[发明专利]一种基于VN的SNS约瑟夫森结及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于VN的SNS约瑟夫森结及其制备方法，该基于VN的SNS约瑟夫森结的制备方法包括以下步骤，提供一衬底，采用直流反应磁控溅射于衬底上形成包括NbN底层膜、VN势垒层及NbN顶层膜的功能材料层，刻蚀功能材料层以形成包括底电极、VN结势垒层及顶电极的功能层，并形成覆盖功能层的显露表面及衬底的上表面的隔离层，于隔离层上形成第一接触孔及第二接触孔，并形成覆盖隔离层及填充第一接触孔与第二接触孔的配线层，刻蚀配线层以形成第一配线部及第二配线部。本发明通过采用直流反应磁控溅射方法形成低温下呈金属性的VN势垒层，以得到平整度高、成分稳定、电阻率稳定及均匀性好的VN结势垒层，提升约瑟夫森结的质量。

技术领域

本发明属于超导电子学领域，涉及一种基于VN的SNS约瑟夫森结及其制备方法。

背景技术

以约瑟夫森结为基本单元的超导单磁通量子(Single Flux Quantum，简称SFQ)电路在速度和功耗上的优势使其在高性能计算、电压基准及高精度模数转换等领域具有广阔的应用前景。目前，超导集成电路的主流是基于超导Nb材料和Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结外接并联电阻构成，但由于Nb的小电感、能隙及旁路电阻的存在，从材料和结构上限制了电路的集成度和高频应用。SIS结超薄(～1-3nm)的势垒层及旁路电阻引入的寄生电感及电容，更是导致工艺的重复性和稳定性面临严重挑战，其临界电流密度、特征电压等综合性能远不能满足超导电子学领域发展需要，成为制约约瑟夫森器件发展的主要瓶颈。

超导体-正常金属-超导体(Superconductor/Normal metal/Superconductor，简称SNS)结中库珀对在S/N界面处以安德鲁反射的形式实现两侧超导电性的耦合，具有非回滞I-V曲线。SNS结是本征旁路电阻的结，有效节省了外接旁路电阻所需面积。除此之外，SNS结在S/N界面电子的透过率较高，并且当N层厚度比较厚(d～10nm)时SNS结已具有媲美SIS结的高临界电流密度(J_c)，保证了工艺的重复性和稳定性。然而，与SIS结相比，SNS结的特征电压(I_cR_n)很小，限制了器件的高频应用，SNS结的特征电压与势垒层材料特性及S/N界面特性密切相关。除此之外，NbN小的超导相干长度(～5nm)对三层膜的界面控制提出了更高的要求。因此，选择合适的势垒层材料并制备出界面干净的三层膜成为NbN SNS约瑟夫森结领域亟待解决的一个重要技术问题。目前NbN系约瑟夫森结主流为NbN/AlN/NbN结，其漏电流小，能隙电压大(5mV)，J_c在几十至几千A/cm²范围变化。AlN可以通过化学计量调控比实现绝缘态到正常态的转变，然而由于增强的量子-声子耦合作用，AlN表现出压电效应，需要对AlN势垒层的晶体结构进行精确控制以抑制压电效应对约瑟夫森结性能的影响，AlN势垒层的势垒难以调控，且得到的NbN/AlN/NbN功能材料层的三层膜之间的界面不清晰。

因此，急需寻找一种获得界面清晰、势垒层的界面处的势垒可调控的约瑟夫森结制备方法。

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基于VN的SNS约瑟夫森结及其制备方法，用于解决现有技术中制备约瑟夫森结时功能材料层中各膜层之间的界面不清晰及势垒层的界面处的势垒调控困难的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于VN的SNS约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底；

采用直流反应磁控溅射于所述衬底上形成功能材料层，所述功能材料层包括层叠的NbN底层膜、VN势垒层及NbN顶层膜；

刻蚀所述功能材料层以形成包括底电极、VN结势垒层及顶电极的功能层，并形成覆盖所述功能层的显露表面与所述衬底上表面的隔离层；

于所述隔离层中形成第一接触孔及第二接触孔，且所述第一接触孔的底部显露出所述顶电极，所述第二接触孔的底部显露出所述底电极；