KR100282356B1

KR100282356B1 - 고온초전도조셉슨접합소자및그의제조방법

Info

Publication number: KR100282356B1
Application number: KR1019980001236A
Authority: KR
Inventors: 문승현
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2001-02-15
Also published as: KR19990065792A

Abstract

일렉트로미그레이션과 산소확산저지막을 동시에 이용하므로서 조셉슨 접합의 파라미터 제어가 용이하고 높은 수율을 가지는 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법 기판상에 초전도체막을 에피텍셜 증착하는 단계와, 초전도체막을 패터닝하여 마이크로브리지 형태로 만드는 단계와, 마이크로브리지 형태의 초전도체막을 포함한 기판 위에 상도전물질을 증착하는 단계와, 상도전물질을 패터닝하여 초전도체막의 브리지와 교차하는 브리지를 가지는 마이크로브리지 형태의 산소확산저지막을 만드는 단계와, 초전도체막과 산소확산저지막에 각각 전극을 형성하는 단계와, 산소확산저지막의 브리지에 전류를 흐르게 하여 일렉트로미그레이션을 행함으로써 산소저지층의 브리지와 교차하는 초전도체막의 브리지에 조셉슨 접합을 형성하는 단계를 구비하므로 제조비용을 절감할 수 있다.

Description

고온초전도 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법 {high temperature supperconductive josephon device and its fabricating method}

본 발명은 상전도전극 일렉트로미그레이션(Electromigration)을 이용한 고온초전도 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 일렉트로미그레이션의 전극으로 산소확산 방지물질을 이용하여 고온초전도체의 자체적인 산소결합에 의한 조셉슨 접합 효과에 더하여 효과적인 조셉슨 접합의 특성을 조절하도록한 고온초전도 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

고온초전도체는 간섭길이(coherence length)가 짧고 이방성이 커서 조셉슨 접합을 제작하는 것이 대단히 어렵기 때문에 저온초전도체에서 사용되던 부도체 절연막을 이용한 샌드위치 접합의 제작에는 아무도 성공하지 못하고 있다.

따라서 입상 경계면(GB : Grain Boundary) 접합이나 에지 지오메트리(edge geometry)를 이용한 SNS(초전도-상전도-초전도), S-artificial interface-S, S-resonant tunneling barrier-S 접합등 다양한 시도를 하고 있다.

고온초전도체에서 가장 재현성이 우수한 접합의 하나인 바이크리스탈(bicrystal) 접합(GB 접합의 일종)의 경우 입상 경계면에서 산소결핍이 발생하여 접합특성이 일어나는 것으로 판단되고 있으며, 최근의 인터페이스 엔진이어드(interface engineered)접합 (Appl. phys. Lett. 71, 2526(1997))에서도 Ar 이온밀(ion mill)을 이용하여 인터페이스(interface)를 조절하여 접합을 만드는 방식을 강조하고 있다.

종래의 RSJ(Resistively Shunted Junction)형태의 전류-전압특성을 나타내는 고온초전도 조셉슨 접합소자들은 다양하게 존재하지만, 대체로 재현성 및 접합 파라미터(임계전류 및 저항)의 크기가 위치에 따라 그리고 동작마다 다르게 나타나는 등의 문제가 있으며, 또한 원하는 값으로 조절하는 것이 어렵다.

미국의 코넬(cornell) 대학등에서는 고온초전도체에 일렉트로미그레이션(electromigration)를 이용하는 방법을 제안하였다.

즉, 예를 들어 대표적인 고온초전도체인 YBCO(YBa₂Cu₃O_7-X)의 경우 산소결핍의 양 X에 따라 X 〈 0.1 일 경우 임계온도 90K의 고온초전도체에서 X 〉 0.4 일 경우 부도체로 순차적인 전이를 나타낸다.

일렉트로미그레이션을 YBa₂Cu₃O_7-x에 적용시킨 예를 보면 직류전류를 YBa₂Cu₃O_7-x브리지에 인가할 경우 그 전류밀도에 따라 산소분포가 고르게 변하다가 어느 임계값 이상으로 가할 경우 어느한쪽으로 몰려가며 부도체 성향을 보이고, 반대로 가할 경우 원래의 성질이 회복되는 결과를 나타낸다.

