氮化鈮薄膜的制備方法、squid器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)量子干涉器件領(lǐng)域，特別是涉及一種氮化鈮薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在一個(gè)超導(dǎo)環(huán)中插入兩個(gè)約瑟夫森結(jié)構(gòu)成了超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)，如圖1所不，它是基于約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化原理的一種超導(dǎo)量子器件。SQUID器件的超導(dǎo)臨界電流隨著SQUID器件所感應(yīng)的磁通而呈現(xiàn)周期性的變化，當(dāng)SQUID器件的偏置電流大于器件的最大臨界電流時(shí)，SQUID器件兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓數(shù)值也隨著SQUID器件所感應(yīng)的磁通量呈現(xiàn)周期性的變化。將SQUID器件與磁通鎖定電路連接配合工作，即可以建立SQUID器件輸出電壓與其感應(yīng)磁通量的線(xiàn)性關(guān)系，因此，SQUID器件可以看作一個(gè)磁通傳感器。經(jīng)過(guò)對(duì)SQUID器件的制備工藝、器件結(jié)構(gòu)和物理特性的多年研究，低溫SQUID器件已經(jīng)發(fā)展成為最靈敏的磁通傳感器，在液氦溫度(4.2K)下，典型低溫SQUID器件的磁通噪聲在μΦ 0/HzV2量級(jí)(I ΦO = 2.07 X 10-15Wb)，磁場(chǎng)靈敏度在fT/HzV2量級(jí)(IfT= I X 10—15T)。由于低溫SQUID器件具有極高的靈敏度，基于SQUID器件的探測(cè)系統(tǒng)在生物磁場(chǎng)檢測(cè)、材料無(wú)損檢測(cè)、低場(chǎng)核磁共振、地球物理磁場(chǎng)探測(cè)等領(lǐng)域都取得很大的進(jìn)展。
[0003]SQUID器件主要包括約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)環(huán)結(jié)構(gòu)，SQUID器件特性與這些結(jié)構(gòu)的性質(zhì)密切相關(guān)，例如，約瑟夫森結(jié)決定了 SQUID器件的臨界電流數(shù)值和回滯特性等，超導(dǎo)環(huán)的形狀和尺寸影響SQUID器件的電感參數(shù)的數(shù)值，因此，制備高質(zhì)量約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)環(huán)是制備低溫SQUID器件的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。在高質(zhì)量的單層超導(dǎo)薄膜上，利用光刻和刻蝕等微加工工藝能夠制備出超導(dǎo)環(huán)結(jié)構(gòu)。由于約瑟夫森結(jié)通常采用超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體這種多層薄膜結(jié)構(gòu)，其中絕緣層的厚度很薄，一般在納米厚度的量級(jí)，因此制備高質(zhì)量的約瑟夫森結(jié)需要高質(zhì)量的超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)三層膜結(jié)構(gòu)。目前，低溫SQUID器件主要是基于Nb/AlOx/Nb三層膜結(jié)構(gòu)利用微加工工藝制備而成，Nb薄膜的超導(dǎo)臨界溫度是9.2K左右，根據(jù)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)臨界電流與溫度的關(guān)系(Physics and Applicat1ns of the Josephson Effect,chapter3)，由Nb約瑟夫森結(jié)制備的SQUID器件的工作溫度是在4.2K的液氦溫區(qū)，這種制冷需求從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面限制了低溫SQUID器件的實(shí)際應(yīng)用。
[0004]因此，如何提高SQUID器件的工作溫度，進(jìn)而減小了器件制冷的經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)要求已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]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薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中SQUID器件的工作溫度低，從而在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面限制了低溫SQUID器件的實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種氮化鈮薄膜的制備方法、所述氮化鈮薄膜的制備方法至少包括:提供一襯底，在所述襯底上采用直流磁控濺射的方式外延生長(zhǎng)氮化鈮薄膜。
