氮化鈮薄膜的制備方法、squid器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)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】
[0002]在一個超導環(huán)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所不，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(fā)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μΦ 0/HzV2量級(I ΦO = 2.07 X 10-15Wb)，磁場靈敏度在fT/HzV2量級(IfT= I X 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(tǒng)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。
[0003]SQUID器件主要包括約瑟夫森結和超導環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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 Applicat1ns 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(qū)，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。
[0004]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(fā)明內容】

[0005]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發(fā)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。
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)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。
[0007 ]優(yōu)選地，所述襯底為(200)晶向的氧化鎂襯底。
[0008]優(yōu)選地，所述氮化鈮薄膜的制備條件如下:壓強為0.25pa、電流為2.2A?5.5A、氬氣和氮氣成分比為30:4?30:8。
[0009]為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種SQUID器件的制備方法，所述SQUID器件的制備方法至少包括:
[0010]步驟S1:提供一襯底，于所述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；
[0011]步驟S2:刻蝕所述第一氮化鈮材料層、所述第一絕緣材料層、所述第二氮化鈮材料層的三層薄膜結構，以形成底電極圖形；
[0012]步驟S3:刻蝕所述第二氮化鈮材料層以形成約瑟夫森結；
[0013]步驟S4:在露出的所述第一絕緣材料層及所述襯底上形成第二絕緣材料層；
[0014]步驟S5:在所述第二絕緣材料層上制備旁路電阻；
[0015]步驟S6:沉積第三氮化鈮材料層，并刻蝕所述第三氮化鈮材料層以露出所述旁路電阻，以形成頂電極。
[0016]優(yōu)選地，所述襯底包括硅襯底、氧化鎂襯底或藍寶石襯底。
[0017]更優(yōu)選地，所述氧化鎂襯底的晶向為(200)。
[0018]優(yōu)選地，采用直流濺射方式在壓強為0.25pa、電流為2.2A?5.5A、氬氣和氮氣成分比為30:4?30:8的條件下制備所述第一氮化鈮材料層及所述第二氮化鈮材料層。
[0019]優(yōu)選地，米用直流派射方式在壓強為0.5pa、電流為0.2A?0.5A、氬氣和氮氣成分比為0:30?5:30的條件下制備所述第一絕緣材料層。
[0020]更優(yōu)選地，所述第一絕緣材料層的材質為氮化鋁、氧化鋁或氧化鎂。
[0021 ]優(yōu)選地，所述第二絕緣材料層的材質為氧化硅或二氧化硅。
[0022]為實現上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種SQUID器件，采用上述方法制備，所述SQUID器件至少包括:
[0023]襯底，制備于所述襯底上的超導環(huán)，制備于所述襯底上并嵌于所述超導環(huán)的環(huán)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;其中，所述超導環(huán)、所述底電極和所述對電極的材質為氮化鈮。
[0024]如上所述，本發(fā)明的氮化鈮薄膜的制備方法、SQUID器件及其制備方法，具有以下有益效果:
[0025]本發(fā)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，通過采用氮化鈮材料提高SQUID器件的工作溫度，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。
【附圖說明】
[0026]圖1顯示為現有技術中的超導量子干涉器件的結構及工作原理示意圖。
[0027]圖2顯示為本發(fā)明的氮化鈮薄膜及第一氮化鈮材料層、第一絕緣材料層、第二氮化鈮材料層的三層薄膜結構的X射線衍射圖譜。
[0028]圖3顯示為本發(fā)明的氮化鈮薄膜的電阻-溫度特性曲線。
[0029]圖4、圖6?圖10顯示為本發(fā)明的SQUID器件的制備流程示意圖。
[0030]圖5顯示為本發(fā)明的第一氮化鈮材料層、第一絕緣材料層、第二氮化鈮材料層的三層薄膜結構的橫截面透射電子顯微鏡示意圖。
[0031 ]圖11顯示為本發(fā)明的SQUID器件示意圖。
[0032]圖12顯示為本發(fā)明的約瑟夫森結的電流電壓特性曲線。
[0033]圖13顯示為本發(fā)明的SQUID器件的磁場調制曲線。
[0034]圖14顯示為本發(fā)明的SQUID器件的磁通噪聲曲線。
[0035]元件標號說明
[0036]I超導量子干涉器件
[0037]2SQUID 器件
[0038]21襯底
[0039]22第一氮化鈮材料層(底電極)
[0040]23第一絕緣材料層
[0041]24第二氮化鈮材料層(對電極)
[0042]25第二絕緣材料層
[0043]26旁路電阻
[0044]27第三氮化鈮材料層(配線)
[0045]28超導環(huán)
[0046]29約瑟夫森結
[0047]SI ?S6步驟
【具體實施方式】
[0048]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加