JP4745624B2 - Mesa-type superconducting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、メサ型超伝導素子及びその製造方法に関し、特に、ビスマス系超伝導体を用い、結晶改質を利用した自己平坦化により素子を形成するメサ型超伝導素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a mesa type superconducting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a mesa type superconducting device that uses a bismuth-based superconductor to form an element by self-planarization using crystal modification and a method for manufacturing the mesa type superconducting device.
ビスマス（Ｂｉ）系超伝導体の１つであるＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx （ＢＳＣＣＯ）は、特有の結晶構造（Ｂ−２２１２）を有する。この明細書では、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx をＢｉ−２２１２と表記することとする。Ｂｉ−２２１２を用いると、超伝導体−絶縁体−超伝導体（ＳＩＳ）からなるトンネル接合（ＳＩＳ接合）の多層（例えば、１５０層）構造を、容易に形成することができる。そこで、Ｂｉ−２２１２を利用して、トンネル現象を利用した新しい電子デバイスを作製できると期待されている。 Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x (BSCCO), which is one of bismuth (Bi) -based superconductors, has a unique crystal structure (B-2212). In this specification, Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x is expressed as Bi-2212. When Bi-2212 is used, a multilayer structure (for example, 150 layers) of a tunnel junction (SIS junction) made of a superconductor-insulator-superconductor (SIS) can be easily formed. Therefore, it is expected that a new electronic device using a tunnel phenomenon can be manufactured using Bi-2212.
例えば、ビスマス２２１２系酸化物高温超伝導体（即ち、Ｂｉ−２２１２）の単結晶を微細加工して、ジョセフソン接合（トンネル接合）面を形成し、量子化されたジョセフソン磁束線のジョセフソン接合面内への出入れによってジョセフソン磁束線フロー電圧に周期的な振動が発生する動作原理を有するジョセフソン磁束線素子が提案されている（特許文献１参照）。
従来のＢｉ−２２１２を用いた素子では、前述の特許文献１に示されるように、ジョセフソン接合部を縦（垂直）方向にしか形成できない。即ち、ドライエッチ、例えばＡｒイオンミリングによって微細加工を行なっていたので、電極／Ｂｉ−２２１２（多層のトンネル接合）／電極を縦方向に重ねた構造しか形成することができない。このため、Ｂｉ−２２１２を用いた素子は、その電極構造まで含めると、平坦化層（ＳｉＯ2 層等）が必要となりプロセスが複雑になる。 In the element using the conventional Bi-2212, as shown in the above-mentioned Patent Document 1, the Josephson junction can be formed only in the vertical (vertical) direction. That is, since fine processing is performed by dry etching, for example, Ar ion milling, only a structure in which electrodes / Bi-2212 (multi-layer tunnel junction) / electrodes are stacked in the vertical direction can be formed. For this reason, if the element using Bi-2212 includes even its electrode structure, a planarization layer (SiO 2 layer or the like) is required and the process becomes complicated.
このような構造を避けるためには、平坦化のために例えばスパッタリングによりＳｉＯ2 膜（平坦化膜）を厚く形成しなければならず、加工の工程が多くなり、加工時間も長くなる。また、ステップカバレッジの問題の発生が避けられない。 In order to avoid such a structure, it is necessary to form a thick SiO 2 film (planarization film) by sputtering, for example, for planarization, which increases the number of processing steps and the processing time. Moreover, the occurrence of a step coverage problem is inevitable.
また、微細加工にＡｒイオンミリングを用いると、ミリング装置が高価な上に、高エネルギのＡｒイオンにより露光用レジストへのダメージやＢｉ−２２１２単結晶（特に側面）の破壊によるリーク電流の増加が避けられない。 In addition, when Ar ion milling is used for microfabrication, the milling apparatus is expensive, and damage to the exposure resist due to high energy Ar ions and an increase in leakage current due to destruction of the Bi-2212 single crystal (particularly the side surface). Inevitable.
更に、Ｂｉ−２２１２単結晶は下部の電極上に積層されるのみであり、その厚さを制御することが事実上できない。このため、電極間に存在する多層のトンネル接合の膜厚、即ち、トンネル接合の数を制御することができず、従って、トンネル接合の特性を制御することができない。 Further, the Bi-2212 single crystal is only laminated on the lower electrode, and its thickness cannot be controlled in practice. For this reason, the film thickness of the multilayer tunnel junction existing between the electrodes, that is, the number of tunnel junctions cannot be controlled, and therefore the characteristics of the tunnel junction cannot be controlled.
本発明は、ビスマス系超伝導体を用い、結晶改質を利用した自己平坦化により素子を形成したメサ型超伝導素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a mesa-type superconducting element using a bismuth-based superconductor and having the element formed by self-planarization utilizing crystal modification.
また、本発明は、ビスマス系超伝導体を用い、結晶改質を利用した自己平坦化により素子を形成するメサ型超伝導素子の製造方法を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a mesa superconducting device that uses a bismuth-based superconductor and forms the device by self-planarization using crystal modification.
本発明のメサ型超伝導素子は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板と、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に形成した第１電極と、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に形成した第２電極と、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより、前記第１及び第２電極と自己整合的に形成した塩酸による改質層とを備え、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる。 The mesa superconducting device of the present invention includes a Bi-2212 single crystal substrate, a first electrode formed in a predetermined region on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate, and a surface of the Bi-2212 single crystal substrate. By modifying regions of the first electrode on both sides of the first electrode, the second electrode formed on the side surface of the Bi-2212 single crystal substrate, and the surface of the Bi-2212 single crystal substrate, A modified layer of hydrochloric acid formed in a self-aligned manner with the first and second electrodes, and sandwiched between the modified layer of hydrochloric acid below the first electrode in the Bi-2212 single crystal substrate This region is used as a tunnel junction having a multilayer structure.
本発明のメサ型超伝導素子の製造方法は、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上及び側面に第１及び第２電極となる金属層を形成し、前記金属層をエッチングすることにより、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に前記第１電極を形成し、かつ、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に前記第２電極を形成すると共に、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面の一部を露出させ、前記露出したＢｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより前記第１及び第２電極と自己整合的に塩酸による改質層を形成し、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる。 The method for manufacturing a mesa type superconducting element of the present invention includes forming a metal layer to be first and second electrodes on the surface and side surfaces of the Bi-2212 single crystal substrate, and etching the metal layer, thereby The first electrode is formed in a predetermined region on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate, and the first electrode on both sides of the first electrode on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate is separated from the first electrode And forming the second electrode on the side surface of the Bi-2212 single crystal substrate, exposing a part of the surface of the Bi-2212 single crystal substrate, and modifying the surface of the exposed Bi-2212 single crystal substrate. As a result, a modified layer made of hydrochloric acid is formed in a self-aligned manner with the first and second electrodes, and is sandwiched between the modified layer made of hydrochloric acid below the first electrode in the Bi-2212 single crystal substrate. Area Used as a tunnel junction layer structure.
