约瑟夫森结寄生电感的测量方法与流程

本发明涉及超导约瑟夫森结参数表征和超导数字电路设计领域，特别是涉及一种约瑟夫森结寄生电感的测量方法。

背景技术：

1961年，英国科学家约瑟夫森发现了以他名字命名的约瑟夫森效应，根据约瑟夫森效应，当在约瑟夫森结两端偏置一个直流电压时，结中产生一定交变的电流，其频率与偏置的电压成正比，当偏置电压为1μv时，电流频率为483.6mhz，利用超导约瑟夫森结可实现非常高频率的电子器件，有文献报导基于约瑟夫森结的超导计数触发器(tff，toggleflip-flip)电路的频率达到了770ghz(rapidsinglefluxquantumt-flipflopoperatingupto770ghz，ieeetrans.appl.supercond.9(2)，3212，1999)，因此，基于超导约瑟夫森结的超导数字器件和电路在提高电子器件频率方面具有很大的优势。

在超导数字电路的设计方面，依据电路规模来分层次进行设计。首先，利用约瑟夫森结和电感可设计约瑟夫森传输线(jtl，josephsonjunctiontransmissionline)、分束器、缓冲器等基本单元，通过这些基本单元的组合可以设计超导数字电路的与门、非门、异或门等逻辑门电路，再通过这些逻辑门电路的组合可集成为不同规模和功能的超导集成电路。因此，约瑟夫森结和基于超导薄膜的电感元件是超导数字电路的基本结构，其参数和性能对于超导数字电路性能起着关键的作用。

超导数字电路中的一种基本结构是电感元件(利用超导薄膜制备而成)，另一种基本结构是约瑟夫森结。约瑟夫森结是一种非线性元件，需要由临界电流ic、电容c、电阻r等多个参数来表征，在设计具体超导数字电路时，首先要求上述参数在一定的范围内，超导数字电路才能正常工作。但是约瑟夫森结是一种多层结构薄膜元件，除了利用上述参数表征之外，其产生的分布电感、分布电容等参数广泛地分布在超导电路芯片各处。目前，在超导数字电路中应用的约瑟夫森结主要是基于nb或nbn薄膜的约瑟夫森结，约瑟夫森结是由上下电极中间插入一个超薄绝缘层构成，并在上下电极之间并联一个金属薄膜电阻，其等效电路如图1所示，其中lp1、lp2和lpr分别表示约瑟夫森结的由引线、底电极和并联电阻等引起的寄生电感，将这些寄生电感用一个集总参数表示为lp，lp的数值与结的设计和制备工艺相关，通常在0.1～1ph范围；r为金属薄膜电阻的阻值。基本电路单元约瑟夫森传输线的等效电路如图2所示，其中，电感设计值l1、l2、l3通常在几个ph，而约瑟夫森结的寄生电感数值lp与其相比不可忽略。这些寄生参数在高频时作用比较明显，将导致电路的速度和频带等发生改变，因此在设计超导数字电路时，要充分考虑到这些寄生效应因素并在设计时降低其影响，首要问题是要测量寄生电感的准确数值。

目前主要有两种方法来获得约瑟夫森结的寄生电感数值，第一种是利用仿真软件如pscan等来模拟约瑟夫森结的电流-电压特性曲线，通过模拟曲线与实测曲线进行对比来得到结的寄生电感，第二种方法是对比超导数字电路性能的实验测量值与设计值来推断超导数字电路中的电感差异值，根据此差异值来确定寄生电感值。这两种方法都是通过间接的方法来推导出约瑟夫森结的寄生电感值。利用软件来仿真约瑟夫森结的电流-电压特性时，首先需要对约瑟夫森结进行建模，而且建模与结的结构和工艺相关，当改变结的结构和工艺时，需要重新建模仿真并与实测数据进行对比，而在第二种方法中，超导数字电路比约瑟夫森结的结构更加复杂，设计和制备需要时间的更长。

因此，如何提出一种测量效率更高、准确性更高的约瑟夫森结寄生电感的测量方法已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

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约瑟夫森结寄生电感的测量方法，用于解决现有技术中约瑟夫森结寄生电感的测量方法效率低、准确性差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种约瑟夫森结寄生电感的测量方法，所述约瑟夫森结寄生电感的测量方法至少包括：

