一种纳米超导量子干涉器件及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种纳米超导量子干涉器件及其制作方法，包括以下步骤：S1：提供一衬底并在其上生长第一超导材料层；S2：形成光刻胶层并图案化；S3：刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层；S4：在步骤S3获得的结构正面及侧面覆盖一层绝缘材料；S5：生长第二超导材料层；S6：去掉所述第一超导材料层上表面所在平面以上的结构，得到中间被植入至少一条绝缘夹层的平面超导结构；S7：形成至少一条与所述绝缘夹层垂直的纳米线，得到纳米超导量子干涉器件。本发明将超导环和纳米结分成两个主要步骤来实现，超导环的宽度和纳米结的长度由绝缘夹层决定，其大小在原子层尺度上可控，可同时实现纳米结长度小于超导材料相干长度和超导环的尺寸大幅度减小的目的。
【专利说明】一种纳米超导量子干涉器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超导电子信息【技术领域】，涉及一种纳米超导量子干涉器件及其制作方法。
【背景技术】
[0002]超导量子干涉器件(SQUID)是利用约瑟夫森(Josephson)效应设计的极灵敏的磁传感器，可用于探测小到10-15Tesla的磁场(相当于地磁场的几百亿分之一)，是目前为止检测灵敏度最高的磁敏传感器。SQUID磁强计主要应用于物理、化学、材料、地质、生物、医学等领域各种弱磁场的精确测量，因其突出的高灵敏度而不断继续普及应用。纳米超导量子干涉器件(NanoSQUID)是基于超导量子干涉器件(SQUID)发展起来的一种新型器件。它利用纳米结代替传统的隧穿结，使得超导环的面积可以得到大幅度的缩小，器件的最小可测自旋数相应的得到大幅度的增加，从而提升了器件对于介观至微观尺寸的样品的灵敏度。此外，它不但可以承受较大的临界磁场，而且由于超导环面积较小从而不易受到外界磁场干扰，因此无须作单独磁屏蔽隔离，可以与样品直接耦合，在表征微观样品的磁属性和探测微观自旋中表现突出，在生物分子结构研究，量子信息，新材料研究等多方面具备应用前景。
[0003]目前国际上主要制备nanoSQUID的工艺是利用电子束曝光或者聚焦离子束刻蚀的方法在超导薄膜上直接刻画超导环和纳米结的平面结构，虽然这种方法比较直接观简洁，但是存在一些缺点。首先，nanoSQUID的尺寸受到电子束曝光或者聚焦离子束刻蚀的限制，目前超导环直径最小在五十纳米附近，很难再往下突破达到真正的纳米级别。其次，现在纳米超导量子干涉器件存在临界电流和磁通调制曲线深度较小问题，它和传统SQUID相比距离较大。其中主要原因是大多临界温度较高的超导材料的相干长度较短，纳米结的长度无法做到和其相干长度相当，另一原因是纳米结的厚度和超导环是通过同一超导薄膜加工出来的，超导环的厚度受到纳米结的限制，超导电流在超导环内除纳米结以外的区域仍然存在着相位梯度扩散。
[0004]因此，提供一种纳米超导量子干涉器件的制作方法以解决现有技术中纳米结长度无法做到和超导材料的相干长度相当、超导环厚度受到纳米结的限制从而导致器件性能降低的问题实属必要。
【发明内容】
[0005]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纳米超导量子干涉器件及其制作方法，用于解决现有技术中纳米结长度无法做到和超导材料的相干长度相当、超导环厚度受到纳米结的限制从而导致器件性能降低的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种纳米超导量子干涉器件的制作方法，至少包括以下步骤:
[0007]S1:提供一衬底,在所述衬底上生长第一超导材料层；[0008]S2:在所述第一超导材料层表面形成光刻胶层并将所述光刻胶层图案化，以将预设区域的第一超导材料层表面暴露出来；
[0009]S3:刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层，暴露出所述衬底，并保留剩余光刻胶层；
[0010]S4:在步骤S3获得的结构正面及侧面覆盖一层绝缘材料；
