专利名称：一种超导隧道结及其制备方法
技术领域：
本发明涉及超导器件，尤其涉及一种超导隧道结及其制备方法。
背景技术：
超导Jowphson隧道结是在两块超导体中间嵌入一层绝缘层，两块超导体通过中间的绝缘层形成弱耦合。当势垒层足够薄时将会出现奇特的物理现象，即Jowphson效应。 利用超导Jowphson隧道结的特殊物理效应可以构成各种功能的超导器件，其中超导量子比特是其中典型的一个例子。超导Jowphson隧道结是超导量子比特的基本组成单元，其质量的高低直接决定超导量子比特性能的好坏。因而研究制备高质量的超导Jowphson隧道结的工艺方法具有重要的现实意义。漏电流是反映超导Jowphson隧道结的性能一个重要参数，特别是在超导量子比特电路的制备中，小的漏电流与超导电流比，是超导量子比特电路的基本要求，通常用漏电流占超导电流的比例来表征隧道结的漏电流大小。一般的超导器件都要求隧道结的漏电流足够的小，因而非常有必要研究哪些因素会影响隧道结漏电流大小。从制备结的工艺来看，漏电流的产生有两个主要的来源首先是势垒层中，由于约瑟夫森效应的要求，势垒层都做比较薄，这样就会存在各种微缺陷等造成针孔，造成上下电极微小短路形成漏电流；另一个就是结区周边边缘上，与外界空气等介质形成一个交界面，虽然结区边缘有一层势垒层(氧化层如Al2O3)形成的绝缘层，但由于非常薄，空气中的氧以及各类导电粒子会进入氧化层造成缺陷等，绝缘性能下降，从而导致漏电流产生。在结的制备工艺中，结区的边缘暴露在空气中(对漏电流有影响)的长度称为隧道结的有效周长。显然结区的边界与外界介质交界越长(即有效周长越长)漏电流就会越大。可以预见，在结面积一定势垒层质量不变的情况下，减小隧道结的有效周长可以减小结的漏电流。我们制备了不同面积的超导Jowphson隧道结，实验得出漏电流占超流之比和有效周长与结面积之比的变化关系如图1所示。从图1的实验结果可以看到，漏电流占超导电流的比例和有效周长与结面积之比的确有一定正向关系，即有效周长与结面积比越大，漏电流占超导电流的比例就越大。因而在结面积不变(超导电流不变)的条件下，减小结边缘与介质的接触长度显然可以减小漏电流的大小，同时漏电流占超导电流的比也会减小。通常超导隧道结是由上超导层(即上层电极)、下超导层(即下层电极)和中间势垒层(SIS)的结构(俗称三明治结构)构成，往往上下电极大小相同(即对称电极结构)。 以电子束斜蒸发法、原位氧化制备A1/A1203/A1铝隧道结为例，如图2所示，若结区面积为矩形，在对称电极结构的设计中，结边缘有三条边暴露在空气中，结的有效周长为这三条边长度的和，结的有效边长较长，漏电流较大。
发明内容
发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种不对称覆盖式电极结构的超导隧道结及其制备方法，降低结的有效周长，减小隧道结漏电流，在同等结面积的情况下，使漏电流与超流比得到降低，提高了隧道结的特性。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种超导隧道结为一种不对称覆盖式电极结构，包括上层电极、中间势垒层和下层电极，所述上层电极的面积大于下层电极的面积，上层电极覆盖下层电极，上层电极将结区周边与外界隔离。采用上述不对称覆盖式电极结构的超导隧道结，由于下层电极被上层电极完全覆盖，使得上层电极对结区周边起到与外界隔离的作用，在结区不变(结区面积也不存在变化)的情况下，暴露在空气中的结区边缘(有效周长)减少了。一种制备上述超导隧道结的方法，基于悬空掩膜斜蒸发法和原位氧化法，具体来说包括如下步骤(1)设计超导隧道结掩膜板图像，设计上层电极的面积大于下层电极的面积，并且上层电极完全覆盖下层电极；(2)基于设计的超导隧道结掩膜板图像制备悬空掩膜结构；(3)基于悬空掩膜结构通过电子束斜蒸发法和原位氧化法制得超导隧道结。有益效果本发明提供的超导隧道结及其制备方法，可以有效的降低结的有效周长，减小隧道结漏电流，在同等结面积的情况下，使漏电流与超流比得到降低，提高隧道结的特性。
图1为漏电流占超流之比和有效周长与结面积之比的变化关系图；图2为采用对称电极结构设计中结的有效周长标示图；图3为采用不对称覆盖式电极结构设计中结的有效周长标示图；图4为悬空掩膜结构的制备的具体流程图；图5为悬空掩膜结构的光学照片；图6为电子束斜蒸发的流程图；图7为铝隧道结光学照片；图8 (a)、图8 (b)为不对称电极结构的铝隧道结在下的I-V曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。一种超导隧道结为一种不对称覆盖式电极结构，包括上层电极、中间势垒层和下层电极，所述上层电极的面积大于下层电极的面积，上层电极覆盖下层电极，上层电极将结区周边与外界隔离。制备上述超导隧道结可以基于悬空掩膜斜蒸发法和原位氧化法，包括如下步骤(1)设计超导隧道结掩膜板图像，设计上层电极的面积大于下层电极的面积，并且上层电极完全覆盖下层电极；(2)基于设计的超导隧道结掩膜板图像制备悬空掩膜结构；(3)基于悬空掩膜结构通过电子束斜蒸发法和原位氧化法制得超导隧道结。