提供第一测试结构，所述第一测试结构包括串联于一端接地的第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结之间的第一约瑟夫森结阵，所述第一约瑟夫森结阵包括偶数个依次串联的约瑟夫森结，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第一电感；

提供第二测试结构，所述第二测试结构包括串联于所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结之间的第二约瑟夫森结阵，所述第二约瑟夫森结阵包括奇数个依次串联的约瑟夫森结，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第二电感；

提供第三测试结构，所述第三测试结构包括串联于所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结之间的第一导线，所述第一导线与串联各约瑟夫森结的下层导线位于同一平面，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第三电感；

提供第四测试结构，所述第四测试结构包括串联于所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结之间的第二导线，所述第二导线与串联各约瑟夫森结的上层导线位于同一平面，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第四电感；

基于所述第一测试结构及所述第二测试结构中导线的电感之和与所述第三测试结构及所述第四测试结构中导线的电感之和相同，计算得到单个约瑟夫森结的寄生电感。

可选地，串联各约瑟夫森结的下层导线与各约瑟夫森结的底电极位于同一平面。

更可选地，所述导线的材质为超导材料。

可选地，测量各电感的方法包括squid磁通-电压调制技术。

更可选地，所述squid磁通-电压调制技术包括：

于各测试结构的两端施加一控制电流，于所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结中施加直流偏置电流；

调节所述控制电流，使得所述控制电流的变化量与一个磁通量子的整数倍对应；

基于所述控制电流的变化量与一个磁通量子的整数倍的关系得到各电感的值。

可选地，单个约瑟夫森结的寄生电感满足如下关系式：

其中，lp为单个约瑟夫森结的寄生电感，la为第一电感，lb为第二电感，lc为第三电感，ld为第四电感，n为所述第一约瑟夫森结阵中约瑟夫森结的数量，m为所述第二约瑟夫森结阵中约瑟夫森结的数量。

更可选地，所述第一约瑟夫森结阵及所述第二约瑟夫森结阵中约瑟夫森结的数量均大于10。

如上所述，本发明的约瑟夫森结寄生电感的测量方法，具有以下有益效果：

本发明的约瑟夫森结寄生电感的测量方法采用squid电压-磁通调制技术获取各测试结构的电感，再基于各测试结构之间的差异计算得到单个约瑟夫森结的寄生电感，本发明是一种直接测量电感的方法，相比间接法将提升寄生电感的测量效率和准确性，为在超导数字电路设计中减小寄生电感影响提供依据。

附图说明

图1显示为现有技术中的约瑟夫森结的等效电路示意图。

图2显示为现有技术中的约瑟夫森传输线的等效电路示意图。

图3显示为本发明的约瑟夫森结寄生电感的测量方法的流程示意图。

图4显示为本发明的第一测试结构的示意图。

图5显示为本发明采用squid磁通-电压调制技术测量电感的原理示意图。

图6显示为本发明的第二测试结构的示意图。

图7显示为本发明的第三测试结构的示意图。

图8显示为本发明的第四测试结构的示意图。

元件标号说明

1第一测试结构

11第一约瑟夫森结阵

2第二测试结构

21第二约瑟夫森结阵

3第三测试结构

4第四测试结构

51衬底

52第一约瑟夫森结

53第二约瑟夫森结

54布线层

55接地层

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3～图8。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3～图8所示，本实施例提供一种约瑟夫森结寄生电感的测量方法，所述约瑟夫森结寄生电感的测量方法至少包括：

