CN108807656A - 基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，其特征在于包括：拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。该器件利用了拓扑绝缘体表面态的自旋动量锁定特性，并结合超导特性构成了一种全新的超导量子干涉器件，该器件利用超导量子干涉环中的相位调制作用并结合双拓扑表面态来共同调控器件的性能。且该器件体积小，性能高，可以广泛应用在今后基于新一代自旋电子学的约瑟夫森超导器件中。

Description

基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及制备方法

技术领域

本发明涉及微电子器件的技术领域，尤其是一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件及其制备方法。

背景技术

近几十年，超导约瑟夫森器件已由最早的传统超导实验器件发展至当今的高温超导约瑟夫森器件、超导量子干涉器件等。随着人们对信息处理的高速度、高标准需求，传统的超导约瑟夫森器件已经很难满足。因此，寻找功能更新、性能更稳定的约瑟夫森器件已经成为电子信息技术和新一代量子计算技术迫切需要考虑和解决的问题。近些年的研究也发现，一些具有自旋分离或自旋动量锁定特性的材料可以广泛应用于超导自旋电子器件的研制和开发中。由于这类材料具有特殊的空间结构和能带结构，其自旋输运性质和超导性质较以往传统的超导电子器件具有明显地差异，而这类器件的出现将大大弥补传统基于绝缘体材料和超导材料所设计出的约瑟夫森器件不足，有望成为下一代用于高性能超导电子线路的主要元器件。

超导约瑟夫森量子器件的种类很多，其中包括具有开关效应的超导约瑟夫森器件和具有相位调节功能的约瑟夫森器件。近些年随着越来越多新型超导材料的出现，寻找合适的材料来实现高性能相位调节的约瑟夫森效应器件仍存在很多的瓶颈，除了在工业上器件的制备困难，成本高，效率差，还存在如何发展性能更多、稳定性更好的功能性超导约瑟夫森器件。尤其近些年来随着量子计算的发展。调控马约拉那费米子等高技术的超导约瑟夫森器件也在逐步地探索和研发。而基于拓扑超导的约瑟夫森器件是比较有代表性的一种。随着分子束外延技术的日趋成熟，人们可以在多种功能性材料体系里通过邻近效应等手段来实现材料的超导。近些年利用拓扑绝缘体的上下表面自旋动量锁定的表面态，并利用传统的超导材料的邻近效应来诱导拓扑绝缘体的表面超导并形成拓扑超导体，从而实现这种高性能的拓扑超导约瑟夫森器件的开发。当前基于双表面的超导约瑟夫森器件主要是一些传统的约瑟夫森器件，而传统的约瑟夫森器件由于隧道结为普通金属。其体内缺少拓扑绝缘体材料中的手性边缘态，因此在未来的器件应用上不具有调控马约拉那费米子的特性。然而在文献报道中单拓扑超导表面的拓扑超导体器件由于拓扑绝缘体材料的上下两个表面不能全部诱导为拓扑超导相，其非库珀对的正常电子会大幅度地降低库伯对的相干性和拓扑超导的相干特性。从而导致最终的马约拉那费米子调控器件退相干而失效。

发明内容

基于上述背景，本发明利用超导邻近效应的原理在拓扑绝缘体的表面引入超导，从而制备具有双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件。该发明同时提供这种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件的制备方法。

根据本发明的一方面，提供一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，包括：

拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；

由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。

在进一步的实施方案中，所述的拓扑绝缘体的上下两个表面和所述的顶超导电极和底超电极之间的连线垂直所述拓扑绝缘体上下两个表面与所述的拓扑绝缘体的体材料同属于一种材料。

