JP2000516401A - 層配列およびこの層配列を含む部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は少なくとも一つのCuO₂面のある単位格子を持つ高温超伝導材料をベースにした少なくとも一つの層を有し、この層が定伝導層に接続している層配列に関する。改質された界面層が二つの層の間に形成されている。この代わりに、接触する層の少なくとも一つは界面領域で改質されている。改質は金属イオンをドープするか注入して行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 層配列およびこの層配列を含む部品 この発明は、請求項１の前段による層配列に関する。その外、この発明は請求 項１１の前段による極低温部品に関する。 極低温電子部品に使用するため高温超伝導体の応用は、集積された多層回路の 開発を必要とする。超伝導の集積多層回路への応用にはＳＮＳジョセフソン接合 あるいは磁束変換器に対する例がある。更に、例えば磁束変換器を作製するため 、スルーホール接触部あるいはパターン導体の交差部がしばしば使用される。 更に、ジョセフソン接合、スルーホール接触部およびパターン導体の交差部は 、一連の他の多層部品に対して主要部品であり、その他の点で、極低温電子回路 にとって一般に重要である。 薄膜技術でのそのような部品、例えばジョセフソン接合のような部品の特性は 超伝導接合部間の障壁に関して障壁材料で決まり、接触している層の間の界面領 域の界面抵抗では決まらない。 そのような接合部内の界面抵抗を望むように抑制するためには、YBa₂Cu₃O_7-x またはP_rBa₂Cu₃O_7-Xのような、その場で作製でしていない高温超伝導体のクリー ンな界面は、例えばＢ_rエタノールの非水溶液中での化学エッチングにより作製 される[M．I．Faley，U．Poppe，H．Soltner，C．L．Jia，M．Siegel，and K．U rban，“Josephson junctions，interconnects and crossovers No.15，2138-21 40(1993)]。 その場合、化学エッチングは構造上傷のない界面だけでなく、約３°の小さい エッジ角度も形成する。高温超伝導薄膜をパターン構造化した後のこの平坦なエ ッジの利用は二つの理由から重要である。即ち、一方でこのようなエッジ構造は 非等方性の強い高温超伝導体でｃ軸方向の電流輸送の問題を解決することに寄与 する。他方で、絶縁性あるいは非超伝導の層により基本電極をかなり均一に被覆 できる。 薄い障壁層で基本電極を均一に被覆することも、ジョセフソン接合を作製する 場合に重要である。理想的なスルーホール接触部（vias）はできる限り小さな界 場合に重要である。理想的なスルーホール接触部（vias）はできる限り小さな界 面抵抗であるべきであるが、これに反して、パターン導線の交差部を作製するた めには良好な絶縁特性が必要である。目下のところ、絶縁のために、例えはSrTi O₃またはCeO₂のような立方晶の材料がしばしば利用される。しかし、これ等の材 料には、超伝導の基本電極にしばしば酸素が不足し、十分な超伝導特性とならな いと言う難点がある。加えて、Brエタノールでの有利な非水性の化学エッチング がパターン導体の交差部あるいはジョセフソン接合に対して利用できないのが不 利である。 それ故、この発明の課題は、望む境界条件に応じて層間の界面領域の品質を狙 い通りに調整できる層配列を提供することにある。 上記の課題は、請求項１の構成全体の層配列により解決されている。更に、上 記の課題は請求項１１の構成全体による極低温部品により解決されている。合理 的なあるいは有利な他の実施態様は前記請求項の各々に関連する従属請求項に開 示されている。 請求項１によれば、両方の層の間に改質された界面層があることが分かる。こ の代わりに、請求項２によれば界面領域で接触する層の少なくとも一つが改質さ れている。この改質には、請求項３により金属イオンを添加するか、請求項４に より注入を行うと有利である。 こうして、特にジョセフソン接合、スルーホール接触部、パターン導線の交差 部を作製するのに適した、極低温電子回路用の高温超伝導体を持つエピタキシー 多重層の系を作製できる可能性を見い出せることが分かる。今まで知られている 比較可能な構造体に比べて、異種構造体全体の中に改質された特性が有利に得て いる。 この発明による層配列あるいはこの発明による部品には、層配列、特に多層構 造の均一なエピタキシー成長と完全な酸化がある。これ等の要請は、技術的、化 学的および構造的に互いに折り合いのつく酸化物質を使用する場合に満たされて いる。 酸化する高温超伝導体は、基本的に強くドープした半導体と同じ程度の電荷担 体の密度を有する。