本發(fā)明屬于超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)領(lǐng)域，涉及氮化鈮超導(dǎo)量子干涉器件，特別是涉及一種氮化鈮SQUID器件、制備方法及參數(shù)后處理方法。

背景技術(shù)：

超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)原理是磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)上，SQUID器件由超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)環(huán)組成，這種器件能夠?qū)⑵骷袘?yīng)的微小磁場變化轉(zhuǎn)換為可以測量的電壓值，因此，SQUID相當(dāng)于一個磁場-電壓轉(zhuǎn)換器件，它是目前為止測量磁場靈敏度最高的傳感器。在液氦溫度(4.2K)下，利用低溫超導(dǎo)材料(例如，Nb或者NbN)制備的低溫超導(dǎo)SQUID器件的磁通靈敏度通常在10^-6Φ₀/Hz^1/2量級(Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，相對應(yīng)的磁場靈敏度在fT/Hz^1/2量級(1fT＝1×10^-15T)。由于低溫SQUID器件具有極高的磁場靈敏度，因此在極微弱磁信號探測領(lǐng)域及可轉(zhuǎn)化為磁場的物理量探測領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。例如，在生物磁場探測、地球磁場探測、微弱電流探測、位移探測等領(lǐng)域，利用SQUID器件的探測研究都取得了極大的進(jìn)展，顯現(xiàn)出SQUID在這些應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

SQUID器件的等效電路簡圖如圖1所示，它的主要結(jié)構(gòu)包括約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)環(huán)兩個部分，相對應(yīng)的參數(shù)有約瑟夫森結(jié)的臨界電流I₀、旁路電阻R和超導(dǎo)環(huán)的電感L，它們也是SQUID器件的主要參數(shù)。按照SQUID器件的設(shè)計(jì)規(guī)則，首先設(shè)計(jì)SQUID器件的超導(dǎo)環(huán)的電感L的數(shù)值，然后根據(jù)屏蔽參量β_L＝2LI₀/Φ₀的要求來確定SQUID器件的臨界電流2I₀，其中Φ₀＝2.07×10^-15Wb是磁通量子。通常器件優(yōu)化設(shè)計(jì)要求β_L＝1，因此器件臨界電流可以確定。因?yàn)橐笃骷械募s瑟夫森結(jié)的回滯參數(shù)β_c＝2πI₀R²C/Φ₀小于1，約瑟夫森結(jié)的旁路電阻R的數(shù)值可由上式確定。因此，SQUID器件的主要參數(shù)可由上述SQUID器件設(shè)計(jì)規(guī)則來確定。

目前，典型的低溫SQUID器件是利用Nb材料制備而成，Nb材料的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc在9K左右，由Nb薄膜制備的SQUID器件通常工作在小于Tc/2溫度范圍。經(jīng)過多年研究，我們在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制完成了基于NbN薄膜材料的SQUID器件，NbN材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc是17K左右，因此，NbN SQUID器件的工作溫度范圍大于Nb材料制備的SQUID器件的工作溫度范圍，而且其電學(xué)性能與Nb基SQUID性能相當(dāng)，因此NbN SQUID器件在弱磁探測領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿?。但是，在制備NbN SQUID器件過程中，存在一個關(guān)鍵難點(diǎn)問題，即器件中約瑟夫森結(jié)29(器件中約瑟夫森結(jié)的位置如圖2所示，其結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)層-絕緣層-超導(dǎo)層疊層)的臨界電流I₀控制問題，例如，器件中約瑟夫森結(jié)臨界電流I₀設(shè)計(jì)為10μA，結(jié)面積A設(shè)計(jì)是10平方微米，那么結(jié)臨界電流密度J_c＝I₀/A是100A/cm²，在制備過程中，結(jié)中絕緣層厚度為2.0nm時對應(yīng)Jc為100A/cm²，但是當(dāng)絕緣層為1.9nm時，Jc約為140A/cm²，當(dāng)絕緣層為2.1nm時，Jc約為50A/cm²，即絕緣層厚度變化0.1nm，Jc變化幅度接近50％，而制備過程中絕緣層厚度設(shè)計(jì)為2.0nm時，其實(shí)際厚度通常在1.9nm至2.1nm之間變化，因此，約瑟夫森結(jié)的臨界電流實(shí)際數(shù)值與設(shè)計(jì)數(shù)值之間存在較大誤差，由此引起前文所述的SQUID器件屏蔽參量和結(jié)回滯參數(shù)都發(fā)生較大變化，進(jìn)而影響器件性能。目前，因?yàn)榭刂平^緣層厚度在0.1nm非常困難，因此文獻(xiàn)中沒有實(shí)現(xiàn)器件臨界電流穩(wěn)定的有效方法，已有解決方案是在一個批次的制備過程中，制備具有不同絕緣層厚度的器件，如1.9nm，2.0nm，2.1nm等，在制備完成后根據(jù)測試結(jié)果來確定這一批次的哪一種絕緣層厚度的器件符合設(shè)計(jì)要求。這種方法效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鈮SQUID器件、制備方法及參數(shù)后處理方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中氮化鈮SQUID器件中的絕緣層厚度控制困難導(dǎo)致器件制備效率較低的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種氮化鈮SQUID器件的制備方法，所述制備方法至少包括：

