DE3856452T2

DE3856452T2 - Herstellungsmethode für ein supraleitendes Bauelement

Info

Publication number: DE3856452T2
Application number: DE3856452T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Aida; Tokuumi Fukazawa; Mutsuko Hatano; Ushio Kawabe; Shinya Kominami; Toshikazu Nishino; Yoshinobu Tarutani
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1988-02-25
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2008-02-26
Also published as: US6069369A; DE3855245D1; US5552375A; EP0673073B1; KR910002311B1; EP0280308A2; DE3855245T2; JP3275836B2; JP2907832B2; US5729046A; JPS6486574A; EP0280308A3; CN88101032A; EP0673073A1; JP3221403B2; JPH1131852A; US5126315A; JPH1131851A; CN1007480B; EP0280308B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die folgende Erfindung betrifft ein supraleitendes Bauelement, das bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs oder darüber arbeitet und genauer gesagt ein supraleitendes Bauelement, das leicht erzeugt werden kann und das stabil arbeitet.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Bisher wurden Materialien wie Nb&sub3;Ge für bei hohen Temperaturen arbeitende supraleitende Bauelemente verwendet. Diese Technik ist von H. Rogalla u. a. in "IEEE Transactions", MAG-15, 536 (1985) erörtert.
Ein supraleitendes Bauelement aus dem Stand der Technik, bei dem mehrere, supraleitende Elektroden über einen Halb- oder Normalleiter gekoppelt sind, ist durch R. B. von Dover u. a. in "Journal of Applied Physics", Band 52, S, 7327, 1981 erörtert. Weiterhin ist ein supraleitendes Bauelement mit drei Anschlüssen, bei dem das vorausgehend genannte supraleitende Bauelement zusätzlich mit einer Einrichtung zum Ändern der Kopplung zwischen den supraleitenden Elektroden auf der Basis des Feldeffekts versehen ist, von T. D. Clark u. a. in "Journal of Applied Physics", Band 5, S. 2736, 1980 erörtert. Der Aufbau des supraleitenden Bauelements mit drei Anschlüssen ist in Fig. 1 in Schnittdarstellung gezeigt. Bei diesem Bauelement wird die Stärke eines Supraleitungsstroms, der über eine Halbleiterschicht 2 durch zwei in Kontakt mit der Halbleiterschicht 2 auf einem Substrat 1 angeordnete supraleitende Elektroden 3a und 3b fließen soll, so gesteuert, daß die Supraleitungs-Nahwirkung durch eine an eine zwischen den beiden Elektroden 3a und 3b angeordnete Steuerelektrode 5 angelegte Spannung geändert wird. Die Steuerelektrode 5 ist über eine elektrische Isolierschicht 4 auf der Halbleiterschicht 2 angebracht.
Im Stand der Technik wurden Pb, Pb-Legierungen, Nb sowie Nb-Verbindungen als Materialien für die supraleitenden Elektroden verwendet. Zum Betreiben eines dieser Materialien verwendenden supraleitenden Bauelements muß das Bauelement dementsprechend in einer cryogenen Atmosphäre mit einer Temperatur in der Nähe der des flüssigen Heliums (4,2 K) installiert werden. Weiterhin müssen die beiden supraleitenden Elektroden in einem Abstand angeordnet werden, der innerhalb von 0,5 um liegt, um den Einfluß der Supraleitungs-Nahwirkung zwischen diesen supraleitenden Elektroden zu erhöhen, wodurch die Herstellung des Bauelementes sehr erschwert wurde.
Die supraleitenden Elektroden und der Halb- oder Normalleiter waren darüberhinaus im Stand der Technik aus verschiedenen Elementmaterialien hergestellt. Beispielsweise war das Material der supraleitenden Elektroden Nb, Pb-Legierungen oder Sn usw., während das Material des Halb- oder Normalleiters Si, InAs oder Cu usw. war. Die Kombination dieser Materialien bedeutet jedoch, daß das Bauelement durch Übereinanderschichten dieser Materialien für die Supraleiter und den Halb- oder Normalleiters aufgebaut ist, deren elektrische Eigenschaften recht unterschiedlich sind. Dies bedeutet, daß das supraleitende Bauelement einen Aufbau aufweist, bei dem die Oberfläche des Halb- oder Normalleiters mit dem aus dem anderen Material hergestellten Supraleiter bedeckt ist. Hierbei sind die Eigenschaften der Supraleiter stark vom Zustand der Oberfläche des Halb- oder Normalleiters abhängig, so daß sich die Eigenschaften des Bauelementes einer solchen Anordnung verändern können. Es war daher schwierig, das supraleitende Bauelement dieses Typs reproduzierbar herzustellen.
Die kritische Temperatur der Supraleitung (Tc) liegt bei den Supraleitern im Bereich von höchstens etwa 10 bis 20 K. Dies bedeutet, daß die Eigenschaften des Bauelements, wegen der Temperaturänderung instabil werden können.
