CN104112818A - 一种超导量子干涉器件结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新颖的超导量子干涉器件结构，包括片状非超导介质膜以及附着在所述片状非超导介质膜上方的超导膜，所述超导膜具有环状结构，所述环状结构为超导环，其上有两个或两个以上对称分布的缺口。该结构可以通过微加工方法来制备。本发明的SQUID结构制作简便，工艺步骤少，且便于使用采取解理或CVD生长等方法制备的膜作为非超导介质层。

Description

一种超导量子干涉器件结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及超导量子干涉器件（SQUID），特别涉及一种超导量子干涉器件结构及其制备方法。

背景技术

超导量子干涉器件（SQUID）是利用约瑟夫森（Josephson）效应设计的极敏感的磁传感器，最高可用于探测10^-14T的磁场，是目前为止检测灵敏度最高的磁敏传感器。

SQUID被应用于主要应用于物理、化学、材料、地质、生物、医学等领域各种弱磁场的精确测量，如生命科学中对人体心、脑磁波的测量，极低温下的核磁化率、超导体在Tc附近磁化率的涨落、在很宽温度范围内生物化学样品的磁化率，以及岩石磁力等。当然由于其昂贵的造价，目前其市场占有率较霍尔元件传感器偏低，但其突出的高灵敏度将使其不断普及。

把两个相同的约瑟夫森（Josephson）结对称地嵌入超导回路，就形成了超导量子干涉器件（SQUID）。传统的Josephson结制备方法是：在衬底上用蒸发等方法淀积一层超导膜，用热氧化等方法生长很薄一层非超导膜后，再蒸发另一层超导膜。由于传统的Josephson结制备方法需要制备两层超导膜，导致制作工序较多且复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服传统的SQUID结构制作较复杂的缺陷，提出一种超导量子干涉器件结构及其制备方法，能够简化SQUID的制备工艺。

为了解决上述问题，本发明提供一种超导量子干涉器件结构，包括片状非超导介质膜以及附着在所述片状非超导介质膜上方的超导膜，所述超导膜具有环状结构，所述环状结构为超导环，其上有两个或两个以上对称分布的缺口。

优选地，所述超导量子干涉器件结构还具有以下特点：

所述超导环为圆环、方环或其它对称的多边形环。

优选地，所述超导量子干涉器件结构还具有以下特点：

所述超导环的半径大于100nm，所述缺口的长度大于20nm。

优选地，所述超导量子干涉器件结构还具有以下特点：

所述超导膜采用铅、锡或铌等超导材料。

优选地，所述超导量子干涉器件结构还具有以下特点：

所述非超导介质膜采用碲化铋或硒化铋单晶材料。

本发明还提供一种如上所述的超导量子干涉器件结构的制备方法，包括：

步骤1，将非超导介质膜附着在衬底上；

步骤2，在所述非超导介质膜上甩胶，用光刻技术在胶上做出超导环图样；

步骤3，在超导环图样上方沉积上超导膜；

步骤4，洗去胶层，保留所需的超导环。

优选地，所述方法还具有以下特点：

所述步骤1中，采用解理、化学气相沉积（CVD）生长、沉积、分子束外延、溅射或蒸发镀膜等方法将非超导介质膜附着在衬底上

优选地，所述方法还具有以下特点：

所述步骤2中，所述光刻技术包括电子束曝光或紫外曝光等方式。

优选地，所述方法还具有以下特点：

所述步骤3中，采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发等方式在超导环图样上方沉积上超导膜。

优选地，所述方法还具有以下特点：

所述超导膜采用铅、锡或铌等超导材料。

本发明能够通过尽可能少的制作步骤制备SQUID，工艺简单。利用本发明所描述的结构与工艺，可以方便地制备出利用采取解理或CVD（ChemicalVapor Deposition，化学气相沉积）生长等方法制备的膜作为非超导介质层的SQUID。

附图说明

图1为本发明实施例的SQUID主体图形，阴影部分表示沉积有超导金属部分；

图2（a）～（g）为本发明应用实例的SQUID制备工艺流程，包括准备基片、解理、甩胶烘干、曝光、显影、沉积金属、去胶七个步骤；

图3为本发明应用实例的圆环双结SQUID的电镜图片；

图4为本发明应用实例的加宽结区的圆环双结SQUID的电镜图片；

图5为本发明应用实例的方形环双结SQUID的电镜图片；

图6为本发明应用实例的四结SQUID的电镜图片；

图7为本发明应用实例的天然结区SQUID的电镜图片。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明实施例的超导量子干涉器件结构，其包括片状非超导介质膜以及附着在所述片状非超导介质膜上方的超导膜，所述超导膜具有环状结构，所述环状结构为超导环，其上有两个或两个以上对称分布的缺口，如图1所示。

