JP2001308399A - Superconducting joint element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高速で動作する超
電導回路に用いられる超電導接合素子及びその作製方法
に関し、特にジョセフソン接合を有する超電導接合素子
及びその作製方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting junction element used in a superconducting circuit operating at a high speed and a method for manufacturing the same, and more particularly to a superconducting junction element having a Josephson junction and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、酸化物超電導体を用いたジョ
セフソン素子として、種々の構造のものが作製されてい
る。これらの多くはMgO又はSrTiO3 などの酸化
物単結晶基板の上に酸化物超電導体薄膜を堆積して形成
され、粒界接合、ランプエッジ接合又は積層接合などに
よりジョセフソン効果を示す接合(ジョセフソン接合)
を実現している。ランプエッジ接合及び積層接合では、
2つの超電導導体薄膜の間に極めて薄い絶縁膜(トンネ
ル障壁膜)を形成する。ランプエッジ構造のジョセフソ
ン素子では、接合面積が小さく、寄生インダクタンスも
小さいという利点に加えて、最近では臨界電流の分布幅
が狭いという特性が得られている。2. Description of the Related Art Conventionally, various types of Josephson devices using an oxide superconductor have been manufactured. Most of these are formed by depositing an oxide superconductor thin film on an oxide single crystal substrate such as MgO or SrTiO 3 and exhibiting a Josephson effect by grain boundary bonding, ramp edge bonding, or lamination bonding (Joseph's effect). Song junction)
Has been realized. In ramp edge joining and laminated joining,
An extremely thin insulating film (tunnel barrier film) is formed between the two superconducting conductor thin films. In the Josephson device having the ramp edge structure, in addition to the advantages that the junction area is small and the parasitic inductance is small, the characteristic that the critical current distribution width is narrow recently has been obtained.
【0003】図14はランプエッジ接合型ジョセフソン
素子の一例を示す断面図である。この種のジョセフソン
素子では、誘電体基板50の上に下部超電導体膜51及
び絶縁膜52を形成し、これらをイオンミリングして傾
斜面を形成している。そして、この傾斜面の上に絶縁体
からなるトンネル障壁膜53を形成し、このトンネル障
壁53を挟んで下部超電導体膜51の反対側に上部超電
導体膜54を形成している。FIG. 14 is a sectional view showing an example of a ramp edge junction type Josephson device. In this type of Josephson element, a lower superconductor film 51 and an insulating film 52 are formed on a dielectric substrate 50, and these are ion-milled to form inclined surfaces. Then, a tunnel barrier film 53 made of an insulator is formed on the inclined surface, and an upper superconductor film 54 is formed on the opposite side of the lower superconductor film 51 with the tunnel barrier 53 interposed therebetween.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上述したランプエッジ
接合型ジョセフソン素子では、少なくとも下部超電導体
膜51、トンネル障壁膜53及び上部超電導体膜54の
3層の薄膜を堆積しなければならないが、極めて薄いト
ンネル障壁膜53を均一に再現性よく作製することは困
難である。また、傾斜面を形成するために一般的にイオ
ンミリング法が用いられるが、その工程で傾斜面が真空
中で高エネルギーイオンにさらされるため、基本的に傾
斜面には欠陥が導入されやすく、トンネル特性のばらつ
きの原因となっている。In the above-described ramp-edge junction type Josephson device, at least three thin films of the lower superconductor film 51, the tunnel barrier film 53, and the upper superconductor film 54 must be deposited. It is difficult to produce an extremely thin tunnel barrier film 53 uniformly and with good reproducibility. In general, an ion milling method is used to form the inclined surface, but since the inclined surface is exposed to high-energy ions in a vacuum in the process, defects are basically easily introduced into the inclined surface, This is a cause of variations in tunnel characteristics.
【0005】更に、ジョセフソン接合の臨界電流値を設
定する場合、接合面積により制御する方法が用いられる
が、ランプエッジ接合では、接合面積の一辺は下部超電
導体膜51の厚みによって決まる。このため、臨界電流
値を大きく変えようとすると、配線パターンを大きく変
えなくてはならず、回路設計が困難になる。実際、SF
Q(単一磁束量子)回路におけるジョセフソン接合の臨
界電流値Icは、回路にもよるが、分流器ではJTL
(ジョセフソン接合伝送線“Josephson Transmission L
ine ”)で用いられる接合の臨界電流値Icの2倍以上
が、一方バッファーでは半分程度の臨界電流値Icが要
求され、全接合の臨界電流値Icには5倍程度値が異な
る接合が要求される。Further, when the critical current value of the Josephson junction is set, a method of controlling by the junction area is used. In the ramp edge junction, one side of the junction area is determined by the thickness of the lower superconductor film 51. For this reason, if the critical current value is largely changed, the wiring pattern must be changed significantly, and circuit design becomes difficult. In fact, SF
The critical current value Ic of the Josephson junction in the Q (single flux quantum) circuit depends on the circuit,
(Josephson transmission line “Josephson Transmission L
ine "), the buffer requires a critical current value Ic that is at least twice as large as the critical current value Ic of the junction, while the buffer requires a critical current value Ic of about half, and a critical current value Ic of all the junctions requires a junction that differs by a factor of about 5 Is done.
【0006】SFQ回路は、ジョセフソン接合及びイン
ダクタンスを含む超電導ループを基本単位として構成さ
れる。ジョセフソン接合では、前述の如くランプエッジ
構造とすることにより良好な特性を得ることができるよ
うになった。一方、インダクタンスが小さな配線を用意
する必要がある。これを実現するにはグランドプレーン
の上方に配線(上部配線)を設けたマイクロストリップ
線構造がよく、このようなジョセフソン接合とマイクロ
ストリップ線構造とにより構成される回路の作製が試み
られている。例えば、基板裏面側にグランドプレーン
(導電膜)を形成し、下部超電導体膜とグランドプレー
ンとをビアホールを介して電気的に接続した構造が考え
られる。しかし、そのような構造とすると、ビアホール
の部分で浮遊インダクタンスが生じるため、回路設計が
難しくなるという欠点がある。また、図14に示すジョ
セフソン素子では、上部電極形成時の基板温度が接合特
性に大きな影響を及ぼすが、成膜時の基板温度の制御が
難しいという欠点もある。[0006] The SFQ circuit is configured using a superconducting loop including a Josephson junction and an inductance as a basic unit. In the Josephson junction, good characteristics can be obtained by adopting the ramp edge structure as described above. On the other hand, it is necessary to prepare a wiring having a small inductance. In order to realize this, a microstrip line structure in which a wiring (upper wiring) is provided above a ground plane is preferable, and fabrication of a circuit constituted by such a Josephson junction and a microstrip line structure has been attempted. . For example, a structure is conceivable in which a ground plane (conductive film) is formed on the back surface of the substrate, and the lower superconductor film and the ground plane are electrically connected via via holes. However, such a structure has a disadvantage that circuit design becomes difficult because stray inductance is generated at the via hole. Further, in the Josephson element shown in FIG. 14, although the substrate temperature at the time of forming the upper electrode has a large effect on the bonding characteristics, there is a disadvantage that it is difficult to control the substrate temperature at the time of film formation.
【0007】以上から、本発明の目的は、製造が容易で
特性のばらつきが少ない超電導接合素子及びその作製方
法を提供することである。また、本発明の他の目的は、
グランドプレーンとジョセフソン接合との間の浮遊イン
ダクタンスが小さい超電導接合素子及びその作製方法を
提供することである。Accordingly, it is an object of the present invention to provide a superconducting junction element which is easy to manufacture and has little variation in characteristics, and a method for manufacturing the same. Another object of the present invention is to
An object of the present invention is to provide a superconducting junction element having a small stray inductance between a ground plane and a Josephson junction, and a method for manufacturing the same.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本願請求項1に記載の超
電導接合素子は、格子定数が相互に異なる2種類の酸化
物超電導体を接続させて、界面にトンネル障壁を実現し
たことを特徴とする。格子定数が異なる2種類の酸化物
超電導体を接続すると、結晶格子の差により接合面で格
子歪が生じ、その部分に非超電導層が形成される。そし
て、この非超電導層と、それを挟む2種類の酸化物超電
導体とにより、ジョセフソン素子が構成される。従っ
て、本発明においては、極めて薄いトンネル障壁膜を形
成する必要がなく、製造が容易であり、特性も均一化さ
れる。The superconducting junction element according to the first aspect of the present invention is characterized in that two kinds of oxide superconductors having mutually different lattice constants are connected to realize a tunnel barrier at an interface. I do. When two types of oxide superconductors having different lattice constants are connected, a lattice distortion occurs at the joint surface due to a difference in crystal lattice, and a non-superconducting layer is formed at that portion. The non-superconducting layer and two kinds of oxide superconductors sandwiching the non-superconducting layer constitute a Josephson element. Therefore, in the present invention, it is not necessary to form an extremely thin tunnel barrier film, the manufacture is easy, and the characteristics are uniform.
