一种约瑟夫森结器件及其制备方法与流程

本发明涉及约瑟夫森结，尤其涉及一种可探测结区相位差的约瑟夫森结器件及其制备方法。

背景技术：

约瑟夫森结以及包含约瑟夫森结的超导量子干涉器(squid)主要应用于物理、化学、材料、地质、生物、医学等领域中的小磁场精确测量，如地磁场探测，人体心脏、大脑等器官的生物电磁波测量，岩石磁力，材料低温下的磁化率等。其精度最高可达到10^-14t，是目前灵敏度最高的磁敏感传感器。

此外，在当今凝聚态物理领域，将拓扑绝缘体(ti)用于约瑟夫森结器件可实现拓扑量子计算。ti是一种具有线性色散关系的手性半导体材料，利用超导体(s)和ti构成的s-ti-s约瑟夫森结在结区相位差达到π时，可以实现马约拉纳束缚态(mbs)。利用mbs将可以实现拓扑量子计算，成为未来信息技术发展的基础。

因此，控制和探测约瑟夫森结的结区相位差，对于其在现有领域以及未来的量子计算领域的应用至关重要。控制结区相位差可以通过给结区外加磁场的方式来实现；也可以将约瑟夫森结构建在超导环路中，形成具有一个结的射频超导量子干涉器(rf-squid)结构或者具有多个结的超导量子干涉器(squid)结构，通过给超导环路中加磁场进而实现对干涉器中约瑟夫森结的相位差控制。

而探测结区相位差，现有的方法是通过测量约瑟夫森结或者squid干涉器的电流相位关系，即测量超导器件的结区临界电流随磁场的变化，进而计算出器件结区临界电流随结区相位差的变化，从而得到器件中约瑟夫森结的相位差。但是对于rf-squid器件等具有特殊结构的器件，由于超导环路对电流的短路效果，无法测量器件的结区临界电流。因此对于rf-squid等器件，现有的方法将无法探测其约瑟夫森结的结区相位差。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种约瑟夫森结器件，其能够探测约瑟夫森结的结区相位差。本发明的约瑟夫森结器件包括：非超导介质膜和位于所述非超导介质膜之上的彼此间隔的第一超导介质膜和第二超导介质膜，还包括在所述第一超导介质膜和第二超导介质膜之间的至少一个正常金属电极，所述正常金属电极与所述非超导介质膜直接接触，并且与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜分别彼此绝缘。

根据本发明的约瑟夫森结器件，优选地，还包括覆盖所述超导介质膜和非超导介质膜的绝缘层，所述绝缘层具有至少一个暴露出所述非超导介质膜的开口，所述正常金属电极跨越所述开口。

根据本发明的约瑟夫森结器件，优选地，所述绝缘层的材料为过曝光的pmma胶。

根据本发明的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极的材料为钯或金。

根据本发明的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极为圆柱形。

根据本发明的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极为两个或三个。

根据本发明的约瑟夫森结器件，优选地，所述第一超导介质膜和第二超导介质膜之间的间隔为1.2μm，所述正常金属电极的截面直径为700～800nm。

根据本发明的约瑟夫森结器件，优选地，所述正常金属电极与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜的间隔相等。

本发明还提供了制备约瑟夫森结器件的方法，包括如下步骤：

步骤一：制备非超导介质膜；

步骤二：制备附着在非超导介质膜上的彼此间隔的第一超导介质膜和第二超导介质膜；

步骤三：在所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜之间制备至少一个正常金属电极；

其中，所述正常金属电极与所述非超导介质膜直接接触，并且与所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜分别彼此绝缘。

根据本发明的制备约瑟夫森结器件的方法，优选地，所述步骤二还包括在所述非超导介质膜和所述第一超导介质膜和所述第二超导介质膜上制备绝缘层的步骤，所述绝缘层上具有至少一个暴露出所述非超导介质膜的开口，所述正常金属电极跨越所述开口。

与现有技术相比，本发明的优点在于：可以针对任何形式的约瑟夫森结相关器件，尤其是射频超导量子干涉器，进行结区相位差测量；测量方式简单，无需测量如环境磁场、器件电流相位关系等物理量，能够直接测量出器件中的结区相位差。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明的第一实施例的约瑟夫森结器件的俯视图；

