J. Phys. France 49, 795-802 (1988)
DOI: 10.1051/jphys:01988004905079500

From localization to superconductivity in granular niobium nitride thin films

R. Cabanel¹, J. Chaussy¹, J. Mazuer¹ et J.C. Villegier<sup>2

1</sup>  Centre de Recherches sur les Très Basses Températures, C.N.R.S., BP 166 X, 38042 Grenoble, France
²  LETI, C.E.N.G., BP 85, 38041 Grenoble, France

Abstract
The variations with temperature T of the resistivities of reactively sputtered NbN films have been studied from 1 to 300 K. The nitrogen concentration in the films has been increased by using higher and higher nitrogen pressures during sputtering. The porosity of the films is also increased and this favours their post oxidation at ambient atmosphere. The oxygen concentration in the films revealed to play a prime part on the resistivities p. Series of samples were obtained with room temperature resistivities from 14 Ω.cm to 1 mΩ.cm. The resistivity variations with T regularly evolve from a disordered semiconductor like behaviour to the bad metal behaviour of the classical superconducting NbN. The samples are highly inhomogeneous with a wide distribution of the energy barriers between conducting grains. In the high resistivity samples, thermally activated hopping is present and Ln p ∝ T-n with 1/2≤ n ≤1/4. In the less resistive samples, a percolating path is established through the lowest barriers and beyond some critical temperature T* the conductivity becomes linear in T. A superconducting transition may then appear which could be observed even on samples whose behaviour is markedly of the semiconductor type in the normal state. The highest resistivity before transition was 60 mΩ.cm. This corresponds to a resistivity ratio of 60 with respect to the value at room temperature. Application of a magnetic field up to 4 T decreases the critical temperature in the same way as for a homogeneous dirty type II superconductor.

Résumé
Nous avons étudié entre 1 et 300 K les variations de la résistivité de films de nitrure de niobium préparés par pulvérisation cathodique réactive. En travaillant à des pressions d'azote de plus en plus élevées, on augmente la concentration d'azote dans les couches qui deviennent de plus en plus poreuses. Ceci favorise leur oxydation ultérieure à l'ambiante. La concentration d'oxygène s'est révélée jouer un rôle primordial sur la résistivité p. Des séries d'échantillons ont ainsi été obtenues avec des résistivités à l'ambiante variant de 14 Ω.cm à 1 mΩ.cm. Les caractéristiques p (T) évoluent régulièrement depuis un comportement du type de celui observé dans des semiconducteurs désordonnés jusqu'à celui du NbN supraconducteur classique. Les échantillons sont très hétérogènes, avec une large distribution des barrières d'énergie entre les grains conducteurs. Dans les échantillons de haute résistivité, la conduction a lieu par sauts activés thermiquement et Ln p ∝ T- n avec 1/2 ≤ n ≤1/4. Pour les couches moins résistives, un chemin conducteur s'établit par percolation à travers les barrières les plus basses et dès que T est supérieur à une certaine valeur critique T*, la conductivité devient linéaire en T. Il peut alors apparaître une transition supraconductrice même sur des films dont le comportement à l'état normal est nettement du type semiconducteur. La plus haute résistivité observée avant transition a été de 60 mΩ.cm pour une résistivité à l'ambiante de 1 mΩ.cm, soit un rapport de 60. L'application d'un champ magnétique réglable de 0 à 4 T provoque la décroissance de la température critique selon la même loi linéaire que celle observée sur des supraconducteurs de type II homogènes.

PACS
7410 - Occurrence, potential candidates.
7470 - Superconducting materials.

Key words
niobium compounds -- sputtered coatings -- superconducting thin films -- superconducting transition temperature -- type II superconductors