CN109285942B - 超导薄膜及其制备方法、超导量子干涉器件和感应式超导边缘探测器 - Google Patents

超导薄膜及其制备方法、超导量子干涉器件和感应式超导边缘探测器 Download PDF

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Abstract

一种超导薄膜，所述超导薄膜的成分包括铌和硅，所述铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间。本发明提供的超导薄膜只是通过控制铌的比例即可实现超导转变温度的改变，实现工艺简单，易于加工制备。

Description

超导薄膜及其制备方法、超导量子干涉器件和感应式超导边 缘探测器
技术领域
本发明涉及超导器件领域，尤其涉及一种超导薄膜及其制备方法、超导量子干涉器件和感应式超导边缘探测器。
背景技术
单个粒子的基本物理量测量需要极度灵敏的传感器。超导转变边缘传感器(Superconducting transition edge sensors简称TES)就是一种这样的传感器，它是由超导薄膜构成，工作温度在其超导态与正常态很窄的范围之间，也就是超导电阻在零和正常值之间。Andrews在1949年提出后，TES有了巨大的进展。与常温的半导体单光子探测器，如雪崩二极管、或者光电倍增管相比，TES具有响应速度快，低探测能量的优点。目前TES成像阵列达到7588个独立传感器，用于天文学家做突破性的观察。TES的缺点是必须工作在1K温度以下，需要庞大的制冷设备。
英国国家物理实验室(National Physics Lab简称NPL)在2003年第一次做出了完全不同的单光子探测器—感应式超导边缘探测器(Inductivesuperconductingtransition edge detectors简称ISTED)。其优点是可以工作在4到8K之间，制冷设备简单很多。ISTED由超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Devices简称SQUID)和吸收体两部分组成。
SQUID通常是由超导转变温度大约是9K的铌膜制作的，而实际工作环境会处在不同的温度。例如，有的纳米SQUID为了消除电流-电压特征曲线的回滞需要工作温度在6～7K。如此需要不同超导转变温度的超导薄膜作为吸收层。传统对于纯铌的超导薄膜可通过调节薄膜厚度来改变超导转变温度，但纯铌薄膜的超导转变温度对厚度非常敏感，工艺重复性不容易控制。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种工艺简单且超导转变温度可控的超导薄膜、超导薄膜的制备方法及超导量子干涉器件。
一种超导薄膜，所述超导薄膜的成分包括铌和硅，所述铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间。
在其中一个实施例中，所述超导薄膜的厚度为20nm至70nm。
在其中一个实施例中，所述超导薄膜在相同厚度的情况下，硅的比例和超导转变温度成反比。
本发明还提供一种超导薄膜制备方法，所述方法包括：
提供磁控溅射装置以及衬底，所述磁控溅射装置包括磁控共溅射室以及设置在所述磁控共溅射室内的铌靶和硅靶；
将所述衬底放入所述磁控共溅射室，并与所述铌靶和硅靶相对设置，对所述磁控共溅射室抽真空；
控制所述铌靶的溅射气压大于等于1mTorr小于等于6mTorr、溅射功率大于等于200W小于等于500W、沉积速率大于等于0.132nm/s小于等于0.75nm/s；
控制所述硅靶的溅射气压大于等于1mTorr小于等于6mTorr、溅射功率大于等于30W小于等于50W、沉积速率大于等于0.018nm/s小于等于0.03nm/s；
控制所述铌靶和硅靶同步进行磁控溅射预定溅射时间，在所述衬底表面形成超导薄膜，其中，所述超导薄膜中铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间。
在其中一个实施例中，所述铌靶和所述硅靶的溅射气压为4mTorr。
在其中一个实施例中，所述铌靶的溅射功率400W、沉积速率0.6nm/s，所述硅靶的硅溅射功率30W、沉积速率0.018nm/s。
在其中一个实施例中，所述铌靶的溅射功率200W、沉积速率0.132nm/s，所述硅靶的溅射功率40W、沉积速率0.024nm/s。
在其中一个实施例中，所述预定溅射时间大于等于40s小于等于200s。
在其中一个实施例中，所述磁控共溅射室抽真空的本底真空度小于等于3*10- 8Torr。
本发明还提供一种超导量子干涉器件，包括：
衬底，制备于所述衬底上的超导环，制备于所述衬底上并嵌于所述超导环的环路上的约瑟夫森桥结，所述约瑟夫森桥结包括底电极、绝缘材料层和对电极，其中，所述超导环、所述底电极和所述对电极的材质采用了前述的任意一种超导薄膜。
本发明还提供一种感应式超导边缘探测器，包括：
衬底；
吸收层，设置在所述衬底的一个表面；
绝缘层，覆盖所述吸收层设置；
超导薄膜层，设置在所述绝缘层远离所述衬底的表面，并以连续闭合结构绕所述吸收层设置；
