JPH05190920A - Fine working method of oxide superconducting thin film and planar type superconducting element using the same - Google Patents

Fine working method of oxide superconducting thin film and planar type superconducting element using the same

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JPH05190920A
JPH05190920A JP4090230A JP9023092A JPH05190920A JP H05190920 A JPH05190920 A JP H05190920A JP 4090230 A JP4090230 A JP 4090230A JP 9023092 A JP9023092 A JP 9023092A JP H05190920 A JPH05190920 A JP H05190920A
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JP
Japan
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thin film
substrate
oxide superconducting
superconducting thin
ybco
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Application number
JP4090230A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiyuki Matsui
俊之 松井
Takeshi Suzuki
健 鈴木
Hiroshi Kimura
浩 木村
Takashi Ishii
孝志 石井
Koichi Tsuda
孝一 津田
Kazuo Koe
和郎 向江
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To form a planar type superconducting element which can not be formed by using a lamination type, by using material whose thermal expansion coefficient is remarkably different from a oxide superconducting thin film, as a substrate. CONSTITUTION:As an oxide superconducting thin film, e.g. YBa2Cu3 O7-x(YBCO) is used, and, as substrate material, SrTi03 (STO) is used. The thermal expansion coefficients of them are remarkably different, and its feature is shown by the change of length of a crystal axis of each material (C axis in the case of YBCO) versus the temperature. Since the YBCO film sharply expands at 400 deg.C or higher, internal stress is generated in the YBCO film during a cooling process from the forming temperature at 550-700 deg.C, when the YBCO thin film is formed. The absolute value of the stress increases in proportion to the YBCO film thickness, so that cracks of about 10nm width are generated to relieve the stress for the thickness larger than the critical film thickness. By using said cracks, various kinds of planar type superconducting elements can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は酸化物超電導薄膜の微細
加工方法と、この方法により微細亀裂の形成された酸化
物超電導薄膜を用いた平面型超電導素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for finely processing an oxide superconducting thin film and a planar type superconducting element using the oxide superconducting thin film having fine cracks formed by this method.

【0002】[0002]

【従来の技術】図15は従来知られている積層型の近接
効果型素子の構成を示す模式断面図であり、測定系も付
記してある。図15において、この素子は基板1上に形
成された酸化物超電導体2と、金属超電導体3の二つの
超電導体との間に、厚さ10nmの貴金属の常電動体4
を挟んだ構造を持ち、超電導体2,3から常電動体4へ
の電子対の染みだしを利用したジョセフソン素子であ
る。5はスペーサーの絶縁体,6は測定用発振器,7は
測定用電圧計を表わしている。
2. Description of the Related Art FIG. 15 is a schematic sectional view showing the structure of a conventionally known laminated proximity effect element, and a measuring system is also shown. In FIG. 15, this element is composed of a noble metal paraelectric body 4 having a thickness of 10 nm between an oxide superconductor 2 formed on a substrate 1 and two superconductors of a metal superconductor 3.
It is a Josephson element that has a structure sandwiching the above and uses the exudation of electron pairs from the superconductors 2 and 3 to the normal electric body 4. 5 is an insulator of a spacer, 6 is an oscillator for measurement, and 7 is a voltmeter for measurement.

【0003】また、図16は金属超電導体を用いた電界
効果型素子の構成を示す模式断面図である。図16にお
いて、この素子は二つの金属超電導体8で化合物半導体
9を挟んだ構造を有し、化合物半導体9の上面に絶縁体
10を介してゲート電極11が設けられており、この電
極11に電圧を印加することにより、化合物半導体9に
高キャリア濃度のチャネル領域が形成される。電界効果
による超電導体8から化合物半導体9への電子対の染み
だしは、化合物半導体9中のキャリア濃度に依存するた
め、ゲート電極11に印加する電圧の有無で超電導電流
を制御することができる。金属超電導体8を使用するこ
の素子の場合、金属超電導体8のコヒーレンス長が酸化
物超電導体に比べて10倍以上長いため、二つの金属超
電導体8の間隔、即ち、化合物半導体9の挟まれている
部分は100nmでも作動する。しかし、酸化物超電導
体を使った場合には、図15で述べた近接効果型素子と
同様、10nm程度にする必要がある。
FIG. 16 is a schematic sectional view showing the structure of a field effect element using a metal superconductor. In FIG. 16, this device has a structure in which a compound semiconductor 9 is sandwiched between two metal superconductors 8, and a gate electrode 11 is provided on the upper surface of the compound semiconductor 9 via an insulator 10. A high carrier concentration channel region is formed in the compound semiconductor 9 by applying a voltage. Since the bleeding of electron pairs from the superconductor 8 to the compound semiconductor 9 due to the electric field effect depends on the carrier concentration in the compound semiconductor 9, the superconducting current can be controlled by the presence or absence of the voltage applied to the gate electrode 11. In the case of this element using the metal superconductor 8, since the coherence length of the metal superconductor 8 is 10 times or more longer than that of the oxide superconductor, the gap between the two metal superconductors 8, that is, the compound semiconductor 9 is sandwiched. The part that operates is 100 nm. However, when the oxide superconductor is used, it is necessary to set the thickness to about 10 nm as in the proximity effect element described in FIG.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、酸化物超電
導体を用いたジョセフソン素子は、例えば電界効果型の
ような3端子素子では、平面型に形成する方がゲート電
極を取り出しやすいなどの点で有利である。しかし、こ
の材料はコヒーレンス長が短いので、10nm程度の微
細加工を要する。例えば、図13のジョセフソン素子を
平面型で形成するためには、超電導体2または3を10
nmの幅でエッチングする必要がある。即ち、図13の
積層型では常電動体4の膜厚に相当する10nmは、平
面型ではエッチング幅として微細加工されなければなら
ないなど困難な点が多い。
A Josephson device using an oxide superconductor, for example, a three-terminal device such as a field effect device, is easier to take out the gate electrode when formed in a planar type. Is advantageous. However, since this material has a short coherence length, fine processing of about 10 nm is required. For example, in order to form the Josephson device shown in FIG.
It is necessary to etch with a width of nm. That is, in the laminated type shown in FIG. 13, 10 nm, which corresponds to the film thickness of the paraelectric body 4, has many difficulties in that the planar type has to be finely processed as an etching width.

