通过反应偏压靶离子束沉积实现的NbTiN/AlN/NbTiN SIS结

摘要： 目前，超导体-绝缘体-超导体（SIS）结制备的最先进技术基于磁控溅射和Gurvitch铝覆盖层三叠层工艺——该工艺通过在铌基电极上沉积铝覆盖层，进而生长约1纳米的临界氧化铝（AlO$_{x}$）或氮化铝（AlN）隧穿势垒。虽然从AlO$_x$势垒转向AlN势垒显著提高了可实现临界电流密度，且学界已针对感应耦合等离子体法生长AlN开展大量研究以实现优化，但采用铌电极作为太赫兹（THz）混频器应用时，其频率范围上限会限制低噪声工作性能。这促使研究者转而探索具有更高转变温度（$T_{C}$）的替代材料（如氮化铌NbN和氮化钛铌NbTiN）。此外，铌电极对冷却条件要求严苛；若将双电极均替换为高$T_{C}$材料，可使器件工作温度提升至10K，从而降低制冷系统功耗——这对实现更节能的超导计算系统（如单通量量子逻辑系统）具有基础性意义。 本研究突破传统SIS材料生长技术，采用反应偏压靶离子束沉积（RBTIBD）这一新型材料沉积技术（该技术能独特调控材料与界面特性）。通过RBTIBD技术，我们首次成功制备出NbTiN/AlN/NbTiN SIS结，其总和能隙电压达到创纪录的5.0毫伏以上，有望将低损耗SIS混频应用的理论极限拓展至1.2太赫兹以上，并放宽超导器件应用的冷却要求。