约瑟夫森结及其超导器件与制备方法技术

本发明专利技术提供一种约瑟夫森结、超导器件及制备方法，约瑟夫森结制备包括：在衬底上形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层；刻蚀第二超导材料层形成上电极；在势垒材料层上沉积绝缘材料，然后刻蚀掉，紧接着刻蚀势垒层；最后刻蚀第一超导材料层，得到下电极。本发明专利技术在刻蚀势垒层之前，先沉积一层绝缘材料，基于同一掩膜层先刻蚀绝缘材料，不去除光刻胶，接着进行势垒层的刻蚀，很好的保护了势垒层，避免了势垒层与显影液反应生成黑色反应物。先沉积的绝缘层还可以提升后沉积的绝缘层的绝缘效果，减小漏电流，并且可以实现同质生长，两者不存在明显界面，对后续工艺无影响，可以提升超导电路的性能和稳定性，以及整体超导电路的工作范围。工作范围。工作范围。

【技术实现步骤摘要】
约瑟夫森结及其超导器件与制备方法


[0001]本专利技术涉及超导量子器件
，特别是涉及一种约瑟夫森结、超导SQUID器件、超 导SFQ器件及各自的制备方法。

技术介绍

[0002]超导电路是利用超导材料制备而成的电子器件，主要包括超导量子干涉器(SQUID)，单 磁通量子器件(SFQ)等器件。超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)是基于约瑟夫森效应和磁通量子化原理的超导量子器件，它的基本结构是在超导环 中插入两个约瑟夫森结，SQUID是目前已知的最灵敏的磁通探测传感器，典型的SQUID器 件的磁通噪声在μΦ0/Hz
1/2
量级(1Φ0＝2.07
×
10
‑
15
Wb)，其磁场噪声在fT/Hz
1/2
量级 (1fT＝1
×
10
‑
15
T)，由于其具有极高的灵敏度，可广泛应用于医学心磁脑磁、材料探测、地球 磁场、军事、地震和考古等各方面，用其制备的磁通显微镜可从事基础研究。单磁通量子器 件(Single Flux Quantum,SFQ)是利用约瑟夫森结内的单个磁通量子来表示逻辑“1”和“0”的超 导电路技术。以此为基础的超导数字电路时钟频率可达770GHz，可用于雷达和通信系统的超 宽带模数/数模转换器、宽带网络交换器、射电天文的数字式自相关器以及超导计算机等。因 其具有速度快、功耗低等优点，目前美国和日本均投入巨资进行战略研究。
[0003]超导电路一般由约瑟夫森结和一些电阻、电感等相互搭配组成。其中，约瑟夫森结为超 导电路的关键器件，其形成与制备与超导电路的性能优良有着密切关系。约瑟夫森结一般是 由两块超导体夹以某种很薄的势垒层(厚度≤Coopper电子对的相干长度)而构成的结构，例如 S(超导体)—I(半导体或绝缘体)—S(超导体)结构，简称SIS，在其中超导电子可以通过隧道效 应从一边穿过半导体或绝缘体薄膜到达另一边。因而势垒层的制备形成直接影响约瑟夫森结 的性能优良，如何制备和光刻约瑟夫森结中势垒层是器件制备的关键，然而，势垒层一般很 薄，通常只有几个纳米，而且在光刻过程中普遍与碱性显影液反应，所以单独光刻控制性和 重复性较差，且容易在电路表面形成一些黑色的反应物，从而影响整个电路的工作。
[0004]因此，如何提供一种约瑟夫森结、基于其的超导器件及制备方法，以解决现有技术中上 述问题实属必要。