Da das supraleitende Bauelement aus dem Stand der Technik hauptsächlich bei der Temperatur flüssigen Heliums arbeitet, wurde es durch ein Eintauchen in flüssiges Helium oder durch Kühlen mit Heliumgas bis auf diese Temperatur gekühlt. Das flüssige Helium ist jedoch sehr teuer und als Kühlmittel unwirtschaftlich. Ein weiteres Problem lag darin, daß die Handhabung des flüssigen Heliums selbst schwierig ist, da seine Temperatur erheblich niedriger ist als die Zimmertemperatur. Diese beim flüssigen Helium auftretenden Schwierigkeiten haben unmittelbar zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und der Handhabung des supraleitenden Bauelements selbst geführt.
Weiterhin waren die früher verwendeten supraleitenden Materialien polykristallin oder amorph. Mit dem polykristallinen Material ist es schwierig, ein Bauteil von 0,5 um oder kleiner mit Mikrostrukturtechniken präzise herzustellen. Wird ein Material verwendet, dessen Eigenschaft als Supraleiter von der Orientierung eines Kristalls abhängt, so muß der Grad der Kristallorientierung des Kristallkorns des polykristallinen Materials weiterhin jedesmal, wenn der Supraleiter hergestellt wird, genau gesteuert werden. Im allgemeinen ist diese Steuerung jedoch schwierig und hat das Problem nach sich gezogen, daß beim Herstellen beträchtliche Änderungen der Eigenschaften auftreten.
Typisch für den Aufbau eines supraleitenden Bauelements mit einem supraleitenden schwach koppelnden Element aus dem Stand der Technik ist die sog. "Mikrobrücke", bei der eine supraleitende Schicht teilweise so zugespitzt ist, daß eine Einschnürung gebildet wird, wobei der eingeschnürte Bereich mit schwacher Kopplungseigenschaft versehen ist. Insbesondere für das supraleitende Material vom Nb-Typ wurden die optische Strukturierungstechnologie oder die Elektronenstrahl-Lithographie und die Technologie zum Bearbeiten der supraleitenden Schicht kombiniert, um das supraleitende schwach koppelnde Element herzustellen. Ein solches schwach koppelndes Element wird als magnetischer Quantenflußdetektor verwendet, mit dem ein schwaches Magnetfeld erfaßt werden kann, oder als ein Mikrowellen/Millimeterwellen-Detektor mit einer hohen Empfindlichkeit verwendet. Der magnetische Quantenflußdetektor weist eine Flußauflösung bis hinauf zu von 10&supmin;&sup9; Oe auf und wird für einen Magnetoenzephalogramm-Detektor und einen Magnetokardiogramm-Detektor verwendet. Der Mikrowellen-Erfassungsbereich des schwach koppelnden Elements kann ein Hochfrequenzband von bis zu 10¹² Hz überdecken, was durch kein anderes Halbleiterelement erreicht werden kann. Auf diese Weise weist das mit dem supraleitenden schwach koppelnden Element ausgestattete supraleitende Bauelement eine hervorragende Leistungsfähigkeit als Detektor für elektromagnetische Wellen auf. Da das supraleitende Material vom Nb-Typ aus dem Stand der Technik jedoch eine kritische Temperatur von 23 K oder darunter aufweist, wurde auch das unter Verwendung des supraleitenden Materials vom Nb-Typ hergestellte supraleitende Bauelement in flüssigem Helium (4,2 K) betrieben werden.
Ein solches bekanntes Beispiel ist in "IEEE Transactions on Magnetics", Band MAG-21, Nr. 2, März 1985, S. 932-934 ausgeführt.
Die vorliegende Erfindung vermittelt ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements gemäß Anspruch 1.
Erfindungsgemäß ist die c-Achse des Kristalls eines das supraleitende Bauelement bildenden Oxid-Supraleiters so orientiert, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Richtung des innerhalb des Oxid-Supraleiters fließenden Supraleitungsstroms steht.
Beispielsweise hängt die Supraleitungseigenschaft bei einem supraleitenden Material mit einer geschichteten Perovskit-Kristallstruktur mit einer Sauerstofflücke oder einer Kristallstruktur vom K&sub2;NiF&sub4;-Typ so von der kristallographischen Orientierung ab, daß eine Supraleitfähigkeit innerhalb einer Ebene senkrecht zur c-Achse, nämlich der c-Ebene ausgeprägt ist, und daß sich Ladungsträger bevorzugt in den zwei Dimensionen innerhalb dieser Ebene bewegen. Daher liegt die Richtung, in der das Fließen eines für die Verwendung in dem Bauelement ausreichend hohen Stroms bewirkt werden kann, innerhalb der c- Ebene, und der Fluß der Supraleitungselektronen ist in dieser Ebene etwa 10-mal höher als in jeder anderen Ebene. Das wirksame Fließen des Supraleitungsstroms kann demnach dadurch bewirkt werden, daß die c-Achse des Kristalls des Supraleiters im wesentlichen senkrecht zur Richtung des innerhalb des Supraleiters fließenden Stromes orientiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Kristallgitter an der Grenzfläche zwischen dem Supraleiter und dem Normal- oder Halbleiter in einem supraleitenden Bauelement, bei dem ein Supraleiter und ein Normal- oder Halbleiter kombiniert verwendet werden, in einem Gitter angepaßten Zustand ausgebildet, und weiterhin stimmt die Richtung, in der Strom innerhalb des Bauelements fließt, mit der Richtung überein, in der die Supraleitfähigkeit des Materials hoch ist, so daß das Fließen eines ausreichend hohen Supraleitungsstroms bewirkt werden kann. Die Erfindung bewirkt daher, daß ein supraleitendes Bauelement mit stabilen Eigenschaften verwirklicht werden kann, das bei einer günstigen Reproduzierbarkeit hergestellt werden kann, und das einen stabilen Schaltungsbetrieb ermöglicht.
