[發(fā)明專利]一種硅基氮化鈮薄膜超導(dǎo)材料及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310058854.0
• 申請(qǐng)日: 2013-02-25
• 公開（公告）號(hào): CN103165811A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇曉東;張婧嬌;鄭磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L39/12
• 分類號(hào): H01L39/12;H01L39/24;C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 唐靈;常亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超導(dǎo)材料制作領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基氮化鈮薄膜超導(dǎo)材料及其制作方法。

背景技術(shù)

NbN（氮化鈮）薄膜是各種超導(dǎo)器件的核心材料，如超導(dǎo)隧道結(jié)（Superconducting?tunnel?junction）、熱電子測(cè)輻射熱儀（HEB，Hot?Electron?Bolometer）、超導(dǎo)單光子探測(cè)器件（SSPD，Superconducting?Single?Photon?Detector）等。通常，NbN薄膜采用真空磁控濺射技術(shù)制備于MgO單晶基片，主要的考慮是NbN和MgO的晶格失配度較小（~4%），所生長(zhǎng)的NbN薄膜超導(dǎo)性能較好。然而，MgO單晶基片價(jià)格較高、后續(xù)器件的微納加工工藝不成熟、而且器件工作在高頻時(shí)損耗很高。和MgO基NbN薄膜相比，在硅單晶上生長(zhǎng)NbN薄膜，面心立方NbN（a=4.41）和金剛石結(jié)構(gòu)Si（100）（a=5.43）的晶格失配度高達(dá)18.8%，導(dǎo)致硅基NbN薄膜的超導(dǎo)性能有嚴(yán)重下降，但是硅基NbN薄膜的主要優(yōu)勢(shì)在于：工作在THz頻段損耗極低；微納加工工藝技術(shù)成熟；成本較低。

為解決這一難題，已有的研究主要通過使用過渡層的方法來改善Si和NbN之間的界面特性，如在硅基材料表面制作SiC、AlN、SiO₂等作為過渡層。但是，這些材料有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)：一是晶體結(jié)構(gòu)和晶格失配度仍較大；二是這些材料的組成元素如果擴(kuò)散到NbN薄膜，會(huì)降低NbN薄膜的超導(dǎo)性能。因此，現(xiàn)有的Si基NbN超薄薄膜相比MgO基NbN超薄薄膜的超導(dǎo)性能仍有差距，探索更好的過渡層材料制備Si基NbN薄膜，從而提高其超導(dǎo)性能，對(duì)于拓展NbN超導(dǎo)薄膜的材料設(shè)計(jì)和使用范圍十分有意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于Si基的NbN薄膜超導(dǎo)材料及其制作方法，該薄膜材料不僅可以改善NbN和Si的晶格匹配程度，同時(shí)不會(huì)影響NbN的超導(dǎo)特性，從而擴(kuò)展了Si基NbN超導(dǎo)材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

根據(jù)上述目的提出的一種硅基氮化鈮薄膜超導(dǎo)材料，包括拋光硅單晶基底、位于該硅單晶基底上的氮化鈦過渡層，以及位于該氮化鈦過渡層上的氮化鈮層。

優(yōu)選的，所述拋光硅單晶基底的晶面取向?yàn)椋?00）、（111）或（110）中的一種。

優(yōu)選的，所述氮化鈦過渡層的厚度為5nm-100nm。

優(yōu)選的，所述氮化鈮層的厚度為5nm-100nm。

同時(shí)，本發(fā)明還提出了一種硅基氮化鈮薄膜超導(dǎo)材料的制作方法：首先將硅單晶基底的表面拋光洗凈，然后在該硅單晶基底上制作氮化鈦過渡層，最后在該氮化鈦過渡層上利用直流磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)一層氮化鈮薄膜層得到所述硅基氮化鈮薄膜超導(dǎo)材料。

同時(shí)，本發(fā)明還提出了一種硅基氮化鈮薄膜超導(dǎo)材料的制作方法，包括步驟：

對(duì)單晶硅基底進(jìn)行清洗工作，將單晶硅基底使用HF酸去除表面氧化層，并使用酒精超聲清洗干凈；

將清潔的單晶硅基底放入預(yù)先安裝有高純鈦靶和高純鈮靶的磁控濺射真空腔；并開始抽真空，使本底真空達(dá)到10Pa-6Pa；

對(duì)硅基片進(jìn)行1-2分鐘離子清洗；

先后通入工作氣體氬氣（Ar）和反應(yīng)氣體氮?dú)猓∟₂），將單晶硅基片移動(dòng)到鈦靶的正下方；打開鈦靶的磁控濺射直流電源，調(diào)節(jié)電流、電壓直至氣體開始穩(wěn)定放電；

對(duì)鈦靶預(yù)濺射1-2分鐘后，打開基片擋板，開始在Si基片上沉積TiN薄膜；TiN薄膜控制在5nm-100nm；

將鍍有TiN過渡層的Si單晶基片移動(dòng)到鈮靶的正下方；調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器獲得合適的Ar：N2分壓比；打開鈮靶的磁控濺射直流電源，調(diào)節(jié)電流、電壓直至氣體開始穩(wěn)定放電；

對(duì)鈮靶預(yù)濺射2分鐘，打開基片擋板，開始在TiN過渡層上沉積NbN薄膜；NbN薄膜控制在5-100nm。

最后獲得具有TiN過渡層的硅基NbN薄膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）直接在Si基片上生長(zhǎng)NbN薄膜由于較大的晶格失配度導(dǎo)致NbN薄膜中存在一定厚度非超導(dǎo)的界面畸變層，嚴(yán)重降低NbN的超導(dǎo)性能。而TiN和NbN同屬面心立方結(jié)構(gòu)，而且晶格失配度較小，因此使用TiN過渡層大幅減小了NbN薄膜中的界面畸變層厚度，同時(shí)NbN結(jié)晶性得到改善，從而提高了其超導(dǎo)性能。