技术实现思路

[0005]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约瑟夫森结、基于其的超导 器件及制备方法，用于解决现有技术中势垒层难以有效制备等问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种约瑟夫森结的制备方法，所述制备方 法包括如下步骤：
[0007](1)提供衬底；
[0008](2)在所述衬底上依次形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层，其中，
所 述势垒材料层包括含铝材料层；
[0009](3)刻蚀所述第二超导材料层，以得到上电极；
[0010](4)在步骤(3)得到的结构表面形成第一绝缘材料层；
[0011](5)基于同一掩膜层刻蚀所述第一绝缘材料层及所述势垒材料层，得到势垒层及覆盖所 述势垒层及所述第一电极显露的表面的第一绝缘层，并去除刻蚀后的所述掩膜层；
[0012](6)刻蚀所述第一超导材料层，以得到下电极。
[0013]可选地，所述制备方法还包括：
[0014]在步骤(6)得到的结构表面形成第二绝缘材料层；
[0015]刻蚀所述第二绝缘材料层形成第二绝缘层，所述第二绝缘层与第一绝缘层构成复合绝缘 层，并在所述复合绝缘层中形成显露所述上电极的第一开口及显露所述下电极的第二开口；
[0016]在所述复合绝缘层上制备第配线层，所述配线层包括通过所述第一开口与所述上电极电 连接的第一配线部及通过所述第二开口与所述下电极电连接的第二配线部。
[0017]可选地，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种；形成所述掩膜 层的过程中包括采用碱性显影液进行显影的步骤。
[0018]可选地，所述衬底包括硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底及碳化硅衬底中的至少一种； 所述第一超导材料层包括氮化铌层及铌层中的至少一种；所述第二超导材料层包括氮化铌层 及铌层中的至少一种。
[0019]可选地，所述第一绝缘材料层的厚度介于5
‑
50nm之间；所述第一绝缘材料层的沉积工艺 包括PECVD工艺；所述第一绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。
[0020]可选地，刻蚀所述第一绝缘材料层的方法包括使用反应离子刻蚀或电感耦合反应离子刻 蚀方法；刻蚀所述势垒材料层的方法包括离子束刻蚀方法，其中，所述离子束角度介于0
°
—50
°ꢀ
之间。
[0021]本专利技术还提供一种超导SQUID器件的制备方法，所述超导SQUID器件的制备方法包括 采用如上述步骤的任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备约瑟夫森结的步骤，还包括： 在形成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所述第二超导材料层之前在所述衬底上制备 旁路电阻的步骤。
[0022]本专利技术还提供一种超导SFQ器件的制备方法，所述超导SFQ器件的制备方法包括采用 如上述步骤的任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法制备约瑟夫森结的步骤，还包括：在形 成所述第一超导材料层、所述势垒材料层和所述第二超导材料层之前或者在形成所述下电极 之后在所述衬底上制备旁路电阻的步骤。
[0023]本专利技术还提供一种保护势垒层的约瑟夫森结结构，其中，所述约瑟夫森结结构优选采用 本专利技术的约瑟夫森结结构的制备方法制备得到，当然也可以采用其他方式，所述约瑟夫森结 包括：
[0024]衬底；
[0025]下电极，位于所述衬底上。
[0026]势垒层，位于所述下电极上，所述势垒层包括含铝材料层；
[0027]上电极，位于所述势垒层上；
[0028]第一绝缘层，覆盖所述势垒层及所述上电极显露的表面；
[0029]第二绝缘层，形成在所述衬底上，覆盖所下电极及所述第一绝缘层。
[0030]可选地，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种；所述第一绝缘 材料层的厚度介于5
‑
50nm之间；所述第一绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。
[0031]本专利技术还提供一种超导SQUID器件，所述超导SQUID器件包括如上述方案中任意一项 所述的约瑟夫森结。
[0032]本专利技术还提供一种超导SFQ器件，所述超导SFQ器件包括如上述方案中任意一项所述 的约瑟夫森结。
[0033]如上所述，本专利技术提供一种约瑟夫森结、基于其的超导器件及制备方法，通过在刻蚀势 垒层铝材料之前，先沉积一层绝缘层，基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)提供衬底；(2)在所述衬底上依次形成第一超导材料层、势垒材料层、第二超导材料层，其中，所述势垒材料层包括含铝材料层；(3)刻蚀所述第二超导材料层，以得到上电极；(4)在步骤(3)得到的结构表面形成第一绝缘材料层；(5)基于同一掩膜层刻蚀所述第一绝缘材料层及所述势垒材料层，得到势垒层及覆盖所述势垒层及所述上电极显露的表面的第一绝缘层，并去除刻蚀后的所述掩膜层；(6)刻蚀所述第一超导材料层，以得到下电极。2.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在步骤(6)得到的结构表面形成第二绝缘材料层；刻蚀所述第二绝缘材料层形成第二绝缘层，所述第二绝缘层与第一绝缘层构成复合绝缘层，并在所述复合绝缘层中形成显露所述上电极的第一开口及显露所述下电极的第二开口；在所述复合绝缘层上制备第配线层，所述配线层包括通过所述第一开口与所述上电极电连接的第一配线部及通过所述第二开口与所述下电极电连接的第二配线部。3.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述含铝材料层包括铝层、氧化铝层及氮化铝层中的至少一种；形成所述掩膜层的过程中包括采用碱性显影液进行显影的步骤。4.根据权利要求1所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述衬底包括硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底及碳化硅衬底中的至少一种；所述第一超导材料层包括氮化铌层及铌层中的至少一种；所述第二超导材料层包括氮化铌层及铌层中的至少一种。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘材料层的厚度介于5
‑
50nm之间；所述第一绝缘材料层的沉积工艺包括PECVD工艺；所述第一绝缘材料层的材质包括二氧化硅或氮化硅。6.根据权利要求5所述的约瑟夫森结的制备方法，其特征在于，刻蚀...

【专利技术属性】
技术研发人员：应利良，张雪，任洁，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：