一种平面约瑟夫森结的制备方法

1.本发明属于超导电子学器件制备技术领域，具体的说，是涉及一种平面约瑟夫森结的制备方法。


背景技术：

2.现代超导电子学领域快速发展，其基本器件——超导约瑟夫森结是进行其他超导电子学领域研究的基础，因此如何实现高质量、可重复的超导约瑟夫森结的制备成为人们关注的焦点。目前应用在超导电路中的约瑟夫森结主要分为垂直型约瑟夫森结和平面型约瑟夫森结两种。其中垂直型约瑟夫森结是在垂直方向沉积不同性质的薄膜，由此实现超导约瑟夫森效应。而平面型约瑟夫森结则是在平面上改变薄膜的性质，从而使器件在平面上具有超导约瑟夫森效应。这两种类型的约瑟夫森结在结构上不同，因此制备和应用上都有各自的特点。其中垂直型约瑟夫森结需要控制在垂直方向薄膜的厚度，这样在制备起来较为简单，但是在多个器件连接上则较为困难，需要使用外部电路结构进行连接；而平面型约瑟夫森结在平面上就可以实现多个器件的电连接，不需要外部电路结构，但是由于约瑟夫森结结构特性，其中间势垒层必须小于超导相干长度，因此其制备较为困难。根据研究目的的不同，可使用不同类型的约瑟夫森结。
3.随着科学技术的发展，集成电路中器件的平面化成为其发展的主要方向，为更好的实现超导电子学器件在集成电路中的应用，平面型约瑟夫森结成为超导电路研究的主要方向。目前已有很多制备平面约瑟夫森结的方法，这些方法都可以制备出具有科研价值的平面约瑟夫森结，但是这些制备方法都不适用于多器件超导电路的制备。例如：在1975年，arrington等人通过离子注入的方式在nb薄膜中注入离子从而实现约瑟夫森结的制备，但是这种制备方法需要使用特殊的制备仪器，同时注入离子的稳定性需要进一步研究。在1996年，在双晶衬底上沉积高温超导体钇钡铜氧实现了平面约瑟夫森结的制备，但是这种制备方法对衬底有特殊的要求，同时也只能在特定位置进行制备，提高了电路设计的难度。在2020年，提出使用扫描电子显微镜改变材料性质的方法制备平面约瑟夫森结，这种制备方法需要花费较长的时间，同时只能使用特定的材料进行制备，并不适用于多器件的制备。在2021年，将铁磁体放置在超导体上利用逆近邻效应实现了平面约瑟夫森结，这种制备方法只能在特定位置进行器件制备。根据以上对平面约瑟夫森结制备方法的研究可以看出，目前已有的平面约瑟夫森结的制备方法都有其局限性，不能进行器件制备位置的设计，也不能对多个器件进行同时制备，限制了平面约瑟夫森结在多器件超导电路中的应用。为解决这一问题，需要一种能够对器件制备位置进行设计，并且具有简便、可重复性高、花费少的平面约瑟夫森结的制备方法。


技术实现要素：

4.本发明针对目前制备平面约瑟夫森结流程复杂、花费昂贵且不适用于多器件超导电路制备的现状，提出了一种新型的平面约瑟夫森结的制备方法，该制备方法能够实现平
面约瑟夫森结的可控制备，工艺流程简单，不需要复杂和高精度设备，花费较少，同时制备过程具有自限性，可以保证制备器件的均匀性，并且可以通过改变电路结构的方式实现多个器件的同时制备，适用于多器件超导电路的加工生产。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
6.一种平面约瑟夫森结的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)在绝缘衬底上制备低粗糙度的超导金属薄膜；
8.(2)在所述超导金属薄膜表面通过微纳米加工引入缺陷；所述缺陷为通过减小厚度或掺杂，使设计位置的电阻大于超导金属薄膜的电阻；
9.(3)搭建快速开关电路，将所述快速开关电路连接到步骤(2)得到的所述超导金属薄膜的所述缺陷两侧；
10.(4)通过控制所述快速开关电路的输出信号对所述超导金属薄膜进行电迁移处理；使所述超导金属薄膜在所述缺陷位置处断开，且断开的宽度小于所述超导金属薄膜的超导相干长度，从而实现平面约瑟夫森结的可控制备。
11.进一步地，步骤(1)中的所述绝缘衬底为带有氧化层的硅片、al2o3、mgo、本征硅中的一种。
12.进一步地，步骤(1)中的所述超导金属薄膜由具有超导特性的金属制成。
13.进一步地，所述具有超导特性的金属为nb、al、pb以及nb基超导合金中的一种。
