KR19990009347A - 강유전체를 분극을 이용한 초전도체 위크 링크 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강유전체의 분극을 이용한 위크 링크 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크는 제조 공정시 초전도체와 강유전체 사이에 생길 수 있는 반응을 방지하기 위한 삽입층을 형성함으로서, 분극에 의해 초전도체에 속박 전하가 안정적으로 형성되므로 죠셉슨 효과가 극대화된다.
Description
본 발명은 초전도체 위크 링크(weak link)에 관한 것으로, 특히 강유전체의 분극을 이용한 위크 링크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초전도체를 이용하여 위크 링크(weak link)를 제작할 때에는 초전도체에 기하학적인 변형을 주거나 초전도체와 절연체를 접합하거나 혹은 초전도체 자체의 미세구조(microstructure)를 변화시켜 위크 링크(weak link)가 생성되도록 한다.
그러나 이와 같은 초전도체 제조 공정에서 접합(junction)을 만드는 공정 자체가 난이한 공정이다. 특히, 기존 위크 링크의 강유전체/초전도체 접합구조는 강유전체와 초전도체가 직접 접합됨으로써, 제조 공정시 계면상에 반응이 발생하여 안정된 계면(interface)가 형성되지 못한다. 따라서, 강유전체 분극에 의한 초전도/강유전체 계면에서의 속박 전하(bound charge) 형성이 보장되지 않는다. 따라서, 재현성이 항상 문제점(issue)으로 부각되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 초전도/강유전체 계면의 접합이 우수하여 재현성을 갖는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 제조 공정이 간단한 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면도,
도 1b는 도 1a의 위크 링크의 적층 순서를 바꾼 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면도,
도 2a는 본 발명에 따른 또 다른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면도,
도 2b는 도 2a의 위크 링크의 적층 순서를 바꾼 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면도,
그리고 도 3은 샌드위치형 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면도이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11. 기판 12. 전극
13. 강유전체 14. 삽입층
15. 초전도체 16. 위크 링크 형성 영역
21. 기판 22. 전극
23. 강유전체 24. 삽입층
25. 초전도체 26. 위크 링크 형성 영역
31. 기판 32. 하부 전극
33. 하부 강유전체 34. 하부 삽입층
35. 초전도체 36. 상부 삽입층
37. 상부 강유전체 38. 상부 전극
39. 위크 링크 형성 영역
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크는, 기판; 상기 기판 상에 서로 이격되도록 형성된 두 개의 전극; 상기 두 전극 및 기판 상에 연속적으로 적층된 강유전체층; 상기 강유전체층 상에 적층된 삽입층; 상기 삽입층 상에 상기 두 전극에 대응하도록 적층된 초전도체;를 구비하되, 상기 두 전극 각각에 대응하는 강유전체의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전극은 금속, 전도성 세라믹, 전도성 폴리머 및 불순물 도핑 반도체 중 적어도 어느 한 물질로 형성된 것이 바람직하며, 상기 전극을 하나 만으로 형성하여, 상기 하나의 전극에 대응하는 강유전체만 일방향으로 분극되도록 하고, 전극이 없는 부분의 강유전체는 분극되지 않도록 한 것도 바람직하며, 상기 두 개의 전극 및 상기 초전도체의 적층 위치가 바뀌고, 상기 삽입층은 바뀐 상기 두 개의 전극 및 초전도체층 사이에 배치되어 절연체, 강유전체, 고유전체 및 상유전체 중 적어도 어느 한 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법은, (가) 기판 상에 전극층을 증착시키고 패터닝하여 서로 이격된 두 개의 전극을 형성하는 단계; (나) 상기 기판 및 두 개의 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계; (다) 상기 강유전체층 상에 삽입층을 형성하는 단계; (라) 상기 삽입층 상에 상기 두 개의 전극에 대응하도록 초전도체를 형성하는 단계; 및 (마) 상기 두 개의 전극들에 서로 다른 극성의 전압을 인가하여 상기 강유전체의 상기 두 전극 대응 영역에 각각 서로 다른 방향의 분극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (가) 단계에서 상기 강유전체층의 일부분에 대응하는 하나의 전극 만을 형성하는 것도 바람직하며, 상기 (가) 단계 내지 (라) 단계에서 공정 순서를 바꾸어 제조하되, 상기 (가) 단계에서는 상기 기판 상에 초전도체를 형성하고, 상기 (나) 단계에서는 상기 초전도체 상에 삽입층을 형성하며, 상기 (다) 단계에서는 상기 삽입층 상에 강유전체층을 형성하며, 상기 (라) 단계에서는 상기 강유전체층 상에 전극층을 증착시키고 패터닝하여 서로 이격된 두 개의 전극을 형성하는 것도 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크 및 그 제조 방법을 설명한다.
