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近几年,量子计算的理论和实验研究已成为国际热点研究课题,南京大学超导电子学研究所是国内最早开始进行超导量子比特试验研究的单位之一。超导约瑟夫森结是实现超导量子比特的基本元件,我们采用Al(Tc=1.2K)材料制备约瑟夫森结。本论文主要对利用电子束蒸发法制备Al/Al2O3/Al超导隧道结的工艺进行研究,主要工作有以下三方面:
(一)Al薄膜的制备工艺研究
在Si衬底上利用电子束蒸发法制备Al薄膜。解决了电子枪跳电,蒸发速率不高和不聚焦等常见问题,稳定控制了制备Al薄膜的基本参数。制备出从10nm到500nm不等厚度的Al薄膜,测量了薄膜的Tc,Jc等电学性能,分析了薄膜的表面平整度。厚度20nm的Al薄膜Tc为1.17K,厚度50nm和500nm的Al薄膜Tc为1.19K。
(二)利用掩模图形法制备Al/Al2O3/Al超导隧道结工艺
对制备小面积的Al/Al2O3/Al超导隧道结工艺进行了研究。势垒层直接氧化Al薄膜表面实现,该方法不仅简单,还能有效防止势垒层不连续造成的弱连接。通过优化条件,利用掩模图形法制备的Al结最小结区面积为1um×1um。
(三)悬空掩模斜蒸发法制备Al/Al2O3/Al超导隧道结工艺
改进了制备工艺,采用悬空掩模斜蒸发法制备Al结。该工艺不仅制备流程简单,而且结区最小能达到纳米级别。制备流程:首先用双层胶制备出悬空掩模结构,再利用电子束蒸发先后通过两个不同的角度蒸发淀积Al,势垒层直接氧化Al薄膜得到,形成叠加隧道结。经过初步的工艺摸索,制备出的Al结能隙电压为0.38mV,但超导电流太小(<0.5nA)。
今后工艺研究的重点:1)改进电子束曝光条件,制备出更小尺寸的悬空掩模结构。2)优化势垒层的制备条件。3)优化Al/Al2O3/Al各层制备的最佳条件。