JP3167768B2 - Grain boundary Josephson device and method of manufacturing the same - Google Patents

Grain boundary Josephson device and method of manufacturing the same

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JP3167768B2 JP35794991A JP35794991A JP3167768B2 JP 3167768 B2 JP3167768 B2 JP 3167768B2 JP 35794991 A JP35794991 A JP 35794991A JP 35794991 A JP35794991 A JP 35794991A JP 3167768 B2 JP3167768 B2 JP 3167768B2
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン接合を利
用した薄膜ジョセフソン素子、例えばスクイド、ミクサ
ー、ジョセフソンFETなどを構成する場合のジョセフ
ソン素子及びその製造法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Josephson device for forming a thin-film Josephson device using a Josephson junction, for example, a squid, a mixer, a Josephson FET, and the like, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】液体窒素温度以上で超伝導特性を示すY
系、Bi系、Tl系などの酸化物高温超伝導体が発見さ
れ、レーザーアブレージョン法、CVD法、スパッター
法、蒸着法など様々な方法による薄膜作製技術の研究と
共に、この薄膜を利用したジョセフソン素子の実用化技
術も多くの研究機関で研究開発が進められている。しか
し、高温超伝導体は、そのコヒーレント長が、従来材料
である金属超伝導体にくらべて短く、そのために、積層
型のトンネルバリアー、薄膜型の弱接合どちらの形成も
技術的に困難が多い。
2. Description of the Related Art Y which exhibits superconductivity above the temperature of liquid nitrogen
Oxide, high-temperature superconductors, such as Bi-based and Tl-based, have been discovered, along with research on thin-film fabrication techniques by various methods such as laser abrasion, CVD, sputtering, and vapor deposition, and Josephson using this thin-film. Research and development of technology for practical use of devices is also being pursued by many research institutions. However, high-temperature superconductors have a shorter coherence length than metal superconductors, which are conventional materials. For this reason, it is technically difficult to form both a stacked tunnel barrier and a thin-film weak junction. .

【0003】現在までに、ジョセフソン効果の観測が報
告されているものは、ポイントコンタクト型と、粒界接
合型、そして最近では、エッジ接合型の素子がそれに加
わったのみである。この中で、ポイントコンタクト型で
は、Nbの針と酸化物超伝導体との組合せのものが今ま
でに報告されているが、この場合には4.2Kでの動作
に限定され、又、酸化物超伝導体を針として用いた場合
には、針の先端に尖った形状が要求されるためセラミク
ス材料では機械強度に問題があり、コンタクト部分が脆
く、再現性及び安定性に問題があった。次に、最も多く
報告されている粒界接合を用いたブリッジ型のもので
は、自然形成の結晶粒界を使用しているものがほとんど
で、成膜条件によって、結晶粒サイズとブリッジサイズ
がそろわなかったり、様々な粒界構造の違いによって、
コンタクト型と同じく再現性及び安定性に問題があっ
た。エッジ接合型の場合でも、基板のエッジ部分でその
上の薄膜に形成される結晶粒界を利用しているものと考
えられており、自然形成粒界型と同様な問題があると思
われる。更に、粒界接合型では、結晶粒界は薄膜全体に
亘って存在しているので、この粒界に補足された磁束の
揺らぎによる雑音のため、液体窒素温度で動作させる場
合、エネルギー分解能が悪いという問題があった。
[0003] Up to now, the observation of the Josephson effect has been reported only to point contact type, grain boundary junction type, and recently, edge junction type devices. Among them, in the point contact type, a combination of an Nb needle and an oxide superconductor has been reported so far, but in this case, the operation is limited to 4.2K, and the oxidation is not performed. When a superconductor is used as a needle, a sharp shape is required at the tip of the needle, so there is a problem in mechanical strength with ceramic materials, the contact part is brittle, and there are problems in reproducibility and stability. . Next, most of the reported bridge type using grain boundary junctions use naturally formed grain boundaries, and the crystal grain size and bridge size are uniform depending on the film forming conditions. Due to differences in various grain boundary structures
Similar to the contact type, there was a problem in reproducibility and stability. Even in the case of the edge junction type, it is considered that a crystal grain boundary formed in a thin film on the edge portion of the substrate is used, and it is considered that there is a problem similar to that of the naturally formed grain boundary type. Further, in the grain boundary junction type, since the crystal grain boundary exists over the entire thin film, the energy resolution is poor when operating at the temperature of liquid nitrogen due to noise caused by the fluctuation of the magnetic flux captured by the grain boundary. There was a problem.