[0011]S5:在所述绝缘材料上生长第二超导材料层，并使位于所述预设区域的第二超导材料层的上表面与所述第一超导材料层上表面齐平；
[0012]S6:去掉所述第一超导材料层上表面所在平面以上的结构，得到中间被植入至少一条绝缘夹层的平面超导结构；
[0013]S7:在所述平面超导结构表面形成至少一条与所述绝缘夹层垂直并连接所述第一超导材料层与所述第二超导材料层的纳米线，从而形成两个并联的纳米结，得到纳米超导量子干涉器件。
[0014]可选地，于所述步骤S3中，刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层并暴露出所述衬底后进一步过刻蚀，在所述衬底中形成一凹陷区域；于所述步骤S4中，所述绝缘材料位于所述凹陷区域的部分刚好填满所述凹陷区域。
[0015]可选地，所述绝缘夹层的厚度范围是I?10nm。
[0016]可选地,所述衬底的材料选自MgO、蓝宝石、Si3N4、Al2O3及SiO2中的至少一种。
[0017]可选地，所述第一超导材料层与所述第二超导材料层的材料选自Nb (铌)、NbN (氮化铌)、NbTi (铌钛)及NbTiN (铌钛氮)中的至少一种。
[0018]本发明还提供一种纳米超导量子干涉器件，至少包括平面超导结构及形成于所述平面超导结构表面的至少一条纳米线，所述平面超导结构包括衬底及分立形成于所述衬底表面的第一超导材料层及第二超导材料层；所述第一超导材料层与所述第二超导材料层之间形成有绝缘夹层；所述第二超导材料层与所述衬底之间形成有绝缘材料；所述纳米线垂直于所述绝缘夹层并连接所述第一超导材料层与所述第二超导材料层。
[0019]可选地，该器件包括一条绝缘夹层及两条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层与所述第二超导材料层分别形成与所述绝缘夹层的两侧并由所述纳米线连接。
[0020]可选地，该器件包括一条绝缘夹层及两条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层与所述第二超导材料层分别形成与所述绝缘夹层的两侧并由所述纳米线连接；所述器件位于两条纳米线之间的区域形成有一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽将所述绝缘夹层隔断并贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。
[0021]可选地，该器件包括两条绝缘夹层及一条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层一端形成于两条绝缘夹层之间、另一端向外延伸；所述第二超导材料层具有一“U”型部及形成于该U”型部闭合端的尾部；所述“U”型部张开的侧翼端部分别位于两条绝缘夹层外侧，所述第一超导材料层位于两条绝缘夹层之间的端部与所述第二超导材料层的U”型部闭合端之间形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。
[0022]可选地，该器件包括两条绝缘夹层及一条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层形成于两条绝缘夹层之间；所述第二超导材料层为一矩形环，所述矩形环的一对侧边分别位于两条绝缘夹层外侧、另一对侧边分别与所述第一超导材料层之间形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。
[0023]可选地,所述绝缘夹层的厚度范围是I?10nm。
[0024]如上所述，本发明的一种纳米超导量子干涉器件及其制作方法，具有以下有益效果:本发明制作纳米超导量子干涉器件时，将超导环和纳米结分成两个主要步骤来实现。本发明制作得到的纳米超导量子干涉器件中，第一超导材料层与第二超导材料层的间距由中间植入的绝缘夹层决定，其宽度在原子尺度上可控，可达I?10nm。另一特征是利用电子束曝光单独生成垂直于绝缘缝隙的超导纳米线，在原超导结构上形成nanoSQUID，其纳米结的长度和宽度分别由绝缘夹层的厚度和纳米线的宽度决定，超导环的宽度和长度最小可以分别由纳米线的间距和绝缘夹层的宽度决定。本发明可以同时实现纳米结长度小于超导材料相干长度和超导环的尺寸大幅减小的目的，从而进一步减少器件的最小可测自旋数。利用电子束光刻生成的结构简单，易于达到此技术的极限宽度，制备nanoSQUID的纳米结线宽可小于现有技术，减小nanoSQUID的临界电流。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中在衬底上生长第一超导材料层的剖面结构示意图。