【0005】1μm以下の微細加工技術として従来知ら
れているものは、電子線露光法もしくはX線露光法,収
束イオンビーム法などであるが、これらの方法には次の
ような欠点があるために、従来、平面型のジョセフソン
素子の作製は不可能であった。 1 幅10nm程度に加工することができず、100n
mが限界である。 2 加工面に劣化を生じ、またはダメージを受ける。
Conventionally known fine processing techniques of 1 μm or less are an electron beam exposure method, an X-ray exposure method, a focused ion beam method and the like. However, these methods have the following drawbacks. In addition, conventionally, it has been impossible to manufacture a planar Josephson device. 1 Can not be processed to a width of about 10 nm,
m is the limit. 2 The machined surface is deteriorated or damaged.

【0006】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は酸化物超電導薄膜を10nm程度に微
細加工することが可能な方法と、この方法を用いて形成
した平面型超電導素子を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is a method capable of finely processing an oxide superconducting thin film to a thickness of about 10 nm, and a planar type superconducting element formed by using this method. To provide.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は基板上に酸化物超電導薄膜を形成する際
に、基板材料に酸化物超電導薄膜とは著しく熱膨張係数
の異なる材料を用い、薄膜形成温度からの冷却過程で酸
化物超電導薄膜と基板との熱膨張差に起因して生ずる内
部応力により、酸化物超電導薄膜に幅10nm程度の亀
裂を発生させる微細加工を施すものであり、この亀裂部
に貴金属を形成した近接効果型の平面型超電導素子,亀
裂部に半導体層を形成した受光用の平面型超電導素子,
または亀裂部に半導体,絶縁体,金属をこの順に形成し
た電界効果型の平面型超電導素子が得られる。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a material of a substrate having a coefficient of thermal expansion significantly different from that of the oxide superconducting thin film when forming the oxide superconducting thin film on the substrate. The micro stress is applied to the oxide superconducting thin film due to the internal stress caused by the difference in thermal expansion between the oxide superconducting thin film and the substrate during the cooling process from the thin film forming temperature. There is a proximity effect type planar superconducting element in which a noble metal is formed in the crack, a planar superconducting element for receiving light in which a semiconductor layer is formed in the crack,
Alternatively, a field effect type planar superconducting element in which a semiconductor, an insulator, and a metal are formed in this order in a crack portion can be obtained.

【0008】[0008]

【作用】酸化物超電導薄膜は、一般に550〜700℃
の高温で形成される。このため、基板として酸化物超電
導薄膜と熱膨張係数の著しく異なる材料を用いることに
より、形成温度からの冷却過程で酸化物超電導薄膜に大
きな内部応力が発生し、これを緩和するために薄膜に微
細な亀裂(クラック)となって現われる。このとき得ら
れる亀裂幅は10nm程度であるから、これを微細加工
法として採用し、積層型では不可能な上記の各種平面型
超電導素子を作製することができる。
Function: The oxide superconducting thin film is generally 550 to 700 ° C.
Formed at high temperature. Therefore, by using a material whose coefficient of thermal expansion is significantly different from that of the oxide superconducting thin film as the substrate, a large internal stress is generated in the oxide superconducting thin film during the cooling process from the formation temperature, and in order to alleviate this, a fine film is formed in the thin film. It appears as a crack. Since the crack width obtained at this time is about 10 nm, this can be adopted as a microfabrication method to manufacture the above-mentioned various planar superconducting elements which cannot be obtained by the laminated type.