本発明のメサ型超伝導素子及びその製造方法によれば、第１及び第２電極に自己整合的に塩酸による改質層を形成すると共に、その膜厚を溶液への含浸時間により制御する。これにより、Ｂｉ−２２１２を用いたメサ型超伝導素子において、ジョセフソン接合部を縦（垂直）方向に形成すると共に、塩酸による改質層の間に存在する多層のトンネル接合の膜厚、即ち、トンネル接合の数を制御することができる。従って、トンネル接合の特性を制御することができる。また、素子構造をメサ型とすることができるので、集積化に適した構造とすることができ、平坦化膜を省略することができ、この結果、加工の工程を減らし、加工時間を短縮し、ステップカバレッジの問題も無くすことができる。更に、微細加工にドライエッチ（例えばＡｒイオンミリング）を用いないので、高価な装置は不要であり、露光用レジストへのダメージやＢｉ−２２１２単結晶（特に側面）の破壊とリーク電流の増加を無くすことができる。 According to the mesa superconducting device and the method of manufacturing the same of the present invention, the modified layer of hydrochloric acid is formed on the first and second electrodes in a self-aligning manner, and the film thickness is controlled by the impregnation time in the solution. Thus, in the mesa superconducting device using Bi-2212, the Josephson junction is formed in the vertical (vertical) direction, and the film thickness of the multilayer tunnel junction existing between the modified layers by hydrochloric acid, that is, The number of tunnel junctions can be controlled. Therefore, the characteristics of the tunnel junction can be controlled. In addition, since the element structure can be a mesa type, a structure suitable for integration can be obtained, and a planarization film can be omitted. As a result, processing steps can be reduced and processing time can be shortened. The problem of step coverage can also be eliminated. Furthermore, since dry etching (for example, Ar ion milling) is not used for microfabrication, an expensive apparatus is unnecessary, and damage to the resist for exposure, Bi-2212 single crystal (especially side surface) destruction, and leakage current increase. It can be lost.
図１はメサ型超伝導素子の構成図であり、本発明のメサ型超伝導素子の構造を示す。特に、図１（Ａ）は本発明のメサ型超伝導素子の図１（Ｂ）の切断面１Ａ−１Ａに沿う断面構造の概略を示し、図１（Ｂ）は本発明のメサ型超伝導素子の平面構造の概略を示す。 FIG. 1 is a block diagram of a mesa type superconducting element, showing the structure of the mesa type superconducting element of the present invention. In particular, FIG. 1A shows an outline of a cross-sectional structure of the mesa type superconducting element of the present invention along the cut surface 1A-1A of FIG. 1B, and FIG. The outline of the planar structure of an element is shown.
このメサ型超伝導素子は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１、絶縁基板２、接着剤３、第１金属層４（図１０参照）からなる第１電極４１及び第２電極４２、塩酸による改質層６、第２金属層７（図１１参照）からなる第１配線層７１及び第２配線層７２、パシべーション膜９、コネクティングワイヤ１０からなる。第１電極４１及び第２電極４２は、各々、第１配線層７１及び第２配線層７２と一体に形成される。図１（Ｂ）において、パシべーション膜９の図示は省略している。 This mesa type superconducting device includes a Bi-2212 single crystal substrate 1, an insulating substrate 2, an adhesive 3, a first electrode 41 and a second electrode 42 made of a first metal layer 4 (see FIG. 10), and modification by hydrochloric acid. It consists of a first wiring layer 71 and a second wiring layer 72, a passivation film 9, and a connecting wire 10 made of a layer 6, a second metal layer 7 (see FIG. 11). The first electrode 41 and the second electrode 42 are formed integrally with the first wiring layer 71 and the second wiring layer 72, respectively. In FIG. 1B, illustration of the passivation film 9 is omitted.
Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は接着剤３により絶縁基板２に固定的に設けられる。接着剤３は、例えばポリイミド（又は、銀ペースト）からなる。絶縁基板２は、例えばシリコンの単結晶基板又はガラス基板からなる。Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は、図２を参照して後述するようにして形成され、周知のように、それ自体が多層構造のトンネル接合（ＳＩＳ接合）を有する超伝導材料である。Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は、多層構造のトンネル接合の各層が当該基板の表面（主表面）に平行になるように当該単結晶を切断される。従って、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１は、図１（Ａ）に示すように、多層構造のトンネル接合の各層が当該Ｂｉ−２２１２単結晶基板１（又は絶縁基板２）の表面（主表面）に平行であって、これと垂直な方向に多層のトンネル接合が形成された構造を有する。 The Bi-2212 single crystal substrate 1 is fixedly provided on the insulating substrate 2 by an adhesive 3. The adhesive 3 is made of, for example, polyimide (or silver paste). The insulating substrate 2 is made of, for example, a silicon single crystal substrate or a glass substrate. The Bi-2212 single crystal substrate 1 is formed as described later with reference to FIG. 2, and is a superconducting material having a tunnel junction (SIS junction) having a multilayer structure as is well known. The Bi-2212 single crystal substrate 1 is cut so that each layer of the tunnel junction having a multilayer structure is parallel to the surface (main surface) of the substrate. Therefore, as shown in FIG. 1A, the Bi-2212 single crystal substrate 1 has each layer of the tunnel junction having a multilayer structure on the surface (main surface) of the Bi-2212 single crystal substrate 1 (or the insulating substrate 2). It has a structure in which a multi-layer tunnel junction is formed in a direction parallel to and perpendicular thereto.
第１電極４１は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の所定の領域に形成される。例えば、第１電極４１は、図１（Ｂ）に示すように、その直径が５０μｍ（５０μφ）の円形の領域とされる。第２電極４２は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の第１電極４１の両側における第１電極４１と離間した領域、及び、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の側面に形成される。第１及び第２電極４１及び４２は、例えば金（Ａｕ）からなる。塩酸による改質層６は、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面を改質することにより、第１及び第２電極４１及び４２と自己整合的に形成される。配線層７１及び７２は、各々、第１及び第２電極４１及び４２に接続される。配線層７１及び７２は、例えば第１及び第２電極と同一の金属即ち金（Ａｕ）からなる。 The first electrode 41 is formed in a predetermined region on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1. For example, as shown in FIG. 1B, the first electrode 41 is a circular region having a diameter of 50 μm (50 μφ). The second electrode 42 is formed on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1 on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1 on both sides of the first electrode 41 and on the side surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1. The first and second electrodes 41 and 42 are made of, for example, gold (Au). The modified layer 6 made of hydrochloric acid is formed in a self-aligned manner with the first and second electrodes 41 and 42 by modifying the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1. The wiring layers 71 and 72 are connected to the first and second electrodes 41 and 42, respectively. The wiring layers 71 and 72 are made of, for example, the same metal as that of the first and second electrodes, that is, gold (Au).
Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面の改質は、図７を参照して後述するが、簡単に言うとＢｉ−２２１２単結晶の塩化と言うこともできる。具体的には、Ｂｉ−２２１２の単結晶の結晶構造はそのままに、超伝導体−絶縁体−超伝導体（ＳＩＳ）の積層のうち、超伝導体の部分のみを塩化物に転換することを言う。本発明のメサ型超伝導素子においては、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面から塩化が進行するので、当該表面側に位置する超伝導体の部分から内部方向に向かって順に塩化物とされる。 The modification of the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1 will be described later with reference to FIG. 7, but can be simply referred to as chlorination of the Bi-2212 single crystal. Specifically, only the superconductor portion of the superconductor-insulator-superconductor (SIS) stack is converted to chloride while maintaining the crystal structure of the Bi-2212 single crystal. To tell. In the mesa type superconducting device of the present invention, since chlorination proceeds from the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1, it is converted into chloride in order from the portion of the superconductor located on the surface side toward the inside. .
本発明のメサ型超伝導素子においては、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１内における第１電極４１の下部であって塩酸による改質層６に挟まれた（囲まれた）領域が、多層構造のトンネル接合１１として用いられる。この多層構造のトンネル接合１１として用いられる領域は、塩酸による改質層に囲まれた円筒形の領域である。この多層構造のトンネル接合１１の数は、後述するように、塩酸による改質層６の膜厚を制御することにより決定され、例えば数層〜十数層である。即ち、第１電極４１と、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の側面で第２電極４２に接続された超伝導層との間において、直列接続された複数のトンネル接合１１が（複数の直列接続された）ジョセフソン素子として機能する。第２電極４２に接続された超伝導層は、塩酸による改質層６の直下の層である。なお、従来は、素子構造が異なる上に、例えば１５０層以下の膜厚とすることはできなかった。 In the mesa superconducting device of the present invention, a region under the first electrode 41 in the Bi-2212 single crystal substrate 1 and sandwiched (enclosed) by the hydrochloric acid-modified layer 6 has a multilayer structure. Used as the tunnel junction 11. The region used as the tunnel junction 11 having this multilayer structure is a cylindrical region surrounded by a modified layer of hydrochloric acid. As will be described later, the number of tunnel junctions 11 having this multilayer structure is determined by controlling the film thickness of the modified layer 6 using hydrochloric acid, and is, for example, several to ten or more layers. That is, a plurality of tunnel junctions 11 connected in series are connected between the first electrode 41 and the superconducting layer connected to the second electrode 42 on the side surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1. It functions as a Josephson element. The superconducting layer connected to the second electrode 42 is a layer immediately below the modified layer 6 made of hydrochloric acid. Conventionally, the element structure is different and, for example, the film thickness cannot be made 150 layers or less.
また、本発明のメサ型超伝導素子においては、図１（Ａ）に示すように、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面と、その改質により形成された塩酸による改質層６の表面とがほぼ平坦なものとされる。これは、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の改質の条件を最適なものに設定することにより、塩酸による改質層６の形成とそのエッチングとがほぼ同時に進行するように制御することができるためである。従って、塩酸による改質層６は、あたかもＢｉ−２２１２単結晶基板１をその表面から結晶改質して絶縁物としたように形成される。これにより、第１及び第２電極４１及び４２とＢｉ−２２１２単結晶基板１（多層構造のトンネル接合１１）との間の接続において、ステップカバレッジが問題となることはない。 In the mesa superconducting device of the present invention, as shown in FIG. 1A, the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1 and the surface of the modified layer 6 made of hydrochloric acid formed by the modification Is almost flat. This is because the formation of the modified layer 6 using hydrochloric acid and its etching can be controlled to proceed almost simultaneously by setting the conditions for modifying the Bi-2212 single crystal substrate 1 to be optimum. It is. Therefore, the modified layer 6 made of hydrochloric acid is formed as if the Bi-2212 single crystal substrate 1 was crystal-modified from its surface to form an insulator. Thereby, step coverage does not become a problem in the connection between the first and second electrodes 41 and 42 and the Bi-2212 single crystal substrate 1 (tunnel junction 11 having a multilayer structure).
図２はＢｉ−２２１２の単結晶の製造方法を示す図であり、本発明のメサ型超伝導素子の製造に用いるＢｉ−２２１２の単結晶の製造について示す。図２（Ａ）に示すように、Ｂｉ−２２１２の単結晶を製造するための粉末を用意する。このＢｉ−２２１２の単結晶の構造式Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx においてＸ＝８＋δである。この粉末を用いて、周知の自己フラックス法により単結晶を合成する。即ち、図２（Ｂ）に示すように、アルミナ坩堝の底から順に粉末を層状に充填し、アルミナ蓋（ｃａｐ）に加重を加える。この状態で、図２（Ｂ）の温度勾配となるように、加熱及び冷却する。図２（Ｂ）において、縦軸は温度（°Ｃ）、横軸は時間（時間）である。冷却は自然冷却による。 FIG. 2 is a diagram showing a method for producing a Bi-2212 single crystal, and shows the production of a Bi-2212 single crystal used in the production of the mesa superconducting device of the present invention. As shown in FIG. 2A, powder for producing a Bi-2212 single crystal is prepared. In this Bi-2212 single crystal structural formula Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O x , X = 8 + δ. Using this powder, a single crystal is synthesized by a well-known self-flux method. That is, as shown in FIG. 2 (B), powder is filled in layers from the bottom of the alumina crucible, and a weight is applied to the alumina lid (cap). In this state, heating and cooling are performed so that the temperature gradient of FIG. In FIG. 2B, the vertical axis represents temperature (° C) and the horizontal axis represents time (hour). Cooling is by natural cooling.
図３はＢｉ−２２１２の単結晶の抵抗−温度（Ｒ−Ｔ）特性を示す図であり、図２の製造方法により製造したＢｉ−２２１２の単結晶の温度による抵抗の変化について示す。図３に示すように、このＢｉ−２２１２の単結晶は、約８７．６Ｋまでは抵抗が「０」を維持している。従って、低温領域では超伝導性を持ち、良質な単結晶であることが判る。 FIG. 3 is a diagram showing the resistance-temperature (RT) characteristic of the single crystal of Bi-2212, and shows the change in resistance due to the temperature of the single crystal of Bi-2212 manufactured by the manufacturing method of FIG. As shown in FIG. 3, the Bi-2212 single crystal maintains a resistance of “0” up to about 87.6K. Therefore, it can be seen that it is a high-quality single crystal having superconductivity in a low temperature region.