1)提供一襯底，于所述襯底上依次外延生長第一氮化鈮材料層、第一絕緣材料層、第二氮化鈮材料層的三層薄膜結(jié)構(gòu)；

2)刻蝕所述三層薄膜結(jié)構(gòu)，以形成超導(dǎo)環(huán)和底電極；

3)刻蝕所述第二氮化鈮材料層和第一絕緣材料層以形成兩組約瑟夫森結(jié)，每組約瑟夫森結(jié)包括至少兩個子約瑟夫森結(jié)；

4)在露出的所述第一氮化鈮材料層、第二氮化鈮材料層及所述襯底上形成第二絕緣材料層，開孔暴露出所述第二氮化鈮材料層和第一氮化鈮材料層表面；

5)在所述第二絕緣材料層上制備金屬旁路電阻；

6)沉積第三氮化鈮材料層，并刻蝕所述第三氮化鈮材料層露出所述金屬旁路電阻26，形成頂電極，以并聯(lián)引出所述子約瑟夫森結(jié)。

作為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的制備方法的一種優(yōu)化的方案，所述頂電極為梳狀頂電極。

作為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的制備方法的一種優(yōu)化的方案，所述襯底為硅襯底、氧化鎂襯底或藍(lán)寶石襯底。

作為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的制備方法的一種優(yōu)化的方案，所述第一絕緣材料層為氮化鋁、氧化鋁或氧化鎂。

作為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的制備方法的一種優(yōu)化的方案，所述第二絕緣材料層的材質(zhì)為氮化硅或二氧化硅。

作為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的制備方法的一種優(yōu)化的方案，每組約瑟夫森結(jié)包括四個子約瑟夫森結(jié)。

本發(fā)明提供一種氮化鈮SQUID器件，利用上述制備方法所制備獲得，所述氮化鈮SQUID器件包括：

襯底；

超導(dǎo)環(huán)和底電極，制備于所述襯底上；

兩組約瑟夫森結(jié)，制備于所述襯底上并嵌于所述超導(dǎo)環(huán)的環(huán)路上，每組約瑟夫森結(jié)包括至少兩個子約瑟夫森結(jié)，所述約瑟夫森結(jié)由第一氮化鈮材料層、第一絕緣材料層、第二氮化鈮材料層構(gòu)成；

第二絕緣材料層，制備于所述第一絕緣材料層及所述襯底上，所述第二絕緣材料層上制作有暴露出所述子約瑟夫森結(jié)和第一氮化鈮材料層表面的開孔；

金屬旁路電阻，制備在所述第二絕緣材料層上；

頂電極，用于并聯(lián)引出所述子約瑟夫森結(jié)。

作為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的一種優(yōu)化的方案，所述頂電極為梳狀頂電極。

