[发明专利]约瑟夫逊结及其制造方法

说明书

本发明涉及一种约瑟夫逊结和一种用以制造约瑟夫逊结的方法，以便获得广泛的实用性，如，超导量子干涉器件(SQUID)，其可用来测量象生物磁性的微磁场，超导通量流晶体管，约瑟夫逊场效应晶体管(JOFET)。

通常，将约瑟夫逊结分成隧道型和微桥型，隧道型相对较通用，而其在制造极薄的绝缘层时，以及在将结的尺寸降低到不出现噪声的程度时，存在困难。

微桥型包括一微小的桥或连线(下面称作“连线”)，其用以连接超导电极，其连线通常被称作“弱连线”。在理论上，这种型式的优点在于可将结的尺寸减小，而实际上制造具有微小截面和长度的微小连线是困难的。

现参照图9，描述通常制造准平面型约瑟夫逊结的方法：

所示器件包括下面的超导层101和横跨在下层上的上超导层102，其间设置有一绝缘阻挡层或绝缘层103，上层102和下层101可以通过连线104(弱连线)连接。由于连线104的长度取决于绝缘层103的厚度，所以与用于微桥型的通常平面型方法相比，可相对容易地将连线104缩短。

通常的方法是采用电子束曝光以制成细线，然后通过阳极氧化使它们变得更细。然而，这种方法效率很低，并且得到的约瑟夫逊结在质量上也是有缺陷的。如果将弱连线曝露于大气和/或氧化时，它们易发生缓慢变化。

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种其特性不容易发生缓慢变化的约瑟夫逊结。

按照本发明，提供一种约瑟夫逊结，它包括衬底，第一超导层，横跨在第一层上其间设置有绝缘层的第二超导层，绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，并且绝缘层包括与第一和第二层的各层相接触的低氧或氮浓度的区域。

按照本发明的另一方面，提供一种制造约瑟夫逊结的方法，其包括下列步骤，制备一衬底，形成第一超导层，形成横跨在第一层上其间设置有绝缘层的第二超导层，其中绝缘层是一种超导材料的氧化物或氮化物，并且将离子束注入绝缘层，以便形成用来连接第一层和第二层的低氧或低氮浓度区域。

图1(A)至1(C)分别是表示按照本发明的约瑟夫逊结的透视图，通过图1(A)中的箭头B来表示一侧视图，并通过图1(A)中的箭头C来表示另一侧视图；

图2是沿图1(B)中线A-A所截取的经过放大的局部截面图；

图3是经过放大的局部截面图，其表示按照本发明制造约瑟夫逊结的方法；

图4是一曲线图，其表示临界电流值，离子剂量和离子种类之间的关系；

图5是经过放大的局部截面图，其表示按照本发明制造约瑟夫逊结的方法的改型；

图6(A)至6(D)分别表示提供有按照本发明的约瑟夫逊结的超导通量流晶体管(suoperconducting flux folw transistor)的透视图，通过图16(A)中的箭头B表示一侧视图，通过图1(A)中的箭头C表示另一侧视图，和沿图6(B)中的线D-D所截取的局部截面图；

图7是一平面图，其表示图6(A)至(D)中所示超导通量流晶体管的改型；

图8(A)至8(C)是以JOFET为例提供有按照本发明的约瑟夫逊结的示意平面图，通过图8(A)中的B表示一左侧视图，和沿图8(B)中的线C-C所截取的局部截面图；和

图9是一表示现有技术的准平面型约瑟夫逊结的透视图。

参照图1(A)至1(C)，在衬底10上提供一下电极1，并且在下电极1上提供一横跨于其上的上电极2，其间设置有绝缘层3。上和下电极2和1是由超导薄层如Nb(铌)制成，绝缘层3是由其氧化物如Nb₂O₅制成。

上电极2、下电极1和绝缘层3的每个侧面以预定角度向衬底10倾斜，由此下电极或层1具有倾斜侧面E1，上电极2具有倾斜侧面E2，绝缘层3具有变化的厚度，亦即，上平面部分为400厚，而下电极倾斜侧面E1上的倾斜部分为100厚。

参照图2，绝缘层3包括一区域4，其中氧的浓度较低或氧原子缺乏，后面，将把该区域称作“低氧浓度区域”。特别是，由于氧原子的缺乏，所以Nb原子主要存在于区域4中。由此，两电极1和2之间的导电率通过Nb元素而被增加。