專利名稱：隧道型約瑟夫森器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道型約瑟夫森器件及其制造方法。進(jìn)言之，涉及了一種有效利用復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料優(yōu)異特征，新的隧道型約瑟夫森器件及其制造方法。
所謂的瑟夫森器件是通過超導(dǎo)體相互之間的弱耦合構(gòu)成。目前已提出若干種結(jié)構(gòu)作為用于實(shí)現(xiàn)這種弱耦合的具體構(gòu)成，最典型的結(jié)構(gòu)是人們所熟知的隧道型約瑟夫森器件。也就是說，隧道型約瑟夫森器件具有這樣的結(jié)構(gòu)，在一對超導(dǎo)體之間插入極薄的絕緣體層。
迄今在實(shí)際制造的隧道型約瑟夫森器件中，用Nb、NbN、Pb的等作為超導(dǎo)體，用在Nb或Pb表面形成的氧化膜或者M(jìn)gO或α－Si的淀積膜作為絕緣體層。然而，這些金屬系超導(dǎo)體，通常超導(dǎo)臨界溫度非常之低，實(shí)際上若不用價(jià)格高昂的液體He,就不可能發(fā)揮出其有效的特性。
另一方面，1988年發(fā)明(La、Ba)2CuO4和(La、Sr)2CuO4等復(fù)合氧化物燒結(jié)體是具有高Tc的超導(dǎo)材料。繼而證實(shí)了以Y1Ba2Cu3O7-X表示其組分的復(fù)合氧化物，在液氮溫度以上的溫度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出有效的超導(dǎo)特性。對于象這樣高的溫度下呈現(xiàn)超導(dǎo)特性的材料，由于可使用廉價(jià)的液氮作為冷卻介質(zhì)，所以推動了超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用研究，為實(shí)現(xiàn)使用復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料的約瑟夫森器件進(jìn)行著各種試驗(yàn)。
然而，人們已經(jīng)知道，使用上述復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料試制成的約瑟夫森器件，盡管在液氦溫度4.2k中也未能充分發(fā)揮其特性。
因此本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的上述問題，提供一種能有效發(fā)揮復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料的優(yōu)異超導(dǎo)特性的新型約瑟夫森器件及其制造方法。
即根據(jù)本發(fā)明，備有利用復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料形成的一對超導(dǎo)體層和在這一對起導(dǎo)體層之間形成絕緣體層的隧道型約瑟夫森器件中，其特征在于，該絕緣體層是用與形成該超導(dǎo)體層的復(fù)合氧化物有同樣組成的元素形成，但以不呈現(xiàn)超導(dǎo)特性的組分比的復(fù)合氧化物形成。
并且，作為涉及上述本發(fā)明的隧道型約瑟夫森器件的制造方法，設(shè)有由復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料形成的一對超導(dǎo)體層和形成在這對超導(dǎo)體層之間的絕緣體層的隧道型約瑟夫森器件的制造方法中，其特征是，該絕緣體層是由與形成該超導(dǎo)體層的復(fù)合氧化物有同樣組成的復(fù)合氧化物形成，該超導(dǎo)體層以及該絕緣體層是一邊供氧一邊連續(xù)成膜。
形成上述約瑟夫森器件復(fù)合氧化物薄膜的成膜方法，雖然可以用公知的物理淀積或化學(xué)淀積法中的任何一種，但最好是用測射法和離子鍍法等。
并且，作為在涉及上述發(fā)明的隧道型約瑟夫森器件中可使用的超導(dǎo)材料，可舉出如下例子，有YBa2Cu3O7-x及用HO、Er等鑭系元素置換該復(fù)合氧化物中的Y的復(fù)合氧化物，Tl2Ba2Ca2Cu3O10-y或Bi2Sr2Ca2Cu3O10-y及這些復(fù)合氧化物中添加了Pb的材料等。
還有，作為形成上述絕緣體層的材料，例如可舉出把超導(dǎo)體層作成YBa2Cu3O7-x的情況下的Y2Ba1Cu1O5-y、Y1Ba3Cu2O2等。更進(jìn)一步，用HO、Hr等鑭系無素置換超導(dǎo)體層的Y而組成為RBa2Cu3O7-x(R表示鑭系元素)的情況下，絕緣體層可用R2BaCuO7-x形成。
還有，作為形成上述約瑟夫森器件的基片，可舉出SrTiO3單晶基片和MgO單晶基片。
超導(dǎo)體層的膜厚約為1000-3000
，絕緣體層的膜厚約20-100
，最好是50-100
。
涉及本發(fā)明的隧道型的約瑟夫森器件，特別是其絕緣體層的主要特征是由復(fù)合氧化物形成，而復(fù)合氧化物的組成元素與形成超導(dǎo)體層的復(fù)合氧化物相同。
亦即，迄今所知道的用超導(dǎo)體表面氧化形成絕緣體層的方法，對原始氧化物為復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料來說是無效的。因此提出在超導(dǎo)體層之間，用其他絕緣材料作成絕緣體層，曾試圖利用MgO、Al2O3、ZrO2等將絕緣層制作成薄膜。