嵌入超导回路的Josephson结中的非超导介质层直接附着在衬底上，而被非超导介质层隔开的两块超导层均沉积在非超导介质层的上方。

所述超导环为圆环、方环或其它对称的多边形环，其半径大于100nm；所述缺口的长度d大于20nm。

所述超导膜可采用铅、锡或铌等超导材料，非超导介质膜可采用碲化铋（Bi2Te3）或硒化铋（Bi2Se3）等单晶材料。

本发明实施例的SQUID结构的制备方法，即利用微加工的方法制备所述的SQUID结构，包括：

步骤1，采用解理、化学气相沉积（CVD）生长、沉积、分子束外延、溅射或蒸发镀膜等方法将非超导介质膜附着在衬底上；

步骤2，在所述非超导介质膜上甩胶，用光刻技术（可采用电子束曝光或紫外曝光等方式）在胶上做出超导环图样；

步骤3，采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发等方式在超导环图样上方沉积上超导膜；

步骤4，洗去胶层，保留所需的超导环。

传统的SQUID结构比较适合沉积方法制备的非超导介质膜，而难以使用采取解理或CVD生长等方法制备的膜作为非超导介质层，因为很难使这些方法制备的膜准确地附着在已沉积好的超导薄膜上方；本发明的SQUID结构便于使用采取解理或CVD生长等方法制备的膜作为非超导介质层。

下面以一个具体应用实例进一步说明制备工艺流程：

1)如图2（a）所示，选择一片几毫米见方的，上有300nm厚SiO2的硅片衬底，采用常规方法清洗。

2）将使用Bridgman（布里奇曼）方法生长的Bi2Te3或Bi2Se3单晶用3M胶带解理出几微米大、100-200nm厚的薄片（即非超导介质膜）转移到硅片衬底上，如图2（b）所示。

3）将载有非超导介质膜的硅片甩上PMMA胶（polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）并烘干，如图2（c）所示。

4）使用电子束曝光曝出内径2μm、外径3μm、相对位置开100nm到1μm缺口的圆环，如图2（d）所示，并进行显影，如图2（e）所示。

5）使用磁控溅射镀厚度200nm左右的Sn或Pb超导膜，如图2（f）所示，用丙酮去胶，如图2（g）所示。

制得的SQUID在1.5K、零磁场条件下出现超流。15mK条件下能够看到清晰的SQUID震荡。

如图3所示，为圆环双结SQUID，这是本发明提出的SQUID结构中最基本的一种结构。

如图4所示，为加宽结区的圆环双结SQUID，其中加宽结区可以加强近邻效应。

SQUID还可以采用方形环，如图5所示，也可以采用其它对称的多边形环；

除了采用双结形式，还可以采用多结，如图6所示，为四结SQUID。

另外，用铅等软金属制备环状超导膜，并使得膜厚很小（如<20nm），超导膜会自然发生团聚，形成不连续的大量颗粒，此时超导环不需人为制造结区，而由于颗粒之间的间距形成大量天然的结区。这样的器件也可作为SQUID使用，具体图形见图7。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超导量子干涉器件结构，其特征在于，包括片状非超导介质膜以及附着在所述片状非超导介质膜上方的超导膜，所述超导膜具有环状结构，所述环状结构为超导环，其上有两个或两个以上对称分布的缺口。 

2.如权利要求1所述的超导量子干涉器件结构，其特征在于， 

所述超导环为圆环、方环或其它对称的多边形环。 

3.如权利要求1或2所述的超导量子干涉器件结构，其特征在于， 

所述超导环的半径大于100nm，所述缺口的长度大于20nm。 

4.如权利要求1所述的超导量子干涉器件结构，其特征在于， 

所述超导膜采用铅、锡或铌等超导材料。 

5.如权利要求1所述的超导量子干涉器件结构，其特征在于， 

所述非超导介质膜采用碲化铋或硒化铋单晶材料。 

6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的超导量子干涉器件结构的制备方法，包括： 

步骤1，将非超导介质膜附着在衬底上； 

步骤2，在所述非超导介质膜上甩胶，用光刻技术在胶上做出超导环图样； 

步骤3，在超导环图样上方沉积上超导膜； 

步骤4，洗去胶层，保留所需的超导环。 

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于， 

所述步骤1中，采用解理、化学气相沉积（CVD）生长、沉积、分子束外延、溅射或蒸发镀膜等方法将非超导介质膜附着在衬底上。 

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于， 

所述步骤2中，所述光刻技术包括电子束曝光或紫外曝光等方式。 

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于， 

所述步骤3中，采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发等方式在超导环图 样上方沉积上超导膜。 

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于， 

所述超导膜采用铅、锡或铌等超导材料。