【0004】更に、粒界接合を用いたブリッジ型素子の
一つとして、ジョセフソンバリアーとして用いる傾角粒
界(ある角度の面内ローテーションをもった結晶粒界)
を人工的に形成する試みがIBMにより研究されてきて
いる。IBMの場合には、YBCO薄膜を用いたジョセ
フソン素子を対象として、YBCOの基底面と比較的格
子整合の良いSrTiO3結晶からなる人工傾角粒界を基板面
内の所定部分に1ケ所だけ持つような基板を作製してい
る。
Further, as one of bridge type devices using a grain boundary junction, an inclined grain boundary used as a Josephson barrier (a crystal grain boundary having an in-plane rotation at a certain angle).
Attempts to artificially form have been studied by the IBM. In the case of IBM, for a Josephson device using a YBCO thin film, there is only one artificial tilt grain boundary made of SrTiO 3 crystal having relatively good lattice matching with the base surface of YBCO at a predetermined portion in the substrate plane. Such a substrate is manufactured.

【0005】ここで、SrTiO3バイクリスタル基板は、表
面は(001)面となっていて、基板を二分している結
晶粒界は上記の傾角粒界となっている。報告されている
論文によると、バイクリスタルは、2個のSrTiO3単結晶
のホットプレス或いは、2個の種結晶からの成長合体に
よって作製されている。そして、この基板の上にYBC
O薄膜を蒸着すると、それぞれの単結晶上にはYBCO
がエピタキシャルに成長するので、単結晶上には傾角粒
界は存在しないが、基板の接合界面上には基板と同じ傾
角粒界がこの場所にのみ形成されることになる。IBM
では、このSrTiO3基板上のYBCO薄膜を用いてdc−SQ
UID(スクイド)を作製し、再現性と、雑音特性の向上
を得ている。また、SrTiO3上YBCOの高い臨界温度
(Tc)を反映して、87KまでのSQUID(スクイド)動
作も確認している。
Here, the surface of the SrTiO 3 bicrystal substrate has a (001) plane, and the crystal grain boundaries that divide the substrate into two are the above-mentioned tilt boundaries. According to reported papers, bicrystals are made by hot pressing two SrTiO 3 single crystals or by growing them together from two seed crystals. And, on this substrate, YBC
When an O thin film is deposited, YBCO is deposited on each single crystal.
Grows epitaxially, so that there is no tilt grain boundary on the single crystal, but the same tilt grain boundary as the substrate is formed only at this position on the bonding interface of the substrate. IBM
Now, the dc-SQ using the YBCO thin film on this SrTiO 3 substrate
A UID (squid) has been fabricated to improve reproducibility and noise characteristics. In addition, SQUID operation up to 87 K has been confirmed, reflecting the high critical temperature (Tc) of YBCO on SrTiO 3 .

【0006】しかし、このdc−SQUID(スクイド)にお
いても、77K、1−10Hzの周波数帯での1/fノイ
ズレベルは、エネルギー分解能〔J/Hz〕の単位で、Mg
O 上の自然粒界型のものに比べると、SrTiO3上のYBC
O薄膜は配向性が向上したためと思われるが、2桁程度
の向上がみられるものの、従来材料のdc−SQUID に比べ
ると、依然として2桁以上高く、従来材料のrf−SQUID
(スクイド)と比べても1桁程度高い値を示している。
77Kでの実用化のためには、l/fノイズ低減のため
の今後の改良が必要である。
However, also in this dc-SQUID (squid), the 1 / f noise level in the 77K, 1-10 Hz frequency band is expressed in units of energy resolution [J / Hz] in units of Mg.
Compared to the natural grain boundary type on O 2 , the YBC on SrTiO 3
It is thought that the orientation of the O thin film was improved, but although the improvement was about two orders of magnitude, it was still more than two orders of magnitude higher than the dc-SQUID of the conventional material and the rf-SQUID of the conventional material.
(Squid) shows a value that is about one digit higher than that of (Squid).
For practical use at 77K, future improvement for reducing 1 / f noise is required.

