JP2005050845A - High temperature superconducting joint having shunt resistor - Google Patents

High temperature superconducting joint having shunt resistor Download PDF

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JP2005050845A JP2003202817A JP2003202817A JP2005050845A JP 2005050845 A JP2005050845 A JP 2005050845A JP 2003202817 A JP2003202817 A JP 2003202817A JP 2003202817 A JP2003202817 A JP 2003202817A JP 2005050845 A JP2005050845 A JP 2005050845A
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Tsunehiro Namigashira
経裕 波頭
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a high temperature superconducting joint having a shunt resistor in which stabilized operation of a superconducting circuit employing a ramp edge joint can be realized. <P>SOLUTION: A conductive intermediate layer 3 is provided between the ramp ride-over part 5 of an upper electrode 4 and a lower electrode 2 constituting a ramp edge joint employing an oxide superconductor. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置に関するものであり、例えば、通信用ルーター、サーバー、AD変換器、サンプラーなど、通信、コンピューター、計測の分野で用いられる高温超伝導単一磁束量子(SFQ:Single Flux Quantum)回路を構成するランプエッジ型の超伝導接合を最適臨界電流密度で駆動するための構成に特徴のあるシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、イットリウム系超伝導体に代表される酸化物高温超伝導体は、液体窒素温度以上で超伝導状態を示すため、従来の液体Heによる冷却が必要な金属系超伝導体に比べて冷却機構が簡素化され、センサ、論理回路等への各種の応用が期待されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この様な酸化物高温超伝導体は、結晶中でCuとOで構成されるCu−O平面に沿って超伝導電流が流れ易い性質を有しているため、このCu−O平面に平行な方向に接合が横切る構造が望ましく、そのために、高温超伝導装置に用いる超伝導接合としてランプエッジ接合が提案されている。
【0004】
この様なランプエッジ接合としては、障壁層を堆積膜で形成するタイプと、イオン注入により表面を改質して障壁層とするタイプが知られている(例えば、特許文献2)が、ここで、図13を参照して表面改質型のランプエッジ接合を説明する。
【0005】
図13(a)参照
図13(a)は、従来の表面改質型のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、まず、MgO基板51上にパルスレーザ堆積法を用いてLaドープのYBCO(YBaCu7−x )からなる下部電極52、層間絶縁膜となるSrSnOからなる絶縁層53を順次堆積させたのち、レジストを塗布し、露光・現像することによってパターニングしてレジストパターン(図示を省略)を形成し、次いで、このレジストパターンをマスクとしてArイオンを照射してイオンミリングを行うことによってランプエッジ構造を形成する。
【0006】
次いで、再び、Arイオンを照射してランプエッジ部にダメージ層54を形成して障壁層とし、次いで、再び、パルスレーザ堆積法を用いてYBCOからなる上部電極55を堆積させたのち、イオンミリングを施すことによってランプ乗り越え部56を形成することによってランプエッジ接合の基本構成が完成する。
【0007】
図13(b)参照
図13(b)は、ランプエッジ接合の電流電圧特性図であり、図に示すようにオーバーダンプ型と言われる特性を示し、低温動作のNb超伝導接合とは異なり、電流電圧特性中のヒステリシスが十分に小さいという特徴がある。
【0008】
この様なランプエッジ接合を用いて構成する超伝導回路のうち、単一磁束量子(SFQ)回路は、超高速、低エネルギーで動作するという特徴を有しており、高温超伝導体でSFQ回路を設計・作製する場合、回路中に存在するランプエッジ接合、即ち、ジョセフソン接合を含む超伝導ループでは、そのループのインダクタンスLとジョセフソン接合の臨界電流値Iとの積(L×I積)が1量子磁束Φ或いは、Φ/2という条件を満たすように設計する必要がある。
【0009】
この場合、SFQ回路に用いる接合の臨界電流密度Jを大きくすると、臨界電流Iと常伝導抵抗Rとの積、即ち、I・R積が大きくなり、τ=Φ/I・R(Φ=2.07×10−15 wb)で与えられるSFQパルスの幅が小さくなり、より高速な動作が可能になると言われている。
【0010】
この場合、上述のように、ランプエッジ接合の電流電圧特性中のヒステリシスは十分に小さいため、SFQ回路作製にそのままランプエッジ接合を使っており、ランプエッジ接合で抵抗でシャントした構造は全く検討されていなかった。
【0011】
【特許文献1】
特開2000−353831号公報
【特許文献2】
特開2001−244511号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者が鋭意研究を進めた結果、臨界電流密度Jの増加とともにヒステリシスも増加するという現象が顕著になり、この様なヒステリシスの増加はSFQ回路のバイアスマージンを小さくする傾向にあり、ヒステリシスが10%を超えると回路動作が困難になり、回路が複雑になると動作できなくなることがわかってきた。
【0013】
図14参照
図14は、従来の高温超伝導ランプエッジ接合のI・R積とヒステリシスの臨界電流密度J依存性の説明図であり、I・R積は臨界電流密度Jの0.3乗に比例する(I・R∝J 0.3 )。
【0014】
また、ヒステリシスを表す指標の一つであるマッカンバーパラメータβは、
β∝J 0.3 /〔ln(a)−ln(J)〕
で表され、ヒステリシスは、臨界電流密度Jの増大とともに、急激に増大する。
なお、lnは対数を意味し、aは接合のバリア高さを含む物理量で、
a=(4πεε/h)×(2mφ)1/2
で表される。
但し、εはバリア誘電率、mは電子質量、φはバリア高さである。
【0015】
したがって、本発明は、ランプエッジ接合を用いた超伝導回路の安定な動作を可能にすることを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成図であり、また、図2及び図3はSFQパルス幅の臨界電流密度J依存性の説明図であり、さらに、図4は、ヒステリシスをゼロにするシャント抵抗値の臨界電流密度J依存性の説明図であり、この図1乃至図4を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号6は、障壁層である。
図1参照
上記の目的を達成するために、本発明は、シャント抵抗を有する高温超伝導接合装置において、酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を構成する上部電極4のランプ乗り越え部分5と下部電極2との間に、導電性の中間層3を設けたことを特徴とする。
【0017】
この様に、上部電極4のランプ乗り越え部分5と下部電極2との間に導電性の中間層3を設けてランプエッジ接合をシャントすることによって、ヒステリシスを小さく、理想的にはゼロにすることによって、SFQ回路等の超伝導接合回路の安定な動作が可能になる。
【0018】
また、シャント抵抗でヒステリシスをゼロ、即ち、マッカンバーパラメータβを1に維持した場合、臨界電流密度Jには回路動作をもっとも高速にする最適値が存在するので、臨界電流密度Jを最適化することによって、より高速動作が可能になる。
【0019】
図2参照
図2は、4.2KにおけるSFQパルス幅の臨界電流密度J依存性の説明図であり、シャント抵抗Rを設けない場合には、SFQパルス幅は臨界電流密度Jの増大とともに小さくなるが、β=1の場合には、SFQパルス幅が極小になる臨界電流密度Jが存在することが理解される。
即ち、高速動作のための最適臨界電流密度Jが存在することになる。
【0020】
図3参照
図3は、30KにおけるSFQパルス幅の臨界電流密度J依存性の説明図であり、シャント抵抗Rを設けない場合には、SFQパルス幅は臨界電流密度Jの増大とともに小さくなるが、β=1の場合には、SFQパルス幅が極小になる臨界電流密度Jが存在するとともに、臨界電流密度Jの増大に伴ってSFQパルス幅が急激に大きくなることが理解される。
【0021】
図4参照
図4は、ヒステリシスをゼロ(β=1)にするシャント抵抗値の臨界電流密度J依存性の説明図であり、ヒステリシスをゼロにするシャント抵抗値は臨界電流密度Jの増大とともに低減し、また、温度が高くなるにしたがって、低減率が大きくなる。
【0022】
上述のように、上部電極4のランプ乗り越え部分5と下部電極2との間に導電性の中間層3を設ける場合、導電性の中間層3を上部電極4のランプ乗り越え部分5と投影的に同一の形状することによって、シャント抵抗値を精度良く設定することができる。
【0023】
また、ランプエッジ接合をシャントする構成としては、上部電極4のランプ乗り越え部分5と下部電極2との間を、層間絶縁層と上部電極4の接合面とは反対側の斜面に沿って設けられた抵抗層で接続しても良く、シャント抵抗として様々な材料を選択することが可能になる。
【0024】
或いは、上部電極4のランプ乗り越え部分5と層間絶縁層とを除去した平坦構造で構成するとともに、平坦化された上部電極4と下部電極2との間を抵抗層で接続してシャントしても良く、抵抗層の厚さで抵抗値を制御するとともに、コンタクト面積を大きくしてコンタクト抵抗を低減することができる。
【0025】
上記の場合の抵抗層を、シャント抵抗として好適な抵抗率を有するPdから構成することが好適である。
なお、Pdは貴金属であり、耐酸化性に優れる。
【0026】