【0009】[0009]

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。酸
化物超電導薄膜の材料としては、LnBa2 Cu3
7-X (LnはY,Nb,La,Sm,Eu,Gd,D
y,Ho,Er,Tm,Yb,Luの中のいずれか一つ
の元素,Xは酸素欠損量)があるが、ここでは、YBa
2 Cu3 7-x (以後YBCOとする)を用い、基板材
料にSrTiO3 (以後STOとする)を用いた場合に
ついて述べる。これらの材料は熱膨張係数が著しく異な
り、その様子を図1に、各材料の結晶軸(YBCOはC
軸)の温度に対する長さの変化で表わした線図で示す。
図1によれば、ほぼ400℃以上ではYBCO膜の方が
急激に伸びる。このため、STO基板上にYBCO薄膜
をスパッタ法やCVD法などで形成するとき、形成温度
の550〜700℃からの冷却過程で、両者の熱膨張係
数が異なることな起因してYBCO膜中に内部応力(ス
トレス)が生ずる。このストレスの絶対値は、YBCO
膜厚に比例して増加するから、臨界膜厚以上ではストレ
スを緩和するために、YBCO膜中に微細な亀裂(クラ
ック)が入ることが予測される。これを確認するため
に、マグネトロンスパッタ法を用いて、STO基板上に
結晶の面方向(110),(013),もしくは(10
3)のYBCO薄膜を形成し、その表面を走査型電子顕
微鏡(SEM)により観察した。
EXAMPLES The present invention will be described below based on examples. As a material for the oxide superconducting thin film, LnBa 2 Cu 3 O is used.
7-X (Ln is Y, Nb, La, Sm, Eu, Gd, D
y, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, any one element, and X is an oxygen deficiency), but here, YBa
A case where 2 Cu 3 O 7-x (hereinafter referred to as YBCO) is used and SrTiO 3 (hereinafter referred to as STO) is used as a substrate material will be described. The thermal expansion coefficients of these materials are remarkably different, and the state is shown in Fig. 1. The crystal axes (YBCO is C
(Axis) is shown in a diagram represented by the change in length with respect to temperature.
According to FIG. 1, the YBCO film expands sharply at about 400 ° C. or higher. Therefore, when the YBCO thin film is formed on the STO substrate by the sputtering method, the CVD method, or the like, the thermal expansion coefficients of the two become different in the cooling process from the formation temperature of 550 to 700 ° C. Internal stress occurs. The absolute value of this stress is YBCO
Since it increases in proportion to the film thickness, it is expected that fine cracks will occur in the YBCO film in order to relieve stress above the critical film thickness. In order to confirm this, by using a magnetron sputtering method, a crystal plane direction (110), (013), or (10) is formed on the STO substrate.
The YBCO thin film of 3) was formed, and the surface thereof was observed by a scanning electron microscope (SEM).

【0010】図2はSTO(110)基板上に形成され
たYBCO膜の表面を5万倍に拡大したSEM写真を示
したものである。図2のように10nm程度のクラック
がYBCO膜のC軸に垂直な方向に入ることが確認され
た。ただ、このようなクラックは、YBCO膜の形成温
度と膜厚に依存し、膜厚が薄い場合は膜内部のストレス
が臨界値に達しないため、ストレスが膜内部に溜まった
状態にはなるが、クラックとなって発生することはな
い。また膜の形成温度が低い場合も、実質的な熱膨張の
大きさに差が生じないため、クラックが導入されること
はない。図3はYBCO膜厚と基板温度との関係図であ
り、これらの条件によってYBCO膜にクラックの入る
領域とクラックの入らない領域があり、これを区分して
示したものである。
FIG. 2 shows an SEM photograph of the surface of the YBCO film formed on the STO (110) substrate, magnified 50,000 times. As shown in FIG. 2, it was confirmed that a crack of about 10 nm enters in the direction perpendicular to the C axis of the YBCO film. However, such a crack depends on the formation temperature and the film thickness of the YBCO film, and when the film thickness is small, the stress inside the film does not reach the critical value, so that the stress is accumulated inside the film. , It does not occur as a crack. Even when the film formation temperature is low, there is no substantial difference in thermal expansion, so cracks are not introduced. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the YBCO film thickness and the substrate temperature. Depending on these conditions, the YBCO film has a cracked region and a crackless region, which are shown separately.

【0011】図4は以上のようにして得られたクラック
を有するYBCO薄膜をパターニングして、電気抵抗の
温度依存性、およびクラックが膜を貫通しているか否か
を調べるために作製した測定試料を正面から見た模式図
である。図4において、STO基板12上に形成したY
BCO膜13に導入したクラック14が中央に位置する
ようにパターニングし、四隅に測定用端子15を設け、
端子15から測定用電圧計16と測定用電流源17に接
続している。YBCO膜13のクラック14を入れる領
域の幅を細くしてあるのは、膜13の薄い部分があると
クラックができないので、膜厚のばらつきによる影響を
避けるようにしたためである。
FIG. 4 is a measurement sample prepared by patterning the cracked YBCO thin film obtained as described above to examine the temperature dependence of electric resistance and whether or not the crack penetrates the film. It is the schematic diagram which looked at from the front. In FIG. 4, Y formed on the STO substrate 12
Patterning is performed so that the crack 14 introduced into the BCO film 13 is located at the center, and the measuring terminals 15 are provided at the four corners.
The terminal 15 is connected to the measuring voltmeter 16 and the measuring current source 17. The reason why the region of the YBCO film 13 where the crack 14 is inserted is made narrower because the crack cannot be formed if there is a thin portion of the film 13 so that the influence of the variation in the film thickness is avoided.

