[发明专利]一种超导隧道结及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超导器件，尤其涉及一种超导隧道结及其制备方法。

背景技术

超导Josephson隧道结是在两块超导体中间嵌入一层绝缘层，两块超导体通过中间的绝缘层形成弱耦合。当势垒层足够薄时将会出现奇特的物理现象，即Josephson效应。利用超导Josephson隧道结的特殊物理效应可以构成各种功能的超导器件，其中超导量子比特是其中典型的一个例子。超导Josephson隧道结是超导量子比特的基本组成单元，其质量的高低直接决定超导量子比特性能的好坏。因而研究制备高质量的超导Josephson隧道结的工艺方法具有重要的现实意义。

漏电流是反映超导Josephson隧道结的性能一个重要参数，特别是在超导量子比特电路的制备中，小的漏电流与超导电流比，是超导量子比特电路的基本要求，通常用漏电流占超导电流的比例来表征隧道结的漏电流大小。一般的超导器件都要求隧道结的漏电流足够的小，因而非常有必要研究哪些因素会影响隧道结漏电流大小。从制备结的工艺来看，漏电流的产生有两个主要的来源：首先是势垒层中，由于约瑟夫森效应的要求，势垒层都做比较薄，这样就会存在各种微缺陷等造成针孔，造成上下电极微小短路形成漏电流；另一个就是结区周边边缘上，与外界空气等介质形成一个交界面，虽然结区边缘有一层势垒层(氧化层如Al₂O₃)形成的绝缘层，但由于非常薄，空气中的氧以及各类导电粒子会进入氧化层造成缺陷等，绝缘性能下降，从而导致漏电流产生。在结的制备工艺中，结区的边缘暴露在空气中(对漏电流有影响)的长度称为隧道结的有效周长。显然结区的边界与外界介质交界越长(即有效周长越长)漏电流就会越大。可以预见，在结面积一定势垒层质量不变的情况下，减小隧道结的有效周长可以减小结的漏电流。

我们制备了不同面积的超导Josephson隧道结，实验得出漏电流占超流之比和有效周长与结面积之比的变化关系如图1所示。

从图1的实验结果可以看到，漏电流占超导电流的比例和有效周长与结面积之比的确有一定正向关系，即有效周长与结面积比越大，漏电流占超导电流的比例就越大。因而在结面积不变(超导电流不变)的条件下，减小结边缘与介质的接触长度显然可以减小漏电流的大小，同时漏电流占超导电流的比也会减小。

通常超导隧道结是由上超导层(即上层电极)、下超导层(即下层电极)和中间势垒层(SIS)的结构(俗称三明治结构)构成，往往上下电极大小相同(即对称电极结构)。以电子束斜蒸发法、原位氧化制备Al/Al₂O₃/Al铝隧道结为例，如图2所示，若结区面积为矩形，在对称电极结构的设计中，结边缘有三条边暴露在空气中，结的有效周长为这三条边长度的和，结的有效边长较长，漏电流较大。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种不对称覆盖式电极结构的超导隧道结及其制备方法，降低结的有效周长，减小隧道结漏电流，在同等结面积的情况下，使漏电流与超流比得到降低，提高了隧道结的特性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超导隧道结为一种不对称覆盖式电极结构，包括上层电极、中间势垒层和下层电极，所述上层电极的面积大于下层电极的面积，上层电极覆盖下层电极，上层电极将结区周边与外界隔离。

采用上述不对称覆盖式电极结构的超导隧道结，由于下层电极被上层电极完全覆盖，使得上层电极对结区周边起到与外界隔离的作用，在结区不变(结区面积也不存在变化)的情况下，暴露在空气中的结区边缘(有效周长)减少了。

一种制备上述超导隧道结的方法，基于悬空掩膜斜蒸发法和原位氧化法，具体来说包括如下步骤：

(1)设计超导隧道结掩膜板图像，设计上层电极的面积大于下层电极的面积，并且上层电极完全覆盖下层电极；

(2)基于设计的超导隧道结掩膜板图像制备悬空掩膜结构；

(3)基于悬空掩膜结构通过电子束斜蒸发法和原位氧化法制得超导隧道结。

有益效果：本发明提供的超导隧道结及其制备方法，可以有效的降低结的有效周长，减小隧道结漏电流，在同等结面积的情况下，使漏电流与超流比得到降低，提高隧道结的特性。

附图说明

图1为漏电流占超流之比和有效周长与结面积之比的变化关系图；

图2为采用对称电极结构设计中结的有效周长标示图；

图3为采用不对称覆盖式电极结构设计中结的有效周长标示图；