CN111755587A - 场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法 - Google Patents

场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法，所述制备方法包括如下步骤：提供一衬底；在衬底上形成衬底介电层；在衬底介电层上形成图形化的超导薄膜层；在衬底介电层上未被超导薄膜层覆盖的区域以及超导薄膜层的侧壁形成由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构，导电薄膜层与超导薄膜层之间通过栅极介电层隔离。本发明通过引入超导薄膜层以及隔离超导薄膜层与导电薄膜层的栅极介电层，获得了结构简单易于制备的场效应超导纳米桥结结构。所述场效应超导纳米桥结结构工作在液氦环境下且工作门电压小。基于所述场效应超导纳米桥结结构的场效应超导纳米桥结具有微型化、超导临界电流足够大、易于调控的优点。

Description

场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，特别是涉及一种场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法。
背景技术
信息化时代的快速发展伴随着对大型计算机及数据中心需求的日益增加。计算机在数据运算能力提高的同时会消耗更多的能量，而摩尔定律的逐渐失效将导致建立在硅基半导体材料上的超级计算机的发展面临能源危机。超导计算机因超导电路材料的电阻为零，能量的消耗很小，工作频率接近100GHz，运行速度相比传统计算机快很多，而有望解决该棘手问题。
目前，基于超导计算机的CPU已经研发出原机，但其中的存储器却还是基于传统半导体材料，其读写速度只有2-3GHz，远低于CPU的速度，极大地限制了超导计算机CPU的性能。而基于超导材料的存储器件的读写速度预期在几十皮秒，可以很好地匹配超导CPU的运行速度，因此新型的超导存储器件为解决这一棘手的难题提供很好的方向。然而，当前超导存储器件的研究仍面临许多困难。例如，超导电路中比较成熟的技术，如RSFQ(Rapidsingle flux quantum)超导器件，由于几何尺寸无法微型化(>10μm)，无法高密度集成，而难以用于大规模数据存储的应用；而类似传统CMOS结构的超导/半导体/超导场效应晶体管尽管可实现栅极对超导临界电流的调节，但临界电流过小难以满足超导数字电路的应用，且器件正常工作的工艺条件十分严苛；对于基于超导/铁磁/超导约瑟夫森结的超导器件，还存在影响该结的多重因素，导致超导性质难以控制。此外，能够在液氦环境及较低门电压下工作也是当前超导存储器件实用化需要满足的条件。
因此，制备能满足微型化、超导临界电流足够大、易于调控的超导存储器件是本领域亟须解决的难题，有必要提出一种新的超导电流可调控的场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法，为解决上述问题提供帮助。
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场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法，为帮助解决现有技术中超导存储器件无法微型化、超导临界电流过小且不易调控的问题提供了一种新的途径。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上形成衬底介电层；
在所述衬底介电层上形成图形化的超导薄膜层；
在所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域以及所述超导薄膜层的侧壁形成由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构，所述导电薄膜层与所述超导薄膜层之间通过所述栅极介电层隔离。
作为本发明的一种可选方案，形成图形化的超导薄膜层的步骤包括：
在所述衬底介电层上沉积超导薄膜层；
在所述超导薄膜层上形成图形化的牺牲掩膜层；
以所述牺牲掩膜层作为刻蚀掩膜，通过刻蚀去除未被所述牺牲掩膜层覆盖的所述超导薄膜层，以形成图形化的所述超导薄膜层。
作为本发明的一种可选方案，形成由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构的步骤包括：
在所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域、所述超导薄膜层的侧壁、所述牺牲掩膜层的侧壁及上方沉积所述栅极介电层；
