一種雙通道超導(dǎo)連接及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種雙通道超導(dǎo)連接及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)電路包括超導(dǎo)量子干涉器（SQUID)，單磁通量子器件（SFQ)等應(yīng)用超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的電路。超導(dǎo)量子干涉器件（superconducting quantum interference device，SQUID)是基于約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化原理的超導(dǎo)量子器件，它的基本結(jié)構(gòu)是在超導(dǎo)環(huán)中插入兩個(gè)約瑟夫森結(jié)，SQUID是目前已知的最靈敏的磁通探測(cè)傳感器，典型的SQUID器件的磁通噪聲在μ 〇。/抱1/2量級(jí)（1Φ。= 2. 07X 10 15Wb)，其磁場(chǎng)噪聲在fT/Hz1/2量級(jí)（lfT =1 X 10 15T)，由于其具有極高的靈敏度，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)心磁腦磁、材料探測(cè)、地球磁場(chǎng)、軍事、地震和考古等各方面，用其制備的磁通顯微鏡可從事基礎(chǔ)研究。
[0003]單磁通量子器件（Single Flux Quantum，SFQ)是利用約瑟夫森結(jié)內(nèi)的單個(gè)磁通量子來(lái)表示邏輯“1”和“0”的超導(dǎo)電路技術(shù)。以此為基礎(chǔ)的超導(dǎo)數(shù)字電路時(shí)鐘頻率可達(dá)770GHz，可用于雷達(dá)和通信系統(tǒng)的超寬帶模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、寬帶網(wǎng)絡(luò)交換器、射電天文的數(shù)字式自相關(guān)器以及超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等。因其具有速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，目前美國(guó)和日本均投入巨資進(jìn)行戰(zhàn)略研究。
[0004]在量子力學(xué)的概念里，當(dāng)兩塊金屬被一層薄的絕緣體分開(kāi)時(shí)，金屬之間可以有電流通過(guò)，通常把這種“金屬一絕緣體一金屬”的疊層稱(chēng)為隧道結(jié)，它們之間流動(dòng)的電流稱(chēng)為隧道電流。假如，在這種疊層三明治結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或者兩個(gè)金屬是超導(dǎo)體，則稱(chēng)為超導(dǎo)隧道結(jié)。根據(jù)Jos印hson效應(yīng)，在超導(dǎo)隧道結(jié)中，絕緣層具有超導(dǎo)體的一些性質(zhì)，但與常規(guī)超導(dǎo)體相比具有較弱的超導(dǎo)電性，被稱(chēng)為“弱連接超導(dǎo)體”。
[0005]如圖1所示為約瑟夫森結(jié)（Josephson Junction) 1的結(jié)構(gòu)示意圖，包括超導(dǎo)材料層11、13以及介于兩層超導(dǎo)材料層11、13之間的絕緣材料層12,其中所述絕緣材料層12的厚度很薄，通常在幾到十幾納米的厚度。如圖2所示為典型的約瑟夫森隧道結(jié)的電流-電壓（Ι-V)特性曲線，當(dāng)約瑟夫森結(jié)中的電流小于理想狀態(tài)下結(jié)的臨界電流I。時(shí)，約瑟夫森結(jié)兩端電壓始終為零，根據(jù)直流約瑟夫森效應(yīng)，此時(shí)的電流是由于庫(kù)珀（Cooper)對(duì)隧穿造成的超流；一旦電流超過(guò)理想狀態(tài)下結(jié)的臨界電流Ic，正常電子會(huì)參與到隧道效應(yīng)中，約瑟夫森結(jié)從零電阻狀態(tài)直接突變至正常電阻態(tài)，表現(xiàn)為結(jié)區(qū)電壓的突變?yōu)? △ /e ;反之，隨著電流減小，電壓的返回路徑跟隨另一條曲線，因此I-V曲線出現(xiàn)回滯。
[0006]超導(dǎo)電路一般由約瑟夫森結(jié)1和一些電阻、電感等相互搭配組成，有三層或以上超導(dǎo)層和兩層以上的絕緣層。如圖3所示為超導(dǎo)電路的局部俯視圖，其中，約瑟夫森結(jié)1通過(guò)配線和導(dǎo)通通道2與電感等器件連接。因?yàn)槿诤铣瑢?dǎo)物理和微電子技術(shù)，超導(dǎo)電路的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要考慮微小的變量造成的影響，包括電感大小匹配、電阻尺寸大小和阻值、每層薄膜的厚度、由金屬絕緣金屬造成的電容等。其中導(dǎo)通通道部分因?yàn)槠鋵訑?shù)較多，會(huì)寄生一定的電阻、電感和電容等，所以在超導(dǎo)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中尤其需要仔細(xì)考量。