如图3及图4所示，提供第一测试结构1，通过测试得到第一电感la。

具体地，所述第一测试结构1位于一squid器件中，所述squid器件包括衬底51，第一约瑟夫森结52，第二约瑟夫森结53，第一测试结构1，布线层54及接地层55。所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53形成于所述衬底51上，所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53均包括底电极、顶电极及介于底电极与顶电极之间的绝缘材料层(底电极及顶电极的材质为超导材料)，所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53的底电极位于所述衬底51上，所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53的顶电极经由所述布线层54与上层的接地层55连接(所述接地层55材质为超导材料)。所述第一测试结构1包括第一约瑟夫森结阵11及将所述第一约瑟夫森结阵11串联于所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53之间的导线，所述第一测试结构1的长度设定为d。所述第一约瑟夫森结阵11形成于所述衬底51上，所述第一约瑟夫森结阵11包括n个依次串联的约瑟夫森结，其中，n为偶数，优选地，n设定为不小于10的偶数，在本实施例中为了便于图示设置为4个。各约瑟夫森结均包括底电极、顶电极及介于底电极与顶电极之间的绝缘材料层(底电极及顶电极的材质为超导材料)，各约瑟夫森结通过底电极及顶电极依次串联，在本实施例中，各约瑟夫森结的底电极通过下层导线连接，各约瑟夫森结的顶电极通过上层导线连接，且所述下层导线与各约瑟夫森结的底电极位于同一平面(上下表面齐平，厚度相等)，所述下层导线及所述上层导线的材质采用与约瑟夫森结的底电极及顶电极相同的超导材料。如图4所示，所述第一约瑟夫森结阵11中第一个约瑟夫森结的底电极通过下层导线与所述第一约瑟夫森结52的底电极连接，第一个约瑟夫森结的顶电极通过上层导线与第二个约瑟夫森结的顶电极连接，依次首尾相连，第四个约瑟夫森结的底电极通过下层导线与所述第二约瑟夫森结53的底电极连接，进而实现串联。

需要说明的是，所述下层导线可设置于各约瑟夫森结的底电极下层，且采用超导材料。所述上层导线不低于各约瑟夫森结的顶电极，在本实施例中，所述上层导线设置于各约瑟夫森结的顶电极上层，且采用超导材料。

具体地，采用squid磁通-电压调制技术测量所述第一测试结构1的电感，记为第一电感la。

更具体地，如图5所示，于所述第一测试结构1的两端施加一控制电流ictl，所述squid器件中产生磁通φ＝la×ictl；于所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53中施加直流偏置电流ib，基于squid特性，其输出电压是其磁通φ的周期函数，周期是一个磁通量子φ0＝2.07×10^-15wb；改变所述控制电流ictl可调节所述squid器件中产生的磁通φ，将所述控制电流ictl的变化量与一个磁通量子的整数倍kφ0对应；基于所述控制电流ictl的变化量δictl与一个磁通量子的整数倍kφ0的关系计算得到电感的值(kφ0/δictl，k为整数)，同时，所述第一电感la满足如下关系：

la＝l1+n·lp；

其中，la为第一电感，l1为所述第一测试结构1中第一约瑟夫森结52与第二约瑟夫森结53之间导线的电感，n为所述第一约瑟夫森结阵11中约瑟夫森结的数量，lp为单个约瑟夫森结的寄生电感。

如图3及图6所示，提供第二测试结构2，通过测试得到第二电感lb。

具体地，所述第二测试结构2位于所述squid器件中，所述第二测试结构2包括第二约瑟夫森结阵21及将所述第二约瑟夫森结阵21串联于所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53之间的导线，所述第二测试结构2的长度设定为d。所述第二约瑟夫森结阵21形成于所述衬底51上，所述第二约瑟夫森结阵21包括m个依次串联的约瑟夫森结，其中，m为奇数，优选地，m设定为不小于10的奇数，在本实施例中为了便于图示设置为5个。各约瑟夫森结均包括底电极、顶电极及介于底电极与顶电极之间的绝缘材料层(底电极及顶电极的材质为超导材料)，各约瑟夫森结通过底电极及顶电极依次串联，在本实施例中，各约瑟夫森结的底电极通过下层导线连接，各约瑟夫森结的顶电极通过上层导线连接，且所述下层导线与各约瑟夫森结的底电极位于同一平面(上下表面齐平，厚度相等)，所述下层导线及所述上层导线的材质采用与约瑟夫森结的底电极及顶电极相同的超导材料。如图6所示，所述第二约瑟夫森结阵21中第一个约瑟夫森结的底电极通过下层导线与所述第一约瑟夫森结52的底电极连接，第一个约瑟夫森结的顶电极通过上层导线与第二个约瑟夫森结的顶电极连接，依次首尾相连，第五个约瑟夫森结的顶电极依次通过上层导线、导电结构及下层导线与所述第二约瑟夫森结53的底电极连接，进而实现串联，其中，导电结构的材质为超导材料。