或いは、抵抗層を、その酸化物が絶縁体となる導電材料、例えば、従来の超伝導回路において抵抗として用いられているTiを用いても良いものであり、それによって、制御性が向上する。
なお、接触抵抗を低減するため、抵抗層と上部電極4及び下部電極2との間にバッファー層を設ける必要がある。
【0027】
さらには、酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を形成する下地として導電性の材料を用いることによって、ランプエッジ接合をシャントしても良いものであり、ランプエッジ接合の上部にグランドプレーンや配線層を形成する場合に有利な構造となる。
【0028】
この場合、導電性の下地をランプエッジ接合部分に合わせた形状にするとともに、絶縁性の基板1の上に設けることが望ましく、特に、各種の回路を作製する場合に必要になる。
【0029】
【発明の実施の形態】
ここで、図5を参照して、本発明の第1の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明する。
図5参照
図5は、本発明の第1の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、まず、MgO基板11上に、レーザ蒸着法(PLD:Pulse LaserDeposition)を用いて、厚さが、例えば、200nmのLaドープYBCO(YBaCu7−x )からなる下部電極12と、厚さが、例えば、300nmのNbドープSrTiOからなる導電性中間層13を順次堆積させる。
なお、このNbドープSrTiOにおけるNbドープ量は0.001wt%とする。
【0030】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して下部電極12及び導電性中間層13を所定形状にパターニングしたのち、新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して導電性中間層13をさらに所定形状にパターニングする。
【0031】
次いで、さらに新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとして、Arイオンを斜め方向から照射することによって、導電性中間層13及び下部電極12の露出部をエッチングしてランプ傾斜面14を形成する。
【0032】
次いで、レジストパターンを除去したのち、Arイオンを基板面の垂直方向から照射することによって、ランプ傾斜面14にダメージ層15を形成する。
【0033】
次いで、再び、PLD法を用いて全面に厚さが、例えば、200nmのYBCOからなる上部電極16を堆積したのち、所定形状のレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射することによってランプ乗り越え部17を有する上部電極16とすることによって、ランプエッジ接合の基本構成が完成する。
【0034】
この時、ランプ乗り越え部17のサイズを、例えば、幅5μm、長さ3μmとする。
また、YBCOはLaドープYBCOより成膜温度が低いので、上部電極16の成膜工程が、下部電極12等の既に形成した構成に与える影響を少なくすることができる。
【0035】
この様に、本発明の第1の実施の形態においては、従来のランプエッジ構造における層間絶縁膜を導電性中間層に変更するだけでシャント抵抗を構成しているので、従来の工程を基本的に変更することなく、ヒステリシスをゼロにして、安定した回路動作が可能になる。
【0036】
また、SFQパルス幅が極小になる臨界電流密度Jを印加することによって、超伝導回路を高速動作可能にすることができる。
【0037】
なお、この本発明の第1の実施の形態におけるシャント抵抗の大きさは、導電性中間層13の導電率、層厚、ランプ乗り越え部17の大きさなどで制御するものである。
但し、抵抗材料選択の幅が狭く、高抵抗のシャントに向いている。
【0038】
次に、図6を参照して、本発明の第2の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明する。
図6参照
図6は、本発明の第2の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、まず、MgO基板11上に、PLD法を用いて、厚さが、例えば、200nmのLaドープYBCO(YBaCu7−x )からなる下部電極12と、厚さが、例えば、300nmのITOからなる導電性中間層18を順次堆積させる。
なお、このITOにおけるSnドープ量は0.001wt%とする。
【0039】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して下部電極12及び導電性中間層18を所定形状にパターニングしたのち、新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを斜め方向から照射することによって、導電性中間層18及び下部電極12の露出部をエッチングしてランプ傾斜面14を形成する。
【0040】
次いで、レジストパターンを除去したのち、Arイオンを基板面の垂直方向から照射することによって、ランプ傾斜面14にダメージ層15を形成する。
【0041】
次いで、再び、PLD法を用いて全面に厚さが、例えば、200nmのYBCOからなる上部電極16を堆積したのち、所定形状のレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射することによってランプ乗り越え部17を有する上部電極16とすることによって、ランプエッジ接合の基本構成が完成する。
この時、ランプ乗り越え部17のサイズを、例えば、幅5μm、長さ3μmとする。
【0042】
引き続いて、Arイオンを照射することによって、ITOからなる導電性中間層18の露出部をエッチング除去する。
この時、ITOのミリングレートは非常に大きいので、下部電極12等にダメージを与えることなくパターニングすることができる。
【0043】
この様に、本発明の第2の実施の形態においては、導電性中間層18の形状を、ランプ乗り越え部17の形状と自己整合的に投影的に同じ形状にしているので、導電性中間層18からなるシャント抵抗の抵抗値をより正確に設定することが可能となる。
【0044】
次に、図7を参照して、本発明の第3の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明する。
図7参照
図7は、本発明の第3の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、まず、MgO基板11上に、PLD法を用いて、厚さが、例えば、200nmのLaドープYBCO(YBaCu7−x )からなる下部電極12と、厚さが、例えば、300nmのSrSnOからなる層間絶縁膜19を順次堆積させる。
なお、このSrSnOは、YBCOとの結晶整合性が良好であり、また、他の層間絶縁膜に比べてクラックが発生しずらいので、結果として絶縁性及び平坦性に優れる。
【0045】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して下部電極12及び層間絶縁膜19を所定形状にパターニングしたのち、新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを斜め方向から照射することによって、層間絶縁層19及び下部電極12の露出部をエッチングしてランプ傾斜面14を形成する。
【0046】
次いで、レジストパターンを除去したのち、Arイオンを基板面の垂直方向から照射することによって、ランプ傾斜面14にダメージ層15を形成する。
【0047】
次いで、再び、PLD法を用いて全面に厚さが、例えば、200nmのYBCOからなる上部電極16を堆積したのち、所定形状のレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射することによってランプ乗り越え部17を有する上部電極16とすることによって、ランプエッジ接合の基本構成が完成する。
【0048】
引き続いて、Arイオンを照射することによって、SrSnOからなる層間絶縁膜19の露出部をエッチング除去する。
この時、ランプ傾斜面14と反対側においては、Arイオンを斜め方向から照射することによって、傾斜面20を形成する。
【0049】
次いで、メタルマスクを用いたマスク蒸着法を用いて、厚さが、例えば、100nmのPdからなる抵抗層21をランプ乗り越え部17と下部電極12とがコンタクト部となるように傾斜面20に沿って設けることによってシャント抵抗を備えたランプエッジ接合が完成する。
【0050】
この様に、本発明の第3の実施の形態においては、シャント抵抗を抵抗層パターンによって形成しているので、抵抗材料として様々な材料を選ぶことができ、特に小さな抵抗で結合したい場合に好適となる。
この場合、Pdは貴金属であるので耐酸化性に優れるとともに、同じ貴金属であるAu等に比べて抵抗率が一桁程度大きいので、抵抗材料として好適である。
【0051】
次に、図8を参照して、本発明の第4の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明するが、シャント抵抗の構成が異なる以外は上記の第3の実施の形態と同様であるので、相違点のみを説明する。
図8参照
図8は、本発明の第4の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、SrSnOからなる層間絶縁膜19の露出部をエッチング除去するとともに、ランプ傾斜面14と反対側において傾斜面20を形成したのち、メタルマスクを用いたマスク蒸着法を用いて、厚さが、例えば、50nmのAuからなるコンタクト層22,23を形成する。
【0052】
次いで、新たなメタルマスクを用いたマスク蒸着法を用いて、厚さが、例えば、100nmのTiからなる抵抗層24をコンタクト層22,23と接するとともに、傾斜面20に沿って設けることによってシャント抵抗を備えたランプエッジ接合が完成する。
【0053】
この様に、本発明の第4の実施の形態においては、従来の超伝導回路分野において抵抗材料として汎用されているTiを用いているので、制御性が良好になるとともに、数Ωのシャント抵抗として好適である。
但し、Tiは酸化しやすいので、上述のようにAu等の貴金属からなるコンタクト層22,23を設けて接触抵抗の増大を抑制する必要がある。
【0054】
次に、図9を参照して、本発明の第5の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明する。
図9参照
図9は、本発明の第5の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、まず、MgO基板11上に、PLD法を用いて、厚さが、例えば、200nmのLaドープYBCO(YBaCu7−x )からなる下部電極12を堆積させる。
【0055】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して下部電極12を所定形状にパターニングするとともに、一端部においてArイオンを斜め方向から照射することによって、ランプ傾斜面14を形成する。