本發(fā)明再提供一種利用上述SQUID器件進(jìn)行參數(shù)后處理的方法，所述參數(shù)后處理的方法包括：

根據(jù)SQUID器件臨界電流實(shí)際測試值，計(jì)算所述臨界電流實(shí)際測試值與設(shè)計(jì)值之間的偏差，再利用微加工工藝去除多余的子約瑟夫森結(jié)，使所述臨界電流實(shí)際測試值接近設(shè)計(jì)值；

根據(jù)SQUID器件金屬旁路電阻的電阻實(shí)際測試值，計(jì)算所述電阻實(shí)際測試值與設(shè)計(jì)值之間的偏差，通過減薄所述金屬旁路電阻的厚度，使所述金屬旁路電阻實(shí)際測試值接近設(shè)計(jì)值。

作為本發(fā)明進(jìn)行參數(shù)后處理的方法的一種優(yōu)化的方案，所述微加工工藝包括光刻和刻蝕。

如上所述，本發(fā)明的氮化鈮SQUID器件、制備方法及參數(shù)后處理方法，具有以下有益效果：利用本發(fā)明提供的制備方法制備的NbN SQUID器件中包括多個約瑟夫森結(jié)，再通過兩個參數(shù)后期處理步驟，可以分別調(diào)整SQUID器件的臨界電流和旁路電阻這兩個重要參數(shù)數(shù)值，這兩個參數(shù)的調(diào)整是獨(dú)立的，沒有相互影響，因此，利用本發(fā)明的制備方法和參數(shù)后處理方法可以使SQUID器件主要參數(shù)更加接近器件設(shè)計(jì)值，提高器件制備效率和一致性。

附圖說明

圖1為SQUID器件的等效電路圖。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中NbN SQUID器件俯視圖。

圖3～圖8為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的制備方法的結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖9為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件的俯視圖。

圖10為本發(fā)明氮化鈮SQUID器件電流-電壓特性曲線與金屬旁路電阻的關(guān)系。

元件標(biāo)號說明

S1～S6 步驟

2 SQUID器件

21 襯底

22 第一氮化鈮材料層(底電極)

23 第一絕緣材料層

24 第二氮化鈮材料層(對電極)

25 第二絕緣材料層

26 金屬旁路電阻

27 第三氮化鈮材料層(頂電極)

28 超導(dǎo)環(huán)

29 約瑟夫森結(jié)

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

如圖3～圖8所示，本發(fā)明提供一種氮化鈮SQUID器件的制備方法，所述氮化鈮SQUID器件的制備方法至少包括：

首先執(zhí)行步驟S1，提供一襯底21，于所述襯底21依次外延生長第一氮化鈮材料層22、第一絕緣材料層23、第二氮化鈮材料層24的三層薄膜結(jié)構(gòu)。

具體地，本發(fā)明可以采用磁控濺射方式依次外延生長第一氮化鈮材料層22、第一絕緣材料層23、第二氮化鈮材料層24的三層薄膜結(jié)構(gòu)。所述第一氮化鈮材料層22、所述第一絕緣材料層23及所述第二氮化鈮材料層24可以在不破壞真空環(huán)境的情況下分別在不同的腔室生長。

更具體地，如圖3所示，提供一襯底21，所述襯底21包括：硅襯底、氧化鎂襯底或藍(lán)寶石襯底。在本實(shí)施例中，為了制備高質(zhì)量的氮化鈮薄膜，所述襯底21優(yōu)選為氧化鎂襯底。

作為示例，所述第一絕緣材料層23為氮化鋁、氧化鋁或氧化鎂等。本實(shí)施例中優(yōu)選氮化鋁作為第一絕緣材料層23。所述第一絕緣材料層23的厚度可以為1.2nm～2.4nm，在本實(shí)施例中，所述第一絕緣材料層23的厚度僅為2nm。

其次執(zhí)行步驟S2，刻蝕所述第一氮化鈮材料層22、所述第一絕緣材料層23、所述第二氮化鈮材料層24的三層薄膜結(jié)構(gòu)，以形成超導(dǎo)環(huán)和底電極。