도 1은 기판(10)에 형성된 YBa₂Cu₃O_7-x마이크로브리지(11)의 일렉트로미그레이션에 대한 개략도로서, YBa₂Cu₃O_7-x마이크로브리지(11)의 전극(12)에서 전극(13)으로 직류전류를 어느값 이상으로 흘리면 산소의 일렉트로미그레이션이 발생하여 전극(13)에 삼각주(rever-delta) 형태의 산소결핍영역(14)이 형성된다.

일렉트로미그레이션(Electromigration : EM)을 이용하여 YBa₂Cu₃O_7-x마이크로브리지(Microbrige)를 조셉슨 접합으로 만들기 위해서는 마이크로 브리지를 이루는 미세선폭(1∼10㎛)뒤에 넓은 초전도 뱅크(bank)가 있어야 하며, 또 입상경계면(GB)를 중심으로 일렉트로미그레이션에 의한 산소결핍이 집중적으로 일어나고, 품질박막의 경우 접합제작이 어렵고 입상경계면(GB)이 많은 박막의 경우 우수한 특성을 볼 수 없다.

뿐만 아니라 상온에서 일렉트로미그레이션을 실시하고 이어서 저온에서 결과를 보아야 하므로 수율이 높지 않다는 문제점이 있었다.

본 출원인은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여, 조셉슨 효과의 조절이 용이하고 재현성을 향상시킬 수 있도록 기판위에 초전도체막(예를 들어 YBa₂Cu₃O_7-x) 및 산소확산 저지막(예를 들어 SrRuO₃)을 순차적으로 증착하고, 상기 초전도체막 및 산소확산저지막을 동시에 패터닝하여 원하는 조셉슨 소자의 형태로 만든후 상기 산소확산저지막을 패턴의 접합부분 일부에만 남게 제거하도록 하는 조셉슨 접합소자의 제조방법에 대하여 1995. 8. 29. 일자에 특허출원(제95-27193호) 한 바 있다.

그러나 상기 특허출원의 조셉슨 접합소자는 초전도체위에 형성되는 SrRuO₃또는 CaRuO₃등의 산소확산저지막을 이용하여 조셉슨 접합을 형성하고 있으나, 역시 제작시에 산소확산저지막의 특성에 따라 조셉슨 접합의 파라미터 제어가 어렵다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 일렉트로미그레이션과 산소확산저지막을 동시에 이용하므로서 조셉슨 접합의 파라미터 제어가 용이하고 높은 수율을 가지는 조셉슨 접합소자 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 마이크로브릿지형의 조셉슨접합소자를 나타낸 개략도

도 2는 본 발명에 의한 조셉슨 접합소자의 개략적인 평면도

도 3은 본 발명에 의한 조셉슨 접합소자의 도 2의 A-Aaus을 절단한 개략적인 단면도

도 4는 본 발명의 조셉슨 접합소자의 일렉트로미그레이션에 따른 조셉슨 접합소자의 전류-전압특성을 나타낸 그래프

도 5(a) 및(b)는 본 발명의 조셉슨접합소자의 샤피로스텝 특성과 자기장에대한 임계전류치로 나타내는 프라운호퍼패턴을 도시한 그래프

도 6(a) 및 (b)는 본 발명의 조셉슨접합소자로 제작한 SQUID의 자속-전압특성과 자속잡음의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,20 : 기판 11 : 마이크로브리지

12,13 : 전극 14 : 산소결핍영역

21 : 마이크로브리지형태의 초전도체막

22 : 마이크로브리지형태의 산소저지막

23,23',24,24' : 전극

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법은, 기판상에 초전도체막을 에피텍셜 증착하는 단계와, 상기 초전도체막을 패터닝하여 마이크로브리지 형태로 만드는 단계와, 상기 마이크로브리지 형태의 초전도체막을 포함한 기판위에 상도전물질을 증착하는 단계와, 상기 상도전물질을 패터닝하여 상기 초전도체막의 브리지와 교차하는 브리지를 가지는 마이크로브리지 형태의 산소확산저지막을 만드는 단계와, 상기 초전도체막과 상기 산소확산저지막에 각각 전극을 형성하는 단계와, 상기 산소확산저지막의 브리지에 전류를 흐르게 하여 일렉트로미그레이션을 행함으로써 상기 산소확산저지막의 브리지와 교차하는 초전도체막의 브리지에 조셉슨 접합을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 다른 양태인 고온 초전도 소자는 기판과 기판상에 형성된 마이크로브리지 형태의 초전도체막과, 상기 초전도체막위에 형성되고 상기 마이크로 브리지의 브리지와 교차하는 브리지를 가지는 마이크로브리지 형태의 산소확산저지막과 상기 초전도체막과 상기 산소확산저지막에 각각 형성된 전극과, 상기 전극을 통하여 상기 산소까지 저지막의 전류흐름에 의한 일레트로미그레이션으로 상기 교차되는 초전도체막의 브리지에 형성된 조셉슨 접합을 구비함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법에 대한 실시예에 대하여 설명한다.