[0007 ]優(yōu)選地，所述襯底為(200)晶向的氧化鎂襯底。
[0008]優(yōu)選地，所述氮化鈮薄膜的制備條件如下:壓強(qiáng)為0.25pa、電流為2.2A?5.5A、氬氣和氮?dú)獬煞直葹?0:4?30:8。
[0009]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SQUID器件的制備方法，所述SQUID器件的制備方法至少包括:
[0010]步驟S1:提供一襯底，于所述襯底上采用磁控濺射方式依次外延生長(zhǎng)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)；
[0011]步驟S2:刻蝕所述第一氮化鈮材料層、所述第一絕緣材料層、所述第二氮化鈮材料層的三層薄膜結(jié)構(gòu)，以形成底電極圖形；
[0012]步驟S3:刻蝕所述第二氮化鈮材料層以形成約瑟夫森結(jié)；
[0013]步驟S4:在露出的所述第一絕緣材料層及所述襯底上形成第二絕緣材料層；
[0014]步驟S5:在所述第二絕緣材料層上制備旁路電阻；
[0015]步驟S6:沉積第三氮化鈮材料層，并刻蝕所述第三氮化鈮材料層以露出所述旁路電阻，以形成頂電極。
[0016]優(yōu)選地，所述襯底包括硅襯底、氧化鎂襯底或藍(lán)寶石襯底。
[0017]更優(yōu)選地，所述氧化鎂襯底的晶向?yàn)?200)。
[0018]優(yōu)選地，采用直流濺射方式在壓強(qiáng)為0.25pa、電流為2.2A?5.5A、氬氣和氮?dú)獬煞直葹?0:4?30:8的條件下制備所述第一氮化鈮材料層及所述第二氮化鈮材料層。
[0019]優(yōu)選地，米用直流派射方式在壓強(qiáng)為0.5pa、電流為0.2A?0.5A、氬氣和氮?dú)獬煞直葹?:30?5:30的條件下制備所述第一絕緣材料層。
[0020]更優(yōu)選地，所述第一絕緣材料層的材質(zhì)為氮化鋁、氧化鋁或氧化鎂。
[0021 ]優(yōu)選地，所述第二絕緣材料層的材質(zhì)為氧化硅或二氧化硅。
[0022]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SQUID器件，采用上述方法制備，所述SQUID器件至少包括:
[0023]襯底，制備于所述襯底上的超導(dǎo)環(huán)，制備于所述襯底上并嵌于所述超導(dǎo)環(huán)的環(huán)路上的約瑟夫森結(jié)，所述約瑟夫森結(jié)包括底電極、絕緣材料層和對(duì)電極;其中，所述超導(dǎo)環(huán)、所述底電極和所述對(duì)電極的材質(zhì)為氮化鈮。
[0024]如上所述，本發(fā)明的氮化鈮薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法，具有以下有益效果:
[0025]本發(fā)明提供一種制備高質(zhì)量氮化鈮薄膜的方法，并在此基礎(chǔ)上制備出基于氮化鈮/氮化鋁/氮化鈮約瑟夫森結(jié)的SQUID器件，通過(guò)采用氮化鈮材料提高SQUID器件的工作溫度，使得SQUID器件可以在高于4.2K的溫度下工作，降低了超導(dǎo)SQUID器件的制冷成本。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的超導(dǎo)量子干涉器件的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
[0027]圖2顯示為本發(fā)明的氮化鈮薄膜及第一氮化鈮材料層、第一絕緣材料層、第二氮化鈮材料層的三層薄膜結(jié)構(gòu)的X射線(xiàn)衍射圖譜。
[0028]圖3顯示為本發(fā)明的氮化鈮薄膜的電阻-溫度特性曲線(xiàn)。
[0029]圖4、圖6?圖10顯示為本發(fā)明的SQUID器件的制備流程示意圖。
[0030]圖5顯示為本發(fā)明的第一氮化鈮材料層、第一絕緣材料層、第二氮化鈮材料層的三層薄膜結(jié)構(gòu)的橫截面透射電子顯微鏡示意圖。
[0031 ]圖11顯示為本發(fā)明的SQUID器件示意圖。
[0032]圖12顯示為本發(fā)明的約瑟夫森結(jié)的電流電壓特性曲線(xiàn)。
[0033]圖13顯示為本發(fā)明的SQUID器件的磁場(chǎng)調(diào)制曲線(xiàn)。
[0034]圖14顯示為本發(fā)明的SQUID器件的磁通噪聲曲線(xiàn)。
[0035]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0036]I超導(dǎo)量子干涉器件
[0037]2SQUID 器件
[0038]21襯底
[0039]22第一氮化鈮材料層(底電極)
[0040]23第一絕緣材料層
[0041]24第二氮化鈮材料層(對(duì)電極)
[0042]25第二絕緣材料層
[0043]26旁路電阻
[0044]27第三氮化鈮材料層(配線(xiàn))
[0045]28超導(dǎo)環(huán)
[0046]29約瑟夫森結(jié)
[0047]SI ?S6步驟
【具體實(shí)施方式】
[0048]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)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(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加