CN1154004A - 高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵及其制备方法 - Google Patents

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高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵及其制备方法，涉及高温超导材料中的约瑟夫森结器件技术领域。解决了在单晶衬底上制备高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的技术问题。制作的单晶衬底平面应与晶体001面呈一夹角，沿着晶体001面倾斜的方向刻蚀成超导薄膜微桥。本发明利用高温超导材料本征的物理结构提出了一种工艺简单、重复性好的制备方法并制出了本征约瑟夫森结阵。该结阵可直接作为单独器件使用，或制作超导量子干涉器件以及其它集成电路。

Description

高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵及其制备方法
本发明涉及高温超导材料中的约瑟夫森结器件，特别涉及到高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵及其制备方法。
对比文件1：Maganetic field dependence of the critical current in YBa2Cu3O7-δ bicrystal grainboundary junctions，B.Mayer，et al，Applied Physics Letters，Vol.62，P.783，1993.
对比文件2：Transport characteristics of Tl2Ba2CaCu2O8 bicrystal grain boundary junction at77 K，A.H.Cardona，et al，Applied Physics Letters，Vol.62，P.411，1993.
对比文件3：Bi-epitaxial grain boundary junctions in YBa2Cu3O7，K.Char，et al，AppliedPhysics Letters，Vol.59，P.733，1991.
对比文件1和对比文件2中平面约瑟夫森结所使用的衬底都是双晶衬底，它是把两块取向不同的晶体再生长在一起后加工而成的，故双晶衬底的制作难度极大。
对比文件3中平面约瑟夫森结所使用的衬底是在部分单晶平面上外延生长一层隔离层后再外延生长一层种子层得到的，衬底制作工艺复杂。
对比文件1、对比文件2和对比文件3中采用的都是超导-晶界-超导结构的单约瑟夫森结。由于晶界是人工制作的，它受工艺过程的影响，器件制作重复性差。
上述对比文件中的晶体需人工对接处理后再生长，或外延生长相应的物质，这种复杂的衬底制备工艺会导致衬底的重复性差，也会直接影响器件的性能。本发明的目的是利用高温超导材料本征的物理结构制作一种工艺简单、重复性好、由多个本征约瑟夫森结相串联的高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵。
一种高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的制备方法，衬底材料选用可外延生长层状结构高温超导薄膜的单晶材料[1]，在单晶衬底上外延生长高温超导薄膜[2]，制作的单晶衬底平面[3]与晶体001面呈一夹角，沿着晶体001面倾斜的方向刻蚀成超导薄膜微桥[4]。
按照上述方法制备的高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵，由单晶衬底平面[3]上外延生长层状结构高温超导薄膜[2]并经刻蚀制成的超导薄膜微桥[4]构成，而单晶衬底平面[3]与晶体001面之间不平行，超导薄膜微桥[4]的方向为晶体001面倾斜的方向，超导薄膜微桥[4]中Cu-O层面[5]相互平行，超导薄膜微桥[4]中Cu-O层面[5]与单晶衬底平面[3]所构成的夹角相同，超导薄膜微桥[4]是由本征约瑟夫森结相串联构成的。
高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的制备方法：
选用可以外延生长层状结构高温超导薄膜的单晶材料[1]作为衬底材料，然后采用常规的晶体定向、切割和抛光技术，要求制作的单晶衬底平面[3]应与晶体001面呈一夹角α，夹角α在0°＜α＜45°的范围内可任意取值，例如5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°均可，因此，本发明所述的夹角α的值在0°＜α＜45°范围内均属本发明保护的技术特征。采用常规的工艺对单晶衬底平面[3]进行清洁，然后在单晶衬底平面[3]上外延生长高温超导薄膜[2]，该高温超导薄膜[2]应选择层状结构的高温超导材料，高温超导薄膜[2]的厚度按照高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的不同技术指标的要求来选择，一般高温超导薄膜[2]的厚度小于1μm，高温超导薄膜[2]的厚度要求均匀一致。再采用常规的干法或湿法刻蚀的方法沿着晶体001面倾斜的方向刻蚀成超导薄膜微桥[4]，超导薄膜微桥[4]的宽度、长度及其形状按照高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的不同技术指标的要求而决定，超导薄膜微桥[4]在实效长度范围内的宽度应均匀一致。
高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的结构：