【0056】
次いで、レジストパターンを除去したのち、Arイオンを基板面の垂直方向から照射することによって、ランプ傾斜面14にダメージ層15を形成する。
【0057】
次いで、再び、PLD法を用いて全面に厚さが、例えば、200nmのYBCOからなる上部電極16を堆積したのち、所定形状のレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射することによってランプ乗り越え部(図示を省略)を有する上部電極16を形成する。
【0058】
次いで、Al粒子を用いた機械的研磨法によって、下部電極12上に形成したランプ乗り越え部が完全に除去されるまで研磨を行って表面を平坦化する。
【0059】
次いで、メタルマスクを用いたマスク蒸着法を用いて、厚さが、例えば、100nmのPdからなる抵抗層21を下部電極12と上部電極16にまたがるように設けることによってシャント抵抗を備えたランプエッジ接合が完成する。
【0060】
この様に、本発明の第5の実施の形態においては、抵抗層21の厚さで抵抗値を制御すると共に、コンタクト面積を大きくしてコンタクト抵抗を低減することができる。
【0061】
次に、図10を参照して、本発明の第6の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明するが、シャント抵抗の構成が異なる以外は上記の第5の実施の形態と同様であるので、相違点のみを説明する。
図10参照
図10は、本発明の第6の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、Al粒子を用いた機械的研磨法によって、下部電極12上に形成したランプ乗り越え部が完全に除去されるまで研磨を行って表面を平坦化したのち、メタルマスクを用いたマスク蒸着法を用いて、厚さが、例えば、50nmのAgからなるコンタクト層25,26を形成する。
【0062】
次いで、新たなメタルマスクを用いたマスク蒸着法を用いて、厚さが、例えば、100nmのTiからなる抵抗層24をコンタクト層25,26と接するとともに、下部電極12と上部電極16にまたがるように設けることによってシャント抵抗を備えたランプエッジ接合が完成する。
【0063】
この様に、本発明の第6の実施の形態においては、上記の第4の実施の形態と同様に、従来の超伝導回路分野において抵抗材料として汎用されているTiを用いているので、制御性が良好になるとともに、数Ωのシャント抵抗として好適である。
【0064】
次に、図11を参照して、本発明の第7の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明する。
図11参照
図11は、本発明の第7の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、まず、Nbを0.001wt%ドープしたNbドープSrTiOからなる導電性基板27上に、PLD法を用いて、厚さが、例えば、200nmのLaドープYBCO(YBaCu7−x )からなる下部電極12と、厚さが、例えば、300nmのSrSnOからなる層間絶縁膜19を順次堆積させる。
【0065】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して下部電極12及び層間絶縁膜19を所定形状にパターニングしたのち、新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して層間絶縁膜19をさらに所定形状にパターニングする。
【0066】
次いで、さらに新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとして、Arイオンを斜め方向から照射することによって、層間絶縁膜19及び下部電極12の露出部をエッチングしてランプ傾斜面14を形成する。
【0067】
次いで、レジストパターンを除去したのち、Arイオンを基板面の垂直方向から照射することによって、ランプ傾斜面14にダメージ層15を形成する。
【0068】
次いで、再び、PLD法を用いて全面に厚さが、例えば、200nmのYBCOからなる上部電極16を堆積したのち、所定形状のレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射することによってランプ乗り越え部17を有する上部電極16とすることによって、シャント抵抗を備えたランプエッジ接合が完成する。
この時、ランプ乗り越え部17のサイズを、例えば、幅5μm、長さ3μmとする。
【0069】
この第7の実施の形態においては、基板を変更しただけで、他の構成は従来と同様であるので、全体構成及び製造工程を殆ど変更することなく、シャント抵抗を備えたランプエッジ接合を作製することができ、接合上部にグランドプレーンや配線層を形成する場合に好適な構成となる。
【0070】
なお、この場合のシャント抵抗値は、導電性基板27の厚さやドーピング量で決める必要があるとともに、上記の第1の実施の形態と同様に材料選択の幅が狭くなる。
なお、高周波信号の場合には、電流パスはインピーダンスよって遮断されるので、電流は近接領域にしか流れず、拡散して拡がることはない。
【0071】
次に、図12を参照して、本発明の第8の実施の形態の表面改質型のランプエッジ接合を説明するが、基本的概念は上記の第7の実施の形態と同様であり、第7の実施の形態においては基板が導電性であり、回路構成が限定されるため、シャント抵抗を構成する導電層を絶縁性基板上に島状領域として設けたものである。
【0072】
図12参照
図12は、本発明の第8の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図であり、まず、MgO基板11上にPLD法を用いて、厚さが、例えば、100nmのSnを1wt%ドープしたITOからなる導電層28を堆積させたのち、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射することによって、島状領域にパターニングする。
【0073】
次いで、再び、PLD法を用いて、厚さが、例えば、200nmのLaドープYBCO(YBaCu7−x )からなる下部電極12と、厚さが、例えば、300nmのSrSnOからなる層間絶縁膜19を順次堆積させる。
【0074】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して下部電極12及び層間絶縁膜19を少なくとも一端側において導電層28の一部が露出するように所定形状にパターニングしたのち、新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射して層間絶縁膜19をさらに所定形状にパターニングする。
【0075】
次いで、上記の一端側が露出するさらに新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとして、Arイオンを斜め方向から照射することによって、層間絶縁膜19及び下部電極12の露出部をエッチングしてランプ傾斜面14を形成する。
【0076】
次いで、レジストパターンを除去したのち、Arイオンを基板面の垂直方向から照射することによって、ランプ傾斜面14にダメージ層15を形成する。
【0077】
次いで、再び、PLD法を用いて全面に厚さが、例えば、200nmのYBCOからなる上部電極16を堆積したのち、所定形状のレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてArイオンを照射することによってランプ乗り越え部17を有する上部電極16とすることによって、シャント抵抗を備えたランプエッジ接合が完成する。
この時、ランプ乗り越え部17のサイズを、例えば、幅5μm、長さ3μmとする。
【0078】
この第8の実施の形態においては、シャント抵抗を島状領域からなる導電層28によって構成しているので、接合上部にグランドプレーンや配線層を形成する場合にも、各種の任意の回路を構成することが可能になる。
【0079】
以上、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明は各実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、ランプエッジ接合を表面改質型接合として説明しているが、表面改質型接合に限られるものではなく、障壁層を堆積により構成するタイプのランプエッジ接合にも適用されることは言うまでもない。
この場合の障壁層としては、PBCO、即ち、PrBaCu7−X やCeBaCu7−X 等で構成すれば良い。
【0080】
また、上記の各実施の形態において、成膜温度の関係から下部電極をLaドープYBCO、即ち、LaドープYBaCu7−X とし、上部電極をYBCOとしているが、両方を同じLaドープYBCO或いはYBCOで構成しても良いものである。
【0081】
さらには、下部電極及び上部電極は、LaドープYBCO或いはYBCOに限られるものではなく、REBaCu7−X を用いても良いものである。
なお、REBaCu7−X におけるREはPr及びCe以外のランタノイド元素であり、これが単独或いは複数混合してRE:Ba:Cu=1:2:3の比で含まれるものである。
【0082】
また、上記の各実施の形態においては、層間絶縁膜として絶縁性及び平坦性に優れるSrSnOを用いているが、SrSnOに限られるものではなく、LSAT、即ち、〔LaAlO0.3 〔Sr(Al,Ta)O0.7 、MgO、CeO、或いは、SrTiO等を用いても良いものである。
【0083】
また、上記の第1及び第7の実施の形態においては、導電性中間層或いは導電性基板としてNbドープSrTiOを用いているが、NbドープSrTiOに限られるものではなく、ITOを用いても良いものである。
【0084】
また、上記の第2及び第8の実施の形態においては、導電性中間層或いは導電層としてイオンミリングレートの大きなITOを用いているが、ITOに限られるものではなく、NbドープSrTiOを用いても良いものである。
【0085】
また、上記の第4の実施の形態においては、コンタクト層としてAuを用い、第6の実施の形態においてはコンタクト層としてAgを用いているが、Auを用いるかAgを用いるかは任意である。
【0086】
また、上記の各実施の形態においては、絶縁性の基板として、MgOを用いているが、MgOに限られるものではなく、LSAT、即ち、〔LaAlO0.3 〔Sr(Al,Ta)O0.7 或いはSrTiO等を用いても良いものである。
【0087】
また、上記の各実施の形態においては、YBCO膜及びSrSnOの堆積に際してレーザ蒸着法を用いているが、レーザ蒸着法に限られるものではなく、スパッタ法を用いても良いものである。
【0088】
また、上記の各実施の形態においては、ダメージ層を形成するためにArイオンを照射しているが、Arイオンに限られるものではなく、Ne,Kr,Xe等の他の希ガスイオンを照射しても良いものである。