图2为根据本发明的第一实施例的约瑟夫森结器件的截面视图；

图3为根据本发明的第一实施例的约瑟夫森结器件的扫描电镜图片；

图4为根据本发明的第一实施例的约瑟夫森结器件的结区相位差测量的工作原理图；

图5为根据本发明的第二实施例的超导量子干涉器的俯视图；

图6为根据本发明的第二实施例的超导量子干涉器的扫描电镜图片；

图7为根据本发明的第二实施例的射频超导量子干涉器的俯视图；

图8为根据本发明的第二实施例的射频超导量子干涉器的扫描电镜图片；

图9为根据本发明的约瑟夫森结器件的制备工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例

本实施例提供一种约瑟夫森结器件，如图1和图2所示，图1为本实施例的约瑟夫森结器件的俯视图，图2为沿图1的aa’线截取的约瑟夫森 结器件的截面视图。为了简单起见，图1仅示出了超导介质膜31和32以及它们之间的三个正常金属电极5。具体地参见图2，本实施例的约瑟夫森结器件包括si/sio2衬底1、厚度为100nm的碲化铋(bi2te3)非超导介质膜2、附着在bi2te3非超导介质膜上的两个彼此间隔1.2μm的厚度为100nm的铅(pb)超导膜31和32，非超导介质膜2以及超导膜31和32构成传统的约瑟夫森结，其可以用现有技术的任意类似结构的超导约瑟夫森结来替代。本实施例的超导约瑟夫森结器件还包括：覆盖pb超导膜和bi2te3非超导膜的厚度为100nm的过曝光的pmma绝缘层4、所述超导膜31和32之间的绝缘层4的直径为700～800nm的圆形开口(在附图中未标注，其位置与金属电极5的位置对应)、以及跨越所述开口并与所述bi2te3非超导介质膜2接触的厚度为200nm的钯(pd)金属电极5。本领域技术人员很容易理解，图2所示出的截面视图截取了图1中的三个正常金属电极中的一个，对于另外两个金属电极，截取所得到的截面视图具有类似的结构。图3为本实施例的约瑟夫森结器件的扫描电镜图片。

下面具体地介绍本实施例的约瑟夫森结器件的探测结区相位差的原理。参照图4，图4为根据本发明的标准三端法测量配置图。由于超导临近效应，约瑟夫森结器件的超导介质膜31和32之间(结区)的非超导介质膜2会被诱导成超导态。而正常金属电极5与结区中的非超导介质膜2的接触电阻r接触，受到所述非超导介质膜2的具体的电阻r2、临近效应诱导成的超导态强度的直接影响。而所述临近效应诱导的超导态强度受到结区相位差的调制，因此，测量所述正常金属电极5与所述结区非超导介质膜2的接触电阻r接触就可以探测约瑟夫森结器件的超导介质膜31和32之间的结区相位差

接触电阻的具体测量方法为标准三端法，将电流从所述正常金属电极5引到本实施例的器件中的一个电极(该电极可以是器件中除正常金属电极5以外的任何一个电极，超导与非超导均可，针对第一实施例可以是超导介质膜电极31)形成一个完整的电流回路(本领域技术人员公知的是,所加电流需小于超导约瑟夫森结的临界电流，具体针对第一实施例，测量电流优选为1～100na)，而电压的测量为所述正常金属电极5与本实施例的器件中的非电流端的另一个电极(针对第一实施例可以是超导介质膜电极32)的电位差。电压测量中，测到的电压降主要包括：部分正常金属电极5的电阻r5和所述接触电阻r接触，而部分正常金属电极5的电阻r5不 会被结区相位差(或磁场)调制，而所述接触电阻r接触会被结区相位差调制。因此，该三端法测到的电压降变化即为接触电阻r接触随结区相位差(磁场)的变化。

从本发明的约瑟夫森结器件的结区相位差的测量原理可以很容易地看出，约瑟夫森结器件的结区不同位置的相位差由该位置的正常金属电极5参与测量，也就是说，一个正常金属电极5对应一个结区位置的相位差测量，因此，正常金属电极5的数量越多，所能测量的结区位置越多。因此，对本发明的正常金属电极的数量并没有限制，只要等于或多于一个即可。