【0007】上記の様な、SrTiO3を基板材料として用い
たバイクリスタル基板の場合には、ジョセフソン接合の
再現性は向上するものの、ミクサー、電圧標準などのマ
イクロ波応用を考えた場合には、SrTiO3の高い誘電率
と、損失正接のために(誘電率が80Kで1875、損
失正接は80K、1GHz で100)、基板材料としては
誘電損失が大きくなりすぎて実用的ではない。
In the case of a bicrystal substrate using SrTiO 3 as a substrate material as described above, the reproducibility of a Josephson junction is improved, but when a microwave application such as a mixer or a voltage standard is considered, Due to the high dielectric constant of SrTiO 3 and the loss tangent (dielectric constant is 1875 at 80K, loss tangent is 80K, 100 at 1 GHz), the dielectric loss becomes too large for a substrate material, which is not practical.

【0008】又、前記のような2個の単結晶をホットプ
レス等で拡散接合した後基板形状に切り出していくよう
な方法では、作製工程が複雑であるということと、それ
に伴う加工精度不良が起こり易いという欠点があった。
そこで、人工粒界接合ジョセフソンデバイスのための新
たな材料と製作方法によるバイクリスタル基板及びこの
基板上の薄膜ブリッジ型ジョセフソン素子の開発が望ま
れていた。
[0008] In addition, in the above-described method in which two single crystals are diffusion-bonded by hot pressing or the like and then cut into a substrate shape, the manufacturing process is complicated and the processing accuracy is poor. There was a drawback that it easily occurred.
Therefore, it has been desired to develop a bicrystal substrate and a thin-film bridge-type Josephson device on this substrate using a new material and a new manufacturing method for an artificial grain boundary junction Josephson device.

【0009】[0009]

【本発明が解決しようとする課題】前記したように、現
状のSrTiO3バイクリスタル基板を用いた人工粒界接合型
素子においては、自然粒界接合型素子に比べて、再現性
と特性の安定化は向上したといえるが、ジョセフソン素
子の大きな応用分野の一つであるマイクロ波応用に対し
ては、基板材料の大きな誘電損失の問題が残ること、そ
して作製工程が複雑であることを述べた。そこで、本発
明では、従来より半導体デバイス作製で用いられてきた
フォトリソグラフイー技術によるグラフォエピタキシャ
ル基板とマイクロ波応用にも適した人工粒界接合ジョセ
フソン素子及びその製造方法を提供することを課題とし
ている。
[Problems to be Solved by the Invention] As described above, in the present artificial grain boundary junction type device using the SrTiO 3 bicrystal substrate, the reproducibility and the stability of the characteristics are stable compared to the natural grain boundary junction type device. Although it can be said that the technology has been improved, it is stated that the problem of large dielectric loss of the substrate material remains for microwave application, which is one of the major application fields of Josephson devices, and that the fabrication process is complicated. Was. Accordingly, an object of the present invention is to provide a grapho-epitaxial substrate by photolithography technology conventionally used in semiconductor device fabrication, an artificial grain boundary junction Josephson device suitable for microwave applications, and a method of manufacturing the same. And

【0010】[0010]

