JPH07302935A - ジョセフソン接合素子及びその製造方法及び製造装置 - Google Patents

ジョセフソン接合素子及びその製造方法及び製造装置

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JPH07302935A
JPH07302935A JP7104389A JP10438995A JPH07302935A JP H07302935 A JPH07302935 A JP H07302935A JP 7104389 A JP7104389 A JP 7104389A JP 10438995 A JP10438995 A JP 10438995A JP H07302935 A JPH07302935 A JP H07302935A
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JP
Japan
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layer
ybco
josephson junction
base
plasma
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Application number
JP7104389A
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English (en)
Inventor
Jens-Peter Krumme
クルメ イェンス−ペーター
Dirk Grundler
グルントラー ディルク
David Bernd
ダーフィット ベルント
Volker Doormann
ドーアマン フォルカー
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Electronics NV
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/10Junction-based devices
    • H10N60/12Josephson-effect devices
    • H10N60/124Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は絶縁バリア層と連続にエピタキシャ
ルにより設けられ、α<30°の角をなす斜面からなる
基板上にエピタキシャル成長された第一の超伝導YBa
2 Cu3 7 層(以下にYBCOと称する)と、第二の
YBCO層とからなるジョセフソン接合に関し、薄いエ
ピタキシャル層、特に超伝導YBCO層上のジョセフソ
ン接合のバリア層の製造方法を提供する。 【構成】 フラックス変動が生ずる時に実質的な電圧変
化と同様に高いI0 *Rn積がバリア層がNdGaO3
(NGO)又はPrGaO3 から作られることにより生
ずる。ベース上にバリア層を製造するために該ベースは
プラズマイオンエッチングにより前処理され、該ベース
に向かうプラズマ励起イオンのエネルギーが該ベースの
材料のスパッタリング閾値のエネルギーより小さいか又
はほぼ等しい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基板上にエピタキシャ
ル成長され、絶縁バリア層を連続してエピタキシャルに
設けられたα<30°の角度の斜面を有する第一の超伝
導YBa2 Cu3 7 層(以下YBCOと称する)と、
第二のYBCO層とからなるジョセフソン接合に関す
る。
【0002】
【従来の技術】Appl.Phys.Lett.61
(14),1992年、1709乃至1711頁に記載
されるそのような配置では第一のYBCO層はcー軸が
基板表面に垂直に延在するように(001)SrTiO
3 基板上にエピタキシャルに設けられる。この層はY2
3 絶縁層からなる。続いて傾斜はイオンエッチングに
より第一のYBCO層の端で形成される。次に薄いY2
3 層が、第二の超伝導YBCO層が最後に形成される
バリア層として設けられる。上記論文では更なる改善が
接合の品質を制御するのに必要であると記載されてい
る。
【0003】Appl.Phys.Lett.59
(8),1991年、982乃至984頁にはNdGa
3 及びPrGaO3 (PGO)は低いマイクロ波損失
を示し、故にバリア材料として好ましく用いられうると
記載されている。しかしながらPGOのみをバリア材料
として用いることにより有用な性質は得られないことが
分った。これは「ピンホール」及びマイクロブリッジが
YBCO層間で形成されるということのためである。こ
れは弱く連結した絶縁層の動作に有害に影響する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は高いI
0 *Rn積(I0 =臨界電流、Rn=常伝導抵抗)を有
し、フラックス変動が生ずる時に実質的な電圧変化を示
し、その層の厚さが小さいときでさえ高品質でほとんど
漏洩を示さない前記の型のジョセフソン接合を提供する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的はバリア層がN
dGaO3 又はPrGaO3 から作られることにより達
成される。絶縁層に対する本発明による材料の使用によ
り斜面又は傾斜(傾斜されたエッジ接合)からなるジョ
セフソン接合で特に優秀な動作データが得られた。処理
パラメーターが注意深く選択され、観察された時には、
バリア層の厚さが適切な材料のコヒーレント長の範囲内
