一种集成超导器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种集成超导器件及其制备方法，该集成超导器件包括衬底及位于衬底上的超导纳米线单光子探测器与超导单磁通量子电路，其中，超导纳米线单光子探测器包括超导曲折纳米线；超导单磁通量子电路包括电感层、约瑟夫森结及电阻层，电感层及电阻层均与约瑟夫森结电连接，且电感层与超导曲折纳米线在水平面上的投影部分重叠以形成互感，用于传递光子产生的脉冲信号。本发明专利技术将两种超导器件集成到同一个芯片上，无需进行跨芯片的信号传输，从而消减了噪声和系统复杂性，同时也为使用两种器件的片上系统(SOC)的构建提供了方便。

【技术实现步骤摘要】
一种集成超导器件及其制备方法
本专利技术属于集成电路工艺与设计
，涉及一种集成超导器件及其制备方法。
技术介绍
超导纳米线单光子探测器(Superconductingnanowiresingle-photondetector，简称SNSPD)是由超导薄膜(如NbN等)经过工艺加工构成的曲折纳米线结构，工作温度远低于超导临界温度，偏置电流稍微小于超导临界电流。一个近红外光子比NbN材料超导能隙高出2到3个数量级，当纳米线吸收一个光子时，大量库伯对被破坏，形成大量热电子，从而形成一个热点。热点使得局部超导电性被破环，电流从热点两边流过，使得电流密度增加，当电流密度超过超导临界电流时，纳米线会因为失超而产生电阻，偏置电流会在此电阻两端产生电压脉冲。通过读出电路来将这个电压脉冲捕捉到，就可以通过观测这个电压脉冲来观测光子信息。SNSPD具有高计数率、低暗计数、宽响应波段等优势。可用于量子密钥分发(QKD)、光谱测量等领域。超导单磁通量子电路(SingleFluxQuantum，SFQ)是利用超导量子干涉仪(SQUID)中的磁通量子的有无来表示逻辑“1”和“0”的新一代超导电路技术。这种电路具有高的工作频率(最高可达770GHz)、低功耗等优点，可用于高速计算和数模/模数转换器等。SFQ的关键工艺是制备约瑟夫森结，一般是由三层膜结构组成，两块超导体由一层薄绝缘体隔开，超导电子波函数之间存在干涉，从而产生超导电流。SFQ电路与SNSPD都是工作在极低温度下，用SFQ电路读出SNSPD脉冲并处理是一个很好的选择。传统的读出电路使用了低温低噪声放大器(LNA)，然后通过同轴电缆将信号从制冷机里面引出来，通过CMOS电路进行捕捉处理，使用示波器观测。这种读出电路的实现，一是电路系统复杂，在多个器件的连接中可能会引入额外噪声，而且最重要的是在当今阵列式SNSPD越来越成为一个重要的研究方向的情况下，传统多个SNSPD阵列的读出会因为需要很多引线从低温制冷机里面引出，难以避免的会为制冷系统引入了热负载。SFQ电路读出SNSPD信号则不会有这些问题。首先，SFQ读出电路工作频率远高于SNSPD脉冲，可以将阵列信号通过空间上压缩(并转串等技术)，从而使读出电路只需要很少的引线就可以输出完整的信号；二是数据处理，信号放大等大部分的功能都由SFQ电路实现，外界测试系统只需要读取SFQ的输出就可以得到SNSPD输出信号信息。但已有的SFQ+SNSPD的读出电路实现中，都是使用SFQ电路与SNSPD两块芯片分别置于低温环境下，然后通过同轴线将两者连接起来传递信号。这不仅会因为芯片引脚连线的暴露和同轴线的阻抗失配引入噪声，而且不利于做成一个具有完整功能的集成化片上系统。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种集成超导器件及其制备方法，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器与读取电路之间失配、噪声大以及难以集成的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种集成超导器件的制备方法，包括以下步骤：提供一衬底；形成超导纳米线单光子探测器于所述衬底上，所述超导纳米线单光子探测器包括超导曲折纳米线；形成超导单磁通量子电路于所述衬底上，所述超导单磁通量子电路包括电感层、约瑟夫森结及电阻层，所述电感层及所述电阻层均与所述约瑟夫森结电连接，且所述电感层与超导曲折纳米线在水平面上的投影部分重叠以形成互感，用于传递光子产生的脉冲信号。可选地，所述约瑟夫森结包括自下而上依次堆叠的第一超导层、绝缘夹层及第二超导层，所述电感层与所述第一超导层电连接。可选地，所述第一超导层的材料包括铌，所述绝缘夹层的材料包括氧化铝，所述第二超导层的材料包括铌。可选地，所述超导单磁通量子电路还包括第一连线、第二连线、第三连线、第一导电插塞、第二导电插塞、第三导电插塞及第四导电插塞，所述电阻层的第一端依次通过所述第一导电插塞、所述第一连线与所述第一超导层连接，所述电阻层的第二端依次通过所述第二导电插塞、所述第二连线、所述第三导电插塞、所述第三连线、所述第四导电插塞与所述第二超导层连接。可选地，所述超导纳米线单光子探测器还包括依次连接的电极、第五导电插塞、第四连线、第六导电插塞及第五连线，所述电极连接于所述超导曲折纳米线的一端。可选地，所述电极与所述超导曲折纳米线基于同一材料层图形化得到，所述第四连线、所述电感层、所述第一超导层、所述第一连线及所述第二连线基于同一材料层图形化得到，所述第五连线及所述第三连线基于同一材料层图形化得到。可选地，还包括形成接地层的步骤，所述接地层电连接所述第五连线及所述第三连线。可选地，所述接地层的材料包括金、银、铌、铝、钛中的至少一种。可选地，所述超导曲折纳米线的材质包括氮化铌、氮化钛铌中的至少一种。可选地，所述衬底包括硅层、氧化硅层及氧化镁层中的至少一种。本专利技术还提供一种集成超导器件，包括：衬底；超导纳米线单光子探测器，位于所述衬底上，所述超导纳米线单光子探测器包括超导曲折纳米线；超导单磁通量子电路，位于所述衬底上，所述超导单磁通量子电路包括电感层、约瑟夫森结及电阻层，所述电感层及所述电阻层均与所述约瑟夫森结电连接，且所述电感层与超导曲折纳米线在水平面上的投影部分重叠以形成互感，用于传递光子产生的脉冲信号。可选地，所述约瑟夫森结包括自下而上依次堆叠的第一超导层、绝缘夹层及第二超导层，所述电感层与所述第一超导层电连接。可选地，所述第一超导层的材料包括铌，所述绝缘夹层的材料包括氧化铝，所述第二超导层的材料包括铌。可选地，所述超导单磁通量子电路还包括第一连线、第二连线、第三连线、第一导电插塞、第二导电插塞、第三导电插塞及第四导电插塞，所述电阻层的第一端依次通过所述第一导电插塞、所述第一连线与所述第一超导层连接，所述电阻层的第二端依次通过所述第二导电插塞、所述第二连线、所述第三导电插塞、所述第三连线、所述第四导电插塞与所述第二超导层连接。可选地，所述超导纳米线单光子探测器还包括依次连接的电极、第五导电插塞、第四连线、第六导电插塞及第五连线，所述电极连接于所述超导曲折纳米线的一端。可选地，所述集成超导器件还包括接地层，所述接地层电连接所述第五连线及所述第三连线。可选地，所述超导曲折纳米线的材质包括氮化铌、氮化钛铌中的至少一种。可选地，所述衬底包括硅层、氧化硅层及氧化镁层中的至少一种。如上所述，本专利技术的集成超导器件及其制备方法通过同一个衬底上不同区域长出纳米线薄膜和SFQ电路器件，纳米线薄膜和SFQ走线做在垂直的两层中，通过线圈互感将信号耦合到SFQ电路，最终实现将超导纳米线单光子探测器和超导单磁通量子电路(读出电路)集成到一个芯片上。本专利技术将两种超导器件集成到同一个芯片上，无需进行跨芯片的信号传输，从而消减了噪声和系统复杂性，同时也为使用两种器件的片上系统(SOC)的构建提供了方便。附图说明图1显示为本专利技术的集成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成超导器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n提供一衬底；/n形成超导纳米线单光子探测器于所述衬底上，所述超导纳米线单光子探测器包括超导曲折纳米线；/n形成超导单磁通量子电路于所述衬底上，所述超导单磁通量子电路包括电感层、约瑟夫森结及电阻层，所述电感层及所述电阻层均与所述约瑟夫森结电连接，且所述电感层与超导曲折纳米线在水平面上的投影部分重叠以形成互感，用于传递光子产生的脉冲信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成超导器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底；
形成超导纳米线单光子探测器于所述衬底上，所述超导纳米线单光子探测器包括超导曲折纳米线；
形成超导单磁通量子电路于所述衬底上，所述超导单磁通量子电路包括电感层、约瑟夫森结及电阻层，所述电感层及所述电阻层均与所述约瑟夫森结电连接，且所述电感层与超导曲折纳米线在水平面上的投影部分重叠以形成互感，用于传递光子产生的脉冲信号。