14.进一步地，步骤(1)中的所述超导金属薄膜的制备方法为电子束蒸镀、磁控溅射、脉冲激光沉积中的一种。
15.进一步地，步骤(1)中的所述超导金属薄膜的厚度为百纳米量级。
16.进一步地，步骤(1)中的所述低粗糙度是指所述超导金属薄膜的粗糙度带来的电阻变化小于所述微纳米加工引入缺陷带来的电阻变化。
17.进一步地，步骤(2)中的微纳米加工为离子束刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀、电感耦合等离子刻蚀中的一种。
18.进一步地，步骤(3)中的所述快速开关电路能够快速关断电流，以将输入信号整形为具有10ns量级下降时间的方波信号。
19.进一步地，步骤(4)中的控制所述快速开关电路的输出信号包括控制所述输出信号的幅值、频率、脉冲宽度和脉冲次数，以实现对电迁移过程的强度和次数的控制。
20.本发明的有益效果是：
21.本发明结合了微纳加工和快速开关电路技术，利用微纳加工的方法可以使器件制备在超导薄膜的设计位置，利用快速开关电路可以实现对电迁移过程的控制，将两者相结合可以实现在超导薄膜的设计位置进行平面约瑟夫森结的可控制备。利用本发明制备平面约瑟夫森结不需要使用高精度的微纳加工技术，利用目前流行的光刻和电子束曝光的微纳加工手段就足以完成，因此花费较少。同时，控制电迁移的参量就可以实现对电迁移过程的控制，从而实现超导薄膜断开宽度的控制，最终使其满足约瑟夫森结的结构要求。另外，由于使用了快速开关电路，因此可以通过改变电路结构的方法使其同时输出多路电流，实现对多个器件的同时制备。
22.综上，本发明设计的平面约瑟夫森结的制备方法具有很好的可重复性，在制备大规模集成电路上相对于其他方法具有更大的优势，降低了电路设计的难度；同时不需要使
用昂贵的加工设备，极大的降低了平面约瑟夫森结的制备成本。
附图说明
23.图1为本发明所提供的平面约瑟夫森结的制备方法流程图；其中，(a)为实施例中使用的绝缘衬底，(b)为在绝缘衬底上制备超导金属薄膜，(c)为在超导金属薄膜上制备掩膜，(d)为通过微纳加工的方法将设计好的图案转移到掩膜上，(e)为通过微纳加工的方法向超导薄膜中引入缺陷，(f)为清洗掉超导金属薄膜表面残余的掩膜，(g)为通过微纳加工的方法在引入缺陷的超导金属薄膜两侧形成金属电极，(h)为通过电迁移的方法将超导金属薄膜在引入缺陷的位置断开；
24.图2为本发明实施例1使用的超导金属薄膜的原子力显微镜图及超导电学示意图；其中，(a)为超导金属薄膜测试的原子力显微形貌图，(b)为(a)中剖面的形貌图，(c)为超导金属薄膜的超导转变温度测试图；
25.图3为本发明实施例1中完成微纳米加工后器件的光镜图；
26.图4为本发明实施例1中搭建的快速开关电路结构示意图；
27.图5为本发明实施例2的结果图；其中(a)为afm形貌图，(b)为(a)中横线的剖面图；
28.图6为本发明实施例3的结果图；其中(a)为afm形貌图，(b)为(a)中横线的剖面图；
29.图7为本发明实施例4的结果图；其中(a)为afm形貌图，(b)为(a)中横线的剖面图；
30.图8为本发明实施例5的结果图；其中(a)为afm形貌图，(b)为(a)中横线的剖面图；
31.图9为本发明实施例6和7的结果图；其中(a)为实施例6的afm形貌图，(b)为实施例7的afm形貌图，(c)为(a)中横线的剖面图，(d)为(b)中横线的剖面图；
32.图10为本发明实施例8的结果图；其中(a)为afm形貌图，(b)为(a)中横线的剖面图。
具体实施方式
33.如图1所示，本实施例公开了一种平面约瑟夫森结的制备方法，包括如下制备过程：首先，在绝缘衬底上制备低粗糙度的超导金属薄膜。然后，在超导金属薄膜表面通过微纳米加工在设计位置引入缺陷；所述缺陷为减小厚度或掺杂的方式增大设计位置的电阻，使设计位置的电阻先对于超导金属薄膜的电阻增大。之后，搭建快速开关电路，将快速开关电路连接到超导金属薄膜的缺陷两侧。最后，通过控制快速开关电路的输出信号，使超导金属薄膜在缺陷位置处断开，且断开的宽度小于超导金属薄膜的超导相干长度，从而实现平面约瑟夫森结的可控制备。
34.其中，绝缘衬底可以是带有氧化层的硅片、al2o3、mgo、本征硅等具有电绝缘特性的材料，用于在电处理中可以保持绝缘的状态。