约瑟夫森桥结，设置在所述超导薄膜层上。
其中，所述吸收层采用了前述的任意一种超导薄膜。
本发明提供的有益效果：
本发明提供的超导薄膜，其成分包括铌和硅。通过控制超导薄膜内铌硅的比例，得到超导转变温度为3.85K到7.1K的超导薄膜。此超导薄膜只是通过控制铌的比例即可实现超导转变温度的改变，实现工艺简单，易于加工制备。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超导薄膜超导转变温度随铌所占比例的关系图；
图2为本发明实施例提供的超导薄膜的扫描电镜照片；
图3为本发明实施例提供超导薄膜制备方法的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种超导薄膜，所述超导薄膜的成分包括铌和硅，所述铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间。
以往，通过调节纯铌薄膜的厚度也可以调节超导薄膜的超导转变温度。事实上，纯铌薄膜的厚度1nm时，超导转变温度为0.4K。而纯铌超导薄膜的厚度为5nm时，超导转变温度为5.9K。因此纯铌超导薄膜厚度的轻微改变对超导转变温度影响巨大，如此薄的超导薄膜均匀性也很难保证。本实施例中提供的超导薄膜包括铌和硅成分，通过调节铌所在的比例可以得到超导转变温度处在3.85K到7.1K之间的超导薄膜。在一个实施例中，所述超导薄膜的厚度为20nm至70nm。此厚度范围制备过程中均匀性容易保证。在一个实施例中，所述超导薄膜在相同厚度的情况下，硅的比例和超导转变温度成反比。在一个实施例中所述，所述超导薄膜只有铌和硅组成，不掺杂其它成分。仅通过控制铌的比例即可来调节超导转变温度，设计简单，容易实现。并且本发明提供的超导薄膜厚度也可调，有利于应用到超导干涉量子器件上。
请参见图1，此图给出本发明的超导薄膜超导转变温度随铌所占比例的关系图。测量时，制备的超导薄膜的厚度统一为30nm。从图1中可知随着铌比例的提高，超导薄膜超导转变温度也升高。因此，为了想获得特定超导转变温度的超导薄膜可通过调节铌在薄膜中的比例来实现。也可以为了预定的使用环境，预先制备出预定温度的超导薄膜。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的铌硅薄膜的扫描电镜照片。
请参见图3，本发明实施例进一步提供一种超导薄膜制备方法，包括以下步骤：
S100，提供磁控溅射装置以及衬底，所述磁控溅射装置包括磁控共溅射室以及设置在所述磁控共溅射室内的铌靶和硅靶。
具体地，制备超导薄膜之前，先准备好磁控溅射装置以及衬底。所述衬底可以为带有氧化层的高阻硅衬底或氧化镁衬底等。在一个实施例中，所述衬底为带有氧化层的硅。磁控溅射装置包括磁控共溅射室以及设置在所述磁控共溅射室内的铌靶和硅靶。
S200，将所述衬底放入所述磁控共溅射室，并与所述铌靶和硅靶相对设置，并对所述磁控共溅射室抽真空。
具体地，将所述衬底放入所述磁控共溅射室内。所述磁控共溅射室的铌靶和硅靶以预定角度设置在相对于所述衬底的预定镀膜面上，便于所述铌靶和硅靶同时溅射沉积在衬底的预定镀膜面上。组装完成后，对所述磁控共溅射室进行抽真空。一个实施例中，使所述磁控共溅射室内的真空度小于等于3*10-8Torr。
S300，控制所述铌靶的溅射气压大于等于1mTorr小于等于6mTorr、溅射功率大于等于200W小于等于500W、沉积速率大于等于0.132nm/s小于等于0.75nm/s。
S400，控制所述硅靶的溅射气压大于等于1mTorr小于等于6mTorr、溅射功率大于等于30W小于等于50W、沉积速率大于等于0.018nm/s小于等于0.03nm/s。
S500，控制所述铌靶和硅靶同步进行磁控溅射预定溅射时间，在所述衬底表面形成超导薄膜，其中，所述超导薄膜中铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间。
在一个实施例中，所述铌靶的溅射功率400W、沉积速率0.6nm/s，所述硅靶的硅溅射功率30W、沉积速率0.018nm/s。
在一个实施例中，所述铌靶的溅射功率200W、沉积速率0.132nm/s，所述硅靶的溅射功率40W、沉积速率0.024nm/s。
通过控制所述铌靶和所述硅靶的溅射功率，以控制所制备的超导薄膜具有预定的铌比例。其中，所述超导薄膜中铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，导致所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间。实验或应用过程中的实际工作温度的不同，尤其对于工作温度在3.85K到7.1K之间的工作环境，需要不同超导转变温度的超导薄膜来适应实验和应用的需求。并且进行磁控溅射在衬底上形成超导薄膜时，为保证超导薄膜的质量，最好要对所述衬底进行循环水冷处理。
在一个实施例中，所述铌靶和硅靶的溅射气压为4mTorr。也就是，通过调整所述铌靶和所述硅靶的溅射气压来控制所述铌硅混合的超导薄膜的应力，最优的预定溅射气压为4mTorr。