【問題を解決するための手段とその作用】本発明では、
前記の誘電損失の問題については、基板材料として室
温、1MHzでの誘電率が約12とMgO並の値を持つS
i結晶を用いることで対応する。そして、Si結晶によ
るバイクリスタル基板は、Henry I. Smith等によって
“Appl. Phys. Lett. 35,71(1979)”、“J.
Vac. Sci. Technol. 16、1640(1979)”、
“Appl. Phys. Lett. 37,454(1980)”など
の論文で提唱されたグラフォエピタキシー法を用いて作
製される。グラフォエピタキシー法とは、熱平衡状態に
おいて微結晶体が形成される場合に、結晶面によって表
面エネルギーが異なるために、より表面エネルギーの低
い結晶面をより多く形成する様に結晶化し、その形状は
wulfの定理に従う様な形になるという原理に基づくもの
である。
[Means for Solving the Problems and Their Functions]
Regarding the above-mentioned problem of the dielectric loss, as a substrate material, a dielectric material at room temperature and 1 MHz has a dielectric constant of about 12, which is equivalent to that of MgO.
The use of i-crystals corresponds. A bicrystal substrate made of a Si crystal has been disclosed by Henry I. Smith and others in "Appl. Phys. Lett. 35, 71 (1979)", "J.
Vac. Sci. Technol. 16, 1640 (1979) ",
37, 454 (1980) and the like, using a graphoepitaxy method proposed in a paper such as “Appl. Phys. Lett. 37, 454 (1980)”. With the graphoepitaxy method, when a microcrystal is formed in a thermal equilibrium state, since the surface energy differs depending on the crystal plane, it is crystallized to form more crystal planes with lower surface energy, and the shape is
It is based on the principle that it follows the wulf theorem.

【0011】すなわち、Si結晶の場合には、{10
0}の表面エネルギーが最も低いため、{100}に囲
まれた正六面体が予想され、非晶質基板上への結晶成長
を考えた場合には、正六面体のある一面が基板面と接触
して一軸配向となるが、それ以外の制約は受けないため
面内では乱雑な配向を持つ多結晶膜に成長する。一方
で、非晶質基板上に図1(a)のような断面が矩形の溝
がある場合には溝の側面においても結晶成長の制約を受
けるため、この場合には、面内配向が溝の方向によって
一義的に決定されることになる。ここで、図1(a)の
ように、角度θを持たせて溝を切り込むと、その上に形
成されるSi結晶、つまりSi薄膜も角度θを持った二
つの領域でそれぞれ成長し、その界面では角度θの傾角
粒界が形成される。
That is, in the case of a Si crystal, $ 10
Since the surface energy of {0} is the lowest, a regular hexahedron surrounded by {100} is expected. When crystal growth on an amorphous substrate is considered, one surface of the regular hexahedron comes into contact with the substrate surface. However, since it is uniaxially oriented, it grows into a polycrystalline film having a random orientation in the plane because there is no other restriction. On the other hand, when there is a groove having a rectangular cross section as shown in FIG. 1A on the amorphous substrate, crystal growth is restricted also on the side surface of the groove. Is uniquely determined by the direction. Here, as shown in FIG. 1A, when the groove is cut with an angle θ, a Si crystal formed thereon, that is, a Si thin film also grows in two regions having an angle θ, respectively. At the interface, an inclined grain boundary having an angle θ is formed.

【0012】ここでSi薄膜に対する非晶質基板として
はアモルファスSiO、いわゆる石英ガラス基板など
を用いればよい。この様にして、作製されたグラフオエ
ピタキシャル基板上には、超伝導薄膜として例えばYB
CO薄膜を用いた場合には、相互拡散を防ぐためのジル
コニア層、YBCO薄膜のエピタキシャル成長を助長す
るようなイットリア層などを順次成膜する。これらのジ
ルコニア層、イットリア層等は通常のレーザーアブレー
ジョン法、CVD法、スパッター法、蒸着法等によって
成膜される。
Here, as the amorphous substrate for the Si thin film, an amorphous SiO 2 , so-called quartz glass substrate may be used. A superconducting thin film, for example, YB
When a CO thin film is used, a zirconia layer for preventing mutual diffusion, an yttria layer for promoting the epitaxial growth of the YBCO thin film, and the like are sequentially formed. These zirconia layers, yttria layers, and the like are formed by a usual laser abrasion method, a CVD method, a sputtering method, an evaporation method, or the like.