第二实施例

本实施例提供包含本发明的约瑟夫森结器件的超导量子干涉器(squid)和射频超导量子干涉器(rf-squid)。参见图5-8，图5和图6分别为包含两个超导约瑟夫森结器件的squid的俯视图和扫描电镜图片，图7和图8分别为包含一个约瑟夫森结器件的rf-sqiud的俯视图和扫描电镜图片。在图5和图7中，虚线框内为本发明的约瑟夫森结器件，通过超导介质膜将约瑟夫森结器件连通，并且在结区内分别包含两个金属电极。在该实施例中，可以采用与第一实施例相同的测量方法测量约瑟夫森结器件的结区相位差。

第三实施例

本实施例提供前述第一实施例的约瑟夫森结器件的制备方法，如图9所示，其包括如下步骤：

步骤1:如图9(a)所示，选择几毫米见方的，上表面有300nm厚的sio2的硅片衬底，采用常规方法清洗。

步骤2:如图9(b)所示，采用解离、化学气相沉积(cvd)、分子束外延(mbe)、溅射或蒸发镀膜等方法将非超导介质膜附着在衬底上。具体地，使用3m胶带将bi2te3单晶解离成几微米大、100nm厚的薄片(即非超导介质膜)并转移到硅片衬底上。

步骤3:如图9(c)所示，将载有非超导介质膜的硅片甩上pmma胶(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)并烘干。

步骤4:如图9(d)所示，使用电子束曝光做出超导结构所需的图样。

步骤5:如图9(e)所示，显影。

步骤6:如图9(f)所示，使用磁控溅射、蒸发镀膜等方法，镀厚度为100nm的pb超导膜。

步骤7:如图9(g)所示，使用丙酮去胶。

步骤8:如图9(h)所示，甩pmma胶并烘干。

步骤9:如图9(i)所示，使用大剂量过曝光的手段，做出绝缘层图样。所用剂量为通常曝光剂量的30倍以上，且绝缘层上未被曝光的窗口区域为直径小于超导膜间距的圆形窗口，优选地为直径600nm～800nm。

步骤10:如图9(j)所示，使用丙酮将未被过曝光的胶去掉，过曝光的pmma胶将不会被丙酮洗掉。

步骤11:如图9(k)所示，甩pmma胶并烘干。

步骤12:如图9(l)所示，使用电子束曝光做出正常金属所需的图样。

步骤13:如图9(m)所示，显影。

步骤14:如图9(n)所示，使用磁控溅射、蒸发镀膜等方法，镀厚度为200nm以上的正常金属膜。

步骤15:如图9(o)所示，使用丙酮去胶。

根据本发明的其他实施例，所述约瑟夫森结器件中的非超导介质膜可以采用硒化铋(bi2se3)、石墨(graphite)、石墨烯(graphene)以及金(au)等材料。

根据本发明的其他实施例，所述约瑟夫森结器件中的超导介质膜可以采用铝、锡或铌等材料。

根据本发明的其他实施例，所述正常金属采用可以采用本领域公知的任意其他非超导金属材料，例如金等。

根据本发明的其他实施例，squid或rf-squid中的超导介质膜结构可以为环状，例如圆环、方环或其他多边形环，环半径大于1μm；并且所述环上具有一个或两个或多个任意分布的缺口，缺口的间距小于2μm；如图5和图7所示。

根据本发明的其他实施例，所述绝缘层上的开口为至少一个，绝缘层上的开口的位置与正常金属电极的位置对应，对正常金属电极的位置没有限制，只要正常金属电极与超导介质膜彼此绝缘即可，除了采用前述实施例中的绝缘层，也可以采用空间分隔的方式实现正常金属电极和超导介质 膜的绝缘。

根据本发明的其他实施例，对约瑟夫森结器件的各部分的具体尺寸没有限制，只要正常金属电极与非超导介质膜接触、与超导介质膜绝缘即可。

本领域普通技术人员很容易理解，约瑟夫森结器件的制备可以采用本领域公知的任意涂层、镀膜、刻蚀、清洗等方法，对应于约瑟夫森结器件的变形，其制备方法的具体参数也应该有相应的改变。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。