CN109597004A - 超导量子干涉器件及制备方法 - Google Patents

超导量子干涉器件及制备方法 Download PDF

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唐鑫
张栖瑜
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Abstract

本发明提供一种超导量子干涉器件及制备方法，包括：欠阻尼SQUID及串联电阻，欠阻尼SQUID与串联电阻串联，欠阻尼SQUID及串联电阻串联后的两端连接偏置电压。依次沉积第一超导材料层、第一绝缘材料层及第二超导材料层，并刻蚀形成超导环路及底电极结构；刻蚀第二超导材料层以形成约瑟夫森结；沉积并刻蚀第二绝缘材料层，于约瑟夫森结顶部形成电极开口；沉积并刻蚀电阻材料层形成旁路电阻及串联电阻；沉积并刻蚀第三超导材料层顶电极。本发明将欠阻尼SQUID与电阻串联在一起构成Series Resistance SQUID器件，在电压偏置模式下工作，具有噪声更低、灵敏度更高的特点；而且其制备工艺与普通SQUID制备工艺相同，不增加制备难度。

Description

超导量子干涉器件及制备方法
技术领域
本发明涉及超导电路设计技术领域，特别是涉及一种超导量子干涉器件及制备方法。
背景技术
超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，以下简称SQUID)是以磁通量子化和约瑟夫森效应为理论基础，由超导约瑟夫森结和超导环组成的超导电子器件，它能将磁场的微小变化转换为可测量的电压，相当于一个磁通-电压转换器，是目前为止测量磁场灵敏度最高的传感器。低温超导SQUID器件通常工作在液氦温度(4.2K)下，它的磁通灵敏度通常在10-6Φ0/Hz1/2量级(Φ0＝2.07×10-15Wb)，对磁场的灵敏度在fT/Hz1/2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具有重要的应用价值。
在SQUID应用中，其通常工作于电流偏置模式，即向SQUID器件中通入一个大于SQUID器件临界电流的直流电流，此时SQUID器件输出一个电压信号，这个电压信号是一个与器件感应磁通相关的周期函数，周期是一个磁通量子，然后通过SQUID读出电路将此周期函数转化为磁通与电压一一对应的线性函数，完成SQUID器件磁通或磁场的探测。在进行SQUID器件设计时，SQUID器件的回滞参数βC对于SQUID器件参数设计有限制。在一定工作温度下，当回滞参数βC小于1时，SQUID器件的I-V特性没有回滞，当回滞参数βC大于1时，I-V特性具有回滞，回滞对于SQUID器件测量准确性有一定影响。但是回滞参数βC的数值越小，将减小SQUID器件的磁通-电压转换系数和器件调制深度等性能参数，不利于SQUID应用。因此，电流偏置模式下，通常将回滞参数βC的数值设置为1左右，经过研究，当SQUID器件的屏蔽参数βL为1时，SQUID器件的性能得以优化，可参看由John Clarke and A.I.Braginski编写的The SQUID Handbook中的说明。
SQUID也能够工作于电压模式，当处于电压模式时，在器件两端加一个直流电压，器件中的电流是其感应磁通的周期函数，可以通过读出电路将此电流信号转化为与磁通一一对应的电压信号，例如NC结构SQUID，NC结构SQUID是由两个并联支路构成，一个支路是SQUID，另一个支路是由一个电感和一个电阻串联构成。NC结构SQUID工作于负电阻态时SQUID的I-V曲线表现为振荡，NC结构SQUID设置于正常态时，其噪声与电流偏置模式下的SQUID器件的噪声处于相当水平。