需要说明的是，所述下层导线可设置于各约瑟夫森结的底电极下层，且采用超导材料。所述上层导线不低于各约瑟夫森结的顶电极，在本实施例中，所述上层导线设置于各约瑟夫森结的顶电极上层，且采用超导材料。

具体地，采用squid磁通-电压调制技术测量所述第二测试结构2的电感，记为第二电感lb。

更具体地，所述第二测试结构2的电感的测量方法在此不一一赘述，参见所述第一测试结构1的测量方法。所述第二电感lb满足如下关系：

lb＝l2+m·lp；

其中，lb为第二电感，l2为所述第二测试结构2中第一约瑟夫森结52与第二约瑟夫森结53之间导线的电感，m为所述第二约瑟夫森结阵21中约瑟夫森结的数量，lp为单个约瑟夫森结的寄生电感。

如图3及图7所示，提供第三测试结构3，通过测试得到第三电感lc。

具体地，所述第三测试结构3位于所述squid器件中，所述第三测试结构3包括连接于所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53的底电极之间的第一导线，所述第一导线与所述第一测试结构1及所述第二测试结构2中串联各约瑟夫森结的下层导线位于同一平面，材质与所述下层导线相同，长度设定为d。在本实施例中，所述第一导线位于所述衬底51上，且厚度及材质均与各约瑟夫森结的底电极相同。如图7所示，所述第一导线的一端与所述第一约瑟夫森结52的底电极连接，所述第一导线的另一端与所述第二约瑟夫森结53的底电极连接。

具体地，采用squid磁通-电压调制技术测量所述第三测试结构3的电感，记为第三电感lc。

更具体地，所述第三测试结构3的电感的测量方法在此不一一赘述，参见所述第一测试结构1的测量方法。所述第三电感lc满足如下关系：

lc＝l3；

其中，lc为第三电感，l3为所述第一导线的电感。

如图3及图8所示，提供第四测试结构4，通过测试得到第四电感ld。

具体地，所述第四测试结构4位于所述squid器件中，所述第四测试结构4包括连接于所述第一约瑟夫森结52及所述第二约瑟夫森结53的底电极之间的第二导线，所述第二导线与所述第一测试结构1及所述第二测试结构2中串联各约瑟夫森结的上层导线位于同一平面，材质与所述上层导线相同。如图8所示，所述第二导线的一端依次通过导电结构及下层导线与所述第一约瑟夫森结52的底电极连接，所述第二导线的另一端依次通过导电结构及下层导线与所述第二约瑟夫森结53的底电极连接，所述第二导线的长度与所述第二测试结构2中第一个约瑟夫森结顶电极的左端至上层导线的右端之间的距离相等。

具体地，采用squid磁通-电压调制技术测量所述第四测试结构4的电感，记为第四电感ld。

更具体地，所述第四测试结构4的电感的测量方法在此不一一赘述，参见所述第一测试结构1的测量方法。所述第四电感ld满足如下关系：

ld＝l4；

其中，ld为第四电感，l4为所述第二导线的电感。

需要说明的是，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感及所述第四电感的获取步骤顺序不限，不以本实施例为限。

如图3所示，基于所述第一测试结构1及所述第二测试结构2中导线的电感之和与所述第三测试结构3及所述第四测试结构4中导线的电感之和相同，计算得到单个约瑟夫森结的寄生电感。

具体地，从所述第一测试结构1、所述第二测试结构2、所述第三测试结构3及所述第四测试结构4的图形可知l1+l2＝l3+l4，进而可得到单个约瑟夫森结的寄生电感lp满足如下关系式：

其中，lp为单个约瑟夫森结的寄生电感，la为第一电感，lb为第二电感，lc为第三电感，ld为第四电感，n为所述第一约瑟夫森结阵中约瑟夫森结的数量，m为所述第二约瑟夫森结阵中约瑟夫森结的数量。

需要说明的是，约瑟夫森结的寄生电感值不仅与其结构有关，而且与其制备材料有关，例如由nb薄膜制备的约瑟夫森结的寄生电感与由nbn薄膜制备的约瑟夫森结的寄生电感值是不同的，因此在设计超导数字电路之前，可利用本发明的方法来测量约瑟夫森结的实际寄生电感值。

