JP6230593B2 - 再現可能なステップエッジ型ジョセフソン接合 - Google Patents
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Description
本発明に基づくアンチエピタキシャルバッファ層は、基板がHTSL層に対して適合性の結晶構造および格子定数を有する場合でさえも、HTSL層のc軸が、層平面に対して垂直に配向するように作用する。その結果、ステップエッジにおいては原則的に、HTSL層内で結晶粒界が形成されることが保証されている。滑り台形状ステップのエッジでは、基板表面内の屈曲が、HTSL層の結晶構造内における鋭利な屈曲をもたらすため、ジョセフソン接合が生じる。それに対して、基板に基づくエピタキシャル成長の場合、ステップ角度θ<45、好ましくは<19°では、ステップエッジにおいて結晶粒界が生じないため、そこではジョセフソン接合が形成されない。好ましくは薄い、アンチエピタキシャル中間層を用いると、その上、a軸もb軸も層平面内に位置し、層を通る二次元での電流輸送が容易になることが確保される。a軸およびb軸の制御は、面内テクスチャリングにより可能である。
Claims (28)
- 表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板、およびその上に配置された、高温超伝導材料からなる高温超伝導機能層を含む、ジョセフソン接合を有する素子であって、この層が、ステップエッジにおいて、ジョセフソン接合の弱結合を形成する結晶粒界を有し、前記高温超伝導機能層が、テクスチャリングされた前記基板上、および/または前記基板と前記高温超伝導機能層との間に配置されたテクスチャリングされたバッファ層上にグラフォエピタキシャルに成長しており、前記ステップエッジの両側における前記高温超伝導機能層の平面内において、前記高温超伝導機能層を構成している結晶粒の90%超は、これらの結晶粒のa結晶軸またはb結晶軸が、最大偏差10°で、前記結晶粒界に対して垂直となるように配向されている素子において、テクスチャリングが、平均高度ないしは平均深度が1nmから10nmの間にある、又は1nmから5nmの間にある***部および/または陥凹部を含むことを特徴とする前記素子。
- 基板またはそのバッファ層のテクスチャリングにより得られた、高温超伝導機能層を構成している結晶粒のa結晶軸またはb結晶軸の配向が、基板またはバッファ層のa結晶軸およびb結晶軸の配向とは異なることを特徴とする請求項1に記載の素子。
- 高温超伝導機能層と基板との間に、アンチエピタキシャル(antiepitaktisch)バッファ層が配置されており、このアンチエピタキシャルバッファ層が、非晶質であるか、または基板および/もしくは高温超伝導機能層に対してエピタキシー適合性(epitaxiekompatible)でない結晶構造を有するため、高温超伝導機能層のc軸が、最大偏差10°で、この層の平面に対して垂直に立っていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の素子。
- アンチエピタキシャルバッファ層が10nm以下、又は1nm以下、又は0.5nm以下の厚さを有することを特徴とする、請求項3に記載の素子。
- アンチエピタキシャルバッファ層の層平面内のそれぞれの格子定数が、高温超伝導機能層の格子定数cのそれぞれの整数倍または整数分の一よりも、高温超伝導機能層の平面内の格子定数aおよびbに近いことを特徴とする、請求項3又は4に記載の素子。
- アンチエピタキシャルバッファ層がテクスチャリングされていることを特徴とする、請求項3〜5のいずれか一つに記載の素子。
- 基板とアンチエピタキシャルバッファ層との間に、またはアンチエピタキシャルバッファ層と高温超伝導機能層との間に、もう一つのテクスチャリングされたバッファ層が配置されていることを特徴とする、請求項3〜6のいずれか一つに記載の素子。
- テクスチャリングされたバッファ層が、唯一のバッファ層として、基板と高温超伝導機能層との間に直接配置されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の素子。
- テクスチャリングされたバッファ層が、少なくとも20%、又は少なくとも50%、又は少なくとも100%だけ、アンチエピタキシャルバッファ層よりも厚いことを特徴とする、請求項7に記載の素子。
- テクスチャリングされたバッファ層が、10nm以下、又は1nm以下、又は0.5nm以下の厚さを有することを特徴とする、請求項7〜9のいずれか一つに記載の素子。
- テクスチャリングされたバッファ層がその平面内に、高温超伝導機能層の層平面内の軸aまたはbの一つに沿った格子定数の90%から100%の間である、格子定数を有することを特徴とする、請求項7〜10のいずれか一つに記載の素子。
- テクスチャリングが、平均高度ないしは平均深度が1nmから10nmの間にある、又は1nmから5nmの間にある***部および/または陥凹部を含むことを特徴とする、請求項7〜11のいずれか一つに記載の素子。
- ステップエッジにおける基板の曲率半径が、10nm以下、又は5nm以下、又は1nm以下であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一つに記載の素子。
- 基板の表面が平坦表面領域と曲線状表面領域とを有し、ステップエッジが、平坦表面領域を曲線状表面領域から分離することを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一つに記載の素子。
- 曲線状領域の曲率半径が、10nm以上、又は100nm以上、又は1μm以上であることを特徴とする、請求項14に記載の素子。
