[发明专利]一种用于超导器件的超导多层膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超导器件的超导多层膜，及其制备方法，和基于这种超导多层膜的超导器件。

背景技术

由于超导现象需要极低温度(典型的是4.2K)，所以自从1911年昂尼斯(Onnes)发现超导现象以来，超导技术的广泛应用一直受到低温技术限制。上世纪八十年代中期，默勒(Müller)与贝诺兹(Bednorz)发现临界温度T_C大于30K的高温超导体后，特别是1987年，T_C高于90K的YBaCuO氧化物高温超导体的发现，为超导材料走出实验室铺平了道路，使超导技术的广泛应用成为了可能。超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用，其中电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件、超导光探测器等。超导体不仅直流电阻为零，而且超导体低频损耗极低、高频损耗也很低。超导约瑟夫森(Josephson)结制成的电子器件的固有噪声温度接近量子噪声极限，超导SIS混频器在36GHz频率时噪声仅为3.8K，逻辑电路的开关时间小于15ps。超导量子干涉器的磁场灵敏度达～10^-11T，能量分辨率约为10^-33J/Hz。这些特性使超导技术在电工学和电子学领域有着广泛的应用前景。作为超高速、低功耗、超高灵敏度的需要，超导器件已经成为固态器件的重要组成部分。

在超导器件中，应用超导多层膜的核心部分是约瑟夫森隧道结或单粒子隧道结，它是由非超导的势垒层来分开两块超导体形成的隧道结，即S-I-S。在实际的器件中，势垒层可以是绝缘体，也可以是半导体和正常金属导体，势垒层的厚度可以有很大的变化范围。在现有的技术中，超导器件中超导多层膜的几何结构都是非闭合的结构，如矩形等。这种结构在高密度小尺寸器件中将产生不可忽视的结电容以及较大的功耗，对器件的性能带来许多不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较小的结电容和功耗，从而可以改善器件性能的用于超导器件的超导多层膜。

本发明的另一目的在于提供上述用于超导器件的超导多层膜的制备方法。

本发明的再一目的在于提供基于上述超导多层膜的超导器件。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供一种用于超导器件的超导多层膜，其包括沉积在衬底上的多层膜，其特征在于，所述的多层膜的横截面为闭合的正N边形环，其中，N为大于或等于3的正整数，该正N边形环的内环边长为10～100000nm，外环边长为20～200000nm，环宽为10～100000nm。

优选的，所述的多层膜的横截面为三角形、五边形、六边形、八边形、十边形或十六边形。

本发明提供一种制备上述用于超导器件的超导多层膜的方法，其为利用微加工的方法制备所述的闭合环状超导多层膜，包括如下的步骤：

1)选择一个衬底，经过常规方法清洗之后，在常规的薄膜生长设备(例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、化学沉积、分子束外延等)上沉积下部缓冲层；

所述的衬底选自常规衬底，如Si、Si/SiO₂、SiC、SiN、Ge、GaAs衬底等，或为单晶衬底，如蓝宝石、石英、LaAlO₃、SrTiO₃、MgO；厚度为0.3～1mm；

所述的下部缓冲层由Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、W、Ti、Cu、Al、SrTiO₃、LaAlO₃、CeO₂等材料组成，厚度为2～200nm；

2)利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、化学沉积、分子束外延等，在下部缓冲层上依次沉积超导多层膜；

3)采用微加工工艺，将步骤2)中沉积了超导多层膜的衬底加工成闭合环状结构；

所述的微加工工艺的具体步骤为：首先经过涂胶、前烘，再在在紫外、深紫外曝光或电子束曝光机上，根据所需的闭合状多边形图形对片基进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把该超导多层膜刻成闭合环状，最后用去胶剂浸泡进行去胶；必要时还可以利用反应离子刻蚀机进行辅助去胶；

所述的闭合环状为闭合的正N边形环，其中，N为大于或等于3的正整数，该正N边形环的内环边长为10～100000nm，外环边长为20～200000nm，环宽为10～100000nm；优选的，该闭合环状为三角形、五边形、六边形、八边形、十边形或十六边形；