【0012】図5は図4の試料による測定結果を示す温
度−抵抗線図である。図5の曲線の形からクラック14
はYBCO膜13を貫通しており、矢印(図4)の電流
経路に対して、クラック14が垂直に入っているため、
流れる電流はクラック14をトンネルする単一電子トン
ネリングによるものである。一方、温度T=80K以下
の抵抗Rの減少は、YBCO膜13の超電導転移に基づ
くものである。したがって、このクラック14、即ち、
YBCO膜と基板の熱膨張差に起因して生ずる微細亀裂
を利用することにより、平面構造型の超電導素子の形成
が可能であることがわかる。以下、それらの平面型超電
導素子について述べる。
FIG. 5 is a temperature-resistance diagram showing the measurement results of the sample of FIG. From the shape of the curve in FIG.
Penetrates the YBCO film 13 and the crack 14 is perpendicular to the current path shown by the arrow (FIG. 4).
The flowing current is due to single electron tunneling tunneling through the crack 14. On the other hand, the decrease in the resistance R at the temperature T = 80 K or less is due to the superconducting transition of the YBCO film 13. Therefore, this crack 14, that is,
It can be seen that it is possible to form a planar structure type superconducting element by utilizing fine cracks caused by the difference in thermal expansion between the YBCO film and the substrate. Hereinafter, those plane type superconducting elements will be described.

【0013】図6は平面型超電導素子の構成を示す模式
断面図である。この素子はSTO基板18上に、図4に
示した形状にYBCO膜19を形成し、クラック20を
入れた後、クラック20にマグネトロンスパッタ法によ
り、貴金属例えばAu21を堆積することにより、YB
CO/Au/YBCOの平面構造としたものである。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing the structure of the planar superconducting element. In this device, a YBCO film 19 having the shape shown in FIG. 4 is formed on the STO substrate 18, cracks 20 are formed, and then noble metal such as Au 21 is deposited on the cracks 20 by a magnetron sputtering method.
It has a planar structure of CO / Au / YBCO.

【0014】この素子の4.5Kにおける電流−電圧特
性線図を図7に示す。この素子をYBCO膜19の臨界
温度以下に冷却することにより、YBCO膜19の電子
対がAu21に染み出す。その結果、Au21が弱い超
電導性を持つようになり、近接効果型ジョセフソン素子
が形成される。
A current-voltage characteristic diagram at 4.5K of this device is shown in FIG. By cooling this element below the critical temperature of the YBCO film 19, the electron pair of the YBCO film 19 exudes to Au21. As a result, Au21 has weak superconductivity, and a proximity effect type Josephson element is formed.

【0015】半導体中のコヒーレンス長(ξ)は、半導
体のキャリア濃度(n)と移動度(μ)の関数として、
次の式で与えられる。 ξ=(h3 μ/6πKT)1/2 (3π2 n)1/3
The coherence length (ξ) in a semiconductor is a function of the carrier concentration (n) and the mobility (μ) of the semiconductor.
It is given by the following formula. ξ = (h 3 μ / 6πKT) 1/2 (3π 2 n) 1/3

【0016】キャリア濃度と移動度が大きいとき、染み
出し量が多くなるので、キャリア濃度の高い基板または
酸素欠陥を有する基板上に酸化物超電導体を形成するこ
とにより、プレーナー型のジョセフソン素子を得ること
ができる。STO(110)基板にNbを添加すること
で、1020cm-3程度までキャリア濃度を増加させるこ
とができ、この基板を用いて幅10nmのクラック部で
酸化物超電導体−STO−酸化物超電導体構造が形成さ
れ、酸化物超電導体とSTO基板間で近接効果が生ず
る。
When the carrier concentration and the mobility are high, the amount of exudation increases. Therefore, by forming an oxide superconductor on a substrate having a high carrier concentration or a substrate having oxygen defects, a planar type Josephson device is obtained. Obtainable. By adding Nb to the STO (110) substrate, the carrier concentration can be increased up to about 10 20 cm −3 , and using this substrate, the oxide superconductor-STO-oxide superconductivity at the crack portion with a width of 10 nm is increased. A body structure is formed and a proximity effect occurs between the oxide superconductor and the STO substrate.

【0017】そこで、酸化物超電導体にYBCOを用
い、Nbを添加したSTO単結晶基板は、引き上げ法に
より作製した。一方、酸素欠陥を利用した導電性基板
は、引き上げ法により作製したSTOをTiゲッター入
りの超高真空中で、1000℃以上に加熱して酸素欠陥
をつくった。STO中のNbまたは酸素欠陥はドナー不
純物として作用することから、キャリア濃度はホール効
果を測定することにより決定した。Nbを添加してキャ
リア濃度4×1020cm-3としたSTO基板は、伝導度
が増加するため基板側に電流が流れるようになる。そし
て、YBCO膜の超電導転移に伴い近接効果が生じるた
め、STO基板が弱い超電導体として作用する。このた
め、不純物を置換したSTO基板を用いた場合には、Y
BCO膜の抵抗の温度依存性は、YBCO膜の臨界温度
以下では抵抗が0になる。
Therefore, an STO single crystal substrate in which YBCO was used as the oxide superconductor and Nb was added was prepared by the pulling method. On the other hand, for the conductive substrate using oxygen defects, STO produced by the pulling method was heated to 1000 ° C. or higher in an ultrahigh vacuum containing a Ti getter to form oxygen defects. Since Nb or oxygen defects in STO act as a donor impurity, the carrier concentration was determined by measuring the Hall effect. In an STO substrate with Nb added to have a carrier concentration of 4 × 10 20 cm −3 , the conductivity increases, so that a current flows to the substrate side. Then, since the proximity effect occurs with the superconducting transition of the YBCO film, the STO substrate acts as a weak superconductor. Therefore, when an STO substrate with impurities replaced is used, Y
Regarding the temperature dependence of the resistance of the BCO film, the resistance becomes 0 below the critical temperature of the YBCO film.

