利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法

本发明属于电子核心产业超导集成电路，特别涉及一种利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法。

背景技术：

1、超导量子计算机的大跨步发展很大程度是由于其退相干时间的提高，如改进电路设计、采用新材料和改良制造工艺等。聚焦新材料的研究，多是在电容器或微波谐振器的材料选取方面，而对约瑟夫森结材料的探索很少。先进的计算建模理论可以提供更快的方式优化工艺和提高性能，如第一性原理等，能将计算结果快速应用于工艺制备，节省成本，加快实验迭代周期，改进工艺制造过程。目前，针对nbn基全氮结的工艺实验已取得一部分成果，但通过计算机进行模拟仿真，定性/半定量的说明约瑟夫森结的电学特性，这类研究还少见报道。为了更好的理解nbn基全氮结的工作机理，对其进行微观结构的研究很有必要。因此，对nbn/aln/nbn界面进行细致的原子结构分析至关重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，探究了势垒层aln中n空位分布的不同及位置的不同对nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的影响，为现有约瑟夫森结制备工艺的改进提供方向，从而提升约瑟夫森结及超导集成电路的性能。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、本发明提供了一种利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，包括以下步骤：

4、分别选取不同晶格常数的aln和nbn结合构建多种无缺陷模型；

5、从上述多种无缺陷模型中选取晶格失配率最低且结合能最高的模型作为参考模型，在参考模型中增加势垒层aln中的n空位缺陷，控制n空位的总数相同，在界面层设置n空位和在aln的每个原子层中设置不同n空位数量，构建反应不同的空位分布对电学性质影响的缺陷模型，在保证aln的每个原子层n空位数量一致的情况下，调整n空位在原子层中的位置，构建反应不同的空位位置对电学性质影响的缺陷模型；

6、根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型；

7、采用nanodcal软件计算不同器件模型的电输运性质，电输运性质至少包含：平衡态透射谱、平衡态电导和局域态密度；

8、通过对得到的电输运性质结果进行分析，确定势垒层aln中n空位分布的不同及位置的不同对nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的影响。

9、进一步地，将晶格常数的氮化铌与的氮化铝结合，将晶格常数的氮化铌分别与和的氮化铝结合构建模型，分别为无缺陷模型一、无缺陷模型二和无缺陷模型三，其中无缺陷模型三的晶格失配率最低且结合能最高，作为参考模型。

10、进一步地，选取空位总数为8，在参考模型中将所有n空位分布在界面层构建出缺陷模型一，对参考模型中aln的每个原子层设置不同n空位数量，构建出缺陷模型二、缺陷模型三、缺陷模型四和缺陷模型五；在保证缺陷模型二中aln的每个原子层n空位数量一致的情况下，调整n空位在原子层中的位置，构建出缺陷模型六和缺陷模型七，对缺陷模型三、四和五做如缺陷模型二的相同处置，构建出缺陷模型八至十三。

11、进一步地，根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型，包括：

12、计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离；

13、对具有最佳界面接触距离的晶体模型进行界面驰豫；

14、将驰豫后的晶体模型转换为nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型。

15、进一步地，所述计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离包括：首先采用vasp软件对nbn和aln的超胞进行驰豫，用驰豫之后得到的材料搭建晶体模型，通过dft总能驰豫进行单点能计算，得到势垒层与超导层界面之间的最佳距离。

16、进一步地，采用vasp软件对具有最佳界面接触距离的晶体模型中氮化铝和氮化铌相接触的原子层进行界面驰豫，将除氮化铝和与氮化铝接触的两层nbn原子以外的原子固定。

17、进一步地，采用nanodcal软件将驰豫后的晶体模型转换为nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型。

18、进一步地，所述nanodcal软件采用基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型的电输运性质。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、1、本发明通过创建原子结构的三维nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型，并采用基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算不同器件模型的电输运特性，探究势垒层aln中n空位分布的不同及位置的不同对nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的影响，为现有约瑟夫森结制备工艺的改进提供方向，从而提升约瑟夫森结及超导集成电路的性能。