【0089】
上記各実施の形態においては、シャント抵抗を有するランプエッジ接合を用いた超伝導接合回路の用途については言及していないが、通信用ルーター、サーバー、AD変換器、磁束計(SQUID)、サンプラー等の通信、コンピューター、計測の各分野において用いられるものである。
【0090】
ここで、再び、図1を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図1参照
(付記1) 酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を構成する上部電極4のランプ乗り越え部分5と下部電極2との間に、導電性の中間層3を設けたことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
(付記2) 上記導電性の中間層3が、上記上部電極4のランプ乗り越え部分5と投影的に同一の形状に加工されていることを特徴とする付記1記載のシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
(付記3) 酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を構成する上部電極4のランプ乗り越え部分5と下部電極2との間を、層間絶縁層と上記上部電極4の接合面とは反対側の斜面に沿って設けられた抵抗層で接続したことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
(付記4) 酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を、上部電極4のランプ乗り越え部分5と層間絶縁層とを除去した平坦構造で構成するとともに、平坦化された上部電極4と下部電極2との間を抵抗層で接続したことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
(付記5) 上記抵抗層が、Pdから構成されることを特徴とする付記3または4に記載のシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
(付記6) 上記抵抗層が、その酸化物が絶縁体となる導電材料から構成されるとともに、前記抵抗層と上部電極4及び下部電極2との間に接触抵抗を低減するためのバッファー層を設けたことを特徴とする付記3または4に記載のシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
(付記7) 酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を形成する下地として導電性の材料を用いたことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
(付記8) 上記導電性の下地を、上記ランプエッジ接合部分に合わせた形状にするとともに、絶縁性の基板1の上に設けたことを特徴とする付記7記載のシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。
【0091】
【発明の効果】
本発明によれば、酸化物超伝導体からなるランプエッジ接合をシャント抵抗を用いてシャントしているので、通信、コンピューター、計測の各分野で有用な20GHz以上の高速動作が可能な超伝導接合を提供することができ、高温超伝導回路装置の発展に貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】4.2KにおけるSFQパルス幅の臨界電流密度依存性の説明図である。
【図3】30KにおけるSFQパルス幅の臨界電流密度依存性の説明図である。
【図4】ヒステリシスをゼロにするシャント抵抗値の臨界電流密度依存性の説明図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図7】本発明の第3の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図8】本発明の第4の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図9】本発明の第5の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図10】本発明の第6の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図11】本発明の第7の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図12】本発明の第8の実施の形態のランプエッジ接合の概略的斜視図である。
【図13】従来の表面改質型のランプエッジ接合の説明図である。
【図14】従来の高温超伝導ランプエッジ接合のI・R積とヒステリシスの臨界電流密度J依存性の説明図である。
【符号の説明】
1 基板
2 下部電極
3 導電性の中間層
4 上部電極
5 ランプ乗り越え部分
6 障壁層
11 MgO基板
12 下部電極層
13 導電性中間層
14 ランプ傾斜面
15 ダメージ層
16 上部電極層
17 ランプ乗り越え部
18 導電性中間層
19 層間絶縁膜
20 傾斜面
21 抵抗層
22 コンタクト層
23 コンタクト層
24 抵抗層
25 コンタクト層
26 コンタクト層
27 導電性基板
28 導電層
51 MgO基板
52 下部電極
53 絶縁層
54 ダメージ層
55 上部電極
56 ランプ乗り越え部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-temperature superconducting junction device having a shunt resistance. For example, a high-temperature superconducting single flux quantum (communication router, server, AD converter, sampler, etc.) used in the fields of communication, computer, and measurement ( The present invention relates to a high-temperature superconducting junction device having a shunt resistance characteristic of a configuration for driving a ramp edge type superconducting junction constituting an SFQ (Single Flux Quantum) circuit at an optimum critical current density.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high-temperature oxide superconductors typified by yttrium-based superconductors exhibit a superconducting state at a temperature higher than the liquid nitrogen temperature, and therefore have a cooling mechanism compared to conventional metal-based superconductors that require cooling with liquid He. Therefore, various applications to sensors, logic circuits, and the like are expected (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
Since such an oxide high-temperature superconductor has a property that a superconducting current easily flows along a Cu-O plane composed of Cu and O in a crystal, it is parallel to the Cu-O plane. A structure in which the junction crosses in the direction is desirable. For this reason, a lamp edge junction has been proposed as a superconducting junction used in a high-temperature superconducting device.
[0004]
As such a ramp edge junction, there are known a type in which a barrier layer is formed of a deposited film and a type in which the surface is modified by ion implantation to form a barrier layer (for example, Patent Document 2). The surface-modified lamp edge bonding will be described with reference to FIG.
[0005]
Refer to FIG.
FIG. 13A is a schematic perspective view of a conventional surface-modified lamp edge junction. First, a La-doped YBCO (YBa) is formed on a MgO substrate 51 by using a pulse laser deposition method.2Cu3O7-x) And SrSnO serving as an interlayer insulating film3After sequentially depositing the insulating layer 53, a resist is applied, patterned by exposure and development to form a resist pattern (not shown), and then irradiated with Ar ions using the resist pattern as a mask. A lamp edge structure is formed by performing ion milling.