【0009】この場合に、2種類の酸化物超電導体は、
その格子定数の差が小さいことが必要である。一方の酸
化物超電導体としては、例えばYBa2 Cu3 O7-x 、
GdBa2 Cu3 O7-x 及びYbBa2 Cu3 O
7-x (但し、0≦x≦0.6)からなる群から選択され
たいずれか1種を使用することができ、他方の酸化物超
電導体としては、例えばNdBa2 Cu3 O7-y 、Sm
Ba2 Cu3 O7-y 及びEuBa2 Cu3 O7-y (但
し、0≦y≦0.6)からなる群から選択されたいずれ
か1種を使用することができる。In this case, the two kinds of oxide superconductors are:
It is necessary that the difference between the lattice constants is small. As one oxide superconductor, for example, YBa 2 Cu 3 O 7-x ,
GdBa 2 Cu 3 O 7-x and YbBa 2 Cu 3 O
Any one selected from the group consisting of 7-x (provided that 0 ≦ x ≦ 0.6) can be used. As the other oxide superconductor, for example, NdBa 2 Cu 3 O 7-y , Sm
Any one selected from the group consisting of Ba 2 Cu 3 O 7-y and EuBa 2 Cu 3 O 7-y (where 0 ≦ y ≦ 0.6) can be used.
【0010】本願請求項3に記載の超電導接合素子は、
基板と、前記基板の上に形成された傾斜面を有する第1
の超電導体膜と、前記傾斜面を除く前記第1の超電導体
膜上の領域に形成された絶縁保護膜と、前記第1の超電
導体膜の格子定数と異なる格子定数を有し、少なくとも
前記絶縁保護膜の上から前記第1の超電導体膜の傾斜面
までの領域に形成された第2の超電導体膜とを有するこ
とを特徴とする。[0010] The superconducting junction element according to claim 3 of the present application comprises:
A first substrate having a substrate and an inclined surface formed on the substrate;
A superconducting film, an insulating protective film formed in a region on the first superconducting film excluding the inclined surface, and having a lattice constant different from a lattice constant of the first superconducting film; A second superconductor film formed in a region from above the insulating protective film to an inclined surface of the first superconductor film.
【0011】本発明においては、第1の超電導体膜の傾
斜面の上に第2の超電導体膜が形成され、この2つの超
電導体膜の接合部で、格子定数の差によって生じる非超
電導層をトンネル障壁とする。この場合、第1の超電導
体膜の上方に絶縁保護膜を介して第2の超電導体膜を配
線パターンに形成すると、第1の超電導体膜がブランド
プレーンとして機能し、マイクロストリップ線構造とな
る。すなわち、ビアホールを形成することなくマイクロ
ストリップ線構造とすることができる。これにより、ジ
ョセフソン接合とマイクロストリップ線構造とを有し、
浮遊インダクタンスが小さい超電導接合素子が得られ
る。In the present invention, a second superconducting film is formed on an inclined surface of the first superconducting film, and a non-superconducting layer formed at a junction between the two superconducting films due to a difference in lattice constant. Is a tunnel barrier. In this case, when the second superconducting film is formed in a wiring pattern above the first superconducting film via an insulating protective film, the first superconducting film functions as a brand plane and has a microstrip line structure. . That is, a microstrip line structure can be obtained without forming a via hole. Thereby, it has a Josephson junction and a microstrip line structure,
A superconducting junction element with small stray inductance can be obtained.
【0012】本願請求項6に記載の超電導接合素子の作
製方法は、基板の上に液相エピタキシ法により第1の超
電導体膜を成長させる工程と、前記第1の超電導体膜の
上に絶縁保護膜を形成する工程と、前記絶縁保護膜の上
に所定のパターンのマスクを形成する工程と、前記絶縁
保護膜及び前記第1の超電導体膜をイオンミリングして
前記第1の超電導体膜に傾斜面を形成する工程と、前記
マスクを除去する工程と、前記基板の上側全面に、前記
第1の超電導体膜と格子定数が異なる第2の超電導体膜
を形成する工程と、前記第2の超電導体膜をパターニン
グする工程とを有することを特徴とする。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a superconducting junction element, comprising the steps of: growing a first superconducting film on a substrate by liquid phase epitaxy; and insulating the first superconducting film on the first superconducting film. Forming a protective film, forming a mask having a predetermined pattern on the insulating protective film, ion milling the insulating protective film and the first superconducting film to form the first superconducting film; Forming an inclined surface, removing the mask, forming a second superconductor film having a different lattice constant from the first superconductor film on the entire upper surface of the substrate, And 2) patterning the superconductor film.
【0013】本発明においては、液相エピタキシ法によ
り基板上に第1の超電導体膜を成長させる。これによ
り、気相法に比べて結晶性がよい単結晶の超電導体膜が
形成される。その後、第1の超電導体膜の上に絶縁保護
膜を形成し、その上に所定のパターンのマスクを形成す
る。そして、保護絶縁膜及び第1の超電導体膜をイオン
ミリングして、第1の超電導体膜に傾斜面を形成する。
次いで、マスクを除去した後、基板の上側全面に第2の
超電導体膜を形成する。これにより、前記傾斜面で格子
定数が異なる2種類の超電導体膜が接続し、非超電導層
が形成される。In the present invention, a first superconductor film is grown on a substrate by a liquid phase epitaxy method. Thus, a single-crystal superconductor film having better crystallinity than the vapor-phase method is formed. Thereafter, an insulating protection film is formed on the first superconductor film, and a mask having a predetermined pattern is formed thereon. Then, the protection insulating film and the first superconductor film are ion-milled to form an inclined surface on the first superconductor film.
Next, after removing the mask, a second superconductor film is formed on the entire upper surface of the substrate. Thereby, two types of superconductor films having different lattice constants on the inclined surface are connected to each other, and a non-superconducting layer is formed.
【0014】このように、本発明においては、2つの超
電導体膜の間に極めて薄い絶縁膜を形成する必要がな
く、ジョセフソン接合を容易に形成することができる。
また、第1の超電導体膜をグランドプレーンとし、第2
の超電導体膜を上部配線としたマイクロストリップ線構
造が得られる。これにより、上部配線とグランドプレー
ンとを接続するビアホールを形成する必要がなく、浮遊
インダクタンスが小さい超電導接合素子が作製される。As described above, in the present invention, it is not necessary to form an extremely thin insulating film between two superconductor films, and a Josephson junction can be easily formed.
Further, the first superconductor film is used as a ground plane,
A microstrip line structure using the superconducting film of FIG. Accordingly, it is not necessary to form a via hole connecting the upper wiring and the ground plane, and a superconducting junction element with small floating inductance is manufactured.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付の図面を参照して説明する。 (第1の実施の形態)図1(a)は本発明の第1の実施
の形態の超電導接合素子を示す断面図、図1(b)は同
じくその模式平面図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. (First Embodiment) FIG. 1A is a sectional view showing a superconducting junction element according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic plan view thereof.
【0016】誘電体基板10はMgO単結晶からなり、
この誘電体基板10の上側全体に第1の超電導体膜であ
るYBa2 Cu3 O7-x 膜11(但し、0≦x≦0.
6)が形成されている。このYBa2 Cu3 O7-x 膜1
1のc軸は基板面に垂直な方向を向いている。YBa2
Cu3 O7-x 膜11には段差が設けられており、下段の
面上には下部超電導体電極(以下、「下部電極」とい
う)としてNdBa2 Cu 3 O7-y 膜15b(但し、0
≦y≦0.6)が形成されている。また、YBa2Cu
3 O7-x 膜11の上段の面には、例えば幅が1μm、長
さが20μm、深さが0.4μmのV字溝11aが設け
られている。The dielectric substrate 10 is made of MgO single crystal,
A first superconductor film is formed on the entire upper side of the dielectric substrate 10.
YBaTwoCuThreeO7-xFilm 11 (where 0 ≦ x ≦ 0.
6) is formed. This YBaTwoCuThreeO7-xMembrane 1
The c-axis of 1 points in a direction perpendicular to the substrate surface. YBaTwo
CuThreeO7-xThe membrane 11 is provided with a step, and the lower step
On the surface, a lower superconductor electrode (hereinafter referred to as “lower electrode”)
Ud) as NdBaTwoCu ThreeO7-yThe film 15b (however, 0
≦ y ≦ 0.6) is formed. Also, YBaTwoCu
ThreeO7-xFor example, the upper surface of the film 11 has a width of 1 μm and a length of 1 μm.
V-shaped groove 11a having a depth of 20 μm and a depth of 0.4 μm is provided.
Have been.
