[发明专利]集成于约瑟夫森结的超导磁场线圈及其制备方法

说明书

本发明提供一种集成于约瑟夫森结的超导磁场线圈及其制备方法，所述超导磁场线圈包括：多条底层磁场线圈层、多条顶层磁场线圈层、第二绝缘材料层；所述多条底层磁场线圈层和多条顶层磁场线圈层之间通过所述第二绝缘材料层隔离；所述第二绝缘材料层中设有开孔，所述开孔中填充有第三超导材料层；所述顶层磁场线圈层通过所述开孔中的第三超导材料层连接相邻两条底层磁场线圈层，从而形成整个超导磁场线圈。本发明制备的超导磁场线圈能够在约瑟夫森结处产生磁场，而且通入电流数值将比现有技术所需的电流小，可以扩展约瑟夫森结随磁场变化测量中的磁场范围，提升测量效率。

技术领域

本发明属于超导量子干涉器件(SQUID)领域，特别是涉及一种集成于约瑟夫森结的超导磁场线圈及其制备方法。

背景技术

约瑟夫森结是构成超导量子干涉器件(SQUID)，超导量子比特(qubit)，超导数字电路(RSFQ)等超导电子器件中的一种重要组成部分，它通常采用超导体-绝缘层-超导体(SIS)的结构，如图1所示，其中绝缘层的厚度很薄，通常在十几纳米的厚度。约瑟夫森结的性质与上述超导电子器件的性质密切相关，因此，对约瑟夫森结电学特性的表征不仅对于有助于加深对约瑟夫森效应的理解，而且有利于超导电子器件的应用。

根据约瑟夫森方程，当磁场穿过结中的绝缘层时，约瑟夫森结的临界电流为

其中Ic(B)是在约瑟夫森结中存在磁场B时结的临界电流，Ic(0)是磁场为0时结的临界电流，ΦJ＝B*SJ是磁场B穿过约瑟夫森结的磁通量，SJ是结的截面积，Φ0＝2.07×10^-15Wb是磁通量子常数，从上式中可以看出，临界电流随着透过绝缘层的磁通量而变化。根据上式可以得到图2中所示的约瑟夫森结的临界电流随外加磁场的变化规律，它是验证约瑟夫森结质量的一项重要测量。在测量约瑟夫森结的临界电流随磁场变化实验中，外加磁场的途径是：(1)在距离约瑟夫森结附近加一个通电导线，通常其是利用微加工工艺制备而成，如图3所示，在测量过程中，将直流电流通入直导线20，导线产生的磁场B穿过约瑟夫森结10，这种方法产生的磁场幅度较小，需要通入的电流较大才可能使得穿过约瑟夫森结10的磁通达到1个磁通量子或更多个磁通量子；(2)将制备有约瑟夫森结的芯片放置于螺线管中(未予以图示)，利用螺线管产生磁场，磁场穿过约瑟夫森结，通常包含有多个约瑟夫森结的芯片尺寸在几毫米至一厘米左右，因此，螺线管直径尺寸通常需要在几毫米至厘米量级，螺线管体积较大，而且只能在某一个方向产生磁场，因此，其在测量中效率不高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成于约瑟夫森结的超导磁场线圈及其制备方法，用于解决现有技术中测量约瑟夫森结的临界电流随磁场变化时，通入导线的电流大，以及螺线管尺寸大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成于约瑟夫森结的超导磁场线圈的制备方法，所述制备方法至少包括：

1)提供一衬底，于所述衬底上依次外延生长第一超导材料层、第一绝缘材料层、第二超导材料层的三层薄膜结构；

2)刻蚀所述三层薄膜结构，以形成底电极和多条底层磁场线圈层；

3)刻蚀底电极上的部分所述第二超导材料层和第一绝缘材料层以形成约瑟夫森结，同时刻蚀去除所述多条底层磁场线圈层上的所述第二超导材料层和第一绝缘材料层；

4)在所述步骤3)形成的结构表面形成第二绝缘材料层，开孔以露出所述约瑟夫森结的第二超导材料层表面、底电极表面以及每条底层磁场线圈层的两端表面；

5)沉积第三超导材料层，并刻蚀所述第三超导材料层形成顶电极和多条顶层磁场线圈层，所述顶电极用于引出所述约瑟夫森结，所述顶层磁场线圈层连接相邻两条底层磁场线圈层，从而形成整个超导磁场线圈。

作为本发明集成于约瑟夫森结的超导磁场线圈的制备方法的一种优化的方案，所述超导磁场线圈距离所述约瑟夫森结10～100微米。