(57)【要約】  提案されるのは、ジョセフソン接合を含む電子素子、ならびに製造法である。この素子は、その表面に少なくとも一つのステップエッジを有する基板（１．１）、およびその上に配置された、高温超伝導材料からなる層（１．４）を含み、ただし、この層は、ステップエッジにおいて、ジョセフソン接合の一つまたは二つの弱結合を形成する結晶粒界（１．５）を有する。本発明によると、ステップエッジの両側において、高温超伝導層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、基板の集合組織化、および／または少なくとも一つの、基板と高温超伝導層との間に配置されたバッファ層の集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されている。このことは、例えば、ＨＴＳＬ層を、グラフォエピタキシャルに成長させることにより技術的に実現できる。ステップエッジの両側において、同じ結晶軸をそれぞれステップエッジに対して垂直に配向させることにより、ステップエッジにより誘導される結晶粒界、それゆえジョセフソン接合を通して最大限の超伝導電流が流れ得る。
2015514322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する素子において、ステップエッジの両側において、高温超伝導機能層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、基板の集合組織化、および／または少なくとも一つの、基板と高温超伝導機能層との間に配置されたバッファ層の集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されていることを特徴とする前記素子。
【請求項２】
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する素子において、高温超伝導機能層が、集合組織化された基板上、および／または基板と高温超伝導機能層との間に配置された集合組織化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、かつ、集合組織化により、ステップエッジの両側において、高温超伝導機能層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されていることを特徴とする前記素子。
【請求項３】
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１〜２のいずれか一つに記載の素子。
【請求項４】
アンチエピタキシャルバッファ層が１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、特に好ましくは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。
【請求項５】
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約数よりも、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３〜４のいずれか一つに記載の素子。
【請求項６】
アンチエピタキシャルバッファ層が集合組織化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。
【請求項７】
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、もう一つの集合組織化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。
【請求項８】
集合組織化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１〜７のいずれか一つに記載の素子。
【請求項９】
集合組織化されたバッファ層が、少なくとも２０％、好ましくは少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも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。
【請求項１０】
集合組織化されたバッファ層が、１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、特に好ましくは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。
【請求項１１】
集合組織化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。
【請求項１２】
集合組織化が、平均高度ないしは平均深度が１ｎｍから１０ｎｍの間にある、好ましくは１ｎｍから５ｎｍの間にある隆起部および／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。
【請求項１３】
ステップエッジにおける基板の曲率半径が、１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、特に好ましくは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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
曲線状領域の曲率半径が、１０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上、特に好ましくは１μｍ以上であることを特徴とする、請求項１４に記載の素子。
【請求項１６】
ステップが、第一の配向を有する、基板の二つの平坦領域を分離し、これらの平坦領域に対して、その上の高温超伝導機能層が、異なっているが、ステップの領域にある一定の、基板の結晶配向をとるように傾いていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１７】
基板の表面が、ステップエッジにおいて、２０°から６０°の間、好ましくは３０°から５０°の間、特に好ましくは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１〜１６のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１８】
集合組織化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。
【請求項１９】
基板が集合組織化されており、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もう一つのシード層が配置されており、集合組織化により、ステップエッジの両側において、シード層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されており、シード層と高温超伝導機能層との間には、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い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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
シード層が、最大限５０ｎｍ、好ましくは５から２０ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする、請求項１９〜２０のいずれか一つに記載の素子。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
バリア層が、１ｎｍから１μｍの間、好ましくは１０ｎｍから１００ｎｍの間、特に好ましくは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。
【請求項２４】
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２５】
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。
【請求項２６】