【0018】得られた測定試料を図4に倣って図8に示
し、図4と共通する部分は同一符号で表わす。図8が図
4と異なる点は、不純物を添加したSTO基板12aを
用いたことである。図8の試料による4.2Kにおける
電流−電圧特性線図を図9に、不純物を添加していない
STO基板(絶縁性基板)を用いた場合との比較で示
す。図9から不純物添加基板を用いることにより、コヒ
ーレンス長が増加するため、超電導電流が流れることが
わかる。
The obtained measurement sample is shown in FIG. 8 in accordance with FIG. 4, and portions common to FIG. 4 are designated by the same reference numerals. The difference between FIG. 8 and FIG. 4 is that the STO substrate 12a added with impurities is used. A current-voltage characteristic diagram at 4.2 K for the sample of FIG. 8 is shown in FIG. 9 in comparison with the case of using an STO substrate (insulating substrate) to which impurities are not added. It can be seen from FIG. 9 that the superconducting current flows because the coherence length is increased by using the impurity-added substrate.

【0019】また、同様にBaTiO3 (110)単結
晶基板やLaCuO4 (110)単結晶基板を用いて、
これら基板上に上に酸化物超電導体を形成することによ
り、熱応力の違いから、酸化物超電導体にクラックを入
れることができるが、このBaTiO3 はLaを添加
し、LaCuO4 はBaを添加することで、キャリア濃
度を1020cm-3まで増加させ、半導体化することが可
能である。このとき、基板の伝導度が増加するので、ク
ラック部ではなく、基板側に電流が流れるようになり、
したがって、Laを添加したBaTiO3 (110)基
板や、Baを添加したLaCuO4 (110)基板上
に、酸化物超電導体を形成することにより、プレーナー
型のジョセフソン素子を得ることができる。
Similarly, using a BaTiO 3 (110) single crystal substrate or a LaCuO 4 (110) single crystal substrate,
By forming an oxide superconductor on these substrates, cracks can be formed in the oxide superconductor due to the difference in thermal stress. However, La is added to BaTiO 3 and Ba is added to LaCuO 4. By doing so, it is possible to increase the carrier concentration to 10 20 cm −3 and to make it a semiconductor. At this time, the conductivity of the substrate increases, so that the current will flow to the substrate side instead of the crack portion,
Therefore, a planar type Josephson device can be obtained by forming the oxide superconductor on the LaTiO 3 -doped BaTiO 3 (110) substrate or the Ba-doped LaCuO 4 (110) substrate.

【0020】半導体に光を照射すると、半導体内部で電
子とホールが生成される。このため、半導体の伝導度は
増加し、コヒーレンス長も増加する。このコヒーレンス
長は、超電導体から半導体への電子対の染み出しの長さ
を意味し、半導体内部で二つの超電導体からの電子対の
染み出しが重なるとき、超電導電流(ジョセフソン電
流)が流れる。したがって、図6に示した素子の貴金属
であるAu21の代わりに、光伝導度を有する半導体を
用いることにより、素子に流れる超電導電流が光照射の
有無で変化し、平面型の受光素子を得ることができる。
When a semiconductor is irradiated with light, electrons and holes are generated inside the semiconductor. Therefore, the conductivity of the semiconductor increases and the coherence length also increases. This coherence length means the length of the oozing of the electron pair from the superconductor to the semiconductor. When the oozing of the electron pair from the two superconductors overlaps inside the semiconductor, a superconducting current (Josephson current) flows. .. Therefore, by using a semiconductor having photoconductivity in place of Au21 which is the noble metal of the device shown in FIG. 6, the superconducting current flowing through the device is changed depending on the presence or absence of light irradiation to obtain a planar type light receiving device. You can

【0021】この実施例として、例えば半導体としてC
dSを用い、図4に示す形状にYBCO膜19を加工
し、クラック20を形成した後、クラック20に真空蒸
着法により、CdS22を形成した素子の模式断面図を
図10に示す。図10では図6と共通部分に同一符号を
用いてある。即ち、この素子は、図6のAu21の代わ
りにCdS22を用いたものであり、その他の構成は図
6と同じである。図11は図10に示した素子の電流−
電圧特性線図であり、この線図は素子に光を照射したと
きと、光を照射しないときの光応答特性を示している
が、図11から平面型受光素子として作動することがわ
かる。
In this embodiment, for example, C is used as a semiconductor.
FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of an element in which the YBCO film 19 is processed into the shape shown in FIG. 4 using dS to form the crack 20, and then the CdS 22 is formed in the crack 20 by the vacuum evaporation method. In FIG. 10, the same parts as those in FIG. 6 are designated by the same reference numerals. That is, this element uses CdS22 instead of Au21 in FIG. 6, and the other configurations are the same as those in FIG. FIG. 11 shows the current of the device shown in FIG.
It is a voltage characteristic diagram, and this diagram shows the light response characteristics when the element is irradiated with light and when it is not irradiated with light. From FIG. 11, it can be seen that the element operates as a planar light receiving element.

