[发明专利]一种在MgO或Si衬底上超薄NbN超导薄膜的生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导超薄薄膜材料的制备方法，特别是一种在MgO或Si衬底上超薄NbN超导薄膜的生长方法。

背景技术

近十几年中，由于薄膜制备技术和微细加工技术的高速发展，大大促进了超导热电子器件迅速发展，例如，应用于太赫兹高端(1-8THz)检测技术中的超导热电子混频器(HEM)，在近红外、红外以及可见光频段应用中表现出性能优异的超导单光子检测器件(SSPD)等等。这些超导器件是基于超薄的几个纳米厚度的超导薄膜的技术，并且具有亚微米和纳米级的器件尺寸。对于HEM器件来讲，超薄薄膜的超导转变温度Tc、临界电流密度Jc决定了器件的检测性能指标，高的Tc和Jc可以获得高的中频(IF)增益带宽，混频所需的本征功率相对也较低。对于SSPD器件，高的Tc和Jc可以提升检测灵敏度和速度。因而，高质量的超导超薄薄膜是超导热电子器件的基础。

超导NbN材料具有较高的工作温度(10K以上)和较高的工作频率(1.4THz)，目前是THz频段热电子器件研究中应用的主要制备材料；工作在1～6THz频段的HEB探测器，通常采用几个纳米厚的超薄NbN薄膜制作。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高质量、高性能的在MgO或Si衬底上超薄NbN超导薄膜的生长方法。

技术方案：本发明所述的一种在MgO或Si衬底上生长超薄的NbN超导薄膜的方法，包括以下步骤：

(a)MgO或Si或SiOx/Si单晶基片的清洗：将基片放入丙酮和酒精溶液中超声清洗(时间约各5分钟)，然后用去离子水冲洗(时间约10分钟)，氮气吹干，备用；其中x为1或2；

(b)将基片放入磁控溅射系统中的样品座上，样品座采用冷却循环水进行冷却，水温度低于摄氏20度；

(c)由分子泵和机械泵组成的真空系统进行抽真空，当真空室背景真空小于5×10^-4Pa后，利用离子束清洗技术清洗基片；

离子清洗条件为；电压300eV，束流30mA，加速电压220V，清洗时间3分钟；

(d)清洗结束，系统继续抽真空至背景真空小于3×10^-5Pa；

(e)溅射生长NbN薄膜。

生长气体为Ar:N₂的混合气体，比例4-6∶1(质量比)，工作气压0.27-0.7Pa；采用直流溅射，功率密度为4.5W/cm²，沉积速率为700nm/min。

有益效果：本发明利用磁控溅射技术，在MgO(100)衬底上成功制备了外延生长的超薄NbN超导薄膜，在NbN薄膜厚度为6nm时，其超导转变温度高达14.46K，转变宽度0.21K，在NbN薄膜厚度仅1nm左右，即约2个原子层厚度时超导转变温度还高达3.5K。MgO(100)衬底上生长的超薄NbN薄膜的超导临界电流密度都能达到10⁷A/cm²量级；在Si(100)和SiOx/Si衬底上制备了多晶的超薄NbN超导薄膜，6nm厚度的NbN薄膜，转变温度分别为8.74K和9.2K，转变宽度分别为0.42K和0.45K，电流密度达到了10⁶A/cm²量级。XRD、AFM、TEM研究，证实了薄膜的外延性能以及薄膜生长的连续性和致密性。Si基片上的SiOx层有助于提高超薄NbN超导薄膜的超导电能，和单纯的单晶Si基片相比，其上生长的超薄NbN超导薄膜的Tc和Jc都更高。

附图说明

图1是NbN/MgO薄膜(～6nm)的AFM图像。

图2是NbN/Si薄膜(～6nm)的AFM图像。

图3(a)是NbN/MgO界面放大图像，插入的小图为NbN的TEM电子衍射图像；(b)是NbN/Si界面放大图像。

具体实施方式

本发明利用常规的磁控溅射技术，在单晶MgO(100)、Si(100)和SiOx/Si(x为1或2)基片上成功生长了不同厚度的超薄NbN薄膜，厚度范围从最簿1纳米到8纳米不等。薄膜生长条件如下。

结构和电学性能：MgO和NbN的晶体结构类似，都是面心立方。MgO的晶格常数是0.421纳米，NbN晶格常数是0.446纳米，两者的晶格失陪度为5％。采用优化的磁控溅射技术可以在单晶MgO基片上生长出外延的NbN薄膜。Si由于与NbN晶格失配较大，在Si衬底上只能获得多晶的NbN薄膜。这些超薄NbN薄膜的电学性能非常优秀。超导转变温度和超导临界电流密度分别如表一所示。

薄膜生长条件