[發明專利]一種利用緩沖層優化硅襯底上氮化鈮薄膜超導性能的方法

有效

• 申請號: 201310191941.3
• 申請日: 2013-05-22
• 公開（公告）號: CN103276365A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 賈小氫;康琳;涂學湊;顧敏;楊小忠;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 蘇州威世朋知識產權代理事務所(普通合伙) 32235
• 代理人: 楊林潔

技術領域

本發明涉及制備超導氮化鈮薄膜的領域，具體是一種利用緩沖層優化硅襯底上氮化鈮薄膜超導性能的方法。

背景技術

氮化鈮薄膜是一種性能優異的超導薄膜，在量子通訊、太赫茲檢測等領域具有不可替代的地位，已廣泛應用于制備太赫茲熱電子測幅熱儀、超導約瑟夫森結、超導單光子探測器等器件。目前使用的氮化鈮薄膜主要制備于氧化鎂和高阻硅兩種基片上，氧化鎂襯底和氮化鈮的晶格失配較小，因此可以生長出外延的氮化鈮薄膜，超導性能優異，但氧化鎂基片易于水解，在其上面制備的氮化鈮薄膜及基于其的器件在使用壽命和穩定性上受到限制。在高阻硅襯底上制備的氮化鈮薄膜，在后繼加工（如進一步制備諧振腔，提高芯片性能）和與硅工藝集成等方面具有優勢，但由于晶格失配較大，薄膜具有多晶性質，導致超導性能會有較大的降低。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種利用緩沖層優化硅襯底上氮化鈮薄膜超導性能的方法。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為一種利用緩沖層優化硅襯底上氮化鈮薄膜超導性能的方法，包括如下步驟：

（1）在高阻硅襯底上，通過磁控濺射六氮五鈮薄膜作為緩沖層；

（2）在真空室中原位磁控濺射氮化鈮薄膜。

進一步的，所述六氮五鈮薄膜的厚度為25-100nm。優選的，所述六氮五鈮薄膜的厚度為40nm。

進一步的，所述步驟（1）中，六氮五鈮薄膜的制備條件為：金屬鈮靶的純度為99.999%，靶與襯底的距離為55mm，濺射功率為350W，濺射氣壓為2Pa，濺射過程中氬氣為工作氣體，氮氣作為反應氣體，真空氣壓不大于2×10^-5?Pa，氮氣和氬氣的流速分別為40sccm和10sccm，沉積速率為10nm/min。

進一步的，所述步驟（2）中，氮化鈮薄膜的制備條件為：金屬鈮靶的純度為99.999%，靶與襯底的距離為55mm，濺射電流為0.65A，濺射氣壓為0.27Pa，濺射過程中氬氣為工作氣體，氮氣作為反應氣體，真空氣壓不大于2×10^-5?Pa，氮氣和氬氣的流速分別為5sccm和40sccm，沉積速率為48nm/min。

有益效果：本發明在高阻硅襯底上，通過磁控濺射六氮五鈮薄膜緩沖層，明顯提高了氮化鈮薄膜的超導性能，特別在超薄薄膜性能上提高更加明顯。本發明也可推廣到其他基片上提高氮化鈮薄膜的超導性能，簡單易行，效果明顯。

附圖說明

圖1為六氮五鈮薄膜的電阻溫度曲線圖；

圖2（a）為氮化鈮薄膜在兩種硅襯底上超導轉變溫度與薄膜厚度的關系圖，圖2（b）為氮化鈮薄膜在三種襯底上超導臨界電流密度與薄膜厚度的關系圖；

圖3（a）為高阻硅上40nm六氮五鈮薄膜AFM照片，圖3（b）為高阻硅上40nm六氮五鈮薄膜加6nm氮化鈮薄膜的AFM照片。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

經過基片清洗和離子洗，先在高阻硅襯底上磁控濺射一層厚度為25-100nm（優選約40nm）的六氮五鈮薄膜，所用濺射條件如表1所示。如圖1所示，我們測量制備的這種六氮五鈮薄膜的電阻溫度曲線發現，其具有半導體性能，不會使氮化鈮薄膜超導性能退化。

在制備六氮五鈮薄膜作為緩沖層后，直接在真空室中原位磁控濺射氮化鈮薄膜，制備條件如表2所示。