但是，如前所述，制得的約瑟夫森器件不能發(fā)揮其有效的特性。據(jù)本發(fā)明人等的研究，其原因如下(1)復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料，在其形成過程中需要熱處理，在熱處理時(shí)形成絕緣層的元素會擴(kuò)散到界面附近的超導(dǎo)體層中，損害了超導(dǎo)特性。
(2)如在成膜裝置內(nèi)存在高溫且氧氣分壓低的環(huán)境，超導(dǎo)體中的氧為絕緣體所吸收，使超導(dǎo)體層變質(zhì)。
(3)由于絕緣體和高溫超導(dǎo)體的晶格常數(shù)，熱膨脹系數(shù)等有很大差別，所以兩者的界面處產(chǎn)生畸變。
因此，本發(fā)明的約瑟夫森器件是這樣解決上述問題的，利用復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料組成元素的組分比例改變，會失去超導(dǎo)特性而變成絕緣這一點(diǎn)。
即通過用類似于超導(dǎo)材料的復(fù)合氧化物形成約瑟夫森器件中的絕緣層，而不改變成膜條件，使形成約瑟夫森器件的超導(dǎo)層和絕緣層連續(xù)成膜，因而在超導(dǎo)層和絕緣層之間，晶格常數(shù)，熱膨脹系數(shù)等的差別變小，抑制了因界面畸變而產(chǎn)生的特性變壞。膜質(zhì)外延生長變得容易了。并且，由于絕緣層本身也是復(fù)合氧化物，所以不吸取來自超導(dǎo)層的氧，也就無損于超導(dǎo)層的特性。
若按照本發(fā)明的理想狀態(tài)，一面利用氧氣噴咀或氧離子槍供給氧氣，一面實(shí)施超導(dǎo)層及絕緣層的成膜操作為最好，即采取這樣的處理方法，可促進(jìn)膜的氧化，即使省去成膜后的熱處理，也可得到優(yōu)異特性的超導(dǎo)薄膜。
下面通過舉例對本發(fā)明作具體說明。以下的啟示只不過是本發(fā)明的一個實(shí)施例，并不對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限定。
附圖1是表示本發(fā)明的隧道型約瑟夫森器件結(jié)構(gòu)例子的剖視圖。
附圖2是表示根據(jù)本發(fā)明制造的隧道型約瑟夫森器件的電壓對電流的特性曲線圖。
附圖1是表示本發(fā)明的隧道型約瑟夫森器件結(jié)構(gòu)的剖視圖。正如附圖1所示，在基片1上依次疊合超導(dǎo)層2、絕緣層3及超導(dǎo)層4，形成該約瑟夫森器件。再去掉絕緣層3和超導(dǎo)層4的一部分，露出超導(dǎo)層2的表面一部分，在該區(qū)域和超導(dǎo)層4的表面上分別形成電極5a和5b。
這里，超導(dǎo)層2和4都由YBa2Cu3O7-x形成，膜厚為1000-3000
。絕緣層3由Y2Ba1Cu1O5-y形成，膜厚為50-100
。在超導(dǎo)層2和絕緣層3及超導(dǎo)層4間形成SIS結(jié)。
上述結(jié)構(gòu)的隧道型約瑟夫森器件可以通過以下工藝形成。
把SrTiO3單晶基片(100)面作為成膜面，首先，用RF濺射法形成超導(dǎo)層。按成膜后能形成YBa2Cu3O7-x的那種比例，混合Y和Ba的各碳酸鹽粉末與Cu的氧化物粉末用作靶。成膜條件如下基片溫度-600(℃)成膜速度-5( /秒)RF功率-600(W)另外，在成膜中，通過噴咀或氧離子槍使基片吸附氧氣及氧離子，促使膜層氧化。
還有，根據(jù)前述所得到的YBa2Cu3O7-x薄膜，當(dāng)用X射線衍射法只觀測到(001)定向特有的(ool)衍射峰值時(shí)，即可證實(shí)該薄膜是(001)定向的單晶膜層。
通過上述工藝，形成膜厚達(dá)1000-3000 的超導(dǎo)層，接著形成絕緣層，成膜條件與超導(dǎo)層的成膜條件一樣，只是使用改變了混合比的靶，使形成的薄膜組分為Y2Ba1Cu1O5-y。這樣，在YBa2Cu3O7-x薄膜上就形成厚度為50-100 的Y2Ba1Cu1O5-y的薄膜。也在該成膜操作中使用噴咀及氧離子槍，使成膜中的基片表面吸附氧氣及氧離子，促使膜層氧化。
在如上述形成的絕緣層上，再形成第二層超導(dǎo)層，膜厚為1000-3000 。這里，再使用能形成Y2Ba2Cu3O7-x的組分靶，依然在同樣成膜條件下成膜，并且也同樣供給氧氣。
可以這樣地連續(xù)形成隧道型約瑟夫森結(jié)結(jié)構(gòu)，在成膜裝置內(nèi)予先調(diào)正好，有選擇地使用能形成YBa2Cu3O7-x組分的靶和形成Y2Ba2Cu1O5-y組分的靶而不破壞成膜裝置的真空度。
對于象這樣制得的超導(dǎo)層和絕緣層疊合構(gòu)成的SIS隧道結(jié)的薄膜，進(jìn)行干法蝕刻，使一部分區(qū)域的下層超導(dǎo)層露出，在各超導(dǎo)層的上面分別淀積Au形成電極。上述工藝所得到的是如附圖1所示的隧道型約瑟夫森器件。
附圖2是表示如前所述方法制造的涉及本發(fā)明的隧道型約瑟夫森器件，測定其電壓對電流特性的結(jié)果曲線圖。并且，測定是在4.2k下進(jìn)行。
如圖2所示，已經(jīng)證實(shí)，該隧道型約瑟夫森器件在對應(yīng)能隙11mv附近處，電流急劇下降，形成優(yōu)良的隧道結(jié)。