[0006]
Next, Ar ions are irradiated again to form a damage layer 54 at the lamp edge portion to form a barrier layer. Then, an upper electrode 55 made of YBCO is deposited again using a pulse laser deposition method, and then ion milling is performed. By forming the ramp overpass portion 56, the basic configuration of the ramp edge joining is completed.
[0007]
Refer to FIG.
FIG. 13B is a current-voltage characteristic diagram of the lamp edge junction, and shows a characteristic called an overdump type as shown in the figure. Unlike the Nb superconducting junction operated at a low temperature, the hysteresis in the current-voltage characteristic is shown in FIG. Is sufficiently small.
[0008]
Among the superconducting circuits configured using such a ramp edge junction, the single flux quantum (SFQ) circuit has a feature that it operates at an ultra-high speed and low energy, and is a high-temperature superconductor and an SFQ circuit. In a superconducting loop including a ramp edge junction existing in a circuit, that is, a Josephson junction, the inductance L of the loop and the critical current value I of the Josephson junction are designed.cProduct (L × IcProduct) is 1 quantum flux Φ0Or Φ0It is necessary to design to satisfy the condition of / 2.
[0009]
In this case, the critical current density J of the junction used in the SFQ circuitcIncreases the critical current IcAnd normal resistance RnProduct of I and Ic・ RnProduct increases, τ = Φ0/ Ic・ Rn0= 2.07 × 10-15It is said that the width of the SFQ pulse given by wb) becomes smaller, and higher speed operation becomes possible.
[0010]
In this case, as described above, since the hysteresis in the current-voltage characteristics of the ramp edge junction is sufficiently small, the ramp edge junction is used as it is for fabricating the SFQ circuit, and the structure shunted by the resistor at the ramp edge junction is completely studied. It wasn't.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2000-353831 A
[Patent Document 2]
JP 2001-244511 A
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a result of diligent research by the inventor, the critical current density JcAs the hysteresis increases, the phenomenon that the hysteresis also increases becomes prominent. This increase in hysteresis tends to reduce the bias margin of the SFQ circuit. If the hysteresis exceeds 10%, the circuit operation becomes difficult and the circuit becomes complicated. It became clear that it became impossible to operate.
[0013]
See FIG.
FIG. 14 shows the I of a conventional high-temperature superconducting lamp edge junction.c・ RnCritical current density J of product and hysteresiscIt is explanatory drawing of dependence, Ic・ RnThe product is the critical current density JcIs proportional to the power of 0.3 (Ic・ Rn∝Jc 0.3).
[0014]
In addition, the McCamber parameter β, which is one of the indexes representing hysteresiscIs
βc∝Jc 0.3/ [Ln (a) -ln (Jc)]
Where hysteresis is the critical current density JcAs it increases, it increases rapidly.
Here, ln means logarithm, a is a physical quantity including the barrier height of the junction,
a = (4πε0εr/ H) x (2mφ)1/2
It is represented by
Where εrIs the barrier dielectric constant, m is the electron mass, and φ is the barrier height.
[0015]
Therefore, an object of the present invention is to enable a stable operation of a superconducting circuit using a lamp edge junction.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a block diagram showing the principle of the present invention, and FIGS. 2 and 3 show critical current densities J of SFQ pulse widths.cFIG. 4 is a diagram illustrating the dependency, and FIG. 4 illustrates the critical current density J of the shunt resistance value that makes the hysteresis zero.cIt is explanatory drawing of dependence, The means for solving the subject in this invention is demonstrated with reference to this FIG. 1 thru | or FIG.
In addition, the code | symbol 6 in a figure is a barrier layer.
See Figure 1
In order to achieve the above object, the present invention provides a high temperature superconducting junction device having a shunt resistance, wherein the lamp overpass portion 5 and the lower electrode 2 of the upper electrode 4 constituting the lamp edge junction using the oxide superconductor. A conductive intermediate layer 3 is provided between the two.
[0017]
In this way, by providing the conductive intermediate layer 3 between the lamp crossing portion 5 of the upper electrode 4 and the lower electrode 2 and shunting the lamp edge junction, the hysteresis is reduced and ideally zero. Thus, a stable operation of a superconducting junction circuit such as an SFQ circuit becomes possible.
[0018]
Also, the hysteresis is zero with the shunt resistance, that is, the McCamber parameter βcIs maintained at 1, the critical current density JcSince there is an optimum value that makes the circuit operation the fastest, the critical current density JcBy optimizing, higher speed operation becomes possible.
[0019]
See Figure 2
FIG. 2 shows the critical current density J of SFQ pulse width at 4.2K.cIt is explanatory drawing of dependence and shunt resistance RsIs not provided, the SFQ pulse width is the critical current density JcDecreases with increasing, but βc= 1, the critical current density J at which the SFQ pulse width is minimizedcIs understood to exist.
That is, the optimum critical current density J for high-speed operationcWill exist.
[0020]
See Figure 3
FIG. 3 shows the critical current density J of SFQ pulse width at 30K.cIt is explanatory drawing of dependence and shunt resistance RsIs not provided, the SFQ pulse width is the critical current density JcDecreases with increasing, but βc= 1, the critical current density J at which the SFQ pulse width is minimizedcAnd the critical current density JcIt is understood that the SFQ pulse width increases rapidly as the value increases.
[0021]
See Figure 4
Figure 4 shows zero hysteresis (βc= 1) Critical current density J of shunt resistance valuecIt is explanatory drawing of dependence, and the shunt resistance value which makes a hysteresis zero is critical current density JcAs the temperature increases, the reduction rate increases.
[0022]
As described above, when the conductive intermediate layer 3 is provided between the lamp overpassing portion 5 of the upper electrode 4 and the lower electrode 2, the conductive intermediate layer 3 is projected onto the lamp overpassing portion 5 of the upper electrode 4. By using the same shape, the shunt resistance value can be set with high accuracy.
[0023]
Further, as a configuration for shunting the lamp edge junction, the ramp edge junction is provided between the ramp-over portion 5 of the upper electrode 4 and the lower electrode 2 along a slope opposite to the junction surface of the interlayer insulating layer and the upper electrode 4. It is possible to connect with a resistance layer, and various materials can be selected as the shunt resistance.
[0024]
Alternatively, a flat structure in which the lamp crossing portion 5 of the upper electrode 4 and the interlayer insulating layer are removed is formed, and the planarized upper electrode 4 and lower electrode 2 are connected by a resistance layer and shunted. In addition, the resistance value can be controlled by the thickness of the resistance layer, and the contact area can be increased to reduce the contact resistance.
[0025]
The resistance layer in the above case is preferably composed of Pd having a resistivity suitable as a shunt resistor.
Pd is a noble metal and has excellent oxidation resistance.
[0026]
Alternatively, the resistance layer may be made of a conductive material whose oxide is an insulator, for example, Ti which is used as a resistance in a conventional superconducting circuit, thereby improving controllability.
In order to reduce the contact resistance, it is necessary to provide a buffer layer between the resistance layer and the upper electrode 4 and the lower electrode 2.
[0027]
Furthermore, the lamp edge junction may be shunted by using a conductive material as a base for forming the lamp edge junction using the oxide superconductor. This is an advantageous structure when forming a wiring layer.
[0028]
In this case, it is desirable that the conductive base is shaped to match the lamp edge joint portion and provided on the insulating substrate 1, and is particularly necessary when various circuits are manufactured.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, with reference to FIG. 5, the surface-modified lamp edge bonding according to the first embodiment of the present invention will be described.
See Figure 5
FIG. 5 is a schematic perspective view of the lamp edge bonding according to the first embodiment of the present invention. First, the thickness is formed on the MgO substrate 11 using a laser deposition method (PLD: Pulse Laser Deposition). For example, 200 nm La-doped YBCO (YBa2Cu3O7-x) And a Nb-doped SrTiO having a thickness of, for example, 300 nm3A conductive intermediate layer 13 is sequentially deposited.