Erfindungsgemäß werden ein Supraleiter und ein Normalleiter (oder Halbleiter) so verbunden, daß die c-Ebene des Kristalls des Supraleiters senkrecht zur Kontaktebene des Supraleiters und des Normalleiters (oder Halbleiters) werden kann. Entsprechend diesem Aufbau wird die Wahrscheinlichkeit, mit der Elektronenpaare oder Elektronen aus dem Supraleiter in den Halb- oder Normalleiter gelangen, hoch. Dies bedeutet, daß die Grenzfläche zwischen dem Supraleiter und dem Halb- oder Normalleiter gut an die Elektronenwellen angepaßt ist, und es tritt ein wirksamer Elektronenfluß auf Dementsprechend wird es möglich, ein supraleitendes Bauelement mit einer stabilen Arbeitsweise und einer hohen Verstärkung zu verwirklichen. Eine ähnliche Wirkung kann auch in einem Fall erreicht werden, in dem ein polykristallines Material verwendet wird, bei dem die Kristallkörner orientiert sind.
Weiterhin hängt die Supraleitungseigenschaft bei einem supraleitenden Material mit K&sub2;NiF&sub4;-Kristallstruktur, dessen Zusammensetzung durch (La1-x)&sub2;CuO&sub4; bezeichnet ist (wobei der Buchstabe A eine Substanz wie Sr1-y-zBayCaz bezeichnet), so von der kristallographischen Orientierung (orientierte polykristalline Schicht) ab, daß ein Supraleiter eine intensive, anisotrope elektrische Leitung innerhalb der c-Ebene, nämlich der Ebene senkrecht zur c-Achse, aufweist. Daher muß die Richtung, in der ein hoher Strom fließt, innerhalb der zur c-Achse des Kristalls senkrechten Ebene liegen. Deshalb sollte eine Ebene, in der der Supraleiter und ein Normalleiter sich in Kontakt mit einem Substrat befinden, so daß darauf ein supraleitendes Bauelement gebildet wird, oder mit anderen Worten die Stirnfläche des Substrats vorzugsweise senkrecht zur c-Achse des einkristallinen Materials angeordnet sein, aus der der Supraleiter oder der Normalleiter hergestellt ist. In diesem Fall stimmen die Richtung des Stromflusses und die Richtung der höchsten Supraleitfähigkeit in dem supraleitenden Bauelement überein, so daß der Betrieb des Bauelements stabilisiert werden kann.
Das Vorausgehende bezog sich auf den Fall, in dem monokristalline Materialien für die supraleitenden Elektroden und den Halbleiter verwendet werden, eine ähnliche Wirkung kann jedoch auch erzielt werden, wenn polykristalline Materialien verwendet werden, bei denen die Kristallkörner orientiert sind. Hierbei ist es weiterhin für die Orientierung der Kristallkörner wünschenswert, daß die c-Achsen der Kristallkörner senkrecht zur Stirnfläche des Substrats werden. Auf dem orientierten Normal- oder Halbleiter sind die supraleitenden Elektroden mit der gleichen Orientierung leicht auszubilden. Hierbei kann die gleiche Wirkung erzielt werden, wie bei der vorausgehend erwähnten Verwendung der monokristallinen Materialien.
Weiterhin wurde vorausgehend erklärt, daß zuerst der Normal- oder Halbleiter und dann der Supraleiter ausgebildet werden. Es kann jedoch selbst dann, wenn diese Reihenfolge geändert wird, eine ähnliche Wirkung erzielt werden.
Diese und andere Aufgaben und viele Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, und den dazugehörigen Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Teilansicht, in der ein supraleitendes Bauelement aus dem Stand der Technik dargestellt ist;
Fig. 2 ist eine Teilansicht, in der ein Teil eines supraleitenden Bauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
Fig. 3 ist eine Teilansicht, in der ein Teil eines supraleitenden Bauelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
Fig. 4 ist eine Teilansicht, in der ein Teil eines supraleitenden Bauelements gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
Fig. 5 ist eine Teilansicht, in der ein Teil eines supraleitenden Bauelementes gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
Fig. 6 ist eine Teilansicht, in der ein Teil eines supraleitenden Bauelements gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
Fig. 7 ist eine Teilansicht, in der ein supraleitendes Bauelement dargestellt ist, das die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet;
Fig. 8 ist eine Teilansicht, in der ein Teil eines supraleitenden Bauelements gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist; und
Fig. 9 ist eine Teilansicht, in der ein supraleitendes Bauelements dargestellt ist, das die achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit Ausführungsformen detailliert beschrieben.

