自下而上的新型高温超导弱连接方法技术

本发明专利技术的目的在于提供自下而上的新型高温超导弱连接方法，通过脉冲激光沉积PLD在100取向的单晶STO衬底上外延生长厚度为120纳米的c轴取向YBCO薄膜，用银浆将基片安装在样品台上，并加热到800℃，在沉积过程中，基底温度和氧气压力固定在800℃和0.2mbar，沉积结束后，增加氧气压力到0.6大气压，冷却样品到450℃，样品在此保持90分钟，然后降低温度，直到达到室温，在YBCO薄膜沉积之后，通过电子束蒸发，在原地沉积厚度为45纳米的金膜作为分流层，用氩离子研磨来图案化16个微米的微桥，在双束FIB系统中用30keV的Ga离子束将单个选定的微桥图案化超导量子干涉器件。本发明专利技术能够完成大规模的约瑟夫森结制备，从而满足现在科学技术如超导量子计算机、量子传感技术的发展。量子传感技术的发展。量子传感技术的发展。

【技术实现步骤摘要】
自下而上的新型高温超导弱连接方法


[0001]本专利技术涉及的是一种超导弱电应用的关键核心技术，具体地说是高温超导弱连接技术。

技术介绍

[0002]约瑟夫森结(Josephson Junctions)在我们的现代技术中发挥着重要作用，约瑟夫森结是超导量子干涉器件和超导量子计算机的核心技术。然而，高温超导体(HTS)约瑟夫森结与低Tc超导体(LTS)在约瑟夫森结在结构上有最明显的不同，而且由于YBa2Cu3O7
‑
x(YBCO)中超导参数的巨大各向异性，相干长度短得多，以及c轴薄膜的优先生长，所以工艺成熟度低很多。然而，在制造和理解HTS JJ方面取得的进展具有重要意义。在过去的几十年里，高温超导的弱连接技术有着飞速的发展。各种已知和未知的弱连接类型，包括纳米线、双外延、双晶结、台阶结、基于光束辐照的高温超导约瑟夫森结。
[0003]最近发展的基于聚焦氦离子束制备高温超导约瑟夫森结的工艺技术大致如下图所示。随着最近氦离子显微镜(HIM)的发展，直径约为0.5纳米的聚焦氦离子束可以用来在纳米尺度上照射和修改铜氧化物超导体。如图1所示，30kV的氦离子束被扫描到超导薄膜上以形成隧道屏障。弱连接背后的原理是，氦离子束可以在辐射区域使超导薄膜产生氧空穴，改变其电学特性。通过优化氦离子束的参数，可以在特定纳米尺度产生绝缘的性质，从而形成高温超导弱连接。
[0004]然而，借助聚焦氦离子束制备的约瑟夫森结氧含量不稳定，导致其电学性质也不稳定。还有就是聚焦氦离子束显微镜价格昂贵，而且其不能实现规模化的制备。最近几年发展的基于超导纳米线的高温超导弱连接技术也充满前景，其示意图如图2所示。通过控制超导纳米线的长度和宽度，实现特殊的电流和相位的关系，从而起到约瑟夫森结的效果。其优点是工艺相对比较简单，缺点是超导纳米线的性质比较难精确控制，导致重复度不高，且不能大规模的制备。
[0005]除此之外，台阶结的技术目前在商业的超导量子干涉仪中被广泛采用，其示意图如图3所示。
[0006]为了创造一个台阶结，在基底上用离子束蚀刻一个阶梯，然后在阶梯上外延生长一个高温超导薄膜。该台阶提供了一个区域，在YBCO薄膜生长过程中，晶界可以在该区域成核。如图3所示，阶梯边缘两侧的晶粒之间的错向角创造了一个倾斜的结点结构。晶粒的错向取决于几个参数，特别是衬底材料和它的晶体取向，薄膜在该衬底上的生长方向，阶梯角度和阶梯高度。该技术的优点是方便大规模制备高温超导约瑟夫森结，且价格相对低廉。缺点是性质不稳定，实验重复度不高。随着芯片技术的发展，在基于半导体自上而下发展约瑟夫森结的技术迫在眉睫。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供可以完成大规模的约瑟夫森结制备的自下而上的新型高
温超导弱连接方法。
[0008]本专利技术的目的是这样实现的：
[0009]本专利技术自下而上的新型高温超导弱连接方法，其特征是：通过脉冲激光沉积PLD在100取向的单晶STO衬底上外延生长厚度为120纳米的c轴取向YBCO薄膜，用银浆将基片安装在样品台上，并加热到800℃，在沉积过程中，基底温度和氧气压力固定在800℃和0.2mbar，沉积结束后，增加氧气压力到0.6大气压，冷却样品到450℃，样品在此保持90分钟，然后降低温度，直到达到室温，在YBCO薄膜沉积之后，通过电子束蒸发，在原地沉积厚度为45纳米的金膜作为分流层，用氩离子研磨来图案化16个微米的微桥，在双束FIB系统中用30keV的Ga离子束将单个选定的微桥图案化超导量子干涉器件。