在进一步的实施方案中，所述拓扑绝缘体材料中含义掺杂材料，优选的所述掺杂材料为钙或锑；优选的锑掺杂浓度介于20％至80％之间。

在进一步的实施方案中，所述拓扑绝缘体的厚度介于1纳米至8纳米之间。

在进一步的实施方案中，所述底超导电极和顶超导电极材料分别为氮化铌,氮化钛,铅或铟超导材料；所述拓扑绝缘体体材料包括三硒化二铋或三碲化二铋。

在进一步的实施方案中，还包括第一引出电极和第二引出电极，分别连接所述顶超导电极和底超导电极，所述第二引出电极的至少一部分从下表面、上表面上和顶超导电极垂直穿出。

在进一步的实施方案中，所述穿出部分的电极截面为方块图形，该方块图形的边长介于4微米～15微米之间。

在进一步的实施方案中，包括四引线，有两引线连接至第一引出电极，另外两引线连接第二引出电极。

本发明的另一方面，还提供一种基于双表面拓扑超导材料的约瑟夫森效应器件的制备方法，包括步骤：

制备底超导电极；

在底超导电极层上沉积拓扑绝缘体材料；

在拓扑绝缘体表面溅射顶超导电极。

在进一步的实施方案中，在拓扑绝缘体表面溅射顶超导电极层之后还包括制备引出电极步骤：

在顶超导电极上制备引出电极的钛金电极层；

刻蚀约微米量级的方块图形；

在方形图形的样品上蒸镀氧化层；

在氧化层上套刻钛金引出电极；

刻蚀顶超导电极，刻蚀深度控制在底超导电极层上；

套刻引出钛金电极以连接底超导电极。

在进一步的方案中，在底超导电极层上沉积拓扑绝缘体材料包括：在低温(160℃至200℃)下沉积1～2层的拓扑绝缘体材料并退火；在高温 (250℃至300℃)下进一步生长拓扑绝缘体薄膜层。

通过对拓扑绝缘体的掺杂浓度调节，实现拓扑绝缘体材料费米面的调控，在本实施例当中，锑的掺杂浓度可以在20％至80％的范围内对拓扑绝缘体化学势进行调控。其拓扑绝缘体可以实现电子型和空穴型之间转换。该调控有助于对拓扑绝缘体费米面的调控，其载流子大小和类型的改变可以调控超导库伯对，从而对该器件的超导约瑟夫森效应产生一定的影响

通过对拓扑绝缘体厚度的调节，其拓扑绝缘体的厚度可以在1纳米至 8纳米之间调控，其拓扑绝缘体的拓扑性质也会随着厚度的变化产生调控。由于在低层厚的拓扑绝缘体上，表面的相互作用会导致拓扑表面态消失；随着层厚的增加，拓扑表面态出现；而随着层厚的继续增加会导致约瑟夫森效应减弱，因此利用层厚可以控制该器件的拓扑相变和超导相变。

本发明所提供的上述基于双表面拓扑表面态超导特性的约瑟夫森器件其约瑟夫森效应很稳定，受衬底的类型，超导材料的种类和拓扑绝缘体的类型影响小。由于器件体积小，性能高，可以广泛地应用在未来纳米材料的电子线路和量子电路设计中。例如可用于基于拓扑超导体的自旋约瑟夫森器件开关以及马约拉纳量子计算元件等。

附图说明

图1是本发明实施例基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件的原理示意图；

图2A和图2B分别是本发明实施例实际组装后器件俯视和截面的结构示意图；

图3A是本发明实施例实际组装后器件各部位的实物图；图3B是图 3A圆圈部分的放大示意图；

图4是本发明实施例在氧化铝衬底上铌薄膜上拓扑绝缘体器件的约瑟夫森效应的电流-电压曲线；

图5A和图5B是本发明实施例使用两步法在铌衬底上生长出的拓扑绝缘体薄膜的反射高能电子衍射图，图5A是在超导铌衬底上生长，图5B 是在超导氮化铌衬底上生长；

图6A-6D是本发明实施例利用掺杂和层厚对拓扑绝缘体调控的角度分解的光电子能谱图；图6A和图6B分别是锑掺杂为0.2和0.5的情况。图6C和图6D分别是1纳米拓扑绝缘体薄膜和2纳米拓扑绝缘体薄膜的情况；

图7是本发明实施例基于双表面拓扑超导材料的约瑟夫森效应器件的制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明基本构思，将拓扑绝缘体材料的绝缘体相作为隧道结，并在上下两个拓扑绝缘体表面通过邻近效应实现拓扑超导态。