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、高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、高温超伝導機能層が、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、基板が集合組織化される、および／または集合組織化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ため、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、そのａ軸および／またはｂ軸が、集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されることを特徴とする方法。
【請求項２７】
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、高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、高温超伝導機能層が、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：
・基板を集合組織化する工程；
・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ため、シード層が、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、そのａ軸および／またはｂ軸は、集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向される工程；
・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。
【請求項２８】
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、基板の配向から切り離されることを特徴とする、請求項２６〜２７のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン接合を含む電子素子、ならびに製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温超伝導（Ｈｉｇｈ−Ｔｃ、ＨＴＳＬ）電極間のジョセフソン接合は、超伝導エレクトロニクスの基本構成要素である。ジョセフソン接合は、中でも、高感度磁界測定用の超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤｓ）に関して、およびＴＨｚ（テラヘルツ）波の検出器において使用される。
【０００３】
ジョセフソン接合の本質的なパラメータは、超伝導状態の臨界電流密度Ｊｃおよび常伝導状態での抵抗Ｒｎである。これらの値、特にその積ＪｃｘＲｎ（ないしは臨界電流Ｉｃとの積ＩｃｘＲｎ）が、前記の目的でのジョセフソン接合の適用性の尺度として（Ｅ．  Ｍｉｔｃｈｅｌｌ、Ｃ．  Ｐ．  Ｆｏｌｅｙ、「ＹＢＣＯ  ｓｔｅｐ−ｅｄｇｅ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ＩｃＲｎ」、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２３、０６５００７（２０１０）、ｄｏｉ：１０．１０８８／０９５３−２０４８／２３／６／０６５００７（非特許文献１））から公知である。この文書は、ＹＢＣＯ−ＨＴＳＬ層の結晶粒界でのＪｃもＲｎも、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−Ｘ（ＹＢＣＯ）中の両方の粒子の結晶配向間の角度θに強く依存することを開示する。それゆえ、その表面がステップエッジを含有する基板上に層を成長させることが提案される。ジョセフソン接合は、エッジにおいてＹＢＣＯの結晶構造に、角度θ度の鋭利な屈曲を導入することにより、基板表面の滑り台形状ステップの上部エッジに生じる。その際、ＹＢＣＯ中では、ステップエッジにおいて結晶粒界が形成され、ただし、角度θは、ステップエッジの屈曲角度によって設定されている。屈曲は、ＹＢＣＯ中の結晶粒界において局所ひずみ、それゆえ局所酸素欠乏をもたらす。それにより、屈曲領域は、配向性の異なる二つのＤ波超伝導体間のトンネル接合障壁のように作用し、その結果、ジョセフソン接合の弱結合を形成する。
【０００４】
このようにして製造されたジョセフソン接合のいくつかは、実際に、期待された高い積ＩｃｘＲｎを有する。不利なことには、再現性がこれまでのところ原理的な実現可能性の検証（ｐｒｏｏｆ−ｏｆ−ｃｏｎｃｅｐｔ（概念実証））にしか足りず、ラージスケールでの製作には足りないが、その理由は非常に多数の粗悪品が生み出されるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許出願１０２００９０２５７１６．０
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｅ．  Ｍｉｔｃｈｅｌｌ、Ｃ．  Ｐ．  Ｆｏｌｅｙ、「ＹＢＣＯ  ｓｔｅｐ−ｅｄｇｅ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ＩｃＲｎ」、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２３、０６５００７（２０１０）、ｄｏｉ：１０．１０８８／０９５３−２０４８／２３／６／０６５００７
【非特許文献２】Ｈａｏ等、「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｉｎ  ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δｄ  ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  ｂｉｃｒｙｓｔａｌ  ＭｇＯ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ９１（１１）、９２５１〜９２５４ページ（２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、高温超伝導体から、高い積ＩｃｘＲｎを有すると同時に従来技術に基づくよりも再現可能に製造され得るジョセフソン接合を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明によると、主要請求項に記載の、ジョセフソン接合を含む素子を介して、ならびに並列請求項（Ｎｅｂｅｎａｎｓｐｒｕｃｈ）に記載の製造法を介して解決される。さらなる有利な形態は、それらの請求項に関連する従属請求項から明らかになる。さらに、本発明の対象は、本発明による素子が使用される、ＴＨｚ波の検出器およびＳＱＵＩＤである。
【０００９】
本発明の枠内では、ジョセフソン接合を含む素子が開発された。この素子は、その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層を含み、ただし、この層は、ステップエッジにおいて、ジョセフソン接合のＷｅａｋ−Ｌｉｎｋ（弱結合）を形成する結晶粒界を有する。この層を、以下では、機能層と呼ぶ。
【００１０】
ステップエッジとは、そこで基板が、それゆえその上に存在するＨＴＳＬ層も終了する、基板の外縁とは理解されない。本発明の趣旨でのステップエッジとは、むしろ、基板の表面領域内に存在するエッジであるため、基板上に存在するＨＴＳＬ層は、このステップエッジの両側へと延在する。
【００１１】
本発明によると、ステップエッジの両側において、高温超伝導層（機能層）の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、基板の集合組織化（Ｔｅｘｔｕｒｉｅｒｕｎｇ）、および／または少なくとも一つの、基板と高温超伝導層（機能層）との間に配置されたバッファ層の集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されている。このことは、例えば、ＨＴＳＬ層（機能層）を、集合組織化させた表面上でグラフォエピタキシャルに成長させることにより技術的に実現できる。
【００１２】
したがって、本発明による素子は、別法として、高温超伝導機能層が、集合組織化された基板上、および／または基板と高温超伝導機能層との間に配置された集合組織化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たということにより特徴付けることができる。集合組織化により、ステップエッジの両側において、高温超伝導機能層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されている。
