氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法技术

本发明专利技术提供一种氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法，包括：首先在衬底上沉积氮化铌‑绝缘层‑氮化铌三层薄膜结构，然后制备SQUID器件超导环和底电极结构；接着制备多个并联的约瑟夫森结；再在器件表面沉积绝缘薄膜，并在每个约瑟夫森结表面和底电极表面开孔，以使得后续步骤中引出顶电极；再沉积金属薄膜，制备金属旁路电阻；最后沉积氮化铌薄膜，制备梳状顶电极。通过本发明专利技术的制备方法和参数后处理方法，若测试发现NbN SQUID器件的临界电流和旁路电阻数值与设计值有较大偏差时，可以对器件进行后期处理以使得临界电流和旁路电阻数值接近设计数值，从而提高器件一致性。

【技术实现步骤摘要】
氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法
本专利技术属于超导量子干涉器件(SQUID)领域，涉及氮化铌超导量子干涉器件，特别是涉及一种氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法。
技术介绍
超导量子干涉器件(SQUID)原理是磁通量子化和约瑟夫森效应，在结构上，SQUID器件由超导约瑟夫森结和超导环组成，这种器件能够将器件感应的微小磁场变化转换为可以测量的电压值，因此，SQUID相当于一个磁场-电压转换器件，它是目前为止测量磁场灵敏度最高的传感器。在液氦温度(4.2K)下，利用低温超导材料(例如，Nb或者NbN)制备的低温超导SQUID器件的磁通灵敏度通常在10-6Φ0/Hz1/2量级(Φ0＝2.07×10-15Wb)，相对应的磁场灵敏度在fT/Hz1/2量级(1fT＝1×10-15T)。由于低温SQUID器件具有极高的磁场灵敏度，因此在极微弱磁信号探测领域及可转化为磁场的物理量探测领域都具有重要的应用价值。例如，在生物磁场探测、地球磁场探测、微弱电流探测、位移探测等领域，利用SQUID器件的探测研究都取得了极大的进展，显现出SQUID在这些应用领域的应用潜力。SQUID器件的等效电路简图如图1所示，它的主要结构包括约瑟夫森结和超导环两个部分，相对应的参数有约瑟夫森结的临界电流I0、旁路电阻R和超导环的电感L，它们也是SQUID器件的主要参数。按照SQUID器件的设计规则，首先设计SQUID器件的超导环的电感L的数值，然后根据屏蔽参量βL＝2LI0/Φ0的要求来确定SQUID器件的临界电流2I0，其中Φ0＝2.07×10-15Wb是磁通量子。通常器件优化设计要求βL＝1，因此器件临界电流可以确定。因为要求器件中的约瑟夫森结的回滞参数βc＝2πI0R2C/Φ0小于1，约瑟夫森结的旁路电阻R的数值可由上式确定。因此，SQUID器件的主要参数可由上述SQUID器件设计规则来确定。目前，典型的低温SQUID器件是利用Nb材料制备而成，Nb材料的超导临界转变温度Tc在9K左右，由Nb薄膜制备的SQUID器件通常工作在小于Tc/2温度范围。经过多年研究，我们在实验室内研制完成了基于NbN薄膜材料的SQUID器件，NbN材料的临界转变温度Tc是17K左右，因此，NbNSQUID器件的工作温度范围大于Nb材料制备的SQUID器件的工作温度范围，而且其电学性能与Nb基SQUID性能相当，因此NbNSQUID器件在弱磁探测领域具有极大的发展潜力。但是，在制备NbNSQUID器件过程中，存在一个关键难点问题，即器件中约瑟夫森结29(器件中约瑟夫森结的位置如图2所示，其结构为超导层-绝缘层-超导层叠层)的临界电流I0控制问题，例如，器件中约瑟夫森结临界电流I0设计为10μA，结面积A设计是10平方微米，那么结临界电流密度Jc＝I0/A是100A/cm2，在制备过程中，结中绝缘层厚度为2.0nm时对应Jc为100A/cm2，但是当绝缘层为1.9nm时，Jc约为140A/cm2，当绝缘层为2.1nm时，Jc约为50A/cm2，即绝缘层厚度变化0.1nm，Jc变化幅度接近50％，而制备过程中绝缘层厚度设计为2.0nm时，其实际厚度通常在1.9nm至2.1nm之间变化，因此，约瑟夫森结的临界电流实际数值与设计数值之间存在较大误差，由此引起前文所述的SQUID器件屏蔽参量和结回滞参数都发生较大变化，进而影响器件性能。目前，因为控制绝缘层厚度在0.1nm非常困难，因此文献中没有实现器件临界电流稳定的有效方法，已有解决方案是在一个批次的制备过程中，制备具有不同绝缘层厚度的器件，如1.9nm，2.0nm，2.1nm等，在制备完成后根据测试结果来确定这一批次的哪一种绝缘层厚度的器件符合设计要求。这种方法效率较低。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法，用于解决现有技术中氮化铌SQUID器件中的绝缘层厚度控制困难导致器件制备效率较低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种氮化铌SQUID器件的制备方法，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，于所述衬底上依次外延生长第一氮化铌材料层、第一绝缘材料层、第二氮化铌材料层的三层薄膜结构；2)刻蚀所述三层薄膜结构，以形成超导环和底电极；3)刻蚀所述第二氮化铌材料层和第一绝缘材料层以形成两组约瑟夫森结，每组约瑟夫森结包括至少两个子约瑟夫森结；4)在露出的所述第一氮化铌材料层、第二氮化铌材料层及所述衬底上形成第二绝缘材料层，开孔暴露出所述第二氮化铌材料层和第一氮化铌材料层表面；5)在所述第二绝缘材料层上制备金属旁路电阻；6)沉积第三氮化铌材料层，并刻蚀所述第三氮化铌材料层露出所述金属旁路电阻26，形成顶电极，以并联引出所述子约瑟夫森结。作为本专利技术氮化铌SQUID器件的制备方法的一种优化的方案，所述顶电极为梳状顶电极。作为本专利技术氮化铌SQUID器件的制备方法的一种优化的方案，所述衬底为硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。作为本专利技术氮化铌SQUID器件的制备方法的一种优化的方案，所述第一绝缘材料层为氮化铝、氧化铝或氧化镁。作为本专利技术氮化铌SQUID器件的制备方法的一种优化的方案，所述第二绝缘材料层的材质为氮化硅或二氧化硅。作为本专利技术氮化铌SQUID器件的制备方法的一种优化的方案，每组约瑟夫森结包括四个子约瑟夫森结。本专利技术提供一种氮化铌SQUID器件，利用上述制备方法所制备获得，所述氮化铌SQUID器件包括：衬底；超导环和底电极，制备于所述衬底上；两组约瑟夫森结，制备于所述衬底上并嵌于所述超导环的环路上，每组约瑟夫森结包括至少两个子约瑟夫森结，所述约瑟夫森结由第一氮化铌材料层、第一绝缘材料层、第二氮化铌材料层构成；第二绝缘材料层，制备于所述第一绝缘材料层及所述衬底上，所述第二绝缘材料层上制作有暴露出所述子约瑟夫森结和第一氮化铌材料层表面的开孔；金属旁路电阻，制备在所述第二绝缘材料层上；顶电极，用于并联引出所述子约瑟夫森结。作为本专利技术氮化铌SQUID器件的一种优化的方案，所述顶电极为梳状顶电极。本专利技术再提供一种利用上述SQUID器件进行参数后处理的方法，所述参数后处理的方法包括：根据SQUID器件临界电流实际测试值，计算所述临界电流实际测试值与设计值之间的偏差，再利用微加工工艺去除多余的子约瑟夫森结，使所述临界电流实际测试值接近设计值；根据SQUID器件金属旁路电阻的电阻实际测试值，计算所述电阻实际测试值与设计值之间的偏差，通过减薄所述金属旁路电阻的厚度，使所述金属旁路电阻实际测试值接近设计值。作为本专利技术进行参数后处理的方法的一种优化的方案，所述微加工工艺包括光刻和刻蚀。如上所述，本专利技术的氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法，具有以下有益效果：利用本专利技术提供的制备方法制备的NbNSQUID器件中包括多个约瑟夫森结，再通过两个参数后期处理步骤，可以分别调整SQUID器件的临界电流和旁路电阻这两个重要参数数值，这两个参数的调整是独立的，没有相互影响，因此，利用本专利技术的制备方法和参数后处理方法可以使SQUID器件主要参数更加接近器件设计值，提高器件制备效率和一致性。附图说明图1为SQUID器件的等效电路图。图2为现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化铌SQUID器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，于所述衬底上依次外延生长第一氮化铌材料层、第一绝缘材料层、第二氮化铌材料层的三层薄膜结构；2)刻蚀所述三层薄膜结构，以形成超导环和底电极；3)刻蚀所述第二氮化铌材料层和第一绝缘材料层以形成两组约瑟夫森结，每组约瑟夫森结包括至少两个子约瑟夫森结；4)在露出的所述第一氮化铌材料层、第二氮化铌材料层及所述衬底上形成第二绝缘材料层，开孔暴露出所述第二氮化铌材料层和第一氮化铌材料层表面；5)在所述第二绝缘材料层上制备金属旁路电阻；6)沉积第三氮化铌材料层，并刻蚀所述第三氮化铌材料层形成顶电极，以并联引出所述子约瑟夫森结。

