CN1046594C

CN1046594C - 约瑟夫逊结及其制造方法

Info

Publication number: CN1046594C
Application number: CN95103283A
Authority: CN
Inventors: 长町信治; 上田雅弘; 品田惠; 吉井光良
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 1999-11-17
Anticipated expiration: 2015-02-24
Also published as: EP0669661A2; CN1113350A; EP0669661A3; KR100365894B1; FI950805A0; US5582877A; FI950805A; US5821557A

Abstract

一种约瑟夫逊结，包括：一衬底，第一超导层，横跨于第一超导层上的第二超导层，其间设置绝缘层，绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，和绝缘层，它包括与第一和第二层的每层相接触的低氧或氮浓度区域。一种用以制造约瑟夫逊结的方法，它包括下列步骤：制备一衬底，形成第一超导层，形成第二超导层，其横跨于第一层上，其间设置有绝缘层，其中绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，和将离子束注入绝缘导，以便形成连接第一和第二层的低氧或氮浓度区域。

Description

约瑟夫逊结及其制造方法

本发明涉及一种约瑟夫逊结和一种用以制造约瑟夫逊结的方法，以便获得广泛的实用性，如，超导量子干涉器件(SQUID)，其可用来测量象生物磁性的微磁场，超导通量流晶体管，约瑟夫逊场效应晶体管(JOFET)。

通常，将约瑟夫逊结分成隧道型和微桥型，隧道型相对较通用，而其在制造极薄的绝缘层时，以及在将结的尺寸降低到不出现噪声的程度时，存在困难。

微桥型包括一微小的桥或连线(下面称作“连线”)，其用以连接超导电极，其连线通常被称作“弱连线”。在理论上，这种型式的优点在于可将结的尺寸减小，而实际上制造具有微小截面和长度的微小连线是困难的。

现参照图9，描述通常制造准平面型约瑟夫逊结的方法：

所示器件包括下面的超导层101和横跨在下层上的上超导层102，其间设置有一绝缘阻挡层或绝缘层103，上层102和下层101可以通过连线104(弱连线)连接。由于连线104的长度取决于绝缘层103的厚度，所以与用于微桥型的通常平面型方法相比，可相对容易地将连线104缩短。

通常的方法是采用电子束曝光以制成细线，然后通过阳极氧化使它们变得更细。然而，这种方法效率很低，并且得到的约瑟夫逊结在质量上也是有缺陷的。如果将弱连线曝露于大气和/或氧化时，它们易发生缓慢变化。

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种其特性不容易发生缓慢变化的约瑟夫逊结。

按照本发明，提供一种约瑟夫逊结，它包括衬底，第一超导层，横跨在第一层上其间设置有绝缘层的第二超导层，绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，并且绝缘层包括与第一和第二层的各层相接触的低氧或氮浓度的区域。

按照本发明的另一方面，提供一种制造约瑟夫逊结的方法，其包括下列步骤，制备一衬底，形成第一超导层，形成横跨在第一层上其间设置有绝缘层的第二超导层，其中绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，并且将离子束注入绝缘层，以便形成用来连接第一层和第二层的低氧或低氮浓度区域。

图1(A)至1(C)分别是表示按照本发明的约瑟夫逊结的透视图，通过图1(A)中的箭头B来表示一侧视图，并通过图1(A)中的箭头C来表示另一侧视图；

图2是沿图1(B)中线A-A所截取的经过放大的局部截面图；

图3是经过放大的局部截面图，其表示按照本发明制造约瑟夫逊结的方法；

图4是一曲线图，其表示临界电流值，离子剂量和离子种类之间的关系；

图5是经过放大的局部截面图，其表示按照本发明制造约瑟夫逊结的方法的改型；

图6(A)至6(D)分别表示提供有按照本发明的约瑟夫逊结的超导通量流晶体管(suoperconducting flux folw transistor)的透视图，通过图16(A)中的箭头B表示一侧视图，通过图1(A)中的箭头C表示另一侧视图，和沿图6(B)中的线D-D所截取的局部截面图；

图7是一平面图，其表示图6(A)至(D)中所示超导通量流晶体管的改型；

图8(A)至8(C)是以JOFET为例提供有按照本发明的约瑟夫逊结的示意平面图，通过图8(A)中的B表示一左侧视图，和沿图8(B)中的线C-C所截取的局部截面图；和

图9是一表示现有技术的准平面型约瑟夫逊结的透视图。

参照图1(A)至1(C)，在衬底10上提供一下电极1，并且在下电极1上提供一横跨于其上的上电极2，其间设置有绝缘层3。上和下电极2和1是由超导薄层如Nb(铌)制成，绝缘层3是由其氧化物如Nb₂O₅制成。