根据本发明实施例的一方面，提供一种约瑟夫森效应器件，参照图1- 图3B，包括顶超导电极1和底超导电极2，作为隧道结的拓扑绝缘体材料，用于提供具有自旋动量锁定特性的拓扑上表面1和另一个拓扑下表面2。

其中：拓扑绝缘体材料，包含拓扑绝缘体的体内结构，该结构位于所述的顶超导电极1和底超导电极2和拓扑绝缘体材料的上表面1和下表面 2之间，所述的拓扑绝缘体的上表面1下表面2与所述的两个顶超导电极 1和底超导电极2之间的连线垂直，所述拓扑绝缘体材料上表面1和下表面2分别与所述顶超导电极1和底超导电极2接触；拓扑绝缘体材料上表面1下表面2与所述的拓扑绝缘体的体结构同属于一种材料，该材料的表面和体具有截然不同的导电性质和其它物理性质。

结合实施例如图1所示，其中：

所述的顶超导电极1和底超导电极2使用超导材料铌(Nb)；

所述的拓扑绝缘体材料是锑(Sb)掺杂的三碲化二铋：(Bi_0.5Sb_0.5)₂Te₃。

在一些实施例中，还可以包括用于测量的引出电极。

本发明实施例中利用超导邻近效应在拓扑绝缘体的上下两个表面分别引入超导，拓扑绝缘体材料位于所述的超导电极之间，所述的拓扑绝缘体上表面1，下表面2与所述的顶超导电极1，底超导电极2之间的连线垂直，所述拓扑绝缘体上表面1，下表面2分别与所述顶超导电极1，底超导电极2接触；拓扑绝缘体上表面1，下表面2与所述的拓扑绝缘体的体材料同属于一种材料；利用上述的结构可以制备具有双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，这种双表面设计可以有效降低调控器件中的粒子发生退相干而失效。

在一些实施例中，通过对拓扑绝缘体材料中掺杂元素浓度的调节，实现拓扑绝缘体材料费米面的调控。这种调控有助于对拓扑绝缘体载流子大小浓度和类型的调节，从而对约瑟夫森效应产生影响。优选的所述掺杂材料为钙或锑；优选的锑掺杂浓度介于20％至80％之间。

在一些实施例中，通过对拓扑绝缘体厚度的调节，其拓扑绝缘体的厚度可以在1纳米至8纳米之间调控，利用层厚的效应可以调控该器件的拓扑性质和超导性质。

本发明实施例中所使用的超导电极可以更换成其它超导材料，如氮化铌,氮化钛,铅或铟(NbN,TiN,Pb,In)超导材料等等超导材料，拓扑绝缘体也可以更换成其它的材料，如三硒化二铋，三碲化二铋(Bi₂Se₃,Bi₂Te₃) 等，用于调控费米面的掺杂材料也可以选用钙或锑等。

在一些实施例中，可以利用微加工技术刻蚀微米量级的方块图形；该方形的大小控制在4微米X4微米～15微米X15微米范围。该大小范围可保证材料的超导特性，同时降低约瑟夫森结的针孔效应对材料性能的影响。

根据本发明实施例的另一方面，提供一种基于双表面拓扑超导材料的约瑟夫森效应器件的制备方法。图7是本发明实施例基于双表面拓扑超导材料的约瑟夫森效应器件的制备方法流程图，该方法可以包括以下步骤：制备底超导电极；在底超导电极层上沉积拓扑绝缘体材料；在拓扑绝缘体表面溅射顶超导电极。

之后还可以包括：在顶超导电极上制备用于接触引出电极的钛金电极层；刻蚀约微米量级的方块图形；在方形图形的样品上蒸镀氧化层；在氧化层上套刻钛金引出电极；刻蚀顶超导电极，刻蚀深度控制在底超导电极上，套刻引出钛金电极以连接底底超导电极上。