【0017】そして、YBa2 Cu3 O7-x 膜11の上
段の面上には、SrTiO3 からなる絶縁保護膜12が
形成されており、この絶縁保護膜12の上には、第2の
超電導体膜であるNdBa2 Cu3 O7-y 膜15aが形
成されている。このNdBa 2 Cu3 O7-y 膜15aの
c軸は基板面に垂直な方向を向いている。NdBa2C
u3 O7-y 膜15aは、図1(b)に示すように、上部
超電導体電極(以下、「上部電極」という)及び配線の
形状にパターニングされている。And, YBaTwoCuThreeO7-xOn membrane 11
On the surface of the step, SrTiOThreeThe insulating protective film 12 made of
A second insulating protective film 12 is formed on the insulating protective film 12.
NdBa as a superconductor filmTwoCuThreeO7-yThe film 15a is shaped
Has been established. This NdBa TwoCuThreeO7-yOf the film 15a
The c-axis points in a direction perpendicular to the substrate surface. NdBaTwoC
uThreeO7-yThe film 15a has an upper part as shown in FIG.
Superconductor electrodes (hereinafter referred to as “upper electrodes”) and wiring
It is patterned into a shape.
【0018】絶縁保護膜12にはYBa2 Cu3 O7-x
膜11のV字溝11aに到達する孔が形成されており、
V字溝11aの部分でYBa2 Cu3 O7-x 結晶とNd
Ba 2 Cu3 O7-y 結晶とが接合されている。このYB
a2 Cu3 O7-x 結晶とNdBa2 Cu3 O7-y 結晶と
の接合界面が、格子定数の差によりジョセフソン素子の
トンネル障壁として機能する。なお、YBa2 Cu3 O
7-x 結晶の格子定数は11.688Å、NdBa2 Cu
3 O7-y の格子定数は11.794Åである。The insulating protective film 12 is made of YBaTwoCuThreeO7-x
A hole reaching the V-shaped groove 11a of the film 11 is formed,
YBa in the V-shaped groove 11aTwoCuThreeO7-xCrystal and Nd
Ba TwoCuThreeO7-yThe crystal is joined. This YB
aTwoCuThreeO7-xCrystal and NdBaTwoCuThreeO7-yWith crystals
Of the Josephson device due to the difference in lattice constant
Functions as a tunnel barrier. In addition, YBaTwoCuThreeO
7-xThe lattice constant of the crystal is 11.688 °, NdBaTwoCu
ThreeO7-yHas a lattice constant of 11.794 °.
【0019】下部電極であるYBa2 Cu3 O7-x 膜1
5bの上には金(Au)からなる2個の取り出し電極1
6c,16dが形成され、上部電極であるNdBa2 C
u3O7-y 膜15aの上にも金からなる2個の取り出し
電極16a,16bが形成されている。これは、4端子
法により電流−電圧特性の測定を可能とするものであ
る。すなわち、電極16a,16d間に電流を流し、電
極16b,16c間の電圧を測定する。YBa 2 Cu 3 O 7-x film 1 serving as lower electrode
5b, two extraction electrodes 1 made of gold (Au)
6c and 16d are formed, and NdBa 2 C as an upper electrode is formed.
Two extraction electrodes 16a and 16b made of gold are also formed on the u 3 O 7-y film 15a. This enables measurement of current-voltage characteristics by a four-terminal method. That is, a current flows between the electrodes 16a and 16d, and the voltage between the electrodes 16b and 16c is measured.
【0020】図2は本実施の形態の超電導接合素子の等
価回路を示す図である。YBa2 Cu3 O7-x 膜11が
グランドプレーン21を構成し、V字溝11aの部分に
形成されたジョセフソン接合22がグランドプレーン2
1及び配線(NdBa2 Cu 3 O7-y 膜15a)23に
直接接合されたマイクロストリップ線構造を有する。こ
のように、本実施の形態の超電導接合素子では、ジョセ
フソン接合が第1の超電導体膜であるYBa2 Cu3 O
7-x 膜11と第2の超電導体膜であるNdBa 2 Cu3
O7-y 膜15aとの界面で実現され、YBa2 Cu3 O
7-x 膜11がグランドプレーンとなっているので、浮遊
インダクタンスが極めて小さく、回路設計が容易とな
る。FIG. 2 shows a superconducting junction element of the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a value circuit. YBaTwoCuThreeO7-xMembrane 11
The ground plane 21 is formed, and the V-shaped groove 11a is formed.
The formed Josephson junction 22 is the ground plane 2
1 and wiring (NdBaTwoCu ThreeO7-yTo the membranes 15a) 23
It has a directly bonded microstrip line structure. This
As described above, in the superconducting junction element of the present embodiment, the Josephson
YBa whose Fuson junction is the first superconductor filmTwoCuThreeO
7-xNdBa as film 11 and second superconductor film TwoCuThree
O7-yRealized at the interface with the film 15a, YBaTwoCuThreeO
7-xFloating because the film 11 is the ground plane
Inductance is extremely small, making circuit design easy
You.
【0021】図3〜図6は本実施の形態の超電導接合素
子の作製方法を工程順に示す断面図である。まず、図3
(a)に示すように、MgO単結晶からなる誘電体基板
10を用意し、液相エピタキシ(LPE)法によって、
誘電体基板10の表面に(001)配向YBa2 Cu3
O7-x 単結晶からなるYBa2 Cu3 O7-x 膜11を1
0μmよりも若干厚く育成する。液晶エピタキシ法によ
って誘電体基板上にYBa2Cu3 O7-x 厚膜を育成す
る方法は、例えば特開平7−33590号公報に詳細に
説明されている。その後、膜厚が約10μmとなるよう
にYBa2 Cu3 O7- x 膜11を研磨して、その表面を
平坦化する。FIGS. 3 to 6 show a superconducting junction element of the present embodiment.
It is sectional drawing which shows the manufacturing method of a child in order of a process. First, FIG.
As shown in (a), a dielectric substrate made of MgO single crystal
10 was prepared, and by liquid phase epitaxy (LPE) method,
The surface of the dielectric substrate 10 has (001) -oriented YBaTwoCuThree
O7-xYBa made of single crystalTwoCuThreeO7-xMembrane 1
Grow slightly thicker than 0 μm. By liquid crystal epitaxy
YBa on the dielectric substrateTwoCuThreeO7-xGrow thick film
The method is described in detail in, for example, JP-A-7-33590.
Described. Then, the film thickness is adjusted to about 10 μm.
To YBaTwoCuThreeO7- xThe surface of the film 11 is polished and
Flatten.
【0022】その後、rfマグネトロンスパッタ法によ
り、YBa2 Cu3 O7-x 膜11の上にSrTiO3 単
結晶を堆積して絶縁保護膜12とする。絶縁保護膜12
は、SrTiO3 に以外にも、MgO、La0.65Sr
0.35Al0.5 Ta0.4 O3 、又は金属導電性を示さない
銅酸化物PrBa2 Cu3 O7-x (0≦x≦0.6)な
どで形成してもよい。いずれの材料も、rfマグネトロ
ンスパッタ法、又はレーザ蒸着法を用いて、基板温度を
630℃とすることで、配向方向の揃った単結晶膜が得
られる。絶縁保護膜12の厚みは、十分な絶縁がとれ、
かつ薄膜の表面平坦性が保存されることから、0.3μ
m程度とすることが好ましい。Thereafter, an SrTiO 3 single crystal is deposited on the YBa 2 Cu 3 O 7 -x film 11 by rf magnetron sputtering to form an insulating protective film 12. Insulating protective film 12
Is MgO, La 0.65 Sr besides SrTiO 3
It may be formed of 0.35 Al 0.5 Ta 0.4 O 3 or a copper oxide PrBa 2 Cu 3 O 7-x (0 ≦ x ≦ 0.6) which does not exhibit metal conductivity. With any of the materials, a single crystal film with a uniform orientation direction can be obtained by setting the substrate temperature to 630 ° C. using rf magnetron sputtering or laser evaporation. The thickness of the insulating protective film 12 is sufficient for insulation.
0.3 μm because the surface flatness of the thin film is preserved.
m is preferable.
【0023】次に、rfマグネトロンスパッタ法によ
り、図3(b)に示すように、絶縁保護膜12の上に、
イオンミリング時のマスクとなるNb(ニオブ)膜13
を約0.2μmの厚さに形成し、Nb膜13の上にAu
膜14を約0.1μmの厚さに形成する。次に、図3
(c)に示すように、通常のフォトリソグラフ又は集束
イオンビーム(FIB)により、Au膜14に幅が約1
μm、長さが約20μmのスリット14aを設けるとと
もに、下部電極形成部のAu膜14を除去する。Next, as shown in FIG. 3B, an rf magnetron sputtering method
Nb (niobium) film 13 serving as a mask during ion milling
Is formed to a thickness of about 0.2 μm, and Au is formed on the Nb film 13.
The film 14 is formed to a thickness of about 0.1 μm. Next, FIG.
As shown in (c), the width of the Au film 14 is reduced to about 1 by ordinary photolithography or a focused ion beam (FIB).
A slit 14a having a thickness of about 20 μm and a length of about 20 μm is provided, and the Au film 14 in the lower electrode forming portion is removed.
