氮化铌薄膜的制备方法、squid器件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超导量子干涉器件领域，特别是涉及一种氮化铌薄膜的制备方法、SQUID器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在一个超导环中插入两个约瑟夫森结构成了超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)，如图1所不，它是基于约瑟夫森效应和磁通量子化原理的一种超导量子器件。SQUID器件的超导临界电流随着SQUID器件所感应的磁通而呈现周期性的变化，当SQUID器件的偏置电流大于器件的最大临界电流时，SQUID器件两端产生电压，这个电压数值也随着SQUID器件所感应的磁通量呈现周期性的变化。将SQUID器件与磁通锁定电路连接配合工作，即可以建立SQUID器件输出电压与其感应磁通量的线性关系，因此，SQUID器件可以看作一个磁通传感器。经过对SQUID器件的制备工艺、器件结构和物理特性的多年研究，低温SQUID器件已经发展成为最灵敏的磁通传感器，在液氦温度(4.2K)下，典型低温SQUID器件的磁通噪声在μΦ 0/HzV2量级(I ΦO = 2.07 X 10-15Wb)，磁场灵敏度在fT/HzV2量级(IfT= I X 10—15T)。由于低温SQUID器件具有极高的灵敏度，基于SQUID器件的探测系统在生物磁场检测、材料无损检测、低场核磁共振、地球物理磁场探测等领域都取得很大的进展。
[0003]SQUID器件主要包括约瑟夫森结和超导环结构，SQUID器件特性与这些结构的性质密切相关，例如，约瑟夫森结决定了 SQUID器件的临界电流数值和回滞特性等，超导环的形状和尺寸影响SQUID器件的电感参数的数值，因此，制备高质量约瑟夫森结和超导环是制备低温SQUID器件的基础和关键。在高质量的单层超导薄膜上，利用光刻和刻蚀等微加工工艺能够制备出超导环结构。由于约瑟夫森结通常采用超导体-绝缘体-超导体这种多层薄膜结构，其中绝缘层的厚度很薄，一般在纳米厚度的量级，因此制备高质量的约瑟夫森结需要高质量的超导-绝缘-超导三层膜结构。目前，低温SQUID器件主要是基于Nb/AlOx/Nb三层膜结构利用微加工工艺制备而成，Nb薄膜的超导临界温度是9.2K左右，根据超导约瑟夫森结临界电流与温度的关系(Physics and Applicat1ns of the Josephson Effect,chapter3)，由Nb约瑟夫森结制备的SQUID器件的工作温度是在4.2K的液氦温区，这种制冷需求从经济和技术层面限制了低温SQUID器件的实际应用。
[0004]因此，如何提高SQUID器件的工作温度，进而减小了器件制冷的经济成本和技术要求已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
【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氮化铌薄膜的制备方法、SQUID器件及其制备方法，用于解决现有技术中SQUID器件的工作温度低，从而在经济和技术层面限制了低温SQUID器件的实际应用的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氮化铌薄膜的制备方法、所述氮化铌薄膜的制备方法至少包括:提供一衬底，在所述衬底上采用直流磁控溅射的方式外延生长氮化铌薄膜。
[0007 ]优选地，所述衬底为(200)晶向的氧化镁衬底。
[0008]优选地，所述氮化铌薄膜的制备条件如下:压强为0.25pa、电流为2.2A?5.5A、氩气和氮气成分比为30:4?30:8。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID器件的制备方法，所述SQUID器件的制备方法至少包括:
[0010]步骤S1:提供一衬底，于所述衬底上采用磁控溅射方式依次外延生长第一氮化铌材料层、第一绝缘材料层、第二氮化铌材料层的三层薄膜结构；
[0011]步骤S2:刻蚀所述第一氮化铌材料层、所述第一绝缘材料层、所述第二氮化铌材料层的三层薄膜结构，以形成底电极图形；
[0012]步骤S3:刻蚀所述第二氮化铌材料层以形成约瑟夫森结；
[0013]步骤S4:在露出的所述第一绝缘材料层及所述衬底上形成第二绝缘材料层；
[0014]步骤S5:在所述第二绝缘材料层上制备旁路电阻；
[0015]步骤S6:沉积第三氮化铌材料层，并刻蚀所述第三氮化铌材料层以露出所述旁路电阻，以形成顶电极。
[0016]优选地，所述衬底包括硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。
[0017]更优选地，所述氧化镁衬底的晶向为(200)。
[0018]优选地，采用直流溅射方式在压强为0.25pa、电流为2.2A?5.5A、氩气和氮气成分比为30:4?30:8的条件下制备所述第一氮化铌材料层及所述第二氮化铌材料层。
[0019]优选地，米用直流派射方式在压强为0.5pa、电流为0.2A?0.5A、氩气和氮气成分比为0:30?5:30的条件下制备所述第一绝缘材料层。
[0020]更优选地，所述第一绝缘材料层的材质为氮化铝、氧化铝或氧化镁。
[0021 ]优选地，所述第二绝缘材料层的材质为氧化硅或二氧化硅。
[0022]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID器件，采用上述方法制备，所述SQUID器件至少包括:
[0023]衬底，制备于所述衬底上的超导环，制备于所述衬底上并嵌于所述超导环的环路上的约瑟夫森结，所述约瑟夫森结包括底电极、绝缘材料层和对电极;其中，所述超导环、所述底电极和所述对电极的材质为氮化铌。
[0024]如上所述，本发明的氮化铌薄膜的制备方法、SQUID器件及其制备方法，具有以下有益效果:
[0025]本发明提供一种制备高质量氮化铌薄膜的方法，并在此基础上制备出基于氮化铌/氮化铝/氮化铌约瑟夫森结的SQUID器件，通过采用氮化铌材料提高SQUID器件的工作温度，使得SQUID器件可以在高于4.2K的温度下工作，降低了超导SQUID器件的制冷成本。
【附图说明】
[0026]图1显示为现有技术中的超导量子干涉器件的结构及工作原理示意图。
[0027]图2显示为本发明的氮化铌薄膜及第一氮化铌材料层、第一绝缘材料层、第二氮化铌材料层的三层薄膜结构的X射线衍射图谱。
[0028]图3显示为本发明的氮化铌薄膜的电阻-温度特性曲线。
[0029]图4、图6?图10显示为本发明的SQUID器件的制备流程示意图。
[0030]图5显示为本发明的第一氮化铌材料层、第一绝缘材料层、第二氮化铌材料层的三层薄膜结构的横截面透射电子显微镜示意图。
[0031 ]图11显示为本发明的SQUID器件示意图。
[0032]图12显示为本发明的约瑟夫森结的电流电压特性曲线。
[0033]图13显示为本发明的SQUID器件的磁场调制曲线。
[0034]图14显示为本发明的SQUID器件的磁通噪声曲线。
[0035]元件标号说明
[0036]I超导量子干涉器件
[0037]2SQUID 器件
[0038]21衬底
[0039]22第一氮化铌材料层(底电极)
[0040]23第一绝缘材料层
[0041]24第二氮化铌材料层(对电极)
[0042]25第二绝缘材料层
[0043]26旁路电阻
[0044]27第三氮化铌材料层(配线)
[0045]28超导环
[0046]29约瑟夫森结
[0047]SI ?S6步骤
【具体实施方式】
[0048]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