涉及上面所述的本發(fā)明的約瑟夫森器件，利用與復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料有相同的組成元素的復(fù)合氧化物形成絕緣層。從而，在超導(dǎo)層和絕緣層的界面處出現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的結(jié)面。
另外，即使在工藝過程中，由于絕緣層本身也是復(fù)合氧化物，所以不會吸收來身超導(dǎo)層的氧，超導(dǎo)層的質(zhì)量也就不會變劣。
因此，涉及本發(fā)明隧道型約瑟夫森器件是使用具有高臨界溫度的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料構(gòu)成的器件，實(shí)現(xiàn)了對約瑟夫森器件的經(jīng)濟(jì)使用。


1基片 2，4超導(dǎo)體層(Y1Ba2Cu3O7-x)3絕緣體層(Y2Ba1Cu1O5-y)5a，5bAu電極
權(quán)利要求
1.一種具有由復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料形成的一對超導(dǎo)體層和在這對超導(dǎo)體層之間形成的絕緣體層的隧道型約瑟夫森器件，其特征是該絕緣體層是由與形成該超導(dǎo)體層的復(fù)合氧化物的相同組成元素，但不呈現(xiàn)超導(dǎo)特性的組分比的復(fù)合氧化物形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道型約瑟夫森器件，其特征是，前述一對超導(dǎo)體層的每一層由YBa2Cu3O7-x構(gòu)成;前述絕緣體層由Y2Ba1Cu1O5-y或Y1Ba3Cu2O2構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隧道型約瑟夫森器件，其特征是，前述絕緣體層膜厚為20-100
。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隧道型約瑟夫森器件，其特征是，前述1對超導(dǎo)體層的每一層厚度為1000-3000
。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隧道型約瑟夫森器件，其特征是，前述一對超導(dǎo)器件之一是在SrTio3單晶基片或MgO單晶基片上形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道型約瑟夫森器件，其特征是，前述1對超導(dǎo)體層用RBa2Cu3O7-x(R表示鑭系元素)構(gòu)成;前述絕緣體層由R2BaCuO7-x構(gòu)成。
7.一種具有由復(fù)合氧化物系超導(dǎo)材料形成的1對超導(dǎo)體層和在這對超導(dǎo)體層之間形成的絕緣體層的隧道型約瑟夫森器件的制造方法，其特征是，利用與形成該超導(dǎo)體層復(fù)合氧化物相同組成元素的復(fù)合氧化物，形成該絕緣體層;一邊供給氧氣一邊連續(xù)進(jìn)行該超導(dǎo)體層及該絕緣體層的成膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的隧道型約瑟夫森器件的制造方法，其特征是，為了前述1對超導(dǎo)體層的各自形成，使用可使該超導(dǎo)體層成膜的靶進(jìn)行物理淀積。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的隧道型約瑟夫森器件的制造方法，其特征是，為形成前述一對超導(dǎo)體層的每一層，使用成膜后能形成YBa2Cu3O7-x的比例，混合Y及Ba的各碳酸鹽粉末和Cu的氧化物粉末的靶進(jìn)行物理淀積形成;為了形成上述絕緣體層，使用成膜后能形成Y2Ba1Cu1O5-y的比例，混合Y及Ba的各碳酸鹽粉末和Cu的氧化物粉末的靶進(jìn)行物理淀積形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的隧道型約瑟夫森器件的制造方法，其特征是，前述絕緣體層成膜厚度為20-100
;前述1對超導(dǎo)體層各形成膜厚為1000-3000
。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的隧道型約瑟夫森器件的制造方法，其特征是，前述1對超導(dǎo)體層之一形成在SrTiO3單晶基片或MgO單晶基片上。
全文摘要
一種隧道型約瑟夫森器件包括由復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料形成的一對超導(dǎo)體層和在這對超導(dǎo)體層之間形成的絕緣層。該絕緣層是由超導(dǎo)體層的復(fù)合氧化物超導(dǎo)材料中組成元素相同的復(fù)合氧化物形成的，但具有不呈現(xiàn)超導(dǎo)特性的原子比。此外，該超導(dǎo)體層和該絕緣層是在供氧的同時(shí)連續(xù)形成的。
文檔編號H01L39/24GK1047418SQ9010246
公開日1990年11月28日 申請日期1990年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月31日
發(fā)明者中西秀典, 田中三郎, 糸崎秀夫, 矢津修示 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社