一种闭合的超导环状多层膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种闭合的超导环状多层膜，其特征在于：所述的超导多层膜的横截面呈闭合的椭圆环或矩形环；椭圆内环的短轴为１０～１０００００ｎｍ，短轴与长轴的比值为１∶１～５，椭圆外环的短轴为２０～２０００００ｎｍ；矩形内环的宽度为１０～１０００００ｎｍ，矩形外环的宽度为２０～２０００００ｎｍ，矩形内环的宽度与长度的比值为１∶１～５。按照势垒层数的不同分类，该闭合的超导环状多层膜包括单势垒型和双势垒型，其可以通过微加工方法来制备。本发明专利技术的闭合超导环状多层膜在保持超导多层膜原有特征和性能的情况下，还具有较小的结电容和功耗等优点，能够满足大规模产品化的要求，能够广泛应用于以超导环状多层膜为核心的各种器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种闭合的超导环状多层膜，以及这种环状多层膜的制备方法，和其在器件中的应用。
技术介绍
自从1911年昂尼斯(Onnes)发现超导现象以来，由于需要极低温度(典型的是4.2K)而限制了超导技术的广泛应用。上世纪八十年代中期，默勒(Müller)与贝诺兹(Bednorz)发现临界温度TC大于30K的高温超导体后，特别是1987年，TC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～10-15T，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。目前，应用于超导器件中的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。为了克服这些问题，必须采用新的几何结构和器件设计来对器件的性能进行改善。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的超导多层膜系统物理结构上的缺陷，通过改变多层膜系统的几何结构，提供一种具有较小的结电容和功耗，闭合的超导环状多层膜及其制备方法。本专利技术的目的是通过如下的技术方案实现的本专利技术提供的闭合的超导环状多层膜，包括常规的超导多层膜的各层，其特征在于所述的超导多层膜的横截面呈闭合的椭圆环或者矩形环，其中椭圆内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1～5，椭圆外环的短轴为20～200000nm；矩形内环的宽度为10～100000nm，矩形外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～5。本专利技术提供的闭合的超导环状多层膜，按照势垒层数的不同分类，包括单势垒型闭合的超导环状多层膜和双势垒型闭合的超导环状多层膜。本专利技术提供的单势垒型闭合超导环状多层膜，如图1和图2所示，其核心结构包括衬底及其上的下部缓冲层，在所述的下部缓冲层上依次沉积的第一超导层1(以下简称S11)、中间势垒层2(以下简称I11)、第二超导层3(以下简称S12)及覆盖层，其特征在于所述的超导多层膜的横截面呈闭合的椭圆环或者矩形环，其中椭圆内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1～5，椭圆外环的短轴为20～200000nm；矩形内环的宽度为10～100000nm，矩形外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～5。所述的衬底为常规衬底，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；所述的超导层(S11和S12)均由超导材料组成包括1)单质、合金及简单化合物系列，如Nb、Sn、Pb、In、Ta、Nb-Ti、Mo-Re、V3Si、NbN、Nb3Sn、Nb3Ge、Pb-In-Au、Pb-Au、C60、MgB2等；2)M1、M2、Cu和O组成的氧化物系列，所述的金属元素M1为Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Er、Yb或Lu，所述的金属元素M2为Ba、Sr、Ca、Mg或Ra；所述的超导层(S11和S12)的厚度为1～200nm；所述的第一超导层(S11)和第二超导层(S12)的材料和厚度可相同，也可不相同；所述的中间势垒层(I11)由正常金属层、半导体层或者绝缘体势垒层构成，如SrTiO3、AlN、CeO2、Eu2CuO4、PrBa2Cu3O7-x、LaAlO3、Al2O3，MgO、Cu、Fe、Co、Ni、Ag、或Ag-Au，其中所述的绝缘体势垒层还可以由第一超导层(S11)通过自然氧化、热氧化、直流或射频辉光放电氧化、射频溅射氧化等方法而制成；所述中间势垒层的厚度为0.5～100nm；所述的覆盖层由不易被氧化的金属材料组成，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au、Cr等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。本专利技术提供的双势垒型闭合超导环状多层膜，如图3和图4所示，其核心结构包括衬底及其上的下部缓冲层，在所述的下部缓冲层上依次沉积的第一超导层4a(以下简称S21)、第一中间势垒层5a(以下简称I21)、中间导电层6(以下简称IC)、第二中间势垒层5b(以下简称I22)、第二超导层4b(以下简称S22)及覆盖层，其特征在于所述的超导多层膜的横截面呈闭合的椭圆环或者矩形环，其中椭圆内环的短轴为10～100000nm，短轴与长轴的比值为1∶1～5，椭圆外环的短轴为20～200000nm；矩形内环的宽度为10～100000nm，矩形外环的宽度为20～200000nm，矩形内环的宽度与长度的比值为1∶1～5。所述的衬底、下部缓冲层和覆盖层的组成材料及厚度均同于前述的单势垒型闭合超导环状多层膜；所述的超导层(S21和S22)的组成材料同于前述的单势垒型闭合超导环状多层膜的超导层的组成材料；所述的超导层的厚度为2～300nm；所述的中间势垒层(I21和I22)的组成材料同于前述的单势垒型闭合超导环状多层膜的中间势垒层的组成材料；所述的中间势垒层的厚度为0.5～20nm；所述的中间导电层(IC)由正常金属材料或超导材料层构成，其中正常金属材料如Au、Ag、Au-Ag、Cu等；超导材料同于前述的超导层的组成材料；所述的中间导电层的厚度为0.5～100nm。本专利技术提供一种利用微加工方法制备所述的闭合超导环状多层膜的方法，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；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本专利技术的单势垒型闭合超导环状多层膜的第一超导层S11、中间势垒层I11、第二超导层S12以及覆盖层；或是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本专利技术的双势垒型闭合超导环状多层膜的第一超导层S21、第一中间势垒层I21、中间导电层IC、第二中间势垒层I22、第二超导层S22以及覆盖层；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种闭合的超导环状多层膜，包括常规的超导多层膜的各层，其特征在于：所述的超导多层膜的横截面呈闭合的椭圆环或者矩形环，其中椭圆内环的短轴为１０～１０００００ｎｍ，短轴与长轴的比值为１∶１～５，椭圆外环的短轴为２０～２０００００ｎｍ；矩形内环的宽度为１０～１０００００ｎｍ，矩形外环的宽度为２０～２０００００ｎｍ，矩形内环的宽度与长度的比值为１∶１～５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：温振超，刘东屏，韩宇男，马明，覃启航，韩秀峰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]