【0013】Siグラフォエピタキシャル基板の作製に
あたっては、従来法であるグラフォエピタキシャル法を
用いる。すなわち、先ず図1(a)の様なサブミクロン
あるいはミクロンオーダーの溝加工を施した非晶質Si
基板上に同じく非晶質のSi層を形成した後、レー
ザーアニール或いはヒーターアニールなどの熱処理によ
って非晶質Si層を結晶化させる二段階の工程を経て配
向性薄膜が作製される。ここで、Si層の成膜が結晶化
の為に充分高い温度で行われるならば、その後の結晶化
工程を経ずして配向性薄膜がin-situ(その場所)に得
られることになるのであるが、薄膜の表面形状は溝の凹
凸の影響を受けたものとなってしまい、この状態では超
伝導薄膜の基板層としては不適であり、従って、平滑な
基板表面を得るために上記のような二段階工程を経てS
iグラフォエピタキシャル基板が作製されることにな
る。
In manufacturing the Si grapho-epitaxial substrate, a conventional grapho-epitaxial method is used. That is, first, an amorphous Si which has been subjected to submicron or micron order groove processing as shown in FIG.
After similarly forming an amorphous Si layer on an O 2 substrate, an oriented thin film is produced through a two-step process of crystallizing the amorphous Si layer by heat treatment such as laser annealing or heater annealing. Here, if the formation of the Si layer is performed at a temperature sufficiently high for crystallization, the oriented thin film can be obtained in-situ (at that location) without going through the subsequent crystallization step. However, the surface shape of the thin film is affected by the unevenness of the groove, and in this state, it is not suitable as a substrate layer of a superconducting thin film. After a two-step process like this
An iGrafo epitaxial substrate will be produced.

【0014】従来のグラフォエピタキシャル法は、単一
配向のSi層を得るためのものであったが、本発明の場
合には図1のような角度θで交わる2方向の溝を持つ非
晶質SiO基板1層に非晶質Si層3を成膜しその後
の結晶化によって角度θの傾角粒界4を持つSi基板層
5(図2参照)とすることを特徴とするものであり、本
発明ではこれをSiグラフォエピタキシャル基板5と呼
ぶものである。以上のようにして作製されたSiグラフ
ォエピタキシャル基板5の上に1μm以下のYBa2Cu3O7-
薄膜7が通常のレーザーアブレージョン法、スパッター
法、蒸着法等によって成膜される。本発明で使われる薄
膜としては、C軸配向の膜でその面内配向は基板と同一
か、または、ある一定の関係をもって配向しているのが
望ましい。すなわち、グラフォエピタキシャル基板5上
のそれぞれの領域内では、単結晶薄膜であれば理想的で
あり、多結晶薄膜であっても結晶粒の面内配向は全て一
定になっているのが望ましい。さらに、析出物、穴等の
無い良質な膜が望ましく、成膜方法、成膜条件はこの様
な膜が得られるように選ばれる。
The conventional grapho-epitaxial method is for obtaining a single-oriented Si layer. However, in the case of the present invention, an amorphous layer having two-directional grooves intersecting at an angle θ as shown in FIG. An amorphous Si layer 3 is formed on one layer of a porous SiO 2 substrate, and is then crystallized to form a Si substrate layer 5 having a tilt boundary 4 at an angle θ (see FIG. 2). In the present invention, this is called a Si grapho epitaxial substrate 5. On the Si grapho-epitaxial substrate 5 manufactured as described above, the YBa 2 Cu 3 O 7-
The thin film 7 is formed by a usual laser abrasion method, a sputtering method, an evaporation method, or the like. The thin film used in the present invention is preferably a C-axis oriented film whose in-plane orientation is the same as that of the substrate or oriented in a certain relationship. That is, in each region on the grapho-epitaxial substrate 5, a single-crystal thin film is ideal, and even in a polycrystalline thin film, it is desirable that all in-plane orientations of crystal grains are constant. Furthermore, a high-quality film without deposits, holes, etc. is desirable, and the film formation method and conditions are selected so as to obtain such a film.

【0015】YBCO薄膜7は通常のドライエッチング、ウ
ェットエッチング等により、必要とするブリッジ形状に
パターンニングされる。ここで、ブリッジ内にYBCO
薄膜7の傾角粒界が存在しなくてはならない。そして、
ブリッジは、傾角粒界を直交するようにパターンニング
されるのが望ましい。ブリッジ部の幅は10μm 以下、
長さ10μm 以下、厚さ1μm 以下とする。
The YBCO thin film 7 is patterned into a required bridge shape by ordinary dry etching, wet etching or the like. Here, YBCO in the bridge
The tilt boundaries of the thin film 7 must exist. And
Preferably, the bridge is patterned so that the tilt boundaries are orthogonal. The width of the bridge part is 10μm or less,
The length is 10 μm or less and the thickness is 1 μm or less.