[0026]图2显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中形成光刻胶层的示意图。
[0027]图3显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中将光刻胶层图案化的示意图。
[0028]图4显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中刻蚀第一超导材料层的示意图。
[0029]图5显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中覆盖绝缘材料的的示意图。
[0030]图6显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中生长第二超导材料层的示意图。
[0031]图7显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中得到平面超导结构的示意图。
[0032]图8显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的剖面结构示意图。
[0033]图9显示为图8所示结构的俯视图。
[0034]图10显示为本发明的纳米超导量子干涉器件在实施例二中俯视结构示意图。
[0035]图11显示为本发明的纳米超导量子干涉器件在实施例三中的剖面结构示意图。
[0036]图12显示为本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法在实施例四中步骤S4获得结构的剖面示意图。
[0037]图13显示为本发明的纳米超导量子干涉器件在实施例四中的俯视结构示意图。
[0038]图14显示为本发明的纳米超导量子干涉器件在实施例五中的俯视结构示意图。
[0039]元件标号说明
[0040]I 衬底[0041]2第一超导材料层
[0042]3光刻胶层
[0043]4绝缘材料
[0044]5第二超导材料层
[0045]6绝缘夹层
[0046]7纳米线
[0047]8通槽
[0048]d绝缘夹层的厚度
【具体实施方式】
[0049]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。
[0050]请参阅图1至图14。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。
[0051]本发明提供一种纳米超导量子干涉器件的制作方法，至少包括以下步骤:
[0052]S1:提供一衬底,在所述衬底上生长第一超导材料层；
[0053]S2:在所述第一超导材料层表面形成光刻胶层并将所述光刻胶层图案化，以将预设区域的第一超导材料层表面暴露出来；
[0054]S3:刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层，暴露出所述衬底，并保留剩余光刻胶；
[0055]S4:在步骤S3获得的结构正面及侧面覆盖一层绝缘材料；
[0056]S5:在所述绝缘材料上生长第二超导材料层，并使位于所述预设区域的第二超导材料层的上表面与所述第一超导材料层上表面齐平；
[0057]S6:去掉所述第一超导材料层上表面所在平面以上的结构，得到中间被植入至少一条绝缘夹层的平面超导结构；
[0058]S7:在所述平面超导结构表面形成至少一条与所述绝缘夹层垂直并连接所述第一超导材料层与所述第二超导材料层的纳米线，从而形成两个并联的纳米结，得到纳米超导量子干涉器件。
[0059]本发明还提供一种纳米超导量子干涉器件，至少包括平面超导结构及形成于所述平面超导结构表面的至少一条纳米线，所述平面超导结构包括衬底及分立形成于所述衬底表面的第一超导材料层及第二超导材料层；所述第一超导材料层与所述第二超导材料层之间形成有绝缘夹层；所述第二超导材料层与所述衬底之间形成有绝缘材料；所述纳米线垂直于所述绝缘夹层并连接所述第一超导材料层与所述第二超导材料层，形成两个并联的纳米结。