【0024】次に、図4(a)に示すように、Au膜1
4をマスクとし、CF4 ガスを用いた反応性イオンエッ
チング(RIE)装置によりNb膜13を選択的にエッ
チングして、絶縁保護膜12に到達するスリット13a
を形成するとともに、下部電極形成部の絶縁保護膜12
を露出させる。次に、図4(b)に示すように、Arイ
オンミリングにより、絶縁保護膜12にYBa2 Cu3
O7-x 膜11に到達するスリット12aを形成するとと
もに、下部電極形成部の絶縁保護膜12を除去してYB
a2 Cu3 O7-x 膜11を露出させる。Next, as shown in FIG.
4 is used as a mask, the Nb film 13 is selectively etched by a reactive ion etching (RIE) device using CF 4 gas, and a slit 13 a reaching the insulating protection film 12 is formed.
And an insulating protective film 12 in a lower electrode forming portion.
To expose. Next, as shown in FIG. 4B, YBa 2 Cu 3 is applied to the insulating protective film 12 by Ar ion milling.
A slit 12a reaching the O 7-x film 11 is formed, and the insulating protective film 12 in the lower electrode forming portion is removed to remove
exposing the a 2 Cu 3 O 7-x film 11.
【0025】次に、図4(c)に示すように、CF4 ガ
スを用いた反応性イオンエッチングにより、残存してい
るNb膜13を除去する。なお、この例ではNb膜をイ
オンミリング時のマスクとしているが、Nb膜に替えて
フォトレジスト膜を使用してもよい。しかし、Nb膜を
使用することにより傾斜角度がイオンミリング時の入射
角度にほぼ等しくなり、傾斜面を精度よく形成すること
ができる。イオンミリングに時に使用するマスクとして
は、その他に、ダイアモンド膜又はTiN膜等を使用す
ることができる。Next, as shown in FIG. 4C, the remaining Nb film 13 is removed by reactive ion etching using CF 4 gas. In this example, the Nb film is used as a mask during ion milling, but a photoresist film may be used instead of the Nb film. However, by using the Nb film, the inclination angle becomes substantially equal to the incident angle at the time of ion milling, and the inclined surface can be formed with high accuracy. As a mask used at the time of ion milling, a diamond film, a TiN film, or the like can be used.
【0026】次に、図5(a)に示すように、YBa2
Cu3 O7-x 膜11をエッチングして断面がV字形の溝
11aを形成するとともに、下部電極形成部に段差を設
ける。このV字溝11aの傾斜面がジョセフソン接合面
となり、深さによりジョセフソン接合面の一辺が決ま
る。従って、大きな臨界電流値が望まれる接合の場合に
は、この溝11aの深さを深くすればよい。溝11aの
深さは、スリットの幅とイオンミリング時間とにより制
御することができる。この例では、溝11aの深さは
0.4μm程度とする。Next, as shown in FIG. 5 (a), YBa 2
The Cu 3 O 7 -x film 11 is etched to form a groove 11 a having a V-shaped cross section, and a step is formed in a lower electrode formation portion. The inclined surface of the V-shaped groove 11a becomes a Josephson junction surface, and one side of the Josephson junction surface is determined by the depth. Therefore, in the case of a junction where a large critical current value is desired, the depth of the groove 11a may be increased. The depth of the groove 11a can be controlled by the width of the slit and the ion milling time. In this example, the depth of the groove 11a is about 0.4 μm.
【0027】次に、図5(b)に示すように、基板10
を約630℃に加熱した状態で、rfマグネトロンスパ
ッタ法により、基板10の上側全面にNdBa2 Cu3
O7- y を約200nmの厚さに堆積してNdBa2 Cu
3 O7-y 膜15を形成する。なお、NdBa2 Cu3 O
7-y 膜15を形成する前に、トンネル障壁層として非超
電導のPrBa2 Cu3 O7-y 薄膜を約10nmの厚さ
に形成してもよい。Next, as shown in FIG.
Is heated to about 630 ° C, and the rf magnetron spa
NdBa is applied to the entire upper surface of the substrate 10 by theTwoCuThree
O7- yIs deposited to a thickness of about 200 nm to form NdBaTwoCu
ThreeO7-yA film 15 is formed. In addition, NdBaTwoCuThreeO
7-yBefore forming the film 15, a non-super
Conductive PrBaTwoCuThreeO7-yThin film about 10nm thick
May be formed.
【0028】その後、NdBa2 Cu3 O7-y 膜15の
上にAu膜16を0.2μmの厚さに形成する。次に、
図5(c)に示すように、フォトレジストを使用し、A
u膜16の上の上部電極形成部及び下部電極形成部を覆
うレジスト膜17を形成する。そして、このレジスト膜
17をマスクとして、図6(a)に示すように、Au膜
16及びNdBa2 Cu3 O7-y 膜15をエッチング
し、上部電極及び配線となるNdBa2 Cu3 O7-y 膜
15aと下部電極となるNdBa2 Cu3 O7-y 膜15
bとをパターン形成する。その後、レジスト膜17を除
去する。Thereafter, an Au film 16 is formed on the NdBa 2 Cu 3 O 7-y film 15 to a thickness of 0.2 μm. next,
As shown in FIG. 5C, using a photoresist, A
A resist film 17 is formed on the u film 16 to cover the upper electrode forming portion and the lower electrode forming portion. Then, using the resist film 17 as a mask, as shown in FIG. 6A, the Au film 16 and the NdBa 2 Cu 3 O 7 -y film 15 are etched, and NdBa 2 Cu 3 O 7 serving as an upper electrode and a wiring are formed. -y film 15a and NdBa 2 Cu 3 O 7-y film 15 serving as a lower electrode
and b. After that, the resist film 17 is removed.
【0029】次に、Au膜16上にフォトレジスト膜
(図示せず)を形成し、露光及び現像工程を経て取り出
し電極パターンのレジスト膜を形成し、該レジスト膜を
マスクとしてAu膜16をパターニングする。これによ
り、図6(b)に示すように、取り出し電極16a〜1
6dが形成される。このようにして、本実施の形態の超
電導接合素子が完成する。Next, a photoresist film (not shown) is formed on the Au film 16, a resist film of an extraction electrode pattern is formed through exposure and development steps, and the Au film 16 is patterned using the resist film as a mask. I do. Thus, as shown in FIG. 6B, the extraction electrodes 16a to 16a-1
6d is formed. Thus, the superconducting junction element of the present embodiment is completed.
【0030】なお、上記の例では、図4(b)に示す工
程で、絶縁保護膜12の孔12aがYBa2 Cu3 O
7-x 膜11に到達した時点でイオンミリングを終了した
が、Nb膜13が除去され、YBa2 Cu3 O7-x 膜1
1にV字溝11a及び段差が形成されるまで(図5
(a)の状態になるまで)イオンミリングを継続しても
よい。In the above example, in the step shown in FIG. 4B, the hole 12a of the insulating protective film 12 is made of YBa 2 Cu 3 O.
The ion milling was terminated when the film reached the 7-x film 11, but the Nb film 13 was removed and the YBa 2 Cu 3 O 7-x film 1 was removed.
1 until a V-shaped groove 11a and a step are formed (FIG. 5).
The ion milling may be continued (until the state of (a) is reached).
【0031】以下、上述した方法により超電導接合素子
を実際に製造し、その特性を調べた結果について説明す
る。誘電体基板として、MgO単結晶基板を使用し、こ
の単結晶基板の上に、第1の超電導体膜として液相エピ
タキシ法によりYBa2 Cu 3 O7-x 膜を形成し、その
上にrfマグネトロンスパッタ法によりSrTiO3膜
(絶縁保護膜)、Nb膜及びAu膜を形成した。そし
て、Nb膜をマスクとしてYBa2 Cu3 O7-x 膜にV
字溝を形成した。V字溝の深さは0.4μmとした。ま
た、このときのイオンミリングの照射角度として、エッ
チングレートが大きい45°に設定した。各層のエッチ
ングレートは、15nm/min (SrTiO3 膜)、5
0nm/min (Au膜)、25nm/min (YBa2 C
u3 O7-x膜)、20nm/min (Nb膜)であった。Hereinafter, the superconducting junction element will be described by the method described above.
Is actually manufactured and its characteristics are examined.
You. Use a MgO single crystal substrate as the dielectric substrate.
Liquid phase epitaxy on the single crystal substrate
YBa by taxi methodTwoCu ThreeO7-xForming a film,
SrTiO 3 is formed on the surface by rf magnetron sputtering.Threefilm
(An insulating protective film), an Nb film and an Au film were formed. Soshi
Using the Nb film as a maskTwoCuThreeO7-xV on membrane
A groove was formed. The depth of the V-shaped groove was 0.4 μm. Ma
At this time, the ion milling irradiation angle
The angle was set to 45 ° where the chin rate was large. Etch for each layer
Rate is 15 nm / min (SrTiOThreeMembrane), 5
0 nm / min (Au film), 25 nm / min (YBaTwoC
uThreeO7-xFilm) and 20 nm / min (Nb film).