在所述栅极介电层上沉积所述导电薄膜层；
去除所述牺牲掩膜层以及位于所述牺牲掩膜层的侧壁及上方的所述栅极介电层和所述导电薄膜层。
作为本发明的一种可选方案，所述牺牲掩膜层包括由光刻过程定义的图形化的光刻胶层。
作为本发明的一种可选方案，去除所述牺牲掩膜层以及位于所述牺牲掩膜层的侧壁及上方的所述栅极介电层和所述导电薄膜层的方法包括使用有机溶剂清洗去除所述光刻胶层，并将位于所述光刻胶层的侧壁及上方的所述栅极介电层和所述导电薄膜层剥离并去除。
作为本发明的一种可选方案，所述衬底包括半导体衬底或金属衬底。
作为本发明的一种可选方案，形成所述衬底介电层的材料包括SiO2、HfO2或Al2O3中的至少一种；形成所述超导薄膜层的材料包括Nb、NbN、NbTi或NbTiN中的至少一种；形成所述栅极介电层的材料包括SiO2、HfO2或Al2O3中的至少一种；形成所述导电薄膜层的材料包括Nb、NbN、Al、Cu或Au中的至少一种。
作为本发明的一种可选方案，形成所述栅极介电层的材料与形成所述衬底介电层的材料相同。
作为本发明的一种可选方案，所述衬底介电层的厚度与所述栅极介电层的厚度相同。
作为本发明的一种可选方案，所述超导薄膜层的厚度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
作为本发明的一种可选方案，图形化的所述超导薄膜层至少包括导电沟道，所述导电沟道的沟道宽度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
本发明还提供了一种场效应超导纳米桥结结构，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的衬底介电层；
形成于所述衬底介电层上的图形化的超导薄膜层；
形成于所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域以及所述超导薄膜层的侧壁上的由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构，所述导电薄膜层与所述超导薄膜层之间通过所述栅极介电层隔离。
作为本发明的一种可选方案，所述衬底包括半导体衬底或金属衬底。
作为本发明的一种可选方案，所述衬底介电层包括SiO2层、HfO2层或Al2O3层中的至少一种；所述超导薄膜层包括Nb层、NbN层、NbTi层或NbTiN层中的至少一种；所述栅极介电层包括SiO2层、HfO2层或Al2O3层中的至少一种；所述导电薄膜层包括Nb层、NbN层、Al层、Cu层或Au层中的至少一种。
作为本发明的一种可选方案，所述栅极介电层与所述衬底介电层的构成材料相同。
作为本发明的一种可选方案，所述衬底介电层的厚度与所述栅极介电层的厚度相同。
作为本发明的一种可选方案，所述超导薄膜层的厚度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
作为本发明的一种可选方案，图形化的所述超导薄膜层至少包括导电沟道，所述导电沟道的沟道宽度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
作为本发明的一种可选方案，图形化的所述超导薄膜层还包括第一超导导电区和第二超导导电区，所述第一超导导电区和所述第二超导导电区通过所述导电沟道相连接。
作为本发明的一种可选方案，所述导电薄膜层至少包括第一栅极导电区和第二栅极导电区，所述第一栅极导电区和所述第二栅极导电区之间通过所述导电沟道及所述栅极介电层相隔离。
本发明还提供了一种场效应超导纳米桥结，其特征在于，所述场效应超导纳米桥结包括如本发明所述的场效应超导纳米桥结结构，所述场效应超导纳米桥结工作时，在所述第一栅极导电区和所述第二栅极导电区施加门电压，通过调节所述门电压的幅度改变所述导电沟道内的超导临界电流的大小。作为本发明的一种可选方案，所述门电压的电压范围介于-5V至5V之间。
作为本发明的一种可选方案，在所述第一栅极导电区和所述第二栅极导电区施加的所述门电压的幅度相同且正负相反。
作为本发明的一种可选方案，在所述第一超导导电区和所述第二超导导电区施加所述门电压的同时，还在所述衬底施加衬底门电压，所述衬底门电压的幅度为所述门电压幅度的两倍。
作为本发明的一种可选方案，所述场效应超导纳米桥结在固定工作温度下工作，所述固定工作温度小于所述超导薄膜层的超导临界温度。
作为本发明的一种可选方案，所述场效应超导纳米桥结在液氦环境下工作。