This Nb-doped SrTiO3The Nb doping amount in is set to 0.001 wt%.
[0030]
Next, Ar ions are irradiated using the resist pattern (not shown) as a mask to pattern the lower electrode 12 and the conductive intermediate layer 13 into a predetermined shape, and Ar ions are then used as a new resist pattern (not shown) as a mask. The conductive intermediate layer 13 is further patterned into a predetermined shape by irradiation.
[0031]
Next, using a new resist pattern (not shown) as a mask, Ar ions are irradiated from an oblique direction, thereby etching the exposed portions of the conductive intermediate layer 13 and the lower electrode 12 to form the ramp inclined surface 14. .
[0032]
Next, after removing the resist pattern, the damage layer 15 is formed on the ramp inclined surface 14 by irradiating Ar ions from the direction perpendicular to the substrate surface.
[0033]
Next, the upper electrode 16 made of YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is deposited on the entire surface using the PLD method, and then irradiated with Ar ions using a resist pattern (not shown) as a mask. By using the upper electrode 16 having the lamp crossing portion 17, the basic structure of the lamp edge bonding is completed.
[0034]
At this time, the size of the ramp overpass 17 is, for example, 5 μm wide and 3 μm long.
Further, since the deposition temperature of YBCO is lower than that of La-doped YBCO, the influence of the deposition process of the upper electrode 16 on the already formed configuration of the lower electrode 12 and the like can be reduced.
[0035]
As described above, in the first embodiment of the present invention, the shunt resistor is configured only by changing the interlayer insulating film in the conventional lamp edge structure to the conductive intermediate layer. Without changing to, the hysteresis becomes zero and stable circuit operation becomes possible.
[0036]
Also, the critical current density J at which the SFQ pulse width is minimizedcThe superconducting circuit can be operated at high speed by applying.
[0037]
Note that the magnitude of the shunt resistance in the first embodiment of the present invention is controlled by the conductivity of the conductive intermediate layer 13, the layer thickness, the size of the lamp overpass 17 and the like.
However, the resistance material selection range is narrow and suitable for high-resistance shunts.
[0038]
Next, with reference to FIG. 6, a surface-modified lamp edge junction according to a second embodiment of the present invention will be described.
See FIG.
FIG. 6 is a schematic perspective view of a lamp edge junction according to the second embodiment of the present invention. First, a La-doped YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is formed on the MgO substrate 11 by using the PLD method. (YBa2Cu3O7-x) And a conductive intermediate layer 18 made of ITO having a thickness of 300 nm, for example, are sequentially deposited.
The amount of Sn doping in this ITO is 0.001 wt%.
[0039]
Next, Ar ions are irradiated using the resist pattern (not shown) as a mask to pattern the lower electrode 12 and the conductive intermediate layer 18 into a predetermined shape, and Ar ions are then used as a new resist pattern (not shown) as a mask. By irradiating from an oblique direction, the exposed portions of the conductive intermediate layer 18 and the lower electrode 12 are etched to form the ramp inclined surface 14.
[0040]
Next, after removing the resist pattern, the damage layer 15 is formed on the ramp inclined surface 14 by irradiating Ar ions from the direction perpendicular to the substrate surface.
[0041]
Next, the upper electrode 16 made of YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is deposited on the entire surface using the PLD method, and then irradiated with Ar ions using a resist pattern (not shown) as a mask. By using the upper electrode 16 having the lamp crossing portion 17, the basic structure of the lamp edge bonding is completed.
At this time, the size of the ramp overpass 17 is, for example, 5 μm wide and 3 μm long.
[0042]
Subsequently, the exposed portion of the conductive intermediate layer 18 made of ITO is etched away by irradiation with Ar ions.
At this time, since the milling rate of ITO is very large, patterning can be performed without damaging the lower electrode 12 and the like.
[0043]
In this way, in the second embodiment of the present invention, the shape of the conductive intermediate layer 18 is projected in the same manner as the shape of the lamp crossing portion 17 in a projective manner. The resistance value of the shunt resistor consisting of 18 can be set more accurately.
[0044]
Next, with reference to FIG. 7, a surface-modified lamp edge junction according to a third embodiment of the present invention will be described.
See FIG.
FIG. 7 is a schematic perspective view of a lamp edge junction according to the third embodiment of the present invention. First, a La-doped YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is formed on the MgO substrate 11 by using the PLD method. (YBa2Cu3O7-x) And a SrSnO having a thickness of, for example, 300 nm3An interlayer insulating film 19 made of is sequentially deposited.
This SrSnO3Has good crystal matching with YBCO, and cracks are less likely to occur compared to other interlayer insulating films, resulting in excellent insulation and flatness.
[0045]
Next, Ar ions are irradiated using a resist pattern (not shown) as a mask to pattern the lower electrode 12 and the interlayer insulating film 19 into a predetermined shape, and then Ar ions are obliquely used using a new resist pattern (not shown) as a mask. By irradiating from the direction, the exposed portion of the interlayer insulating layer 19 and the lower electrode 12 is etched to form the ramp inclined surface 14.
[0046]
Next, after removing the resist pattern, the damage layer 15 is formed on the ramp inclined surface 14 by irradiating Ar ions from the direction perpendicular to the substrate surface.
[0047]
Next, the upper electrode 16 made of YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is deposited on the entire surface using the PLD method, and then irradiated with Ar ions using a resist pattern (not shown) as a mask. By using the upper electrode 16 having the lamp crossing portion 17, the basic structure of the lamp edge bonding is completed.
[0048]
Subsequently, SrSnO is irradiated by irradiating Ar ions.3The exposed portion of the interlayer insulating film 19 made of is removed by etching.
At this time, on the side opposite to the ramp inclined surface 14, the inclined surface 20 is formed by irradiating Ar ions from an oblique direction.
[0049]
Next, by using a mask vapor deposition method using a metal mask, the thickness of the resistor layer 21 made of Pd having a thickness of, for example, 100 nm is extended along the inclined surface 20 so that the lamp crossing portion 17 and the lower electrode 12 become contact portions. As a result, a lamp edge junction having a shunt resistor is completed.
[0050]
As described above, in the third embodiment of the present invention, the shunt resistor is formed by the resistor layer pattern. Therefore, various materials can be selected as the resistor material, which is particularly suitable when it is desired to combine with a small resistance. It becomes.
In this case, since Pd is a noble metal, it is excellent in oxidation resistance and has a resistivity that is about an order of magnitude higher than that of Au, which is the same noble metal, and thus is suitable as a resistance material.
[0051]
Next, a surface-modified lamp edge junction according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8, except that the configuration of the shunt resistor is different from that of the third embodiment. Since they are similar, only the differences will be described.
See FIG.
FIG. 8 is a schematic perspective view of a lamp edge junction according to the fourth embodiment of the present invention.3The exposed portion of the interlayer insulating film 19 is etched away, and the inclined surface 20 is formed on the opposite side of the ramp inclined surface 14, and then the thickness is, for example, 50 nm using a mask vapor deposition method using a metal mask. The contact layers 22 and 23 made of Au are formed.
[0052]
Next, by using a mask vapor deposition method using a new metal mask, a resistance layer 24 made of Ti having a thickness of, for example, 100 nm is in contact with the contact layers 22 and 23 and is provided along the inclined surface 20 to provide a shunt. A lamp edge junction with resistance is completed.
[0053]
Thus, in the fourth embodiment of the present invention, Ti, which is widely used as a resistance material in the conventional superconducting circuit field, is used, so that controllability is improved and a shunt resistance of several Ω is achieved. It is suitable as.
However, since Ti is easily oxidized, it is necessary to provide contact layers 22 and 23 made of a noble metal such as Au as described above to suppress an increase in contact resistance.