21、2、通过第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论进行计算，计算出无缺陷模型和不同缺陷模型在零偏压下的电导，结果显示n空位增加了约瑟夫森结的电输运性质。当控制n空位总数量，对aln的每个原子层增加不同n空位数量时，对电导的影响很大，即空位的增加提高了器件模型的电导。当控制aln的每个原子层n空位数量一致的情况下，改变n空位的位置时，对电导的影响不大。通过计算势垒层每个al原子与n空位之间的平均键长，结合n空位数量的方差分布，发现n空位分布的均匀性对约瑟夫森结的电导影响很大，即每层n空位数量分布越均匀，器件模型的电导越大。缺陷的产生是工艺制备过程中的必然，对缺陷机理的深入研究能帮助在工艺上制备出更高电输运性质的nbn/aln/nbn约瑟夫森结。

技术特征：

1.一种利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，将晶格常数的氮化铌与的氮化铝结合，将晶格常数的氮化铌分别与和的氮化铝结合构建模型，分别为无缺陷模型一、无缺陷模型二和无缺陷模型三，其中无缺陷模型三的晶格失配率最低且结合能最高，作为参考模型。

3.根据权利要求2所述的利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，选取空位总数为8，在参考模型中将所有n空位分布在界面层构建出缺陷模型一，对参考模型中aln的每个原子层设置不同n空位数量，构建出缺陷模型二、缺陷模型三、缺陷模型四和缺陷模型五；在保证缺陷模型二中aln的每个原子层n空位数量一致的情况下，调整n空位在原子层中的位置，构建出缺陷模型六和缺陷模型七，对缺陷模型三、四和五做如缺陷模型二的相同处置，构建出缺陷模型八至十三。

4.根据权利要求1所述的利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，根据初步构建的无缺陷模型和缺陷模型，将其转换为nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型，包括：

5.根据权利要求4所述的利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，所述计算每种模型的单点能，得到最佳界面接触距离包括：首先采用vasp软件对nbn和aln的超胞进行驰豫，用驰豫之后得到的材料搭建晶体模型，通过dft总能驰豫进行单点能计算，得到势垒层与超导层界面之间的最佳距离。

6.根据权利要求5所述的利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，采用vasp软件对具有最佳界面接触距离的晶体模型中氮化铝和氮化铌相接触的原子层进行界面驰豫，将除氮化铝和与氮化铝接触的两层nbn原子以外的原子固定。

7.根据权利要求6所述的利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，采用nanodcal软件将驰豫后的晶体模型转换为nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型。

8.根据权利要求1所述的利用n空位缺陷调控nbn/aln/nbn约瑟夫森结电输运性质的方法，其特征在于，所述nanodcal软件采用基于量子弹道输运理论与第一性原理计算方法中的密度泛函理论和非平衡格林函数理论相结合的方法计算nbn/aln/nbn约瑟夫森结器件模型的电输运性质。

技术总结
本发明属于电子核心产业超导集成电路技术领域，特别涉及一种利用N空位缺陷调控NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的方法，分别选取多种无缺陷模型；从多种无缺陷模型中选取晶格失配率最低且结合能最高的模型作为参考模型，在参考模型中增加势垒层AlN中的N空位缺陷，控制N空位的总数相同，在界面层设置N空位和在AlN的每个原子层中设置不同N空位数量，构建缺陷模型，在保证AlN的每个原子层N空位数量一致的情况下，调整N空位在原子层中的位置，构建缺陷模型；将上述模型转换为NbN/AlN/NbN约瑟夫森结器件模型；采用Nanodcal软件计算模型的电输运性质；对电输运性质结果进行分析。本发明探究了势垒层AlN中N空位分布的不同及位置的不同对NbN/AlN/NbN约瑟夫森结电输运性质的影响。

技术研发人员：单征,邱俊玲,侯一凡,孙回回,陈卓,刘福东,韩传兵,韩鹏宇,刘洋笑
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12