如上所述，本发明提供了一种场效应超导纳米桥结及其结构和制备方法，通过引入超导薄膜层以及隔离所述超导薄膜层与导电薄膜层的栅极介电层，获得了结构简单易于制备的场效应超导纳米桥结结构。所述场效应超导纳米桥结结构工作在液氦环境下且工作门电压小。基于所述场效应超导纳米桥结结构的场效应超导纳米桥结具有微型化、超导临界电流足够大、易于调控的优点。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的场效应超导纳米桥结结构的制备方法的流程图。
图2显示为本发明实施例一中提供的衬底的截面图。
图3显示为本发明实施例一中提供的衬底的俯视图。
图4显示为本发明实施例一中提供的在衬底上形成衬底介电层的截面图。
图5显示为本发明实施例一中提供的在衬底上形成衬底介电层的俯视图。
图6显示为本发明实施例一中提供的在衬底介电层上沉积超导薄膜层的截面图。
图7显示为本发明实施例一中提供的在衬底介电层上沉积超导薄膜层的俯视图。
图8显示为本发明实施例一中提供的在超导薄膜层上形成图形化的牺牲掩膜层的截面图。
图9显示为本发明实施例一中提供的在超导薄膜层上形成图形化的牺牲掩膜层的俯视图。
图10显示为本发明实施例一中提供的通过刻蚀形成图形化的超导薄膜层的截面图。
图11显示为本发明实施例一中提供的通过刻蚀形成图形化的超导薄膜层的俯视图。
图12显示为本发明实施例一中提供的在衬底介电层上沉积栅极介电层的截面图。
图13显示为本发明实施例一中提供的在衬底介电层上沉积栅极介电层的俯视图。
图14显示为本发明实施例一中提供的在栅极介电层上沉积导电薄膜层的截面图。
图15显示为本发明实施例一中提供的在栅极介电层上沉积导电薄膜层的俯视图。
图16显示为本发明实施例一中提供的去除牺牲掩膜层以及位于牺牲掩膜层的侧壁及上方的栅极介电层和导电薄膜层的截面图。
图17显示为本发明实施例一中提供的去除牺牲掩膜层以及位于牺牲掩膜层的侧壁及上方的栅极介电层和导电薄膜层的俯视图。
图18显示为本发明实施例二中提供的场效应超导纳米桥结结构的截面图。
图19显示为本发明实施例二中提供的场效应超导纳米桥结结构的俯视图。
图20显示为本发明实施例三中提供的场效应超导纳米桥结工作时的截面图。
图21显示为本发明实施例三中提供的场效应超导纳米桥结工作时的俯视图。
图22显示为本发明实施例三中超导临界电流IC随门电压VG的理想变化关系图。
图23显示为本发明实施例三中提供的场效应超导纳米桥结工作时在衬底上施加2倍门电压的截面图。
元件标号说明
101 衬底
102 衬底介电层
103 超导薄膜层
103a 导电沟道
104 牺牲掩膜层
105 栅极介电层
106 导电薄膜层
201 衬底
202 衬底介电层
203 超导薄膜层
203a 导电沟道
203b 第一超导导电区
203c 第二超导导电区
205 栅极介电层
206 导电薄膜层
206a 第一栅极导电区
206b 第二栅极导电区
301 衬底
302 衬底介电层
303 超导薄膜层
303a 导电沟道
303b 第一超导导电区
303c 第二超导导电区
305 栅极介电层
306 导电薄膜层
306a 第一栅极导电区
306b 第二栅极导电区
W 导电沟道的沟道宽度
S1～S4 步骤1)～4)
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它优点与功效。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至图23。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，虽图示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形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1至图17，本实施例提供了一种场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)提供一衬底101；
2)在所述衬底101上形成衬底介电层102；
3)在所述衬底介电层上形成图形化的超导薄膜层；
4)在所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域以及所述超导薄膜层的侧壁形成由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构，所述导电薄膜层与所述超导薄膜层之间通过所述栅极介电层隔离。
在步骤1)中，请参阅图1的S1步骤及图2至图3，提供一衬底101。图2是本实施例中所提供的衬底101的截面图，图3是其俯视图。作为示例，在本实施例中，所述衬底101包括硅片衬底。在本发明的其他实施方案中，所述衬底101还可以选择其他金属衬底或半导体衬底。