図４はＢｉ−２２１２の単結晶表面への絶縁物形成を示す図であり、図２の製造方法により製造したＢｉ−２２１２の単結晶表面への各種の酸による絶縁物形成について示す。即ち、前述のＢｉ−２２１２の単結晶の表面を各種の酸（当該酸の溶液）にディップする（浸漬する）ことにより、当該表面に絶縁物（絶縁層）を形成した。酸としては、酢酸、硝酸、硫酸、塩酸を用いた。この実験によれば、図４（Ａ）に示す結果が得られる。即ち、絶縁性（抵抗率）についてみると、酢酸及び硫酸による絶縁層はあまり絶縁性が良くなく、硝酸による絶縁層は比較的絶縁性が良く、塩酸による絶縁層（塩酸による改質層）は絶縁性が良いことが判る。なお、抵抗率は、図４（Ｂ）に示すように、インジウム（Ｉｎ）の電極１０’をＢｉ−２２１２の単結晶表面に設けた塩酸による改質層６’の表面と、Ｂｉ−２２１２の単結晶１’の裏面とに設けることにより測定した（図５において同じ）。また、単位長さ当たりの抵抗（ｋΩ）に換算して示している（図５において同じ）。これにより、絶縁層として十分に使用できることを示している。平坦度についてみると、酢酸及び硝酸による絶縁層は平坦でなく、硫酸による絶縁層は比較的平坦であり、塩酸による絶縁層は平坦であることが判る。これにより、素子との接続におけるステップカバレッジの問題を回避できることを示している。従って、総合的に判断すると、Ｂｉ−２２１２の単結晶の表面に形成する絶縁膜としては、プロセスの観点からは、塩酸によりウェットプロセスで形成した絶縁層（塩酸による改質層）が適していることが判る。 FIG. 4 is a diagram showing the formation of an insulator on the surface of Bi-2212, and shows the formation of an insulator by various acids on the surface of Bi-2212 manufactured by the manufacturing method of FIG. That is, the surface of the aforementioned Bi-2212 single crystal was dipped (immersed) in various acids (solutions of the acid) to form an insulator (insulating layer) on the surface. Acetic acid, nitric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid were used as the acid. According to this experiment, the result shown in FIG. In other words, regarding insulation (resistivity), an insulating layer made of acetic acid and sulfuric acid is not very insulating, an insulating layer made of nitric acid is relatively good, and an insulating layer made of hydrochloric acid (modified layer made of hydrochloric acid) It can be seen that the insulation is good. As shown in FIG. 4B, the resistivity is determined by the surface of the modified layer 6 ′ made of hydrochloric acid in which an indium (In) electrode 10 ′ is provided on the surface of a single crystal of Bi-2212, and Bi-2212. It measured by providing in the back surface of single crystal 1 '(same in FIG. 5). In addition, the resistance per unit length (kΩ) is shown (same in FIG. 5). This shows that it can be sufficiently used as an insulating layer. As for the flatness, it can be seen that the insulating layer made of acetic acid and nitric acid is not flat, the insulating layer made of sulfuric acid is relatively flat, and the insulating layer made of hydrochloric acid is flat. This shows that the problem of step coverage in connection with the element can be avoided. Therefore, judging comprehensively, from the viewpoint of the process, an insulating layer formed by a wet process using hydrochloric acid (modified layer using hydrochloric acid) is suitable as the insulating film formed on the surface of the Bi-2212 single crystal. I understand that.
図５は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法により製造した塩酸による改質層の抵抗率について示す。図５において、縦軸は抵抗率Ｒ、横軸は塩酸溶液の濃度（％）である。塩酸溶液へのディップ時間は５秒である。図５から判るように、この塩酸による改質層の抵抗率Ｒは、塩酸溶液の濃度が約０．５％以上であれば、当該濃度には依存せず、約６ｋΩで安定していることが判る。従って、基板内における素子分離のための絶縁層として応用可能であることを示している。 FIG. 5 shows the resistivity of the modified layer of hydrochloric acid produced by the method of FIG. 4 on the single crystal surface of Bi-2212. In FIG. 5, the vertical axis represents the resistivity R, and the horizontal axis represents the concentration (%) of the hydrochloric acid solution. The dip time to the hydrochloric acid solution is 5 seconds. As can be seen from FIG. 5, the resistivity R of the modified layer with hydrochloric acid is stable at about 6 kΩ without depending on the concentration of the hydrochloric acid solution when the concentration is about 0.5% or more. I understand. Therefore, it can be applied as an insulating layer for element isolation in the substrate.
図６は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法により製造した塩酸による改質層の膜厚について示す。図６において、縦軸は塩酸による改質層の膜厚（μｍ）、横軸は塩酸溶液へのディップ時間（秒）である。塩酸溶液の濃度は１％である。図６から判るように、この塩酸による改質層の膜厚は、塩酸溶液へのディップ時間にほぼ比例することが判る。従って、塩酸溶液へのディップ時間を制御することにより、塩酸による改質層の膜厚を制御することができることを示している。これにより、後述するように、塩酸による改質層の膜厚はディップ時間により制御され、多層構造のトンネル接合（１１）の数は塩酸による改質層の膜厚を制御することにより決定される。 FIG. 6 shows the film thickness of the modified layer of hydrochloric acid produced by the method of FIG. 4 on the surface of Bi-2212 single crystal. In FIG. 6, the vertical axis represents the film thickness (μm) of the modified layer with hydrochloric acid, and the horizontal axis represents the dip time (seconds) for the hydrochloric acid solution. The concentration of the hydrochloric acid solution is 1%. As can be seen from FIG. 6, it can be seen that the film thickness of the modified layer of hydrochloric acid is substantially proportional to the dipping time for the hydrochloric acid solution. Therefore, it is shown that the film thickness of the modified layer by hydrochloric acid can be controlled by controlling the dip time to the hydrochloric acid solution. Thereby, as will be described later, the film thickness of the modified layer made of hydrochloric acid is controlled by the dip time, and the number of tunnel junctions (11) having a multilayer structure is determined by controlling the film thickness of the modified layer made of hydrochloric acid. .