それ故、例えば界面での電荷密度の空間的な変動は通常の金 属と比べて、層中で約100nmまでになる比較的大きな間隔で生じる。従って、薄 い酸化性の物質の輸送特性は個々の層の間の界面のところの特性に強く影響され る。 これ等の界面の一つあるいはそれ以上を改質し、従って界面抵抗の値を広範な 値で可変して、高温超伝導体をベースにした集積多層系を作製することができ、 これ等の系はそのような極低温電子部品の機能を対して個々に合わせるべき要請 を満たす。 界面抵抗の調整可能性を狙い通りに変更することは、こうして界面を狙い通り に扱って得ることができる。その場合、技術的、化学的および構造的に相互に折 り合える種々の材料を使用できる。 図面と実施例に基づきこの発明を更に詳しく説明する。ここに示すのは、 図１，PrBa₂Cu₃O_7-X層のイオンビームエッチングによるこの発明の層配列の界 面での中間層の高分解能透過電子鏡像、 図２，二つのYBa₂Cu₃O_7-Xの電極の間に配置された厚さが0.5μｍのPrBa₂Cu₃O _7-Xの「絶縁」層に対するｃ軸に沿った比抵抗、 図３，改質された界面領域を備えたこの発明によるジョセフソン接合の側面図 、 実施例 図１には、この発明による層配列の透過電子顕微鏡写真が示してある。ここで は、この発明による層配列の超伝導層と常伝導層との間の界面のところに改質さ れた中間層が認められた。この中間層は、常伝導のPrBa₂Cu₃O_7-X層に付ける超伝 導層を形成する前に、この層をイオンビームエッチングすることにより得られた 。 この場合、クリーンで乱れのない界面が非超伝導の自由層表面を改質する前に 硬質ＵＶ輻射によるフォトリソグラフィーに関連してBrエタノール中で化学エッ チングを使用して周知のように得られた。 次いで、特に600eVのエネルギのイオンビームで酸化物質の表面を照射して構 造的に改質された、あるいは損傷を受けた界面を作製した。照射時間あるいはイ オンエネルギを可変して、改質の望む境界条件に応じて種々の強さの損傷を界 面に得ることができる。半導体PrBa₂Cu₃O_7-X薄膜と関連して高温超伝導体YBa₂Cu₃ O_7-Xのエピタキシー非均質構造の場合、例えば化学エッチングにイオンビーム エッチングを組み合わせて、Ｒ_nＡ≒100Ω・cm²から１*10^-10Ω・cm²までの範囲 の界面抵抗Ｒ_nＡを実現できる。この場合、Ａは接合部の表面の大きさである。 界面抵抗の種々の特に大きな値は、その代わりに、または累積的に、界面に対 して主に10nmまでの薄い層表面領域の材料の界面の種々の改質あるいは操作によ り、例えば異なった金属イオンを添加するか、酸素を例えばＦ，Br，Clで部分的 に置き換えて得ることができる。 重要な認識は、この界面を改質する時、薄いエピタキシー中間層が界面上に得 られ、これが高い界面抵抗を形成する点にある。その場合、この界面抵抗は電極 材料中の電荷密度にも影響を与え、特にここで例示するこの発明の層配列の界面 の近く（100nmまで）のYBa₂Cu₃O_7-X、またはPrBa₂Cu₃O_7-Xの輸送特性に影響を与 える。 図２には二つのYBa₂Cu₃O_7-X電極の間に配置された厚さが0.5μｍのPrBa₂Cu₃O_{7 -X} 「絶縁」層に対するｃ軸に沿った比抵抗が示してある。 ここでは、純粋に化学エッチングした界面に対する測定値は曲線「ａ」で、ま たイオンビームエッチングで損傷を与えた界面の測定値は曲線「ｂ」で示してあ る。曲線「ｃ」と「ｄ」は材料のａｂ面に沿ったPrBa₂Cu_2.85Ga_0.15O_7-XおよびP rBa₂Cu₃O_7-X膜の比抵抗を示す。前記図面の挿入図は、障壁厚さが10nm，20nm，3 0nmおよび100nm（下から上に示す）の電極に対するジョセフソン接合の抵抗Ｒ_n( T)の温度依存性を示す。 YBa₂Cu₃O_7-XとPrBa₂Cu₃O_7-Xの間の界面の界面抵抗のアルゴンイオンエッチン グによる改質は、PrBa₂Cu₃O_7-X絶縁層の絶縁抵抗を４桁まで高めるか、あるいは 調節できる（図２を参照）。こうして、高品質の多層磁束変換器を作製できる。 界面が傷付いていない二つのYBa₂Cu₃O_7-X電極の間のPrBa₂Cu₃O_7-X層は中実の 試料に比べて非常に小さい比抵抗を示す（図２の挿入図）。これはジョセフソン 接合にとって有利である。何故なら、これにより比較的厚い障壁厚さ （＞10nm）を利用でき、この厚さが典型的な表面粗さより大きく、結果としてジ ョセフソン接合中に均一な電流密度分布を得ることができるからである。 図３には、界面領域を改質したこの発明によるジョセフソン接合の側面図が示 してある。これには、LaAlO₃の基板上にYBa₂Cu₃O₇の第一超伝導電極が形成され ている。