[0054]
Next, with reference to FIG. 9, a surface-modified lamp edge junction according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
See FIG.
FIG. 9 is a schematic perspective view of the lamp edge junction according to the fifth embodiment of the present invention. First, a La-doped YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is formed on the MgO substrate 11 by using the PLD method. (YBa2Cu3O7-xThe lower electrode 12 is deposited.
[0055]
Next, using the resist pattern (not shown) as a mask, Ar ions are irradiated to pattern the lower electrode 12 into a predetermined shape, and at one end, Ar ions are irradiated from an oblique direction to form the ramp inclined surface 14. .
[0056]
Next, after removing the resist pattern, the damage layer 15 is formed on the ramp inclined surface 14 by irradiating Ar ions from the direction perpendicular to the substrate surface.
[0057]
Next, the upper electrode 16 made of YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is deposited on the entire surface using the PLD method, and then irradiated with Ar ions using a resist pattern (not shown) as a mask. An upper electrode 16 having a lamp overpass (not shown) is formed.
[0058]
Then Al2O3The surface is flattened by polishing until the ramp overpass formed on the lower electrode 12 is completely removed by a mechanical polishing method using particles.
[0059]
Next, a lamp edge having a shunt resistance is provided by providing a resistance layer 21 made of Pd having a thickness of, for example, 100 nm so as to straddle the lower electrode 12 and the upper electrode 16 using a mask vapor deposition method using a metal mask. Joining is complete.
[0060]
Thus, in the fifth embodiment of the present invention, the resistance value can be controlled by the thickness of the resistance layer 21 and the contact area can be increased to reduce the contact resistance.
[0061]
Next, a surface-modified lamp edge junction according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10, except that the configuration of the shunt resistor is different from that of the fifth embodiment. Since they are similar, only the differences will be described.
See FIG.
FIG. 10 is a schematic perspective view of a lamp edge joint according to the sixth embodiment of the present invention.2O3By polishing until the ramp overpass formed on the lower electrode 12 is completely removed by mechanical polishing using particles, the surface is flattened, and then using a mask vapor deposition method using a metal mask, For example, contact layers 25 and 26 made of Ag having a thickness of 50 nm are formed.
[0062]
Next, by using a mask vapor deposition method using a new metal mask, a resistance layer 24 made of Ti having a thickness of, for example, 100 nm is brought into contact with the contact layers 25 and 26 and extends over the lower electrode 12 and the upper electrode 16. As a result, a lamp edge junction having a shunt resistor is completed.
[0063]
Thus, in the sixth embodiment of the present invention, Ti, which is widely used as a resistance material in the conventional superconducting circuit field, is used, as in the fourth embodiment. It is suitable as a shunt resistance of several ohms.
[0064]
Next, with reference to FIG. 11, a surface-modified lamp edge bonding according to a seventh embodiment of the present invention will be described.
See FIG.
FIG. 11 is a schematic perspective view of a lamp edge junction according to a seventh embodiment of the present invention. First, Nb-doped SrTiO doped with 0.001 wt% Nb is shown.3For example, a La-doped YBCO (YBa) having a thickness of 200 nm is formed on the conductive substrate 27 made of2Cu3O7-x) And a SrSnO having a thickness of, for example, 300 nm3An interlayer insulating film 19 made of is sequentially deposited.
[0065]
Next, Ar ions are irradiated using the resist pattern (not shown) as a mask to pattern the lower electrode 12 and the interlayer insulating film 19 into a predetermined shape, and then Ar ions are irradiated using a new resist pattern (not shown) as a mask. Then, the interlayer insulating film 19 is further patterned into a predetermined shape.
[0066]
Next, by using a new resist pattern (not shown) as a mask, Ar ions are irradiated from an oblique direction, thereby etching the exposed portions of the interlayer insulating film 19 and the lower electrode 12 to form the ramp inclined surface 14.
[0067]
Next, after removing the resist pattern, the damage layer 15 is formed on the ramp inclined surface 14 by irradiating Ar ions from the direction perpendicular to the substrate surface.
[0068]
Next, the upper electrode 16 made of YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is deposited on the entire surface using the PLD method, and then irradiated with Ar ions using a resist pattern (not shown) as a mask. By using the upper electrode 16 having the lamp overpass 17, a lamp edge junction having a shunt resistance is completed.
At this time, the size of the ramp overpass 17 is, for example, 5 μm wide and 3 μm long.
[0069]
In the seventh embodiment, only the substrate is changed, and other configurations are the same as the conventional one. Therefore, a lamp edge junction having a shunt resistor is manufactured without changing the entire configuration and the manufacturing process. Therefore, the configuration is suitable when a ground plane or a wiring layer is formed on the upper part of the junction.
[0070]
Note that the shunt resistance value in this case needs to be determined by the thickness of the conductive substrate 27 and the doping amount, and the range of material selection becomes narrow as in the first embodiment.
In the case of a high-frequency signal, the current path is interrupted by the impedance, so that the current flows only in the adjacent region and does not spread and spread.
[0071]
Next, with reference to FIG. 12, the surface-modified lamp edge bonding according to the eighth embodiment of the present invention will be described. The basic concept is the same as that of the seventh embodiment. In the seventh embodiment, since the substrate is conductive and the circuit configuration is limited, a conductive layer constituting a shunt resistor is provided as an island region on the insulating substrate.
[0072]
See FIG.
FIG. 12 is a schematic perspective view of a lamp edge junction according to an eighth embodiment of the present invention. First, Sn having a thickness of, for example, 100 nm is 1 wt% on the MgO substrate 11 using the PLD method. After the conductive layer 28 made of doped ITO is deposited, the island pattern is patterned by irradiating Ar ions using a resist pattern (not shown) as a mask.
[0073]
Next, again using the PLD method, a La-doped YBCO (YBa with a thickness of, for example, 200 nm is used.2Cu3O7-x) And a SrSnO having a thickness of, for example, 300 nm3An interlayer insulating film 19 made of is sequentially deposited.
[0074]
Next, Ar ions are irradiated using a resist pattern (not shown) as a mask to pattern the lower electrode 12 and the interlayer insulating film 19 into a predetermined shape so that a part of the conductive layer 28 is exposed at least on one end side. The interlayer insulating film 19 is further patterned into a predetermined shape by irradiating Ar ions with a resist pattern (not shown) as a mask.
[0075]
Next, using the new resist pattern (not shown) exposing one end side as a mask, Ar ions are irradiated from an oblique direction, thereby etching the exposed portions of the interlayer insulating film 19 and the lower electrode 12 and ramp inclination. Surface 14 is formed.
[0076]
Next, after removing the resist pattern, the damage layer 15 is formed on the ramp inclined surface 14 by irradiating Ar ions from the direction perpendicular to the substrate surface.
[0077]
Next, the upper electrode 16 made of YBCO having a thickness of, for example, 200 nm is deposited on the entire surface using the PLD method, and then irradiated with Ar ions using a resist pattern (not shown) as a mask. By using the upper electrode 16 having the lamp overpass 17, a lamp edge junction having a shunt resistance is completed.
At this time, the size of the ramp overpass 17 is, for example, 5 μm wide and 3 μm long.
[0078]
In the eighth embodiment, since the shunt resistor is constituted by the conductive layer 28 made of an island-like region, various arbitrary circuits are constituted even when a ground plane or a wiring layer is formed on the upper part of the junction. It becomes possible to do.
[0079]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made.
For example, in each of the above-described embodiments, the lamp edge bonding is described as the surface-modified bonding, but the present invention is not limited to the surface-modified bonding, and a lamp edge of a type in which the barrier layer is configured by deposition. Needless to say, this also applies to bonding.
The barrier layer in this case is PBCO, that is, PrBa.2Cu3O7-XAnd CeBa2Cu3O7-XOr the like.