以上述方法制备结区与图2中结区相同的A1/A1203/A1铝隧道结，制成的不对称覆盖式电极结构如图3所示，由于上层电极略大于下层电极，使得交叠区氧化层被上层铝膜电极完全覆盖。结的有效周长只剩一条边的长度，而另外三条边均被上层铝膜覆盖，这样相对于图2中采用的对称电极结构，有效周长大大的减小了。下面就具体制备上述不对称覆盖式电极结构铝A1/A1203/A1隧道结的过程进行描述。超导隧道结掩膜板图像设计在设计超导隧道结掩模板图形中，结区面积大小的是一个重要参量，本发明不对称覆盖式电极，就是在设计中将上层电极的面积大于下层电极的面积并同时完全覆盖下层电极。具体电极的尺寸、形状可根据需要进行选择调整。例如果是矩形结，其面积由结区宽度与长度决定。而结的长度在斜蒸发制备方法中，由蒸发角度构成交叠区的长度决定，这样结的面积只由掩模板电极的宽度决定。在本例的电极掩模板设计中具体尺寸可以为下层电极宽度2um，上层电极宽度3um，上、下层电极在宽度方向对称每边多出0. 5um。悬空掩膜结构制备悬空掩膜结构的制备的具体流程如图4所示，具体包括如下步骤(1)首先在Si基片上甩一层光刻胶，以此层光刻胶作为不感光的支撑层本例中该层光刻胶为L0R10B，厚度为1. 5um左右，甩上L0R10B后，立即在150°C下烘胶5min ；(2)再甩一层光刻胶作为成像层本例中该层光刻胶为电子束胶495PMMA C8 (以下简称PMMA)，厚度为Ium左右，甩上PMMA后，立即在90°C下烘胶IOmin ；(3)用设计好的隧道结尺寸对光刻胶进行曝光(可以根据设计尺寸用电子束曝光，也可以是设计制作好的光刻板)；(4)显影采用两种不同的显影液进行两次显影，根据不同的曝光方式选择相应的显影液本例中第一次显影过程采用电子束显影液(MIBK IPA为1 3)，去掉上层曝光过的PMMA ；第二次显影过程采用正胶显影液，去除曝光图形下的底层L0R10B光刻胶，通过控制下层胶的溶解时间，形成如图5所示的悬空掩膜结构。电子束斜蒸发电子束斜蒸发的具体流程如图6所示，具体包括如下步骤(1)将真空室抽至5 X KT4Pa以上； (2)用Ar离子束清洗悬空掩膜结构表面；(3)以一定的倾斜角度A蒸发第一层铝膜(即下层电极)，本例中铝膜厚度为 IOOnm左右；(4)通入一定压强(本例中崔如25Pa)的氧气，通气一定时间(本例中崔如5min 左右)，在第一层铝膜表面形成一层氧化层作为势垒层(氧化压强和时间需根据要求进行优化)；(5)从另外一个方向以一定的倾斜角度B蒸发第二层铝膜(即上层电极)，本例中铝膜厚度为120nm左右，要求第二层铝膜要比第一层铝膜厚，制得如图7所示的铝隧道结。采用上述方法制备的A1/A1203/A1隧道结有效周长明显降低，在低温下，实验测得漏电流与超流的比值，能够低至0. 6%，漏电流特性达到了较满意的效果；如图8(a) 和图8(b)所示，在低温下，跳变电压对应的超导电流I。为0. 4uA，漏电流2. 5nA，漏电流与超流之比仅为0. 6%，漏电流特性达到了较为满意的效果。
因而这种不对称覆盖式电极结构的超导隧道结可以广泛的用于超导Jos印hson 隧道结及以超导Jowphson隧道结为基础的各种超导器件的制备。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种超导隧道结，包括上层电极、中间势垒层和下层电极，其特征在于所述上层电极的面积大于下层电极的面积，上层电极覆盖下层电极，上层电极将结区周边与外界隔离。
2.一种制备权利要求1所述的超导隧道结的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤(1)设计超导隧道结掩膜板图像，设计上层电极的面积大于下层电极的面积，并且上层电极完全覆盖下层电极；(2)基于设计的超导隧道结掩膜板图像制备悬空掩膜结构；(3)基于悬空掩膜结构通过电子束斜蒸发法和原位氧化法制得超导隧道结。
全文摘要
本发明公开了一种超导隧道结，为一种不对称覆盖式电极结构，包括上层电极、中间势垒层和下层电极，所述上层电极的面积大于下层电极的面积，上层电极覆盖下层电极，上层电极将结区周边与外界隔离。本发明提供的超导隧道结及其制备方法，可以有效的降低结的有效周长，减小隧道结漏电流，在同等结面积的情况下，使漏电流与超流比得到降低，提高隧道结的特性。
文档编号H01L39/02GK102437281SQ201110404340
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者吴培亨, 孙国柱, 曹春海, 翟计全, 许伟伟 申请人:南京大学