2.根据权利要求1所述的集成超导器件的制备方法，其特征在于：所述约瑟夫森结包括自下而上依次堆叠的第一超导层、绝缘夹层及第二超导层，所述电感层与所述第一超导层电连接。


3.根据权利要求2所述的集成超导器件的制备方法，其特征在于：所述第一超导层的材料包括铌，所述绝缘夹层的材料包括氧化铝，所述第二超导层的材料包括铌。


4.根据权利要求2所述的集成超导器件的制备方法，其特征在于：所述超导单磁通量子电路还包括第一连线、第二连线、第三连线、第一导电插塞、第二导电插塞、第三导电插塞及第四导电插塞，所述电阻层的第一端依次通过所述第一导电插塞、所述第一连线与所述第一超导层连接，所述电阻层的第二端依次通过所述第二导电插塞、所述第二连线、所述第三导电插塞、所述第三连线、所述第四导电插塞与所述第二超导层连接。


5.根据权利要求4所述的集成超导器件的制备方法，其特征在于：所述超导纳米线单光子探测器还包括依次连接的电极、第五导电插塞、第四连线、第六导电插塞及第五连线，所述电极连接于所述超导曲折纳米线的一端。


6.根据权利要求5所述的集成超导器件的制备方法，其特征在于：所述电极与所述超导曲折纳米线基于同一材料层图形化得到，所述第四连线、所述电感层、所述第一超导层、所述第一连线及所述第二连线基于同一材料层图形化得到，所述第五连线及所述第三连线基于同一材料层图形化得到。


7.根据权利要求6所述的集成超导器件的制备方法，其特征在于：还包括形成接地层的步骤，所述接地层电连接所述第五连线及所述第三连线。


8.根据权利要求7所述的集成超导器件的制备方法，其特征在于：所述接地层的材料包括金、银、铌、铝、钛中的至少一种。


9.根据权利要求1所述的集...

【专利技术属性】
技术研发人员：任洁，程昆杰，王镇，牛明慧，应利良，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31