【0032】溝の形状をAFM(atomic force microsc
ope ; 原子間力顕微鏡)で観測した結果を図7(a)に
示す。また、比較のために、Nb膜に替えてフォトレジ
ストをマスクとして溝を形成した場合の結果を図7
(b)に示す。溝形成時のマスクとしてNb膜を使用し
た場合では、溝の傾斜がほぼイオンミリングの入射角度
の45°に等しいが、フォトレジストを使用した場合で
は20°程度と緩い角度しか得られていない。溝の形状
がジョセフソン素子の特性に大きく影響するので、溝形
成時のマスクには、溝形状を制御しやすいNb膜を使用
することが好ましい。また、Nb膜は、低Tcからなる
集積回路作製を目指した開発により微細加工技術が蓄積
されており、それらの知見が活用できることも大きな利
点になる。The shape of the groove is changed by AFM (atomic force microsc
FIG. 7A shows the result of observation with an atomic force microscope (ope; atomic force microscope). For comparison, FIG. 7 shows the results obtained when a groove was formed using a photoresist as a mask instead of the Nb film.
(B). When the Nb film is used as a mask at the time of forming the groove, the inclination of the groove is almost equal to the incident angle of ion milling of 45 °, but when the photoresist is used, only a gentle angle of about 20 ° is obtained. Since the shape of the groove greatly affects the characteristics of the Josephson element, it is preferable to use an Nb film that can easily control the shape of the groove as a mask when forming the groove. Further, the Nb film has accumulated fine processing technology due to development aimed at manufacturing an integrated circuit having a low Tc, and it is a great advantage that such knowledge can be utilized.
【0033】上部電極となるNdBa2 Cu3 O7-y 膜
は、200nmの厚さに堆積した。このNdBa2 Cu
3 O7-y 膜はrfマグネトロンスパッタ法により、基板
温度が630℃の条件で形成した。その結果、配向方位
の揃ったNdBa2 Cu3 O 7-y 単結晶膜が得られた。
ここで、NdBa2 Cu3 O7-y 膜の形成には、基板を
基板ホルダーに載せて加熱する方法を採用した。その理
由を以下に説明する。NdBa serving as upper electrodeTwoCuThreeO7-yfilm
Was deposited to a thickness of 200 nm. This NdBaTwoCu
ThreeO7-yThe film is formed on the substrate by rf magnetron sputtering.
The film was formed at a temperature of 630 ° C. As a result,
NdBaTwoCuThreeO 7-yA single crystal film was obtained.
Where NdBaTwoCuThreeO7-yThe substrate is used to form the film
A method of heating by placing on a substrate holder was adopted. The reason
The reason will be described below.
【0034】従来、真空製膜装置内で基板温度を特定の
値に設定することは困難であった。特に、熱輻射で加熱
を行う基板落とし込み法の場合、MgO基板のように透
明な基板では酸化物超電導体の堆積により表面の輻射効
率が変わり、基板温度が変化することが知られていた。
このため、従来、透明基板の上に超電導体膜を製膜する
ときには、基板を基板ホルダーに熱伝導性に優れる銀
(Ag)ペーストで固定する方法が用いられている。し
かし、この方法では、基板の着脱時に起こるAg粉末に
よる汚染や基板内の温度分布が問題となる。Conventionally, it has been difficult to set the substrate temperature to a specific value in a vacuum film forming apparatus. In particular, in the case of the substrate dropping method in which heating is performed by thermal radiation, it has been known that the radiation efficiency of the surface of a transparent substrate such as an MgO substrate changes due to deposition of an oxide superconductor, and the substrate temperature changes.
Therefore, conventionally, when a superconductor film is formed on a transparent substrate, a method of fixing the substrate to a substrate holder with a silver (Ag) paste having excellent heat conductivity has been used. However, in this method, there is a problem of contamination by Ag powder and a temperature distribution in the substrate, which occur when the substrate is attached and detached.
【0035】一方、本実施の形態では、SrTiO3 膜
及びNdBa2 Cu3 O7-y 膜を形成する際には既に基
板上に黒色のYBa2 Cu3 O7-x 膜が厚く形成されて
いるので、SrTiO3 膜又はNdBa2 Cu3 O7-y
膜を形成する際の放射効率の変化が小さく、輻射による
加熱も可能になると考えられる。下記表1に、製膜直前
の基板温度(初期温度)と製膜後の基板温度(終了温
度)を輻射温度計で測定した結果を示す。なお、比較の
ために、基板ホルダーに銀ペーストで固定されたMgO
透明基板の温度を測定した結果も併せて示す。なお、表
1において、LPEはMgO基板に液相エピタキシ法に
よりYBa2 Cu3O7-x 膜を形成した基板、LSAT
は製膜されていないMgO基板を示す。On the other hand, in the present embodiment, when the SrTiO 3 film and the NdBa 2 Cu 3 O 7-y film are formed, the black YBa 2 Cu 3 O 7-x film is already formed thick on the substrate. The SrTiO 3 film or NdBa 2 Cu 3 O 7-y
It is considered that the change in radiation efficiency when forming the film is small, and heating by radiation becomes possible. Table 1 below shows the results obtained by measuring the substrate temperature immediately before film formation (initial temperature) and the substrate temperature after film formation (end temperature) using a radiation thermometer. For comparison, MgO fixed to a substrate holder with silver paste was used.
The results of measuring the temperature of the transparent substrate are also shown. In Table 1, LPE is a substrate obtained by forming a YBa 2 Cu 3 O 7-x film on a MgO substrate by a liquid phase epitaxy method, LSAT
Indicates an unformed MgO substrate.
【0036】[0036]
【表1】 [Table 1]
【0037】この表1から明らかなように、銀ペースト
で基板を基板ホルダ−に接合する方法では、初期温度と
終了温度とが異なるのに比べ、落とし込み法では、殆ど
基板温度が変化せず、基板温度の制御性が向上すること
がわかる。また、基板を基板ホルダの上に置くだけでよ
いので、取り扱いが容易であり、プロセスの信頼性が向
上する。As is apparent from Table 1, in the method of bonding the substrate to the substrate holder with the silver paste, the initial temperature and the end temperature are different from each other. It can be seen that the controllability of the substrate temperature is improved. Further, since it is only necessary to place the substrate on the substrate holder, the handling is easy and the reliability of the process is improved.
【0038】図8は、NdBa2 Cu3 O7-y 膜を形成
した後の基板10の表面のX線回折パターンを示す図、
図9は(006)ピークを拡大して示す図である。これ
らの図から、c軸配向の上部超電導体電極(NdBa2
Cu3 O7-y 膜)が形成されていることがわかる。図9
では、(006)ピークが4つに分かれている。それぞ
れのピークは、低角度より、正方晶のYBa2 Cu3 O
7-x (c=1.182nm)、そのKαとNdBa2 C
u3 O7-y (1.179nm)のかさなったもの、斜方
晶のYBa2 Cu3 O7-x (1.169nm)、SrT
iO3 (a=0.387nm)と指数付けできる。上記
括弧内の数字は回折角度より求められる格子定数を示
す。この格子定数より、NdBa2 Cu3 O7-y 膜とY
Ba2 Cu 3 O7-x 膜との接続界面で、YBa2 Cu3
O7-x は正方晶に近い格子まで引き伸ばされ、酸素欠損
が発生し、結果として超電導を示さないトンネル障壁が
形成されたと考えられる。FIG. 8 shows NdBaTwoCuThreeO7-yForm a film
The figure which shows the X-ray diffraction pattern of the surface of the board | substrate 10 after performing.
FIG. 9 is an enlarged view of the (006) peak. this
From these figures, it can be seen that the c-axis oriented upper superconductor electrode (NdBaTwo
CuThreeO7-yFilm) is formed. FIG.
In FIG. 7, the (006) peak is divided into four peaks. Each
These peaks show a tetragonal YBaTwoCuThreeO
7-x(C = 1.182 nm), its Kα and NdBaTwoC
uThreeO7-y(1.179 nm), oblique
Crystal YBaTwoCuThreeO7-x(1.169 nm), SrT
iOThree(A = 0.387 nm). the above
Numbers in parentheses indicate lattice constants determined from diffraction angles
You. From this lattice constant, NdBaTwoCuThreeO7-yMembrane and Y
BaTwoCu ThreeO7-xAt the connection interface with the film, YBaTwoCuThree
O7-xIs stretched to a lattice close to tetragonal and oxygen deficiency
Occurs, resulting in a tunnel barrier that does not exhibit superconductivity.
It is considered formed.
