CN106816525A - 氮化铌squid器件、制备方法及参数后处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮化铌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。

Description

氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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/Hz^1/2量级(Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，相对应的磁场灵敏度在fT/Hz^1/2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β_L＝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β_L＝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β_c＝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，NbN SQUID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NbN SQUID器件在弱磁探测领域具有极大的发展潜力。但是，在制备NbN SQUID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J_c＝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。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明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，本发明提供一种氮化铌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。

作为本发明氮化铌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。

作为本发明氮化铌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。

作为本发明氮化铌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。

作为本发明氮化铌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。

作为本发明氮化铌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。

本发明提供一种氮化铌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。

作为本发明氮化铌SQUID器件的一种优化的方案，所述顶电极为梳状顶电极。

本发明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。

作为本发明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，本发明的氮化铌SQUID器件、制备方法及参数后处理方法，具有以下有益效果：利用本发明提供的制备方法制备的NbN SQUID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，利用本发明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为现有技术中NbN SQUID器件俯视图。

图3～图8为本发明氮化铌SQUID器件的制备方法的结构剖视图。

图9为本发明氮化铌SQUID器件的俯视图。

图10为本发明氮化铌SQUID器件电流-电压特性曲线与金属旁路电阻的关系。

元件标号说明

S1～S6 步骤

2 SQUID器件

21 衬底

22 第一氮化铌材料层(底电极)

23 第一绝缘材料层

24 第二氮化铌材料层(对电极)

25 第二绝缘材料层

26 金属旁路电阻

27 第三氮化铌材料层(顶电极)

28 超导环

29 约瑟夫森结

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3～图8所示，本发明提供一种氮化铌SQUID器件的制备方法，所述氮化铌SQUID器件的制备方法至少包括：

首先执行步骤S1，提供一衬底21，于所述衬底21依次外延生长第一氮化铌材料层22、第一绝缘材料层23、第二氮化铌材料层24的三层薄膜结构。

具体地，本发明可以采用磁控溅射方式依次外延生长第一氮化铌材料层22、第一绝缘材料层23、第二氮化铌材料层24的三层薄膜结构。所述第一氮化铌材料层22、所述第一绝缘材料层23及所述第二氮化铌材料层24可以在不破坏真空环境的情况下分别在不同的腔室生长。

更具体地，如图3所示，提供一衬底21，所述衬底21包括：硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。在本实施例中，为了制备高质量的氮化铌薄膜，所述衬底21优选为氧化镁衬底。

作为示例，所述第一绝缘材料层23为氮化铝、氧化铝或氧化镁等。本实施例中优选氮化铝作为第一绝缘材料层23。所述第一绝缘材料层23的厚度可以为1.2nm～2.4nm，在本实施例中，所述第一绝缘材料层23的厚度仅为2nm。

其次执行步骤S2，刻蚀所述第一氮化铌材料层22、所述第一绝缘材料层23、所述第二氮化铌材料层24的三层薄膜结构，以形成超导环和底电极。

具体地，如图4所示，利用微加工工艺刻蚀出底电极图形，所述微加工工艺包括但不限于光刻和刻蚀。所述第一氮化铌材料层22作为底电极。通过刻蚀在需要制备SQUID器件超导环的位置保留所述第一氮化铌材料层22、所述第一绝缘材料层23、所述第二氮化铌材料层24的三层薄膜结构；不需要制备SQUID器件的位置去除所述第一绝缘材料层23、所述第二氮化铌材料层24，形成底电极图形。

然后执行步骤S3，刻蚀所述第二氮化铌材料层和第一绝缘材料层24以形成两组约瑟夫森结29，每组约瑟夫森结包括至少两个子约瑟夫森结。

作为示例，每组约瑟夫森结29包括四个子约瑟夫森结。现有技术中，如图2所示，SQUID器件仅包含两个约瑟夫森结，而本实施例中，将每一个约瑟夫森结分开做成了4个并联的子约瑟夫森结(仍然是约瑟夫森结，为了描述方便，定义为子约瑟夫森结)。优选地，这4个约瑟夫森结的面积之和等于现有技术中单个约瑟夫森结的面积。

需要知晓，为了图示方便，图5中仅展示了两个约瑟夫森结29。

具体地，如图5所示，利用微加工工艺刻蚀出约瑟夫森结29，所述微加工工艺包括但不限于光刻和刻蚀。所述约瑟夫森结29包括由所述第一氮化铌材料层22构成的底电极，由所述第一绝缘材料层23构成的绝缘层，以及由所述第二氮化铌材料层24构成的对电极。