[0080]
In each of the above-described embodiments, the lower electrode is made of La-doped YBCO, that is, La-doped YBa, because of the film formation temperature.2Cu3O7-XThe upper electrode is YBCO, but both may be composed of the same La-doped YBCO or YBCO.
[0081]
Furthermore, the lower electrode and the upper electrode are not limited to La-doped YBCO or YBCO.2Cu3O7-XMay be used.
REBa2Cu3O7-XRE is a lanthanoid element other than Pr and Ce, and these are included in a ratio of RE: Ba: Cu = 1: 2: 3 alone or in combination.
[0082]
In each of the above embodiments, SrSnO having excellent insulating properties and flatness as an interlayer insulating film.3SrSnO3Is not limited to LSAT, ie, [LaAlO3]0.3[Sr (Al, Ta) O3]0.7, MgO, CeO2Or SrTiO3Etc. may be used.
[0083]
In the first and seventh embodiments, the Nb-doped SrTiO is used as the conductive intermediate layer or the conductive substrate.3Nb-doped SrTiO3The material is not limited to ITO, and ITO may be used.
[0084]
In the second and eighth embodiments, ITO having a high ion milling rate is used as the conductive intermediate layer or conductive layer. However, the present invention is not limited to ITO, and Nb-doped SrTiO.3May be used.
[0085]
In the fourth embodiment, Au is used as the contact layer, and in the sixth embodiment, Ag is used as the contact layer. However, whether Au or Ag is used is arbitrary. .
[0086]
In each of the above embodiments, MgO is used as the insulating substrate. However, the present invention is not limited to MgO. LSAT, that is, [LaAlO3]0.3[Sr (Al, Ta) O3]0.7Or SrTiO3Etc. may be used.
[0087]
In each of the above embodiments, the YBCO film and SrSnO3Although the laser vapor deposition method is used for the deposition, the method is not limited to the laser vapor deposition method, and a sputtering method may be used.
[0088]
In each of the above embodiments, Ar ions are irradiated to form a damage layer. However, the present invention is not limited to Ar ions, and other rare gas ions such as Ne, Kr, and Xe are irradiated. You can do it.
[0089]
In each of the above embodiments, the application of a superconducting junction circuit using a lamp edge junction having a shunt resistor is not mentioned, but a communication router, server, AD converter, flux meter (SQUID), sampler, etc. It is used in each field of communication, computer, and measurement.
[0090]
Here, the detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG.
Again see Figure 1
(Additional remark 1) The shunt characterized by providing the electroconductive intermediate | middle layer 3 between the lamp | ramp crossing part 5 and the lower electrode 2 of the upper electrode 4 which comprises the lamp edge junction using an oxide superconductor. A high-temperature superconducting bonding apparatus having resistance
(Supplementary note 2) The high-temperature superconductivity having a shunt resistance according to Supplementary note 1, wherein the conductive intermediate layer 3 is processed into the same shape as the projection 5 of the upper electrode 4 over the lamp. Joining device.
(Supplementary Note 3) Between the lamp crossing portion 5 and the lower electrode 2 of the upper electrode 4 constituting the lamp edge junction using the oxide superconductor, the side opposite to the junction surface of the interlayer insulating layer and the upper electrode 4 A high-temperature superconducting bonding apparatus having a shunt resistance, characterized in that it is connected by a resistance layer provided along the slope.
(Supplementary Note 4) The lamp edge junction using the oxide superconductor is constituted by a flat structure in which the lamp crossing portion 5 and the interlayer insulating layer of the upper electrode 4 are removed, and the flattened upper electrode 4 and lower electrode A high-temperature superconducting bonding apparatus having a shunt resistance, wherein a resistance layer is connected between the two.
(Additional remark 5) The said resistance layer is comprised from Pd, The high temperature superconducting joining apparatus which has the shunt resistance of Additional remark 3 or 4 characterized by the above-mentioned.
(Additional remark 6) While the said resistance layer is comprised from the electrically-conductive material from which the oxide becomes an insulator, the buffer layer for reducing contact resistance between the said resistance layer, the upper electrode 4, and the lower electrode 2 is provided. 5. A high-temperature superconducting bonding apparatus having a shunt resistance according to appendix 3 or 4, characterized by being provided.
(Appendix 7) A high-temperature superconducting bonding apparatus having a shunt resistance, characterized in that a conductive material is used as a base for forming a lamp edge junction using an oxide superconductor.
(Supplementary note 8) The high-temperature superconductivity having a shunt resistance according to Supplementary note 7, wherein the conductive base is shaped to match the lamp edge joint portion and provided on the insulating substrate 1 Joining device.
[0091]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the lamp edge junction made of an oxide superconductor is shunted using a shunt resistor, the superconducting junction capable of high-speed operation of 20 GHz or more, which is useful in each field of communication, computer, and measurement. It is possible to provide a high-temperature superconducting circuit device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of dependency of SFQ pulse width on critical current density at 4.2K.
FIG. 3 is an explanatory view of the critical current density dependence of SFQ pulse width at 30K.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the critical current density dependence of the shunt resistance value for making hysteresis zero.
FIG. 5 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic perspective view of lamp edge bonding according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory view of a conventional surface-modified lamp edge bonding.
FIG. 14 shows I of a conventional high-temperature superconducting lamp edge junction.c・ RnCritical current density J of product and hysteresiscIt is explanatory drawing of dependency.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Lower electrode
3 Conductive intermediate layer
4 Upper electrode
5 Over the ramp
6 Barrier layer
11 MgO substrate
12 Lower electrode layer
13 Conductive intermediate layer
14 ramp ramp
15 Damage layer
16 Upper electrode layer
17 Ramp crossing
18 Conductive intermediate layer
19 Interlayer insulation film
20 Inclined surface
21 Resistance layer
22 Contact layer
23 Contact layer
24 resistance layer
25 Contact layer
26 Contact layer
27 Conductive substrate
28 Conductive layer
51 MgO substrate
52 Lower electrode
53 Insulation layer
54 Damage Layer
55 Upper electrode
56 Ramp crossing

Claims (5)

酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を構成する上部電極のランプ乗り越え部分と下部電極との間に、導電性の中間層を設けたことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。A high-temperature superconducting junction device having a shunt resistance, characterized in that a conductive intermediate layer is provided between a lamp crossing portion of an upper electrode constituting a lamp edge junction using an oxide superconductor and a lower electrode. . 上記導電性の中間層が、上記上部電極のランプ乗り越え部分と投影的に同一の形状に加工されていることを特徴とする請求項1記載のシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。2. A high-temperature superconducting bonding apparatus having a shunt resistor according to claim 1, wherein the conductive intermediate layer is processed into the same shape as the projected portion of the upper electrode over the lamp. 酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を構成する上部電極のランプ乗り越え部分と下部電極との間を、層間絶縁層と上記上部電極の接合面とは反対側の斜面に沿って設けられた抵抗層で接続したことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。Provided between the lamp overhanging portion of the upper electrode constituting the lamp edge junction using the oxide superconductor and the lower electrode along the slope opposite to the interlayer insulating layer and the upper electrode junction surface. A high-temperature superconducting junction device having a shunt resistance, characterized by being connected by a resistance layer. 酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を、上部電極のランプ乗り越え部分と層間絶縁層とを除去した平坦構造で構成するとともに、平坦化された上部電極と下部電極との間を抵抗層で接続したことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。The lamp edge junction using the oxide superconductor is configured with a flat structure in which the lamp overhanging portion of the upper electrode and the interlayer insulating layer are removed, and a resistance layer is provided between the flattened upper electrode and lower electrode. A high-temperature superconducting bonding apparatus having a shunt resistance characterized by being connected. 酸化物超伝導体を用いたランプエッジ接合を形成する下地として導電性の材料を用いたことを特徴とするシャント抵抗を有する高温超伝導接合装置。A high-temperature superconducting junction device having a shunt resistance, wherein a conductive material is used as a base for forming a lamp edge junction using an oxide superconductor.
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