【0039】なお、この結果は格子定数の異なる超電導
体を混合させた複合材料ではその界面が非超電導層にな
り、ピンニングセンターになる可能性も示している。次
に、傾斜面上をAFMで観測したところ、上部超電導体
電極を成膜後も傾斜面は平滑であることが確認できた。
NdBa2 Cu3 O7-y の結晶化温度はYBa2 Cu3
O7-x に比べて高温であり、成膜温度も50℃程度高め
に設定している。従来、気相法で作製した薄膜に設けた
傾斜面に薄膜を堆積した場合、傾斜面の平坦性が再結晶
化により乱れ劣化していた。しかし本実施の形態では、
NdBa2 Cu3 O7-y 膜を成膜した後も特に傾斜面は
平滑性が変わらなかった。これは、液相エピタキシによ
り形成したYBa2 Cu3 O7-x 膜の結晶性が優れてい
ることによると考えられる。加えて、銀ペーストによる
接着の場合に問題となる銀粉末による汚染、又は基板内
の温度分布のばらつきも解決でき、プロセスの信頼性が
上げられた。This result also indicates that in a composite material in which superconductors having different lattice constants are mixed, the interface may become a non-superconducting layer and become a pinning center. Next, when the inclined surface was observed by AFM, it was confirmed that the inclined surface was smooth even after the upper superconductor electrode was formed.
The crystallization temperature of NdBa 2 Cu 3 O 7-y is YBa 2 Cu 3
The temperature is higher than that of O 7-x , and the film forming temperature is set to be higher by about 50 ° C. Conventionally, when a thin film is deposited on an inclined surface provided on a thin film produced by a vapor phase method, the flatness of the inclined surface has been disordered and deteriorated due to recrystallization. However, in this embodiment,
Even after the NdBa 2 Cu 3 O 7-y film was formed, the smoothness was not particularly changed particularly on the inclined surface. This is considered to be due to the excellent crystallinity of the YBa 2 Cu 3 O 7-x film formed by liquid phase epitaxy. In addition, contamination by silver powder, which is a problem in the case of bonding with a silver paste, or variation in temperature distribution in a substrate can be solved, thereby improving the reliability of the process.
【0040】取り出し電極用のAu膜を形成した後は、
Au膜及びNdBa2 Cu3 O7-y膜をパターニングし
て、ジョセフソン接合の幅を10μmとした。その後、
4端子法による測定を行うための取り出し電極を形成し
た後、セラミック製チップキャリアに取り付け、超音波
ボンダ−によりAl線で結線した。このようにして作製
した本実施の形態の超電導接合素子を約50Kに冷却し
て電流−電圧特性を調べた。その結果を図10に示す。
この図から、本実施の形態の超電導接合素子は、弱結合
型ジョセフソン素子の特性を示し、臨界電流は1.9m
Aで、上に凸の特性はフラックスフローが起きているこ
とを示していることがわかる。これは、臨界電流密度に
すると5×104 A/cm2 である。なお、マイクロ波
照射によるシャピロステップも観測することができた。After forming the Au film for the extraction electrode,
The Au film and the NdBa 2 Cu 3 O 7-y film were patterned so that the width of the Josephson junction was 10 μm. afterwards,
After forming an extraction electrode for performing measurement by the four-terminal method, the electrode was attached to a ceramic chip carrier and connected with an Al wire by an ultrasonic bonder. The superconducting junction element of the present embodiment fabricated in this manner was cooled to about 50K, and the current-voltage characteristics were examined. The result is shown in FIG.
From this figure, the superconducting junction element of the present embodiment exhibits the characteristics of a weakly coupled Josephson element, and the critical current is 1.9 m.
In A, it can be seen that the upwardly convex characteristic indicates that a flux flow has occurred. This is 5 × 10 4 A / cm 2 in terms of critical current density. In addition, Shapiro steps by microwave irradiation could be observed.
【0041】本実施の形態では、第1の超電導体膜と第
2の超電導体膜との接合界面で、両者の格子定数の差に
基づく格子歪によりジョセフソン接合を実現するので、
第1の超電導体膜と第2の超電導体膜との間に極めて薄
い絶縁体膜を形成する場合に比べて、ジョセフソン接合
を容易に実現することができ、接合部の信頼性も高い。
また、第1の超電導体膜を液相エピタキシ法で形成し、
その後第2の超電導体膜をrfマグネトロンスパッタ法
で形成するので、第2の超電導体膜形成時には基板温度
の変動が小さく、第2の超電導体膜の面内均一性が優れ
ている。これにより、良好な特性を有するジョセフソン
接合を再現性よく作製することができる。In the present embodiment, a Josephson junction is realized at the junction interface between the first superconductor film and the second superconductor film by lattice strain based on the difference in lattice constant between the two.
As compared with the case where an extremely thin insulator film is formed between the first superconductor film and the second superconductor film, a Josephson junction can be easily realized, and the reliability of the junction is high.
Further, the first superconductor film is formed by a liquid phase epitaxy method,
Thereafter, since the second superconductor film is formed by the rf magnetron sputtering method, the fluctuation of the substrate temperature during the formation of the second superconductor film is small, and the in-plane uniformity of the second superconductor film is excellent. As a result, a Josephson junction having good characteristics can be manufactured with good reproducibility.
【0042】更に、溝の深さと配線の幅とによりジョセ
フソン接合の特性が決まるので、基板上の任意の位置に
任意の特性の素子を形成することができる。 (第2の実施の形態)図11〜図13は、本発明の第2
の実施の形態の超電導接合素子の作製方法を工程順に示
す断面図である。Further, since the characteristics of the Josephson junction are determined by the depth of the groove and the width of the wiring, an element having any characteristics can be formed at any position on the substrate. (Second Embodiment) FIGS. 11 to 13 show a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the superconducting junction element according to the embodiment in the order of steps.
【0043】まず、図11(a)に示すように、MgO
からなる誘電体基板30の上に、第1の超電導体膜とし
て厚さが約10μmのYBa2 Cu3 O7-x 膜31を形
成し、その後厚さが約0.3μmの絶縁保護膜32を形
成する。YBa2 Cu3 O7- x 膜31は、第1の実施の
形態と同様に、液相エピタキシ法により基板30上にY
Ba2 Cu3 O7-x (001)単結晶を育成することに
より形成する。また、絶縁保護膜32は、MgO、Sr
TiO3 、La0.65Sr0.35Al0.6 Ta0.4O3 又は
PrBa2 Cu3 O7-x (0≦x≦0.6)などを用い
たrfマグネトロンスパッタ法により、基板温度を約6
30℃として形成する。First, as shown in FIG.
A first superconductor film on a dielectric substrate 30 made of
YBa with a thickness of about 10 μmTwoCuThreeO7-xShape the membrane 31
After that, an insulating protective film 32 having a thickness of about 0.3 μm is formed.
To achieve. YBaTwoCuThreeO7- xThe membrane 31 is the same as that of the first embodiment.
Similarly to the embodiment, Y is formed on the substrate 30 by liquid phase epitaxy.
BaTwoCuThreeO7-xTo grow a (001) single crystal
Formed. The insulating protective film 32 is made of MgO, Sr
TiOThree, La0.65Sr0.35Al0.6Ta0.4OThreeOr
PrBaTwoCuThreeO7-x(0 ≦ x ≦ 0.6)
The substrate temperature was reduced to about 6 by rf magnetron sputtering.
Formed at 30 ° C.
【0044】次に、図11(b)に示すように、絶縁保
護膜32の上に、上部電極形成部に対応する部分に窓を
有するフォトレジスト膜33を形成する。そして、この
レジスト膜33をマスクとして絶縁保護膜32及びYB
a2 Cu3 O7-x 膜31をイオンミリングし、図11
(c)に示すように、YBa2 Cu3 O7-x 膜31に段
差を形成する。この段差の深さがジョセフソン接合の面
積を決める。従って、大きな臨界電流値が望まれる場合
には、この段差の高さを深くすればよい。この例では、
段差が0.4μmであるとする。なお、傾斜の角度は9
0°に近い垂直であることが好ましく、レジスト膜33
のパターンエッジはできるだけ急角度にし、またイオン
ミリングの照射角度も垂直に設定することが好ましい。Next, as shown in FIG. 11B, a photoresist film 33 having a window at a portion corresponding to the upper electrode forming portion is formed on the insulating protection film 32. Then, using the resist film 33 as a mask, the insulating protective film 32 and the YB
The a 2 Cu 3 O 7-x film 31 was ion-milled, and FIG.
As shown in (c), a step is formed in the YBa 2 Cu 3 O 7-x film 31. The depth of this step determines the area of the Josephson junction. Therefore, when a large critical current value is desired, the height of the step may be increased. In this example,
It is assumed that the step is 0.4 μm. The inclination angle is 9
The vertical direction is preferably close to 0 °.
It is preferable to set the pattern edge as steep as possible and set the irradiation angle of ion milling to be vertical.