SQUID应用的主要优势在于如何利用其噪声低的特点，因此，如何进一步减小超导量子干涉器件的噪声，是本领域技术人员关注的的重点问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种超导量子干涉器件及制备方法，用于进一步提升SQUID器件噪声和灵敏度等性能问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉器件，所述超导量子干涉器件至少包括：
欠阻尼SQUID及串联电阻，所述欠阻尼SQUID和所述串联电阻串联连接，所述欠阻尼SQUID及所述串联电阻串联后的两端连接偏置电压。
可选地，所述欠阻尼SQUID包括并联的第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结，所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结的两端分别并联一旁路电阻。
更可选地，所述欠阻尼SQUID的回滞参数满足如下关系式：
βC＝2πI0CR2/Φ0
其中，βC为所述欠阻尼SQUID的回滞参数，I0为约瑟夫森结的临界电流，C为约瑟夫森结的电容，R为所述旁路电阻，Φ0为磁通量。
更可选地，所述欠阻尼SQUID的回滞参数的数值大于1，且小于等于4。
可选地，所述串联电阻的阻值包括0.5Ω～10Ω。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉器件的制备方法，所述超导量子干涉器件的制备方法至少包括：
1)提供一衬底，于所述衬底上依次沉积第一超导材料层、第一绝缘材料层及第二超导材料层，刻蚀所述第一超导材料层、所述第一绝缘材料层及所述第二超导材料层形成超导环路及底电极结构；
2)刻蚀所述第二超导材料层以形成约瑟夫森结；
3)在步骤2)形成的结构表面沉积第二绝缘材料层，去除所述约瑟夫森结顶部的所述第二绝缘材料层，以形成电极开口；
4)在步骤3)形成的结构表面沉积电阻材料层，并刻蚀所述电阻材料层形成旁路电阻及串联电阻；
5)在步骤4)形成的结构表面沉积第三超导材料层，刻蚀所述第三超导材料层形成顶电极，所述顶电极与所述第二超导材料层通过所述电极开口连接。
可选地，所述第一超导材料层、所述第二超导材料层及所述第三超导材料层的材质包括铌或氮化铌。
可选地，所述第一绝缘材料层的材质包括氧化铝或氮化铝。
可选地，在步骤4)中调整所述旁路电阻的阻值，使得所述超导量子干涉器件回滞参数的数值大于1，且小于等于4。
如上所述，本发明的超导量子干涉器件及制备方法，具有以下有益效果：
本发明的超导量子干涉器件及制备方法将欠阻尼SQUID器件与电阻串联在一起，并采用电压偏置模式工作，超导量子干涉器件具有噪声低、灵敏度高的特点，在微弱信号探测方面具有更大的应用潜力。
附图说明
图1显示为本发明的超导量子干涉器件的等效电路示意图。
图2显示为本发明的超导量子干涉器件I-V仿真曲线。
图3显示为本发明的超导量子干涉器件I-Φ仿真曲线。
元件标号说明
1 超导量子干涉器件
11 欠阻尼SQUID
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。
请参阅图1～图3。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。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种超导量子干涉器件1，所述超导量子干涉器件1包括：
欠阻尼SQUID11及串联电阻Rse。
如图1所示，所述欠阻尼SQUID11与所述串联电阻Rse串联。
