[发明专利]一种超导电路结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种超导电路结构及其制备方法，包括：1）提供衬底，在衬底表面对应于后续要形成约瑟夫森结的位置形成应力图案结构，应力图案结构的尺寸大于约瑟夫森结的尺寸；2）在衬底表面依次形成第一超导材料层、第一绝缘材料层及第二超导材料层的三层薄膜结构；3）刻蚀三层薄膜结构以形成底电极及约瑟夫森结；4）在步骤3）得到的结构表面形成第二绝缘材料层，并在第二绝缘材料层对应于约瑟夫森结的位置形成第一开口；5）沉积第三超导材料层，并刻蚀第三超导材料层形成配线层。通过在约瑟夫森结下方形成尺寸比约瑟夫森结尺寸大的应力图案结构，有利于约瑟夫森结中应力的有效释放，从而解决了漏电流，提高了超导电路结构的性能及稳定性。

技术领域

本发明涉及超导电路设计技术领域，特别是涉及一种超导电路结构及其制备方法。

背景技术

超导电路结构包括超导量子干涉器(SQUID)，单磁通量子器件(SFQ)等应用超导约瑟夫森结的电路。

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是基于约瑟夫森效应和磁通量子化原理的超导量子器件，它的基本结构是在超导环中插入两个约瑟夫森结，SQUID是目前已知的最灵敏的磁通探测传感器，典型的SQUID器件的磁通噪声在μΦ₀/Hz^1/2量级(1Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，其磁场噪声在fT/Hz^1/2量级(1fT＝1×10^-15T)，由于其具有极高的灵敏度，可广泛应用于医学心磁脑磁、材料探测、地球磁场、军事、地震和考古等各方面，用其制备的磁通显微镜可从事基础研究。

单磁通量子器件(Single Flux Quantum,SFQ)是利用约瑟夫森结内的单个磁通量子来表示逻辑“1”和“0”的超导电路技术。以此为基础的超导数字电路时钟频率可达770GHz，可用于雷达和通信系统的超宽带模数/数模转换器、宽带网络交换器、射电天文的数字式自相关器以及超导计算机等。因其具有速度快、功耗低等优点，目前美国和日本均投入巨资进行战略研究。

在量子力学的概念里，当两块金属被一层薄的绝缘体分开时，金属之间可以有电流通过，通常把这种“金属—绝缘体—金属”的叠层称为隧道结，它们之间流动的电流称为隧道电流。假如，在这种叠层三明治结构中，一个或者两个金属是超导体，则称为超导隧道结。根据Josephson效应，在超导隧道结中，绝缘层具有超导体的一些性质，但与常规超导体相比具有较弱的超导电性，被称为“弱连接超导体”。

如图1所示为约瑟夫森结(Josephson Junction)11的结构示意图，包括第一超导材料层111、第二超导材料层113以及介于所述第一超导材料层111与所述第二超导材料层113之间的第一绝缘材料层112，其中所述第一绝缘材料层112的厚度很薄，通常在几到十几纳米的厚度。

超导电路结构一般由约瑟夫森结11和一些电阻、电感等相互搭配组成，有三层或以上超导材料层和两层以上的绝缘材料层。现有的超导电路结构的部分结构示意图如图2至图3所示，其中，图2为超导电路结构的局部俯视结构示意图，图3为图2的截面结构示意图；由图2至图3可知，所述约瑟夫森结11通过配线层14及导电通孔13与电感等器件连接。因为融合超导物理和微电子技术，超导电路的设计较为复杂，需要考虑微小的变量造成的影响，包括电感大小匹配、电阻尺寸大小和阻值、每层薄膜的厚度、由金属绝缘金属造成的电容等。中有超导绝缘超导组成的约瑟夫森结的性能非常关键，如果工艺控制不好，较容易出现漏电流。漏电流通常来源于层间和侧边。侧边的漏电流可以通过绝缘层的覆盖来解决。层间的漏电流则来源于约瑟夫森结中绝缘层的孔洞、致密性和应力。其孔洞和致密性可以通过调节绝缘层的沉积条件来解决。而应力部分一直是科研人员努力的方向。大部分科研人员将工作重心放在如何减小薄膜本身的应力方面。