【００１３】
ＨＴＳＬ層のａ軸ないしはｂ軸の配向とは、ＨＴＳＬ層を構成している粒子の９０％超の軸が配向されていると理解される。通常は、配向の誤った個々の粒子が常に存在するが、それらは、その場合、電流輸送にとってもはや重要ではない。
【００１４】
ａ軸同様にｂ軸の配向とは、粒子の一部がそのａ軸により、そして粒子の一部がそのｂ軸によりステップエッジに対して垂直に配向されていると理解される。
【００１５】
ＨＴＳＬ層の超伝導特性は、層平面内においてきわめて異方性であることが認識された。超伝導電流を運ぶクーパー対の波動関数は、層平面内の結晶軸ａおよびｂに沿って、大きな振幅を有し、ただし、その振幅は、結晶軸ｂに沿っては、結晶軸ａに比べて１８０°だけずれた相を有する。ＨＴＳＬ層の両結晶軸ａおよびｂに対して４５°の方向では、クーパー対の波動関数の振幅はゼロに等しい。したがって、高い超伝導電流は、本質的には結晶軸ａおよびｂに沿ってのみ輸送され得る。超伝導電流が、ステップエッジを越えても輸送され得るためには、ステップエッジの両側において、ＨＴＳＬ層の結晶軸ａまたはｂが、ステップエッジに向かって配向していることが欠かせない。それに対して、ステップエッジの少なくとも片側で、結晶構造が、ａおよびｂ軸に対して４５°の角度で配向していると、ジョセフソン接合を介して超伝導電流は流れない（Ｉｃ＝０）。その上、この場合、ジョセフソン接合の常伝導抵抗Ｒｎを（それゆえ積ＩｃｘＲｎも）劇的に下げるゼロエネルギー状態が生じる。
【００１６】
それゆえ、ステップエッジの両側でａおよび／またはｂ結晶軸がそれぞれステップエッジに対して垂直に配向することにより、ステップエッジにより誘導される結晶粒界、それゆえジョセフソン接合を越えて、最大限の超伝導電流が流れ得る。従来技術に基づくと、層平面内のａ軸およびｂ軸の面内配向は制御されるのではなく、偶然に形成された。それゆえ、製造された層は、そのａ軸および／またはｂ軸がステップエッジと４５°の角度を形成した多数の粒子も含有していたため、それらの粒子による電流輸送は、まさに興味のある方向においては最小限であった。
【００１７】
本発明の特に有利な一形態では、高温超伝導層（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は、非晶質であるか、または基板および／もしくは高温超伝導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、高温超伝導層（機能層）のｃ軸が、エネルギー的に最も好都合な固有の成長方向に配向し、その結果、最大偏差１０°で、層平面に対して垂直に立っている。その際、層平面は、基板表面内の屈曲に従う。アンチエピタキシーに関しては、層固有の相図に基づく、例えば、ＹＢＣＯ層の積層構造に基づく層配向が、基板との連関に相応する配向と比べてエネルギー的に好ましいことが重要である。高温超伝導機能層、特にＹＢＣＯ層は、層平面に対して垂直なｃ方向に向かうよりも迅速に層平面内で成長するという、その自然の傾向に従うべきである。このことは、薄い非晶質層を用いるか、またはＨＴＳＬ層との界面上で非常に多くのひずみが形成されるほどに強力にエピタキシー非適合性の層を用いることで達成され得る。第三の可能性は、非常に薄い（およそ１ｎｍ、好ましくは０．３〜１ｎｍ）、基板の結晶構造パラメータとは大きく異なる結晶構造パラメータを有する材料からなるアンチエピタキシャル層である。この場合、両結晶構造ともが、ＨＴＳＬ層の配向に影響を及ぼし、その際、その、ＨＴＳＬ層に対する効果を相互に弱める。
【００１８】
例えば、ＭｇＯ基板上には、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる、第一のエピタキシャル層が配置されていてもよく、この層は、ＣｅＯ２からなる本来のアンチエピタキシャル層の仲介層として利用される。その上に、超伝導ＹＢＣＯ層を配置することが可能である。
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、面内集合組織化により可能である。
【００１９】
アンチエピタキシャルバッファ層が１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、特に好ましくは０．５ｎｍ以下の厚さを有すると有利である。基板内、またはアンチエピタキシャルバッファ層と基板との間のもう一つの層内に集合組織化が存在する限り、このわずかな層厚によって、集合組織化が、層平面内におけるＨＴＳＬ層の結晶配向に対して、なおも決定的な作用を有し得ることが保証されている。
【００２０】
層平面内におけるアンチエピタキシャルバッファ層のそれぞれの格子定数が、高温超伝導層（機能層）の格子定数ｃのそれぞれの整数倍数または約数よりも、高温超伝導層（機能層）の平面内の格子定数ａおよびｂに近いと有利である。それにより、ＨＴＳＬ層のｃ軸がアンチエピタキシャルバッファ層の平面へと配向することが回避される。
【００２１】
特に有利な一形態では、アンチエピタキシャルバッファ層が集合組織化されている。その場合、この集合組織化が、ＨＴＳＬ層と直に接触しており、平面内でのその結晶配向に最大限に作用する。
【００２２】
別法として、またはこれと組み合わせて、本発明のさらなる特に有利な一形態においては、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層（機能層）との間に、もう一つの集合組織化されたバッファ層が配置されている。その場合、両方のバッファ層の機能は互いに分離されており、互いに独立に最適化可能である。集合組織化されたバッファ層の、層平面内におけるＨＴＳＬ層の結晶構造に及ぼす影響が、アンチエピタキシャルバッファ層の影響を上回るように、集合組織化されたバッファ層は、少なくとも２０％、好ましくは少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも１００％だけ、アンチエピタキシャルバッファ層よりも厚いと有利である。しかしながら、アンチエピタキシャルバッファ層がｃ軸の配向に及ぼす影響を完全には背景に押しやらないためには、集合組織化されたバッファ層が、同時に１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、特に好ましくは０．５ｎｍ以下の厚さを有すると有利である。
【００２３】
集合組織化されたバッファ層は、特に、ＨＴＳＬ層のｃ軸が、アンチエピタキシャルバッファ層がなくても層平面に対して垂直に配向する場合には、唯一のバッファ層として、基板とＨＴＳＬ層との間に直接的に配置されていることも可能である。しかしながら、この場合も、集合組織化されたバッファ層は、１０ｎｍよりも厚くないことが有利である。より厚くなると、鋭利なステップエッジが丸くなるため、ＨＴＳＬ層内のトンネル障壁はより低く、その代わり、より幅広くなる。その結果、トンネル障壁は、もはやジョセフソン接合の弱結合として作用しない。
【００２４】
バッファ層の通常の結晶構造がすでに、集合組織化として十分である可能性がある。そのためには、バッファ層がその平面内で、ＨＴＳＬ層の配向されるべき軸（ａおよび／またはｂ）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と有利である。これを果たすバッファ層の一例は、ＣｅＯ２である。ＣｅＯ２は、イットリウム安定化ジルコニアＹＳＺ上でエピタキシャル成長し、他方、ＹＳＺは、ＭｇＯ上でエピタキシャル成長する。その結果、層平面内でのＣｅＯ２の結晶配向は、ステップエッジに向かって垂直に配向し、この配向がＹＢＣＯのａ軸に写し取られる。バッファ層が、付加的な集合組織化をせずにこのようにして作用できるように、ＨＴＳＬ層の格子定数ｃは、配向されるべき軸（ａおよび／またはｂ）に沿った格子定数の整数倍であってはならない。さもないと、ａ軸および／またはｂ軸の代わりに、ｃ軸がバッファ層に沿って配向する可能性がある。
【００２５】
集合組織化が、平均高度ないしは平均深度が１ｎｍから１０ｎｍの間にある、好ましくは１ｎｍから５ｎｍの間にある隆起部および／または陥凹部を含むと有利である。集合組織化の、小さすぎるフィーチャは、平面内でのＨＴＳＬ層の配向に対してもはや再現性には作用しない。フィーチャが大きすぎると、ＨＴＳＬ層のａ軸配向性粒子が、成長する可能性がある。
【００２６】