なお、塩酸溶液の濃度を１％よりも濃くすると、この直線が矢印Ａの方向へ向けて傾きが急になるように変化する。スループットを重視する場合には濃い濃度を選択するが、膜厚の制御性が低下する。塩酸溶液の濃度を１％よりも薄くすると、この直線が矢印Ｂの方向へ向けて傾きが緩やかになるように変化する。膜厚の制御性を重視する場合には薄い濃度を選択するが、スループットが低下する。従って、塩酸による改質層の膜厚の制御は、実際には、塩酸溶液の濃度と、塩酸溶液へのディップ時間とにより制御する。両者を正確に管理することにより、多層構造のトンネル接合（１１）の数を制御（決定）することができる。 Note that when the concentration of the hydrochloric acid solution is higher than 1%, this straight line changes in the direction of arrow A so that the inclination becomes steep. When the throughput is important, a high density is selected, but the controllability of the film thickness is lowered. When the concentration of the hydrochloric acid solution is made thinner than 1%, this straight line changes in the direction of arrow B so that the inclination becomes gentle. When importance is attached to the controllability of the film thickness, a low concentration is selected, but the throughput is reduced. Therefore, the film thickness of the modified layer by hydrochloric acid is actually controlled by the concentration of the hydrochloric acid solution and the dipping time for the hydrochloric acid solution. By managing both accurately, the number of multilayered tunnel junctions (11) can be controlled (determined).
図７は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法（塩酸溶液の濃度は１％）により製造した塩酸による改質層のＸ線解析の結果を示す。図７において、縦軸は特性Ｘ線の強度（ａｕ．）、横軸は角度θ／２θ（ｄｅｇ）である。図７において、００８等の数字を付したピークはＢｉ−２２１２の単結晶からの特性Ｘ線である。一方、００８のピークの右横のピーク、００１２のピークの右横のピーク、００１６のピークの希望の３個のピークは、塩酸による改質層からの特性Ｘ線である。図７から、Ｂｉ−２２１２の単結晶の結晶構造はそのままに絶縁物である塩酸による改質層が形成されていることが判る。従って、塩酸による改質層はあたかもＢｉ−２２１２の単結晶を結晶構造をそのままにして改質することにより形成されていることが判る。 FIG. 7 shows the result of X-ray analysis of the modified layer of hydrochloric acid produced by the method of FIG. 4 (the concentration of hydrochloric acid solution is 1%) on the surface of Bi-2212 single crystal. In FIG. 7, the vertical axis represents the characteristic X-ray intensity (au.), And the horizontal axis represents the angle θ / 2θ (deg). In FIG. 7, a peak with a number such as 008 is a characteristic X-ray from a single crystal of Bi-2212. On the other hand, the right three peaks of the 008 peak, the right peak of the 0012 peak, and the desired three peaks of the 0016 peak are characteristic X-rays from the modified layer of hydrochloric acid. From FIG. 7, it can be seen that a modified layer of hydrochloric acid, which is an insulator, is formed without changing the crystal structure of the single crystal of Bi-2212. Therefore, it can be seen that the modified layer of hydrochloric acid is formed as if the single crystal of Bi-2212 was modified with the crystal structure intact.
図８及び図９は、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に図４の方法により製造した塩酸による改質層の境界層（境界の領域）の幅及び厚さについて示す。なお、この場合、本発明のメサ型超伝導素子と同様に、その直径が５０μｍ（５０μφ）の円形の領域（第１電極４１下の接合窓の大きさに相当する）の周囲を囲むように改質した。 8 and 9 show the width and thickness of the boundary layer (boundary region) of the modified layer of hydrochloric acid produced by the method of FIG. 4 on the surface of Bi-2212 single crystal. In this case, similar to the mesa superconducting element of the present invention, a circular region (corresponding to the size of the bonding window under the first electrode 41) having a diameter of 50 μm (50 μφ) is surrounded. Modified.
図８において、縦軸は塩酸による改質層の端部における境界層の幅（μｍ）、横軸は塩酸溶液の濃度（％）である。図８から判るように、この塩酸による改質層の端部の境界層の幅は、塩酸溶液の濃度にある程度依存し、当該濃度が低いほど境界層の幅も小さくなる傾向があることが判る。しかし、塩酸による改質層の端部の境界層の幅は約２μｍ程度（０．５〜４．０μｍ）であり、接合窓が５０μｍφであるとすると、あまり大きくはないと言うことができる。 In FIG. 8, the vertical axis represents the width (μm) of the boundary layer at the end of the hydrochloric acid-modified layer, and the horizontal axis represents the concentration (%) of the hydrochloric acid solution. As can be seen from FIG. 8, the width of the boundary layer at the end of this modified layer of hydrochloric acid depends to some extent on the concentration of the hydrochloric acid solution, and the width of the boundary layer tends to decrease as the concentration decreases. . However, the width of the boundary layer at the end of the modified layer of hydrochloric acid is about 2 μm (0.5 to 4.0 μm), and if the joining window is 50 μmφ, it can be said that it is not so large.
図９において、その左側に示すように、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面に部分的に塩酸による改質層を形成した場合、Ｂｉ−２２１２の単結晶表面の点Ａと当該塩酸による改質層における点Ｂとを結ぶ直線を考え、当該直線上の表面荒さ（ＡＦＭデータ）に着目する。図９の右側に示すように、点Ｂの領域（塩酸による改質層）の表面荒さは、点Ａの領域（Ｂｉ−２２１２の単結晶表面）の表面荒さよりも大きい。しかし、表面自体の位置（高さ、又は、表面荒さの平均値）においては殆ど差がないことが判る。即ち、境界層の厚さ（境界層厚）は殆ど０であると言うことができる。表面の最大の高低差を考えても、２００オングストローム以内である。境界層の幅は約２μｍ程度であり、境界層厚は殆ど０であるので、十分な平坦性を確保していると言うことができる。 In FIG. 9, as shown on the left side, when a modified layer made of hydrochloric acid is partially formed on the surface of Bi-2212 single crystal, point A on the surface of Bi-2212 single crystal and the modified layer made of hydrochloric acid Considering a straight line connecting point B, attention is paid to the surface roughness (AFM data) on the straight line. As shown on the right side of FIG. 9, the surface roughness of the point B region (hydrochloric acid modified layer) is larger than the surface roughness of the point A region (Bi-2212 single crystal surface). However, it can be seen that there is almost no difference in the position of the surface itself (height or average surface roughness). That is, it can be said that the thickness of the boundary layer (boundary layer thickness) is almost zero. Even considering the maximum height difference of the surface, it is within 200 angstroms. Since the width of the boundary layer is about 2 μm and the boundary layer thickness is almost zero, it can be said that sufficient flatness is ensured.
図１０及び図１１はメサ型超伝導素子の製造方法を示す図であり、一体となって１つの図面をなし、本発明のメサ型超伝導素子の製造方法を示す。 10 and 11 are diagrams showing a method for manufacturing a mesa type superconducting element. The mesa type superconducting element according to the present invention is shown as a single unit.