具体的，所述欠阻尼SQUID11包括由并联连接的第一约瑟夫森结J1及第二约瑟夫森结J2构成的超导环，所述第一约瑟夫森结J1的两端并联第一旁路电阻R1，所述第二约瑟夫森结J2的两端并联第二旁路电阻R2。如图1所示，所述第一约瑟夫森结J1的两端还并联所述第一约瑟夫森结J1的等效电容C1，所述第二约瑟夫森结J2的两端还并联所述第二约瑟夫森结J2的等效电容C2，其中，在本实施例中，C1及C2为约瑟夫森结的第一超导材料层于第二超导材料层之间的等效电容。
具体的，回滞参数βC大于1的SQUID称为欠阻尼SQUID，所述回滞参数βC满足如下关系式：
βC＝2πI0CR2/Φ0；
其中，I0为约瑟夫森结的临界电流，C为约瑟夫森结的电容(即C1或C2)，R为所述旁路电阻(即R1或R2)，Φ0为磁通量。通常通过调节约瑟夫森结的旁路电阻的阻值调节所述回滞参数βC的数值。为了获得适合的器件工作点，SQUID器件的工作点不能设置于负电阻区，在本实施例中，为了避免所述欠阻尼SQUID11的I-V特性曲线中负电阻区域变大，所述回滞参数βC的数值优选为大于1且小于等于4，在实际应用中可根据需要设定所述回滞参数βC的数值，在此不一一赘述。
如图1所示，所述串联电阻Rse的一端与所述欠阻尼SQUID11的一端串联连接，构成本实施例的超导量子干涉器件。
具体地，所述串联电阻Rse的阻值可根据需要进行设定，在本实施例中，为了减小器件噪声，所述串联电阻Rse的阻值优选为0.5Ω～10Ω(均包括端点)，进而充分实现本实施例的超导量子干涉器件的高灵敏度。
需要说明的是，所述欠阻尼SQUID11及所述串联电阻Rse串联后两端施加直流电压U，以使得所述超导量子干涉器件1工作在电压偏置模式下，此时，所述超导量子干涉器件1中的电流是所述超导量子干涉器件1所感应到磁通的周期函数。
利用数值计算仿真所述超导量子干涉器件1的性能。描述本实施例的SeriesResistance SQUID(SRS器件)特性的方程是一个非线性的二次微分方程，这个方程没有解析解，但是可以通过数值仿真来模拟器件的特性。在本实施例中，假设所述超导量子干涉器件1的参数如下：所述欠阻尼SQUID11中的第一约瑟夫森结J1及第二约瑟夫森结J2的临界电流(I0)为20A，第一约瑟夫森结的电容C1及第二约瑟夫森结的电容C2为500fF，第一旁路电阻R1及第二旁路电阻R2为9.08Ω，回滞参数βC为2.5，串联电阻Rse为3Ω；为了优化SQUID器件的磁通-电压转换系数、器件调制深度等性能，令屏蔽参数βL＝2LI0/Φ0＝1，以此来优化设计SQUID器件参数，其中，L是所述超导量子干涉器件1的电感，在本实施例中，所述超导量子干涉器件1的电感为50pH。如图2所示为基于上述参数的具体数值仿真得到的所述超导量子干涉器件1的I-V曲线，不同I-V特性曲线对应器件感应不同的磁通量(在偏置电压为50μV～150μV之间，对应电流从上到下依次对应磁通量为0、Φ0/12、2Φ0/12、3Φ0/12、4Φ0/12、5Φ0/12及6Φ0/12)，由图2可知，在偏置电压较小时，I-V曲线呈现出负电阻(图2中虚线标识区域)，随着偏置电压的增加，逐渐过渡到正电阻态。
负电阻在实际中是一种振荡，在计算所述超导量子干涉器件1的I-Φ特性曲线时，选择偏置电压在正电阻范围，图3所示为所述超导量子干涉器件1在不同偏置电压下的I-Φ特性曲线(从上到下依次对应偏置电压为142μV、151μV、160μV、169μV)，这些电压避开了负电阻区，可见，所述超导量子干涉器件1的电流是其感应磁通的周期函数。
利用所述超导量子干涉器件1的I-V特性曲线，可以计算其噪声。利用上述参数，并基于公式：计算得到所述超导量子干涉器件1的噪声SΦ 1/2(f)为0.2μΦ0/Hz1/2，其中，SΦ 1/2(f)为SQUID器件的噪声，kB＝1.3807×10–23J/K是玻尔兹曼常数。
