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| 研究生： |
莊嘉平 Juang Jia-Ping |
|---|---|
| 論文名稱： |
雙層超導穿遂結特性之研究 Characteristics of superconducting double-barrier tunnel junctions |
| 指導教授： |
齊正中
Chi Cheng-Chung |
| 口試委員: | |
| 學位類別： |
碩士 Master |
| 系所名稱： |
理學院 - 物理學系 Department of Physics |
| 論文出版年： | 2004 |
| 畢業學年度： | 92 |
| 語文別： | 中文 |
| 論文頁數： | 90 |
| 中文關鍵詞： | 約瑟芬穿遂結 、超導穿遂結 、超導電晶體 、三極超導元件 、非平衡態准粒子效應 |
| 外文關鍵詞： | Josephson junction, SIS junction, bouble-barrier, tunnel junction, transistor, non-equilibrium, injection quasi-particle |
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目前為止，許多三極(3-terminal)的超導元件，包括Gray transistor、Quiteron以及Quatratran等已經陸續被製作，它們具有電晶體的一些特性，包括：大訊號與小訊號的電流增益與功率放大等。為了使元件的電流放大(current gain)、功率放大(power gain)效果更好，junction的I-V 曲線的漏電流要低(lower leakage current)，且detector junction有較高的超導臨界電流密度(JC)。我們可以利用曝氧度(PO2×TO2)，控制AlOx(作為穿隧障璧)的厚度以達到控制Jc的大小。
本實驗室已經建立了以Nb為基礎的超導元件製程，所以本論文的超導電晶體也以Nb/Al-AlOX/Nb(SIS)的junction為基礎。我們的3-terminal devices是由兩個SIS junction所組成，為堆疊(stacked)成長的結構，採用Self-alignment Method的方式製作完成。對SIS junction做了I-V曲線量測、基本特性的分析及信號放大的量測後發現，detector junction的准粒子穿隧電流大小(Idet)隨著injection current(Iinj)的增加而增加，且恰在detector junction的sum voltage across gap(Vg)之下，有最大的電流增益(△Idet/Iinj)。而提高detector junction的電流密度JC大小，確實可以增加電流增益效果。除了訊號放大外，我們發現外加准粒子(quasi-particle injection)的影響，使detector junction准粒子穿隧電流的增加的行為與熱(heating effect)的影響不相同。
目 錄
摘 要......................................................................................................I
誌 謝......................................................................................................II
目錄........................................................................................................III
圖目錄....................................................................................................VI
表目錄....................................................................................................IX
第一章 簡介...........................................................................................1
第二章 原理..........................................................................................3
2.1 准粒子穿隧(Quasi-particle Tunneling)..................................3
2.2 電子對穿隧(Josephson Effect，Pair Tunneling)...................8
2.3 超導量子衍射現象................................................................11
2.4 三極超導放大元件的工作原理...........................................13
第三章 實驗方法..................................................................................17
3.1 Junction 的製作........................................................................17
1. Base layer (Nb/Al/Nb)...........................................................17
2. Double barrier deposition.......................................................21
3. Junction definition..................................................................23
4. Wiring layer............................................................................27
3.2 樣品量測..................................................................................30
3.2-1 I-V 曲線量測.................................................................30
3.2-2 Digital I-V 量測系統..................................................31
3.2-3 大訊號量測系統............................................................33
3.2-4 小訊號量測系統............................................................34
3.3 元件資料...................................................................................37
第四章 結果與討論...............................................................................39
4.1 I-V曲線量測結果...............................................................39
4.1-1 I-V曲線特性分析...........................................................39
4.1-2 ∆A、∆B及∆C的大小.........................................................44
4.1-3 超導臨界電流(IC)與外加磁場的關係..........................46
4.2 非平衡態的准粒子效應(Non-equilibrium quasi-particle
effect)........................................................................................51
4.3 大訊號分析(Large signal response).......................................57
4.4 小訊號分析(Small signal response)......................................78
第五章 結論...................................................................................81
參考資料.....................................................................................................83
附錄1...........................................................................................................85
附錄2...........................................................................................................86
附錄3...........................................................................................................88
附表1...........................................................................................................90
圖目錄
圖2.1 S1-I-S2 tunneling junction..........................................................................................3
圖2.2 T=0K，熱平衡下，兩超導體的能帶圖..............................................................4
圖2.3 (a)T=0K，外加偏壓V=(Δ1+Δ2)/e時，超導體能帶圖。(b)T=0K，
外加偏壓V=(Δ1+Δ2)/e時，I-V 曲線............................................................................5
圖2.4 (a)T≠0K，S1能隙上存在著熱激發的正常電子。(b)外加偏壓
V=(Δ1-Δ2)/e時，熱激發電子有機會穿隧至S2。.......................................................5