在步骤2)中，请参阅图1的S2步骤及图4至图5，在所述衬底101上形成衬底介电层102。图4是本实施例中所提供的在所述衬底101上形成衬底介电层102的截面图，图5是其俯视图。作为示例，在本实施例中，形成所述衬底介电层102的材料包括SiO2、HfO2或Al2O3中的至少一种。可选地，本实施例中的所述衬底介电层102可以选择HfO2材料，该材料具有较高的介电常数(≥20，是SiO2的4-6倍)。所述衬底介电层102可以通过离子束沉积(IBD)、物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)等生长方法在硅衬底上直接生长得到。所述衬底介电层102的厚度范围介于5～10nm之间。描述电介质电场强度的电位移矢量可以定义为：D＝ε(VG-V0)/d，其中，ε是介电层材料的介电常数，VG是门电压，V0是初始状态下的外界环境所引起的有效门电压，d是介电层的厚度。为了提高电位移强度，可以选择介电常数较高的介电层材料，如HfO2材料；也可以减薄介电层的厚度。但考虑到所述衬底介电层102太薄会引发漏电等器件异常失效，因此本实施例选择5-10nm作为所述衬底介电层102的厚度范围。
在步骤3)中，请参阅图1的S3步骤及图6至图11，在所述衬底介电层102上形成图形化的超导薄膜层103。图10是本实施例中所提供的在所述衬底介电层102上形成图形化的超导薄膜层103的截面图，图11是其俯视图。
作为示例，在本实施例中，形成所述超导薄膜层103的材料包括Nb、NbN、NbTi或NbTiN中的至少一种。Nb是一种超导材料，其超导临界温度TC可高达9.3K，基于该材料的器件可以工作在液氦环境下，而无需采用昂贵的稀释制冷机将工作温度降至接近0K。且Nb薄膜及其化合物薄膜(如NbN、NbTi、NbTiN等)的生长技术也已很成熟，可以无障碍地应用于本发明。所述超导薄膜层103的厚度范围介于5～15nm之间，可选为10nm。在本发明中，所述超导薄膜层103的厚度需要小于构成所述超导薄膜层103的超导材料的穿透深度，以确保静电场可进入所述超导薄膜层103内部并作用于库伯对。本发明将所述超导薄膜层103的厚度范围控制在5～15nm之间，可以确保所述超导薄膜层103的厚度小于超导材料的穿透深度。例如，对于NbN材料，其穿透深度在4.2K(液氦温度)时大于100nm。
作为示例，如图11所示，图形化的所述超导薄膜层103至少包括导电沟道103a，所述导电沟道103a的沟道宽度W小于所述超导薄膜层103的穿透深度。为了提高静电场对于所述超导薄膜层103内库伯对的作用，本发明不但设置所述超导薄膜层103的厚度需要小于超导材料的穿透深度，同时还设置所述导电沟道103a的沟道宽度小于所述超导薄膜层103的穿透深度，以确保在所述导电沟道103a的径向上的尺寸都小于所述超导薄膜层103的穿透深度。可选地，所述导电沟道103a的沟道宽度范围介于10～50nm之间，小于所述超导薄膜层103的穿透深度。
作为示例，如图6至图11所示，形成图形化的超导薄膜层103的步骤包括：
在所述衬底介电层102上沉积超导薄膜层103；
在所述超导薄膜层103上形成图形化的牺牲掩膜层104；
以所述牺牲掩膜层104作为刻蚀掩膜，通过刻蚀去除未被所述牺牲掩膜层104覆盖的所述超导薄膜层103，以形成图形化的所述超导薄膜层103。
如图6至图7所示，在所述衬底介电层102上沉积超导薄膜层103。在本实施例中，所述超导薄膜层103可以通过高真空磁控溅射生长得到。磁控溅射利用磁场，驱使电子的运动路径变得非常长，可在少量的Ar气中电离出大量的Ar离子，因而能快速生长高质量的薄膜。可选地，在生长所述超导薄膜层103时，可以同步旋转样品台，以确保生长得到均匀优质的薄膜。
如图8至图9所示，在所述超导薄膜层103上形成图形化的牺牲掩膜层104。可选地，所述牺牲掩膜层104包括由光刻过程定义的图形化的光刻胶层。光刻工艺可以通过涂布光刻胶并曝光显影定义出纳米级别的图形图案。在本发明中，所述导电沟道103a的沟道宽度范围介于10～50nm之间，处于现有光刻工艺的能力范围之内，例如DUV/EUV光刻或电子束光刻。
如图10至图11所示，以所述牺牲掩膜层104作为刻蚀掩膜，通过刻蚀去除未被所述牺牲掩膜层104覆盖的所述超导薄膜层103，以形成图形化的所述超导薄膜层103。可选地，可采用反应离子束刻蚀(RIE)等干法刻蚀方法，选择合理的气体及其气流量、刻蚀功率、时间等参数，对Nb、NbN、NbTi或NbTiN构成的所述超导薄膜层103进行刻蚀。上述刻蚀过程对于光刻胶具有较高的选择比，在刻蚀完成后仍能保留部分光刻胶，即所述牺牲掩膜层104。
在步骤4)中，请参阅图1的S4步骤及图12至图17，在所述衬底介电层102上未被所述超导薄膜层103覆盖的区域以及所述超导薄膜层103的侧壁形成由栅极介电层105和导电薄膜层106构成的叠层结构，所述导电薄膜层106与所述超导薄膜层103之间通过所述栅极介电层105隔离。