35.其中，超导金属薄膜可以是nb、al、pb以及nb基超导合金等具有超导特性的金属制成。
36.其中，超导金属薄膜的制备方法为电子束蒸镀、磁控溅射、脉冲激光沉积等能够制备出具有较高超导质量和较平整表面的金属薄膜制备方法，以保证制备的薄膜具有接近薄膜材料本身的超导特性。
37.其中，超导金属薄膜的厚度优选为百纳米量级。
38.其中，低粗糙度是指超导金属薄膜的粗糙度带来的电阻变化小于所述微纳米加工引入缺陷带来的电阻变化，从而保证器件在引入缺陷的位置处制成。
39.其中，微纳米加工可以为离子束刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀、电感耦合等离子刻蚀等方法，从而使超导金属薄膜设计位置的电阻发生增大，由此确定约瑟夫森结势垒区的位置，并且引入缺陷导致的电阻增大的越多越有利于器件制备。
40.其中，快速开关电路是指具有快速关断电流，能够将输入信号整形为具有较短下降时间的方波信号的电路。其中，方波信号的下降时间在10ns量级。电路可以通过设计电路结构或者使用集成芯片进行搭建。
41.其中，控制快速开关电路的输出信号，从而实现对电迁移过程的控制，使超导金属薄膜在缺陷位置处断开，从而实现平面约瑟夫森结的制备。控制快速开关电路的输出信号，即同时控制输出信号的幅值、频率、脉冲宽度以及脉冲次数，实现对电迁移过程的强度和次数的控制。
42.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，以下将结合实施例与附图来详细说明。以下实例可以使专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
43.实施例1
44.1、根据金属nb的特性，使用磁控溅射在si/sio2衬底上沉积100nm厚度的nb薄膜，通过调控参数实现表面粗糙度低、超导特性好的薄膜样品。
45.首先对si/sio2衬底进行清洗，将衬底分别放入丙酮、无水乙醇溶液中超声30min，最后在去离子水中超声15min，利用干净的氮气进行吹干，最后放入烘箱将其烘干。
46.将清洗过的衬底样品放入磁控溅射系统，抽真空到本底真空，然后通过调控沉积参数得到厚度为100nm的nb薄膜样品，得到的薄膜表面粗糙度和超导转变特性如图2所示。从图2可以看出，制备的超导金属薄膜表面较为平整，表面起伏在
±
1nm，且通过对其超导特性的测试发现，制备的超导nb薄膜的超导转变温度接近nb块体的超导转变温度，证明制备的超导金属薄膜符合本发明制备平面约瑟夫森结的要求。
47.2、利用微纳米加工对nb薄膜样品进行预处理，人为引入缺陷。先利用微纳加工的方法将设计好的缺陷图案转移到nb薄膜上，缺陷图案以外区域利用掩膜进行保护，之后利用反应离子刻蚀的方法将缺陷图案位置的金属薄膜厚度减薄，从而将其电阻增大。为之后使用快速开关进行电迁移处理的过程打下基础。
48.利用光刻和电子束蒸镀在金属薄膜上得到标记点。利用电子束曝光工艺在金属薄膜上标记点的位置附近进行微纳米加工，将缺陷图案转移到金属薄膜上，缺陷图案以外区域利用掩膜进行保护，本实施例所设计的缺陷图案的宽度为200nm，长为10μm。利用反应离子刻蚀的方法刻蚀缺陷图案的nb薄膜，人为在nb薄膜中引入缺陷，增大缺陷图案区域的电阻。最后利用光刻和反应离子刻蚀的方法定义电极，将引入缺陷的位置定义为器件势垒层。图3为微纳米加工后样品的光镜图，如图3所示，其中数字和字母为样品编号，十字结构为电子束曝光的标记点，细条区域为通过微纳米加工引入缺陷区域，细条两侧的正方形结构为电极结构。
49.3、利用栅极驱动芯片进行快速开关电路的搭建，并通过快速开关对电迁移过程进行控制，从而进行平面约瑟夫森结的制备。
50.在本实施例中利用栅极驱动器ucc27511a进行快速开关电路的搭建，使用学生电
源作为外部电源供电，利用延迟发生器dg645作为波形输入，将快速开关的输出信号连接到样品的nb薄膜上使用电迁移进行器件制备，最终构建的快速开关电路结构如附图4所示。得到输出信号的下降沿在10ns量级，可以更好的控制电迁移的过程。以上构建的快速开关电路可以在4.5-18v之间工作，峰值可通过4a大小的电流，足以进行电迁移。