【技术特征摘要】
1.一种氮化铌SQUID器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：1)提供一衬底，于所述衬底上依次外延生长第一氮化铌材料层、第一绝缘材料层、第二氮化铌材料层的三层薄膜结构；2)刻蚀所述三层薄膜结构，以形成超导环和底电极；3)刻蚀所述第二氮化铌材料层和第一绝缘材料层以形成两组约瑟夫森结，每组约瑟夫森结包括至少两个子约瑟夫森结；4)在露出的所述第一氮化铌材料层、第二氮化铌材料层及所述衬底上形成第二绝缘材料层，开孔暴露出所述第二氮化铌材料层和第一氮化铌材料层表面；5)在所述第二绝缘材料层上制备金属旁路电阻；6)沉积第三氮化铌材料层，并刻蚀所述第三氮化铌材料层形成顶电极，以并联引出所述子约瑟夫森结。2.根据权利要求1所述的氮化铌SQUID器件的制备方法，其特征在于：所述顶电极为梳状顶电极。3.根据权利要求1所述的氮化铌SQUID器件的制备方法，其特征在于：所述衬底为硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。4.根据权利要求1所述的氮化铌SQUID器件的制备方法，其特征在于：所述第一绝缘材料层为氮化铝、氧化铝或氧化镁。5.根据权利要求1所述的氮化铌SQUID器件的制备方法，其特征在于：所述第二绝缘材料层的材质为氮化硅或二氧化硅。6.根据权利要求1所述的氮化铌SQUID器件的制备方法，其特征在于：每组约瑟夫森结包括四个子约瑟夫森结...

【专利技术属性】
技术研发人员：王会武，刘全胜，张栖瑜，应利良，王镇，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31