도 2 및 도 3과 같이, 고온초전도 YBa₂Cu₃O_7-x박막을 STO(SrTiO₃)(100) 기판에 PLD(Pulsed laser Deposition) 방법으로 C 축이 기판에 수직이 되도록 200㎚ 두께로 증착한다.

이때 사용되는 고온초전도체 물질은 산소함량에 따라 그 특성이 변화하는 YBCO(YBa₂Cu₃O_7-x), RBCO(R-Ba-Cu-O)(R은 희토류금속), BSCCO(Bi-Sr-Ca-Cu-O), TBCCO(Tl-Ba-Ca-Cu-O), LSCO(La-Sr-Cu-O), NCCO(Nd-Ce-Cu-O) 등의 어느 물질이어도 되며, 기판역시 초전도체 물질이 에피텍셜 성장 가능한 STO(SrTiO₃), LAO(LaAlO₃), NGO(NdGaO₃), MgO, YSZ(yttria-stabilized-zirconia), 사파이어, Si, LSAT(LaSrAlTaO₆) 등 어느 물질이어도 된다.

또한 박막증착방법은 PLD 이외에, 스퍼터링, CVD(Chemical Vapor Deposition), MBE(Mocular Beam Epitaxy) 등 어느 방법을 사용하여도 된다.

이어, 사진식각 기술을 이용하여 접합이 형성되는 브리지 부분의 선폭이 1∼20㎛ 되도록 포토레지스터로 패턴을 형성한 후 이온밀링, RIE(Reactive Ion Etching), 습식 에칭등으로 식각하여 마이크로브리지의 초전도체막(21)을 형성한다.

이어, 상기 마이크로브리지 초전도체막(21)을 포함하여 기판(20)위에 PLD 방법으로 50㎚ 두께의 상전도물질인 SrTiO₃박막(22)를 증착하여 산소확산저지막을 형성한다.

이때 상전도물질은 산소확산저지막 역할을 할 수 있는 산화물이 가장 우수한 결과를 보이지만 이외에도 Au등 귀금속을 포함한 어떠한 도전체를 이용하여도 된다.

그 다음 사진식각방법으로 브리지 부분의 선폭이 약 1∼20㎛ 가 되고 상기 초전도체(21)의 브리지 부분과 교차하도록, 바람직하게는 수직으로 교차하도록 패턴하여 마이크로브리지 형태의 산소확산저지막(22)을 형성한다.

그 다음 상기 초전도체막(21)과 산소확산저지막(22) 위에 각각 Au 등을 패턴화하여 전극(23,23',24,24')을 형성한다.

이때 Au의 접착력을 좋게 하기 위해 산소분위기 600도 이하에서 열처리하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 소자가 완성되면, 전극(23,23')에 전압을 인가하여 산소확산저지막(22)의 브리지에 4∼5㎃/㎠의 전류가 1분간 흐르게 하여 브리지와 교차하는 초전도체막(21)의 브리지 부분에서 상기 산소확산저지막(22)의 브리지로 일렉트로미그레이션이 발생하여 상기 교차되는 초전도체(21) 브리지부분의 산소결핍에 의한 조셉슨 접합이 형성되도록 한다.

즉, 상기 산소확산저지막(22)의 전극(23,23')에 소정전압을 인가하여 산소확산저지막(22)의 브리지에 전류를 흐르게 하면 이 브리지와 교차하여 접하는 초전도체막(21)의 브리지에 산소결핍이 발생하여 조셉슨 접합이 형성된다.

이때 상기 산소확산저지막(22)의 브리지에 흐르는 전류밀도는 2㎃/㎠에서 출발하여 단계적으로 원하는 접합의 파라미터가 얻어지는 임계전류까지 높여지도록 하며 일렉트로미그레이션의 시간도 동시에 조절한다.

그리고 상기 일렉트로미그레이션을 행하면서 각 단계에서 초전도체막(21)의 전극(24,24')으로 부터 전류-전압특성을 관찰하여 원하는 결과를 얻으면 상기 산소확산저지막의 전류를 중단하여야 한다.

