[发明专利]隧道结、其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种一种隧道结，所述隧道结包括：衬底，和衬底上从下到上依次设置的：第一正常金属层，绝缘层和第二正常金属层，其中，所述绝缘层具有内凹的台阶结构，所述台阶上下薄膜断开。还提供了该隧道结的制备方法和应用。本发明为制备真空隧道结提供一种新的微加工工艺途径。这涉及制备器件的微加工技术：此种方法制备的隧道结器件包括紫外光刻，湿法刻蚀与镀膜工艺如磁控溅射或者电子束蒸发。本发明中的紫外曝光技术和湿法刻蚀技术的配合可得到多个真空隧道结，且制备成功率很高。

技术领域

本发明属于凝聚态物理领域具体涉及一种隧道结，及其制备方法和应用。

背景技术

两层正常金属用薄薄的氧化层势垒隔开，就构成正常金属-绝缘层-正常金属隧道结，简写为N-I-N结。当绝缘层足够薄时，电子将可能有一定的几率隧道穿透这个势垒。1962年，约瑟夫森发现当两块超导体被一层薄绝缘层分开形成超导隧道结S-I-S时，当结两端电压为零时，结内有一超导电子对形成的隧道电流，这种现象称为直流约瑟夫森效应，当结两端的直流电压不为零时，会有一个交变的超导电流，其频率与结两端的电压成正比，被称为交流约瑟夫森效应。S-I-S结常被称为约瑟夫森结。已有的制备隧道结的方法大致可以分为垂直三层结构结和平面结两种类型。三层结工艺通常为通过溅射或者蒸发等镀膜方法将三层薄膜制备好后，再应用多步微加工技术做出小的结区以及电极，微加工步骤如图1所示。近些年来新发展一种Dolan微桥悬空掩膜斜蒸发制备Al/AlOx/Al约瑟夫森结的方法，微加工工艺如图2所示。三层垂直结工艺的好处在于中间绝缘层的厚度容易精确控制，通过精确控制中间Al层厚度以及氧化时间等可以精确控制结的临界电流，结电阻等参数，获得需要的隧道结。三层膜结构的缺点在于中间绝缘层材料的选择相对比较窄，目前仅氧化铝膜是比较成熟绝缘层材料。这一方法另一个局限性在于由于磁控溅射或者电子束蒸发制备样品时较高的局域温度，使得许多不耐高温的纳米材料不能作为中间层，进而影响了对其隧穿性质的研究。

平面结的工艺也大致可以分为两种，一种通过光刻或者氩离子刻蚀将薄膜制备成膜条，再应用离子束刻蚀出纳米微桥实现弱连接，如图3所示。这一工艺的难点在于纳米微桥的尺寸控制。相对于绝缘材料制成的隧道结，电子在真空中能够隧穿的距离更小，现有的微加工技术精确控制10nm以下的尺寸还是比较困难的。所以应用离子束刻蚀技术通常只能制备纳米微桥形成的弱连接。另一种比较成熟的制备隧道结的方法是1999年Park等人提出的。他们首先应用电子束光刻和阴影蒸发技术制备出的金纳米线中，然后在这一金纳米线的两端通大的电流，金纳米线由于应力等原因，在通大电流时会被烧断，从而在纳米线上获得1nm左右的缝隙，如图4所示。通过在缝隙中放置CdSe纳米颗粒，测量得到了CdSe纳米颗粒的单电子隧穿曲线。该方法通过精确控制所加电流的大小，可以精确控制缝隙的宽度，从而控制结电阻，具有一定的可重复性。这一方法的优点在于真正实现了真空隧穿结，可以在缝隙中植入各种纳米材料，研究它们的隧穿性质。然而这一方法的局限性在于能够制备这一隧道结的材料非常有限。因为只有金纳米线在大电流下可以蒸发掉引起纳米线断裂。这就限制了这一方法只能制备由金作为电极的N-I-N隧道结。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种隧道结，及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种隧道结，所述隧道结包括：

衬底，和衬底上从下到上依次设置的：

第一正常金属层，设置于衬底上；

绝缘层，设置于正常金属层上；和

第二正常金属层，设置于绝缘层上；

其中，所述绝缘层具有内凹的台阶结构，所述台阶上下薄膜断开。

根据本发明第一方面的隧道结，其中，所述衬底材料选自以下一种或多种：硅，蓝宝石；优选为硅；

所述衬底的厚度为300微米～500微米，优选为400微米。