JP2015514322A - 再現可能なステップエッジ型ジョセフソン接合 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に基づくアンチエピタキシャルバッファ層は、基板がHTSL層に対して適合性の結晶構造および格子定数を有する場合でさえも、HTSL層のc軸が、層平面に対して垂直に配向するように作用する。その結果、ステップエッジにおいては原則的に、HTSL層内で結晶粒界が形成されることが保証されている。滑り台形状ステップのエッジでは、基板表面内の屈曲が、HTSL層の結晶構造内における鋭利な屈曲をもたらすため、ジョセフソン接合が生じる。それに対して、基板に基づくエピタキシャル成長の場合、ステップ角度θ<45、好ましくは<19°では、ステップエッジにおいて結晶粒界が生じないため、そこではジョセフソン接合が形成されない。好ましくは薄い、アンチエピタキシャル中間層を用いると、その上、a軸もb軸も層平面内に位置し、層を通る二次元での電流輸送が容易になることが確保される。a軸およびb軸の制御は、面内集合組織化により可能である。
Claims (28)
- 表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板、およびその上に配置された、高温超伝導材料からなる機能層を含む、ジョセフソン接合を有する素子であって、この層が、ステップエッジにおいて、ジョセフソン接合の弱結合を形成する結晶粒界を有する素子において、ステップエッジの両側において、高温超伝導機能層の平面内のaおよび/またはb結晶軸が、基板の集合組織化、および/または少なくとも一つの、基板と高温超伝導機能層との間に配置されたバッファ層の集合組織化により、最大偏差10°で、結晶粒界に対して垂直に配向されていることを特徴とする前記素子。
- 表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板、およびその上に配置された、高温超伝導材料からなる機能層を含む、ジョセフソン接合を有する素子であって、この層が、ステップエッジにおいて、ジョセフソン接合の弱結合を形成する結晶粒界を有する素子において、高温超伝導機能層が、集合組織化された基板上、および/または基板と高温超伝導機能層との間に配置された集合組織化されたバッファ層上にグラフォエピタキシャルに成長しており、かつ、集合組織化により、ステップエッジの両側において、高温超伝導機能層の平面内のaおよび/またはb結晶軸が、最大偏差10°で、結晶粒界に対して垂直に配向されていることを特徴とする前記素子。
- 高温超伝導機能層と基板との間に、アンチエピタキシャル(antiepitaktisch)バッファ層が配置されており、このアンチエピタキシャルバッファ層が、非晶質であるか、または基板および/もしくは高温超伝導機能層に対してエピタキシー適合性(epitaxiekompatible)でない結晶構造を有するため、高温超伝導機能層のc軸が、最大偏差10°で、この層の平面に対して垂直に立っていることを特徴とする、請求項1〜2のいずれか一つに記載の素子。
- アンチエピタキシャルバッファ層が10nm以下、好ましくは1nm以下、特に好ましくは0.5nm以下の厚さを有することを特徴とする、請求項3に記載の素子。
- アンチエピタキシャルバッファ層の層平面内のそれぞれの格子定数が、高温超伝導機能層の格子定数cのそれぞれの整数倍または約数よりも、高温超伝導機能層の平面内の格子定数aおよびbに近いことを特徴とする、請求項3〜4のいずれか一つに記載の素子。
- アンチエピタキシャルバッファ層が集合組織化されていることを特徴とする、請求項3〜5のいずれか一つに記載の素子。
- 基板とアンチエピタキシャルバッファ層との間に、またはアンチエピタキシャルバッファ層と高温超伝導機能層との間に、もう一つの集合組織化されたバッファ層が配置されていることを特徴とする、請求項3〜6のいずれか一つに記載の素子。
- 集合組織化されたバッファ層が、唯一のバッファ層として、基板と高温超伝導機能層との間に直接配置されていることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一つに記載の素子。
- 集合組織化されたバッファ層が、少なくとも20%、好ましくは少なくとも50%、特に好ましくは少なくとも100%だけ、アンチエピタキシャルバッファ層よりも厚いことを特徴とする、請求項7に記載の素子。
- 集合組織化されたバッファ層が、10nm以下、好ましくは1nm以下、特に好ましくは0.5nm以下の厚さを有することを特徴とする、請求項7〜9のいずれか一つに記載の素子。
- 集合組織化されたバッファ層がその平面内に、高温超伝導機能層の層平面内の軸aまたはbの一つに沿った格子定数の90%から100%の間である、格子定数を有することを特徴とする、請求項7〜10のいずれか一つに記載の素子。
- 集合組織化が、平均高度ないしは平均深度が1nmから10nmの間にある、好ましくは1nmから5nmの間にある隆起部および/または陥凹部を含むことを特徴とする、請求項7〜11のいずれか一つに記載の素子。