具体可以包括：

步骤S1，制备超导-拓扑绝缘体的多层异质结材料；

所述超导-拓扑绝缘体的多层异质结材料包括以下步骤：

步骤S11，制备干净的氧化铝表面，该表面可以在超高真空的环境下使用多次退火的处理方法获得；

步骤S12，在制备好的干净氧化铝表面上利用磁控溅射的方法制备约 70纳米的铌原子，从而构建用于器件制作的底超导铌原子层(顶超导电极 1)。

其中的拓扑绝缘体材料在铌表面的生长主要依靠两步法，两步法的主要步骤包括在低温下(约160℃至200℃范围内)的铌表面沉积1～2层的拓扑绝缘体材料并退火至250℃，然后在高温下(250-300℃范围内)再沉积更多厚度的拓扑绝缘体材料。两步法的作用主要是在铌表面提供缓冲层，这样可以减少上层拓扑绝缘体材料和下层铌衬底之间的相互作用。利用这一两步法还可以实现拓扑绝缘体材料在氮化铌或氧化镁等衬底上的生长。

通过原位的X射线光电子能谱或扫描隧道显微镜检查铌薄膜的质量，确定其质量后执行下一步操作。底电极利用两步法制备约8纳米的掺杂拓扑绝缘体材料，两步法是利用低温下沉积拓扑绝缘体材料，并在高温退火来实现平整拓扑绝缘体薄膜的构建。

步骤S13，在制备好的底铌电极层上利用两步法制备约8纳米的掺杂拓扑绝缘体材料，从而构建基于拓扑绝缘体的约瑟夫森效应器件中的自旋调控层。两步法是利用低温下沉积拓扑绝缘体材料，并在高温退火来实现平整薄膜的构建。蒸发拓扑绝缘体时真空压强尽可能小于10^-9毫巴，为保证拓扑性质和超导性质共存，所述的拓扑绝缘体厚度在4～8纳米之间。其中锑的掺杂浓度可用于调节拓扑绝缘体费米面的位置，并有助于实现表面电荷的输运，同时利用费米面调节控制材料的载流子浓度，从而调节约瑟夫森结中超导相位的干涉。在蒸发过程中，可以通过反射高能电子衍射来检测拓扑绝缘体材料的生长情况，同时材料整体性质可利用X射线衍射仪或透射电子显微镜等工具进行相应的质量检测。如图5A和图5B所示就是利用原位反射高能电子衍射来监测薄膜质量的情况。

步骤S14，在制备好的拓扑绝缘体表面溅射约70纳米的顶铌超导电极层。

步骤S2，在制备好的超导-拓扑绝缘体-超导的多层异质结材料上制备用于接触引出电极的钛金电极层；

步骤S3，在所述步骤S4得到的钛金电极层-顶超导电极层-拓扑绝缘体-底超导电极层上刻蚀约4X4微米的方块图形；

所述的方形图形是用于构建所述的双表面拓扑超导隧道结的主要部分，其中方形图形的大小在4微米X4微米至15微米X15微米量级的大小，可保证材料的超导特性，同时降低约瑟夫森结的针孔。刻蚀的主要方法采用基本微纳加工技术，旋涂约70纳米的紫外光刻负刻蚀胶，厚度约为70 纳米左右；利用紫外光刻曝光方形图形。并用离子束刻蚀技术刻蚀到底超导电极层为止。刻蚀的控制可利用终点检测仪，如质谱仪进行监控。

步骤S4，在所述的步骤S3的方形图形的样品上蒸镀氧化层；

所述的氧化层用于绝缘引出电极和所述的方形图形。所述氧化层一般可选用二氧化硅或氧化铝等材料。为了获得致密的氧化层以及不被氧化的超导铌层，所述氧化层的制备应在刻蚀系统内原位完成；

一般来说，所述氧化层的厚度大约为170纳米。需要盖过顶层的超导铌电极层。覆盖完成后再去除光刻胶，此时具有钛金电极覆盖的隧道结区域露出，其余的隧道结区域都被氧化硅所保护。该过程也同时防止下述的微纳加工过程对隧道结的破坏。