上电极2、下电极1和绝缘层3的每个侧面以预定角度向衬底10倾斜，由此下电极或层1具有倾斜侧面E1，上电极2具有倾斜侧面E2，绝缘层3具有变化的厚度，亦即，上平面部分为400厚，而下电极倾斜侧面E1上的倾斜部分为100厚。

参照图2，绝缘层3包括一区域4，其中氧的浓度较低或氧原子缺乏，后面，将把该区域称作“低氧浓度区域”。特别是，由于氧原子的缺乏，所以Nb原子主要存在于区域4中。由此，两电极1和2之间的导电率通过Nb元素而被增加。

如图2所示，其表示沿图1(B)中的线A-A所截取的垂直截面，尤其是示出了经过放大的倾斜侧面E2的截面表面，低氧浓度区域4存在于绝缘层3中，其不在下电极1的上表面而是在其倾斜侧面E1上。绝缘层3的所暴露表面通过P(图2)来表示，区域略微向内地在暴露表面P的内侧。字母S表示在制造方法中不可避免要完成的步骤S，步骤S不是本发明的实质部分。

下面将描述按照本发明制造约瑟夫逊结方法的典型例子：

在衬底10上形成第一Nb薄层，并对其上表面氧化400厚，然后，通过平版印刷术将衬底10构型成为下电极1。在将衬底10构型的过程中，形成下电极1的倾斜侧面。将构型表面再氧化100厚。以这种方式，使下电极1覆盖有一层Nb氧化物如Nb₂O₅的绝缘层。绝缘层3具有两种不同的厚度，亦即，在下电极1的上平面上的400A厚，和在下电极1周围倾斜侧面E1上的100厚。

在下电极1的整个表面上形成另一Nb薄层，然后将Nb层和绝缘层3的不必要部分一起腐蚀掉，直到形成上电极2为止。以这种方式，形成下电极1和上电极2，其间设置有绝缘层3，如图1所示。在该最后腐蚀阶段，产生步骤S。

在该阶段，将Nb离子或其它适用的离子注入到靠近倾斜侧面E1和E2结的地方，如图3中箭头所示，将离子以垂直于衬底10的方向在20至40kev下注入，由此，离子层5由倾斜侧面E2的倾斜表面形成50至200深，其中深度可根据离子种类和离子能量来确定。由图3可以明显地看到，离子层5和绝缘层3在某一点上相互成直角相交，这里假设氧原子由于它的比Nb离子具有较长范围因而可通过注入离子束来反冲，并通过上和下电极2和1来收集，由此形成低氧浓度区域4，其中Nb元素是主要的。以这种方式构成了弱连接。

已经发现，以这种方式制造的约瑟夫逊结是一种典型的微桥型，其在电流-电压特性方面没有磁滞的倾向。由此确定了微桥型高于隧道型的优点。

为了检验约瑟夫逊结的特性随时间变化如何，可将结放于100％湿度环境中而不加任何覆盖，经过20天周期发现临界电流值只在10％内变化，这表明，按照本发明的约瑟夫逊结显示出只有很小的缓慢变化的优异特性。

绝缘层3的厚度是极为重要的，如果它为50薄的话，器件将出现隧道流，并会导致成为隧道型。然而，已经表明，如果其具有的厚度为400A或以上时，结将会是不适当的弱连接。

待注入的离子不限于Nb，还可以是Au,Cu，或Si。图4表示在图1中所示结构下最终临界电流值(μA)和注入的离子的种类和数量之间的关系，对于单变化离子所施加能量为20kev，而对于双变化离子为40kev。

由图4可以明显地看到，临界电流值与所注入的离子注入剂量之间的关系实质上可描绘成一直线，其显示出优异的可控制性和再现性，线的倾角变化取决于所注入离子的种类。

如上所述，可以设想，低氧浓度区域4的形成是由于通过注入离子束而使氧原子反冲而由绝缘层3的局部减小得到，这种设想将通过下列观察而支持：

首先，所得到的结在电流-电压特性方面没有磁滞现象，其次，待注入的离子束不限于Nb，而其可以从较宽范围的元素如Au,Cu和Si中选取。再有，如果绝缘层3太厚，则在厚的部分上通过离子注入将不会形成所期望的弱连接。

通过观察将会理解，绝缘层3的厚度是极其重要的；如果绝缘层3太厚，氧原子很可能会保留在层3内，这与注入的离子束的激励关，并且不能达到或是下电极1或是上电极2。当层3的厚度为最佳值时，氧原子会被排出，并通过下和上电极1和2而吸收，由此，形成所需的低氧浓度区域4作为弱连接。