如图1所示，选用可以外延生长高温超导薄膜的单晶材料[1]作为衬底材料，采用本发明所述的制备方法，使得单晶衬底平面[3]与晶体001面之间不平行，其夹角的范围在0°＜α＜45°内取值是任意的，例如5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°均可。在单晶衬底平面[3]上外延生长层状结构高温超导薄膜[2]其厚度一般小于1μm。超导薄膜微桥[4]的方向沿着晶体001面倾斜的方向，超导薄膜微桥[4]的宽度、长度及其形状按照高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的不同技术指标的要求而决定。超导薄膜中Cu-O层面[5]相互平行并与单晶衬底平面[3]所构成的夹角相同。超导薄膜中Cu-O层面[5]相对单晶衬底平面[3]倾斜的方向和晶体001面相对单晶衬底平面[3]倾斜的方向一致。超导薄膜微桥[4]中相邻两个Cu-O层组成一个本征约瑟夫森结。超导薄膜微桥[4]是由本征约瑟夫森结相串联构成的。串联中的本征约瑟夫森结的数量与超导薄膜微桥[4]的长度以及Cu-O层面[5]与单晶衬底平面[3]所构成的夹角值有关。
本发明可采用常规的晶体定向、切割和抛光技术，不需要对晶体进行对接再生长，也不需要在衬底表面先生长一层相应物质，故单晶衬底平面[3]加工制作工艺简单。
本发明是利用高温超导材料本身固有的层间约瑟夫森效应制作的约瑟夫森结，这种约瑟夫森效应只取决于高温超导材料本身，不受人工制作工艺的影响。而人工晶界结受人工制作工艺的影响很大。
本发明的结果是形成串联的约瑟夫森结阵。由于单个本征约瑟夫森结的长度只有十几埃，采用本发明可以很方便的制作出成百上千个本征约瑟夫森结串联的阵列。如果采用人工制作约瑟夫森结，由于加工工艺复杂和加工尺寸的限制，制作成百上千个约瑟夫森结串联阵列是相当困难的。
由于外延高温超导薄膜[2]中Cu-O层的厚度、相邻Cu-O层之间的距离具有原子尺度上的一致性，Cu-O层之间的物质和结构也都具有高度的一致性，故本发明采用常规的高温超导薄膜外延生长和刻蚀技术就可以得到超导薄膜微桥[4]上串联的本征约瑟夫森结的结构和性能一致。而人工制作串联约瑟夫森结阵很难保证结阵中的约瑟夫森结的结构和性能一致。
由于本发明制作工艺简单，并充分利用了高温超导材料本身固有结构特性，可以重复制备出性能一致的本征约瑟夫森结阵，十分有利于提高产品的合格率。
图1是高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的示意图。
图2是高温超导薄膜微桥沿晶体001面倾斜方向的横抛面示意图。
本发明适用于所有层状结构的高温超导材料，如Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O、Hg-Ba-Ca-Cu-O和Y-Ba-Cu-O材料以及它们的元素替代材料。其中Bi-Sr-Ca-Cu-O、Tl-Ba-Ca-Cu-O和它们的元素替代材料效果最好。
衬底材料可选用LaAlO3、SrTiO3、MgO和ZrO2以及其它可外延生长高温超导薄膜的单晶材料[1]，其中LaAlO3和SrTiO3单晶材料[1]最好。
单晶衬底平面[3]与晶体001面之间的夹角α在0°＜α＜45°范围内根据所需薄膜本征约瑟夫森结阵器件参数要求不同可任意取值。单晶衬底平面[3]与晶体001面之间的夹角在10°≤α≤30°的范围内取值效果最好。如果要求本征约瑟夫森结的面积较大或在有效超导薄膜微桥[4]长度内含有较少的本征约瑟夫森结，则单晶衬底平面[3]与单晶001面之间的夹角α可取为小于10°，如果要求本征约瑟夫森结的面积较小或在有效超导薄膜微桥[4]长度内含有较多的本征约瑟夫森结，则单晶衬底平面[3]与单晶001面之间的夹角α可取为大于30°。
高温超导薄膜[2]的厚度可根据所需约瑟夫森结阵参数要求来决定，一般超导薄膜的厚度≤0.5μm，如果要求本征约瑟夫森结具有大的电容参数，也可采用厚度＞0.5μm的超导薄膜。
超导薄膜微桥[4]的方向在很宽的角度内都可以，但沿着晶体001面倾斜的方向最好。
选用可外延生长层状结构高温超导薄膜的单晶材料[1]，按照本发明所述的方法制作单晶衬底平面[3]，在单晶衬底平面[3]上外延生长层状结构高温超导薄膜[2]，才能形成超导薄膜中Cu-O层面[5]相互平行并与单晶衬底平面[3]所构成的夹角相同，沿着晶体001面倾斜的方向刻蚀成超导薄膜微桥[4]才能构成由本征约瑟夫森结相串联的结构，如图1所示。
实施例1：采用SrTiO3单晶衬底，单晶衬底平面[3]与SrTiO3晶体001面所呈角度α＝10°。外延Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜[2]，膜厚0.4μm。采用湿法光刻和酸腐蚀方法沿晶体001面倾斜方向刻出薄膜微桥[4]，微桥[4]宽度3μm、长度4μm。所得约瑟夫森结器件在液氮温度下I-V特性曲线具有明显的回滞，临界电流Ic＝1.32mA，临界电流Ic与反回电流Ir之比Ic/Ir＝2.6，特征电压Vc＝5.6V。
实施例2：采用LaAlO3单晶衬底，单晶衬底平面[3]与LaAlO3晶体001面所呈角度α＝20°。外延Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜[2]，膜厚0.4μm。采用湿法光刻和酸腐蚀方法沿晶体001面倾斜方向刻出薄膜微桥[4]，微桥[4]宽度3μm、长度4μm。所得约瑟夫森结器件在液氮温度下I-V特性曲线具有明显的回滞，临界电流Ic＝1.55mA，临界电流Ic与反回电流Ir之比Ic/Ir＝2.0，特征电压Vc＝11.3V。
实施例3：采用LaAlO3单晶衬底，单晶衬底平面[3]与LaAlO3晶体001面所呈角度α＝30°。外延Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜[2]，膜厚0.4μm。采用湿法光刻和酸腐蚀方法沿晶体001面倾斜方向刻出薄膜微桥[4]，微桥[4]宽度3μm、长度6μm。所得约瑟夫森结器件在液氮温度下I-V特性曲线具有明显的回滞，临界电流Ic＝1.50mA，临界电流Ic与反回电流Ir之比Ic/Ir＝1.4，特征电压Vc＝24.2V。
高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵可直接作为单独器件使用，或制作超导量子干涉器件和其它集成电路。