ステップエッジにおける基板の曲率半径が、１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、特に好ましくは１ｎｍ以下であると有利である。その場合、基板表面内の屈曲は、ＨＴＳＬ層と基板との間に一つまたは複数のバッファ層が配置されている場合にもなおその場所で、ＨＴＳＬ層にとっては、結晶粒界、それゆえジョセフソン接合の弱結合を形成するために十分に強い興味を起こさせるものである。この屈曲は、理想的には、ＨＴＳＬ層内において、それらのｃ軸方向の配向が互いに異なる二つの粒子間で線状の界面が形成されるほどに鋭利である。
【００２７】
本発明のさらなる有利な一形態では、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。その場合、曲線状領域の曲率半径が、１０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上、特に好ましくは１μｍ以上であると有利である。その場合、ＨＴＳＬ層は、ステップエッジを越えて滑り台形状で延在する。それにより、ＨＴＳＬ層がステップエッジによってたった一つの結晶粒界を、それゆえたった一つの弱結合を形成することが確保されている。ＨＴＳＬ層が、二つ以上の直列接続された弱結合を形成するのであれば、この素子はジョセフソン接合としては使用できないであろう。それは、両方の粒子の結晶配向間の角度θが、複数の直列接続された弱結合の場合、通常は異なっているであろうことに起因する。それに対して、この角度θを、複数の直列接続された弱結合に関して同じにすることに成功すれば、これらの弱結合からなる直列接続は、効果的なジョセフソン接合として使用できるかもしれない。
【００２８】
このことは、さらなる有利な一形態において、ステップが、第一の配向を有する、基板の二つの平坦領域を分離し、これらの平坦領域に対して、その上の高温超伝導機能層が、異なっているか、ステップの領域にある一定の、基板の結晶配向をとるように傾くことによって、実施可能である。さらに、本形態では、機能層のｃ軸の配向が、ほかならぬ基板によって制御可能であるように、アンチエピタキシャルバッファ層を省略する必要がある。
【００２９】
基板の表面が、ステップエッジにおいて、２０°から６０°の間、好ましくは３０°から５０°の間、特に好ましくは３５°から４５°の間の角度だけ屈曲していると有利である。特に、４０°の屈曲角が、結晶粒界において合流する、ＨＴＳＬ層の両方の粒子のｃ軸間の最適な角度θをもたらす。
【００３０】
集合組織化が長方形状または線状であると有利である。線状の集合組織化は、すべての粒子においてａ軸またはｂ軸を配向させることが可能で、長方形状の集合組織化はすべての粒子において両軸を配向させることができる。
【００３１】
ＨＴＳＬ層の材料としては、その材料中ではクーパー対の波動関数が、記載したように、異方性に広がる上に、結晶粒界がこの波動関数の広がりの局所障壁である、あらゆる材料が適している。それゆえ、ＹＢＣＯと並び、別のすべての酸化物高温超伝導体も適している。
【００３２】
所与の厚さを有するＨＴＳＬ層の所与の臨界電流密度Ｊｃにおいては、ある特定の幅を有する横方向構造を通って流れ得る臨界電流Ｉｃ、Ｉｃ＝Ｊｃｘ幅ｘ厚さ、がもたらされる。したがって、定められたＩｃを有する素子においては、ＨＴＳＬ層は横方向に構造化されており、例えば、定められた幅を有する、ステップエッジを越えて延在するブリッジの形状で構造化されている。このようなブリッジを用いて、ＴＨｚ波の検出器および発生器、またはＲＦ−ＳＱＵＩＤが実現可能であり、二つのブリッジを用いるとＤＣ−ＳＱＵＩＤも実現可能である。それゆえ、本発明は、ＴＨｚ波の検出器および発生器、ならびに本発明による素子を備えたＳＱＵＩＤにも関する。ＳＱＵＩＤは、例えば、ドイツ特許出願１０２００９０２５７１６．０（特許文献１）の趣旨でのフラックストランスフォーマを用いて、高感度磁力計および／またはグラジオメータに拡張可能である。
【００３３】
ここで記載される、ステップエッジにおいて結晶粒界を生み出し、ステップエッジの両側において、層の結晶配向をその結晶粒界との関連で調整するという基本原理は、まったく一般的に適用することができる。例を挙げると、結晶質酸化物層間のトンネル障壁の強磁性、強誘電性、およびマルチフェロイック特性を新規電子素子用に実用化することができる。
【００３４】
本発明のさらなる特に有利な一形態では、基板が集合組織化されており、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もう一つのシード層が配置されている。集合組織化により、ステップエッジの両側において、シード層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されている。同時に、シード層と高温超伝導機能層との間には、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いる。集合組織化に関しては、集合組織化に関してすでに述べたすべてのことが引き続き当てはまる。
【００３５】
本形態の趣旨での不透過性とは、基板の当該元素が、バリア層の材料中では、シード層ないしは機能層の材料中よりも少なくとも一桁は遅く拡散すると理解される。
【００３６】
基板に由来するある特定の金属元素または半導体元素が、機能層の材料と反応する、および／または機能層中に欠陥を導入することにより、そのような基板上で成長させた機能層の品質を悪化させ得ることは公知である（Ｈａｏ等、「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｉｎ  ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−δｄ  ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  ｂｉｃｒｙｓｔａｌ  ＭｇＯ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ９１（１１）、９２５１〜９２５４ページ（２００２）（非特許文献２））。そのような妨げとなる元素の例としては、特に、マグネシウム、アルミニウム、およびケイ素を挙げることができる。しかしながら、ほかならぬマグネシウム酸化物、アルミニウム酸化物、およびケイ素酸化物は、その適した格子定数、小さな比誘電率、および低価格ゆえに、例えば、高温超伝導体としてのＹＢＣＯを成長させるための好ましい基板である。バリア層により、そのような基板が機能層を汚染するという不利点が克服できる。
【００３７】
Ｈａｏ等（非特許文献２）が提案したように、バリア層を基板上に直接付着させると、その結晶構造は、基板の集合組織化にではなく、その結晶構造に従うであろうため、グラフォエピタキシーは起こらないであろう。それゆえ、機能層内での結晶方位に関する本発明による配向は、ステップエッジの両側で失われるであろう。この理由から、基板上に直接付着されているか、またはアンチエピタキシャルバッファ層により仲介されて基板上に付着されていてもよいシード層が配置されている。本発明による、バリア層およびシード層を伴わない素子中の機能層と完全に類似して、シード層の配向は、グラフォエピタキシーによって、ステップエッジの両側で調整されているため、ステップエッジにおいて結晶粒界が生じる。このように定められた配向が、バリア層により受け継がれ、機能層に転送される。その結果、最終的には、機能層は、依然として、基板の集合組織化により間接的に配向されている。しかしながら同時に、機能層は、バリア層によって、基板に由来する金属汚染物（Ｋｏｎｔａｍｉｎａｎｔ）または半導体汚染物の侵入から保護されている。
【００３８】
シード層は、常伝導性に形成されていると有利である。常伝導性とは、本形態の趣旨では、その超伝導特性が機能層の超伝導特性よりも少なくとも一桁だけ低いと理解される。シード層は、機能層と同じ材料からなるため、原理的には同じく高温超伝導性になり得る。しかしながら、本形態では、シード層が、機能層と競合する超伝導電流経路を形成しないように、シード層内での高温超伝導は意識的に抑制されている。そのような競合経路は、ノイズを引き起こし、素子の機能を妨害する恐れがある。超伝導は、例えば、シード層を非常に薄く形成することにより抑制され得る。その場合、シード層は、基板に由来する金属ないしは半導体で完全に汚染されるため、シード層中には、その経路に沿ってなおも超伝導電流が流れ得る、汚染のない経路はもはや存在しない。それゆえ、シード層は、最大限５０ｎｍ、好ましくは５から２０ｎｍの間、および／または機能層の厚さの最大限１／３の厚さを有すると有利である。本発明者の実験では、１０ｎｍという厚さが最適であると判明した。
