[發明專利]氮化鈮薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201511018443.4
• 申請日: 2015-12-29
• 公開（公告）號: CN105449094B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 劉全勝;王會武;張棲瑜;應利良;王鎮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L39/12
• 分類號: H01L39/12;H01L39/22;H01L39/24
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 余明偉

本發明提供一種氮化鈮薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法，包括：在襯底上采用磁控濺射方式依次外延生長第一氮化鈮材料層、第一絕緣材料層、第二氮化鈮材料層的三層薄膜結構；通過刻蝕形成底電極圖形；形成約瑟夫森結；沉積第二絕緣材料層；制備旁路電阻；沉積第三氮化鈮材料層，并形成頂電極。該SQUID器件包括：襯底，制備于所述襯底上的超導環，制備于所述襯底上并嵌于所述超導環的環路上的約瑟夫森結，所述約瑟夫森結包括底電極、絕緣材料層和對電極。本發明提供一種制備高質量氮化鈮薄膜的方法，并在此基礎上制備出基于氮化鈮/氮化鋁/氮化鈮約瑟夫森結的SQUID器件，使得SQUID器件可以在高于4.2K的溫度下工作，降低了超導SQUID器件的制冷成本。

技術領域

本發明涉及超導量子干涉器件領域，特別是涉及一種氮化鈮薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法。

背景技術

在一個超導環中插入兩個約瑟夫森結構成了超導量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)，如圖1所示，它是基于約瑟夫森效應和磁通量子化原理的一種超導量子器件。SQUID器件的超導臨界電流隨著SQUID器件所感應的磁通而呈現周期性的變化，當SQUID器件的偏置電流大于器件的最大臨界電流時，SQUID器件兩端產生電壓，這個電壓數值也隨著SQUID器件所感應的磁通量呈現周期性的變化。將SQUID器件與磁通鎖定電路連接配合工作，即可以建立SQUID器件輸出電壓與其感應磁通量的線性關系，因此，SQUID器件可以看作一個磁通傳感器。經過對SQUID器件的制備工藝、器件結構和物理特性的多年研究，低溫SQUID器件已經發展成為最靈敏的磁通傳感器，在液氦溫度(4.2K)下，典型低溫SQUID器件的磁通噪聲在μΦ0/Hz^1/2量級(1Φ0＝2.07×10-¹⁵Wb)，磁場靈敏度在fT/Hz^1/2量級(1fT＝1×10^-15T)。由于低溫SQUID器件具有極高的靈敏度，基于SQUID器件的探測系統在生物磁場檢測、材料無損檢測、低場核磁共振、地球物理磁場探測等領域都取得很大的進展。

SQUID器件主要包括約瑟夫森結和超導環結構，SQUID器件特性與這些結構的性質密切相關，例如，約瑟夫森結決定了SQUID器件的臨界電流數值和回滯特性等，超導環的形狀和尺寸影響SQUID器件的電感參數的數值，因此，制備高質量約瑟夫森結和超導環是制備低溫SQUID器件的基礎和關鍵。在高質量的單層超導薄膜上，利用光刻和刻蝕等微加工工藝能夠制備出超導環結構。由于約瑟夫森結通常采用超導體-絕緣體-超導體這種多層薄膜結構，其中絕緣層的厚度很薄，一般在納米厚度的量級，因此制備高質量的約瑟夫森結需要高質量的超導-絕緣-超導三層膜結構。目前，低溫SQUID器件主要是基于Nb/AlOx/Nb三層膜結構利用微加工工藝制備而成，Nb薄膜的超導臨界溫度是9.2K左右，根據超導約瑟夫森結臨界電流與溫度的關系(Physics and Applications of the Josephson Effect，chapter3)，由Nb約瑟夫森結制備的SQUID器件的工作溫度是在4.2K的液氦溫區，這種制冷需求從經濟和技術層面限制了低溫SQUID器件的實際應用。

因此，如何提高SQUID器件的工作溫度，進而減小了器件制冷的經濟成本和技術要求已成為本領域技術人員亟待解決的問題之一。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種氮化鈮薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法，用于解決現有技術中SQUID器件的工作溫度低，從而在經濟和技術層面限制了低溫SQUID器件的實際應用的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種氮化鈮薄膜的制備方法、所述氮化鈮薄膜的制備方法至少包括：提供一襯底，在所述襯底上采用直流磁控濺射的方式外延生長氮化鈮薄膜。

優選地，所述襯底為(200)晶向的氧化鎂襯底。