[發(fā)明專利]一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410035658.6
• 申請日: 2014-01-24
• 公開（公告）號: CN103762302A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳壘;王鎮(zhèn)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: H01L39/24
• 分類號: H01L39/24;H01L39/22;B82Y40/00;B82Y10/00
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超導(dǎo)電子信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法。

背景技術(shù)

超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)是利用約瑟夫森（Josephson）效應(yīng)設(shè)計的極靈敏的磁傳感器，可用于探測小到10-15Tesla的磁場(相當(dāng)于地磁場的幾百億分之一),是目前為止檢測靈敏度最高的磁敏傳感器。SQUID磁強(qiáng)計主要應(yīng)用于物理、化學(xué)、材料、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域各種弱磁場的精確測量，因其突出的高靈敏度而不斷繼續(xù)普及應(yīng)用。納米超導(dǎo)量子干涉器件(NanoSQUID)是基于超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)發(fā)展起來的一種新型器件。它利用納米結(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隧穿結(jié)，使得超導(dǎo)環(huán)的面積可以得到大幅度的縮小，器件的最小可測自旋數(shù)相應(yīng)的得到大幅度的增加,從而提升了器件對于介觀至微觀尺寸的樣品的靈敏度。此外,它不但可以承受較大的臨界磁場，而且由于超導(dǎo)環(huán)面積較小從而不易受到外界磁場干擾，因此無須作單獨磁屏蔽隔離，可以與樣品直接耦合，在表征微觀樣品的磁屬性和探測微觀自旋中表現(xiàn)突出，在生物分子結(jié)構(gòu)研究，量子信息，新材料研究等多方面具備應(yīng)用前景。

目前國際上主要制備nanoSQUID的工藝是利用電子束曝光或者聚焦離子束刻蝕的方法在超導(dǎo)薄膜上直接刻畫超導(dǎo)環(huán)和納米結(jié)的平面結(jié)構(gòu)，雖然這種方法比較直接觀簡潔，但是存在一些缺點。首先，nanoSQUID的尺寸受到電子束曝光或者聚焦離子束刻蝕的限制，目前超導(dǎo)環(huán)直徑最小在五十納米附近，很難再往下突破達(dá)到真正的納米級別。其次，現(xiàn)在納米超導(dǎo)量子干涉器件存在臨界電流和磁通調(diào)制曲線深度較小問題，它和傳統(tǒng)SQUID相比距離較大。其中主要原因是大多臨界溫度較高的超導(dǎo)材料的相干長度較短，納米結(jié)的長度無法做到和其相干長度相當(dāng)，另一原因是納米結(jié)的厚度和超導(dǎo)環(huán)是通過同一超導(dǎo)薄膜加工出來的，超導(dǎo)環(huán)的厚度受到納米結(jié)的限制，超導(dǎo)電流在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)除納米結(jié)以外的區(qū)域仍然存在著相位梯度擴(kuò)散。

因此，提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法以解決現(xiàn)有技術(shù)中納米結(jié)長度無法做到和超導(dǎo)材料的相干長度相當(dāng)、超導(dǎo)環(huán)厚度受到納米結(jié)的限制從而導(dǎo)致器件性能降低的問題實屬必要。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中納米結(jié)長度無法做到和超導(dǎo)材料的相干長度相當(dāng)、超導(dǎo)環(huán)厚度受到納米結(jié)的限制從而導(dǎo)致器件性能降低的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種納米超導(dǎo)量子干涉器件的制作方法，至少包括以下步驟：

S1：提供一襯底，在所述襯底上生長第一超導(dǎo)材料層；

S2：在所述第一超導(dǎo)材料層表面形成光刻膠層并將所述光刻膠層圖案化，以將預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層表面暴露出來；

S3：刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層，暴露出所述襯底，并保留剩余光刻膠層；

S4：在步驟S3獲得的結(jié)構(gòu)正面及側(cè)面覆蓋一層絕緣材料；

S5：在所述絕緣材料上生長第二超導(dǎo)材料層，并使位于所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第二超導(dǎo)材料層的上表面與所述第一超導(dǎo)材料層上表面齊平；

S6：去掉所述第一超導(dǎo)材料層上表面所在平面以上的結(jié)構(gòu)，得到中間被植入至少一條絕緣夾層的平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

S7：在所述平面超導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成至少一條與所述絕緣夾層垂直并連接所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層的納米線，從而形成兩個并聯(lián)的納米結(jié)，得到納米超導(dǎo)量子干涉器件。

可選地，于所述步驟S3中，刻蝕掉所述預(yù)設(shè)區(qū)域的第一超導(dǎo)材料層并暴露出所述襯底后進(jìn)一步過刻蝕，在所述襯底中形成一凹陷區(qū)域；于所述步驟S4中，所述絕緣材料位于所述凹陷區(qū)域的部分剛好填滿所述凹陷區(qū)域。

可選地，所述絕緣夾層的厚度范圍是1～10nm。

可選地，所述襯底的材料選自MgO、藍(lán)寶石、Si₃N₄、Al₂O₃及SiO₂中的至少一種。

可選地，所述第一超導(dǎo)材料層與所述第二超導(dǎo)材料層的材料選自Nb（鈮）、NbN（氮化鈮）、NbTi（鈮鈦）及NbTiN（鈮鈦氮）中的至少一種。