具體地，如圖4所示，利用微加工工藝刻蝕出底電極圖形，所述微加工工藝包括但不限于光刻和刻蝕。所述第一氮化鈮材料層22作為底電極。通過刻蝕在需要制備SQUID器件超導(dǎo)環(huán)的位置保留所述第一氮化鈮材料層22、所述第一絕緣材料層23、所述第二氮化鈮材料層24的三層薄膜結(jié)構(gòu)；不需要制備SQUID器件的位置去除所述第一絕緣材料層23、所述第二氮化鈮材料層24，形成底電極圖形。

然后執(zhí)行步驟S3，刻蝕所述第二氮化鈮材料層和第一絕緣材料層24以形成兩組約瑟夫森結(jié)29，每組約瑟夫森結(jié)包括至少兩個子約瑟夫森結(jié)。

作為示例，每組約瑟夫森結(jié)29包括四個子約瑟夫森結(jié)?，F(xiàn)有技術(shù)中，如圖2所示，SQUID器件僅包含兩個約瑟夫森結(jié)，而本實(shí)施例中，將每一個約瑟夫森結(jié)分開做成了4個并聯(lián)的子約瑟夫森結(jié)(仍然是約瑟夫森結(jié)，為了描述方便，定義為子約瑟夫森結(jié))。優(yōu)選地，這4個約瑟夫森結(jié)的面積之和等于現(xiàn)有技術(shù)中單個約瑟夫森結(jié)的面積。

需要知曉，為了圖示方便，圖5中僅展示了兩個約瑟夫森結(jié)29。

具體地，如圖5所示，利用微加工工藝刻蝕出約瑟夫森結(jié)29，所述微加工工藝包括但不限于光刻和刻蝕。所述約瑟夫森結(jié)29包括由所述第一氮化鈮材料層22構(gòu)成的底電極，由所述第一絕緣材料層23構(gòu)成的絕緣層，以及由所述第二氮化鈮材料層24構(gòu)成的對電極。

接著執(zhí)行步驟S4，在露出的所述第一氮化鈮材料層22、第二氮化鈮材料層24及所述襯底21上形成第二絕緣材料層25，開孔暴露出所述第二氮化鈮材料層24和第一氮化鈮材料層22表面。

具體地，如圖6所示，所述第二絕緣材料層25的材質(zhì)為氮化硅或二氧化硅。在本實(shí)施例中，所述第二絕緣材料層25的材質(zhì)為氧化硅，在后續(xù)步驟中，用于隔離所述約瑟夫森結(jié)29的對電極和底電極，防止其互聯(lián)。

再執(zhí)行步驟S5，在所述第二絕緣材料層25上制備金屬旁路電阻26。

具體地，如圖7所示，利用微加工工藝在所述第二絕緣材料層25上制備SQUID器件的金屬旁路電阻26，所述金屬旁路電阻26為金屬薄膜，包括但不限于鈀Pd、銅Cu、鋁Al。

最后執(zhí)行步驟S6，沉積第三氮化鈮材料層27，并刻蝕所述第三氮化鈮材料層27露出所述金屬旁路電阻26，形成頂電極，以并聯(lián)引出所述子約瑟夫森結(jié)。

具體地，如圖8所示，在步驟S5制備的結(jié)構(gòu)表面沉積所述第三氮化鈮材料層27，作為配線層，并通過刻蝕露出所述金屬旁路電阻26。剩下的第三氮化鈮材料層27也稱作頂電極，所述頂電極為梳狀頂電極，用于引出子約瑟夫森結(jié)的電性。

如圖8～圖9所示，本發(fā)明提供一種SQUID器件，采用上述方法制備，所述SQUID器件至少包括：

襯底21；

超導(dǎo)環(huán)28和底電極22，制備于所述襯底21上；

兩組約瑟夫森結(jié)29，制備于所述襯底21上并嵌于所述超導(dǎo)環(huán)22的環(huán)路上，每組約瑟夫森結(jié)29包括至少兩個子約瑟夫森結(jié)，所述約瑟夫森結(jié)29由第一氮化鈮材料層22、第一絕緣材料層23、第二氮化鈮材料層24構(gòu)成；

