[发明专利]堆栈结构SNS约瑟夫森结、电压基准及制备方法

说明书

本发明提供一种堆栈结构SNS约瑟夫森结的制备方法，堆栈结构SNS约瑟夫森结的制备包括提供衬底，制备NbN底层膜、超导金属复合叠层结构层以及NbN顶层膜，定义底电极和结区，制备隔离层和配线层。本发明通过引入堆栈结构SNS约瑟夫森结的制备方法，在保证输出电压的前提下成倍数的减少了分布式阵列的数量；调控磁控溅射参数实现了超导NbN和正常金属NbNx的制备，NbN/NbNx/NbN…NbN/NbNx/NbN叠层结构可以基于原位生长制备，可以防止层间污染，室温生长还能可以保证界面清晰无扩散，更加简化了结的工艺流程。

技术领域

本发明属于超导电子学领域，特别是涉及一种堆栈结构SNS约瑟夫森结、电压基准及各自的制备方法。

背景技术

基于传统实物的计量基准受到制作工艺、使用材料和技术条件等的限制，其性能容易随着时间和温度的改变发生微小变化，具有不准确性、不易保存及易损坏等缺陷。近半个世纪以来，随着科技水平的快速发展，人们对计量基准提出了更高的要求。量子计量基准基于交流约瑟夫森效应，利用约瑟夫森结中的量子态输运获得高精确度、高稳定性的测量，并且具有外界干扰小的特点，在计量学领域占有显著优势。运用数千个约瑟夫森串结阵实现的约瑟夫森电压基准输出电压最高可达10V，相对不确定度低于10^-10，约瑟夫森电压基准已在全球超过60个实验室展开日常的直流校准和相关应用。

其中，约瑟夫森结是根据约瑟夫森效应制备而成的弱连接超导体。约瑟夫森(Brain David Josephson)预言，如果两块超导体中间有一个绝缘层构成超导体-绝缘体-超导体(SIS)结构时，会出现与超导体中电子对波函数的相位差有关的电压为零的超导隧道电流，即直流约瑟夫森效应。量子电压基准利用的则是交流约瑟夫森效应，用一定频率的微波辐照超导体-正常金属-超导体(SNS)和超导体-绝缘体-正常金属-绝缘体-超导体(SINIS)结，在结的I-V曲线上观察到一系列量子化电压台阶，如图8所示。电压台阶的幅度表示为Vn＝nfh/2e，每一台阶在电压轴的位置由台阶序数n、微波频率f、普朗克常数h和电子电荷e决定。由于微波频率可以用具有非常高精度的原子钟测量(10^-12)，而h和e都是自然常数，因此约瑟夫森结使得生成的参考电压可以非常精确地被确定。可编程电压基准研发采用的约瑟夫森结主要有SIS、SNS和SINIS结。SIS结的主要优点是单结产生的电压高，但是其I-V曲线是回滞的，输出为重叠的恒电压台阶，无法实现快速、特定的台阶间切换。SIS结并联电阻可得到非回滞的I-V曲线，但是并联电阻的结构比较复杂，工作电流范围需要进行详细的确定，并会引入一个寄生电感，因此并不常用。SNS和SINIS结都是本征旁路电阻的过阻尼结，I-V曲线都是非回滞的，即输出电压是电流的单值函数，短暂的失锁系统可以自动回复到选定的参考电压，从而解决了SIS结阵的问题，在可编程电压基准领域得到了广泛的应用。

目前，现有的作为电压基准的结阵列，有的结势垒层电阻率低，其单结输出电压只有几十微伏，有的输出相同的电压时结阵所需结的数目较多，还有的结势垒层很薄，使得对于工艺参数的稳定性非常敏感，制备包括许多结的SINIS阵列经常容易短路。因此，如何在不影响产率的情况下，减少结阵分布的同时还能保有相同的输出电压成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

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堆栈结构SNS约瑟夫森结、电压基准及各自的制备方法，用于解决现有技术中结阵数目多以及氧化势垒薄导致工艺参数稳定性敏感制备多结阵列容易短路等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种堆栈结构SNS约瑟夫森结的制备方法，包括如下步骤：

提供衬底；

于所述衬底上形成功能结构材料层，所述功能结构材料层包括自下而上形成的NbN底层膜、超导金属复合叠层结构层以及NbN顶层膜，其中，所述超导金属复合叠层结构层包括若干个复合膜单元，每一所述复合膜单元包括叠置的金属NbNx层及超导NbNy层；