51.以上设计的快速开关电路可以对输出信号的幅值、脉宽、频率以及个数进行控制。以下的实施例中改变快速开关电路输出信号的幅值、脉冲宽度、脉冲频率以及脉冲次数观察对薄膜断开宽度的控制，最后设定参数使薄膜断开的宽度达到50nm，使其符合约瑟夫森结的结构要求。以下实施例均在上面所述的微纳米加工处理后的超导nb薄膜和构建的快速开关电路上进行。
52.实施例2
53.设置快速开关输出方波幅值为7v，方波脉宽为10μs，方波频率为1hz，方波个数为50个，得到的结果如附图5所示，其中(a)图为对引入缺陷位置进行电迁移后的形貌图，图中长条状结构为nb薄膜，深色区域为引入缺陷进行电迁移的区域，(b)图为(a)图中横线的剖线图。这里得到势垒区宽度为115nm。
54.实施例3
55.设置快速开关输出方波幅值为15v，方波脉宽为10μs，方波频率为1hz，方波个数为50个，得到的结果如附图6所示，其中(a)图为对引入缺陷位置进行电迁移后的形貌图，图中长条状结构为nb薄膜，深色区域为引入缺陷进行电迁移的区域，(b)图为(a)图中横线的剖线图。这里得到势垒区宽度为140nm。
56.根据实施例2和实施例3可以看出，增大快速开关电路输出脉冲的幅值可以增强电迁移过程的效果，从而使超导金属薄膜断开宽度增加。
57.实施例4
58.设置快速开关输出方波幅值为15v，方波脉宽为100μs，方波频率为10hz，方波个数为10个，得到的结果如附图7所示，其中(a)图为对引入缺陷位置进行电迁移后的形貌图，图中长条状结构为nb薄膜，深色区域为引入缺陷进行电迁移的区域，(b)图为(a)图中横线的剖线图。这里得到势垒区宽度为1.5μm。
59.实施例5
60.设置快速开关输出方波幅值为15v，方波脉宽为500ns，方波频率为10hz，方波个数为10个，得到的结果如附图8所示，其中(a)图为对引入缺陷位置进行电迁移后的形貌图，图中长条状结构为nb薄膜，深色区域为引入缺陷进行电迁移的区域，(b)图为(a)图中横线的剖线图。这里得到势垒区宽度为400nm。
61.根据实施例4和实施例5可以看出，增大快速开关电路输出脉冲的脉冲宽度，可以增强电迁移过程的效果，从而使超导金属薄膜断开宽度增加。
62.实施例6
63.设置快速开关输出脉冲为幅值为7v，脉冲宽度为10μs，脉冲频率为10hz，脉冲个数为50个的方波脉冲信号，得到的结果如附图9(a)和(c)所示，其中(a)图为对引入缺陷位置进行电迁移后的形貌图，图中长条状结构为nb薄膜，深色区域为引入缺陷进行电迁移的区域，(c)图为(a)图中横线的剖线图，可以测得超导金属薄膜断开宽度为110nm。
64.实施例7
65.设置快速开关输出脉冲为幅值为7v，脉冲宽度为10μs，脉冲频率为1hz，脉冲个数为50个的方波脉冲信号，得到的结果如附图9(b)和(d)所示，其中(a)图为对引入缺陷位置进行电迁移后的形貌图，图中长条状结构为nb薄膜，深色区域为引入缺陷进行电迁移的区域，(c)图为(a)图中横线的剖线图，可以测得超导金属薄膜断开宽度为120nm。
66.根据实施例6和实施例7可以看出，增加快速开关电路输出脉冲的脉冲频率，可以降低电迁移过程的效果，从而使超导金属薄膜断开宽度减小。
67.实施例8
68.根据以上对快速开关输出信号对薄膜断开宽度影响的研究，设置快速开关输出脉冲为幅值为10v，脉冲宽度为1μs，脉冲频率为10hz，脉冲次数为90次的方波脉冲信号，得到的结果如附图10所示，其中(a)图为对引入缺陷位置进行电迁移后的形貌图，图中长条状结构为nb薄膜，深色区域为引入缺陷进行电迁移的区域，(b)图为(a)图中横线的剖线图，可以测得超导金属薄膜断开宽度为50nm。
69.根据以上实施例可以看出，控制快速开关输出信号的幅值可以对薄膜断开宽度进行控制，且幅值越大薄膜断开宽度越大；控制快速开关输出信号的脉冲宽度可以对薄膜断开宽度进行控制，且脉冲宽度越大，薄膜断开宽度越大；控制快速开关输出信号的脉冲频率可以对薄膜断开宽度进行控制，在1-10hz范围内增高频率可以使薄膜断开宽度在一定范围内减小。
70.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。