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铝超导隧道结的制备工艺与特性的研究

作　者: 沈丹丹
导　师: 许伟伟
学　校: 南京大学
专　业: 无线电物理
关键词: 超导量子比特 电子束蒸发 Al/Al2O3/Al超导隧道结
分类号: O511.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


量子信息科学作为一个新兴的交叉学科,吸引了大量的各个领域的研究者参与。量子计算作为一种新型的计算体系,已经证明了具有超越传统计算机的优越性能。研究表明,有很多的物理系统有希望能够实现简单的量子计算,而约瑟夫森结系统,由于其具有优良的可扩展性、系统可控性,可能的足够长的相位相干时间,成熟的制备工艺等优势,成为各种量子计算方案中发展最快,可集成性最好,潜力最大的方案之一。利用包含单个或两个超导约瑟夫森结的超导环可以制备SQUID,与一个超导结一起实现超导磁通量子比特。超导约瑟夫森结是实现超导量子比特的核心元件。我们在国内率先进行了利用Al/Al2O3/Al(铝／氧化铝／铝)超导约瑟夫森隧道结构成超导量子比特的研究。本论文利用悬空掩膜斜蒸发的工艺方法,制备Al/Al2O3/Al超导隧道结,并且在制备工艺及控制其特性方面做了深入细致的研究工作,取得了一定的科研成果。本篇论文的工作主要包括以下三个方面：1、铝薄膜的制备工艺研究制备高质量的铝超导隧道结,首先要制备表面平整的铝薄膜。薄膜的表面平整度对势垒层质量的关系极大,如果表面不平整容易造成势垒层漏洞,导致结的漏电流增大。本文讨论并解决了电子束蒸发过程中遇到的问题,如铝材料的蒸发难控制、电子枪跳电及电子束聚焦不好。通过控制蒸发速率来提高薄膜的平整度。并测量了薄膜的超导转变温度Tc和临界电流密度Jc,分析了薄膜的表面平整度。实验中制备出的Al薄膜Tc为1.185K,Jc约为105A/cm2。高质量的铝薄膜的制备,为制备铝超导隧道结打下了坚实基础。2、研究铝隧道结参数特性与势垒层形成条件的关系在隧道结的制备中势垒层的制备最为关键,势垒层决定了超导电流密度Jc势垒能隙电压Vg、漏电流工。等重要参数。通过研究铝隧道结面积的控制、减小结区周长与面积比、以及对氧化工艺的改进等方法,来对制备铝超导隧道结的工艺过程进行优化,以获得更小面积的铝隧道结,更小的漏电流。另一方面,为了得到满足量子比特所需参数的隧道结,深入研究了铝超导隧道结的临界电流密度Jc和R。(正常态电阻RN与结面积的乘积)与势垒层生长条件的关系,通过改变势垒层生长的氧分压与氧化时间来控制铝超导隧道结的Jc和Rc,以使此工艺所制备的铝隧道结漏电流小,结参数易于控制,满足制备超导量子比特的要求。3、制备出高质量小面积铝超导隧道结在制备出高质量铝薄膜并较好的控制势垒层的基础上,制备出面积为1-2μm2的铝超导隧道结,其漏电流可以控制在5%以下,最小达到0.6%,超导电流密度可达100 A/cm2左右,达到构建量子超导比特的要求。本文利用双层光刻胶构成悬空掩模,用电子束斜蒸发的方法制备Al/Al2O3/Al隧道结,实验中所制备的小面积、漏电低的铝隧道结,达到构建量子超导比特的要求。

全文目录


摘要  2-4
abstract  4-6
目录  6-8
图目录  8-10
第一章 前言  10-16
  1.1 量子计算简介  10-11
  1.2 超导量子计算的发展和研究现状  11-16
第二章 超导量子比特  16-26
  2.1 约瑟夫森结  16-20
    2.1.1 约瑟夫森效应  16-18
    2.1.2 RCSJ模型  18
    2.1.3 恒流源偏置下约瑟夫森结的I-V曲线  18-20
  2.2 超导量子干涉仪  20-23
    2.2.1 dc-SQUID的RSJ模型  20-21
    2.2.2 dc-SQUID的类磁通量子化  21
    2.2.3 dc-SQUID的临界电流  21-23
  2.3 约瑟夫森量子比特  23-26
    2.3.1 约瑟夫森磁通量子比特  23-24
    2.3.2 磁通量子比特的耦合  24-26
第三章 电子束蒸发制备Al薄膜  26-38
  3.1 电子束蒸发的主要原理和特点  26-28
    3.1.1 电子束蒸发系统工作原理  27
    3.1.2 电子枪系统工作原理  27-28
  3.2 电子束蒸发系统  28-31
    3.2.1 真空系统  29-30
    3.2.2 电子枪系统  30-31
    3.2.3 辅助设备  31
  3.3 电子束蒸发过程中遇到的问题和解决方法  31-34
    3.3.1 铝材料蒸发不易控制  32-33
    3.3.2 电子枪跳电  33
    3.3.3 电子束聚焦  33-34
  3.4 铝薄膜特性分析  34-38
    3.4.1 蒸发速率与钨丝电子束流的关系  34-35
    3.4.2 薄膜厚度与表面平整度分析  35-37
    3.4.3 铝薄膜的超导电流密度  37-38
第四章 铝隧道结性能参数与势垒层控制  38-52
  4.1 制备特定尺寸的铝隧道结  38-41
    4.1.1 铝隧道结不对称电极的设计  39-40
    4.1.2 对铝隧道结的结面积的控制  40-41
  4.2 制备铝隧道结势垒层的氧化工艺  41-47
    4.2.1 改进氧化工艺过程  42-43
    4.2.2 铝隧道结参数特性与势垒层形成条件的关系  43-47
  4.3 铝隧道结特性  47-52
    4.3.1 铝隧道结I-V特性的测量  47-49
    4.3.2 铝隧道结的电学参数  49-52
第五章 总结  52-54
参考文献  54-56
攻读硕士期间发表或待发表的论文  56-57
致谢  57-58

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 低温物理学 > 超导电性 > 超导体性质
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