论文部分内容阅读
超导约瑟夫森隧道结具有“超导体(S)—绝缘体(I)—超导体(S)”的三明治夹层结构，是构成许多超导器件和电路的核心元件，成功应用在超导量子干涉器(SQUIDs)、超导隧道混频器(SIS mixers)、量子比特(Qubits)、单磁通量子电路(SFQ)等器件之中。其中，Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森隧道结（简称Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结）具有漏电流小、稳定性好、临界电流密度可控性高等优点，是目前最具有实际应用价值的约瑟夫森结之一。自上世纪80年代开始，Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结和电路在美国和日本等国家被广泛的研究和应用。与国外先进技术相比，我国的相关研究基础弱、技术缺陷大，电路集成工艺目前仍几乎是一片空白。本文以建立自主制备Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的工艺方法为目的，从薄膜生长到器件制备对Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的制备工艺和物性表征进行了系统的研究，成功制备了高质量Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结。主要工作内容如下: 采用SNEAP(Selective Niobium Etch and Anodization Process)流程，利用直流磁控溅射法在SiO2/Si衬底上连续生长Nb/Al-AlOx/Nb三层膜，通过接触式紫外曝光、Nb膜的反应离子刻蚀、剥离、阳极氧化、电极配线层制备等微加工工艺制备约瑟夫森结。经过参数优化，确定了Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的最佳制备工艺条件。 利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、X射线反射(XRR)、台阶仪(Profiler)、透射电子显微镜(TEM)等手段对在已确立的工艺条件下制备的Nb膜和Nb/Al-AlOx/Nb三层膜的物性、形貌以及微观结构等进行表征。实验结果表明，在当前条件下，Nb膜不能实现外延生长，通常形成多晶薄膜，晶粒呈现细长棒状，且出现(110)方向的取向生长。底层Nb膜粗糙度小于1nm的前提下，10nm厚的Al膜能够完整覆盖Nb膜，透射电子显微镜可以观察到均匀完整的Al带，氧化形成的AlOx层为非晶态，厚度小于2nm。 通过表征和分析阳极氧化后Nb膜的性质演化，研究Nb膜发生阳极氧化的详细过程。阳极氧化工艺利用电化学腐蚀法在结区侧边形成氧化绝缘层，是降低约瑟夫森结的侧边漏电流的有效方法之一。本文利用原子力显微镜、X射线衍射、X射线反射、透射电子显微镜等手段，对阳极氧化过程以及Nb膜氧化层的成分和表面形貌进行了表征和分析。实验表明，非晶态Nb2O5的生成速率为2.17nm/V，对应的Nb消耗速率为0.83nm/V，在Nb2O5与Nb的界面处存在1.5nm厚的NbOx过渡层。 通过在4.2K液氦温度下测量Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的I-V特性，对本文制备的结的临界电流密度Jc、漏电流因数Vm、质量因子JQF等主要参数和性能质量进行了分析，并利用透射电子显微镜和X射线反射两种方法测量了AlOx绝缘层的厚度。通过拟合Jc与AlOx绝缘层厚度的相关性，对比Simmon公式估算出Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结的平均势垒高度Φ≈0.17eV。