具有TiN過(guò)渡層的Si基NbN薄膜的制備與性能.pdf

1、目前，超導(dǎo)氮化鈮（NbN）薄膜是制備高性能單光子超導(dǎo)器件（SSPD）和超導(dǎo)熱電子測(cè)輻射熱儀（HEB）的首選超導(dǎo)材料，受到廣泛的研究和關(guān)注。NbN具有較高的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc>16K）和臨界電流密度。通常，采用磁控濺射的技術(shù)在和NbN晶格常數(shù)相近的單晶基片（如MgO）上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的NbN薄膜。但是，MgO基片在THz頻段損耗較大，同時(shí)微納加工較困難。硅基NbN薄膜器件相比MgO基器件其主要優(yōu)勢(shì)在于：
　?、俟ぷ髟赥Hz頻段損耗

2、極低；
　?、谖⒓{加工工藝技術(shù)成熟；
　　③容易實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)探測(cè)器件與半導(dǎo)體器件的集成；
　　④成本較低。
　　但是，由于NbN與Si基片的晶格失配度較大（19﹪），導(dǎo)致硅基NbN薄膜很難實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)，使其超導(dǎo)性能嚴(yán)重下降。本工作提出使用氮化鈦（TiN）作為Si和NbN的過(guò)渡層的設(shè)想：一方面，兩者均為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)相近，因此TiN過(guò)渡層有利于NbN的生長(zhǎng)；另一方面，TiN中的Ti和N兩個(gè)元素在制備過(guò)程中即使擴(kuò)

3、散到NbN薄膜，不僅不會(huì)損害反而有利于提高其超導(dǎo)性能。
　　本實(shí)驗(yàn)采用直流反應(yīng)磁控濺射法在Si(100)基片上來(lái)制備TiN和NbN薄膜，首先我們對(duì)制備TiN薄膜的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，所制備的TiN薄膜的質(zhì)量與薄膜制備時(shí)的沉積壓強(qiáng)、氮?dú)夂蜌鍤獾牧髁勘取⒊练e時(shí)的功率等工藝參數(shù)密切相關(guān)，其次我們使用優(yōu)化后的TiN薄膜作為Si基片上生長(zhǎng)NbN薄膜的過(guò)渡層。通過(guò)XRD、AFM、SEM、TEM、PPMS等測(cè)試手段對(duì)NbN/TiN/Si(100

4、)雙層薄膜的相結(jié)構(gòu)、表面形貌、界面形貌和超導(dǎo)性能進(jìn)行了表征。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：TiN過(guò)渡層上生長(zhǎng)的5-80nm厚的NbN薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比直接在Si(100)基片上生長(zhǎng)的薄膜提高了1-3k左右。我們對(duì)TiN薄膜作為生長(zhǎng)NbN薄膜的過(guò)渡層可以提高NbN薄膜的超導(dǎo)性能這一現(xiàn)象作出了解釋，使NbN薄膜超導(dǎo)性能提高的原因有三點(diǎn)；其一是TiN薄膜過(guò)渡層的存在為NbN薄膜的生長(zhǎng)提供了晶格匹配的模板；其二是TiN薄膜過(guò)渡層的存在提高了NbN