第二絕緣材料層25，制備于所述第一氮化鈮材料層22、第二氮化鈮材料層24及所述襯底21上，所述第二絕緣材料層25上制作有暴露出所述子約瑟夫森結(jié)29和第一氮化鈮材料層22表面的開孔；

金屬旁路電阻26，制備在所述第二絕緣材料層25上；

頂電極27，用于并聯(lián)引出所述子約瑟夫森結(jié)29。

作為示例，所述襯底21為硅襯底、氧化鎂襯底或藍(lán)寶石襯底。所述第一絕緣材料層23為氮化鋁、氧化鋁或氧化鎂。所述第二絕緣材料層25的材質(zhì)為氮化硅或二氧化硅。所述頂電極27為梳狀頂電極。

本發(fā)明另外還提供一種氮化鈮SQUID器件參數(shù)后處理的方法，所述方法包括以下步驟：

先對上述制備完成的氮化鈮SQUID器件的參數(shù)進(jìn)行測試，確定所述氮化鈮SQUID器件的臨界電流和金屬旁路電阻實(shí)際測試值分別與設(shè)計(jì)值的差異。

具體地，若臨界電流實(shí)際測試值大于設(shè)計(jì)值，由于臨界電流是多個并聯(lián)約瑟夫森結(jié)電流之和，因此，可以根據(jù)偏差的百分比來估算需要幾個約瑟夫森結(jié)并聯(lián)來接近設(shè)計(jì)值，將不需要留下的約瑟夫森結(jié)頂電極通過光刻和刻蝕等微加工工藝將其截?cái)?，使余下約瑟夫森結(jié)結(jié)的臨界電流之和接近設(shè)計(jì)值。

氮化鈮SQUID器件中結(jié)旁路電阻是由金屬薄膜制備而成，金屬薄膜的長度、寬度和高度及其電阻率等因素影響其電阻數(shù)值，金屬薄膜電阻數(shù)值與長度、寬度和厚度的關(guān)系可以通過實(shí)驗(yàn)來確定。若金屬旁路電阻的電阻實(shí)際測試數(shù)值小于設(shè)計(jì)值，那么可以通過減小金屬薄膜厚度來增加電阻數(shù)值，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在一具體實(shí)施例中，根據(jù)前述SQUID器件的制備工藝流程，我們制備了NbN SQUID器件，其電流-電壓特性曲線如圖10所示，從圖中看出，器件旁路電阻數(shù)值變化使SQUID器件電流-電壓特性曲線發(fā)生變化，因此，旁路電阻對器件性能具有重大影響。

圖10中旁路電阻數(shù)值是約1.15歐姆，此時電阻厚度是77nm，當(dāng)將其厚度減少20nm時，電阻數(shù)值變?yōu)榧s1.55歐姆。從圖中可見，減小電阻厚度可以有效改變電阻數(shù)值。

綜上所述，本發(fā)明提供一種氮化鈮SQUID器件、制備方法及參數(shù)后處理方法，包括：首先在襯底上沉積氮化鈮-絕緣層-氮化鈮三層薄膜結(jié)構(gòu)，然后制備SQUID器件超導(dǎo)環(huán)和底電極結(jié)構(gòu)；接著制備多個并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)；再在器件表面沉積絕緣薄膜，并在每個約瑟夫森結(jié)表面和底電極表面開孔，以使得后續(xù)步驟中引出頂電極；再沉積金屬薄膜，制備金屬電阻；最后沉積氮化鈮薄膜，制備梳狀頂電極。通過本發(fā)明的制備方法和參數(shù)后處理方法，若測試發(fā)現(xiàn)NbN SQUID器件的臨界電流和旁路電阻數(shù)值與設(shè)計(jì)值有較大偏差時，可以對器件進(jìn)行后期處理以使得臨界電流和旁路電阻數(shù)值接近設(shè)計(jì)數(shù)值，從而提高器件一致性。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。