그리고 일렉트로미그레이션이 너무 크게되어서 원하는 임계전류치보다 작은 값이 나오는 경우 전류의 방향을 반대로 하여 임계전류치를 커지도록 한다.

다만, 처음행할시에는 너무 큰 전류를 흐르게할 경우 치유가 않되는 경우가 있으므로 주의하여야 한다.

그리고 상기 일렉트로미그레이션을 하기 위해 전류는 반드시 산소확산저지막(22)의 전극(23,23')에 전압을 인가하는 것만이 아니라, 산소확산저지막(22)의 하나의 전극(23 또는 23')과 초전도체막의 하나의 전극(24 또는 24')에 전압을 인가하여 상기 산소확산저지막(22)에 전류가 흐르도록 하여도 된다.

도 4는 초전도체의 브리지에서의 일렉트로미그레이션으로 인한 조셉슨 접합을 평가하기 위해 임계온도(YBa₂Cu₃O_7-x의 경우 90K)이하인 액체질소온도(77K)에서 측정한 조셉슨 접합소자의 전류-전압특성을 나타낸 것으로, 도면중(1)의 곡선(실제의 1/10로 도시됨)은 산소확산저지막(22)의 브리지에 1㎃/㎠ 로 1분간 흐르게 하여 일렉트로미그레이션을 행한 경우 초전도체막(21)의 전극(24,24')에서 측정한 조셉슨 접합의 전류-전압 특성 곡선으로 커브의 형태가 플럭스-프로우(Flux-flow) 형태이고 임계전류가 4㎃로 조셉슨 접합이 전혀 형성되지 않음을 나타낸다.

그리고 도 4에서 (2)의 곡선(이것은 1/10 크기로도시)은 다시 2㎃/㎠ 로 1분간 더 흐르게하여 행한경우의 조셉슨 접합의 전류-전압 특성 곡선으로, 임계전류가 2㎃ 로 아직도 플럭스-플로우 형태가 주로 나타나 있어 아직도 접합이 형성되지 않음을 알 수 보여주고 있다.

또한, 도 4에서 (3)의 곡선은 다시 4㎃/㎠ 전류로 1분간 더 가해주어 일렉트로미그레이션(EM)을 시행한 경우의 전류-전압특성을 나타낸 것으로 임계전류가 0.2㎃로 줄고 커브형태로 조셉슨 접합과 유사하게 바꾸어졌음을 나타내고 있다.

그리고 도 4에서 (4)의 곡선은 5㎃/㎠ 전류밀도로 1분간을 더 시행한 경우의 조셉슨 접합소자의 전류-전압특성을 나타낸 것이며, 측정결과 임계전류는 20㎂ 이고 커브형태도 완벽한 조셉슨 접합 형태를 보여주고 있어 조셉슨 접합이 잘 이루어져 있음을 알 수 있다.

그러나 열요동에 의한 임계전류의 라운딩(rounding)이 보이고 목표치(40μA)보다 임계전류가 줄어들어 있음을 알 수 있다.

도 4에서 (5)의 곡선은 상기 (4)의 결과에 다시 4.5㎃/㎠ 밀도의 전류가 1분간 역방향으로 흐르게한후의 전류-전압특성을 측정한 결과를 나타낸 것으로, 임계전류가 40㎂로 나타내고 완벽한 조셉슨 접합형태의 커브를 나타내고 있음을 알 수 있다.

도 5(a) 및 (b)는 본 발명의 조셉슨 접합소자에 대한 접합의 샤피로스텝(Shapiro step) 특성과 자기장에 대한 임계전류 특성을 각각 나타낸 것으로, 도 5(a)에 나타낸 바와 같이 마이크로파(10㎓) 조사를 통한 사피로스텝을 관측한바 본 발명의 제조방법에 의한 조셉슨 접합소자를 이상적임을 알 수 있고, 또한 도 5(b)에 나타나 있는 바와 같이 자기장에 따른 임계전류도 프라운호퍼(Fraunhoffer)패턴을 보이고 있어 우수한 조셉슨 접합이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

한편, 상기 제조방법을 그대로 이용하여 조셉슨 접합을 초전도링에 두 개로 형성한 dc SQUID를 제작하고, 각 조셉슨 접합부에 4.5㎃/㎠ 전류를 2분간 흐르게 하도록 일렉트로미그레이션(EM)을 행하였으며, 상기 dc SQUID는 와샤(Washer)형태로 내부홀이 20 × 20㎛²이고 외부와샤의 크기가 60 × 60㎛²가 되게 제작하였다.