【0045】次に、図12(a)に示すように、基板3
0の上側全面に絶縁保護膜34を形成する。絶縁保護膜
34の材料としては、絶縁保護膜32と同じものを使用
することができる。また、絶縁保護膜34の厚さは、十
分な絶縁性が確保され、かつ薄膜の表面平坦性が保存さ
れることから、0.3μm程度とすることが好ましい。Next, as shown in FIG.
An insulating protective film 34 is formed on the entire upper surface of the "0". The same material as the insulating protective film 32 can be used as the material of the insulating protective film 34. Further, the thickness of the insulating protective film 34 is preferably about 0.3 μm from the viewpoint of securing sufficient insulating properties and preserving the surface flatness of the thin film.
【0046】次に、図12(b)に示すように、前述の
レジスト膜33に対し白黒が反転したマスクを使用し
て、絶縁保護膜34上にレジスト膜35を形成する。そ
して、このレジスト膜35をマスクとして絶縁保護膜3
4をイオンミリングして、図12(c)に示すように、
段差部のYBa2 Cu3 O7-x 膜31の傾斜面を露出さ
せる。この場合に、イオンミリングは浅い照射角度で行
う。Next, as shown in FIG. 12B, a resist film 35 is formed on the insulating protection film 34 by using a mask in which the above-mentioned resist film 33 is inverted in black and white. Then, using the resist film 35 as a mask, the insulating protective film 3 is used.
4 by ion milling, as shown in FIG.
The slope of the YBa 2 Cu 3 O 7-x film 31 at the step is exposed. In this case, ion milling is performed at a shallow irradiation angle.
【0047】次に、図13(a)に示すように、基板3
0の上側全面に、第2の超電導体膜としてNdBa2 C
u3 O7-y 膜36を約200nmの厚さに形成する。こ
の場合に、NdBa2 Cu3 O7-y 膜36を形成する前
に、トンネル障壁膜としてPrBa2 Cu3 O7-x 膜を
約10nmの厚さに形成してもよい。これらの膜を形成
する場合、基板温度を630℃に保持し、rfマグネト
ロンスパッタ法により形成することで、配向方位の揃っ
た単結晶膜を形成することができる。Next, as shown in FIG.
NdBa 2 C as a second superconductor film
u 3 O a 7-y film 36 to a thickness of approximately 200 nm. In this case, before forming the NdBa 2 Cu 3 O 7-y film 36, a PrBa 2 Cu 3 O 7-x film having a thickness of about 10 nm may be formed as a tunnel barrier film. When these films are formed, a single crystal film with a uniform orientation can be formed by maintaining the substrate temperature at 630 ° C. and forming the films by rf magnetron sputtering.
【0048】次いで、図13(c)に示すように、フォ
トリソグラフィ法によりNdBa2Cu3 O7-y 膜36
をエッチングして、所定の上部電極及び配線パターンと
する。その後、基板30の上側全面にAu膜を形成し、
このAu膜をパターニングして、取り出し電極37a〜
37dを形成する。これにより、本実施の形態の超電導
接合素子が完成する。本実施の形態においても、第1の
実施の形態と同様の効果が得られる。Next, as shown in FIG. 13C, the NdBa 2 Cu 3 O 7-y film 36 is formed by photolithography.
Is etched to form predetermined upper electrodes and wiring patterns. Thereafter, an Au film is formed on the entire upper surface of the substrate 30,
This Au film is patterned to take out the extraction electrodes 37a to 37a.
37d is formed. Thereby, the superconducting junction element of the present embodiment is completed. Also in the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
【0049】上記の方法により実際に超電導接合素子を
形成し、電流−電圧特性を調べた。但し、ジョセフソン
接合部の幅は5μmとした。その結果、第1の実施の形
態と同様の特性が観測された。なお、上記の第1及び第
2の実施の形態では、いずれも第1の超電導体膜として
YBa2 Cu3 O7-x 、第2の超電導体膜としてNdB
a2 Cu3 O7-y を使用した場合について説明したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、種々の超電導
物質を使用することができる。例えば、第1の超電導体
膜として、YBa2 Cu3 O7 (格子定数11.69
Å)、GdBa2 Cu3 O7 (格子定数11.63Å)
及びYbBa2 Cu3 O7 (格子定数11.63Å)か
らなる群から選択された超電導酸化物を使用し、第2の
超電導体膜として、NdBa2 Cu 3 O7 (格子定数1
1.74Å)、SmBa2 Cu3 O7 (格子定数11.
70Å)及びEuBa2 Cu3 O7 (格子定数11.7
0Å)からなる群から選択された超電導酸化物を使用す
ることができる。According to the above method, the superconducting junction element is actually formed.
It was formed and the current-voltage characteristics were examined. However, Josephson
The width of the joint was 5 μm. As a result, the first embodiment
Characteristics similar to those of the state were observed. In addition, the above-mentioned first and second
In the second embodiment, the first superconductor film
YBaTwoCuThreeO7-x, NdB as the second superconductor film
aTwoCuThreeO7-yI explained the case where was used,
The present invention is not limited to this.
Substances can be used. For example, the first superconductor
As a film, YBaTwoCuThreeO7(Lattice constant 11.69
Å), GdBaTwoCuThreeO7(Lattice constant 11.63Å)
And YbBaTwoCuThreeO7(Lattice constant 11.63Å)
Using a superconducting oxide selected from the group consisting of
NdBa as a superconductor filmTwoCu ThreeO7(Lattice constant 1
1.74Å), SmBaTwoCuThreeO7(Lattice constant 11.
70Å) and EuBaTwoCuThreeO7(Lattice constant 11.7
0Å) using a superconducting oxide selected from the group consisting of
Can be
【0050】[0050]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
格子定数の差により生じる格子歪によりジョセフソン接
合を実現するので、製造が容易であり、信頼性が優れて
いる。また、第1の超電導体膜を液相エピタキシ法で形
成し、その後第2の超電導体膜を形成することにより、
基板温度の変動が回避され、第2の超電導体膜の面内均
一性も良好で、特性が均一のジョセフソン接合を再現性
よく形成することができる。更に、第1の超電導体膜を
グランドプレーンとし、第2の超電導体膜を上部配線と
してマイクロストリップ線構造を実現することにより、
浮遊インダクタンスを低減することができて、回路設計
が容易になる。従って、本発明は、SFQ回路を集積し
た集積回路の実現に多大な貢献をなす。As described above, according to the present invention,
Since a Josephson junction is realized by lattice distortion caused by a difference in lattice constant, manufacturing is easy and reliability is excellent. Further, by forming the first superconductor film by a liquid phase epitaxy method and then forming the second superconductor film,
Variations in the substrate temperature are avoided, the in-plane uniformity of the second superconductor film is good, and a Josephson junction with uniform characteristics can be formed with good reproducibility. Further, by realizing a microstrip line structure using the first superconductor film as a ground plane and the second superconductor film as an upper wiring,
The stray inductance can be reduced, and the circuit design becomes easier. Therefore, the present invention greatly contributes to the realization of an integrated circuit in which the SFQ circuit is integrated.
【図1】図1(a)は本発明の第1の実施の形態の超電
導接合素子を示す断面図、図1(b)は同じくその模式
平面図である。FIG. 1A is a sectional view showing a superconducting junction element according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic plan view thereof.
【図2】図2は第1の実施の形態の超電導接合素子の等
価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the superconducting junction element according to the first embodiment.
【図3】図3は第1の実施の形態の超電導接合素子の作
製方法を示す断面図(その1)である。FIG. 3 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the superconducting junction element of the first embodiment.
【図4】図4は第1の実施の形態の超電導接合素子の作
製方法を示す断面図(その2)である。FIG. 4 is a sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the superconducting junction element of the first embodiment.
【図5】図5は第1の実施の形態の超電導接合素子の作
製方法を示す断面図(その3)である。FIG. 5 is a cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the superconducting junction element of the first embodiment.
【図6】図6は第1の実施の形態の超電導接合素子の作
製方法を示す断面図(その4)である。FIG. 6 is a sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the superconducting junction element of the first embodiment.
【図7】図7(a)はNb膜をマスクとして形成した溝
のAFM像を示す図、図7(b)はフォトレジストをマ
スクとして形成した溝のAFM像を示す図である。FIG. 7A is a diagram showing an AFM image of a groove formed using an Nb film as a mask, and FIG. 7B is a diagram showing an AFM image of a groove formed using a photoresist as a mask.
【図8】図8はNdBa2 Cu3 O7-y 膜を形成した後
の基板の表面のX線回折パターンを示す図である。FIG. 8 is a view showing an X-ray diffraction pattern of the surface of the substrate after forming the NdBa 2 Cu 3 O 7-y film.
【図9】図9は図8の(006)ピークを拡大して示す
図である。FIG. 9 is an enlarged view of the (006) peak in FIG. 8;
【図10】図10は第1の実施の形態により作製した超
電導接合素子の電流−電圧特性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing current-voltage characteristics of the superconducting junction element manufactured according to the first embodiment.