[0060]实施例一[0061]本发明提供一种纳米超导量子干涉器件的制作方法，首先请参阅图1，执行步骤S1:提供一衬底I，在所述衬底I上生长第一超导材料层2。
[0062]具体的，所述衬底I的材料选自MgO、蓝宝石、Si3N4、Al203及SiO2中的至少一种，或者其它允许超导薄膜生长的材料。本实施例中，所述衬底I优选为MgO衬底。
[0063]所述第一超导材料层2的材料选自Nb、NbN、NbTi及NbTiN中的至少一种，或其它超导材料，所述第一超导材料层2的厚度范围是10?200nm。本实施例中，优选采用磁控溅射法在所述衬底I上生长一层50nm厚的NbN。
[0064]请参阅图2及图3，执行步骤S2:在所述第一超导材料层2表面甩涂200?IOOOnm厚的光刻胶层3，并通过紫外曝光、显影将所述光刻胶层3图案化，以将预设区域的第一超导材料层2表面暴露出来。
[0065]作为示例，所述光刻胶层3的厚度为200nm，采用线宽为2微米宽的长方形图形的掩模紫外曝光，再显影以将所述光刻胶层3图案化。本实施例中，所述预设区域以所述衬底左侧为例，如图3所示。然而须知，根据要制备的nanoSQUID器件大小的不同及功能的不同，此处光刻图形可进行相应改变，即所述预设区域的图形可有所改变，此处仅为示例，不应过分限制本发明的保护范围。
[0066]请参阅图4，执行步骤S3:刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层2，即将光刻胶没有覆盖的地方的第一超导材料层2去掉，暴露出所述衬底1，并保留剩余光刻胶。
[0067]请参阅图5，执行步骤S4:在步骤S3获得的结构正面及侧面覆盖一层绝缘材料4。
[0068]具体的，留存光刻胶，利用磁控溅射的生长方法的各向同性的性质，在图4所示结构正面及侧面都生长I?IOnm厚的绝缘材料。如图5所示,所述衬底I暴露部分的上表面及所述光刻胶层3的上表面均形成有绝缘材料4，所述第一超导材料层2及所述光刻胶层3侧面亦形成有绝缘材料4。本实施例中，所述绝缘材料以5nm厚的MgO为例，在其它实施例中，所述绝缘材料也可以为Si3N4、Al203、Si02等。
[0069]请参阅图6，执行步骤S5:在所述绝缘材料4上生长第二超导材料层5，并使位于所述预设区域的第二超导材料层5的上表面与所述第一超导材料层2上表面齐平。
[0070]具体的，所述第二超导材料层5的材料与所述第一超导材料层2的材料相同，厚度等于所述第一超导材料层2的厚度减掉所述绝缘材料4的厚度，从而使得位于所述预设区域的第二超导材料层5的上表面与所述第一超导材料层2上表面齐平。本实施例中所述第二超导材料层5以45nm厚的NbN为例。
[0071]请参阅图7，执行步骤S6:剥离光刻胶层3以去掉所述第一超导材料层2上表面所在平面以上的结构，得到中间被植入至少一条绝缘夹层6的平面超导结构。
[0072]如图7所示，所述平面超导结构中，所述第二超导材料层5与所述衬底之间具有绝缘材料4，所述第一超导材料层2与所述第二超导材料层5之间的绝缘材料作为绝缘夹层6。
[0073]请参阅图8及图9，执行步骤S7:在所述平面超导结构表面甩电子束光刻胶，电子束曝光纳米线图形，然后显影，生长超导薄膜，在所述平面超导结构表面形成至少一条与所述绝缘夹层6垂直并连接所述第一超导材料层2与所述第二超导材料层5的纳米线6，从而形成两个并联的纳米结，然后剥离电子束光刻胶，得到纳米超导量子干涉器件。
[0074]作为示例，在所述平面超导结构表面甩涂电子束光刻胶，电子束曝光两条平行间隔IOnm宽IOnm的纳米线图形,然后显影,生长IOnm NbN超导薄膜,再剥离电子束光刻胶，从而形成超导环面积只有50nm2的nanoSQUID。在其它实施例中，也可以进一步缩小两条纳米线之间的距离，以获得更小的超导环面积。
[0075]需要说明的是，上述纳米结指的是所述纳米线与所述绝缘夹层重叠区域的超导薄膜，其长度和宽度分别由绝缘夹层的厚度和纳米线的宽度决定；所述超导环指的是两个纳米结、所述第一超导层及第二超导层围成的区域，其宽度和长度最小可以分别由纳米线的间距和绝缘夹层的厚度决定。