[Ausführungsform 1]

Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von Fig. 2 beschrieben. Ein Substrat 1 wird aus einem SrTiO&sub3;-Einkristall hergestellt, dessen Hauptfläche senkrecht zu dessen c-Achse steht. Auf der Hauptfläche des Substrats 1 wird ein Normal- oder Halbleiter 2 mit der Zusammensetzung (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 100 nm durch Zerstäuben gebildet. Da der Normal- oder Halbleiter 2 auf dem flachen Substrat 1 gebildet ist, ist dessen Schichtdicke festgelegt, Der Normal- oder Halbleiter 2 wird durch ein etwa 10 Sekunden andauerndes Induktionsheizen bei etwa 1000ºC wärmebehandelt. Dieser wird daraufhin zu einer Einkristall-Dünnschicht, deren c-Achse in derselben Richtung liegt wie die c-Achse des Substrats 1. Daraufhin wird ein Supraleiter mit einer Zusammensetzung (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 100 nm in ähnlicher Weise durch Zerstäuben erzeugt. Da die Kristallorientierung des Supraleiters 3 von der Orientierung des darunterliegenden Normal- oder Halbleiters 2 abhängt, ist er ebenso wie das Substrat 1 und der Normal- oder Halbleiter 2 in Richtung der c-Achse orientiert. Auf der Oberfläche des Supraleiters 3 wird ein Photoresistmuster gebildet, und daraufhin wird als Maske für das Sputter-Ätzen mit Ar-Ionen verwendet, um den Supraleiter 3 derart zu bearbeiten, daß er zwei einander gegenüberstehende supraleitende Elektroden 3a und 3b aufweist. Der Abstand zwischen den beiden supraleitenden Elektroden 3a und 3b beträgt etwa das 3- bis 10-fache der Kohärenzlänge des Normal- oder Halbleiters 2. Daraufhin wird eine aus SiO&sub2; hergestellte Schutzschicht 6 mit einer Dicke von etwa 150 nm durch chemisches Aufdampfen (CVD) gebildet. Diese Schutzschicht 6 wird gebildet, um zu verhindern, daß die Supraleitungseigenschaften des Materials in einem Fall, in dem ein ein Seltenerdelement enthaltendes Oxid als das Material des Supraleiters 3 verwendet wird, durch die Diffusion von Wasserstoff oder Sauerstoff und die Änderung der Zusammensetzung der Oberfläche des Materials so geändert werden, daß sich die Eigenschaften des Gerätes mit der Zeit verschlechtern. Wird das Material vom Oxid-Typ wie in der folgenden Ausführungsform für den Supraleiter verwendet, so ist die Anwendung der Schutzschicht 6 wünschenswert. Abgesehen von der Verwendung von SiO&sub2; kann das Material der Schutzschicht 6 auch ein elektrischer Isolator, wie SiO oder Si&sub3;N&sub4;, ein organisches Hochpolymer oder dergleichen sein. Das supraleitende Bauelement mit dem Aufbau Supraleiter 3a - Normalleiter (Halbleiter) 2 - Supraleiter 3b kann in der vorausgehend genannten Weise erhalten werden. In diesem Fall war die Grenzfläche zwischen dem Normalleiter 2 und dem Supraleiter 3 von Verunreinigungen usw. frei, da beide Schichten zusammenhängend gebildet wurden. Sie konnte in einem idealen Zustand mit geringer Ladungsträgerreflexion gebildet werden, da die Kristallgitter in vorteilhafter Weise angepaßt sind. Dies bewirkte, daß die Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Eigenschaften ausgezeichnet waren und daß die Arbeitsweise der Schaltung stabil wurde. In der vorliegenden Ausführungsform wurde SrTiO&sub3; oder Saphir als das Material des Substrats 1 verwendet. Statt dessen kann auch ein Keramikmaterial wie SiC oder ein Granatmaterial wie GGG vorteilhaft verwendet werden.

[Ausführungsform 2]

Im folgenden wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 3 beschrieben. In der ersten Ausführungsform wurde der Normal- oder Halbleiter 2 vorab gebildet. Wie jedoch bereits beschrieben wurde, kann auch der Supraleiter 3 vorab gebildet werden. Die Bedingungen für das Bilden können denen aus der ersten Ausführungsform ähnlich sein. Genauer gesagt wird auf einem Substrat 1 (SrTiO&sub3;- Einkristall), dessen Hauptfläche senkrecht zur c-Achse des Kristalls steht, ein Supraleiter 3 der Zusammensetzung (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 100 nm durch Sputtern gebildet. Auf der Oberfläche des Supraleiters 3 wird ein Photoresistmuster gebildet und daraufhin als Maske verwendet, wenn der Supraleiter 3 so geätzt und bearbeitet wird, daß zwei einander gegenüberstehende supraleitende Elektroden 3a und 3b gebildet werden. Daraufhin wird ein Normal- oder Halbleiter 2 der Zusammensetzung (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; mit einer Dicke von etwa 200 nm durch Sputtern aufgebracht. Dieser Normal- oder Halbleiter wird bei etwa 1000ºC etwa 10 Sekunden lang durch Induktionsheizen wärmebehandelt. Dabei werden der Normal- oder Halbleiter 2 und die Supraleiter 3 zu poly- oder einkristallinen Dünnschichten, deren c-Achsen wie in der Ausführungsform 1 in der gleichen Richtung liegen wie die c-Achse des Substrats 1 (mit anderen Worten, in einer zur Hauptfläche des Substrats 1 senkrechten Richtung). Auf diese Weise kann das Bauelement der vorliegenden Erfindung mit dem Aufbau Supraleiter 3a - Normalleiter (Halbleiter)2 - Supraleiter 3b erhalten werden.