図１０（Ａ）に示すように、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１を周知の方法により壁開させて、所定の大きさのチップを得て、これを絶縁基板２上に接着剤３で固定する。絶縁基板２は、例えば周知のシリコン単結晶基板、シリコン多結晶基板、ガラス基板等からなる。接着剤３は、例えば周知のポリイミドからなる。この状態で、壁開のために用いた接着テープの残渣物（有機物）を、例えば周知のアッシングにより除去する。この時、例えば３５ミリＴｏｒｒのＯ2 雰囲気ガス中で５０Ｗで１０分間アッシングする。 As shown in FIG. 10A, the Bi-2212 single crystal substrate 1 is wall-opened by a well-known method to obtain a chip of a predetermined size, and this is fixed on the insulating substrate 2 with an adhesive 3. . The insulating substrate 2 is made of, for example, a well-known silicon single crystal substrate, silicon polycrystalline substrate, glass substrate, or the like. The adhesive 3 is made of, for example, a known polyimide. In this state, the adhesive tape residue (organic matter) used for opening the wall is removed by, for example, well-known ashing. At this time, for example, ashing is performed at 50 W for 10 minutes in an O 2 atmosphere gas of 35 millitorr.
次に、図１０（Ｂ）に示すように、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上及び側面に第１及び第２電極となる第１金属層４として、例えば金（Ａｕ）の導体膜４を例えばスパッタにより５００〜５５０オングストロームの厚さに形成する。この時、例えば３０ミリＴｏｒｒのＡｒ雰囲気ガス中で５０Ｗで３分間スパッタリングする。 Next, as shown in FIG. 10B, a conductive film 4 made of, for example, gold (Au) is used as the first metal layer 4 serving as the first and second electrodes on the surface and side surfaces of the Bi-2212 single crystal substrate 1. Is formed to a thickness of 500 to 550 Å by sputtering, for example. At this time, for example, sputtering is performed at 50 W for 3 minutes in an Ar atmosphere gas of 30 milliTorr.
次に、図１０（Ｃ）に示すように、フォトレジストを塗布し、周知のフォトリソグラフにより、金の導体膜４のエッチング等のためのフォトレジマスク５を形成する。このフォトレジマスク５は、例えば中心の円の直径が５０ミクロンとされ、その周囲の開口部の直径が１５０〜２００ミクロンとされる。このフォトレジマスク５を用いて、金の導体膜４を所定の溶液を用いてケミカルエッチング（ウェットエッチング）する。例えば、１：４＝水：（ＫＩ＋Ｉ2 ）の組成のエッチング液に絶縁基板２全体を２分間含浸することにより、エッチングする。これにより、フォトレジマスク５の開口部において、金の導体膜４が除去され、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面が露出する。 Next, as shown in FIG. 10C, a photoresist is applied, and a photoresist mask 5 for etching the gold conductor film 4 is formed by a well-known photolithography. The photoresist mask 5 has, for example, a central circle having a diameter of 50 microns and a peripheral opening having a diameter of 150 to 200 microns. Using this photoresist mask 5, the gold conductor film 4 is subjected to chemical etching (wet etching) using a predetermined solution. For example, etching is performed by impregnating the entire insulating substrate 2 for 2 minutes in an etching solution having a composition of 1: 4 = water: (KI + I 2 ). As a result, the gold conductor film 4 is removed at the opening of the photoresist mask 5, and the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1 is exposed.
このように、金の導体膜４を選択的にエッチングすることにより、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の所定の領域に、第１電極４１を形成し、かつ、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面上の第１電極の両側の第１電極４１と離間した領域及びＢｉ−２２１２単結晶基板１の側面に第２電極４２を形成する。また、これと共に、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１の表面の一部を露出させる。 In this way, by selectively etching the gold conductor film 4, the first electrode 41 is formed in a predetermined region on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1, and the Bi-2212 single crystal substrate is formed. The second electrode 42 is formed in the region spaced from the first electrode 41 on both sides of the first electrode on the surface of 1 and the side surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1. At the same time, a part of the surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1 is exposed.
次に、図１０（Ｄ）に示すように、フォトレジマスク５をそのまま用いて、露出したＢｉ−２２１２単結晶基板１の表面を改質することにより、第１及び第２電極４１及び４２と自己整合的に塩酸による改質層６を形成する。この改質は、所定の濃度の塩酸溶液に当該絶縁基板２全体を浸漬することにより行う。塩酸による改質層６の膜厚は、前記浸漬の時間により制御される。これにより、多層構造のトンネル接合１１の数は、塩酸による改質層６の膜厚を制御することにより決定することができる。例えば、０．５％の濃度の塩酸溶液に絶縁基板２全体を５秒間含浸することにより、改質を行う。これにより、絶縁物である塩酸による改質層６が金の導体膜４に対して自己整合的に形成され、かつ、塩酸による改質層６がＢｉ−２２１２単結晶基板１と平坦に形成される。この結果、Ｂｉ−２２１２単結晶基板１内における第１電極４１の下部であって塩酸による改質層６に挟まれた領域を、多層構造のトンネル接合１１として用いることができる。 Next, as shown in FIG. 10D, by using the photoresist mask 5 as it is, by modifying the exposed surface of the Bi-2212 single crystal substrate 1, the first and second electrodes 41 and 42 and The modified layer 6 made of hydrochloric acid is formed in a self-aligning manner. This modification is performed by immersing the entire insulating substrate 2 in a hydrochloric acid solution having a predetermined concentration. The film thickness of the modified layer 6 using hydrochloric acid is controlled by the immersion time. Thereby, the number of the tunnel junctions 11 of a multilayer structure can be determined by controlling the film thickness of the modified layer 6 by hydrochloric acid. For example, the modification is performed by impregnating the entire insulating substrate 2 with a 0.5% concentration hydrochloric acid solution for 5 seconds. Thereby, the modified layer 6 made of hydrochloric acid, which is an insulator, is formed in a self-aligned manner with respect to the gold conductor film 4, and the modified layer 6 made of hydrochloric acid is formed flat with the Bi-2212 single crystal substrate 1. The As a result, the region under the first electrode 41 in the Bi-2212 single crystal substrate 1 and sandwiched between the modified layers 6 made of hydrochloric acid can be used as the tunnel junction 11 having a multilayer structure.