[0076]如图8所示，显示为所述纳米超导量子干涉器件的剖面结构示意图，图9显示为该结构的俯视示意图。其中，图9中示出了绝缘夹层的厚度d。本实施例中，在所述平面超导结构表面形成两条纳米线6,从而形成两个并联的纳米结,从而形成nanoSQUID。
[0077]本发明的纳米超导量子干涉器件的制作方法中，纳米结的长度和超导环的宽度由绝缘材料的生长厚度决定，其大小在原子层厚度尺度上可控，可同时实现纳米结长度小于超导材料相干长度和超导环的尺寸大幅度减小的目的。另一方面，超导环和纳米结分成两个主要步骤来完成，可以将超导环和纳米结的厚度分开，增加纳米结两端超导材料的厚度，消除超导电流在纳米结以外区域的相位梯度扩散，从而增加器件的调制深度。
[0078]本发明还提供一种纳米超导量子干涉器件，请参阅图8，显示为该器件的剖面结构示意图，如图所示，该器件至少包括平面超导结构及形成于所述平面超导结构表面的至少一条纳米线7，所述平面超导结构包括衬底I及分立形成于所述衬底表面的第一超导材料层2及第二超导材料层5 ;所述第一超导材料层2与所述第二超导材料层5之间形成有绝缘夹层6 ;所述第二超导材料层5与所述衬底I之间形成有绝缘材料4 ;所述纳米线7垂直于所述绝缘夹层6并连接所述第一超导材料层2与所述第二超导材料层5。
[0079]本实施例中，所述器件包括一条绝缘夹层6及两条垂直于所述绝缘夹层6的纳米线7。请参阅图9，显示为该器件的俯视图，如图所示，所述第一超导材料层2与所述第二超导材料层5分别形成于所述绝缘夹层6的两侧并由所述纳米线7连接。
[0080]具体的，所述绝缘夹层6的厚度范围是I?10nm，本实施例中，优选为5nm(NbN薄膜的相干长度)。
[0081]本发明的纳米超导量子干涉器件的纳米结线宽很小(I?10nm)，小于超导材料的相干长度，可以减小nanoSQUID的临界电流；且超导环厚度不受纳米结的限制，从而可以通过增加纳米结两端超导材料的厚度来消除超导电流在纳米结以外区域的相位梯度扩散，从而增加器件的调制深度。
[0082]实施例二
[0083]实施例一给出了本发明的纳米超导量子干涉器件及其制作方法的一种【具体实施方式】，然而，根据器件大小、功能的不同，器件可以采用其它图形设计，相应的制作方法也有所微调。
[0084]请参阅图10，本实施例在实施例一的一种纳米超导量子干涉器件的制作方法的基础上，进一步在两条纳米线之间的区域形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽将所述绝缘夹层隔断并贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。图10显示为本实施例中得到的器件结构的俯视图，其中示出了通槽8，所述通槽8贯穿超导材料层及衬底I。所述通槽8也可以采用凹槽替代，所述凹槽贯穿超导材料层但未穿通所述衬底。设置所述通槽或凹槽的目的是为了根据器件设计需要增加超导环的面积。
[0085]本实施例中，纳米超导量子干涉器件包括一条绝缘夹层及两条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层与所述第二超导材料层分别形成与所述绝缘夹层的两侧并由所述纳米线连接；所述器件位于两条纳米线之间的区域形成有一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽将所述绝缘夹层隔断并贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。所述绝缘夹层的厚度范围是I?10nm。
[0086]实施例三
[0087]本实施例与实施例一采用基本相同的方案，不同之处在于，于所述步骤S3中，刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层并暴露出所述衬底后进一步进行适当的过刻蚀，在所述衬底中形成一凹陷区域；于所述步骤S4中，所述绝缘材料位于所述凹陷区域的部分刚好填满所述凹陷区域。
[0088]请参阅图11，显示为本实施例中形成的纳米超导量子干涉器件的剖面结构示意图。相对于实施例一，本实施例中的纳米超导量子干涉器件的优点在于，第一超导材料层2与第二超导材料层3的厚度相同，使得器件更为对称，所述第二超导材料层2与所述衬底I之间的绝缘材料4可以作为衬底的一部分，对器件没有不良影响。