[0010]本专利技术的优势在于：新型自下而上的约瑟夫森结是基于现代半导体工艺框架下发展的。该技术能够像半导体PN结一样，完成大规模的约瑟夫森结制备，从而满足现在科学技术如超导量子计算机、量子传感技术的发展。
附图说明
[0011]图1为聚焦的氦离子束约瑟夫森结的制造示意图，线表示氦离子被扫描以创建结的位置，用聚焦氦离子束在SrTiO3(STO)上制造的YBCO纳米SQUID的SEM图像；
[0012]图2为扫描电子显微镜和原子力显微镜下两个Dayem桥结构的纳米SQUID的图片，分别为200*970nm2和200*150nm2的环形区域是由两条平行的YBCO纳米线实现的，其长度为l，用Au封顶，并以一定的距离dw放置，连接两个较宽的电极，宽度为we；
[0013]图3为沉积在MgO基底的双层缓冲45
°
台阶上的YBCO薄膜的SEM图像，右上为台阶下角的顶部YBCO层中的45
°
[100]倾斜GB；
[0014]图4为新型自下而上工艺制备的高温超导量子干涉器件；
[0015]图5为基于自下而上人工工程的YBCO SQUID的电传输特性，A
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C说明了基于自下而上人工工程的SQUID的电传输特性，即在不同偏置电流下测量的IVCs、Ic(Imod)和V(Imod)，D
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F显示了基于自下而上人工工程的SQUID的电传输特性，即在不同偏置电流下测量的IVC、Ic(Imod)和V(Imod)；
[0016]图6为新型自下而上的高温超导约瑟夫森结制备工艺流程。
具体实施方式
[0017]下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：
[0018]结合图1
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6，本专利技术的目的是这样实现的：通过脉冲激光沉积(PLD)在(100)取向的单晶STO衬底上外延生长厚度约为120纳米的c轴取向YBCO薄膜。首先，用银浆将基片安装在样品台上，并加热到所需温度约800℃。在沉积过程中，基底温度和氧气压力被固定在800℃和0.2mbar。沉积结束后，氧气压力增加到0.6大气压，样品被冷却到450℃，样品在此保持90分钟。然后，温度降低，直到达到室温。在YBCO薄膜沉积之后，通过电子束蒸发，在原地沉积了厚度约为45纳米的金膜作为分流层。为了定义粗略的结构，使用了光刻技术，然后用氩离子研磨(用300eV的光束能量)来图案化16个微米的微桥。随后，在双束FIB系统中用30keV的Ga离子束将单个选定的微桥图案化超导量子干涉器件。
[0019]图5A
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F说明了基于自下而上人工工程的两个直流SQUID的电传输特性，即在不同
偏置电流下测量的电压电流曲线。在STO衬底上照射较少剂量Ga+的SQUID的临界电流和电阻为Ic＝137μA和Rn＝0.65Ω，对应的特征电压Vc＝IcRn＝89.05μV，比基于双晶技术的分流YBCO SQUID小。互感M＝1.88pH值可由调制周期Ic(Imod)确定。为了获得对SQUIDs电感L的粗略估计，从Ic(Imod)振荡的调制深度确定屏蔽参数βL＝17.3。根据估计的βL，加上测量的Ic，我们确定L的值等于260.9pH，这比基于双晶技术的分流YBCO SQUID大。Ic对Imod的偏斜和对称性移动可能来自于弱环节的非正弦波电流相位关系，需要进一步研究。同样的分析方法也适用于SQUID 2，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.自下而上的新型高温超导弱连接方法，其特征是：通过脉冲激光沉积PLD在100取向的单晶STO衬底上外延生长厚度为120纳米的c轴取向YBCO薄膜，用银浆将基片安装在样品台上，并加热到800℃，在沉积过程中，基底温度和氧气压力固定在800℃和0.2mbar，沉积结束后，增加氧气压力到0.6大...

【专利技术属性】
技术研发人员：林建新，史泽俊，张德恒，赵连君，王琪旻，秦晟昊，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：