【0016】以上のようにして作製された人工粒界ジョ
セフソン素子の略図を図2に示す。
FIG. 2 is a schematic diagram of the artificial grain boundary Josephson device manufactured as described above.

【0017】[0017]

【作用】以上の様に、本発明によれば2個の単結晶の接
合とバイクリスタルブロックの機械加工を行うことな
く、非晶質SiO基板上に所定の角度を持たせた矩形
断面の溝を作るだけで、後は通常の成膜法でSi膜を成
膜し、必要ならば結晶化熱処理を行うことで、簡単にS
iグラフォエピタキシャル基板を作製することができ
る。そして、この基板を用いて、超伝導薄膜の人工粒界
ジョセフソン素子を再現性良く作製することができる。
As described above, according to the present invention, a rectangular cross section having a predetermined angle is formed on an amorphous SiO 2 substrate without joining two single crystals and machining a bicrystal block. By simply forming a groove, a Si film is formed by a normal film forming method, and a crystallization heat treatment is performed if necessary.
An iGrafo epitaxial substrate can be produced. Using this substrate, an artificial grain boundary Josephson device of a superconducting thin film can be produced with good reproducibility.

【0018】[0018]

【実施例】図1に基づいて、Siグラフォエピタキシャ
ル基板1の作製工程から説明する。ここで、グラフォエ
ピタキシャル法によるSiグラフォエピタキシャル基板
の作製は、Smith 等によって1979−1980に報告
された前記文献の方法を一部改良し行った。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS With reference to FIGS. Here, the production of the Si grapho-epitaxial substrate by the grapho-epitaxial method was carried out by partially improving the method of the above-mentioned document reported by Smith et al. In 1979-1980.

【0019】Siウエハーの表面を約1μmの深さに酸
化してSiO層を作り、この表面に図1(a)のよう
に角度θで交差する2方向の溝が掘り込まれる。溝は約
0.5〜2μm の間隔で、約100nmの深さに掘られ、
その断面形状は矩形であり側面は基板1面と直角になる
ように、そして溝底部のコーナー部は5nmR以下になっ
ていることが望ましい。溝の加工方法としては、反応イ
オンエッチング法、化学フォトリソグラフィー法等によ
り行われる。次に、図1(b)のように非晶質Si層3
がCVD法によって約0.5μm 厚さに成膜され、更
に、この非晶質Si層3は、レーザーアニール法、ヒー
ターアニール法等によって大気中或は酸化性雰囲気中
で、1100−1300℃の温度で結晶化される。この
時、Si結晶薄膜は、非晶質基板1上にある溝によって
配向方位が決定され、図1(c)のように二つの領域に
よって分けられるSi結晶薄膜の境界面には角度θの傾
角粒界4が形成されることになる。
The surface of the Si wafer is oxidized to a depth of about 1 μm to form an SiO 2 layer, and two-way grooves intersecting at an angle θ are dug into this surface as shown in FIG. The trenches are dug at intervals of about 0.5-2 μm to a depth of about 100 nm,
It is preferable that the cross-sectional shape is rectangular, the side surface is perpendicular to the surface of the substrate 1, and the corner at the bottom of the groove is 5 nmR or less. The groove is formed by a reactive ion etching method, a chemical photolithography method, or the like. Next, as shown in FIG.
Is formed to a thickness of about 0.5 μm by the CVD method, and the amorphous Si layer 3 is formed at a temperature of 1100 to 1300 ° C. in the air or an oxidizing atmosphere by a laser annealing method, a heater annealing method, or the like. Crystallized at temperature. At this time, the orientation of the Si crystal thin film is determined by the grooves on the amorphous substrate 1, and the boundary surface of the Si crystal thin film divided by the two regions as shown in FIG. Grain boundaries 4 will be formed.