[Ausführungsform 3]

Im folgenden wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 4 beschrieben. Auf der Oberfläche des der ersten Ausführungsform nach Fig. 2 entsprechenden supraleitenden Bauelements wird eine aus SiO&sub2; hergestellte elektrische Isolierschicht 4 mit einer Dicke von etwa 20-120 nm durch CVD (chemisches Aufdampfen) gebildet, ohne die Schutzschicht 6 zu bilden. Daraufhin wird eine aus Nb hergestellte Steuerelektrode 5 mit einer Dicke von etwa 300 nm durch auf Sputtern beruhendes Aufbringen und auf reaktivem Ionenätzen mit CF&sub4;-Gas beruhendes Bearbeiten gebildet. Auf diese Weise kann ein supraleitendes Bauelement mit drei Anschlüssen verwirklicht werden. Ein durch die beiden supraleitenden Elektroden 3a und 3b fließender Strom kann durch die Steuerelektrode 5 gesteuert werden. Wenngleich dieses Bauelement die Steuerelektrode 5 enthält, kann es natürlich entsprechend den beiden vorausgehenden Ausführungsformen das supraleitende Bauelement mit ausgezeichneter Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Eigenschaften gewährleisten.

[Ausführungsform 4]

Im folgenden wird die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 5 beschrieben. Auf einem Substrat 1 (SrTiO&sub3;-Einkristall oder Saphir), dessen Hauptfläche senkrecht zur c-Achse des Kristalls steht, wird ein Supraleiter 3a mit einer Zusammensetzung (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 100 nm durch Zerstäuben gebildet. Dieser Supraleiter 3a wird in einer Sauerstoffatmosphäre bei etwa 920ºC etwa 2 Stunden lang wärmebehandelt. Auf diese Weise kann er in eine polykristalline oder eine einkristalline Dünnschicht umgewandelt werden, deren c-Achse in derselben Richtung liegt wie die des Substrats 1. Daraufhin werden ein Normal- oder Halbleiter 2 mit der Zusammensetzung (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 100 nm sowie ein zweiter Supraleiter 3b mit der Zusammensetzung (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 200 nm durch Ionenstrahl-Sputtern gebildet.
Der Supraleiter 3a wird durch chemisches Ätzen bearbeitet, wobei ein Photoresistmuster als Muster verwendet wird. Der Normal- oder Halbleiter 2 und der zweite Supraleiter 3b werden durch eine Metallmaske gebildet. Weiterhin wird der Supraleiter 3b in einer Sauerstoffatmosphäre bei etwa 920ºC 2 Stunden lang wärmebehandelt. Dieser Supraleiter 3b wird demnach ebenso wie der Supraleiter 3a zu einer polykristallinen Dünnschicht umgewandelt, deren c-Achse in derselben Richtung liegt, wie die des Substrats 1. Im folgenden Schritt wird eine aus SiO&sub2; hergestellte Schutzschicht 6 mit einer Dicke von etwa 150 nm durch chemisches Aufdampfen (CVD) hergestellt. Auf diese Weise wird das supraleitende Bauelement mit dem Aufbau Supraleiter 3a - Normalleiter (Halbleiter) 2 - Supraleiter 3b erhalten. Die vorliegende Erfindung weist den Schichtaufbau auf, bei dem der Supraleiter 3a und der zweite Supraleiter 3b zwischen sich den Normal- oder Halbleiter 2 enthalten. Sie unterscheidet sich in diesem Punkt von der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Selbst bei einem solchen Schichtaufbau können die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zufriedenstellend gelöst werden. Ist der Halbleiter als das Teil 2 zwischen Schichten angeordnet, so tritt zwischen jedem Supraleiter und dem Halbleiter eine Schottky-Sperrschicht auf, und der Tunneleffekt wird im Mechanismus der elektrischen Leitung wichtig. Es erübrigt sich jedoch zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung selbst bei einem solchen Tunnelübergang ausreichend wirksam ist.

[Ausführungsform 5]