【００３９】
バリア層が、１ｎｍから１μｍの間、好ましくは１０ｎｍから１００ｎｍの間、特に好ましくは２０ｎｍから４０ｎｍの間の厚さを有すると有利である。１ｎｍという下限は、１ｎｍが、ＹＢＣＯのような高温超伝導材料からなるシード層の典型的なステップ高度であって、基板からの、シード層を介した機能層への、金属汚染物または半導体汚染物の拡散を阻止可能にするためには、すべてのステップを完全に覆うことが欠かせないことに由来する。１μｍという上限は、バリア層が、機能層および／または基板とは異なる熱膨張率を有することに由来する。層は、それぞれ、高温で成長させる必要がある。バリア層が厚ければ厚いほど、バリア層とその他の層との間の機械的応力が層スタックの引き裂きをもたらすリスクは大きい。さらに、バリア層と共にできるだけ数少ない欠陥が層スタックに導入され、バリア層の製造が極端に多くの時間は要さないことが望ましい。バリア層は、典型的には、一時間当たりおよそ３０ｎｍでしか成長しない。３０ｎｍ厚というバリア層は、その下に位置する、シード層の結晶粒界を確かに覆い、それにより、その結晶粒界に沿っては、その経路に沿って金属汚染物または半導体汚染物が基板から機能層に拡散し得る経路が形成されないことを確保する。
【００４０】
バリア層が、ぺロブスカイト構造を有すると有利である。たいていの高温超伝導機能層、特にＹＢＣＯは、同じくぺロブスカイト構造を有するということによって、その場合、シード層からグラフォエピタキシャルに受け継がれた結晶方位の、機能層への最適な写し取りが保証されている。バリア層の材料としては、特に、ＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３およびＮｄＧａＯ３が適している。
【００４１】
本発明の枠内では、その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も開発された。その際、高温超伝導層（機能層）が、その表面上に付着される結果、高温超伝導層は、ステップエッジの両側へと延在することになる。この方法は、特に、本発明による素子を製造するために適している。それゆえ、本発明による素子に関して与えられた開示は、適した変更により、明確に本方法にも当てはまる。
【００４２】
本発明によると、基板は集合組織化される、および／または集合組織化されたバッファ層が基板上に付着される。続いて、高温超伝導層（機能層）が、グラフォエピタキシーの過程で付着されるため、その高温超伝導層は、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、そのａ軸および／またはｂ軸は、集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向される。
【００４３】
まさにグラフォエピタキシーにより、ａ軸および／またはｂ軸が、結晶粒界に対して均質に垂直に配向されている層成長が達成され得ることが認識された。グラフォエピタキシーは、まずは、その配向が基板の結晶構造からはしばしば独立している島が、集合組織化の縁部と角において形成されることで始まる。集合組織化は、これらの島が、どこでどの順序で形成されるかには依存せずに統一的に配向されるように作用する。島が、一層に完全化されると、個々の島の短範囲規則性から、層の長範囲規則性が形成される。この集団長範囲規則性は、はじめは誤って成長した島も、さらには配向されずに成長した島も含む。
【００４４】
ＹＢＣＯ、および層状の結晶構造を有する別の酸化物高温超伝導体（ＨＴＳＬ）の成長時には、成長動力学、および表面でのエネルギー状態が、（１００）、（０１０）および（００１）配向された表面を有する島（小板）の形成を促進する。これらの島の［１００］軸および［０１０］軸は、ＨＴＳＬが付着される表面の縁部、隆起部、または陥凹部に合わせて配向する。ステップエッジに対して垂直に配向されたそのようなフィーチャを含む集合組織化が、基板に、または基板とＨＴＳＬとの間に付着されたバッファ層に導入されると、まずは島が、そして後には層全体のａ軸および／またはｂ軸が、ステップエッジに向かって、それゆえ結晶粒界に向かって配向され得る。
【００４５】
例えば、ＹＢＣＯを、ＭｇＯまたはＹＳＺに付着させることができる。ＹＢＣＯの、ＭｇＯないしはＹＳＺに対する格子不整合は、９％ないしは４％である。格子不整合が大きくなれば大きくなるほど、成長するＨＴＳＬ層の表面エネルギーは大きくなる。その結果、エネルギー最小値には相応しない表面形状が、その最小値と比べて有する位置エネルギーも上昇する。この位置エネルギーは、他方、再配向の推進力である。その結果、格子不整合がより大きい場合には、単結晶成長を達成することは難しくなるが、グラフォエピタキシーを利用して成長することは容易になる。
【００４６】
シード層およびバリア層を含む形態に相応する、本発明による素子を製造するためには、工程段階の、異なる順序を特徴とする別法が開発された。この方法のはじめには、基板を集合組織化する。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ため、このシード層は、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、そのａ軸および／またはｂ軸は、集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向される。その結果、シード層は、ほかならぬ、機能層が最後に獲得するべきである結晶方位をすでに獲得する。
【００４７】
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を、シード層にエピタキシャルに付着させることにより、シード層の結晶方位がバリア層に写し取られる。続いて、高温超伝導機能層もまた、バリア層にエピタキシャルに付着させることにより、同じ結晶方位が、最終的な機能層に写し取られる。
【００４８】
したがって、結果的には機能層も、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、そのａ軸および／またはｂ軸は、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されている。この配向の起源は、結局のところ、基板の集合組織化であるが、その配向は、シード層およびバリア層によって仲介される。
【００４９】
本発明の特に有利な一形態では、高温超伝導層（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層（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、高温超伝導層（機能層）またはシード層のｃ軸の配向が、基板の配向から切り離される。その際、アンチエピタキシャルバッファ層自身は、集合組織化されてもよい。しかしながら、アンチエピタキシャルバッファ層は、基板と集合組織化されたバッファ層との間、または集合組織化されたバッファ層とＨＴＳＬ層（機能層）ないしはシード層との間に付着されてもよい。ＨＴＳＬ層（機能層）ないしはシード層のｃ軸が、基板の配向から切り離されると、その配向は、ＨＴＳＬ層ないしはシード層自身のエネルギー状態にのみ従う。それに応じて、層平面に対して垂直な、ｃ軸の配向が好ましい。
【００５０】
別法は、アンチエピタキシャルバッファ層は省略するが、集合組織化ないしは集合組織化層、および場合によってはバリア層を引き続き使用することである。アンチエピタキシャルバッファ層がないと、ＨＴＳＬ層（機能層）ないしはシード層のｃ軸は、基板の結晶構造に基づく。ＨＴＳＬ層（機能層）ないしはシード層としてのＹＢＣＯを伴うＭｇＯ基板の例では、ｃ軸の、二つの好ましい配向、すなわち０度（「ｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅ」）および４５度、が存在する。ステップが、基板の平坦領域に対して１９度よりも急な角度で推移すると、ステップの領域では４５度配向が、そして平坦領域では０度配向が形成される。それに応じて、平坦領域間のステップの移行部ではそれぞれ、そこでは機能層の結晶配向がそれぞれ角度θ＝４５度だけ変わる結晶粒界が形成される。ＨＴＳＬ層（機能層）の汚染を軽減ないしは回避するためには、シード層上のバリア層が、この場合も引き続き望ましい。本形態で生じる、それぞれθ＝４５度の、結晶配向の角度変化を伴う二つの結晶粒界（弱結合）を有するジョセフソン接合は、より少ない機械的応力および小角度の結晶粒界を有すため、有利なことには、たった一つの結晶限界から形成されたジョセフソン接合と比べてわずかな内部雑音を提供できる。そのためには、ステップは、有利なことには、曲線状（滑り台形状）に推移するのではなく、基板の平坦領域に向かう、その上方および下方移行部において、それぞれ一つのエッジを有することが望ましい。このことは、ＴＨｚ波の検出器および発生器の製造、ならびにそのようなジョセフソン接合に基づくＳＱＵＩＤｓの製造にも該当する。