【0022】半導体中のコヒーレンス長は前述の式によ
り与えられるから、半導体中のキャリア濃度を意識的に
変調させることにより、この素子に流れる超電導電流を
制御することが可能である。半導体中のキャリア濃度を
変化させる方法は、光照射の他にも電界によって行なう
ことができる。図12は電界効果型の平面型超電導素子
の模式断面図を示し、図6,図10と共通する部分を同
一符号で表わしてある。図12が図6,図10と異なる
所は、クラック20の部分に半導体、例えばp型GaA
s23を堆積して、その上に100nmの絶縁層24、
例えば酸化シリコンを形成し、最後にアルミニュウム層
を形成し、これをゲート電極25としたことである。こ
の素子はゲート電極25にマイナスの電圧を印加する
と、GaAs23にキャリア濃度の高い層、即ちチャネ
ルが形成される。このことにより、近接効果が生じ、超
電導体/GaAs/超電導体による超電導電流が流れ
る。そして、ゲート電圧で誘起されるキャリア濃度は、
ゲート電圧の大きさに依存するため、素子に流れる超電
導電流をゲート電圧で制御することができる。
Since the coherence length in the semiconductor is given by the above equation, it is possible to control the superconducting current flowing in this element by intentionally modulating the carrier concentration in the semiconductor. The method of changing the carrier concentration in the semiconductor can be performed by an electric field in addition to the light irradiation. FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of a field effect type planar superconducting element, and the same parts as those in FIGS. 6 and 10 are represented by the same reference numerals. The difference between FIG. 12 and FIGS. 6 and 10 is that a semiconductor such as p-type GaA is present in the crack 20.
s23 is deposited and an insulating layer 24 of 100 nm is deposited on the s23,
For example, silicon oxide is formed, an aluminum layer is finally formed, and this is used as the gate electrode 25. In this device, when a negative voltage is applied to the gate electrode 25, a layer having a high carrier concentration, that is, a channel is formed in the GaAs 23. As a result, a proximity effect occurs and a superconducting current of superconductor / GaAs / superconductor flows. And the carrier concentration induced by the gate voltage is
Since it depends on the magnitude of the gate voltage, the superconducting current flowing through the device can be controlled by the gate voltage.

【0023】さらに、本発明により得られる10nm幅
程度の微細なクラックは、酸化物超電導体ブリッジ型ジ
ョセフソン接合素子として、高感度磁気センサーに適用
することができる。超電導体を利用した高感度磁気セン
サー(SQUID)を作製する場合は、ジョセフソン接
合素子を二つ並列に接続する必要があるが、本発明の微
細加工方法によれば、この並列接続を行なうことができ
る。例えば、YBCO膜をSTO(110)基板上に、
RFマグネトロンスパッタ法により、650℃で250
nm堆積し、室温に冷却する過程でYBCO膜に亀裂を
生じさせた後、通常の微細加工により高感度磁気センサ
ーのパターンを作製し、最後に電極を取り付けて素子を
完成する。図13は、高感度磁気センサーの形状を示す
模式図であり、26がYBCO膜,27がクラック,2
8がループ部分,29が測定用金電極を表わしている
が、ここではループ部分として、接合面内のループ面積
が100μm2 と400μm2 の2種類を作製し、両者
の特性を測定した。この素子は、YBCO膜26上のク
ラック27がYBCO膜26に対して一定の方向に、そ
れぞれ等間隔に発生しているので、このパターンを使用
すると、二つのジョセフソン接合の並列接続を容易に行
なうことができる。
Further, the minute cracks of about 10 nm width obtained by the present invention can be applied to a high sensitivity magnetic sensor as an oxide superconductor bridge type Josephson junction element. When manufacturing a high sensitivity magnetic sensor (SQUID) using a superconductor, it is necessary to connect two Josephson junction elements in parallel. According to the fine processing method of the present invention, this parallel connection is performed. You can For example, a YBCO film on an STO (110) substrate,
250 at 650 ° C by RF magnetron sputtering method
The YBCO film is cracked in the course of being deposited on the YBCO film in the process of cooling to room temperature, and then a pattern of a high-sensitivity magnetic sensor is prepared by ordinary microfabrication, and finally an electrode is attached to complete the device. FIG. 13 is a schematic diagram showing the shape of the high-sensitivity magnetic sensor, where 26 is a YBCO film, 27 is a crack, and 2 is a crack.
Reference numeral 8 represents a loop portion, and 29 represents a gold electrode for measurement. Here, as the loop portion, two types of loop areas in the bonding surface, 100 μm 2 and 400 μm 2 , were prepared, and the characteristics of both were measured. In this device, cracks 27 on the YBCO film 26 are generated in the YBCO film 26 in a constant direction and at equal intervals. Therefore, using this pattern facilitates parallel connection of two Josephson junctions. Can be done.