Das für die supraleitenden Elektroden in den supraleitenden Bauelementen, die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen offenbart sind, verwendete Material ist das supraleitende Oxidmaterial vom Perovskit-Typ mit einer hohen kritischen Temperatur der Supraleitung. In diesem Material fließen die Supraleitungs-Elektronenpaare angesichts der Kristallstruktur leicht in Richtung der a-b-Ebene (in eine zur c-Achse senkrechte Richtung) und fließen nur schwer in Richtung der c-Achse. Dementsprechend fließt der Supraleitungsstrom des ein solches Material für die supraleitenden Elektroden verwendendes supraleitendes Bauelement in der Richtung supraleitende Elektrode 3a → Normalleiter (Halbleiter) 2 → supraleitende Elektrode 3b. Daher werden die Elektronenflüsse an der Grenzfläche zwischen den supraleitenden Elektroden 3a, 3b und dem Normalleiter (Halbleiter) 2 wichtig, Dies bedeutet, daß der Stromfluß von der supraleitenden Elektrode 3a zum Normalleiter (Halbleiter) 2 bzw. der Stromfluß vom Normalleiter (Halbleiter) 2 zur supraleitenden Elektrode 3b erhöht werden müssen.
In dem in Fig. 3 dargestellten Fall fließen die Ströme der supraleitenden Elektroden 3a und 3b parallel zur Hauptfläche des Substrats 1 (senkrecht zur c-Achse). Dementsprechend fließen die höchsten Supraleitungsströme über den Normalleiter (Halbleiter) 2 durch die supraleitenden Elektroden 3a und 3b. Im Gegensatz dazu fließen der Strom von der supraleitenden Elektrode 3a zum Normalleiter (Halbleiter) 2 und der Strom vom Normalleiter (Halbleiter) 2 zur supraleitenden Elektrode 3b in dem Fall, in dem die Schicht der supraleitenden Elektroden 3a, 3b und die des Normalleiters (Halbleiters) 2, wie in Fig. 2 oder Fig. 4 verschieden sind, senkrecht zu den Stromflüssen der supraleitenden Elektroden 3a, 3b. Dementsprechend trat bei einem solchen supraleitenden Bauelement in der Hinsicht das Problem auf, daß ein ausreichender Supraleitungsstrom in der Anordnung supraleitende Elektrode 3a - Normalleiter (Halbleiter) 2 - supraleitende Elektrode 3b über den Normalleiter (Halbleiter) 2 durch die Supraleiter 3a und 3b fließt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform, bei der dieses Problem gelöst wurde, beschrieben.
Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung eines supraleitenden Bauelements, das die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. Im Gegensatz zur ersten bis vierten Ausführungsform besteht ein mit einer Bezugszahl 11 bezeichnetes Substrat aus SrTiO&sub3; und weist eine Hauptfläche auf, die parallel zur c-Achse des Kristalls orientiert ist. Auf diesem Substrat 11 wird ein Normalleiter (Halbleiter) 2 mit einer Zusammensetzung et (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von 200 nm durch Sputtern gebildet. Daraufhin wird dieser Normalleiter (Halbleiter) 2 bei 100ºC 10 Sekunden lang durch Induktionsheizen wärmebehandelt. Dieser wird daraufhin zu einer einkristallinen Dünnschicht, deren c- Achse parallel zum Substrat 11 verläuft. Nachfolgend wird eine supraleitende Dünnschicht mit einer Zusammensetzung (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 300 nm durch Sputtern gebildet. Da diese supraleitende Dünnschicht eine Kristallorientierung aufweist, die von der Orientierung des Kristalls des darunterliegenden Normalleiters (Halbleiters) 2 abhängt, ist sie so orientiert, daß ihre c-Achse parallel zur Oberfläche des Normalleiters (Halbleiters) 2 verläuft was mit anderen Worten bedeutet, daß ihre c-Ebene senkrecht zur selben Oberfläche verläuft. Daraufhin wird die supraleitende Schicht in einer Sauerstoffatmosphäre bei 950ºC 1 Stunde lang erhitzt. Dann wird ein Photoresistmuster auf der Oberfläche der supraleitenden Dünnschicht gebildet, bei Verwendung dieses Musters als Maske wird ein Plasma-Ätzen mit Ar-Ionen zum Bilden zweier einander gegenüberstehender supraleitender Elektroden 3a und 3b durchgeführt.
Im nächsten Schritt wird eine aus SiO&sub2; hergestellte elektrische Isolierschicht 7 mit einer Dicke von etwa 120 nm durch chemisches Aufdampfen (CVD) gebildet. Daraufhin werden die supraleitenden Verdrahtungsanschlüsse 3c und 3d mit der Zusammensetzung (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von etwa 100 nm durch Ionenstrahl-Sputteren gebildet. Weiterhin werden die supraleitenden Verdrahtungsanschlüsse 3c und 3d in einer Sauerstoffatmosphäre bei etwa 950ºC eine Stunde lang erhitzt. Da das unterhalb der supraleitenden Verdrahtungsanschlüsse 3c und 3d liegende Material, das die Isolierschicht 7 bildende amorphe SiO&sub2; ist, neigt die c-Achse des Kristallkorns des diese supraleitenden Verdrahtungsanschlüsse bildenden Materials dazu, sich senkrecht zur Hauptfläche des Substrats 11 auszurichten. Dies bedeutet, daß die c-Achsen der supraleitenden Verdrahtungsanschlüsse 3c und 3d dazu neigen, sich senkrecht zur Hauptfläche des Substrats 11 zu orientieren. Wenngleich die Orientierung der Kristallkörner nicht vollkommen ist, kann bewirkt werden, daß ein höherer Supraleitungsstrom stabil fließt, indem die Orientierung der supraleitenden Elektroden 3a, 3b und die der supraleitenden Verdrahtungsanschlüsse 3c, 3d auf diese Weise unterschiedlich gemacht werden.
Das supraleitende Bauelement mit der Anordnung Supraleiter 3a - Halbleiter 2 - Supraleiter 3b kann so erhalten werden.
Bei diesem Bauelement fließen die Ströme der Grenzflächen zwischen den Supraleitern 3a, 3b und dem Halbleiter 2 vorteilhaft, und die Richtung der Flüsse stimmt mit der Richtung einer hohen Supraleitfähigkeit überein, so daß der kritische supraleitende Strom durch die supraleitenden Elektroden 3a und 3b anwächst t und so ein stabiler Betrieb gewährleistet ist.

