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超导约瑟夫森隧道结在超导电子学领域有着广泛的应用，如超导量子干涉器件(Superconducting QUantum Interference Device，SQUID)、单磁通量子电路(Single Flux Quantum，SFQ)、混频器(SIS Mixer)等。目前，基于超导材料铌(Nb)的超导器件和电路是超导电子学应用的主流，但是由于Nb的超导转变温度(9.2K)和能隙频率(737GHz)等物理参数的影响，限制了Nb基超导材料在高频、高速器件领域的应用。超导材料氮化铌(NbN)与Nb相比具有超导转变温度高(16.5K)、能隙频率大(1.4THz)等特点，有望在超导电子学应用中替代Nb基器件成为新一代约瑟夫森结元件。但是由于NbN的超导相干长度远小于Nb，而NbN薄膜的超导电性与其结晶性密切相关，至今高质量NbN薄膜和约瑟夫森结的制备研究都局限于采用氧化镁(MgO)衬底，这在很大程度上限制了NbN在超导电子学领域的应用。其中，特别是在Si衬底上NbN薄膜和约瑟夫森结的制备一直是器件应用的重要需求之一，但到目前为止，Si衬底上高质量NbN薄膜和约瑟夫森隧道结的制备仍然没有突破。 本研究面向NbN材料在超导电子学领域的应用需求，以在Si衬底上实现高质量NbN薄膜和约瑟夫森隧道结的制备和器件应用为目的，通过在Si衬底上引入氮化钛(TiN)缓冲层的方法，实现了Si衬底上Nb薄膜和NbN/AlN/NbN三层膜的外延生长，成功制备了高质量NbN/AlN/NbN约瑟夫森隧道结并对薄膜物性和结的特性进行了表征。具体研究内容如下: (1)首先使用直流磁控溅射方法沉积TiN薄膜，研究了不同条件对薄膜结晶性和超导电性能的影响。发现Si衬底使用化学抛光工艺处理后，薄膜的(200)取向明显增强。在此基础上，研究了不同溅射温度和不同氮气含量对薄膜结构及超导电性能的影响，结果表明，800℃溅射温度、4sccm N2条件下，TiN薄膜的(200)峰最为尖锐，(111)峰几乎被抑制。薄膜主要电学性能达到:Tc=5.4K，ρ20K=4.9μΩ·cm。在此条件下实现了Si衬底上高质量的TiN薄膜制备。 (2)在Si衬底上制备了50nm的TiN缓冲层，此缓冲层上制备了NbN薄膜。在TiN上制备的NbN薄膜具有尖锐的(200)峰，薄膜Tc可达16.4K，此时薄膜ρ20K为16.5μΩ·cm，RRR值为2.6，表明NbN薄膜在TiN上实现了良好的外延生长。 (3)在TiN缓冲层上生长了NbN/AlN/NbN结构的三层膜并对其结构进行了表征。XRD测试和TEM观测结果显示底层NbN与顶层NbN的结晶取向基本一致，三层膜的(200)峰位与单层NbN薄膜完全相同。实验结果表明在Si衬底上采用TiN缓冲层可以实现NbN/AlN/NbN的外延生长，为下一步外延生长NbN/AlN/NbN约瑟夫森结的制备提供了依据和技术保障。 (4)使用TiN缓冲层上的NbN/AlN/NbN三层膜，成功实现了约瑟夫森结的制备。当结的Jc为47A/cm2时，其质量因子Rsg/RN可以达到23;结的Jc为3.0kA/cm2，结的Rsg/RN仍可以达到6。结的临界电流密度在50A/cm2～3000A/cm2内可调。通过研究结的临界电流密度Jc和AlN势垒层厚度的关系，实验表征结的势垒高度为约为0.7eV，与MgO衬底上制备的NbN/AlN/NbN外延生长约瑟夫森结的结果基本一致。 综上，本文采用TiN缓冲层的方法首次在Si衬底上成功实现了外延生长NbN/AlN/NbN约瑟夫森隧道结的制备，并获得了与MgO衬底上制备的NbN约瑟夫森隧道结所相近的质量水平。本文的研究结果表明了在Si衬底上实现高质量Nb薄膜和约瑟夫森结的制备的可能性，为今后NbN材料在超导电子学的应用迈出了有意义的第一步。