【0024】図14は得られた素子の液体窒素温度(7
7K)における磁場応答特性を示す線図であり、(a)
はループ面積が100μm2 の素子,(b)はループ面
積が400μm2 の素子であることを表わす。ループ面
積と応答感度は反比例し、図14から(a)の素子の磁
場応答特性が(b)の素子4倍になっていることがわか
る。この結果は、本発明により得られた高感度磁気セン
サーが良好に作動していることを示すものである。
FIG. 14 shows the liquid nitrogen temperature (7
It is a diagram showing a magnetic field response characteristics in 7K), (a)
Represents a device having a loop area of 100 μm 2 , and (b) represents a device having a loop area of 400 μm 2 . It is understood from FIG. 14 that the loop area and the response sensitivity are inversely proportional, and the magnetic field response characteristic of the element of (a) is four times that of the element of (b). This result shows that the high-sensitivity magnetic sensor obtained according to the present invention is operating well.

【0025】[0025]

【発明の効果】従来の微細加工技術は100nmが限界
であったが、以上述べてきたように、本発明では酸化物
超電導薄膜を熱膨張係数の異なる基板上に形成すること
により、酸化物超電導薄膜の形成温度からの冷却過程
で、この薄膜に10nm幅程度の微細なクラックを生ず
ることから、このクラックを利用して、これまで不可能
であった酸化物超電導体を用いた平面型の各種超電導素
子を得ることができる。
As described above, according to the present invention, the oxide superconducting thin film is formed on the substrate having a different thermal expansion coefficient. During the cooling process from the formation temperature of the thin film, minute cracks with a width of about 10 nm are generated in this thin film. Therefore, by utilizing these cracks, various planar types using oxide superconductors, which have been impossible so far, are used. A superconducting element can be obtained.

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

【図1】YBCO膜とSTO基板の各結晶軸の温度に対
する長さの変化を表わす線図
FIG. 1 is a diagram showing changes in length of crystal axes of a YBCO film and an STO substrate with respect to temperature.

【図2】YBCO膜表面の粒子の構造を示す電子顕微鏡
写真
FIG. 2 is an electron micrograph showing the structure of particles on the surface of the YBCO film.

【図3】YBCO膜厚と基板温度との間のクラックを生
ずる関係図
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between YBCO film thickness and substrate temperature, which causes cracks.

【図4】クラックを有するYBCO膜の電気抵抗測定試
料の模式図
FIG. 4 is a schematic diagram of an electric resistance measurement sample of a YBCO film having a crack.

【図5】図4の試料による測定結果を示す温度−抵抗線
5 is a temperature-resistance diagram showing the measurement results of the sample of FIG.

【図6】本発明による近接効果型の平面型超電導素子の
構成を示す模式断面図
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a proximity effect type planar superconducting element according to the present invention.

【図7】図6に示した素子の電流−電圧特性線図FIG. 7 is a current-voltage characteristic diagram of the device shown in FIG.

【図8】不純物添加基板を用いた測定試料の模式図FIG. 8 is a schematic diagram of a measurement sample using an impurity-added substrate

【図9】図8の試料と絶縁基板との比較で示した電流−
電圧特性線図
FIG. 9 shows currents shown in comparison between the sample of FIG. 8 and an insulating substrate.
Voltage characteristic diagram

【図10】本発明による電界効果型の平面型超電導素子
の構成を示す模式断面図
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a field effect type planar superconducting element according to the present invention.

【図11】本発明による受光用の平面型超電導素子の構
成を示す模式断面図
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a planar superconducting element for receiving light according to the present invention.

【図12】図11に示した素子の電流−電圧特性線図12 is a current-voltage characteristic diagram of the device shown in FIG.

【図13】本発明による高感度磁気センサーの形状を示
す模式図
FIG. 13 is a schematic diagram showing the shape of a high-sensitivity magnetic sensor according to the present invention.

【図14】図11に示した素子の磁場応答特性線図14 is a magnetic field response characteristic diagram of the device shown in FIG.

【図15】従来の近接効果型の超電導素子の構成を示す
模式断面図
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a conventional proximity effect type superconducting element.