在一个实施例中，所述预定溅射时间大于等于40s小于等于200s。也就是，通过调整所述铌靶和所述硅靶的预定溅射时间来控制所述铌硅混合的超导薄膜厚度。最优的预定溅射时间大于等于40s小于等于200s。
为了获得铌所占比例不同铌硅混合的超导薄膜，协调统一优选出最匹配的预定溅射气压、预定溅射功率和预定溅射时间。
请参见表1，根据本实施例中进行一系列试验，具体铌靶和硅靶的试验参数，获得的铌在所述超导薄膜内的比例及对应的超导转变温度Tc如表1所示，此试验中制备的超导薄膜厚度为30nm。
表1
Nb靶功率 W 400 500 250 350 200 200 200 200 200
Nb靶沉积速率 nm/s 0.6 0.75 0.375 0.525 0.132 0.132 0.132 0.132 0.132
Si靶功率 W 30 45 30 50 30 40 50 60 70
Si靶沉积速率 nm/s 0.018 0.027 0.018 0.03 0.018 0.024 0.03 0.036 0.042
ratio 97.1％ 96.5％ 95.4％ 94.6％ 88.0％ 84.6％ 81.5 78.6％ 75.9
T<sub>c</sub> K 7.1 6.46 5.9 5.72 4.52 4.25 3.85 3.2 3.18
本发明实施例进一步提供一种超导量子干涉器件，所述超导量子干涉器件包括：衬底，制备于所述衬底上的超导环，制备于所述衬底上并嵌于所述超导环的环路上的约瑟夫森桥结，所述约瑟夫森桥结包括底电极、绝缘材料层和对电极，其中，所述超导环、所述底电极和所述对电极的材质采用了上述任意一种超导薄膜。采用本实施例中所述的超导薄膜，可制造出不同超导转变温度的超导量子干涉器件，并且加工工艺更简单、容易实现。
本发明还提供一种感应式超导边缘探测器，包括：衬底、吸收层、绝缘层、超导薄膜层和约瑟夫森桥结。吸收层设置在所述衬底的一个表面。绝缘层覆盖所述吸收层设置。超导薄膜层设置在所述绝缘层远离所述衬底的表面，并以连续闭合结构绕所述吸收层设置。约瑟夫森桥结设置在所述超导薄膜层上。这里，所述吸收层采用了前述的任意一种超导薄膜。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，随其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种超导薄膜，所述超导薄膜的成分包括铌和硅，其特征在于，所述铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间，所述超导薄膜的厚度为20nm至70nm。
2.如权利要求1所述超导薄膜，其特征在于，所述超导薄膜在相同厚度的情况下，硅的比例和超导转变温度成反比。
3.根据权利要求1所述的一种超导薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供磁控溅射装置以及衬底，所述磁控溅射装置包括磁控共溅射室以及设置在所述磁控共溅射室内的铌靶和硅靶；
将所述衬底放入所述磁控共溅射室，并与所述铌靶和硅靶相对设置，对所述磁控共溅射室抽真空；
控制所述铌靶的溅射气压大于等于1mTorr小于等于6mTorr、溅射功率大于等于200W小于等于500W、沉积速率大于等于0.132nm/s小于等于0.75nm/s；
控制所述硅靶的溅射气压大于等于1mTorr小于等于6mTorr、溅射功率大于等于30W小于等于50W、沉积速率大于等于0.018nm/s小于等于0.03nm/s；
控制所述铌靶和硅靶同步进行磁控溅射预定溅射时间，在所述衬底表面形成超导薄膜，其中，所述超导薄膜中铌在超导薄膜中所占比例大于等于81.5％且小于等于97.1％，所述超导薄膜的超导转变温度处在3.85K到7.1K之间。
4.如权利要求3所述超导薄膜制备方法，其特征在于，所述铌靶和所述硅靶的溅射气压为4mTorr。
5.如权利要求3所述超导薄膜制备方法，其特征在于，所述铌靶的溅射功率400W、沉积速率0.6nm/s，所述硅靶的硅溅射功率30W、沉积速率0.018nm/s。
6.如权利要求3所述超导薄膜制备方法，其特征在于，所述铌靶的溅射功率200W、沉积速率0.132nm/s，所述硅靶的溅射功率40W、沉积速率0.024nm/s。
7.如权利要求3所述超导薄膜制备方法，其特征在于，所述预定溅射时间大于等于40s小于等于200s。
8.一种超导量子干涉器件，其特征在于，包括：
衬底，制备于所述衬底上的超导环，制备于所述衬底上并嵌于所述超导环的环路上的约瑟夫森桥结，所述约瑟夫森桥结包括底电极、绝缘材料层和对电极，其中，所述超导环、所述底电极和所述对电极的材质采用了如权利要求1或2所述的超导薄膜。
9.一种感应式超导边缘探测器，其特征在于，包括：
衬底；
吸收层，设置在所述衬底的一个表面；
绝缘层，覆盖所述吸收层设置；
超导薄膜层，设置在所述绝缘层远离所述衬底的表面，并以连续闭合结构绕所述吸收层设置；
约瑟夫森桥结，设置在所述超导薄膜层上；
其中，所述吸收层采用了如权利要求1或2所述的超导薄膜。
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