作为示例，如图12至图17所示，形成由栅极介电层105和导电薄膜层106构成的叠层结构的步骤包括：
在所述衬底介电层102上未被所述超导薄膜层103覆盖的区域、所述超导薄膜层103的侧壁、所述牺牲掩膜层104的侧壁及上方沉积所述栅极介电层105；
在所述栅极介电层105上沉积所述导电薄膜层106；
去除所述牺牲掩膜层104以及位于所述牺牲掩膜层104的侧壁及上方的所述栅极介电层105和所述导电薄膜层106。
如图12至图13所示，在所述衬底介电层102上未被所述超导薄膜层103覆盖的区域、所述超导薄膜层103的侧壁、所述牺牲掩膜层104的侧壁及上方沉积所述栅极介电层105。所述栅极介电层105的生长方法包括离子束沉积(IBD)。为了得到均匀的薄膜，在生长时可以匀速旋转样品台。这样也可使所述栅极介电层105同样沉积到所述超导薄膜层103和所述牺牲掩膜层104的侧壁上。除了离子束沉积，也可以选择其他台阶覆盖能力强的成膜工艺。需要注意的是，在侧壁上的所述栅极介电层105是本发明中不可缺少的结构。可选地，所述栅极介电层105的材料包括SiO2、HfO2或Al2O3中的至少一种。在本实施例中，所述栅极介电层105可以选择和所述衬底介电层102相同的材料，例如HfO2材料，且两者的厚度相同。
如图14至图15所示，在所述栅极介电层105上沉积所述导电薄膜层106。所述导电薄膜层106包括Nb、NbN、Al、Cu或Au中的至少一种。所述导电薄膜层106的生长方法包括高真空磁控溅射。为了得到均匀的薄膜，在生长时可以匀速旋转样品台。这样也可使所述导电薄膜层106同样沉积到侧壁上，这对于本发明的器件结构的形成不可或缺。
如图16至图17所示，去除所述牺牲掩膜层104以及位于所述牺牲掩膜层104的侧壁及上方的所述栅极介电层105和所述导电薄膜层106。可选地，去除所述牺牲掩膜层104以及位于所述牺牲掩膜层104的侧壁及上方的所述栅极介电层105和所述导电薄膜层106的方法包括使用有机溶剂清洗去除所述光刻胶层，并将位于所述光刻胶层的侧壁及上方的所述栅极介电层105和所述导电薄膜层106剥离并去除。由于光刻胶层作为有机物溶解于丙酮等有机溶剂，本发明采用丙酮等有机溶剂溶解并洗去光刻胶层。而随着光刻胶层的移除，附着于所述光刻胶层上的部分所述栅极介电层105和所述导电薄膜层106由于失去了支撑，也将一同被有机溶剂清洗带走，最终留下了如图16至图17所示的结构。在本发明的其他实施案例中，还可以通过化学机械研磨等其他工艺去除所述牺牲掩膜层104以及位于所述牺牲掩膜层104的侧壁及上方的所述栅极介电层105和所述导电薄膜层106。从图16中可以看出，在水平方向形成了所述超导薄膜层103/所述栅极介电层105/所述导电薄膜层106的异质结结构。在所述导电沟道103a处，形成了通过在左右导电薄膜层106施加门电压，以控制所述导电沟道103a上下导通的场效应超导纳米桥结结构。
还需要指出的是，本实施例为了清楚地表述实施方案，对各步骤进行了编号排序，但这并不意味着本发明的实施需要严格限定各步骤的先后顺序。在本发明的其他实施案例中，各步骤的实施顺序可以根据实际需要进行变动。
实施例二
请参阅图18至图19，本实施例提供了一种场效应超导纳米桥结结构，其特征在于，包括：
衬底201；
形成于所述衬底201上的衬底介电层202；
形成于所述衬底介电层202上的图形化的超导薄膜层203；
形成于所述衬底介电层202上未被所述超导薄膜层203覆盖的区域以及所述超导薄膜层203的侧壁上的由栅极介电层205和导电薄膜层206构成的叠层结构，所述导电薄膜层206与所述超导薄膜层203之间通过所述栅极介电层205隔离。
在本实施例中，所述场效应超导纳米桥结结构基于实施例一中的方案制备得到。如图18和图19所示，形成于所述衬底介电层202上的图形化的超导薄膜层203与所述衬底201和所述导电薄膜层206之间被所述衬底介电层202与所述栅极介电层205所隔离。
作为示例，所述衬底201包括半导体衬底或金属衬底。在本实施例中，所述衬底201选择使用硅衬底。
作为示例，所述衬底介电层202包括SiO2层、HfO2层或Al2O3层中的至少一种；所述超导薄膜层203包括Nb层、NbN层、NbTi层或NbTiN层中的至少一种；所述栅极介电层205包括SiO2层、HfO2层或Al2O3层中的至少一种；所述导电薄膜层206包括Nb层、NbN层、Al层、Cu层或Au层中的至少一种。