通过观察可以得出结论，待注入的离子不限于Nb、Au、Cu或Si，而其它离子种类和高速中性原子如果它们具有驱动氧原子的能力均可以使用。

绝缘层3的材料不限于Nb₂O₅或类似的超导金属氧化物，而可以提供使用超导氮化物，它们可有效地作为绝缘体，并且它们能在处于超导体电极1和2附近时显示出邻近效应；例如，金属如Al或半导体如Si的氧化物或氮化物。待注入的离子束或中性原子束可以选自那些能够反冲氧或氮原子的束，这取决于绝缘层3的氧化物或氮化物。这里，邻近效应意味着这样一种现象，其中本身不具有超导能力的导体在将其放入超导体附近时会变为一种超导体。

在上述例子中，将离子束注入以与衬底10成直角地施加到位于倾斜侧面E1的绝缘层3的那部分上。另一种方法是使衬底50倾斜，使得离子注入倾斜地朝向绝缘层53而与衬底10平行。另一方面，可将离子斜对地注入，如图5中的箭头所示。

在上述例子中，可将弱连接制成一低氧浓度或氮浓度区域，它是通过将离子束注入夹在下和上电极1和2之间的绝缘层3中而形成的。另一方面，绝缘层可以由一种材料如Al或半导体在将它们放于上和下超导层附近时具有邻近效应的材料制成，并且绝缘层可以具有低氧或低氮浓度区域，这要视情况而定。

可以将上述的约瑟夫逊结应用于DC-SQUID和RF-SQUID。

DC-SQUID是一种器件，它提供有两个约瑟夫逊结成为一个超导环路，并且终端可从每个约瑟夫逊结取出。当给每个终端加适当的偏压时，输出电压V会周期性地使输入磁通量φ改变。周期循环是一物理量，以磁通量来表示，V-φ关系可非线性地通过给其加入适当的反馈电路(FLL：磁通量闭合回路)来表示，使线性磁检测器能够被组成。RF-SQUID是一种器件，其可用来测量磁性，它提供有一单个约瑟夫结成为一超导闭合回路。

参照图6(A)至6(D)，将描述应用的其它例子：

在衬底60上构成一直的下电极61，在下电极61上是上电极62，它包括支路62a、62b和62c，其各路均覆盖在下电极61上，两电极间设置有绝缘层63。支路62a、62b和62c具有脚部，其连接在上电极62的基部上以便构成一整体。作为一整个的上电极62看上去象字母E。

在直的下电极61旁边提供有一控制线65，通过它来传递控制信号，如下所述。

下电极61、上电极62和控制线65是薄Nb层，而绝缘层63是Nb的氧化物如Nb₂O₅。

下电极61、绝缘层63和上电极62的倾斜侧面以预定角度向衬底60倾斜。下电极61具有纵向倾斜侧面E1，上电极62具有纵向倾斜侧面E2。这倾斜侧面E1和E2以直角相交。每个绝缘层63在其下电极61的上表面上约为400，而在倾斜侧面上约为100。

如图2所示，一个单元的倾斜侧面E1和E2具有四个弱连接(低氧浓度或氮浓度)区域64，而总体上，所示出的结具有十二个弱连接。弱连接64以参照图2所描述的相同方法来制成。由于绝缘层63位于控制线65附近，使由控制电流通过控制线65所产生的磁场与在每个弱连接64中产生的磁场相互吸引。以这种方式，对流过弱连接64的电流通过控制线65中所产生的磁场来调整。假设控制电流为一基极电流，则横跨下电极61和上电极62的电压与流过弱连接64的电流I之间的关系类似于普通晶体管中集电极电压和集电极电流之间的关系。由此获得超导通量晶体管。每个弱连接64可以比粘着长度短。还可以将Nb超导层以多级形式层叠，其间设置绝缘层。如图7所示，也还可以在上电极上提供控制线65，其间具有绝缘体。另外，在下电极或上电极上可提供多条控制线65，其间设置有绝缘体。这些改进增强了控制线与弱连接之间的磁耦合，和器件的完整性。

参照图8(A)至8(C)，将描述本发明所提供的约瑟夫逊FET(JOFET)：

典型的结包括在衬底80上所形成的第一超导层81，和部分地覆盖在第一超导层81上的第二超导层82，其间设置有绝缘层83。第一和第二超导层81和82是由Nb制成，而绝缘层83是Nb的氧化物如Nb₂O₅。第一和第二超导层81和82、以及绝缘层83的倾斜侧面是向衬底80倾斜，面对方向(B)的倾斜侧面用E₂表示。而垂直于倾斜侧面E₂的倾斜侧面用E₁表示。如图8(C)所示，低氧浓度区域84略微向内地形成在绝缘层83暴露表面P的内侧，以便构成弱连接。

