Superconductivity in silicon-gallium alloys

Abstract

Superconducting silicon-gallium (SiGa) is a promising new material with superconducting transition temperature above liquid helium temperature. SiGa can be fabricated with methods already utilized in semiconductor industry and it also enables superconductor-semiconductor hybrid structures.

In this thesis, fabrication and characteristics of superconducting SiGa alloy, fabricated via maskless focused ion beam (FIB) gallium implantation, with planar geometries including both low and high aspect ratio limits. Samples with variable implantation parameters were fabricated and characterized.

First, the FIB etch rates of silicon and silicon dioxide were determined. Additionally, implantation parameters including Ga ion dose, beam blur and pitch were optimized during the study. Next, superconductivity was demonstrated both in broad areas and nanowires with superconducting transition temperature of approximately 6.3 K. Finally, implant modulation via resist based masking was studied but unfortunately the investigated method was not found to be viable.

Suprajohtava pii-gallium (SiGa) on lupaava uusi materiaali, jonka suprajohtavuuden kriittinen lämpötila on korkeampi kuin nestemäisen heliumin. SiGa:a voidaan valmistaa menetelmin, jotka ovat jo käytössä puolijohdeteollisuudessa ja SiGa mahdollistaa myös suprajohde-puolijohde hybridirakenteet.

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin suprajohtavan SiGa:n, joka valmistetaan maskittoman kohdistetun ionisädeimplantaation (engl. focused ion beam, FIB) avulla, valmistusta ja ominaisuuksia sekä suurilla että pienillä tasogeometrisilla mittasuhteilla. Näytteitä valmistettiin käyttäen useita eri implantaatioparametrejä.

Aluksi määritettin piin ja piidioksidin etsausnopeudet käytettäessä FIB:a. Lisäksi optimoitiin implantaatioparametreista ammuttujen gallium-ionien määrä (engl. dose), säteen sumennus (engl. blur) ja askelpituus (engl. pitch). Seuraavaksi suprajohtavuus noin 6.3 K kriittisen lämpötilan alapuolella osoitettiin sekä laajoilla alueilla että kapeissa nanolangoissa. Lopuksi implantaation modulointia resistimaskipohjaisella menetelmällä tutkittiin, mutta valitettavasti kyseinen menetelmä todettiin epäsopivaksi.