で選択された時でさえ、ピンホールは回避されうる。
【0006】本発明は更に薄いエピタキシャル層が成長
する前にプラズマイオンエッチング処理で正確に加工さ
れたベース上の薄いエピタキシャル層、特に超伝導YB
CO層上のジョセフソン接合のバリア層の製造方法を目
的とし、該目的は達成されるべきベースの均一な加湿を
可能にする。この目的はベースに向かうプラズマ励起イ
オンのエネルギーがベースの材料のスパッタリング閾値
のエネルギーより小さいか又はほぼ等しいことにより達
成される。
【0007】この方法で前処理されたベースは非常に平
滑である。格子欠陥を有する結晶要素は実質的に除去さ
れる。従って薄い層は均一に成長可能であり、単結晶の
場合にはエピタキシャルにコヒーレントに成長可能であ
る。2nmの薄さの層でさえも湿らされない(unmo
istened)表面領域(ホール又はピンホール)は
観察されなかった。本発明の方法ではイオンは界面上で
のみ作用し、それらの運動エネルギーレベルが低い故に
格子欠陥を引き起こさない。
【0008】斯くして処理されたベースは続いてのコー
ティング処理の前の雰囲気ガス、湿度又は粒子により悪
影響されないことが確実にされたので薄いエピタキシャ
ル層の形成と同様に正確な加工操作は元の位置でなされ
る。本発明による方法は雰囲気的な影響のような化学的
な影響及び/又はイオンビームエッチングのような物理
的な影響により変化された表面の攪乱されない格子構造
がエッチングにより浄化されることを可能にし、それに
より類似の格子構造及び僅かに異なるのみの格子定数を
有する攪乱されない均一なコーティング層のエピタキシ
ャル成長が可能となる。エピタキシャル、単結晶、コヒ
ーレントであり1nmまで正確で1nmのみ荒い境界を
有する境界層が特にSISジョセフソン接合及び半導体
技術で必要とされる。この方法は例えばジョセフソン接
合の傾斜表面のイオンビームエッチングで必要とされる
フォトレジストマスクの残渣(灰化)なしに乾燥除去で
適切にまた用いられうる。フォトレジストの灰化及びイ
オンビームエッチングされた斜面又は類似の表面の条件
付けは同時になされえ、故に有害な他の場所での溶媒中
の段階を必要としない。この本発明の非侵蝕的(non
−aggressive)方法は除去されるべきフォト
レジストの無機残渣物(例えば約10ppmのFe)が
残ることを可能にし、それにより続いてのエピタキシャ
ル処理に適切な表面を形成する。
【0009】特にジョセフソン接合用のYBCO層が処
理される時には酸素プラズマを用いることが好ましい。
プラズマ流に含まれる原子状酸素は酸化によりYBCO
格子を改善し、それにより傾斜のイオンエッチングのよ
うな続いての処理段階で表面的に影響されるYBCO層
の超伝導特性は回復される。600°Cを越える処理温
度で格子欠陥はまた改善されうる。
【0010】本発明による方法を実施するのに適切に用
いられうる装置はイオン化されたガス粒子を発生するプ
ラズマ源を有する真空容器からなり、該プラズマ源は
r.f.電圧が印加される基板保持具に対向するよう配
置され、該電圧の出力及び/又は値は基板保持具上に配
置された処理されるべき素子に衝突するイオン化された
ガス粒子のエネルギーが処理されるべき素子の材料のス
パッタリング閾値より小さいか又はその範囲内にあるこ
とを特徴とする。このような装置ではイオンエッチング
に必要なガスのプラズマ励起はエッチングに必要なエネ
ルギーの供給と独立に起きる。故にエッチングのエネル
ギーはそれぞれ調整でき、特に非侵蝕的なエッチング処
理に必要な比較的低いレベルで維持されうる。
【0011】元の位置での処理はエピタキシャルコーテ
ィング装置は真空容器内に配置されることにより可能と
なる。
【0012】
【実施例】以下に図を参照して本発明を更に詳細に説明
する。図1に(100)SrTIO3 基板3(図2の)
上にエピタキシャルに設けられたSQUIDの2つの超
伝導YBCO層1、2を示す。SrTIO3 はSTOと
省略する。領域4(SQUIDホール)は層を有さな
い。超伝導ループは約2nm厚さのNGOバリア層7
(図2の)を介した層2の延長5、6である2つのジョ
セフソン接合を介してこの領域の周囲に形成され、層1
はジョセフソン接合を形成する。
【0013】ジョセフソン接合の領域内の層構造を図2
に拡大して示す。第一に200nm厚さのYBCO層1
がそのcー軸が基板表面に垂直に延在するように基板3
上に堆積され、100nm厚さのエピタキシャル絶縁層
8(STO又はNGO)がその上に堆積される。これは
高周波スパッタリング、マグネトロンスパッタリング又
はイオンビームスパッタリングのような良く知られた方
法により達成されうる。続いてYBCO層1及び絶縁層
8はイオンビームエッチングにより知られている方法で
角度α=15°で延在する傾斜表面を有するように設け
られる。
【0014】ほとんど欠陥のない酸素で飽和された境界
は以下に説明するプラズマイオンエッチング処理により
低いBCO層の斜面上に形成され、該境界はエピタキシ
ャルでコヒーレントな方法で成長された第二のYBCO
層と同様に続く薄いバリアを可能にする。NGOバリア
層7及びYBCO層2はバリア及び上部のYBCO層の
形成の前に雰囲気ガスにより不純物を除去するように元
の場所にエピタキシャルに設けられる。
【0015】特にYBCO層2の境界のざらつきの形成
を除去するために角度αは30°を越えてはならない。
αを10°乃至20°の範囲内で選択することによりざ
らついた境界は完全に回避される。そのような傾きを有