作为示例，所述栅极介电层205与所述衬底介电层202的构成材料相同。所述衬底介电层202的厚度与所述栅极介电层205的厚度相同。可选地，所述栅极介电层205与所述衬底介电层202都采用HfO2层，该材料的介电常数较高(≥20)。所述衬底介电层202的厚度与所述栅极介电层205的厚度范围介于5～10nm之间。对于描述电介质电场强度的电位移矢量可以定义为：D＝ε(VG-V0)/d，其中，ε是介电层材料的介电常数，VG是门电压，V0是初始状态下的外界环境所引起的有效门电压，d是介电层的厚度。本实施例通过选择介电常数较高的HfO2材料，并将所述衬底介电层102的厚度范围控制在5～10nm之间，以期在较低的门电压下获得可以调节超导临界电流的电场强度。需要指出的是，所述衬底介电层202过薄反而会引起器件漏电风险，因此本实施例所设定的5～10nm的厚度范围是最为合适的厚度区间。
作为示例，所述超导薄膜层203的厚度小于所述超导薄膜层203的穿透深度。图形化的所述超导薄膜层203至少包括导电沟道203a，所述导电沟道203a的沟道宽度W小于所述超导薄膜层203的穿透深度。所述超导薄膜层203的厚度范围介于5～15nm之间，可选为10nm，小于所述超导薄膜层203的穿透深度。所述导电沟道203a的沟道宽度范围介于10～50nm之间，小于所述超导薄膜层203的穿透深度。本发明所述场效应超导纳米桥结结构的工作原理在于，通过控制施加于导电沟道203a的门电压的大小，控制导电沟道203a内的超导临界电流。基于上述原理，门电压施加时，所述导电沟道203a在径向上的尺寸，如所述超导薄膜层203的厚度及所述导电沟道203a的沟道宽度，至少都要小于所述超导薄膜层203的穿透深度。
作为示例，如图19所示，图形化的所述超导薄膜层203还包括第一超导导电区203b和第二超导导电区203c，所述第一超导导电区203b和所述第二超导导电区203c通过所述导电沟道203a相连接。所述导电薄膜层206至少包括第一栅极导电区206a和第二栅极导电区206b，所述第一栅极导电区206a和所述第二栅极导电区206b之间通过所述导电沟道203a及所述栅极介电层205相隔离。在本实施例所述场效应超导纳米桥结结构中，通过在所述第一栅极导电区206a和所述第二栅极导电区206b施加门电压，以调节所述导电沟道203a中超导临界电流。
实施例三
请参阅图20至图23，本实施例提供了一种场效应超导纳米桥结，其特征在于，所述场效应超导纳米桥结包括如实施例二所述的场效应超导纳米桥结结构，所述场效应超导纳米桥结工作时，在所述第一栅极导电区306a和所述第二栅极导电区306b施加门电压，通过调节所述门电压的幅度改变所述导电沟道303a内的超导临界电流的大小。
如图20至图21所示，本实施例所提供的场效应超导纳米桥结基于实施例二所述的场效应超导纳米桥结结构，包括衬底301；形成于所述衬底301上的衬底介电层302；形成于所述衬底介电层302上的图形化的超导薄膜层303；形成于所述衬底介电层302上未被所述超导薄膜层303覆盖的区域以及所述超导薄膜层303的侧壁上的由栅极介电层305和导电薄膜层306构成的叠层结构，所述导电薄膜层306与所述超导薄膜层303之间通过所述栅极介电层305隔离。
在所述场效应超导纳米桥结工作时，在所述第一栅极导电区306a和所述第二栅极导电区306b施加门电压VG，以控制所述导电沟道303a中所述超导临界电流的大小。
作为示例，所述门电压VG的电压范围介于-5V至5V之间。由于本发明采用了HfO2材料作为介电层材料，并将介电层的厚度控制在5～10nm之间，这将大幅减少所述场效应超导纳米桥结结构调节所述超导临界电流时所需的门电压。在本实施例中，在所述第一栅极导电区306a和所述第二栅极导电区306b施加的所述门电压的幅度相同且正负相反。
电场对超导临界电流的调节可以用经验公式来描述：
Figure BDA0002007226320000121
其中，
Figure BDA0002007226320000122
是0K且未施加电场时的超导临界电流，
Figure BDA0002007226320000123
是完全抑制超导态的临界电压。从上式中可以看出，温度越低，门电压越大，超流场效应就越明显。在一定温度下(小于超导临界温度)，通过调节VG的大小，可以改变超导临界电流IC(T,VG)，如图22所示，是超导临界电流IC随门电压VG的理想变化关系图。其中，IC对未加门电压时的超导临界电流IC(T)(固定温度T时)进行归一化，VG对超导临界电压
Figure BDA0002007226320000124
进行归一化。从图中可以看出，当VG趋近于0时，IC达到最大状态；而当VG超过超导临界电压时，IC达到最小状态。本实施例所述场效应超导纳米桥结结构正是利用了上述变化关系，通过调节门电压，对所述场效应超导纳米桥结结构的超导临界电流进行控制。