[Ausführungsform 6]

Im folgenden wird ein supraleitendes Bauelement, das die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet, anhand von Fig. 7 beschrieben.
Eine Steuerelektrode 5 zum Steuern eines Supraleitungsstroms wird zum supraleitenden Bauelement, das die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform bildet, hinzugefügt. In Fig. 7 sind die supraleitenden Verdrahtungsanschlüsse 3c und 3d aus Fig. 6 zum Zwecke einer knappen Darstellung symbolisch angedeutet, und die Isolierschicht 7 wurde in der Darstellung fortgelassen.
Auf der Oberfläche des als fünfte Ausführungsform offenbarten Bauelements wird eine aus SiO&sub2; hergestellte elektrisch isolierende Schicht 4 mit einer Dicke von 100 nm durch chemisches Aufdampfen (CVD) aufgebracht. Daraufhin wird eine Nb-Schicht mit einer Dicke von 300 nm durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aufgebracht und unter Verwendung einer Photoresistmaske mit CF&sub4;-Gas geätzt, so daß die Steuerelektrode 5 gebildet wird. Auf diese Weise kann ein supraleitendes Bauelement mit drei Anschlüssen gebildet werden. Durch dieses Bauelement kann die Supraleitungs-Nahwirkung entsprechend der fünften Ausführungsform erhöht werden, und das Ausmaß der Änderung des kritischen Supraleitungsstroms bezüglich einer an die Steuerelektrode angelegten festen Spannung kann daher erhöht werden. Dementsprechend erhöht sich die Verstärkung des Bauelements, und es tritt eine stabile Betriebsweise auf.

[Ausführungsform 7]

Fig. 8 ist eine Darstellung eines Teils eines supraleitenden Bauelements, das die siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. Wie in Fig. 1 wird ein Substrat 1 aus einem SrTiO&sub3;-Einkristall hergestellt, dessen Hauptfläche zur c-Achse senkrecht verlauft. Auf diesem Substrat 1 wird ein aus (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; hergestellter Normalleiter (Halbleiter) 2 mit einer Dicke von S00 nm durch Sputtern aufgebracht. Der Normalleiter (Halbleiter) 2 wird daraufhin durch Induktionsheizen 10 Sekunden lang auf 1000ºC erhitzt. Die c-Achse des Normalleiters (Halbleiters) 2 liegt in derselben Richtung wie die c-Achse des Substrats 1 und verläuft demnach senkrecht zur Hauptfläche des Substrats 1. Der Normalleiter (Halbleiter) 2 wird unter Verwendung einer Photoresistmaske durch Plasma-Ätzen mit CF&sub4;-Gas bis zu einer Tiefe von 300 nm geätzt, wodurch ein Vorsprung 2a mit einer Breite von höchstens 0,5 um hergestellt wird. Daraufhin wird eine aus SiO&sub2; hergestellte Isolations-Zwischenschicht 7 mit einer Dicke von 100 nm durch CVD gebildet. Nachfolgend werden supraleitende Dünnschichten 3a und 3b mit einer Zusammensetzung (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; und einer Dicke von 200 nm durch Sputtern gebildet. Hierbei sind die supraleitenden Dünnschichten so orientiert, daß ihre c-Ebenen senkrecht zu den Seitenflächen des aus dem Normalleiter (Halbleiter) 2 hergestellten Vorsprung 2a werden. Im folgenden Schritt wird das Photoresist mit einem Lösungsmittel entfernt. Daraufhin wird das in Fig. 8 dargestellte supraleitende Bauelement erhalten. Da die Supraleitungs- Nahwirkung entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform durch dieses Bauelement erhöht werden kann, erhöht sich der kritische Supraleitungsstrom, und es tritt eine stabile Betriebsweise auf.

[Ausführungsform 8]

Fig. 9 ist eine Teilansicht eines supraleitenden Bauelements, das die achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet. Bei diesem supraleitenden Bauelement ist das Bauelement aus der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform zusätzlich mit einer Steuerelektrode 5 zum Steuern eines Supraleitungsstroms versehen. Auf der Oberfläche des Bauelements, das die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform ausmacht, wird eine aus SiO&sub2; hergestellte elektrisch isolierende Schicht 4 mit einer Dicke von 100 nm durch CVD gebildet. Daraufhin wird eine Nb-Schicht mit einer Dicke von 300 nm durch Gleichstrom- Magnetron-Sputtern gebildet. Sie wird zum Bilden der Steuerelektrode 5 durch reaktives Ionenätzen mit CF&sub4;-Gas bearbeitet. Auf diese Weise kann das in Fig. 9 dargestellte supraleitende Bauelement erhalten werden. Mit diesem Bauelement kann das Ausmaß der Änderung des kritischen Supraleitungsstroms bezüglich einer an die Steuerelektrode angelegten festen Spannung erhöht werden. Die Verstärkung des Bauelements erhöht sich, und es tritt eine stabile Arbeitsweise auf.
In den vorausgehenden Ausführungsformen wurde (La0,9Ca0,1)&sub2;CuO&sub4; als Halbleitermaterial verwendet. Dabei wird die Eigenschaft verwendet, daß die kritische Temperatur der Supraleitung eines Materials der Zusammensetzung (La1-xAx)&sub2;CuO&sub4;, wobei mit A Sr1-y-zBayCaz bezeichnet ist, in dem Zustand, in dem die kristallographischen Eigenschaften des Materials konstant gehalten sind, geändert werden kann, indem der Wert von x, y oder z geändert wird. Dies bedeutet, daß das supraleitende Material durch Ändern der Zusammensetzung in einen Halbleiter oder einen Normalleiter umgewandelt wird. Selbst in Fällen, in denen das Keramikmaterial für den Halb- oder Normalleiter durch eines der Metalle, wie Cu, Au, Ni und Sn, oder einen der Halbleiter, wie Si, Ge, GaAs, InSb, InP und InAs, ersetzt wurde, konnten ähnliche Wirkungen erzielt werden.
Im übrigen kann, wenngleich SrTiO&sub3; als Substratmaterial verwendet wurde, ebensogut jedes der Materialien MgO und Saphir sowie ein Granatmaterial wie GGG verwendet werden. Wenngleich CdS als das photoleitende Material verwendet wurde, kann es gut durch eines der Materialien Si, InP, InAs, InSb und GaAs ersetzt werden.
In den vorausgehenden Ausführungsformen wurde (La0,9Sr0,1)&sub2;CuO&sub4; als supraleitendes Material verwendet. Es erübrigt sich zu bemerken, daß die Aufgaben der vorliegenden Erfindung selbst dann zufriedenstellend gelöst werden können, wenn es durch ein supraleitendes Oxidmaterial mit einer Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ ersetzt wird. Bei diesem Material kann Y gut durch La, Yb, Lu, Tm, Dy, Sc, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Er usw. ersetzt werden, und es können ähnliche Wirkungen erzielt werden. Diese Beispiele sind in Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle 1