圖2.5 (a) (Δ1-Δ2)/e < V <(Δ1+Δ2)/e時，S2能隙上的態密度小，造成負阻現象。
(b)V=(Δ1+Δ2)/e，S1能隙底部的電子可以穿越屏障至S2。(c)SIS junction 准粒子
穿隧I-V特性曲線...............................................................................................................6
圖2.6 磁場B沿y軸方向進入SIS junction....................................................................8
圖2.7 SIS junction 之IC與Φ的Fraunhofer pattern........................................................12
圖2.8 (a)為三層300Å的Al,中間夾氧化層。(b)為injector的I-V曲線。
(c)為collector的I-V曲線..................................................................................................13
圖2.9 (a)為Quiteron結構圖 (b)為大量准粒子注入中間薄膜。
(c)detector的I-V曲線，有線性與非線性負載..............................................................14
圖2.10 (a)左圖為trap層為超導時的能量圖(b)為不同detector 偏壓下，
過量准粒子隨injector current而改變..............................................................................16
圖3.1 光阻式樣的俯視圖與剖面圖................................................................................17
圖3.2 利用AZ5214E可以得到上窄下寬的金屬薄膜.................................................18
圖3.3 三層膜的沉積結構俯視圖與剖面圖...................................................................20
圖3.4 去除光阻後, 完成三層膜的俯視圖剖面圖.......................................................21
圖3.5 微影顯影完後，光阻式樣的俯視圖剖面圖......................................................22
圖3.6 多層膜去除光阻完成後的俯視圖剖面圖..........................................................23
圖3.7 微影後的junction式樣的俯視圖剖面圖............................................................24
圖3.8 蝕刻top Nb後的結構圖的俯視圖剖面圖..........................................................25
圖3.9 鍍上SiO2絕緣層後的俯視圖剖面圖...................................................................26
圖3.10 去除光阻後，junction 定義完成的俯視圖剖面圖.........................................26
圖3.11 沉積Nb6000 Å的俯視圖剖面圖.......................................................................27
圖3.12 微影後的正光阻行成時刻的光罩的俯視圖剖面圖.......................................28
圖3.13 蝕刻未受保護的Nb部分的俯視圖剖面圖.....................................................28
圖3.14去除光阻，完成double-barrier tunnel junction製作示意圖............................29
圖3.15 3td-17-27-R 之光學照片......................................................................................29
圖3.2.1 4-Wire給I量V裝置圖......................................................................................30
圖3.2.2 I-V曲線量測系統................................................................................................30
圖3.2.3 Digital I-V & current gain 裝置圖........................................................................32
圖3.2.4 The circuit of the signal mixer box.........................................................................33
圖3.2.5 Digital I-V & current gain 裝置圖........................................................................34
圖3.2.6 小訊號量測dV的裝置圖..................................................................................35
圖3.2.7 the circuit of the signal mixer box..........................................................................36
圖3.2.8 the circuit of the DC current source........................................................................36
圖3.2.9 晶圓上，3td樣品編號與位置...........................................................................37
圖3.2.10 每一個矽晶粒上有兩個3td樣品區分為R、L............................................38
圖4.1 3td-3-7-R-AB junction的I-V圖..............................................................................40
圖4.2 3td-3-7-R-BC junction的I-V圖..............................................................................40
圖4.3 3td-12-7-R-AB junction的I-V圖............................................................................41
圖4.4 3td-12-7-R-BC junction的I-V圖............................................................................41
圖4.5 3td-14-12-L-AB junction的I-V圖..........................................................................41
圖4.6 3td-14-12-L-BC junction的I-V圖..........................................................................41
圖4.7 3td-15-17-L-AB junction的I-V圖...........................................................................42
圖4.8 3td-15-17-L-BC junction的I-V圖..........................................................................42
圖4.9 3td-16-11-R-AB junction的I-V圖..........................................................................43
圖4.10 3td-16-11-R-BC junction的I-V圖........................................................................43
圖4.11 3td-17-11-R-AB junction的I-V圖........................................................................43
圖4.12 3td-17-11-R-BC junction的I-V圖........................................................................43
圖4.13 3td-12-7-R-AB junction的I-V圖.........................................................................47
圖4.14 3td-12-7-R-BC junction的I-V圖.........................................................................47
圖4.15 3td-12-7-R-AC junction的I-V圖.........................................................................47
圖4.16 AB junction臨界電流Ic與B場關係................................................................49
圖4.17 BC junction臨界電流Ic與B場關係................................................................49
圖4.18 AC junction臨界電流IC1與B場關係................................................................49