次いで、自由表面Ｉをクリーンにし、界面抵抗を高くするために改質す た。次いで、この上にPrBa₂Cu₃O₇から成る常伝導の層を付け、その自由表面IIも 同じ理由により改質した。 次に、傾斜部を化学エッチングして３°の角度αにし、この傾斜部と常伝導の 層の自由表面IIに常伝導のPrBa₂Cu₃O₇の薄い層（10〜100nm）を被覆した。最後 に、厚さが100〜300nmの範囲のYBa₂Cu₃O₇の他の超伝導層を形成した。次いで、 二つの超伝導層の間の領域の傾斜部には結果としてジョセフソン接合が形成され る。界面領域ＩとIIでの改質は電子特性の改良された部品を与える。何故なら、 改質が電流の流れない部品の領域内でより良い電気絶縁を与えるからである。図 ２のこの発明による測定データはこの発明による接合に起因する。 エピタキシー異質構造を含む層配列には酸化超伝導体と常伝導酸化物（あるい は遷移温度の低い酸化超伝導体）の間に少なくとも一つの界面がある。このよう な層配列の多重構造により多層系が得られる。 超伝導酸化物質は、少なくとも酸素とCuを含み、電荷担体密度が１*10¹⁸〜５* 10²¹cm^-3の層構造であることに特徴がある。常伝導酸化層は、技術、化学および 構造に関して超伝導層と両立性があることに特徴があり、好ましくは１*10¹⁸〜 ５*10²¹cm^-3の電荷担体密度を有する。 界面近傍の薄い層（＜10nm）中の界面の改質は構造的にも化学的にも（例えば ドーピング）あるいは他の性質にも有効である。例えば他の材料の非常に薄い中 間層（＜10nm）があってもよい。大切なことは、界面抵抗を狙い通りに操作する ことは隣接する材料の輸送特性に影響を与えることにある。 その外、層表面を周知の方法で先ずクリーンにし、次いでこの方法を強制しな くても、表面を処理してあるいは改質された他の層を付けて改質を行うことも望 ましい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年８月２６日（１９９８．８．２６） 【補正内容】 請求の範囲 1．少なくとも一つのCuO₂面のあるユニットセルを持つ高温超伝導材料をベース にする少なくとも一つの層と、 ・この層に接続する常伝導酸化層とを含む層配列において、 ・界面が二つの層の少なくとも一方をイオン照射して得れた損傷のある構造を持 つ界面層として形成されていることを特徴とする層配列。 2．ジョセフソン接合を形成するため、界面層が電流を流すために設けられてい ない領域に限定されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イーア・クンリン ドイツ連邦共和国、Ｄ―52428 ユーリッ ヒ、アルティレリーストラーセ、42

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．少なくとも一つのCuO₂面のある単位格子を持つ高温超伝導材料をベースにし た少なくとも一つの層を有し、この層が常伝導層に接続している層配列におい て、両方の層の間に改質された界面層があることを特徴とする層配列。 2．少なくとも一つのCuO₂面のある単位格子を持つ高温超伝導材料をベースにし た少なくとも一つの層を有し、この層が常伝導層に接続している層配列におい て、接触している層のなかの少なくとも一つの界面領域が改質されていること を特徴とする層配列。 3．表面領域あるいは界面層は、改質のため、イオン、特に金属イオンでドーピ ングされていることを特徴とする請求項１または２に記載の層配列。 4．表面領域あるいは界面層は、改質のため、イオン、特に金属イオンを注入さ れていることを特徴とする請求項１または２に記載の層配列。 5．常伝導層は超伝導層とは反対側の表面で表面領域と同じように改質されてい ることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の層配列。 6．常伝導層は超伝導層とは反対側の表面で他の高温超伝導層に接続しているこ とを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の層配列。 7．常伝導層の材料としてPrBa₂Cu₃O_7-xを使用することを特徴とする請求項１〜 ６の何れか１項に記載の層配列。 8．請求項１〜７の何れか１項の多数の層配列を持つ多層系。 9．スルーホール接触部として形成された請求項８の多層系。 10．パターン導体の交差部として形成された請求項８の多層系。 11．請求項１〜７の何れか１項の少なくとも一つの層配列を持つ極低温部品。 12．請求項８による少なくとも一つの多層系を持つ極低温部品。 13．請求項１１または１２の極低温部品としてのジョセフソン接合。 14．請求項１１または１２の極低温部品としての磁束変換器。