【００５１】
エッジの製造には二つの異なる方法がある。それぞれの場合にドライエッチングし、基板の部分領域に付着させたフォトレジスト層をマスクとして使用する。
【００５２】
第一の方法では、基板とフォトレジスト層のエッジとの間に閉じ込められた角に、ドライエッチング用のイオンビームを照射する。次いで、ステップエッジの角度は、エッチング時間により定められる。この方法は、鋭利なエッジがステップの上縁部に生じ、ステップがそのほかは滑り台形状に滑らかに推移するべきである場合に、特に有利である。
【００５３】
第二の方法では、フォトレジスト層の上部エッジを越えて基板表面に、ドライエッチング用のイオンビームを照射する。その場合、ステップエッジの角度は、イオンビームが基板表面と取り囲む角度によって定められる。その結果、角度はより良好に制御可能である。この方法は、結晶配向間の角度θが同じである二つの結晶粒界が生み出されるべきである場合に有利である。
【００５４】
以下では、本発明の対象を、図面を手がかりに説明するが、それによって本発明の対象を制限することはない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】二層のバッファ層を有する本発明による素子の例示的実施形態を示す。
【図２】一層のみのバッファ層を有する本発明による素子の例示的実施形態を示す。
【図３】集合組織化された基板のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）画像を示す。
【図４】集合組織化されたＭｇＯ基板上に付着された、ＭｇＣＯ３からなるアンチエピタキシャルバッファ層上のＹＢＣＯ層のＡＦＭ画像を示す。
【図５】厚すぎるアンチエピタキシャルバッファ層上で成長させたＹＢＣＯ層の電子顕微鏡写真を示す。
【図６】図５と比べて薄いアンチエピタキシャルバッファ層上で成長させたＹＢＣＯ層の電子顕微鏡写真を示す。
【図７】バリア層およびシード層を有する本発明による素子の例示的実施形態を図解で示す。
【図８】図７でスケッチされた例示的実施形態の電子顕微鏡による横断面写真を示す。
【図９】本発明による二つの素子、（ａ）バリア層とシード層とを含まない素子および（ｂ）バリア層とシード層とを含む素子、の機能層の電子顕微鏡による上面図を示す。
【図１０】集合組織化およびＹＢＣＯシード層およびＳｒＴｉＯ３バリア層を有するが、アンチエピタキシャルバッファ層は伴わずに、ＭｇＯ基板の４５度ステップ上で成長させたＹＢＣＯ層の電子顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図１は、本発明による素子の一例示的実施形態を示す。イオンビームエッチングにより精製した表面を有する、ＭｇＯからなる基板１．１上には集合組織化された、およそ１０ｎｍ厚の、ホモエピタキシャルＭｇＯバッファ層１．２が存在する。基板の精製により、その表面から非晶質層を除去した。これによりホモエピタキシャル成長が可能になる。バッファ層１．２の粗い島構造により、自動的に集合組織化が与えられている。ホモエピタキシャルバッファ層１．２上には、ＭｇＣＯ３からなるおよそ０．５ｎｍ厚のアンチエピタキシャルバッファ層１．３が存在する。この層が、その上に付着されたおよそ１５０ｎｍ厚のＹＢＣＯ層（機能層）１．４のｃ軸の配向を、基板１．１の作用から切り離す。それゆえ、ｃ軸は、ＹＢＣＯ層１．４の表面上においてどこでも垂直である。同時に、ａ軸およびｂ軸は、ホモエピタキシャルＭｇＯ層の長方形の島構造（集合組織化）に配向している。非晶質のＭｇＣＯ３バッファ層は、様々な蒸着法を用いて製造することが可能である。例えば、ＭｇＣＯ３は、ＣＯ２プラズマ中、または例えばアセトンのような有機液体中で、ＭｇＯを短時間、化学反応させることにより形成され得る。しかしながら、自然の過程によって、ＭｇＯ表面を空気に曝露することにより成長させることも可能である。ＭｇＣＯ３の代わりに、０．５ｎｍ〜１ｎｍ厚のＣｅＯ２層もアンチエピタキシャルバッファ層として使用できる。
【００５７】
基板１．１は、鋭利なステップエッジを有する。このステップエッジが、ＹＢＣＯ層１．４に結晶粒界１．５を形成させる。この結晶粒界が、ジョセフソン接合の弱結合を形成する。ステップエッジは、基板１．１の平坦表面領域を、曲線状延在領域から分離し、他方でこの曲線状延在領域は、もう一つの平坦領域へと移行する。その際、曲率半径はそれぞれ十分に大きいため、ＹＢＣＯ層（機能層）１．４がさらなる結晶粒界を形成することはない。
【００５８】
バッファ層１．２の集合組織化は、基板１．１のステップエッジに対して垂直な優先方向を有する。それに応じて、ＹＢＣＯ層１．４のａ軸および／またはｂ軸は、ステップエッジの両側において、それぞれ、結晶粒界１．５に対して垂直に配向している。その結果、常伝導状態での最大抵抗Ｒｎを有する最大超伝導電流Ｉｃが、結晶粒界１．５を通って輸送され得る。
【００５９】
層から具体的な素子を形成する、ＹＢＣＯ層１．４の層平面内での横方向構造化は、図１中には表示されていない。
【００６０】
図２は、本発明による素子のさらなる一例示的実施形態を示す。基板２．１上には、同時に集合組織化されているアンチエピタキシャル層２．２が付着されている。したがって、このアンチエピタキシャル層が、その上に付着されたＹＢＣＯ層（機能層）２．３のｃ軸の配向を、基板２．１の作用から切り離す一方で、その集合組織化は、同時に、ＹＢＣＯ層２．３のａ軸を結晶粒界２．４の方向に配向させる。結晶粒界２．４が生じる原因は、基板２．１中のステップエッジである。層から具体的な素子を形成する、ＹＢＣＯ層（機能層）２．３の層平面内での横方向構造化は、図２中には表示されていない。
【００６１】
図３は、集合組織化された基板のＡＦＭ画像を示す。部分図ａは、凹凸像であり、部分図ｂは、それによると凹凸フィーチャが高度に忠実ではないがその代わりに明確に際立つ相信号を示す。部分図ｃは、ステップエッジのすぐ近くで、凹凸像から読み取られたラインスキャンである。
【００６２】
図３ｃのラインスキャン中では、点１〜４が標識されている。以下の表は、対角線の上方では、ある点から別の点までの横方向の距離を示し、対角線の下方では、ある点から別の点までの高度差を示す。
【００６３】
【表１】
2015514322.tif 000003
図４は、集合組織化されたＭｇＯ基板上で成長させた、ＭｇＣＯ３からなるアンチエピタキシャルバッファ層上で成長させたＹＢＣＯ層（機能層）のＡＦＭ画像を示す。このＹＢＣＯ層から、定められた寸法、それゆえ定められたＩｃも有するジョセフソン接合を生み出す、適した横方向構造化により、ジョセフソン接合を含む素子を製作することができる。部分図ａは、凹凸像を示し、部分図ｂは、相信号を示す。部分図ｃは、凹凸像から読み取られたラインスキャンである。ステップエッジは、部分図ａおよびｂにおいて、対角線状に左上から右下に延在する。
【００６４】
相画像ｂは、ＹＢＣＯの結晶構造がステップエッジにおいて激しく変化することを明確に示す。図中左下側、ステップエッジの上方平坦部では、ＹＢＣＯは、およそ長方形状に境界をなす螺旋構造内で成長し、ただし、長方形の一辺はそれぞれ、ステップエッジに対して垂直に、それゆえ両方の異なる結晶配向間の結晶粒界に向かって配向している。ステップエッジの向こう側、図中右上側では、ＹＢＣＯは、長方形状に境界をなす島からなるより粗い構造内で成長し、その島においては、再び、一辺がステップエッジに対して直角に配向している。
【００６５】
図４ｃのラインスキャン中では、点１〜４が標識されている。以下の表は、対角線の上方では、ある点から別の点までの横方向の距離を示し、対角線の下方では、ある点から別の点までの高度差を示す。
【００６６】
【表２】
2015514322.tif 000004
