一种单晶薄膜的制备方法以及单晶超导约瑟夫森结的制备方法

1.本发明属于超导电子技术领域，涉及一种单晶薄膜的制备方法以及单晶超导约瑟夫森结的制备方法。


背景技术：

2.约瑟夫森结是由两层超导薄膜夹一层势垒层构成的三层薄膜结构，如超导层(superconductor)-绝缘层(insulator)-超导层(superconductor)。由于中间势垒层很薄，两个超导体之间产生弱耦合，库伯对(cooper pair)可以实现隧穿现象，因此约瑟夫森结又称超导隧道结。超导约瑟夫森结自发现以来，在实际应用中取得了许多重要进展，具体包括：用于毫米/亚毫米和远红外电磁波监测、混频器、毫米/亚毫米波发生器，超导量子比特，参量放大器和全超导接收器；在基础科学研究领域，可制备超导量子干涉器(squid)，其磁场分辨率达到10-14
～10-15
t，比传统方法高3-5个数量级，为前沿基础科学研究提供更高级的表征手段。
3.传统约瑟夫森结通常采用常规超导体铝al、锡sn等，中间势垒层则采用沉积或氧化的方法形成。由于常规超导体的超导转变温度低，导致器件工作温度需要低至mk。此外现有的多种工艺制备的势垒层往往会产生界面缺陷，从而影响约瑟夫森结器件性能。
4.对于约瑟夫森结的制备，目前已有的几种工艺制备技术难以同时满足高质量和制备成本低两个条件。溅射工艺是以一定能量的粒子轰击靶材使其表面原子或分子获得足够能量逸出靶材表面，溅射工艺主要包括二极溅射、三级溅射等，以及基于二极溅射基础上发展而来的磁控溅射。溅射工艺因其造价低已经成为镀膜工业的主要方法之一。但现有的溅射工艺难以外延生长高质量的单晶薄膜，尤其是耐高温的过渡金属氮化物陶瓷薄膜和alon单晶薄膜。此外，许多工艺方案都需要光刻胶定义沉积区域，由此产生的光刻胶残留也会影响约瑟夫森结性能。


技术实现要素：

5.鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氮化物超导单晶薄膜、立方尖晶石型alon单晶薄膜的制备方法，以及一种单晶超导约瑟夫森结的制备方法，采用溅射外延方法沉积获得高质量的单晶薄膜，解决现有技术中超导约瑟夫森结难以获得高质量的单晶多层膜的问题。
6.本发明的一个目的通过以下技术方案来实现：
7.一种单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
8.提供一衬底，退火处理；
9.利用溅射外延方法于衬底上沉积获得单晶薄膜。
10.作为优选，所述衬底为单晶硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底、表面已沉积有单晶薄膜的衬底中的其中一种。
11.作为优选，退火处理的温度为1000～1200℃，时间为 15～30min。
12.作为优选，单晶薄膜为氮化物超导单晶薄膜或立方尖晶石型 alon单晶薄膜。
13.作为优选，单晶薄膜为氮化物超导单晶薄膜时，溅射外延方法的参数为：以纯金属靶作为靶材，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05torr；
14.单晶薄膜为立方尖晶石型alon单晶薄膜时，溅射外延方法的参数为：以单晶al2o3靶作为靶材，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05 torr。
15.作为优选，所述氮化物为氮化钛、氮化铌、氮化锆、氮化钒、氮化钼、氮化钽、氮化铪中的一种或多种。
16.本发明的另一个目的通过以下技术方案来实现：
17.一种单晶超导约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：
18.s1、提供一衬底，退火处理；
19.s2、于衬底上覆盖掩膜版，并利用溅射外延方法于衬底上沉积获得第一氮化物超导单晶薄膜，形成底电极；
20.s3、调整掩膜版位置，并利用溅射外延方法于步骤s2样品表面沉积立方尖晶石型alon单晶薄膜，形成绝缘层；
21.s4、利用溅射外延方法于步骤s3样品表面沉积第二氮化物超导单晶薄膜，形成顶电极。
22.作为优选，所述衬底为单晶硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底、表面已沉积有单晶薄膜的衬底中的其中一种。
