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超导NbN薄膜的制备和性能及其对SIS结性能影响的研究

超导NbN薄膜的制备和性能及其对SIS结性能影响的研究

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作者：王琢琪上海师范大学

学位级别：硕士

上世纪八十年代,太赫兹频段的技术突破了太赫兹源和检测器的瓶颈,同时超导隧道结的制备工艺有了极大的提升,科学家开始对该领域投入更多的研究,极大地促进了超导电子学的发展。高灵敏度的超导混频技术是推动太赫兹频段天文观测的重要因... 详细信息

上世纪八十年代,太赫兹频段的技术突破了太赫兹源和检测器的瓶颈,同时超导隧道结的制备工艺有了极大的提升,科学家开始对该领域投入更多的研究,极大地促进了超导电子学的发展。高灵敏度的超导混频技术是推动太赫兹频段天文观测的重要因素,而超导隧道结正是超导混频器的核心部件,因此研究高能隙材料的超导SIS混频器是发展太赫兹天文观测的重要环节。本论文根据LCT亚毫米波望远镜中核心器件超导混频器的特点和应用需求,使用磁控溅射技术,在室温条件下,在单晶Mg O衬底上制备了NbN薄膜和NbN/Al N/NbN三层膜结构,具体通过改变氮气含量和溅射功率得到质量较好的超导NbN薄膜,并将其应用于三层膜结构。利用探针式轮廓仪、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线能谱分(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、综合物性测量(PPMS)等现代测量技术,分析了超导NbN薄膜和三层膜的结构和性能。具体的研究内容如下:1.采用磁控溅射制备NbN薄膜,研究反应气体中氮气含量与薄膜结构、形貌、元素价态和超导性能之间的关系。结果表明,当N分压达到10%时(Ar:N=90:10),可观察到明显的δ-NbN衍射峰,薄膜沿(200)方向择优生长,半高宽较窄;Nb/N化学计量比约为1:1;薄膜表面均匀致密,粗糙度低。超导性能优良,超导转变宽度窄,剩余电阻率大于1,最高超导转变温度为14.5 K。说明该条件下制备的薄膜为δ相NbN,晶化程度高,超导性能好,具有金属电阻性质。2.固定氮气含量,即10%N,改变溅射功率,研究结果表明,在350 W、400W、450 W时NbN薄膜依然表现出很好的结晶性,只出现NbN(200)衍射峰,表面光滑平整、粗糙度低。在超导性能方面,400 W、450 W、500 W条件下生长的NbN薄膜,其超导转变温度都在14.5 K以上,最高为14.72 K,超导转变宽度窄,剩余电阻率为1.05。3.综合以上分析,选取功率为400 W和450 W、氮气含量为10%条件下制得的NbN薄膜,用于超导隧道结三层膜结构的制备。在该条件下生长了NbN/Al N/NbN结构,间隙电压较高,可达4.5 m V,间隙电压宽度较小,为0.24m V,临界电流密度为1.36×10 A/cm。当该三层膜结构通过光刻等完成超导SIS结的定义后,结区面积的减小有望使临界电流密度大幅提升。本论文中所有的研究工作都为之后光刻、刻蚀超导隧道结提供了实验参考,为进一步研制超导混频器打下了坚实的基础,为LCT亚毫米波望远镜国际合作项目的顺利开展提供了保障,为提升望远镜探测能力、实现高灵敏度高分辨率探测给予了有力支持。

关键词：太赫兹探测技术超导SIS结 NbN薄膜磁控溅射

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面向LCT望远镜NbN超导SIS结AlN绝缘层的制备和性能研究

面向LCT望远镜NbN超导SIS结AlN绝缘层的制备和性能研究

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作者：韩琪上海师范大学

学位级别：硕士

本论文基于升级中智亚毫米天文国际联合实验室所主导的LCT亚毫米波望远镜,采用高能隙Nb N基超导SIS结改造原有的Nb基超导接收机,使LCT能够满足大天区、高分辨率和高灵敏度的巡天观测要求。Nb N超导相干长度远小于Nb,所以要求Nb N超导SIS... 详细信息

本论文基于升级中智亚毫米天文国际联合实验室所主导的LCT亚毫米波望远镜,采用高能隙Nb N基超导SIS结改造原有的Nb基超导接收机,使LCT能够满足大天区、高分辨率和高灵敏度的巡天观测要求。Nb N超导相干长度远小于Nb,所以要求Nb N超导SIS结AlN绝缘层厚度≤2 nm,并在此基础上实现低漏电流和小介电常数,以获得高电流密度的超导SIS结。因此本论文针对Nb N超导SIS结中的关键技术AlN绝缘层的制备开展研究,建立制备工艺和AlN薄膜结构、电学性能之间的联系,以期最终实现高电流密度Nb N基超导SIS结的制备。本论文的主要研究内容和结果如下:1、改变溅射气压和溅射功率,探究AlN薄膜的形貌和结构演变规律,建立溅射条件与AlN薄膜的结构以及物性之间的关系。结果表明,在纯N气氛下进行反应溅射,不同参数溅射的AlN薄膜均为纤锌矿六方结构,具有沿(002)方向的高度择优取向,表面粗糙度为0.26-0.58 nm。低溅射气压制备的AlN薄膜中均存在残余压应力,附着性良好,为后续AlN薄膜的电学性能研究打下基础。2、改变溅射气压、溅射功率以及薄膜厚度,探究AlN薄膜的导电和介电性能的变化规律,建立电学性能和材料结构形貌之间的因果关系,得出对应规律。制备大面积Nb N超导SIS结,为制备高电流密度超导SIS结开展初步探索。结果表明,溅射气压2 mTorr,溅射功率100 W制备的AlN薄膜电阻率平均值7.76×10Ω·cm,相对介电常数3.47,满足Nb N超导接收机SIS结电性能要求。大面积Nb N超导SIS结的I-V测试曲线有明显的超导SIS结电流非线性阶跃特性。本论文制备的AlN薄膜具有良好的绝缘性能与较小的粗糙度,满足超导SIS结的势垒层薄膜制备需求。为下一步1μm尺度超导SIS结的制备提供了数据参考。

关键词：太赫兹探测技术超导SIS结 AlN薄膜电阻率

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