이와 같이 제작한 dc SQUID의 전압-자속특성을 측정한 결과는 도 6(a) 및 도 6(b)와 같다.

도 6(a) 및 도 6(b)로부터 확인되는바와 같이 진폭 40㎶의 정현파 특성을 나타내어서 우수한 SQUID가 형성되어 있음을 알 수 있고 동일한 SQUID의 자속잡음측정결과 백색잡음이 2×10^-11φ₀ ²/㎐로 나타나 있어 성능이 매우 우수함을 알 수 있어 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 상전도 전극 일렉트로미그레이션에 의한 조셉슨 접합 소자는 특성이 매우 우수하고 조셉슨 접합의 파라미터 조절이 매우 용이함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 기판상에 초전도체막을 먼저 형성하고 나중에 상전도물질층인 산소확산저지막을 형성한 경우에 대하여 예로 하고 있으나 산소확산저지막을 먼저 형성하고 초전도체막을 나중에 형성하여도 된다.

이상과 같이 본 발명의 제조방법에 대한 고온초전도 조셉슨 접합소자는 초전도체의 일렉트로미그레이션을 이용하여 접합의 파라미터를 인슈트(in-situ)로 제어할 수 있고, 저온에서 원하는 값으로 맞출 수도 있으며 어느정도 가역적으로도 조절할 수 있으며 접합의 개수가 2개인 SQUID 소자나 혹은 수십개의 RSFQ(rapid single flux quantum)소자 등에 대하여 매우 편리하게 사용할 수 있으며, 뿐만아니라 고가의 바이크리스탈 기판등이 필요없이 에피텍셜 성장이 가능한 소재면 어느 것이나 이용할 수 있어 가격이 저렴하며 또한 기판상의 원하는 위치에 원하는 숫자의 접합을 산소확산저지막과 일렉트로미그레이션을 이용하여 만들 수 있는 등 뛰어난 효과가 있다.

Claims

기판상에 초전도체막을 에피텍셜 증착하는 단계와,

상기 초전도체막을 패터닝하여 마이크로브리지 형태로 만드는 단계와,

상기 마이크로브리지 형태의 초전도체막을 포함한 기판위에 상도전물질을 증착한 후, 패터닝하여 초전도체막의 브리지와 교차하는 브리지를 가지는 마이크로브리지 형태의 산소확산저지막을 만드는 단계와,

상기 초전도체막과 상기 산소확산저지막에 각각 전극을 형성하는 단계와,

상기 산소확산저지막의 브리지에 전류를 흐르게 하여 일렉트로미그레이션을 행함으로써 상기 산소확산저지막의 브리지와 교차하는 초전도체막의 브리지에 조셉슨 접합을 형성하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 기판은 상기 초전도체막의 에피텍셜 성장이 가능한 STO(SrTiO₃), LAO(LaAlO₃), NGO(NbGaO₃), MgO, YSZ(yttria-stabilized-zirconia), 사파이어, Si, LSAT(LaSrAlTaO₆) 물질중의 어느 하나임을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 초전도체막은 산소함량에 따라 그 특성이 변하는 YBCO(Y-Ba-Cu-O), RBCO(R-Ra-Cu-O)(R은 희토류금속), BSCCO(Bi-Sr-Ca-Cu-O), TBCCO(Tl-Ba-Ca-Cu-O), LSCO(La-Sr-Cu-O), NCCO(Nd-Ce-Cu-O) 물질의 어느 하나임을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 상도전물질은 SRO(SrRuO₃)임을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 일렉트로미그레이션을 임계전류까지 전류밀도가 단계적으로 높여가도록 하여 행함을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법.
제 5 항에 있어서,

상기 일렉트로미그레이션을 행하면서 조셉슨 접합특성을 측정하도록 함을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법.
제 5 항에 있어서,

상기 임계전류는 40㎂임을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자의 제조방법.
기판과,

기판상에 형성된 마이크로브리지 형태의 초전도체막과,

상기 초전도체막위에 형성되고 상기 브리지와 교차하는 브리지를 가지는 마이크로브리지 형태의 산소확산저지막과 상기 초전도체막과 상기 산소확산저지막에 각각 형성된 전극과,

상기 전극을 통하여 상기 산소확산까지 저지막의 전류흐름에 의한 일레트로미그레이션으로 상기 교차되는 초전도체막의 브리지에 형성된 조셉슨 접합을 구비함을 특징으로 하는 고온초전도 조셉슨 접합소자.