する傾斜は全く問題なく製造しうる。電気的な接触面9
(パッド)は図3に示すようにYBCO層1、2上に設
けられた。まず絶縁層8を介して低いYBCO層内に延
在する複数のホール10(数μmの直径を有する)がパ
ッドの領域内にエッチングされた。エッチングの深さは
正確に決められる必要はない。ホール10は好ましくは
基板3内に延在する。次にホール10内に銀の層11が
形成され、層1を有する複数の側方接点が接触パッドを
作るために形成される。この方法は超伝導層が銀層の代
わりに設けられた時に2つの超伝導層間の超伝導接触を
確立するためにも用いられうる。このように大きな区域
のジョセフソン接合がホール内に形成され、適当な数の
ホールは単一の超伝導短絡回路のように動作する。
【0016】ジョセフソン接合では薄いバリア層が高い
0 *Rn積が達成されることを可能にする。抵抗Rn
は層の厚さに概略比例して増加するが臨界電流I0 は層
の厚さに対して概略指数関数的に減少する。正確な処理
の制御により層の厚さが非常に小さい時でさえ均一でピ
ンホールのないバリア層を得ることが可能になる。非常
に重要な特徴はバリア層7を成長させる前に傾斜面の元
の位置の後処理をすることである。この目的のために、
図4に示される装置を用いる特別な方法が用いられた。
ECR酸素プラズマ源13は真空容器12(0.5乃至
2Pa)内に配置され、該プラズマ源は供給配置14を
介してO2 (10乃至40sccm)を供され、この中
で発生器15(217W、245GHz)を介して特に
原子状酸素からなるプラズマ雲が作られる。
【0017】部分的に分解されイオン化された酸素は基
板支持具16に向かって流れる(方向は矢印17により
示される)。運動部分エネルギーのレベルは処理され、
基板支持具上に設けられるべき材料のスパッタリング閾
値の範囲内又は好ましくはそれよりも低く設定される。
これはチューナー18を介して13.56MHzの周波
数を有する10W以下の出力を印加することにより生ず
る基板支持具16でのー3乃至ー30Vの間の範囲のバ
イアス電圧により達成される。この小さなr.f.出力
はそれ自身適切なプラズマは発生しえないが基板支持具
に向かう低エネルギーを有する酸素プラズマの正のイオ
ンを加速することのみしうる。低エネルギーレベルのた
めに傾斜表面の攪乱された領域は新たな格子欠陥を作る
ことなく非侵蝕的に除去される。このように処理された
YBCO層は原子状酸素により酸化され、超伝導特性は
回復される。600°Cを越える基板の温度でも格子欠
陥はまた改善されうる。
【0018】図5に2Wrf乃至5Wrfのr.f.出
力でO2 ガスを横切って基板支持具16に表れるバイア
ス電圧Vの依存性を示す。非常に低いイオンエネルギー
レベルを用いるラジオ周波数プラズマエッチングの上記
方法は一般にエピタキシャル用に適した高品質層を作る
ために印加されうる。それはYBCO表面を前処理する
のに用いられるジョセフソン接合を製造するのに特に好
ましく用いられうる。
【0019】層の続いてのエピタキシャル成長は本発明
の非侵蝕的なイオンプラズマエッチング処理に曝される
表面が後で影響されるのを排除するよう元の場所でなさ
れるべきである。この目的のために適切なコーティング
装置が図4に示される真空容器内に配置される。効果的
に基板支持具16はこれらの装置に向かって真空容器内
で動かされる。
【0020】2nm厚さのNGOバリアの使用は本発明
のジョセフソン接合で測定された以下の値を結果として
生じた: Io*Rn=115μv(77K)又は5mV(4K)
及びdV/dΦ<50μv/Φ0 ジョセフソン接合を製造するために7nm厚さのSTO
バリアを使用していた場合には以下の値が得られた: Io*Rn=35μv(77K)dV/dΦ=25μv
/Φ0 5nm厚さのNーYBCOバリアからなるジョセフソン
接合はIo*Rn=1mv(4K)を示した。
【図面の簡単な説明】
【図1】2つのジョセフソン接合からなるSQUIDの
平面図を示す。
【図2】図1のSQUIDのジョセフソン接合の拡大断
面図を示す。
【図3】電気的接点表面の領域の拡大断面図を示す。
【図4】本発明による配置の主要な部品を示す概略図で
ある。
【図5】図3の装置の基板保持具に表れたバイアス電圧
の特性曲線を示す図である。
【符号の説明】
1、2 超伝導YBCO層 3 SrTIO3 基板 4 領域 5、6 層2の延長 7 バリア層 8 エピタキシャル層 9 接触面 10 ホール 11 銀の層 12 真空容器 13 ECRプラズマ源 14 供給配置 15 発生器 16 基板支持具 18 チューナー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディルク グルントラー ドイツ連邦共和国 22529 ハンブルク シュトレセマナレー 132 (72)発明者 ベルント ダーフィット ドイツ連邦共和国 24641 ヒュットブレ ク ドルフシュトラーセ 20 (72)発明者 フォルカー ドーアマン ドイツ連邦共和国 22309 ハンブルク ボルシェルトリング 2エフ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上にエピタキシャルに成長され、絶
    縁バリア層(7)を連続してエピタキシャルに設けられ
    たα<30°の角度の斜面を有する第一の超伝導YBa
    2 Cu3 7 層(1)(以下YBCOと称する)と、第
    二のYBCO層(2)とからなるジョセフソン接合であ
    って、該バリア層(7)はNdGaO 3 (NGO)又は