図５は、本発明による素子を製造するための、失敗に終わった実験の走査型電子顕微鏡写真である。この写真は、およそ１０ｎｍ厚の、ＭｇＣＯ３からなるアンチエピタキシャルバッファ層上に成長させ、まだ横方向構造化されていなかったＹＢＣＯ層の表面を示す。他方、このアンチエピタキシャルバッファ層は、集合組織化された、ステップエッジを有するＭｇＯ基板上に成長させた。ステップエッジは、図の中央において、上から下に向かって垂直に延在する。
【００６７】
ＹＢＣＯは、およそ長方形状の底面を有する、テラス状の粒子の形態で成長した。粒子は、ＹＢＣＯのｃ軸に沿って上向きに成長している。この軸は、図平面に対して明らかに垂直に立っているため、アンチエピタキシャルバッファ層は、層平面へとｃ軸の向きを変えようと努めている基板の作用から、ｃ軸の配向を切り離すことに成功した。それぞれの粒子の底面の辺は、ＹＢＣＯのａ結晶軸およびｂ結晶軸である。ほぼすべての視認可能な粒子では、ａ結晶軸およびｂ結晶軸が、ステップエッジと４５°の角度を形成している。これは、まさに、ステップエッジの両側にあるジョセフソン接合の両電極間で最小超伝導電流しか輸送され得ない角度である。本発明者は、これを、アンチエピタキシャルバッファ層が厚すぎたということに起因するものとする。このアンチエピタキシャルバッファ層は、ＹＢＣＯ層のｃ軸の配向を基板から切り離したのみならず、ＹＢＣＯ層を、基板に導入された集合組織化からあまりに著しく遮蔽したため、この集合組織化は、もはやＹＢＣＯのａ軸およびｂ軸を配向させることができなかった。
【００６８】
図６は、製造に成功した、具体的な素子へと横方向構造化する前の、本発明によるＹＢＣＯ層（機能層）からなる同等の部分図を示す。図５に比べて、アンチエピタキシャルバッファ層の厚さを、０．５ｎｍに低下させた。このことは、ほぼ大部分の粒子のａ軸が、図の中央で上から下に向かって延在するステップエッジに対して垂直であることをもたらした。その結果、ステップエッジを介して、それゆえさらにはジョセフソン接合を介して、最大超伝導電流が輸送され得る。同時に、アンチエピタキシャルバッファ層は、相変わらずｃ軸の配向を、基板の作用から切り離した。ｃ軸の配向は、図５と比べて変化していない。
【００６９】
図７は、バリア層およびシード層を有する本発明による素子の例示的実施形態を図解で示す。集合組織化されたＭｇＯ基板７．１上には、まず１０ｎｍ厚のＹＢＣＯシード層７．２が付着されており、その結晶方位は、基板７．１の集合組織化に対するグラフォエピタキシーにより、すでに、後の機能層７．４に望まれるのと同様に配向されている。シード層７．２上には、３０ｎｍ厚のＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）バリア層７．３がエピタキシャルに成長し、この層は、シード層７．２の配向を受け継ぐ。その上に成長した機能層７．４は、これもまた、バリア層７．３の配向を、それゆえシード層７．２の配向を受け継ぐ。それゆえ、機能層７．４は、基板７．１上に直接成長させたかのように配向している。シード層７．２が、基板７．１上に成長する際に、基板の両方のステップエッジにおいてそれぞれ一つの結晶粒界を形成したことにより、バリア層７．３および最終的には機能層７．４においてもこうした位置でそれぞれ一つの結晶粒界７．５が形成された。同時に、機能層７．４は、バリア層７．３によって、基板７．１からのマグネシウムの侵入から保護されている。
【００７０】
図８は、図７でスケッチされた例示的実施形態の透過型電子顕微鏡による横断面写真を二つの異なる倍率で示す（部分図ａおよびｂ）。図７で示した基板７．１中のステップエッジのうち、右側のステップエッジ周辺の領域のみを示している。図８ｂに表示されている角度θは、結晶粒界での結晶配向の傾きを明確にし、この結晶粒界は、基板中のステップによってもたらされ、層スタックのすべての層を通って延びている。ＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）バリア層は、結晶粒界において局所的に狭窄を示す。それゆえ、この狭窄を、実質的にさらに細めると、必ず、結晶粒界において、マグネシウムが、ＳＴＯ層上に位置するＹＢＣＯ機能層へと拡散し得る経路が、場合によっては生成するであろう。
【００７１】
図９は、本発明による二つの素子、（ａ）バリア層とシード層を含まない素子および（ｂ）バリア層とシード層を含む素子、の機能層の電子顕微鏡による上面図を示す。バリア層およびシード層を含む素子の場合、少しの欠陥しか視認できない。バリア層およびシード層を含まない素子の場合、基板から拡散したマグネシウムとの化学反応が、多数の孔により機能層を侵食した。積ＪｃｘＲｎは、バリア層およびシード層を含まない素子に関しては、機能層中の多数の可能な電流経路が、孔によって中断されているにもかかわらず、７７Ｋにおいて３００μＶと、従来技術に比べてすでに明らかに改善されている。バリア層およびシード層により、積ＪｃｘＲｎが、７７Ｋにおいておよそ１ｍＶに上昇する。類似して、バリア層およびシード層を含む素子の臨界温度Ｔｃは、バリア層およびシード層を含まない素子よりもおよそ１０Ｋだけ高い。
【００７２】
図１０は、集合組織化およびＹＢＣＯシード層およびＳｒＴｉＯ３バリア層を有するが、アンチエピタキシャルバッファ層は伴わずに、基板の二つの平坦領域を分離する一つの４５度ステップを有するＭｇＯ基板上で成長させたＹＢＣＯ層の電子顕微鏡写真を示す。層が、ステップの右側および左側の平坦領域中では、基板の第一の配向［００１］をとり、ステップの領域では第二の配向［０１１］をとることにより、ステップの、平坦領域に向かう両移行部ともにおいて、二つの結晶粒界が形成され、それらの結晶粒界では、ＹＢＣＯ機能層の結晶配向が、それぞれ同一角度θ＝４５°だけ変化する。バリア層およびシード層を伴わずに製造された機能層の、同様な上面図を示す図６に比べると、さらに高い割合の粒子が、そのａ軸により、図の中央で上から下に向かって延在するステップエッジに対して垂直に配向しており、より少ないＹ２ＢａＣｕＯ相（緑色相（Ｇｒｕｅｎｅｐｈａｓｅ））が形成されている。図１０は、できるだけ多数の粒子を識別可能にするために、明るさが異なる領域において、異なるコントラスト強調をした。ＹＢＣＯ層は、ＭｇＯ基板の［００１］配向に対して、二つの配向、すなわち平坦領域における０度およびステップ上での４５度を有する。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ）】
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【図９ｂ）】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年12月12日(2013.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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する素子において、ステップエッジの両側において、高温超伝導機能層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、基板の集合組織化、および／または少なくとも一つの、基板と高温超伝導機能層との間に配置されたバッファ層の集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されており、集合組織化が、平均高度ないしは平均深度が１ｎｍから１０ｎｍの間にある、好ましくは１ｎｍから５ｎｍの間にある隆起部および／または陥凹部を含むことを特徴とする前記素子。
【請求項２】
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する素子において、高温超伝導機能層が、集合組織化された基板上、および／または基板と高温超伝導機能層との間に配置された集合組織化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、かつ、集合組織化により、ステップエッジの両側において、高温超伝導機能層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されていることを特徴とする前記素子。
【請求項３】
基板およびそのバッファ層の集合組織化の配向が、基板およびバッファ層の結晶構造により定められた配向とは異なることを特徴とする請求項１または２に記載の素子。
【請求項４】
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１〜３のいずれか一つに記載の素子。
【請求項５】