23.作为优选，退火处理的温度为1000～1200℃，时间为 15～30min。
24.作为优选，氮化物为氮化钛、氮化铌、氮化锆、氮化钒、氮化钼、氮化钽、氮化铪中的一种或多种。
25.作为优选，步骤s2和s4中，溅射外延方法的参数为：以纯金属靶作为靶材，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05torr；
26.步骤s3中，溅射外延方法的参数为：以单晶al2o3靶作为靶材，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05torr。
27.本发明的另一个目的通过以下技术方案来实现：
28.一种上述制备方法制备获得的单晶超导约瑟夫森结，包括：
29.衬底；
30.功能结构层，形成于所述衬底上，所述功能结构层自下而上包括底电极、绝缘层和顶电极。
31.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
32.(1)本发明利用溅射外延方法沉积获得了高质量的氮化物超导单晶薄膜和/或立方尖晶石型alon单晶薄膜；
33.(2)本发明采用的溅射外延方法参数为：以纯金属靶或单晶 al2o3靶作为靶材，生长温度为950～1050℃，射频功率为 80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05torr，通过控制参数获得高质量单晶薄膜；
34.(3)采用本发明溅射外延方法沉积获得的高质量氮化物超导单晶薄膜以及立方尖晶石型alon单晶薄膜，构建了氮化物超导单晶薄膜层-立方尖晶石型alon单晶薄膜-氮化物超导单晶薄膜层三层膜结构的约瑟夫森结，能够减少界面缺陷，改善约瑟夫森结性能；
35.(4)本发明制备单晶超导约瑟夫森结的方法简单，将该约瑟夫森结应用于集成电路的加工技术，能够很大程度上减少超导量子电路所需外延单晶薄膜的制备成本。
附图说明
36.图1为本发明实施例1和对比例1中例示的氮化钛单晶薄膜的高分辨x射线衍射结果示意图；
37.图2为本发明实施例1和对比例1中例示的氮化钛单晶薄膜的温度依赖性电阻率示意图；
38.图3为本发明实施例2和对比例2中例示的立方尖晶石型 alon单晶薄膜的高分辨x射线衍射结果示意图；
39.图4为本发明实施例3中例示的掩膜版的结构示意图。
40.图5为本发明实施例3制备的单晶超导约瑟夫森结的结构示意图；
41.图6为图5沿a-a的横截面示意图；
42.图7为本发明实施例3中例示的氮化钛-铝氧氮-氮化钛三层薄膜的高分辨x射线衍射结果示意图；
43.图中：31、衬底，32、掩膜版，33、底电极，34、绝缘层，35、顶电极，36、约瑟夫森结结区。
具体实施方式
44.在下文中，针对本发明的一种单晶薄膜的制备方法及一种单晶超导约瑟夫森结的制备方法将详细地描述实施方式，然而，这些实施方式是示例性的，本发明公开内容不限于此。
45.在本发明的一些实施方式中，提供一种氮化物超导单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
46.提供一衬底，退火处理；
47.利用溅射外延方法于衬底上沉积获得氮化物超导单晶薄膜。
48.所述衬底优选为单晶硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底、表面已沉积有单晶薄膜的衬底中的其中一种。表面已沉积有单晶薄膜的衬底表示为表面已沉积有单晶薄膜的单晶硅衬底或表面已沉积有单晶薄膜的氧化镁衬底或表面已沉积有单晶薄膜的蓝宝石衬底。
49.对衬底进行退火处理，目的在于去除衬底表面吸附气体分子，提高外延薄膜的晶体质量；作为优选，步骤s1的退火温度为 1000～1200℃，退火时间为15～30min。
50.所述氮化物优选为氮化钛、氮化铌、氮化锆、氮化钒、氮化钼、氮化钽、氮化铪中的一种或多种。
51.所述溅射外延方法的参数为：以纯金属靶作为靶材(纯金属对应于目标沉积物氮化钛、氮化铌、氮化锆、氮化钒、氮化钼、氮化钽、氮化铪中的金属元素)，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05torr。
52.本发明通过溅射外延方法获得的氮化物超导单晶薄膜为单晶结构，且晶体质量高，超导转变温度高达4.5k。
