隧道型约瑟夫森器件及其制造方法技术

一种隧道型约瑟夫森器件包括由复合氧化物超导材料形成的一对超导体层和在这对超导体层之间形成的绝缘层。该绝缘层是由超导体层的复合氧化物超导材料中组成元素相同的复合氧化物形成的，但具有不呈现超导特性的原子比。此外，该超导体层和该绝缘层是在供氧的同时连续形成的。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。进言之，涉及了一种有效利用复合氧化物系超导材料优异特征，新的。所谓的瑟夫森器件是通过超导体相互之间的弱耦合构成。目前已提出若干种结构作为用于实现这种弱耦合的具体构成，最典型的结构是人们所熟知的隧道型约瑟夫森器件。也就是说，隧道型约瑟夫森器件具有这样的结构，在一对超导体之间插入极薄的绝缘体层。迄今在实际制造的隧道型约瑟夫森器件中，用Nb、NbN、Pb的等作为超导体，用在Nb或Pb表面形成的氧化膜或者MgO或α－Si的淀积膜作为绝缘体层。然而，这些金属系超导体，通常超导临界温度非常之低，实际上若不用价格高昂的液体He,就不可能发挥出其有效的特性。另一方面，1988年专利技术(La、Ba)2CuO4和(La、Sr)2CuO4等复合氧化物烧结体是具有高Tc的超导材料。继而证实了以Y1Ba2Cu3O7-X表示其组分的复合氧化物，在液氮温度以上的温度范围内，呈现出有效的超导特性。对于象这样高的温度下呈现超导特性的材料，由于可使用廉价的液氮作为冷却介质，所以推动了超导技术的实际应用研究，为实现使用复合氧化物系超导材料的约瑟夫森器件进行着各种试验。然而，人们已经知道，使用上述复合氧化物系超导材料试制成的约瑟夫森器件，尽管在液氦温度4.2k中也未能充分发挥其特性。因此本专利技术的目的在于克服已有技术的上述问题，提供一种能有效发挥复合氧化物系超导材料的优异超导特性的新型约瑟夫森器件及其制造方法。即根据本专利技术，备有利用复合氧化物系超导材料形成的一对超导体层和在这一对起导体层之间形成绝缘体层的隧道型约瑟夫森器件中，其特征在于，该绝缘体层是用与形成该超导体层的复合氧化物有同样组成的元素形成，但以不呈现超导特性的组分比的复合氧化物形成。并且，作为涉及上述本专利技术的隧道型约瑟夫森器件的制造方法，设有由复合氧化物系超导材料形成的一对超导体层和形成在这对超导体层之间的绝缘体层的隧道型约瑟夫森器件的制造方法中，其特征是，该绝缘体层是由与形成该超导体层的复合氧化物有同样组成的复合氧化物形成，该超导体层以及该绝缘体层是一边供氧一边连续成膜。形成上述约瑟夫森器件复合氧化物薄膜的成膜方法，虽然可以用公知的物理淀积或化学淀积法中的任何一种，但最好是用测射法和离子镀法等。并且，作为在涉及上述专利技术的隧道型约瑟夫森器件中可使用的超导材料，可举出如下例子，有YBa2Cu3O7-x及用HO、Er等镧系元素置换该复合氧化物中的Y的复合氧化物，Tl2Ba2Ca2Cu3O10-y或Bi2Sr2Ca2Cu3O10-y及这些复合氧化物中添加了Pb的材料等。还有，作为形成上述绝缘体层的材料，例如可举出把超导体层作成YBa2Cu3O7-x的情况下的Y2Ba1Cu1O5-y、Y1Ba3Cu2O2等。更进一步，用HO、Hr等镧系无素置换超导体层的Y而组成为RBa2Cu3O7-x(R表示镧系元素)的情况下，绝缘体层可用R2BaCuO7-x形成。还有，作为形成上述约瑟夫森器件的基片，可举出SrTiO3单晶基片和MgO单晶基片。超导体层的膜厚约为1000-3000 ，绝缘体层的膜厚约20-100 ，最好是50-100 。涉及本专利技术的隧道型的约瑟夫森器件，特别是其绝缘体层的主要特征是由复合氧化物形成，而复合氧化物的组成元素与形成超导体层的复合氧化物相同。亦即，迄今所知道的用超导体表面氧化形成绝缘体层的方法，对原始氧化物为复合氧化物系超导材料来说是无效的。因此提出在超导体层之间，用其他绝缘材料作成绝缘体层，曾试图利用MgO、Al2O3、ZrO2等将绝缘层制作成薄膜。但是，如前所述，制得的约瑟夫森器件不能发挥其有效的特性。据本专利技术人等的研究，其原因如下(1)复合氧化物系超导材料，在其形成过程中需要热处理，在热处理时形成绝缘层的元素会扩散到界面附近的超导体层中，损害了超导特性。(2)如在成膜装置内存在高温且氧气分压低的环境，超导体中的氧为绝缘体所吸收，使超导体层变质。(3)由于绝缘体和高温超导体的晶格常数，热膨胀系数等有很大差别，所以两者的界面处产生畸变。因此，本专利技术的约瑟夫森器件是这样解决上述问题的，利用复合氧化物系超导材料组成元素的组分比例改变，会失去超导特性而变成绝缘这一点。即通过用类似于超导材料的复合氧化物形成约瑟夫森器件中的绝缘层，而不改变成膜条件，使形成约瑟夫森器件的超导层和绝缘层连续成膜，因而在超导层和绝缘层之间，晶格常数，热膨胀系数等的差别变小，抑制了因界面畸变而产生的特性变坏。膜质外延生长变得容易了。并且，由于绝缘层本身也是复合氧化物，所以不吸取来自超导层的氧，也就无损于超导层的特性。若按照本专利技术的理想状态，一面利用氧气喷咀或氧离子枪供给氧气，一面实施超导层及绝缘层的成膜操作为最好，即采取这样的处理方法，可促进膜的氧化，即使省去成膜后的热处理，也可得到优异特性的超导薄膜。下面通过举例对本专利技术作具体说明。以下的启示只不过是本专利技术的一个实施例，并不对本专利技术的技术范围作任何限定。附图1是表示本专利技术的隧道型约瑟夫森器件结构例子的剖视图。附图2是表示根据本专利技术制造的隧道型约瑟夫森器件的电压对电流的特性曲线图。附图1是表示本专利技术的隧道型约瑟夫森器件结构的剖视图。正如附图1所示，在基片1上依次叠合超导层2、绝缘层3及超导层4，形成该约瑟夫森器件。再去掉绝缘层3和超导层4的一部分，露出超导层2的表面一部分，在该区域和超导层4的表面上分别形成电极5a和5b。这里，超导层2和4都由YBa2Cu3O7-x形成，膜厚为1000-3000 。绝缘层3由Y2Ba1Cu1O5-y形成，膜厚为50-100 。在超导层2和绝缘层3及超导层4间形成SIS结。上述结构的隧道型约瑟夫森器件可以通过以下工艺形成。把SrTiO3单晶基片(100)面作为成膜面，首先，用RF溅射法形成超导层。按成膜后能形成YBa2Cu3O7-x的那种比例，混合Y和Ba的各碳酸盐粉末与Cu的氧化物粉末用作靶。成膜条件如下基片温度-600(℃)成膜速度-5( /秒)RF功率-600(W)另外，在成膜中，通过喷咀或氧离子枪使基片吸附氧气及氧离子，促使膜层氧化。还有，根据前述所得到的YBa2Cu3O7-x薄膜，当用X射线衍射法只观测到(001)定向特有的(ool)衍射峰值时，即可证实该薄膜是(001)定向的单晶膜层。通过上述工艺，形成膜厚达1000-3000 的超导层，接着形成绝缘层，成膜条件与超导层的成膜条件一样，只是使用改变了混合比的靶，使形成的薄膜组分为Y2Ba1Cu1O5-y。这样，在YBa2Cu3O7-x薄膜上就形成厚度为50-100 的Y2Ba1Cu1O5-y的薄膜。也在该成膜操作中使用喷咀及氧离子枪，使成膜中的基片表面吸附氧气及氧离子，促使膜层氧化。在如上述形成的绝缘层上，再形成第二层超导层，膜厚为1000-3000 。这里，再使用能形成Y2Ba2Cu3O7-x的组分靶，依然在同样成膜条件下成膜，并且也同样供给氧气。可以这样地连续形成隧道型约瑟夫森结结构，在成膜装置内予先调正好，有选择地使用能形成YBa2Cu3O7-x组分的靶和形成Y2Ba2Cu1O5-y组分的靶而不破坏成膜装置的真空度。对于象这样制得的超导层和绝缘层叠合构成的SIS隧道结的薄膜，进行干法蚀刻，使一部分区域的下层超导层露出，在各超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有由复合氧化物系超导材料形成的一对超导体层和在这对超导体层之间形成的绝缘体层的隧道型约瑟夫森器件，其特征是该绝缘体层是由与形成该超导体层的复合氧化物的相同组成元素，但不呈现超导特性的组分比的复合氧化物形成。