[0089]实施例四
[0090]本实施例与实施例一米用基本相同的方案，不同之处在于，实施例一中形成的纳米超导量子干涉器件只包括一条绝缘夹层，而本实施例中形成的纳米超导量子干涉器件中包括两条绝缘夹层及一条垂直于所述绝缘夹层的纳米线。制作时，通过改变图形设计即可采用与实施例一基本相同的方法来实现。
[0091]具体的，实施例一中，所述预设区域为衬底一侧，而本实施例中，所述预设区域为衬底两侧。
[0092]请参阅图12,显示为本实施例中于步骤S4中获得的结构的剖面图，如图所示,所述第一超导材料层2两侧区域被去除，从而使得部分绝缘材料4形成于中间部分的第一超导材料层2的两侧，通过后续形成第二超导超导材料层并剥离光刻胶后，即可得到具有两条绝缘夹层6的纳米超导量子干涉器件。
[0093]请参阅图13，显示为本实施例中最终得到纳米超导量子干涉器件的俯视示意图，该器件包括两条绝缘夹层6及一条垂直于所述绝缘夹层的纳米线7 ;所述第一超导材料层2 一端形成于两条绝缘夹层6之间、另一端向外延伸；所述第二超导材料层5具有一“U”型部及形成于该U”型部闭合端的尾部；所述“U”型部张开的侧翼端部分别位于两条绝缘夹层外侧，所述第一超导材料层2位于两条绝缘夹层之间的端部与所述第二超导材料层5的U”型部闭合端之间形成一凹槽或通槽8 ;所述凹槽或通槽贯穿所述第一超导材料层2及第二超导材料层5。所述绝缘夹层的厚度范围是I?10nm。
[0094]本实施例的纳米超导量子干涉器件相对于实施例一的优点是:实施例一中包括两条纳米线，形成时不容易保持线宽一致性，从而容易使两个纳米结大小不同，影响器件性能；而本实施例中只包括一条纳米线，线宽一致，使得两个纳米结的大小相同。
[0095]实施例五
[0096]本实施例与实施例四采用基本相同的方案，不同之处在于图形设计不同。本实施例形成的纳米超导量子干涉器件可以作为避免背景磁场干扰的梯度计。请参阅图14，显示为本实施例中形成的纳米超导量子干涉器件的俯视图，如图所示，该器件包括两条绝缘夹层6及一条垂直于所述绝缘夹层的纳米线7 ;所述第一超导材料层2形成于两条绝缘夹层6之间；所述第二超导材料层5为一矩形环，所述矩形环的一对侧边分别位于两条绝缘夹层6外侧、另一对侧边分别与所述第一超导材料层2之间形成一凹槽或通槽8 ;所述凹槽或通槽贯穿所述第一超导材料层2及第二超导材料层5。所述绝缘夹层的厚度范围是I?10nm。
[0097]综上所述，本发明制作纳米超导量子干涉器件时，将超导环和纳米结分成两个主要步骤来实现。本发明制作得到的纳米超导量子干涉器件中，第一超导材料层与第二超导材料层的间距由中间植入的绝缘夹层决定，其宽度在原子尺度上可控，可达I?10nm。另一特征是利用电子束曝光单独生成垂直于绝缘缝隙的超导纳米线，在原超导结构上形成nanoSQUID，绝缘夹层的厚度同时决定了超导回路(超导环)的宽度和纳米结的长度，而纳米线的线宽和间距又同时决定了纳米结的宽度和超导回路的长度。本发明可以同时实现纳米结长度小于超导材料相干长度和超导环的尺寸大幅减小的目的，增加器件对少量自旋的灵敏度。利用电子束光刻生成的结构简单，易于达到此技术的极限宽度，制备nanoSQUID的纳米结线宽可小于现有技术，从而减小nanoSQUID的临界电流。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。
[0098]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。
【权利要求】
1.一种纳米超导量子干涉器件的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤: S1:提供一衬底，在所述衬底上生长第一超导材料层； S2:在所述第一超导材料层表面形成光刻胶层并将所述光刻胶层图案化，以将预设区域的第一超导材料层表面暴露出来； S3:刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层，暴露出所述衬底，并保留剩余光刻胶； S4:在步骤S3获得的结构正面及侧面覆盖一层绝缘材料； S5:在所述绝缘材料上生长第二超导材料层，并使位于所述预设区域的第二超导材料层的上表面与所述第一超导材料层上表面齐平； S6:去掉所述第一超导材料层上表面所在平面以上的结构，得到中间被植入至少一条绝缘夹层的平面超导结构； S7:在所述平面超导结构表面形成至少一条与所述绝缘夹层垂直并连接所述第一超导材料层与所述第二超导材料层的纳米线，从而形成两个并联的纳米结，得到纳米超导量子干涉器件。