次に、図１１（Ａ）に示すように、フォトレジマスク５をリフトオフすることにより、金の導体膜４からなる第１及び第２電極４１及び４２等の表面を露出させる。例えば、３０〜４０°Ｃのアセトン溶液に絶縁基板２全体を含浸してリフトオフすることにより、フォトレジマスク５を除去する。この後、フォトレジマスク５の残渣物（有機物）を、例えば周知のアッシングにより除去する。この時、例えば３５ミリＴｏｒｒのＯ2 雰囲気ガス中で５０Ｗで１０分間アッシングする。 Next, as shown in FIG. 11A, the photoresist mask 5 is lifted off to expose the surfaces of the first and second electrodes 41 and 42 made of the gold conductor film 4. For example, the photoresist mask 5 is removed by impregnating the entire insulating substrate 2 with an acetone solution of 30 to 40 ° C. and lifting off. Thereafter, the residue (organic matter) of the photoresist mask 5 is removed by, for example, well-known ashing. At this time, for example, ashing is performed at 50 W for 10 minutes in an O 2 atmosphere gas of 35 millitorr.
次に、図１１（Ｂ）に示すように、露出した第１及び第２電極４１及び４２等の上に、配線層となる第２金属層７として、金（Ａｕ）の導体膜７を例えばスパッタにより５００〜１１００オングストロームの厚さに形成する。この時、例えば２０〜３０ミリＴｏｒｒのＡｒ雰囲気ガス中で、３０Ｗで、１．５〜６分間スパッタリングする。これにより、絶縁基板２上の全面に、金の導体膜７が形成される。金の導体膜７は金の導体膜４と一体となる。 Next, as shown in FIG. 11B, a gold (Au) conductor film 7 is formed on the exposed first and second electrodes 41 and 42 as a second metal layer 7 serving as a wiring layer, for example. A thickness of 500 to 1100 Å is formed by sputtering. At this time, for example, sputtering is performed at 30 W for 1.5 to 6 minutes in an Ar atmosphere gas of 20 to 30 mm Torr. As a result, a gold conductor film 7 is formed on the entire surface of the insulating substrate 2. The gold conductor film 7 is integrated with the gold conductor film 4.
次に、図１１（Ｃ）に示すように、フォトレジストを塗布し、周知のフォトリソグラフにより、金の導体膜７のエッチング等のためのフォトレジマスク８を形成する。このフォトレジマスク８は、配線層パターンの形状とされる。このフォトレジマスク８を用いて、金の導体膜７を所定の溶液を用いてケミカルエッチング（ウェットエッチング）する。例えば、１：４＝水：（ＫＩ＋Ｉ2 ）の組成のエッチング液に絶縁基板２全体を２分間含浸することにより、エッチングする。これにより、金の導体膜７等からなる１個の第１の配線層７１及び２個の第２の配線層７２が形成される（図１１（Ｄ）参照）。第１の配線層７１は第１電極４１と一体に形成され、第２の配線層７２は第２電極４２と一体に形成される。 Next, as shown in FIG. 11C, a photoresist is applied, and a photoresist mask 8 for etching the gold conductor film 7 is formed by a well-known photolithography. The photoresist mask 8 has a wiring layer pattern shape. Using this photoresist mask 8, the gold conductor film 7 is chemically etched (wet etched) using a predetermined solution. For example, etching is performed by impregnating the entire insulating substrate 2 for 2 minutes in an etching solution having a composition of 1: 4 = water: (KI + I 2 ). Thus, one first wiring layer 71 and two second wiring layers 72 made of the gold conductor film 7 and the like are formed (see FIG. 11D). The first wiring layer 71 is formed integrally with the first electrode 41, and the second wiring layer 72 is formed integrally with the second electrode 42.
この後、図１１（Ｄ）に示すように、フォトレジマスク８をリフトオフすることにより、第１及び第２の配線層７１及び７２等の表面を露出させる。例えば、３０〜４０°Ｃのアセトン溶液に絶縁基板２全体を含浸してリフトオフすることにより、フォトレジマスク８を除去する。 Thereafter, as shown in FIG. 11D, the photoresist mask 8 is lifted off to expose the surfaces of the first and second wiring layers 71 and 72 and the like. For example, the photoresist mask 8 is removed by impregnating the entire insulating substrate 2 with an acetone solution at 30 to 40 ° C. and lifting off.
この後、図１（Ａ）に示すように、絶縁基板２の全体に渡って絶縁膜（例えば、ＳｉＯ2 膜）からなるパシべーション膜９をスパッタリングにより厚く形成し、ボンディングエリアを開口した後、例えばワイヤボンディングにより、第１の電極７１の両端及び第２の電極７２にリード線（コネクティングワイヤ）１０を接続する。ワイヤボンディングは、図１（Ｂ）に示すように、その下部にＢｉ−２２１２単結晶基板１の存在しない位置に行われる。 Thereafter, as shown in FIG. 1A, a passivation film 9 made of an insulating film (for example, SiO 2 film) is formed thickly by sputtering over the entire insulating substrate 2, and the bonding area is opened. For example, the lead wires (connecting wires) 10 are connected to both ends of the first electrode 71 and the second electrode 72 by wire bonding. As shown in FIG. 1B, the wire bonding is performed at a position where the Bi-2212 single crystal substrate 1 does not exist below.
図１２乃至図１４は、本発明のメサ型超伝導素子の特性説明図であり、図１０及び図１１の製造方法により製造した本発明のメサ型超伝導素子の各特性を示す。図１２において、０．５％の塩酸溶液に５秒間浸漬することにより塩酸による改質層６を形成した場合における本発明のメサ型超伝導素子の電流−電圧特性を示す。トンネル接合１１の数がこの例では２２個と少ないことが判る。なお、周囲温度は７Ｋである。図１３において、臨界電流Ｉｃは８０Ｋでほぼ０となっている。１／２Ｉｃとなるのは約６０Ｋである。従って、約８０Ｋまで本発明のメサ型超伝導素子が動作していることが判る。図１４において、臨界電流Ｉｃが磁場に依存することが判る。実測値（黒丸で示す）として、実線で示す理論値（Owen Scalapino Theory ）に近い結果が得られていることが判る。 12 to 14 are explanatory diagrams of the characteristics of the mesa type superconducting element of the present invention, and show the characteristics of the mesa type superconducting element of the present invention manufactured by the manufacturing method of FIGS. FIG. 12 shows the current-voltage characteristics of the mesa superconducting element of the present invention when the modified layer 6 made of hydrochloric acid is formed by immersing it in a 0.5% hydrochloric acid solution for 5 seconds. It can be seen that the number of tunnel junctions 11 is as small as 22 in this example. The ambient temperature is 7K. In FIG. 13, the critical current Ic is almost 0 at 80K. One half Ic is about 60K. Therefore, it can be seen that the mesa superconducting element of the present invention operates up to about 80K. In FIG. 14, it can be seen that the critical current Ic depends on the magnetic field. It can be seen that the measured values (indicated by black circles) are close to the theoretical values (Owen Scalapino Theory) indicated by the solid line.