【0020】上記の様な(001)Siグラフォエピタ
キシャル基板5の上には、非晶質Si層の成膜時に形成
されるSiO層があるのでこれを取り除き、更にYS
Z層6、Y2O3層7が順番に成膜される。まず、YBCO
との相互拡散を防ぐYSZ層6であるが、YSZとして
はZrO2+9 mol%Y2O3が用いられて80nmの厚さに成膜
し、次に、この上にY2O3層7を20nmの厚さに成膜し
た。以上のような工程を経て、YBCOジョセフソン素
子用Siグラフォエピタキシャル基板5とバッファー層
であるYSZ層6を作製した。
On the (001) Si grapho-epitaxial substrate 5 as described above, there is an SiO 2 layer formed at the time of forming an amorphous Si layer.
The Z layer 6 and the Y 2 O 3 layer 7 are sequentially formed. First, YBCO
The YSZ layer 6 prevents mutual diffusion with the YSZ. ZrO 2 +9 mol% Y 2 O 3 is used as the YSZ to form a film having a thickness of 80 nm, and then the Y 2 O 3 layer 7 is formed thereon. Was formed into a film having a thickness of 20 nm. Through the above steps, a Si grapho-epitaxial substrate 5 for a YBCO Josephson device and a YSZ layer 6 as a buffer layer were produced.

【0021】本法により得られたSiグラフォエピタキ
シャル基板5上に、レーザーアブレージョン法、CVD
法、スパッタリング法、蒸着法等により、1μm 以下の
厚さのYBCO薄膜8が成膜され、このYBCO薄膜8
を用いて、図2のように、傾角粒界部4を挟んで10μ
m 幅×10μm 長×0.1μm 厚のブリッジ構造をレー
ザーエッチング法によりパターンニングすることによっ
て、人工粒界接合ブリッジ型ジョセフソン素子が作製で
きる。このデバイスは、YBCO薄膜8の人工傾角粒界
4を作る機構において、ホットプレスを用いて単結晶ブ
ロックの拡散接合を行い作製したSrTiO3やSi製のバイ
クリスタル基板を用いたものと本質的に同一であって、
ジョセフソン接合の再現性や特性の安定性は、拡散接合
によるSiバイクリスタル基板の場合に得られたと同
じ、マイクロ波照射に対して良好なジョセフソン応答が
得られると期待される。
A laser abrasion method, a CVD method, and the like are formed on the Si grapho-epitaxial substrate 5 obtained by this method.
A YBCO thin film 8 having a thickness of 1 μm or less is formed by a sputtering method, a sputtering method, an evaporation method, or the like.
As shown in FIG. 2, 10 μm is sandwiched between the inclined grain boundaries 4 as shown in FIG.
An artificial grain boundary junction bridge-type Josephson device can be manufactured by patterning a bridge structure having a width of m × 10 μm and a length of 0.1 μm by laser etching. This device is essentially a mechanism for forming an artificial tilt grain boundary 4 of a YBCO thin film 8 using a bicrystal substrate made of SrTiO 3 or Si produced by diffusion bonding of a single crystal block using a hot press. The same,
The reproducibility and the stability of the characteristics of the Josephson junction are expected to provide a good Josephson response to microwave irradiation, which is the same as that obtained in the case of a Si bicrystal substrate by diffusion bonding.

【0022】[0022]

【効果】本発明により、作製されたSiグラフォエピタ
キシャル基板は人工的にYBCO薄膜の傾角粒界を1個のみ
所定位置に形成するための基板を得るための簡便な方法
として有用であり、この基板を用いて再現性が良く、特
性の制御性の良いジョセフソン接合素子が作製できる。
今まで行われてきた SQUIDとしての応用に加えて、基板
材料として誘電損失の少ないSiやSiOを用いてい
るために、マイクロ波応用に対して適したジョセフソン
素子の提供ができる。
According to the present invention, the Si grapho-epitaxial substrate manufactured according to the present invention is useful as a simple method for obtaining a substrate for artificially forming only one tilt grain boundary of a YBCO thin film at a predetermined position. By using a substrate, a Josephson junction device having good reproducibility and good control of characteristics can be manufactured.
In addition to the conventional SQUID application, the use of Si or SiO 2 with low dielectric loss as the substrate material enables the provision of a Josephson device suitable for microwave applications.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明によるSiグラフォエピタキシャル基板
の作製工程を示す図である。 a:非晶質SiO基板上に溝が掘り込まれた状態を示
す図である。 b:aで示された非晶質SiO基板にSi層を成膜さ
せた状態を示す図である。 c:角度θの傾角粒界が形成されているSiグラフォエ
ピタキシャル基板を示す図である。
FIG. 1 is a view showing a process of manufacturing a Si grapho epitaxial substrate according to the present invention. FIG. 2A is a diagram showing a state in which a groove is dug on an amorphous SiO 2 substrate. b: A view showing a state in which a Si layer is formed on the amorphous SiO 2 substrate indicated by a. c: A diagram showing a Si grapho-epitaxial substrate on which a tilt boundary at an angle θ is formed.