作为示例，所述场效应超导纳米桥结在固定工作温度下工作，所述固定工作温度小于所述超导薄膜层的超导临界温度。可选地，所述固定工作温度为液氮温度，所述场效应超导纳米桥结在液氦环境下工作。
此外，如图23所示，在所述场效应超导纳米桥结工作时，除了在所述第一栅极导电区306a和所述第二栅极导电区306b施加门电压VG外，还可以同时在所述衬底301上施加的门电压，以增强场效应，提升器件性能。由于本实施例中所述衬底301与所述超导薄膜层303之间除了所述栅极介电层305外还存在与之等厚度的所述衬底介电层302，因此在所述衬底301上施加的门电压为2倍的VG，以使得对衬底施加门电压的效果与栅极导电区相同。
综上所述，本发明提供了一种场效应超导纳米桥结结构及其结构和制备方法，所述制备方法包括如下步骤：提供一衬底；在所述衬底上形成衬底介电层；在所述衬底介电层上形成图形化的超导薄膜层；在所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域以及所述超导薄膜层的侧壁形成由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构，所述导电薄膜层与所述超导薄膜层之间通过所述栅极介电层隔离。本发明通过引入超导薄膜层以及隔离所述超导薄膜层与导电薄膜层的栅极介电层，获得了结构简单易于制备的场效应超导纳米桥结结构。所述场效应超导纳米桥结结构工作在液氦环境下且工作门电压小。基于所述场效应超导纳米桥结结构的场效应超导纳米桥结具有微型化、超导临界电流足够大、易于调控的优点。
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 (26)

1.一种场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上形成衬底介电层；
在所述衬底介电层上形成图形化的超导薄膜层；
在所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域以及所述超导薄膜层的侧壁形成由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构，所述导电薄膜层与所述超导薄膜层之间通过所述栅极介电层隔离。
2.根据权利要求1所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：形成图形化的超导薄膜层的步骤包括：
在所述衬底介电层上沉积超导薄膜层；
在所述超导薄膜层上形成图形化的牺牲掩膜层；
以所述牺牲掩膜层作为刻蚀掩膜，通过刻蚀去除未被所述牺牲掩膜层覆盖的所述超导薄膜层，以形成图形化的所述超导薄膜层。
3.根据权利要求2所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：形成由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构的步骤包括：
在所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域、所述超导薄膜层的侧壁、所述牺牲掩膜层的侧壁及上方沉积所述栅极介电层；
在所述栅极介电层上沉积所述导电薄膜层；
去除所述牺牲掩膜层以及位于所述牺牲掩膜层的侧壁及上方的所述栅极介电层和所述导电薄膜层。
4.根据权利要求3所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述牺牲掩膜层包括由光刻过程定义的图形化的光刻胶层。
5.根据权利要求4所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：去除所述牺牲掩膜层以及位于所述牺牲掩膜层的侧壁及上方的所述栅极介电层和所述导电薄膜层的方法包括使用有机溶剂清洗去除所述光刻胶层，并将位于所述光刻胶层的侧壁及上方的所述栅极介电层和所述导电薄膜层剥离并去除。
6.根据权利要求1所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述衬底包括半导体衬底或金属衬底。
7.根据权利要求1所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：形成所述衬底介电层的材料包括SiO2、HfO2或Al2O3中的至少一种；形成所述超导薄膜层的材料包括Nb、NbN、NbTi或NbTiN中的至少一种；形成所述栅极介电层的材料包括SiO2、HfO2或Al2O3中的至少一种；形成所述导电薄膜层的材料包括Nb、NbN、Al、Cu或Au中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：形成所述栅极介电层的材料与形成所述衬底介电层的材料相同。