초전도체를 이용하여 초전도양자간섭소자(SQUID) 혹은 발진기(oscillator) 등을 제작할 때에는 초전도체의 위크 링크(weak link)를 이용한다. 위크 링크는 초전도전류가 흐르면서 임계전류가 갑자기 바뀌든지, 초전도전류의 파동 함수(wave function)의 위상(phase)이 바뀌게 될 때 형성되는 접합(junction)이다. 이러한 접합을 만들려면 초전도체 사이에 절연물질을 삽입하여 초전도체 사이로 전류가 터널링(tunneling) 되도록 하든가 초전도체를 기하학적으로 변화시켜 임계전류 밀도가 변하도록 하든가 혹은 초전도체의 미세구조(microstructure)가 갑자기 달라지게 함으로써 일련의 불연속을 인위적으로 유발시켜야 한다. 이러한 점들을 고려할 때 본 발명에 따른 위크 링크는 초전도체 자체에 변화를 주기보다는 주변에 변화를 줌으로써 결과적으로 초전도체 자체에 변화를 주도록 하는 효과를 응용한 것이다. 즉 강유전체와 초전도체를 접합하여 강유전체를 분극시키되 분극방향이 반대가 되게 하거나 한 쪽만 분극시킴으로써 초전도체에 발생하는 속박 전하(bound charge) 분포를 달라지게 하여 결과적으로 초전도체에 흐르는 전류에 변화가 오도록 유도하는 원리를 이용하고 있다. 이를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면을 보여주고, 도 1b는 도 1a의 위크 링크의 적층 순서를 반대로 형성한 구조를 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크는 절연체 혹은 유전체 기판(11) 상에 강유전체층(13)을 사이에 두고 그 상하부에 각각 두 전극(12) 및 초전도체(15)를 배치한 구조로 된다. 이 때, 강유전체(13)와 초전도체(15) 사이에는 접착성이 우수한 삽입층(14)을 둔다. 이와 같이 본 발명은 삽입층(14)을 둠으로써, 강유전체(13)과 초전도체(15)의 직접 접촉에 의해 계면상에 생길 수 있는 반응을 방지하여 안정되게 속박 전하가 형성될 수 있도록 한 점에 특징이 있다. 여기서, 전극(12)은 금속, 전도성 세라믹, 전도성 폴리머 등의 전도체 혹은 불순물이 도핑된 반도체 등으로 형성되고, 삽입층(14)은 절연체 혹은 강유전체, 고유전체, 상유전체 등의 유전체로 형성된다. 또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 두 전극(12)과 초전도체(14)의 위치를 바꾸어 형성하여도 무방하다. 이 때에도, 초전도체(15) 상에 반드시 삽입층(14)을 형성한 다음 강유전체(13)을 형성하여 두 층간의 반응을 방지한다. 그리고, 삽입층(14)의 재료로서, STO(Strontium Titanate)는 초전도체를 증착하기에 용이한 기판 물질인 동시에 강유전체와 같은 계열로서 강유전체의 증착에도 유리하다. 이러한 물질을 삽입층(interlayer)로서 사용할 경우 도 1a와 같이 초전도체/삽입층/강유전체/전극/기판 혹은 도 1b와 같이 전극/강유전체/삽입층/초전도체/기판의 구조를 안정되게 이루며, 전극과 초전도체에 전압을 가하여 강유전체를 분극시킬 경우 속박 전하(bound charge)는 삽입층을 건너 초전도체에 유도된다.
또한, 두 전극(12)들은 초전도체(15)의 양쪽 영역에 대응하도록 서로 이격된 구조로 형성하여 각각 반대 극성의 전압을 인가함으로써 각 전극(12) 및 초전도체(15) 사이에 배치된 강유전체의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 한다. 이와 같이 강유전체(13)의 분극 방향을 영역에 따라 각각 다르게 함으로써 그 경계 부분에 대응하는 위치의 초전도체(15)에 위크 링크(16)가 형성된다.
그리고, 상기와 같은 구조에서, 도 1a에 도시된 바와 같은 구조는 도 1b에 도시된 바와 같은 구조에서 삽입층 상에 강유전체를 증착하는 것이 용이하지 않을 경우에 이용한다.