【図16】従来の電界効果型素子の構成を示す模式断面
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional field effect element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 酸化物超電導体 3 金属超電導体 4 常電導体 5 絶縁体 6 測定用発振器 7 測定用電圧計 8 金属超電導体 9 化合物半導体 10 絶縁体 11 ゲート電極 12 STO基板 12a 不純物添加基板 13 YBCO膜 14 クラック 15 測定用端子 16 測定用電圧計 17 測定用電流源 18 STO基板 19 YBCO膜 20 クラック 21 Au 22 CdS 23 GaAs 24 絶縁層 25 ゲート電極 26 YBCO膜 27 クラック 28 ループ部分 29 測定用金電極 1 Substrate 2 Oxide Superconductor 3 Metal Superconductor 4 Normal Conductor 5 Insulator 6 Measurement Oscillator 7 Measurement Voltmeter 8 Metal Superconductor 9 Compound Semiconductor 10 Insulator 11 Gate Electrode 12 STO Substrate 12a Impurity-Added Substrate 13 YBCO Film 14 crack 15 measurement terminal 16 measurement voltmeter 17 measurement current source 18 STO substrate 19 YBCO film 20 crack 21 Au 22 CdS 23 GaAs 24 insulating layer 25 gate electrode 26 YBCO film 27 crack 28 loop part 29 measurement gold electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 孝志 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 津田 孝一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 向江 和郎 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Takashi Ishii 1-1 Tanabe Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Fuji Electric Co., Ltd. No. 1 inside Fuji Electric Co., Ltd. (72) Inventor Kazuro Mue 1-1 Tanabe Nitta, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Inside Fuji Electric Co., Ltd.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板上に酸化物超電導薄膜を形成するに当
たり、前記基板として前記薄膜とは著しく熱膨張係数の
異なる材料を用い、前記薄膜の形成温度からの冷却過程
で前記薄膜と前記基板との熱膨張差に起因して生ずる内
部応力により、前記薄膜に亀裂を発生させることを特徴
とする酸化物超電導薄膜の微細加工方法。
1. When forming an oxide superconducting thin film on a substrate, a material having a coefficient of thermal expansion significantly different from that of the thin film is used as the substrate, and the thin film and the substrate are separated from each other in a cooling process from the formation temperature of the thin film. A method for microfabrication an oxide superconducting thin film, characterized in that cracks are generated in the thin film due to internal stress caused by the difference in thermal expansion.
【請求項2】請求項1記載の方法において、酸化物超電
導薄膜はLnBa2 Cu3 7-X (LnはY,Nb,L
a,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Y
b,Luの中のいずれか一つの元素,Xは酸素欠損量)
であり、基板はSrTiO3 を用いることを特徴とする
酸化物超電導薄膜の微細加工方法。
2. The method according to claim 1, wherein the oxide superconducting thin film is LnBa 2 Cu 3 O 7-X (Ln is Y, Nb, L
a, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Y
b, any one element of Lu, X is oxygen deficiency)
The substrate is made of SrTiO 3 and is a microfabrication method for an oxide superconducting thin film.
【請求項3】請求項1または2記載の方法において、亀
裂は酸化物超電導薄膜のC軸に対して垂直であることを
特徴とする酸化物超電導薄膜の微細加工方法。
3. The method for microfabrication of an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein the crack is perpendicular to the C axis of the oxide superconducting thin film.
【請求項4】請求項1ないし3記載の方法において、亀
裂幅がほぼ10nmであることを特徴とする酸化物超電
導薄膜の微細加工方法。
4. The method for microfabrication of an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein the crack width is about 10 nm.
【請求項5】請求項1ないし4記載の方法により得られ
た亀裂部に貴金属を形成してなることを特徴とする近接
効果型の平面型超電導素子。
5. A proximity effect type planar superconducting element, characterized in that a noble metal is formed in a crack obtained by the method according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】請求項1ないし4記載の方法により得られ
た亀裂部に半導体を形成してなることを特徴とする受光
用の平面型超電導素子。
6. A planar superconducting device for receiving light, characterized in that a semiconductor is formed in a crack obtained by the method according to any one of claims 1 to 4.
【請求項7】請求項1ないし4記載の方法により得られ
た亀裂部に半導体,絶縁体,金属をこの順に形成してな
ることを特徴とする電界効果型の平面型超電導素子。
7. A field effect type planar superconducting element, characterized in that a semiconductor, an insulator and a metal are formed in this order in a crack obtained by the method according to claim 1.
【請求項8】請求項1ないし4記載の方法により得られ
た亀裂部を用いて、二つのブリッジ型ジョセフソン接合
素子を並列接続した高感度磁気センサーを構成すること
を特徴とする平面型超電導素子。
8. A plane type superconducting device comprising a high sensitivity magnetic sensor in which two bridge type Josephson junction elements are connected in parallel by using the crack portion obtained by the method according to any one of claims 1 to 4. element.
【請求項9】請求項1記載の方法において、基板として
ドナーを導入したSrTiO3 を用いることを特徴とす
る酸化物超電導薄膜の微細加工方法。
9. The method for microfabrication of an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein SrTiO 3 having a donor introduced therein is used as the substrate.
【請求項10】請求項1または8記載の方法において、
ドナーの導入はNb元素の添加または酸素欠陥を形成す
ることにより行なうことを特徴とする酸化物超電導薄膜
の微細加工方法。
10. The method according to claim 1, wherein
A fine processing method for an oxide superconducting thin film, wherein the introduction of a donor is performed by adding an Nb element or forming an oxygen defect.
【請求項11】請求項1記載の方法において、基板とし
てLaを添加したBaTiO3 (110)単結晶を用い
ることを特徴とする酸化物超電導薄膜の微細加工方法。
11. The method for microfabrication of an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein a BaTiO 3 (110) single crystal containing La is used as a substrate.
【請求項12】請求項1記載の方法において、基板とし
てBaを添加したLaCuO4 (110)単結晶を用い
ることを特徴とする酸化物超電導薄膜の微細加工方法。
12. A method for finely processing an oxide superconducting thin film according to claim 1, wherein a LaCuO 4 (110) single crystal containing Ba is used as the substrate.
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