【図2】本発明によるSiグラフォエピタキシャル基板
上の人工粒界ジョセフソン素子の略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of an artificial grain boundary Josephson device on a Si grapho epitaxial substrate according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 非晶質SiO基板 2 非晶質基板上に配向蒸着した微結晶 3 非晶質Si層 4 人工傾角粒界 5 Si基板 6 YSZ層 7 Y層 8 YBCO薄膜DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Amorphous SiO 2 substrate 2 Microcrystals oriented and vapor-deposited on an amorphous substrate 3 Amorphous Si layer 4 Artificial tilt grain boundary 5 Si substrate 6 YSZ layer 7 Y 2 O 3 layer 8 YBCO thin film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−121220(JP,A) 特開 昭59−162195(JP,A) 特開 昭64−30117(JP,A) 特開 平3−6873(JP,A) H.Suzuki et.al.Su perconductor Scien ce and Technology, vol.4,no.9,Septemb er 1991,p.479−481 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-57-121220 (JP, A) JP-A-59-162195 (JP, A) JP-A-64-30117 (JP, A) 6873 (JP, A) Suzuki et. al. Superconductor Science and Technology, vol. 4, no. 9, September 1991, p. 479-481 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 39/22-39/24 H01L 39/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 非晶質基板上に所定の角度θで交差する
2方向の溝を設けて作製されたSiグラフォエピタキシ
ャル基板を用いた人工粒界ジョセフソン素子。
1. Intersecting at a predetermined angle θ on an amorphous substrate
An artificial grain boundary Josephson device using a Si grapho-epitaxial substrate manufactured by providing grooves in two directions .
【請求項2】 Siグラフォエピタキシャル基板上にジ
ルコニア層及びイットリア層とを順次成膜し、その上に
超伝導薄膜を成膜し、これを用いて作られる請求項1の
人工粒界ジョセフソン素子。
2. The artificial grain according to claim 1, wherein a zirconia layer and a yttria layer are sequentially formed on a Si grapho- epitaxial substrate, and a superconducting thin film is formed thereon. World Josephson element.
【請求項3】 Siグラフォエピタキシャル基板とその
上のジルコニア層及びイットリア層及び超伝導層はそれ
ぞれエピタキシャルか、或は該グラフォエピタキシャル
基板のそれぞれの領域の面内配向に関係して一定の面内
配向となっている請求項1の人工粒界ジョセフソン素
子。
3. The Si grapho-epitaxial substrate and the zirconia layer and the yttria layer and the superconducting layer thereon are each epitaxial or have a certain surface in relation to the in-plane orientation of the respective regions of the grapho-epitaxial substrate. 2. The artificial grain boundary Josephson device according to claim 1, wherein the Josephson device has an internal orientation.
【請求項4】 非晶質基板上に所定の角度θで交差する
2方向の溝を設けて作製することを特徴とするグラフォ
エピタキシャル法を利用したSiバイクリスタル薄膜の
製造方法。
4. A method for producing a Si bicrystal thin film using a grapho-epitaxial method, wherein grooves are formed on an amorphous substrate in two directions intersecting at a predetermined angle θ.
【請求項5】 非晶質SiO 基板上に非晶質Si薄膜
を形成した後、非晶質Siの結晶化熱処理をおこなう
求項4のSiバイクリスタルの製造方法。
5. After forming the amorphous Si films in the amorphous SiO 2 substrate, Si bicrystal method of manufacturing請<br/> Motomeko 4 of crystallizing heat treatment of amorphous Si.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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H.Suzuki et.al.Superconductor Science and Technology,vol.4,no.9,September 1991,p.479−481

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