도 2a는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면을 보여주고, 도 2b는 도 2a의 위크 링크 구조와 적층 순서가 반대로 형성된 위크 링크의 구조를 보여준다. 도시된 바와 같이, 이 실시예는 절연체 혹은 유전체 기판(21) 상에 강유전체층(23)을 사이에 두고 그 상하부에 각각 하나의 전극(22) 및 초전도체(25)를 배치한 구조로 된다. 이 때 하나의 전극(22)은 초전도체(25)의 한쪽 영역에 대응하도록 편중되게 배치하여 정 혹은 부의 전압을 인가함으로써 전극(22) 및 초전도체(25) 사이에 배치된 강유전체(23)는 일방향으로 분극되도록 하고 전극이 배치되지 않은 영역의 강유전체(23)는 분극이 되지 않은체로 분극이 랜덤하게 분포되게 한다. 이와 같이 강유전체(23)의 양 영역의 분극 방향을 서로 다르게 함으로써 그 경계 부분에 대응하는 위치의 초전도체(25)에 위크 링크(26)가 형성된다. 이 때에도, 강유전체(23)와 초전도체(25) 사이에 접착성이 우수한 삽입층(24)를 형성하여 강유전체(23)와 초전도체(25) 간의 반응을 방지한다. 이와 같이, 상기와 같은 구조에서 전극(22)과 초전도체(25)의 위치를 바꾸어 형성하여도 무방하며, 다만, 강유전체(23)와 초전도체(25) 사이에 삽입층(24)를 반드시 형성하여 두 층간의 반응을 방지한다. 여기서, 전극(22) 및 삽입층(24)의 재료는 앞서 설명한 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예에서와 같다.
이와 같은 강유전체의 분극 구조는 도 1의 두 개의 전극을 형성한 구조에서 하나의 전극에만 정 또는 부의 전압을 인가하는 방법으로 구현할 수도 있다.
그리고 도 3은 강유전체 분극 효과를 증대시키기 위하여 초전도체를 두 개의 강유전체 사이에 샌드위치 처럼 끼워넣은 샌드위치형 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 수직 단면도이다. 여기서도, 상하 강유전체(33, 37) 및 초전도체(35) 사이에는 각각 상하 삽입층(34, 36)이 형성된다. 상하 전극(32, 38) 및 상하 삽입층(34, 36)의 재료는 앞서 설명한 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예에서와 같다.
한편, 상기와 같은 구조의 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 기판(11) 상에 전극층을 증착시키고 패터닝하여 서로 이격된 두 개의 전극(12)을 형성한다. 이 때 전극(12)은 금속, 전도성 세라믹, 전도성 폴리머 등의 전도체 혹은 도핑된 반도체 물질로 형성한다.
다음에, 두 개의 전극(12)이 형성된 기판(11) 상에 강유전체층(13)을 증착한다.
다음에, 강유전체층(13) 상에 삽입층(14)을 증착한다. 이 때 삽입층(14)은 절연체 혹은 강유전체, 고유전체, 상유전체 등의 유전체로 형성한다.
다음에, 삽입층(14) 상에 초전도체(15)를 증착하고 두 개의 전극(12)에 대응하도록 패터닝한다.
다음에, 도 1a에 도시된 바와 같이, 초전도체를 접지시키고, 두 개의 전극(12)들에 서로 다른 극성의 전압을 인가하여 상기 강유전체(13)의 두 전극 대응 영역에 각각 서로 다른 방향의 분극을 형성하여 초전도체 위크 링크를 완성한다. 이와 같이 전압이 인가되면, 강유전체(13)가 분극되어 분역(domain)을 형성하면 극성을 보상하기 위해 초전도체(15)의 계면상에 속박 전하(bound charge)가 형성된다. 속박 전하가 음전하(negative charge)이면 초전도체로 흐르는 전류가 원활하게 되고, 속박 전하가 양전하(positive charge)이면 전류가 원활하게 흐르지 못하게 되므로, 두 상태(state)간에 비저항의 차이가 유발되어 결과적으로 전류 밀도에 차이가 발생하게 되므로 초전도체 내에서 접합(junction)이 유도되는 것이다. 즉, 간섭 상태(interface state)를 다르게 함으로써 위크 링크(weak link)를 형성하게 된다.
그리고, 두 전극(12)을 형성하는 공정 및 초전도체(15)를 형성하는 공정은 서로 순서를 바꾸어 강유전체층(13)을 사이에 두고 두 전극(12) 및 초전도체(15)의 배치 위치가 바뀌도록 제조하여도 무방하다.