【図11】図11は第2の実施の形態の超電導接合素子
の作製方法を示す断面図(その1)である。FIG. 11 is a sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the superconducting junction element of the second embodiment.
【図12】図12は第2の実施の形態の超電導接合素子
の作製方法を示す断面図(その2)である。FIG. 12 is a cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the superconducting junction element of the second embodiment.
【図13】図13は第2の実施の形態の超電導接合素子
の作製方法を示す断面図(その3)である。FIG. 13 is a cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the superconducting junction element of the second embodiment.
【図14】図14はランプエッジ接合型ジョセフソン素
子の一例を示す断面図である。FIG. 14 is a sectional view showing an example of a ramp edge junction type Josephson device.
10,30,50…誘電体基板、 11,31…YBa2 Cu3 O7-x 膜、 11a…溝、 12,32,34…絶縁保護膜、 13…Nb膜、 14,16…Au膜、 15a,15b,36…NdBa2 Cu3 O7-y 膜、 16a〜16d,37a〜37d…取り出し電極、 17,33,35…レジスト膜、 51…上部超電導体膜、 53…トンネル障壁膜、 54…下部超電導体膜。10, 30, 50: dielectric substrate, 11, 31: YBa 2 Cu 3 O 7-x film, 11a: groove, 12, 32, 34: insulating protective film, 13: Nb film, 14, 16: Au film, 15a, 15b, 36 ... NdBa 2 Cu 3 O 7-y layer, 16 a to 16 d, 37a to 37d ... take-out electrode, 17,33,35 ... resist film, 51 ... upper superconductive film, 53 ... tunnel barrier film, 54 ... Lower superconductor film.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000003078 株式会社東芝 東京都港区芝浦一丁目1番1号 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電導 工学研究所内 (72)発明者 飯山 道朝 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電導 工学研究所内 (72)発明者 鈴木 秀雄 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電導 工学研究所内 (72)発明者 星 三郎 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電導 工学研究所内 (72)発明者 和泉 輝郎 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電導 工学研究所内 (72)発明者 塩原 融 東京都江東区東雲一丁目14番3号 財団法 人国際超電導産業技術研究センター超電導 工学研究所内 Fターム(参考) 4M113 AA06 AA16 AA25 AD37 AD42 AD63 AD67 AD68 BA04 BA08 BA21 BC04 CA34 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (71) Applicant 000003078 Toshiba 1-1-1 Shibaura, Minato-ku, Tokyo (72) Inventor Yoichi Enomoto 1-14-3 Shinonome, Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Superconductivity Inside the Superconductivity Engineering Research Center, National Institute of Advanced Industrial Science (72) Michiasa Iiyama 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation International Superconductivity Research Institute, Superconductivity Engineering Research Center (72) Inventor Hideo Suzuki Koto, Tokyo 1-14-3 Shinonome-ku, Tokyo, Japan Superconductivity Engineering Research Center, International Superconducting Technology Research Center (72) Inventor Saburo Hoshi 1-14-3, Shinonome, Shintomo, Koto-ku, Tokyo Superconductivity Engineering Inside the laboratory (72) Inventor Teruo Izumi 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation Law Inside the Superconductivity Engineering Research Center, International Superconducting Technology Research Center (72) Inventor Minoru Shiohara 1-14-3 Shinonome, Koto-ku, Tokyo Foundation F-term (Reference) 4M113 AA06 AA16 AA25 AD37 AD42 AD63 AD67 AD68 BA04 BA08 BA21 BC04 CA34
Claims (8)
超電導体を接続させて、界面にトンネル障壁を実現した
ことを特徴とする超電導接合素子。1. A superconducting junction device wherein two types of oxide superconductors having different lattice constants are connected to each other to realize a tunnel barrier at an interface.
YBa2 Cu3 O7- x 、GdBa2 Cu3 O7-x 及びY
bBa2 Cu3 O7-x (但し、0≦x≦0.6)からな
る群から選択されたいずれか1種の酸化物超電導体であ
り、他方が、NdBa2 Cu3 O7-y 、SmBa2 Cu
3 O7-y 及びEuBa2 Cu3 O7-y(但し、0≦y≦
0.6)からなる群から選択されたいずれか1種の酸化
物超電導体であることを特徴とする請求項1に記載の超
電導接合素子。2. One of the two types of oxide superconductors comprises:
YBaTwoCuThreeO7- x, GdBaTwoCuThreeO7-xAnd Y
bBaTwoCuThreeO7-x(However, 0 ≦ x ≦ 0.6)
Oxide superconductor selected from the group consisting of
The other is NdBaTwoCuThreeO7-y, SmBaTwoCu
ThreeO7-yAnd EuBaTwoCuThreeO7-y(However, 0 ≦ y ≦
0.6) any one type of oxidation selected from the group consisting of
2. The superconductor according to claim 1, wherein the superconductor is an object superconductor.
Conductive junction element.
体膜と、 前記傾斜面を除く前記第1の超電導体膜上の領域に形成
された絶縁保護膜と、 前記第1の超電導体膜の格子定数と異なる格子定数を有
し、少なくとも前記絶縁保護膜の上から前記第1の超電
導体膜の傾斜面までの領域に形成された第2の超電導体
膜とを有することを特徴とする超電導接合素子。3. A substrate, a first superconductor film having an inclined surface formed on the substrate, and an insulating protective film formed in a region on the first superconductor film excluding the inclined surface. A second superconductor having a lattice constant different from the lattice constant of the first superconductor film and formed at least in a region from above the insulating protective film to an inclined surface of the first superconductor film. A superconducting junction element comprising a film.
ップ線のグランドプレーンを構成し、前記第2の超電導
体膜が前記マイクロストリップ線の上部配線を構成し、
前記第1の超電導体膜と前記第2の超電導体膜との接合
面がジョセフソン接合を構成していることを特徴とする
請求項3に記載の超電導接合素子。4. The first superconductor film forms a microstrip line ground plane, the second superconductor film forms an upper wiring of the microstrip line,
4. The superconducting junction element according to claim 3, wherein a joining surface between the first superconducting film and the second superconducting film forms a Josephson junction.
3 O7-x 、GdBa 2 Cu3 O7-x 及びYbBa2 Cu
3 O7-x (但し、0≦x≦0.6)からなる群から選択
されたいずれか1種の酸化物超電導体からなり、前記第
2の超電導体膜が、NdBa2 Cu3 O7-y 、SmBa
2 Cu3 O7-y 及びEuBa2 Cu3O7-y (但し、0
≦y≦0.6)からなる群から選択されたいずれか1種
の酸化物超電導体からなることを特徴とする請求項3又
請求項4に記載の超電導接合素子。5. The method according to claim 1, wherein the first superconductor film is made of YBa.TwoCu
ThreeO7-x, GdBa TwoCuThreeO7-xAnd YbBaTwoCu
ThreeO7-x(However, select from the group consisting of 0 ≦ x ≦ 0.6)
Made of any one of the above oxide superconductors,
2 is NdBaTwoCuThreeO7-y, SmBa
TwoCuThreeO7-yAnd EuBaTwoCuThreeO7-y(However, 0
≦ y ≦ 0.6) any one selected from the group consisting of
3. An oxide superconductor according to claim 1,
The superconducting junction element according to claim 4.
の超電導体膜を成長させる工程と、 前記第1の超電導体膜の上に絶縁保護膜を形成する工程
と、 前記絶縁保護膜の上に所定のパターンのマスクを形成す
る工程と、 前記絶縁保護膜及び前記第1の超電導体膜をイオンミリ
ングして前記第1の超電導体膜に傾斜面を形成する工程
と、 前記マスクを除去する工程と、 前記基板の上側全面に、前記第1の超電導体膜と格子定
数が異なる第2の超電導体膜を形成する工程と、 前記第2の超電導体膜をパターニングする工程とを有す
ることを特徴とする超電導接合素子の作製方法。6. A first liquid phase epitaxy method on a substrate.
Growing a superconductor film, forming an insulating protection film on the first superconductor film, forming a mask of a predetermined pattern on the insulating protection film, Ion milling a film and the first superconducting film to form an inclined surface on the first superconducting film; removing the mask; and covering the entire upper surface of the substrate with the first superconducting film. A method for manufacturing a superconducting junction element, comprising: forming a second superconducting film having a lattice constant different from that of a body film; and patterning the second superconducting film.
することを特徴とする請求項6に記載の超電導接合素子
の作製方法。7. The method according to claim 6, wherein the mask is formed of niobium (Nb).
超電導体膜を形成する工程との間に、露出している第1
の超電導体膜の上に第2の絶縁保護膜を形成する工程を
有することを特徴とする請求項6に記載の超電導接合素
子の作製方法。8. A method according to claim 1, wherein the first exposed portion is removed between the step of removing the mask and the step of forming the second superconductor film.
7. The method for manufacturing a superconducting junction element according to claim 6, further comprising the step of forming a second insulating protective film on the superconducting film.
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