以上、本発明をその実施の形態に従って説明したが、本発明は、その主旨の範囲において種々の変形が可能である。例えば、１枚の絶縁基板２上に複数のＢｉ−２２１２単結晶基板１を設け、その各々に本発明のメサ型超伝導素子を形成するようにしても良い。この場合、更に、これらのメサ型超伝導素子の間を絶縁基板２上に形成した配線層により接続するようにしても良い。 As mentioned above, although this invention was demonstrated according to the embodiment, this invention can be variously deformed in the range of the main point. For example, a plurality of Bi-2212 single crystal substrates 1 may be provided on one insulating substrate 2, and the mesa superconducting element of the present invention may be formed on each of them. In this case, these mesa superconducting elements may be further connected by a wiring layer formed on the insulating substrate 2.
以上説明したように、本発明によれば、メサ型超伝導素子及びその製造方法において、多層のトンネル接合の膜厚即ちトンネル接合の数を制御することにより、トンネル接合の特性を制御することができる。また、素子構造をメサ型とすることにより、集積化に適した構造とすることができ、加工の工程を減らし、加工時間を短縮し、ステップカバレッジの問題を無くすことができる。更に、微細加工にドライエッチを用いないので、露光用レジストへのダメージやＢｉ−２２１２単結晶の破壊とリーク電流の増加を無くすことができる。 As described above, according to the present invention, in the mesa superconducting device and the manufacturing method thereof, the characteristics of the tunnel junction can be controlled by controlling the thickness of the multilayer tunnel junction, that is, the number of tunnel junctions. it can. Further, by adopting a mesa type element structure, a structure suitable for integration can be obtained, processing steps can be reduced, processing time can be shortened, and step coverage problems can be eliminated. Furthermore, since dry etching is not used for microfabrication, damage to the resist for exposure, Bi-2212 single crystal destruction, and increase in leakage current can be eliminated.
１ Ｂｉ−２２１２単結晶基板
２ 絶縁基板
３ 接着剤
４ 第１金属層
６ 塩酸による改質層
７ 第２金属層
９ パシべーション膜
１０ コネクティングワイヤ
１１ トンネル接合
４１ 第１電極
４２ 第２電極
７１ 第１配線層
７２ 第２配線層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bi-2212 single crystal substrate 2 Insulating substrate 3 Adhesive 4 1st metal layer 6 Modified layer by hydrochloric acid 7 2nd metal layer 9 Passivation film 10 Connecting wire 11 Tunnel junction 41 1st electrode 42 2nd electrode 71 1st 1 wiring layer 72 2nd wiring layer
Claims (9)
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に形成した第１電極と、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に形成した第２電極と、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより、前記第１及び第２電極と自己整合的に形成した塩酸による改質層とを備え、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる
ことを特徴とするメサ型超伝導素子。 A Bi-2212 single crystal substrate;
A first electrode formed in a predetermined region on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate;
A region separated from the first electrode on both sides of the first electrode on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate and a second electrode formed on a side surface of the Bi-2212 single crystal substrate;
By modifying the surface of the Bi-2212 single crystal substrate, a modified layer of hydrochloric acid formed in a self-aligned manner with the first and second electrodes,
A mesa type superconducting element characterized in that a region under the first electrode in the Bi-2212 single crystal substrate and sandwiched between the modified layers of hydrochloric acid is used as a tunnel junction having a multilayer structure.
ことを特徴とする請求項１記載のメサ型超伝導素子。 The mesa superconducting device according to claim 1, wherein the number of tunnel junctions having the multilayer structure is determined by controlling a film thickness of the modified layer made of hydrochloric acid.
ことを特徴とする請求項２記載のメサ型超伝導素子。 The mesa superconducting device according to claim 2, wherein the region used as the tunnel junction of the multilayer structure is a cylindrical region surrounded by the modified layer of hydrochloric acid.
ことを特徴とする請求項２記載のメサ型超伝導素子。 The mesa superconducting device according to claim 2, wherein the first and second electrodes are made of gold.
前記金属層をエッチングすることにより、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の所定の領域に前記第１電極を形成し、かつ、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面上の前記第１電極の両側の前記第１電極と離間した領域及び前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の側面に前記第２電極を形成すると共に、前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板の表面の一部を露出させ、
前記露出したＢｉ−２２１２単結晶基板の表面を改質することにより、前記第１及び第２電極と自己整合的に塩酸による改質層を形成し、
前記Ｂｉ−２２１２単結晶基板内における前記第１電極の下部であって前記塩酸による改質層に挟まれた領域を多層構造のトンネル接合として用いる
ことを特徴とするメサ型超伝導素子の製造方法。 Forming a metal layer to be first and second electrodes on the surface and side surfaces of the Bi-2212 single crystal substrate;
The first electrode is formed in a predetermined region on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate by etching the metal layer, and the first electrode on the surface of the Bi-2212 single crystal substrate is formed. Forming the second electrode on both sides of the Bi-2212 single crystal substrate and a region spaced from the first electrode on both sides, exposing a part of the surface of the Bi-2212 single crystal substrate;
By modifying the exposed surface of the Bi-2212 single crystal substrate, a modified layer of hydrochloric acid is formed in a self-aligned manner with the first and second electrodes,
A method of manufacturing a mesa type superconducting device, wherein a region under the first electrode in the Bi-2212 single crystal substrate and sandwiched between the modified layers of hydrochloric acid is used as a tunnel junction having a multilayer structure .
ことを特徴とする請求項５記載のメサ型超伝導素子の製造方法。 The mesa superconducting device according to claim 5, wherein the modification of the surface of the exposed Bi-2212 single crystal substrate is performed by immersing the mesa superconducting device in a hydrochloric acid solution having a predetermined concentration. Manufacturing method.
前記多層構造のトンネル接合の数は、前記塩酸による改質層の膜厚を制御することにより決定される
ことを特徴とする請求項６記載のメサ型超伝導素子の製造方法。 The film thickness of the modified layer with hydrochloric acid is controlled by the immersion time,
The method for manufacturing a mesa superconducting device according to claim 6, wherein the number of tunnel junctions of the multilayer structure is determined by controlling a film thickness of the modified layer made of hydrochloric acid.
ことを特徴とする請求項５記載のメサ型超伝導素子の製造方法。 The method for manufacturing a mesa superconducting device according to claim 5, wherein the metal layer is made of gold, and the etching of the metal layer is performed by wet etching using a predetermined solution.
前記第２金属層をエッチングすることにより、前記第１及び第２電極に接続する前記配線層を形成する
ことを特徴とする請求項５記載のメサ型超伝導素子の製造方法。
After the formation of the modified layer with hydrochloric acid, a second metal layer to be a wiring layer is formed,
The method for manufacturing a mesa superconducting device according to claim 5, wherein the wiring layer connected to the first and second electrodes is formed by etching the second metal layer.
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