步骤S5，在所述步骤S4得到的氧化层上套刻钛金引出电极2，其方法与步骤S4类似。

步骤S6，在所述步骤S5得到的样品上，刻蚀出顶超导电极1图形，刻蚀方法与步骤S4所述的刻蚀方法类似。刻蚀深度至底层铌原子层截至。

步骤S7，套刻引出钛金电极1以连接底层的顶超导电极1上；

按上面的所有步骤完成后，利用四引线法来测量约瑟夫森效应。四引线的方法可降低接触电阻所导致的超导退相干和电阻值上的误差，从而导致测量失效。测试的步骤如下，将测试源表中的电流表一端连接引出电极 1的a端，另一端连接至引出电极2的b的。测试源表的电压表连接引出电极1的b端和引出电极2的a端。通过改变测量电压V_DS来测量电流I 的变化，从而获得I-V曲线。如图所示，电流的控制大小在毫安量级。

为了验证本发明的约瑟夫森效应器件的可行性，基于拓扑绝缘体材料的超导约瑟夫森效应器件进行了实验，实验本发明约瑟夫森效应器件的 I-V特性(如图4所述)是在牛津公司的持续流低温测试平台上获得的，实验在3.5K温度下进行。电极的器件如图3A和图3B所示。经过约瑟夫森效应的I-V谱测量，器件出现的临界电流值在1.8毫安，在不同的温度和磁场下，临界电流值也会发生相应的改变。拓扑绝缘体层厚和掺杂浓度对器件的影响如图6A-6D所示，其能带具有明显的变化。

以上，根据本发明实施例制作出的这类于拓扑绝缘体材料的超导约瑟夫森效应器件体积小，性能高，可以广泛地应用在今后的基于纳米材料的功能性电子线路中。例如在现有磁性选择开关的拓扑超导晶体管，逻辑门，单电子开关等器件。尤其是近些年来研究比较热门的马约拉那费米子调控器件等。因此随着电子器件的微小化，智能化，这种基于功能性量子材料的约瑟夫森器件将会越来越多地应用在今后的器件生产上。该调控作用可为未来量子计算中马约拉那费米子的调控提供一种可能的途径。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于双表面拓扑超导特性的约瑟夫森器件，其特征在于包括：

拓扑绝缘体材料，包括上表面和下表面；

由超导材料构成的顶超导电极和底超导层，分别与所述上表面接触和下表面接触。

2.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述的拓扑绝缘体的上下两个表面和所述的顶超导电极和底超电极之间的连线垂直所述拓扑绝缘体上下两个表面与所述的拓扑绝缘体的体材料同属于一种材料。

3.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述拓扑绝缘体材料中含义掺杂材料，优选的所述掺杂材料为钙或锑；优选的锑掺杂浓度介于20％至80％之间。

4.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述拓扑绝缘体的厚度介于1纳米至8纳米之间。

5.根据权利要求1所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述底超导电极和顶超导电极材料分别为氮化铌，氮化钛，铅或铟超导材料；所述拓扑绝缘体体材料包括三硒化二铋或三碲化二铋。

6.根据权利要求所述的约瑟夫森器件，其特征在于，还包括第一引出电极和第二引出电极，分别连接所述顶超导电极和底超导电极，所述第二引出电极的至少一部分从下表面、上表面上和顶超导电极垂直穿出。

7.根据权利要求6所述的约瑟夫森器件，其特征在于，所述穿出部分的电极截面为方块图形，该方块图形的边长介于4微米～15微米之间。

8.根据权利要求7所述的约瑟夫森器件，其特征在于，包括四引线，有两引线连接至第一引出电极，另外两引线连接第二引出电极。

9.一种基于双表面拓扑超导材料的约瑟夫森效应器件的制备方法，其特征在于包括步骤：

制备底超导电极；

在底超导电极层上沉积拓扑绝缘体材料；

在拓扑绝缘体表面溅射顶超导电极。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

在拓扑绝缘体表面溅射顶超导电极层之后还包括制备引出电极步骤：

在顶超导电极上制备用于接触引出电极的钛金电极层；

刻蚀约微米量级的方块图形；

在方形图形的样品上蒸镀氧化层；

在氧化层上套刻钛金引出电极；

刻蚀顶超导电极，刻蚀深度控制在底超导电极上；以及套刻引出钛金电极以连接至底超导电极上。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在底超导电极层上沉积拓扑绝缘体材料包括：

在160℃至200℃沉积1～2层的拓扑绝缘体材料并退火；

在250℃至300℃进一步生长拓扑绝缘体薄膜层。