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements mit folgenden Schritten:

(a) es wird ein Substrat vorgesehen, das eine Hauptoberfläche und eine Kristallstruktur mit einer c-Achse aufweist,

(b) über der Hauptoberfläche des Substrats wird eine Halbleiter- oder normalleitende Schicht mit einer Kristallstruktur ausgebildet, deren c-Achse in der gleichen Richtung verläuft wie die c-Achse des Substrats, und

(c) über der Hauptoberfläche des Substrats werden zwei supraleitende Elektroden mit einer Kristallstruktur ausgebildet, deren c-Achse in der gleichen Richtung verläuft wie die c-Achse des Substrats, wobei die beiden supraleitenden Elektroden einen Abstand voneinander haben, jeweils mit der Halbleiter- bzw. normalleitenden Schicht in elektrischem Kontakt stehen und aus einem supraleitenden Oxid bestehen, das ein hohes Tc und eine Perowskit-Kristallstruktur mit Sauerstoff-Leerstelle oder eine Kristallstruktur des K&sub2;NiF&sub4;-Typs aufweist,

wobei zu den Schütten (b) und (c) Sputter- und Wärmebehandlungsschritte gehören, so daß durch geeignete Bestimmung der Sputter- und Wärmebehandlungsparameter die Richtung der c-Achsen sowohl (i) des Substrats als auch (ii) der Halbleiter- bzw. normalleitenden Schicht als auch (iii) der beiden supraleitenden Elektroden entweder senkrecht oder parallel zur Hauptoberfläche des Substrats steht und die Kristallgitter an den Grenzflächen zwischen der Halbleiter- bzw. normalleitenden Schicht und den beiden supraleitenden Elektroden aneinander angepaßt sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach Anspruch 1, wobei die supraleitenden Elektroden in einer Sauerstoffatmosphäre wärmebehandelt werden.

3. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach Anspruch 1, wobei die Halbleiter- bzw. normalleitende Schicht auf der Hauptoberfläche des Substrats und die beiden supraleitenden Elektroden auf der Halbleiter- bzw. normalleitenden Schicht ausgebildet werden.

4. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach Anspruch 1, wobei die beiden supraleitenden Elektroden auf der Hauptoberfläche des Substrats und die Halbleiter- bzw. normalleitende Schicht auf den beiden supraleitenden Elektroden ausgebildet werden.

5. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden supraleitenden Elektroden dadurch hergestellt werden, daß eine Schicht aus dem Material der supraleitenden Elektroden aufgetragen und ein Teil dieser Schicht unter Ausbildung der beiden supraleitenden Elektroden entfernt, wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach Anspruch 1, wobei eine der beiden supraleitenden Elektroden auf dem Substrat, die Halbleiter- bzw. normalleitende Schicht auf dieser einen supraleitenden Elektrode, und die andere der beiden supraleitenden Elektroden auf der Halbleiter- bzw. normalleitenden Schicht ausgebildet wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach Anspruch 1, wobei ferner eine dritte und eine vierte supraleitende Elektrode ausgebildet werden, deren jede eine senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats verlaufende c-Achse aufweist und mit einer der beiden anderen supraleitenden Elektroden in elektrischem Kontakt steht.

8. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach Anspruch 7, wobei ferner auf der nicht mit den beiden supraleitenden Elektroden bedeckten Halbleiter- bzw. normalleitenden Schicht eine Isolierschicht und die dritte und die vierte supraleitende Elektrode auf der Isolierschicht und bzw. einer der beiden anderen supraleitenden Elektroden ausgebildet werden.

9. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Bauelements nach Anspruch 1, wobei die Halbleiter- bzw. normalleitende Schicht einen Vorsprung mit entgegengesetzten Seiten aufweist, wobei die beiden supraleitenden Elektroden so ausgebildet werden, daß sie jeweils von den entgegengesetzten Seiten des Vorsprungs aus verlaufen, und wobei ferner an Stellen zwischen der Halbleiter- bzw. normalleitenden Schicht und den beiden supraleitenden Elektroden mit Ausnahme des Vorsprungs eine Isolierschicht ausgebildet wird.