- 基板の二つの平坦領域の間にステップの領域が設けられており、これらの平坦領域に対してステップの領域が傾いており、当該ステップの領域の、基板の平坦領域に向かう上方及び下方における移行部において、それぞれ一つのステップエッジを有し、基板の二つの平坦領域の上では、高温超伝導機能層が第一の結晶の方向をとり、ステップの領域の上では、高温超伝導機能層が、第一結晶の方向とは異なる第二の結晶の方向をとることを特徴とする、請求項1、2、8および請求項1、2、8のいずれかを引用する請求項13のいずれか一つに記載の素子。
- 基板の表面が、ステップエッジにおいて、20°から60°の間、又は30°から50°の間、又は35°から45°の間の角度だけ屈曲していることを特徴とする、請求項16に記載の素子。
- テクスチャリングが長方形状または線状であることを特徴とする、請求項1〜17のいずれか一つに記載の素子。
- 基板がテクスチャリングされており、前記基板上又はバッファ層上にそのまま成長させる高温超伝導機能層に代えて、基板と高温超伝導機能層との間には、機能層の材料からなる一つのシード層が配置されており、テクスチャリングと、その上へのグラフォエピタキシャル成長により、前記ステップエッジの両側における前記シード層の平面内において、前記シード層を構成している結晶粒の90%超は、これらの結晶粒のa結晶軸またはb結晶軸が、最大偏差10°で、前記結晶粒界に対して垂直となるように配向されており、前記シード層の上には、基板の少なくとも一つの金属元素または半導体元素に対して不透過性であるバリア層が配置されており、バリア層が、シード層にエピタキシャルに付着させられていることにより、シード層の結晶方位がバリア層に写し取られ、高温超伝導機能層が、バリア層上にエピタキシャルに付着させられていることにより、同じ結晶方位が、高温超伝導機能層に写し取られることを特徴とする、請求項1〜18のいずれか一つに記載の素子。
- シード層が常伝導性に形成されていることを特徴とする、請求項19に記載の素子。
- シード層が、最大限50nm、又は5から20nmの間の厚さを有することを特徴とする、請求項19又は20に記載の素子。
- シード層が、機能層の厚さの最大限1/3の厚さを有することを特徴とする、請求項19〜21のいずれか一つに記載の素子。
- バリア層が、1nmから1μmの間、又は10nmから100nmの間、又は20nmから40nmの間の厚さを有することを特徴とする、請求項19〜22のいずれか一つに記載の素子。
- バリア層がぺロブスカイト構造を有することを特徴とする、請求項19〜23のいずれか一つに記載の素子。
- 請求項1〜24のいずれか一つに記載の少なくとも一つの素子を特徴とする、THz波の検出器もしくは発生器または超伝導量子干渉計、SQUID。
- 表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板から、ジョセフソン接合を含む素子を製造する方法であって、高温超伝導材料からなる高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、この層内に、ステップエッジにおいて、ジョセフソン接合の弱結合が形成され、その弱結合の両側において、高温超伝導機能層としてステップエッジの両側に延在することになる方法において、基板がテクスチャリングされる、および/またはテクスチャリングされたバッファ層が基板上に付着され、続いて、高温超伝導機能層が、グラフォエピタキシーの過程で付着されることによって、高温超伝導機能層が、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、高温超伝導機能層の平面内において、高温超伝導機能層を構成している結晶粒の90%超は、これらの結晶粒のa結晶軸またはb結晶軸が、最大偏差10°で、前記結晶粒界に対して垂直となるように配向されることを特徴とする方法。
- 表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板から、ジョセフソン接合を含む素子を製造する方法であって、高温超伝導材料からなる高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、この層内に、ステップエッジにおいて、ジョセフソン接合の弱結合が形成され、その弱結合の両側において、高温超伝導機能層としてステップエッジの両側に延在することになる方法において、
以下の工程段階:
・基板をテクスチャリングする工程;
・続いて、機能層の材料からなるシード層を、グラフォエピタキシーの過程で付着させることによって、シード層が、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、シード層の平面内において、シード層を構成している結晶粒の90%超は、これらの結晶粒のa結晶軸またはb結晶軸が、最大偏差10°で、前記結晶粒界に対して垂直となるように配向される工程;
・続いて、基板の少なくとも一つの金属元素または半導体元素に対して不透過性であるバリア層が、シード層に対してエピタキシャルに付着される工程;
・続いて、高温超伝導機能層が、バリア層に対してエピタキシャルに付着される工程
を特徴とする方法。 - 高温超伝導機能層またはシード層を付着させる前に、非晶質であるか、または基板および/もしくは高温超伝導機能層ないしはシード層に対してエピタキシー適合性でない結晶構造を有するアンチエピタキシャルバッファ層を付着させることにより、高温超伝導機能層またはシード層のc軸の配向が、基板のc軸の配向の作用から切り離されることを特徴とする、請求項26又は27に記載の方法。
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