本发明的约瑟夫森结寄生电感的测量方法采用squid电压-磁通调制技术获取各测试结构的电感，再基于各测试结构之间的差异计算得到单个约瑟夫森结的寄生电感，本发明是一种直接测量电感的方法，相比间接法将提升寄生电感的测量效率和准确性，为在超导数字电路设计中减小寄生电感影响提供依据。

实施例二

本实施例提供一种实施例一中各测试结构的制备方法，在测量约瑟夫森结寄生电感之前，首先利用微加工工艺来制备各测试结构，制备方法包括：

(a)在衬底51上沉积第一超导材料层、绝缘材料层及第二超导材料层的三层薄膜结构。

具体地，在本实施例中，所述衬底51的材质选用mgo，所述第一超导材料层及所述第二超导材料层的材质选用nbn，所述绝缘材料层的材质选用aln。在实际应用中可根据需要进行材质的设定，在此不一一赘述。

(b)利用微加工工艺制备约瑟夫森结的底电极和下层导线。

具体地，通过刻蚀所述三层薄膜结构定义出所述第一约瑟夫森结52、所述第二约瑟夫森结53、所述第一约瑟夫森结阵11及所述第二约瑟夫森结阵21中各约瑟夫森结的底电极，以及下层导线。

(c)利用微加工工艺制备约瑟夫森结。

具体地，通过刻蚀所述绝缘材料层及所述第二超导材料层定义出各约瑟夫森结的结区。

(d)在器件表面沉积第一绝缘薄膜，并在每个约瑟夫森结表面和底电极表面开孔，以使得后续步骤中引出顶电极及底电极。

具体地，在步骤(c)形成的器件表面形成所述第一绝缘薄膜，刻蚀所述第一绝缘薄膜，露出所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结的顶电极、底电极，在本实施例中，所述第一绝缘薄膜的材质选用sio2。

(e)沉积金属薄膜，并利用微加工工艺制备金属电阻。

具体地，在所述绝缘薄膜上沉积金属薄膜并通过刻蚀形成金属电阻。

(f)沉积第一超导薄膜，利用微加工工艺制备顶电极引出结构和上层导线。

具体地，在本实施例中，所述第一超导薄膜的材质选用nbn。

(g)沉积第二绝缘薄膜，并在约瑟夫森结顶电极表面开孔，以使得后续步骤中连接接地层55。

具体地，在本实施例中，所述第二绝缘薄膜的材质选用sio2。

(h)沉积第二超导薄膜作为接地层，利用微加工工艺引出约瑟夫森结的电极。

具体地，在本实施例中，所述第二超导薄膜的材质选用nbn。

综上所述，本发明提供一种约瑟夫森结寄生电感的测量方法，包括：提供第一测试结构，所述第一测试结构包括串联于一端接地的第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结之间的第一约瑟夫森结阵，所述第一约瑟夫森结阵包括偶数个依次串联的约瑟夫森结，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第一电感；提供第二测试结构，所述第二测试结构包括串联于所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结之间的第二约瑟夫森结阵，所述第二约瑟夫森结阵包括奇数个依次串联的约瑟夫森结，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第二电感；提供第三测试结构，所述第三测试结构包括串联于所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结之间的第一导线，所述第一导线与串联各约瑟夫森结的下层导线位于同一平面，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第三电感；提供第四测试结构，所述第四测试结构包括串联于所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结之间的第二导线，所述第二导线与串联各约瑟夫森结的上层导线位于同一平面，测量所述第一约瑟夫森结与所述第二约瑟夫森结之间的电感，得到第四电感；基于所述第一测试结构及所述第二测试结构中导线的电感之和与所述第三测试结构及所述第四测试结构中导线的电感之和相同，计算得到单个约瑟夫森结的寄生电感。本发明的约瑟夫森结寄生电感的测量方法采用squid电压-磁通调制技术获取各测试结构的电感，再基于各测试结构之间的差异计算得到单个约瑟夫森结的寄生电感，本发明是一种直接测量电感的方法，相比间接法将提升寄生电感的测量效率和准确性，为在超导数字电路设计中减小寄生电感影响提供依据。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。