【技术特征摘要】
JP 1989-3-31 82690/891.一种具有由复合氧化物系超导材料形成的一对超导体层和在这对超导体层之间形成的绝缘体层的隧道型约瑟夫森器件，其特征是该绝缘体层是由与形成该超导体层的复合氧化物的相同组成元素，但不呈现超导特性的组分比的复合氧化物形成。2.根据权利要求1所述的隧道型约瑟夫森器件，其特征是，前述一对超导体层的每一层由YBa2Cu3O7-x构成;前述绝缘体层由Y2Ba1Cu1O5-y或Y1Ba3Cu2O2构成。3.根据权利要求2所述的隧道型约瑟夫森器件，其特征是，前述绝缘体层膜厚为20-100。4.根据权利要求3所述的隧道型约瑟夫森器件，其特征是，前述1对超导体层的每一层厚度为1000-3000。5.根据权利要求4所述的隧道型约瑟夫森器件，其特征是，前述一对超导器件之一是在SrTio3单晶基片或MgO单晶基片上形成。6.根据权利要求1所述的隧道型约瑟夫森器件，其特征是，前述1对超导体层用RBa2Cu3O7-x(R表示镧系元素)构成;前述绝缘体层由R2BaCuO7-x构成。7.一种具有由复合氧化物系超导材料形...

【专利技术属性】
技术研发人员：中西秀典，田中三郎，糸崎秀夫，矢津修示，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]