- ステップエッジにおける基板の曲率半径が、10nm以下、好ましくは5nm以下、特に好ましくは1nm以下であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一つに記載の素子。
- ステップエッジが、平坦表面領域を曲線状表面領域から分離することを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一つに記載の素子。
- 曲線状領域の曲率半径が、10nm以上、好ましくは100nm以上、特に好ましくは1μm以上であることを特徴とする、請求項14に記載の素子。
- ステップが、第一の配向を有する、基板の二つの平坦領域を分離し、これらの平坦領域に対して、その上の高温超伝導機能層が、異なっているが、ステップの領域にある一定の、基板の結晶配向をとるように傾いていることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一つに記載の素子。
- 基板の表面が、ステップエッジにおいて、20°から60°の間、好ましくは30°から50°の間、特に好ましくは35°から45°の間の角度だけ屈曲していることを特徴とする、請求項1〜16のいずれか一つに記載の素子。
- 集合組織化が長方形状または線状であることを特徴とする、請求項1〜17のいずれか一つに記載の素子。
- 基板が集合組織化されており、基板と高温超伝導機能層との間には、機能層の材料からなるもう一つのシード層が配置されており、集合組織化により、ステップエッジの両側において、シード層の平面内のaおよび/またはb結晶軸が、最大偏差10°で、結晶粒界に対して垂直に配向されており、シード層と高温超伝導機能層との間には、基板の少なくとも一つの金属元素または半導体元素に対して不透過性であるバリア層が配置されていることを特徴とする、請求項1〜18のいずれか一つに記載の素子。
- シード層が常伝導性に形成されていることを特徴とする、請求項19に記載の素子。
- シード層が、最大限50nm、好ましくは5から20nmの間の厚さを有することを特徴とする、請求項19〜20のいずれか一つに記載の素子。
- シード層が、機能層の厚さの最大限1/3の厚さを有することを特徴とする、請求項19〜21のいずれか一つに記載の素子。
- バリア層が、1nmから1μmの間、好ましくは10nmから100nmの間、特に好ましくは20nmから40nmの間の厚さを有することを特徴とする、請求項19〜22のいずれか一つに記載の素子。
- バリア層がぺロブスカイト構造を有することを特徴とする、請求項19〜23のいずれか一つに記載の素子。
- 請求項1〜24のいずれか一つに記載の少なくとも一つの素子を特徴とする、THz波の検出器もしくは発生器または超伝導量子干渉計、SQUID。
- 表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板から、ジョセフソン接合を含む素子を製造する方法であって、高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、高温超伝導機能層が、ステップエッジの両側に延在することになる方法において、基板が集合組織化される、および/または集合組織化されたバッファ層が基板上に付着され、続いて、高温超伝導機能層が、グラフォエピタキシーの過程で付着されるため、高温超伝導機能層が、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、そのa軸および/またはb軸が、集合組織化により、最大偏差10°で、結晶粒界に対して垂直に配向されることを特徴とする方法。
- 表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板から、ジョセフソン接合を含む素子を製造する方法であって、高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、高温超伝導機能層が、ステップエッジの両側に延在することになる方法において、
以下の工程段階:
・基板を集合組織化する工程;
・続いて、機能層の材料からなるシード層を、グラフォエピタキシーの過程で付着させるため、シード層が、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、そのa軸および/またはb軸は、集合組織化により、最大偏差10°で、結晶粒界に対して垂直に配向される工程;
・続いて、基板の少なくとも一つの金属元素または半導体元素に対して不透過性であるバリア層が、シード層に対してエピタキシャルに付着される工程;
・続いて、高温超伝導機能層が、バリア層に対してエピタキシャルに付着される工程
を特徴とする方法。 - 高温超伝導機能層またはシード層を付着させる前に、非晶質であるか、または基板および/もしくは高温超伝導機能層ないしはシード層に対してエピタキシー適合性でない結晶構造を有するアンチエピタキシャルバッファ層を付着させることにより、高温超伝導機能層またはシード層のc軸の配向が、基板の配向から切り離されることを特徴とする、請求項26〜27のいずれか一つに記載の方法。
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