作为对比，在电流偏置下，除了旁路电阻之外，SQUID参数采用与所述超导量子干涉器件1相同的参数，即约瑟夫森结的临界电流为20μA，约瑟夫森结的电容为500fF，SQUID器件电感为50pH，屏蔽参数βL为1；假设旁路电阻R为5.74Ω，此时器件的回滞参数βC是1，这些参数是优化后的SQUID器件的典型参数，若旁路电阻R的数值增加，器件的回滞参数βC将大于1，此时在电流偏置下SQUID器件不能正常工作。利用这些参数可以计算得到SQUID器件的本征噪声为0.28μΦ0/Hz1/2。
由此可见，本实施例的超导量子干涉器件1的本征噪声比电流偏置下SQUID器件的本征噪声小40％，呈现出高灵敏度的特点。上述仿真是一组参数下的超导量子干涉器件1的性能，对于不同的器件设计参数，可以通过数值仿真来优化超导量子干涉器件1的性能，使得超导量子干涉器件1的本征噪声更低。
实施例二
本实施例提供所述超导量子干涉器件1的制备方法，所述超导量子干涉器件1的制备方法在制备旁路电阻的工艺步骤中同时制备串联电阻，具体步骤如下：
1)提供一衬底，于所述衬底上依次沉积第一超导材料层、第一绝缘材料层及第二超导材料层，刻蚀所述第一超导材料层、所述第一绝缘材料层及所述第二超导材料层形成超导环路及底电极结构。
具体地，提供一衬底，在本实施例中，所述衬底包括单晶硅，所述衬底的材质不限于本实施例所列举的材料，还包括但不限于单晶硅、蓝宝石、碳化硅、氧化镁及氟化镁等。在所述单晶硅基片的表面以及沉积所述第一超导材料层、所述第一绝缘材料层及所述第二超导材料层的三层薄膜结构。所述第一超导材料层和所述第二超导材料层的材质包括但不限于铌或氮化铌，所述第一绝缘材料层的材质包括但不限于氧化铝或氮化铝。在本实施例中，所述第一超导材料层和所述第二超导材料层的材质为铌(niobium，Nb)；所述第一绝缘材料层的材质为氧化铝。三层薄膜结构依次通过磁控溅射的方法制备。
具体地，通过光刻及刻蚀构成超导环路(并联约瑟夫森结的环路)，并露出部分所述第一超导材料层形成底电极结构。
2)刻蚀所述第二超导材料层以形成约瑟夫森结。
具体地，在本实施例中，采用光刻及刻蚀等微加工工艺去除部分所述第二超导材料层，以于需要制备约瑟夫森结的位置形成约瑟夫森结，所述约瑟夫森结包括所述第一超导材料层、所述第一绝缘材料层及所述第二超导材料层的夹层结构，其中，所述第一超导材料层作为底电极，所述第二超导材料层作为对电极，与所述第一绝缘材料层构成超导隧道结。
3)在步骤2)形成的结构表面沉积第二绝缘材料层，去除所述约瑟夫森结顶部的所述第二绝缘材料层，以形成电极开口。
具体地，在本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD、化学气相沉积或电阻蒸发等方法制备所述第二绝缘材料层。在本实施例中，所述第二绝缘材料层为氧化硅。刻蚀所述第二绝缘材料层，于所述约瑟夫森结顶部形成电极开口，露出所述约瑟夫森结顶部的第二超导材料层，以便于后续引出顶电极。
4)在步骤3)形成的结构表面沉积电阻材料层，并刻蚀所述电阻材料层形成旁路电阻及串联电阻。
具体地，沉积器件中的电阻材料层，并刻蚀形成所述旁路电阻及所述串联电阻的图形。所述旁路电阻及所述串联电阻在同一步骤中形成，不增加工艺步骤。同时在形成所述旁路电路时，根据需要调整所述旁路电阻的阻值，进而使得所述超导量子干涉器件1的回滞参数的数值介于大于1且小于等于4。
5)在步骤4)形成的结构表面沉积第三超导材料层，刻蚀所述第三超导材料层形成顶电极，所述顶电极与所述第二超导材料层通过所述电极开口连接。
具体地，所述第三超导材料层的材质包括但不限于铌或氮化铌，在本实施例中，所述第三超导材料层的材质为铌。所述第三超导材料层作为配线，通过刻蚀形成配线图形。
本发明的超导量子干涉器件及制备方法将欠阻尼SQUID器件与串联电阻串联在一起，并采用电压偏置模式工作，具有噪声低、灵敏度高的特点，在微弱信号探测方面具有更大的应用潜力。在制备工艺中，串联电阻与欠阻尼SQUID器件中的旁路电阻的制备在同一步骤中完成，不额外增加工艺步骤及工艺难度。