9.根据权利要求1所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述衬底介电层的厚度与所述栅极介电层的厚度相同。
10.根据权利要求1所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述超导薄膜层的厚度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
11.根据权利要求1所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：图形化的所述超导薄膜层至少包括导电沟道，所述导电沟道的沟道宽度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
12.一种场效应超导纳米桥结结构，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的衬底介电层；
形成于所述衬底介电层上的图形化的超导薄膜层；
形成于所述衬底介电层上未被所述超导薄膜层覆盖的区域以及所述超导薄膜层的侧壁上的由栅极介电层和导电薄膜层构成的叠层结构，所述导电薄膜层与所述超导薄膜层之间通过所述栅极介电层隔离。
13.根据权利要求12所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述衬底包括半导体衬底或金属衬底。
14.根据权利要求12所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述衬底介电层包括SiO2层、HfO2层或Al2O3层中的至少一种；所述超导薄膜层包括Nb层、NbN层、NbTi层或NbTiN层中的至少一种；所述栅极介电层包括SiO2层、HfO2层或Al2O3层中的至少一种；所述导电薄膜层包括Nb层、NbN层、Al层、Cu层或Au层中的至少一种。
15.根据权利要求12所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述栅极介电层与所述衬底介电层的构成材料相同。
16.根据权利要求12所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述衬底介电层的厚度与所述栅极介电层的厚度相同。
17.根据权利要求12所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：所述超导薄膜层的厚度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
18.根据权利要求12所述的场效应超导纳米桥结结构的制备方法，其特征在于：图形化的所述超导薄膜层至少包括导电沟道，所述导电沟道的沟道宽度小于所述超导薄膜层的穿透深度。
19.根据权利要求18所述的场效应超导纳米桥结结构，其特征在于：图形化的所述超导薄膜层还包括第一超导导电区和第二超导导电区，所述第一超导导电区和所述第二超导导电区通过所述导电沟道相连接。
20.根据权利要求18所述的场效应超导纳米桥结结构，其特征在于：所述导电薄膜层至少包括第一栅极导电区和第二栅极导电区，所述第一栅极导电区和所述第二栅极导电区之间通过所述导电沟道及所述栅极介电层相隔离。
21.一种场效应超导纳米桥结，其特征在于，所述场效应超导纳米桥结包括如权利要求12至20所述的场效应超导纳米桥结结构，所述场效应超导纳米桥结工作时，在所述第一栅极导电区和所述第二栅极导电区施加门电压，通过调节所述门电压的幅度改变所述导电沟道内的超导临界电流的大小场效应超导纳米桥结场效应超导纳米桥结。
22.根据权利要求21所述的场效应超导纳米桥结，其特征在于：所述门电压的电压范围介于-5V至5V之间。
23.根据权利要求21所述的场效应超导纳米桥结，其特征在于：在所述第一栅极导电区和所述第二栅极导电区施加的所述门电压的幅度相同且正负相反。
24.根据权利要求23所述的场效应超导纳米桥结，其特征在于：在所述第一超导导电区和所述第二超导导电区施加所述门电压的同时，还在所述衬底施加衬底门电压，所述衬底门电压的幅度为所述门电压幅度的两倍。
25.根据权利要求21所述的场效应超导纳米桥结，其特征在于：所述场效应超导纳米桥结在固定工作温度下工作，所述固定工作温度小于所述超导薄膜层的超导临界温度。
26.根据权利要求25所述的场效应超导纳米桥结，其特征在于：所述场效应超导纳米桥结在液氦环境下工作。
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