アンチエピタキシャルバッファ層が１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、特に好ましくは０．５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項４に記載の素子。
【請求項６】
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約数よりも、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４〜５のいずれか一つに記載の素子。
【請求項７】
アンチエピタキシャルバッファ層が集合組織化されていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一つに記載の素子。
【請求項８】
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、もう一つの集合組織化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４〜７のいずれか一つに記載の素子。
【請求項９】
集合組織化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１〜８のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１０】
集合組織化されたバッファ層が、少なくとも２０％、好ましくは少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも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８に記載の素子。
【請求項１１】
集合組織化されたバッファ層が、１０ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、特に好ましくは０．５ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１２】
集合組織化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８〜１１のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１３】
集合組織化が、平均高度ないしは平均深度が１ｎｍから１０ｎｍの間にある、好ましくは１ｎｍから５ｎｍの間にある隆起部および／または陥凹部を含むことを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１４】
ステップエッジにおける基板の曲率半径が、１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下、特に好ましくは１ｎｍ以下であ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。
【請求項１５】
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１〜１４のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１６】
曲線状領域の曲率半径が、１０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上、特に好ましくは１μｍ以上であることを特徴とする、請求項１５に記載の素子。
【請求項１７】
ステップが、第一の配向を有する、基板の二つの平坦領域を分離し、これらの平坦領域に対して、その上の高温超伝導機能層が、異なっているが、ステップの領域にある一定の、基板の結晶配向をとるように傾いていることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１８】
基板の表面が、ステップエッジにおいて、２０°から６０°の間、好ましくは３０°から５０°の間、特に好ましくは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１〜１７のいずれか一つに記載の素子。
【請求項１９】
集合組織化が長方形状または線状であることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一つに記載の素子。
【請求項２０】
基板が集合組織化されており、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もう一つのシード層が配置されており、集合組織化により、ステップエッジの両側において、シード層の平面内のａおよび／またはｂ結晶軸が、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されており、シード層と高温超伝導機能層との間には、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いることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか一つに記載の素子。
【請求項２１】
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２０に記載の素子。
【請求項２２】
シード層が、最大限５０ｎｍ、好ましくは５から２０ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする、請求項２０〜２１のいずれか一つに記載の素子。
【請求項２３】
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２０〜２２のいずれか一つに記載の素子。
【請求項２４】
バリア層が、１ｎｍから１μｍの間、好ましくは１０ｎｍから１００ｎｍの間、特に好ましくは２０ｎｍから４０ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする、請求項２０〜２３のいずれか一つに記載の素子。
【請求項２５】
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２０〜２４のいずれか一つに記載の素子。
【請求項２６】
請求項１〜２５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。
【請求項２７】
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、高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、高温超伝導機能層が、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、基板が集合組織化される、および／または集合組織化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ため、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、そのａ軸および／またはｂ軸が、集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向されることを特徴とする方法。
【請求項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、高温超伝導機能層が、その表面上に付着される結果、高温超伝導機能層が、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：
・基板を集合組織化する工程；
・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ため、シード層が、ステップエッジにおいて結晶粒界を形成し、そのａ軸および／またはｂ軸は、集合組織化により、最大偏差１０°で、結晶粒界に対して垂直に配向される工程；
・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。
【請求項２９】
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、基板の配向から切り離されることを特徴とする、請求項２７〜２８のいずれか一つに記載の方法。
【国際調査報告】
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