53.在本发明的一些实施方式中，提供一种立方尖晶石型alon 单晶薄膜的制备方法，包括以下步骤：
54.提供一衬底，退火处理；
55.利用溅射外延方法于衬底上沉积获得立方尖晶石型alon单晶薄膜。
56.所述衬底优选为单晶硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底、表面已沉积有单晶薄膜的衬底中的其中一种。表面已沉积有单晶薄膜的衬底表示为表面已沉积有单晶薄膜的单晶硅衬底或表面已沉积有单晶薄膜的氧化镁衬底或表面已沉积有单晶薄膜的蓝宝石衬底。
57.对衬底进行退火处理，目的在于去除衬底表面吸附气体分子，提高外延薄膜的晶体质量；作为优选，步骤s1的退火温度为 1000～1200℃，退火时间为15～30min。
58.所述溅射外延方法的参数为：以单晶al2o3靶作为靶材，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05torr。
59.本发明通过溅射外延方法可以获得的立方尖晶石型alon单晶薄膜，单晶质量高。
60.在本发明的一些实施方式中，提供一种单晶超导约瑟夫森结的制备方法，包括以下步骤：
61.s1、提供一衬底，退火处理；
62.s2、于衬底上覆盖掩膜版，并利用溅射外延方法于衬底上沉积获得第一氮化物超导单晶薄膜，形成底电极；
63.s3、调整掩膜版位置，并利用溅射外延方法于步骤s2样品表面沉积立方尖晶石型alon单晶薄膜，形成绝缘层；
64.s4、利用溅射外延方法于步骤s3样品表面沉积第二氮化物超导单晶薄膜，形成顶电极。
65.所述衬底优选为单晶硅衬底、氧化镁衬底、蓝宝石衬底、表面已沉积有单晶薄膜的衬底中的其中一种。表面已沉积有单晶薄膜的衬底表示为表面已沉积有单晶薄膜的单晶硅衬底或表面已沉积有单晶薄膜的氧化镁衬底或表面已沉积有单晶薄膜的蓝宝石衬底。
66.对衬底进行退火处理，目的在于去除衬底表面吸附气体分子，提高外延薄膜的晶体质量；作为优选，步骤s1的退火温度为 1000～1200℃，退火时间为15～30min。
67.步骤s2和步骤s4中的氮化物优选为氮化钛、氮化铌、氮化锆、氮化钒、氮化钼、氮化钽、氮化铪中的一种或多种。
68.步骤s2和s4中，溅射外延方法的参数为：以纯金属靶作为靶材(纯金属对应于目标沉积物氮化钛、氮化铌、氮化锆、氮化钒、氮化钼、氮化钽、氮化铪中的金属元素)，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为 0.001～0.05torr。
69.步骤s3中，溅射外延方法的参数为：以单晶al2o3靶作为靶材，生长温度为950～1050℃，射频功率为80～120w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.001～0.05torr。
70.在单晶超导约瑟夫森结的制备方法中，采用了掩膜版，通过掩膜版定义第一氮化物超导单晶薄膜、立方尖晶石alon绝缘层和第二氮化物超导单晶薄膜生长区域。
71.本发明通过控制溅射外延方法的参数，成功制备了氮化物超导单晶薄膜和立方尖晶石型alon单晶薄膜，均为单晶结构，晶体质量很高。
72.本发明构成约瑟夫森结的三层膜结构均为采用溅射外延方法沉积获得，其中溅射外延方法沉积获得的氮化物超导单晶薄膜晶体质量高，超导转变温度高达4.5k，采用溅射外延方法沉积获得立方尖晶石型alon单晶薄膜。采用溅射外延方法制备的氮化物超导单晶薄膜层-立方尖晶石型alon单晶薄膜-氮化物超导单晶薄膜层的三层薄膜为单晶薄膜且晶体质量高，由此构成的约瑟夫森结，能够减少界面缺陷系统，改善约瑟夫森结的性能。此外，若将约瑟夫森结应用于集成电路的加工技术，能够很大程度上减少超导量子电路所需外延单晶薄膜的制备成本。
73.下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。且本文中所使用的附图，仅仅是为了更好地说明本发明所公开内容，对保护范围并不具有限制作用。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
74.实施例1
75.一种氮化钛超导单晶薄膜的制备方法，具体步骤如下：
