[发明专利]一种双通道超导连接及其制备方法

说明书

本发明提供一种双通道超导连接及其制备方法，包括：于衬底上依次制备第一超导材料层、第一绝缘材料层、第二超导材料层；刻蚀第二超导材料层和第一绝缘材料层，露出第一超导材料层；刻蚀第一、第二超导材料层，形成双通道超导连接和约瑟夫森结；于第一绝缘材料层和衬底上形成第二绝缘材料层；形成旁路电阻；沉积第三超导材料层，并形成配线。双通道超导连接包括：并联的第一、第二通道，第一通道包括依次层叠的衬底、底电极、绝缘材料层及对电极；所述第二通道为衬底上的纯超导通道。本发明通过改进超导电路版图，在制备层间超导通道时，并联一个纯的超导连接通道，克服了以往的连接通道的约瑟夫森效应，提高了超导电路器件的性能及其稳定性。

技术领域

本发明涉及超导电路设计技术领域，特别是涉及一种双通道超导连接及其制备方法。

背景技术

超导电路包括超导量子干涉器(SQUID)，单磁通量子器件(SFQ)等应用超导约瑟夫森结的电路。超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device，SQUID)是基于约瑟夫森效应和磁通量子化原理的超导量子器件，它的基本结构是在超导环中插入两个约瑟夫森结，SQUID是目前已知的最灵敏的磁通探测传感器，典型的SQUID器件的磁通噪声在μΦ0/Hz1/2量级(1Φ0＝2.07×10-15Wb)，其磁场噪声在fT/Hz1/2量级(1fT＝1×10-15T)，由于其具有极高的灵敏度，可广泛应用于医学心磁脑磁、材料探测、地球磁场、军事、地震和考古等各方面，用其制备的磁通显微镜可从事基础研究。

单磁通量子器件(Single Flux Quantum，SFQ)是利用约瑟夫森结内的单个磁通量子来表示逻辑“1”和“0”的超导电路技术。以此为基础的超导数字电路时钟频率可达770GHz，可用于雷达和通信系统的超宽带模数/数模转换器、宽带网络交换器、射电天文的数字式自相关器以及超导计算机等。因其具有速度快、功耗低等优点，目前美国和日本均投入巨资进行战略研究。

在量子力学的概念里，当两块金属被一层薄的绝缘体分开时，金属之间可以有电流通过，通常把这种“金属—绝缘体—金属”的叠层称为隧道结，它们之间流动的电流称为隧道电流。假如，在这种叠层三明治结构中，一个或者两个金属是超导体，则称为超导隧道结。根据Josephson效应，在超导隧道结中，绝缘层具有超导体的一些性质，但与常规超导体相比具有较弱的超导电性，被称为“弱连接超导体”。

如图1所示为约瑟夫森结(Josephson Junction)1的结构示意图，包括超导材料层11、13以及介于两层超导材料层11、13之间的绝缘材料层12，其中所述绝缘材料层12的厚度很薄，通常在几到十几纳米的厚度。如图2所示为典型的约瑟夫森隧道结的电流-电压(I-V)特性曲线，当约瑟夫森结中的电流小于理想状态下结的临界电流I0时，约瑟夫森结两端电压始终为零，根据直流约瑟夫森效应，此时的电流是由于库珀(Cooper)对隧穿造成的超流；一旦电流超过理想状态下结的临界电流I0，正常电子会参与到隧道效应中，约瑟夫森结从零电阻状态直接突变至正常电阻态，表现为结区电压的突变为2Δ/e；反之，随着电流减小，电压的返回路径跟随另一条曲线，因此I-V曲线出现回滞。

超导电路一般由约瑟夫森结1和一些电阻、电感等相互搭配组成，有三层或以上超导层和两层以上的绝缘层。如图3所示为超导电路的局部俯视图，其中，约瑟夫森结1通过配线和导通通道2与电感等器件连接。因为融合超导物理和微电子技术，超导电路的设计较为复杂，需要考虑微小的变量造成的影响，包括电感大小匹配、电阻尺寸大小和阻值、每层薄膜的厚度、由金属绝缘金属造成的电容等。其中导通通道部分因为其层数较多，会寄生一定的电阻、电感和电容等，所以在超导电路设计过程中尤其需要仔细考量。