[0007] 典型的超導(dǎo)器件的制備方法如下：首先在襯底上制備超導(dǎo)體-絕緣層-超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的三層薄膜；然后，在三層膜上刻蝕出底電極；接著，在約瑟夫森結(jié)的設(shè)計(jì)位置制備出約瑟夫森結(jié)；然后在器件表面上沉積SiO或Si02絕緣層并在絕緣層上制備出孔洞以備下一步超導(dǎo)薄膜的沉積，或用lift-off方法在約瑟夫森結(jié)上面制備出孔洞；再沉積SQUID器件中的約瑟夫森結(jié)的旁路電阻；最后，沉積配線層并進(jìn)行刻蝕工藝，以引出約瑟夫森結(jié)的頂電極。在應(yīng)用剝離工藝（lift-off)制備約瑟夫森結(jié)或者應(yīng)用打孔工藝時(shí)，先做底電極再定義結(jié)區(qū)，通常以較大的約瑟夫森結(jié)來(lái)做層間通道連接，因?yàn)檩^大的結(jié)擁有較大的臨界電流。如圖4及圖5所示分別為上述方法制備的單通道超導(dǎo)連接結(jié)構(gòu)的俯視圖及剖視圖，所述單通道超導(dǎo)連接3包括襯底31上的第一超導(dǎo)材料層，作為底電極32 ;位于第一超導(dǎo)材料層上的第一絕緣材料層，作為第一絕緣層33 ;位于第一絕緣材料層上的第二超導(dǎo)材料層，作為對(duì)電極34 ;位于第二超導(dǎo)材料層上的第三超導(dǎo)材料層，作為配線層35 ;以及包圍于所述單通道超導(dǎo)連接3四周的第二絕緣材料層，作為第二絕緣層36。其中底電極32、對(duì)電極34以及配線層35均采用同一超導(dǎo)材料制成。如圖4及圖5所示，絕緣層33覆蓋導(dǎo)通通道的整個(gè)孔徑，因此，電流依次流過(guò)底電極32、絕緣層33、對(duì)電極34和配線層35,由絕緣層33隔開(kāi)的底電極32和對(duì)電極34就形成了約瑟夫森結(jié)，電流在穿過(guò)該層是會(huì)產(chǎn)生約瑟夫森效應(yīng)，對(duì)整體電路信號(hào)產(chǎn)生影響。
[0008]因此，如何克服超導(dǎo)連接中的約瑟夫森效應(yīng)，提高超導(dǎo)電路器件的性能及其穩(wěn)定性已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種雙通道超導(dǎo)連接及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中單通道超導(dǎo)連接存在約瑟夫森效應(yīng)，對(duì)電路信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致超導(dǎo)器件性能及其穩(wěn)定性差等的問(wèn)題。
[〇〇1〇] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種雙通道超導(dǎo)連接的制備方法，所述雙通道超導(dǎo)連接的制備方法至少包括：
[0011]步驟S1 :提供一襯底，于所述襯底上依次制備第一超導(dǎo)材料層、第一絕緣材料層、第二超導(dǎo)材料層的三層薄膜結(jié)構(gòu)；
[0012]步驟S2 :刻蝕所述第二超導(dǎo)材料層和所述第一絕緣材料層，以露出部分所述第一超導(dǎo)材料層；
[0013]步驟S3 :旋涂光刻膠，刻蝕所述第一超導(dǎo)材料層及所述第二超導(dǎo)材料層，露出部分所述襯底及部分所述第一絕緣材料層，以于需要制備所述雙通道超導(dǎo)連接的位置形成所述雙通道超導(dǎo)連接的圖形，同時(shí)于需要制備約瑟夫森結(jié)的位置形成所述約瑟夫森結(jié)；
[0014]步驟S4 :于露出的所述第一絕緣材料層和所述襯底上形成第二絕緣材料層；
[0015]步驟S5 :沉積器件中的旁路電阻材料層，并刻蝕所述旁路電阻材料層以形成旁路電阻的圖形；
[0016]步驟S6 :沉積第三超導(dǎo)材料層，并刻蝕形成配線圖形。
[0017]優(yōu)選地，步驟S4進(jìn)一步包括：于需要制備所述約瑟夫森結(jié)及所述雙通道超導(dǎo)連接的位置上保留光刻膠，于所述第一絕緣材料層、所述光刻膠和所述襯底表面沉積第二絕緣材料層，去除所述光刻膠以露出所述約瑟夫森結(jié)及所述雙通道超導(dǎo)連接。
[0018]優(yōu)選地，步驟S4進(jìn)一步包括：去除所述光刻膠，于所述襯底、所述第一超導(dǎo)材料層、所述絕緣材料層、所述第二超導(dǎo)材料層表面沉積第二絕緣材料層，并刻蝕所述第二絕緣材料層，以露出所述約瑟夫森結(jié)及所述雙通道超導(dǎo)連接。
[0019]優(yōu)選地，步驟S5中，沉積所述旁路電阻材料層后再沉積第三絕緣材料層，然后再通過(guò)刻蝕形成所述旁路電阻的圖形。
[0020]更優(yōu)選地，步驟S5于步驟S6前執(zhí)行或步驟S5于步驟S6后執(zhí)行。
[0021]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種雙通道超導(dǎo)連接，所述雙通道超導(dǎo)連接包括：
[0022]并聯(lián)的第一通道及第二通道，其中，
[0023]所述第一通道包括位于襯底上的底電極，位于所述底電極上的絕緣材料層，位于所述絕緣材料層上的對(duì)電極；
[0024]所述第二通道為位于所述襯底上的純超導(dǎo)通道。
[0025]優(yōu)選地，還包括位于所述第一通道及所述第二通道上的配線層。
[0026]優(yōu)選地，所述底電極、所述對(duì)電極以及所述純超導(dǎo)通道的材質(zhì)為超導(dǎo)材料。
[0027]更優(yōu)選地，所述超導(dǎo)材料為鈮或氮化鈮。
[0028]優(yōu)選地，所述絕緣材料層的材質(zhì)為氧化鋁或氮化鋁。
[0029]如上所述，本發(fā)明的雙通道超導(dǎo)連接及其制備方法，具有以下有益效果：
[0030]本發(fā)明的雙通道超導(dǎo)連接及其制備方法通過(guò)改進(jìn)超導(dǎo)電路版圖，在制備層間超導(dǎo)通道時(shí)，并聯(lián)一個(gè)純的超導(dǎo)連接通道，這種層間超導(dǎo)連接通道克服了以往的連接通道的約瑟夫森效應(yīng)，提高了超導(dǎo)電路器件的性能及其穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1顯示為約瑟夫森結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。