圖4.19 AC junction臨界電流IC2與B場關係................................................................49
圖4.20 AC junction臨界電流IC1與B場的行為與AB junction的Ic vs B
行為一樣.............................................................................................................................50
圖4.21 AC junction臨界電流IC2與B場的行為與BC junction的Ic vs B
行為一樣.............................................................................................................................50
圖4.22 T=4.2 K時，不同injection current下，3td-3 樣品的I-V曲線....................52
圖4.23.熱影響下，3td-3 樣品的I-V曲線圖................................................................53
圖4.24 T=4.2 K時，不同injection current下，3td-14 樣品的I-V曲線...................54
圖4.25 .熱影響下，3td-14 樣品的I-V曲線圖.............................................................55
圖4.26 T=4.2 K時，不同injection current下，3td-15 樣品的I-V曲線...................55
圖4.27 熱影響下，3td-15 樣品的I-V曲線圖..............................................................56
圖4.28 電流放大的量測電路圖.....................................................................................57
圖4.29 無負載時，電流增益的示意圖........................................................................57
圖4.30 3td-3樣品，Idet與Iinj的關係圖(IBA=Idet, ICB=Iinj)...................................................59
圖4.31 3td-3樣品，電流增益t與Iinj的關係圖(IBA=Idet, ICB=Iinj)....................................59
圖4.32電流增益之能帶解釋圖......................................................................................60
圖4.33中間層的准粒子使中間層能隙下降，造成電流增益...................................61
圖4.34 電流放大的量測電路圖.....................................................................................61
圖4.35 3td-3樣品，Idet與Iinj的關係圖(IBC=Idet, IAB=Iinj)...................................................61
圖4.36a 3td-12-7-R-AB injection current(ICB)=0時，I-V曲線圖...................................63
圖4.36b 3td-12-7-R-AB injection current(ICB)=2mA時，I-V曲線圖.............................63
圖4.37a 3td-12-7-R-BC injection current(IAB)=0時，I-V曲線圖....................................63
圖4.37b 3td-12-7-R-BC injection current(IAB)=2mA時，I-V曲線圖..............................63
圖4.36 3td-12樣品，Idet與Iinj的關係圖.(IBA=Idet, ICB=Iinj)......................................................64
圖4.37 3td-12樣品，Idet與Iinj 的關係圖.(IBC=Idet, IAB=Iinj).....................................................64
圖4.38 3td-14樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBA=Idet, ICB=Iinj)..................................................66
圖4.39 3td-14樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖..............................................66
圖 4.40 3td-14樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBC=Idet, IAB=Iinj)....................................................67
圖4.41 3td-14樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖...............................................67
圖4.42 3td-15樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBA=Idet, ICB=Iinj)..................................................69
圖4.43 3td-15樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖..............................................69
圖 4.44 3td-15樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBC=Idet, IAB=Iinj)....................................................70
圖4.45 3td-15樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖...............................................70
圖4.46 3td-16樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBA=Idet, ICB=Iinj)..................................................72
圖4.47 3td-16樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖..............................................72
圖 4.48 3td-16樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBC=Idet, IAB=Iinj)....................................................73
圖4.49 3td-16樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖...............................................73
圖4.50 3td-17樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBA=Idet, ICB=Iinj)..................................................74
圖4.51 3td-17樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖..............................................75
圖 4.52 3td-17樣品，Idet與Iin的關係圖.(IBC=Idet, IAB=Iinj)....................................................75
圖4.53 3td-17樣品，電流增益(△IBA/ICB)與Iinj的關係圖...............................................76
圖4.54 Detector的電壓輸出與AC電壓源輸出電壓(與injector junction
的輸入電流成正比)關係圖..............................................................................................79
圖4.55 正常工作偏壓下，detector的輸出與AC源電壓(或injection電流)
成正比的關係.....................................................................................................................79
圖4.56 (a)-(e)對應injection current (ICB)(0-1mA)，不同detector偏壓下，
小訊號的電流增益.............................................................................................................80
表目錄
表3.2.1 不同元件的製作條件與參數............................................................................38
表4.1 3td junction的特性參數..........................................................................................44
表4.2 3td-12-7 junction 的fitting參數.............................................................................48
表4.3樣品的junction參數及大訊號結果......................................................................77
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