型中增加势垒层AlN中的N空位缺陷，控制N空位的总数相同，在界面层设置N空位和在AlN的每个原子层中设置不同N空位数量，构建反应不同的空位分布对电学性质影响的缺陷模型，在保证AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建反应不同的空位位置对电学性质影响的缺陷模型；
根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型；
采用Nanodcal软件计算不同器件模型的电输运性质，电输运性质至少包含：平衡态透射谱、平衡态电导和局域态密度；
通过对得到的电输运性质结果进行分析，确定势垒层AlN中N空位分布的不同及位置的不同对NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的影响。
2.根据权利要求1所述的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，将晶格常数的氮化铌与/>的氮化铝结合，将晶格常数的氮化铌分别与/>和/>的氮化铝结合构建模型，分别为无缺陷模型一、无缺陷模型二和无缺陷模型三，其中无缺陷模型三的晶格失配率最低且结合能最高，作为参考模型。
3.根据权利要求2所述的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，选取空位总数为8，在参考模型中将所有N空位分布在界面层构建出缺陷模型一，对参考模型中AlN的每个原子层设置不同N空位数量，构建出缺陷模型二、缺陷模型三、缺陷模型四和缺陷模型五；在保证缺陷模型二中AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建出缺陷模型六和缺陷模型七，对缺陷模型三、四和五做如缺陷模型二的相同处置，构建出缺陷模型八至十三。
4.根据权利要求1所述的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型，包括：
计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离；
对具有最佳界面接触距离的晶体模型进行界面驰豫；
将驰豫后的晶体模型转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型。
5.根据权利要求4所述的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，所述计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离包括：首先采用VASP软件对NbN和AlN的超胞进行驰豫，用驰豫之后得到的材料搭建晶体模型，通过DFT总能驰豫进行单点能计算，得到势垒层与超导层界面之间的最佳距离。
6.根据权利要求5所述的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，采用VASP软件对具有最佳界面接触距离的晶体模型中氮化铝和氮化铌相接触的原子层进行界面驰豫，将除氮化铝和与氮化铝接触的两层NbN原子以外的原子固定。
7.根据权利要求6所述的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，采用Nanodcal软件将驰豫后的晶体模型转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型。
8.根据权利要求1所述的利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，所述Nanodcal软件采用基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型的电输运性质。
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- 2022-12-14 CN CN202211619376.1A patent/CN116193974B/zh active Active
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