综上所述，本发明提供一种超导量子干涉器件及制备方法，包括欠阻尼SQUID及串联电阻，所述欠阻尼SQUID与所述串联电阻串联连接，且所述欠阻尼SQUID及所述串联电阻串联后的两端连接偏置电压。提供一衬底，于所述衬底上依次沉积第一超导材料层、第一绝缘材料层及第二超导材料层，刻蚀所述第一超导材料层、所述第一绝缘材料层及所述第二超导材料层形成超导环路及底电极结构；刻蚀所述第二超导材料层以形成约瑟夫森结；沉积第二绝缘材料层，去除所述约瑟夫森结顶部的所述第二绝缘材料层，以形成电极开口；沉积电阻材料层，并刻蚀所述电阻材料层形成旁路电阻及串联电阻；沉积第三超导材料层，刻蚀所述第三超导材料层形成顶电极，所述顶电极与所述第二超导材料层通过所述电极开口连接。本发明将欠阻尼SQUID与电阻串联在一起构成Series Resistance SQUID器件，在电压偏置模式下工作，此器件噪声更低、灵敏度更高；而且其制备工艺与普通SQUID制备工艺相同，不增加制备难度。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 (9)

1.一种超导量子干涉器件，其特征在于，所述超导量子干涉器件至少包括：
欠阻尼SQUID及串联电阻，所述欠阻尼SQUID和所述串联电阻串联连接，所述欠阻尼SQUID及所述串联电阻串联后的两端连接偏置电压。
2.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件，其特征在于：所述欠阻尼SQUID包括并联的第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结，所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结的两端分别并联一旁路电阻。
3.根据权利要求2所述的超导量子干涉器件，其特征在于：所述欠阻尼SQUID的回滞参数满足如下关系式：
βC＝2πI0CR2/Φ0
其中，βC为所述欠阻尼SQUID的回滞参数，I0为约瑟夫森结的临界电流，C为约瑟夫森结的电容，R为所述旁路电阻，Φ0为磁通量。
4.根据权利要求1或3所述的超导量子干涉器件，其特征在于：所述欠阻尼SQUID的回滞参数的数值大于1，且小于等于4。
5.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件，其特征在于：所述串联电阻的阻值包括0.5Ω～10Ω。
6.一种超导量子干涉器件的制备方法，其特征在于，所述超导量子干涉器件的制备方法至少包括：
1)提供一衬底，于所述衬底上依次沉积第一超导材料层、第一绝缘材料层及第二超导材料层，刻蚀所述第一超导材料层、所述第一绝缘材料层及所述第二超导材料层形成超导环路及底电极结构；
2)刻蚀所述第二超导材料层以形成约瑟夫森结；
3)在步骤2)形成的结构表面沉积第二绝缘材料层，去除所述约瑟夫森结顶部的所述第二绝缘材料层，以形成电极开口；
4)在步骤3)形成的结构表面沉积电阻材料层，并刻蚀所述电阻材料层形成旁路电阻及串联电阻；
5)在步骤4)形成的结构表面沉积第三超导材料层，刻蚀所述第三超导材料层形成顶电极，所述顶电极与所述第二超导材料层通过所述电极开口连接。
7.根据权利要求6所述的超导量子干涉器件的制备方法，其特征在于：所述第一超导材料层、所述第二超导材料层及所述第三超导材料层的材质包括铌或氮化铌。
8.根据权利要求6所述的超导量子干涉器件的制备方法，其特征在于：所述第一绝缘材料层的材质包括氧化铝或氮化铝。
9.根据权利要求6所述的超导量子干涉器件的制备方法，其特征在于：在步骤4)中调整所述旁路电阻的阻值，使得所述超导量子干涉器件回滞参数的数值大于1，且小于等于4。
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