接着执行步骤S4，在露出的所述第一氮化铌材料层22、第二氮化铌材料层24及所述衬底21上形成第二绝缘材料层25，开孔暴露出所述第二氮化铌材料层24和第一氮化铌材料层22表面。

具体地，如图6所示，所述第二绝缘材料层25的材质为氮化硅或二氧化硅。在本实施例中，所述第二绝缘材料层25的材质为氧化硅，在后续步骤中，用于隔离所述约瑟夫森结29的对电极和底电极，防止其互联。

再执行步骤S5，在所述第二绝缘材料层25上制备金属旁路电阻26。

具体地，如图7所示，利用微加工工艺在所述第二绝缘材料层25上制备SQUID器件的金属旁路电阻26，所述金属旁路电阻26为金属薄膜，包括但不限于钯Pd、铜Cu、铝Al。

最后执行步骤S6，沉积第三氮化铌材料层27，并刻蚀所述第三氮化铌材料层27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。

具体地，如图8所示，在步骤S5制备的结构表面沉积所述第三氮化铌材料层27，作为配线层，并通过刻蚀露出所述金属旁路电阻26。剩下的第三氮化铌材料层27也称作顶电极，所述顶电极为梳状顶电极，用于引出子约瑟夫森结的电性。

如图8～图9所示，本发明提供一种SQUID器件，采用上述方法制备，所述SQUID器件至少包括：

衬底21；

超导环28和底电极22，制备于所述衬底21上；

两组约瑟夫森结29，制备于所述衬底21上并嵌于所述超导环22的环路上，每组约瑟夫森结29包括至少两个子约瑟夫森结，所述约瑟夫森结29由第一氮化铌材料层22、第一绝缘材料层23、第二氮化铌材料层24构成；

第二绝缘材料层25，制备于所述第一氮化铌材料层22、第二氮化铌材料层24及所述衬底21上，所述第二绝缘材料层25上制作有暴露出所述子约瑟夫森结29和第一氮化铌材料层22表面的开孔；

金属旁路电阻26，制备在所述第二绝缘材料层25上；

顶电极27，用于并联引出所述子约瑟夫森结29。

作为示例，所述衬底21为硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。所述第一绝缘材料层23为氮化铝、氧化铝或氧化镁。所述第二绝缘材料层25的材质为氮化硅或二氧化硅。所述顶电极27为梳状顶电极。

本发明另外还提供一种氮化铌SQUID器件参数后处理的方法，所述方法包括以下步骤：

先对上述制备完成的氮化铌SQUID器件的参数进行测试，确定所述氮化铌SQUID器件的临界电流和金属旁路电阻实际测试值分别与设计值的差异。

具体地，若临界电流实际测试值大于设计值，由于临界电流是多个并联约瑟夫森结电流之和，因此，可以根据偏差的百分比来估算需要几个约瑟夫森结并联来接近设计值，将不需要留下的约瑟夫森结顶电极通过光刻和刻蚀等微加工工艺将其截断，使余下约瑟夫森结结的临界电流之和接近设计值。

氮化铌SQUID器件中结旁路电阻是由金属薄膜制备而成，金属薄膜的长度、宽度和高度及其电阻率等因素影响其电阻数值，金属薄膜电阻数值与长度、宽度和厚度的关系可以通过实验来确定。若金属旁路电阻的电阻实际测试数值小于设计值，那么可以通过减小金属薄膜厚度来增加电阻数值，以达到设计要求。

在一具体实施例中，根据前述SQUID器件的制备工艺流程，我们制备了NbN SQUID器件，其电流-电压特性曲线如图10所示，从图中看出，器件旁路电阻数值变化使SQUID器件电流-电压特性曲线发生变化，因此，旁路电阻对器件性能具有重大影响。

图10中旁路电阻数值是约1.15欧姆，此时电阻厚度是77nm，当将其厚度减少20nm时，电阻数值变为约1.55欧姆。从图中可见，减小电阻厚度可以有效改变电阻数值。

综上所述，本发明提供一种氮化铌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，制备金属电阻；最后沉积氮化铌薄膜，制备梳状顶电极。通过本发明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。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

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。

7.一种采用如权利要求1～6任一项所述制备方法制备的氮化铌SQUID器件，其特征在于，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。

8.根据权利要求7所述的氮化铌SQUID器件，其特征在于：所述顶电极为梳状顶电极。

9.一种利用如权利要求8所述SQUID器件进行参数后处理的方法，其特征在于，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。

10.根据权利要求9所述的进行参数后处理的方法，其特征在于：所述微加工工艺包括光刻和刻蚀。