76.将氧化镁衬底在1000℃下退火15min，然后通过溅射外延方法在退火后的氧化镁衬底上生长氮化钛超导单晶薄膜，溅射外延方法的参数为：生长温度为1000℃，射频功率为100w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.02torr，采用99.999％纯钛靶作为靶材，生长5h。
77.利用高分辨x射线衍射仪表征氮化钛单晶薄膜的晶体结构，如图1(a)所示。溅射外延方法生长5h的氮化钛薄膜的晶体取向与衬底氧化镁高度一致。均匀且对称出现在薄膜主衍射峰两侧的劳厄震荡，表明溅射外延法生长的氮化钛薄膜的晶体质量高。
78.利用综合物性测量系统表征氮化钛超导单晶薄膜的电学输运性质。具体的，氮化钛超导单晶薄膜的温度依赖性电阻率关系图如图2(a)所示。溅射外延方法生长5h的氮化钛超导单晶薄膜的超导转变温度为4.5k。
79.对比例1
80.对比例1与实施例1的区别仅在于，对比例1的生长温度为 400℃，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
81.对比例1中获得的tin薄膜的高分辨xrd图如图1(b)所示，可以看出虽然有tin薄膜特征峰，但是该薄膜峰宽、峰强低，两侧没有劳厄震荡，表明其晶体质量很差。对比例1中tin的温度依赖性电阻率关系图如图2(b)所示，该薄膜没有出现超导态。
82.实施例2
83.一种立方尖晶石型alon单晶薄膜的制备方法，具体步骤如下：
84.将氧化镁衬底在1000℃下退火15min，然后通过溅射外延方法在退火后的氧化镁衬底生长立方尖晶石型alon单晶薄膜，溅射外延方法参数为：生长温度为1000℃，射频功率为100w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.005torr，采用单晶al2o3靶作为靶材，生长5h。
85.利用高分辨x射线衍射仪表征立方尖晶石型alon单晶薄膜的晶体结构，如图3(a)所示。溅射外延法生长5h的立方尖晶石型 alon单晶薄膜的alon薄膜峰为立方尖晶石型alon的(004) 特征峰，与氧化镁衬底晶体取向一致。
86.对比例2
87.对比例2与实施例2的区别仅在于，对比例2的生长温度为 400℃，其他与实施例2
相同，此处不再赘述。
88.对比例2中获得的alon薄膜的高分辨xrd图如图3(b)所示，图中没有薄膜特征峰，表明对比例2没有获得立方尖晶石相 alon薄膜。
89.实施例3
90.本实施制备单晶超导约瑟夫森结，制备方法具体如下：
91.s1、将氧化镁衬底在1000℃下退火15min；
92.s2、在退火后的衬底上覆盖掩膜版，掩膜版的结构示意图如图4所示，掩膜版上具有一通孔，用于定义单晶薄膜沉积区域；将覆盖掩膜版的衬底置于溅射外延设备的反应腔室内，溅射外延方法的参数为：生长温度为1000℃，射频功率为100w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.02torr，采用99.999％纯钛靶作为靶材，生长5h沉积获得第一氮化钛超导单晶薄膜层，即为底电极；
93.s3、调整掩膜版位置，使得掩膜版的通孔与第一氮化钛超导单晶薄膜层呈90
°
左右，然后置于溅射外延设备的反应腔室内，溅射外延方法的参数为：生长温度为1000℃，射频功率为100w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.005torr，采用单晶al2o3靶作为靶材，生长1h沉积获得立方尖晶石型alon单晶薄膜，即为绝缘层；
94.s4、将步骤s3的样品置于溅射外延设备的反应腔室内，溅射外延方法的参数为：生长温度为1000℃，射频功率为100w、气氛为纯氮气气氛、气压为0.02torr，采用99.999％纯钛靶作为靶材，生长5h沉积获得第二氮化钛超导单晶薄膜层，即为顶电极。
95.本实施制备的单晶超导约瑟夫森结如图5-6所示，包括：衬底31；功能结构层，形成于所述衬底31上，所述功能结构层自下而上包括底电极33、绝缘层34和顶电极35；顶电极35和底电极33重叠处定义为约瑟夫森结结区36。
96.所述约瑟夫森结结区用高分辨x射线衍射仪表征其晶体结构，结果如图7所示，本实施例中获得的约瑟夫森结结区的三层膜衍射峰取向与衬底一致，且峰强高，表明结区tin-alon-tin 三层薄膜为单晶薄膜且晶体质量高。
97.最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。