또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 강유전체층(23)의 일부분에만 대응하도록 하는 하나의 전극(22) 만을 형성하는 위크 링크에 있어서도, 그 제조 방법은 유사하다. 이 때에도, 상기와 마찬가지로 삽입층(24)은 강유전체(23) 및 초전도체(25)의 사이에 형성되어 공정시 강유전체 및 초전도체 간의 반응을 방지한다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같은 강유전체 분극 효과를 증대시키기 위하여 초전도체를 두 개의 강유전체 사이에 샌드위치 처럼 끼워넣은 샌드위치형 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법에 있어서도, 제조 공정들은 상기와 유사하다. 여기서도, 상하 강유전체(33, 37) 및 초전도체(35) 사이에는 각각 상하 삽입층(34, 36)이 형성된다. 이와 같이 제조된 위크 링크에 있어서, 두 개의 상부 전극(38)의 일측에는 +전압을 인가하고, 타측에는 -전압을 인가하며, 하부 전극(32)은 접지시키면 도시된 바와 같은 방향으로 분극이 일어난다. 여기서 샌드위치된 초전도체(35)는 양면에 형성된 분극에 의해 위크 링크 형성 영역(39)의 성능이 향상된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크는 제조 공정시 초전도체와 강유전체 사이에 생길 수 있는 반응을 방지하기 위한 삽입층을 형성함으로서, 분극에 의해 초전도체에 속박 전하가 안정적으로 형성되므로 죠셉슨 효과가 극대화될 수 있다.
Claims (10)
- 기판;상기 기판 상에 서로 이격되도록 형성된 두 개의 전극;상기 두 전극 및 기판 상에 연속적으로 적층된 강유전체층;상기 강유전체층 상에 적층된 삽입층;상기 삽입층 상에 상기 두 전극에 대응하도록 적층된 초전도체;를 구비하되,상기 두 전극 각각에 대응하는 강유전체의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 형성한 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크.
- 제1항에 있어서,상기 전극은 금속, 전도성 세라믹, 전도성 폴리머 및 불순물 도핑 반도체 중 적어도 어느 한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 전극을 하나 만으로 형성하여, 상기 하나의 전극에 대응하는 강유전체만 일방향으로 분극되도록 하고, 전극이 없는 부분의 강유전체는 분극되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크.
- 제1항에 있어서,상기 두 개의 전극 및 상기 초전도체의 적층 위치가 바뀌고, 상기 삽입층은 바뀐 상기 두 개의 전극 및 초전도체층 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크.
- 제1항 또는 제4항에 있어서,상기 삽입층은 절연체, 강유전체, 고유전체 및 상유전체 중 적어도 어느 한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크.
- 제5항에 있어서,상기 전극을 하나 만으로 형성하여, 상기 하나의 전극에 대응하는 강유전체만 일방향으로 분극되도록 하고, 전극이 없는 부분의 강유전체는 분극되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크.
- (가) 기판 상에 전극층을 증착시키고 패터닝하여 서로 이격된 두 개의 전극을 형성하는 단계;(나) 상기 기판 및 두 개의 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계;(다) 상기 강유전체층 상에 삽입층을 형성하는 단계;(라) 상기 삽입층 상에 상기 두 개의 전극에 대응하도록 초전도체를 형성하는 단계; 및(마) 상기 두 개의 전극들에 서로 다른 극성의 전압을 인가하여 상기 강유전체의 상기 두 전극 대응 영역에 각각 서로 다른 방향의 분극을 형성하는 단계;를포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체 분극 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 (가) 단계에서 상기 강유전체층의 일부분에 대응하는 하나의 전극 만을 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 (가) 단계 내지 (라) 단계에서 공정 순서를 바꾸어 제조하되, 상기 (가) 단계에서는 상기 기판 상에 초전도체를 형성하고, 상기 (나) 단계에서는 상기 초전도체 상에 삽입층을 형성하며, 상기 (다) 단계에서는 상기 삽입층 상에 강유전체층을 형성하며, 상기 (라) 단계에서는 상기 강유전체층 상에 전극층을 증착시키고 패터닝하여 서로 이격된 두 개의 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 (라) 단계에서 상기 강유전체층의 일부분에 대응하는 하나의 전극 만을 형성하는 것을 특징으로 하는 강유전체 분극을 이용한 초전도체 위크 링크의 제조 방법.
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| KR (1) | KR19990009347A (ko) |
-
1997
- 1997-07-09 KR KR1019970031720A patent/KR19990009347A/ko not_active Application Discontinuation
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