此外，如图8(C)所示，可将第二绝缘层85加在第一和第二超导层81和82上，并将栅电极86放置在第二绝缘层85上。栅电极86是由Au制成，而绝缘层85是由SiO₂制成。

由于栅电极86位于弱连接84上并靠近弱连接84，使得它会在第二超导层82的倾斜侧面E₂上延伸。当给栅电极86加偏压时，电场会施加在弱连接84上。当电场作用在弱连接84上时，约瑟夫逊电流的振幅会变化。设想第一层81是源，而第二层82是漏，那么漏和源电压与流过弱连接84的电流之间关系可通过施加在栅电极86上的电位来调整。以这种方式，示于图8中的器件便可用作为FET型超导晶体管，通常称作约瑟夫逊FET(JOFET)。

示于图8中的JOFET的一个优点就在于，与主要通过电子束平版印刷处理的通常JOFET相比，可使弱连接长度比Nb的粘着长度短，或几乎等于绝缘层83的厚度。

Claims

1．一种约瑟夫逊结，它包括：

一衬底；

第一超导材料层；

第二超导材料层，覆盖在第一层上，其间设置有一绝缘层，其中绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，或者是一种对于第一和第二层的超导材料具有邻近效应的材料的氧化物或氮化物；其特征在于还包括：

绝缘层，其包括用作第一和第二层之间的弱连接的低氧浓度区域或低氮浓度区域。

2．根据权利要求1的约瑟夫逊结，其特征在于：

第一层至少具有一个倾斜侧面E₁，第二层和绝缘层二者具有与第一层的倾斜侧面E₁交叉的倾斜侧面E₂，第二层覆盖在倾斜侧面E₁上，其间为绝缘层；以及

低氧浓度区域或低氮浓度区域形成于第一层倾斜侧面E₁上的绝缘层中，并少量形成于绝缘层和第二层的倾斜侧面内部。

3．根据权利要求1的约瑟夫逊结，其特征在于超导材料是Nb，中间绝缘层的材料是Nb的氧化物。

4．根据权利要求2的约瑟夫逊结，其特征在于超导材料是Nb，中间绝缘层的材料是Nb的氧化物。

5．根据权利要求1的约瑟夫逊结，其特征在于超导材料是Nb，中间绝缘层的材料是Al₂O₃。

6．根据权利要求2的约瑟夫逊结，其特征在于超导材料是Nb，中间绝缘层的材料是Al₂O₃。

7．根据权利要求3至6的任一约瑟夫逊结，其中绝缘层具有50至400埃厚度。

8．根据权利要求1至6的任一约瑟夫逊结，其进一步包括：

多个弱连接，每一个对应于在绝缘层中形成的低氧浓度区域或低氮浓度区域，并互相连接第一层和第二层，以及

一控制线，其提供与各弱连接相邻，控制线与弱连接电磁吸引，以便控制流过弱连接的电流。

9．根据权利要求7的约瑟夫逊结，其进一步包括：

10．根据权利要求1至6的任一约瑟夫逊结，其进一步包括一栅电极，其提供与绝缘层中的低氧浓度区域或低氮浓度区域相邻，以便将电场施加到该区域。

11．根据权利要求7的约瑟夫逊结，其进一步包括一栅电极，其提供与绝缘层中的低氧浓度区域或低氮浓度区域相邻，以便将电场施加到该区域。

12．一种用以制造约瑟夫逊结的方法，它包括下列步骤：

制备一衬底；

在所述衬底上形成第一超导材料层；

在第一层上形成第二超导材料层，其间设置绝缘层，其中绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，或者是一种对于第一和第二层的超导材料具有邻近效应的材料的氧化物或氮化物；和

将离子束注入绝缘层以便在第一层和第二层之间形成具有比绝缘层更低氧浓度或更低氮浓度的区域；

从而，低氧浓度区域或低氮浓度区域用作第一层和第二层之间的弱连接。

13．根据权利要求12的制造约瑟夫逊结的方法，其中超导材料是Nb，该方法包括氧化第一层表面来形成Nb氧化物构成的绝缘层，还包括在绝缘层上形成第二层。

14．根据权利要求13的制造约瑟夫逊结的方法，其进一步包括下列步骤：将第一层表面氧化到第一深度，对第一层的每侧构型直到侧面具有倾斜面，将相同表面氧化到第二深度，其比第一深度要浅，在其上形成第二层，以及对第二层的每侧构型直到侧面具有倾斜面，其中第一层和第二层的倾斜侧面相交。

15．根据权利要求14的制造约瑟夫逊结的方法，其中将离子注入的垂直于衬底的方向施加到第一和第二层倾斜侧面相交部分上，以便在绝缘层中的倾斜侧面的相交部分处形成低氧浓度区域或低氮浓度区域。