[发明专利]电感可调的超导量子器件及其制备方法

说明书

本发明提供一种电感可调的超导量子器件及其制备方法，器件包括：衬底、金属电阻层、第一绝缘层、第一超导薄膜层、第二绝缘层和第二超导薄膜层，第一超导薄膜层被刻蚀形成超导量子器件的环路和引线结构，第二超导薄膜层被刻蚀形成约瑟夫森结区、第三绝缘层、第三超导薄膜层，其厚度小于其穿透深度，其被刻蚀形成输入线圈、第四绝缘层，其形成有第二过孔，用于连接金属电阻层和引出约瑟夫森结的顶电极、第四超导薄膜层，其被刻蚀形成配线层、反馈线圈和引线管脚。本发明将超导体动态电感引入到超导量子器件输入电感设计中，有效解决了目前几何电感带来的分布电容大、集成度低、大电感不易实现、且环路电感Ls难减小等问题。

技术领域

本发明属于半导体设计及制造领域，特别是涉及一种电感可调的超导量子器件及其制备方法。

背景技术

超导量子干涉器件(SQUID)是一种极灵敏的磁通传感器，可以检测任意能转换成磁通的微弱信号，自1960年代问世以来，经半个世纪发展，已经广泛应用于生物磁测量、地球物理探测、无损检测、天文观测以及放大电路系统等各种应用和研究领域。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，为了能同时保证大输入电感和简单的制备工艺，本发明了提供一种电感可调的超导量子器件及其制备方法，将超导体动态电感引入超导量子器件设计，在确保超导量子器件稳定工作和噪声性能前提下，有效解决目前几何电感无法较好实现大输入电感的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电感可调的超导量子器件的制备方法，所述制备方法包括步骤：提供衬底；于所述衬底上制备金属电阻层；于所述金属电阻层上制备第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成显露所述金属电阻层的第一过孔；在所述衬底上依次制备第一超导薄膜层、第二绝缘层和第二超导薄膜层，所述第一超导薄膜层还填充所述第一过孔以连接所述金属电阻层；对所述第二超导薄膜层的进行刻蚀处理，形成约瑟夫森结区；对所述第二绝缘层进行刻蚀处理以去除部分的所述第二绝缘层，保留所述约瑟夫森结区下方的所述第二绝缘层；对所述第一超导薄膜层进行刻蚀处理，形成超导量子器件的环路和引线结构；于所述第二超导薄膜层上沉积第三绝缘层，并对所述第三绝缘层进行平坦化处理；于所述第三绝缘层上沉积第三超导薄膜层，所述第三超导薄膜层的厚度小于其穿透深度，对所述第三超导薄膜层进行刻蚀处理，形成输入线圈；于所述第三超导薄膜层上沉积第四绝缘层，在所述第四绝缘层上形成第二过孔，所述第二过孔用于连接所述金属电阻层和引出所述约瑟夫森结的顶电极；于所述第四绝缘层上沉积第四超导薄膜层，对所述第四超导薄膜层进行刻蚀处理，形成配线层、反馈线圈和引线管脚。

可选地，所述第一超导薄膜层、第二超导薄膜层以及第四超导薄膜层的厚度大于其各自的穿透深度，所述第三超导薄膜层的厚度小于其穿透深度，以实现极大动态电感。

可选地，所述第一超导薄膜层、所述绝缘层和所述第二超导薄膜层构成的结构包括Nb/Al-AlOx/Nb结构、NbN/Al-AlOx/NbN结构或NbN/AlN/NbN结构中的任意一种。

可选地，所述刻蚀处理的工艺包括反应离子腐蚀工艺、离子束刻蚀工艺、剥离工艺及化学刻蚀工艺中的任意一种。

可选地，所述衬底包括Si/SiO₂衬底、MgO衬底及Al₂O₃衬底中的任意一种；所述金属电阻层包括Mo层、TiPd层及TiAuPd层中的任意一种；所述第一绝缘层包括SiO₂层、SiO层或MgO层中的任意一种；所述第三绝缘层包括SiO₂层、SiO层或MgO层中的任意一种；所述第四绝缘层包括SiO₂层、SiO层或MgO层中的任意一种。

可选地，采用化学机械抛光工艺对所述第三绝缘层进行平坦化处理，以保证所述第三超导薄膜层的沉积。

可选地，所述反馈线圈与所述输入线圈分别由所述第三超导薄膜层及所述第四超导薄膜层刻蚀形成，使其分别位于不同图层，以保证其不会相互干扰而影响所述超导量子器件的性能。