2.根据权利要求1所述的纳米超导量子干涉器件的制作方法，其特征在于:于所述步骤S3中，刻蚀掉所述预设区域的第一超导材料层并暴露出所述衬底后进一步过刻蚀，在所述衬底中形成一凹陷区域；于所述步骤S4中，所述绝缘材料位于所述凹陷区域的部分刚好填满所述凹陷区域。
3.根据权利要求1所述的纳米超导量子干涉器件的制作方法，其特征在于:所述绝缘夹层的厚度范围是I~10nm。
4.根据权利要求1所述的纳米超导量子干涉器件的制作方法，其特征在于:所述衬底的材料选自MgO、蓝宝石、Si3N4、Al203及SiO2中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的纳米超导量子干涉器件的制作方法，其特征在于:所述第一超导材料层与所述第二超导材料层的材料选自Nb、NbN, NbTi及NbTiN中的至少一种。
6.一种纳米超导量子干涉器件，至少包括平面超导结构及形成于所述平面超导结构表面的至少一条纳米线，其特征在于: 所述平面超导结构包括衬底及分立形成于所述衬底表面的第一超导材料层及第二超导材料层； 所述第一超导材料层与所述第二超导材料层之间形成有绝缘夹层；所述第二超导材料层与所述衬底之间形成有绝缘材料； 所述纳米线垂直于所述绝缘夹层并连接所述第一超导材料层与所述第二超导材料层，形成两个并联的纳米结。
7.根据权利要求6所述的纳米超导量子干涉器件，其特征在于:该器件包括一条绝缘夹层及两条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层与所述第二超导材料层分别形成与所述绝缘夹层的两侧并由所述纳米线连接。
8.根据权利要求6所述的纳米超导量子干涉器件，其特征在于:该器件包括一条绝缘夹层及两条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层与所述第二超导材料层分别形成与所述绝缘夹层的两侧并由所述纳米线连接；所述器件位于两条纳米线之间的区域形成有一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽将所述绝缘夹层隔断并贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。
9.根据权利要求6所述的纳米超导量子干涉器件，其特征在于:该器件包括两条绝缘夹层及一条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层一端形成于两条绝缘夹层之间、另一端向外延伸；所述第二超导材料层具有一“U”型部及形成于该U”型部闭合端的尾部；所述“U”型部张开的侧翼端部分别位于两条绝缘夹层外侧，所述第一超导材料层位于两条绝缘夹层之间的端部与所述第二超导材料层的U”型部闭合端之间形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。
10.根据权利要求6所述的纳米超导量子干涉器件，其特征在于:该器件包括两条绝缘夹层及一条垂直于所述绝缘夹层的纳米线；所述第一超导材料层形成于两条绝缘夹层之间；所述第二超导材料层为一矩形回路环，所述矩形环的一对侧边分别位于两条绝缘夹层外侧、另一对侧边分别与所述第一超导材料层之间形成一凹槽或通槽；所述凹槽或通槽贯穿所述第一超导材料层及第二超导材料层。
11.根据权利要求6~10任意一项所述的纳米超导量子干涉器件，其特征在于:所述绝缘夹层的厚度范围是I~10 nm。
【文档编号】H01L39/24GK103762302SQ201410035658
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】陈垒, 王镇 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所