    PrGaO3 からなることを特徴とするジョセフソン接
    合素子。
  2. 【請求項2】 薄いエピタキシャル層が成長する前にプ
    ラズマイオンエッチング処理で正確に加工されたベース
    上の薄いエピタキシャル層、特に超伝導YBCO層
    (1)上のジョセフソン接合のバリア層(7)の製造方
    法であって、該ベースに向かうプラズマ励起イオンのエ
    ネルギーが該ベースの材料のスパッタリング閾値のエネ
    ルギーより小さいか又はほぼ等しいことを特徴とする方
    法。
  3. 【請求項3】 薄いエピタキシャル層の形成と同様に正
    確な加工操作は元の位置でなされることを特徴とする請
    求項2記載の方法。
  4. 【請求項4】 該ベースはジョセフソン接合の超伝導Y
    BCO層(1)の斜面であり、該ベースは特にイオンエ
    ッチングにより製造されることを特徴とする請求項2又
    は3記載の方法。
  5. 【請求項5】 酸素プラズマが用いられることを特徴と
    する請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 イオン化されたガス粒子を発生するプラ
    ズマ源(13)を有する真空容器(12)からなり、該
    プラズマ源はr.f.電圧が印加される基板保持具(1
    6)に対向するよう配置され、該電圧の出力及び/又は
    値は基板保持具上に配置された処理されるべき素子に衝
    突するイオン化されたガス粒子のエネルギーが処理され
    るべき素子の材料のスパッタリング閾値より小さいか又
    はその範囲内にあることを特徴とする請求項2乃至5の
    うちいずれか一項記載の方法を実施する装置。
  7. 【請求項7】 エピタキシャルコーティング装置は真空
    容器(12)内に配置されることを特徴とする請求項6
    記載の配置。
JP7104389A 1994-04-28 1995-04-27 ジョセフソン接合素子及びその製造方法及び製造装置 Pending JPH07302935A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4414843A DE4414843A1 (de) 1994-04-28 1994-04-28 Josephson-Stufenkontakt
DE4414843:7 1994-04-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH07302935A true JPH07302935A (ja) 1995-11-14

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ID=6516671

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JP7104389A Pending JPH07302935A (ja) 1994-04-28 1995-04-27 ジョセフソン接合素子及びその製造方法及び製造装置

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EP (1) EP0680102A1 (ja)
JP (1) JPH07302935A (ja)
DE (1) DE4414843A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6541789B1 (en) 1998-09-01 2003-04-01 Nec Corporation High temperature superconductor Josephson junction element and manufacturing method for the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5304538A (en) * 1992-03-11 1994-04-19 The United States Of America As Repeated By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Epitaxial heterojunctions of oxide semiconductors and metals on high temperature superconductors
EP0660968A1 (en) * 1992-09-14 1995-07-05 Conductus, Inc. Improved barrier layers for oxide superconductor devices and circuits

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US6541789B1 (en) 1998-09-01 2003-04-01 Nec Corporation High temperature superconductor Josephson junction element and manufacturing method for the same

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DE4414843A1 (de) 1995-11-02
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