Claims (6)

1.一种高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的制备方法，衬底材料选用可外延生长层状结构高温超导薄膜的单晶材料[1]，在单晶衬底上外延生长高温超导薄膜[2]，其特征是制作的单晶衬底平面[3]与晶体001面呈一夹角，沿着晶体001面倾斜的方向刻蚀成超导薄膜微桥[4]。
2.一种高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵，由单晶衬底平面[3]上外延生长层状结构高温超导薄膜[2]并刻蚀成超导薄膜微桥[4]构成的，其特征是单晶衬底平面[3]与晶体001面之间不平行，超导薄膜微桥[4]的方向为晶体001面倾斜的方向，超导薄膜微桥[4]中Cu-O层面[5]相互平行，超导薄膜微桥[4]中Cu-O层面[5]与单晶衬底平面[3]所构成的夹角相同，超导薄膜微桥[4]是由本征约瑟夫森结相串联构成的。
3.根据权利要求1所述的一种高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的制备方法，其特征是单晶衬底平面[3]与晶体001面的夹角α在0°＜α＜45°范围内可任意取值。
4.根据权利要求3所述的一种高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵的制备方法，其特征是单晶衬底平面[3]与晶体001面之间的夹角α在10°≤α≤30°范围内可任意取值。
5.根据权利要求2所述的一种高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵，其特征是单晶衬底平面[3]与晶体001面的夹角α在0°＜α＜45°范围内可任意取值。
6.根据权利要求5所述的一种高温超导平面薄膜本征约瑟夫森结阵，其特征是单晶衬底平面与单晶001面之间的夹角α在10°≤α≤30°范围内可任意取值。
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