[发明专利]亚微米堆栈结构约瑟夫森结器件及其制备方法

权利要求书

1.一种亚微米堆栈结构约瑟夫森结器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底，于所述衬底上形成约瑟夫森结堆栈结构，所述约瑟夫森结堆栈结构自下而上包括依次交替叠置的超导层和势垒层，以及位于顶部的顶层超导电极层，其中，位于最底部的超导层的厚度大于其他超导层的厚度，且最底部的超导层的上表面部分显露于所述约瑟夫森结堆栈结构的表面而成为电性引出区；

形成初始绝缘层，所述初始绝缘层覆盖所述衬底及所述约瑟夫森结堆栈结构，所述初始绝缘层具有非平坦表面，且所述初始绝缘层的上表面与所述约瑟夫森结堆栈结构的上表面具有间距；

对位于所述约瑟夫森结堆栈结构上方的所述初始绝缘层进行第一次光刻刻蚀，以形成第一绝缘环，并使剩余的绝缘层的上表面与所述约瑟夫森结堆栈结构的上表面具有间距；

对剩余的绝缘层进行第二次光刻刻蚀，以于所述第一绝缘环的外侧形成第二绝缘环，并使剩余的绝缘层的上表面与所述约瑟夫森结堆栈结构的上表面具有间距；

对前述步骤得到的结构进行化学机械抛光以显露出所述顶层超导电极层；

于剩余的绝缘层中形成接触孔，所述接触孔显露出所述电性引出区；

形成顶电极引出层和底电极引出层，所述顶电极引出层位于所述顶层超导电极层的表面，且与所述顶层超导电极层电连接，所述底电极引出层填充所述接触孔，且与最底部的超导层电连接。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，最底部的超导层和顶层超导电极层的厚度为90nm-120nm，除最底部的超导层外的超导层的厚度为20nm-40nm，势垒层的厚度为10nm-25nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，于所述衬底上形成约瑟夫森结堆栈结构的方法为：

采用直流反应磁控溅射工艺于所述衬底上形成依次交替叠置的超导材料层和势垒材料层，之后采用直流反应磁控溅射工艺于顶部的势垒层表面形成顶电极材料层；

对形成的超导材料层、势垒材料层和顶电极材料层进行光刻刻蚀以形成所述约瑟夫森结堆栈结构。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述超导材料层、势垒材料层、顶电极材料层均包括Nb元素和N元素，所述势垒材料层和超导材料层的电阻不同。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述势垒层在4.2K温度下的电阻率为1-1*10⁴mΩ·cm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，形成顶电极引出层和底电极引出层的方法包括步骤：

于形成接触孔后得到的结构表面形成电引出材料层，所述电引出材料层填充所述接触孔且覆盖所述顶层超导电极层和剩余的绝缘层；

对所述电引出材料层进行光刻刻蚀以形成所述顶电极引出层和底电极引出层，所述顶电极引出层和底电极引出层相互隔离，且均向外延伸到剩余的绝缘层表面。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述电引出材料层包括NbN薄膜，形成所述电引出材料层的方法包括直流反应磁控溅射工艺；所述衬底为单晶MgO，晶向为(100)，所述衬底的厚度为0.3～1mm，表面尺寸为30mm×30mm～100mm×100mm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述初始绝缘层的厚度大于所述约瑟夫森结堆栈结构的厚度，且厚度差大于等于100nm，第一次光刻刻蚀中，去除的初始绝缘层的厚度为所述约瑟夫森结堆栈结构除最底层外的厚度；第二次光刻刻蚀中，去除的绝缘层的厚度为最底部的超导层的厚度。