专利汇可以提供Superconducting element having magneto-resistance effect and manufacture thereof专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PURPOSE: To obtain a superconducting element having a magneto-resistance effect, which can increase a signal-to-noise ratio, by alternately arranging in a row on a substrate superconducting portions, having a large critical current density, and weak connecting portions, having a small critical current density.
CONSTITUTION: A Si thin film 11 is deposited on a SrTiO
3 substrate 10, and is processed by a dry etching technique, so that there are produced fine patterns. When the substrate is maintained at a temperature of 650 degrees Centigrade, and a Y
1 Ba
2 Cu
3 O
7-x (thin film (a superconducting thin film) 13 is deposited on the substrate by controlling in such a manner that the composition ratio of this thin film can be Y:Ba
2 :Cu=1:2:3. Next, the superconducting thin film 13 is fully oxidized by decreasing the temperature of the sub strate to 500 degrees Centigrade. By causing Si elements to be diffused from a Si thin film 12, parts of the super-conducting thin film which are laid on the Si thin film 11 become weak connecting portions 13b, and the other parts become superconducting portions 13a. Accordingly, a superconducting element having a magneto-resistance effect is provided with the superconducting portions and weak connecting portions alternately arranged in a row, and hence it is possible to increase a signal-to-noise ratio because of the existence of a plurality of the weak connecting portions.
COPYRIGHT: (C)1993,JPO&Japio,下面是Superconducting element having magneto-resistance effect and manufacture thereof专利的具体信息内容。
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、超電導磁気抵抗効果素子およびその製造方法に関し、より詳しくは、粒子間に弱結合状態を有する超電導材料によって構成される超電導磁気抵抗効果素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の超電導磁気抵抗効果素子としては、図8に示すようなものがある。 この超電導磁気抵抗効果素子は、粒子間に弱結合状態を有するY 1 Ba
2 Cu 2 O 7- xからなる超電導体(弱結合部)101と、その両側に設けられた電極102,103からなっている。
超電導体101は、原料微粉末を分散混合して900℃
で仮焼成を行い、さらに粉砕、分散した後、プレス機で薄板状に成型し、1000℃で本焼成して作製されている。 この超電導磁気抵抗効果素子は、図7に示すように、極めて弱い磁界B(数ガウス)で弱結合の超電導状態が破れて電気抵抗Rが現れ、電気抵抗Rが印加磁界Bの強さとともに急激に増加する。 したがって、半導体からなる磁気抵抗効果素子に比して、弱い磁界で高い感度を示すことができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の超電導磁気抵抗効果素子は、超電導体(弱結合部)1
01内にジョセフソン素子に相当するものが無秩序に配列されているためノイズが大きくなり、SN(シグナル/ノイズ)比を高めることができないという問題がある。 例えば、臨界電流密度が大きい超電導体(測定対象となる磁界の強さでは電気抵抗ゼロを維持する)の中に、臨界電流密度が小さい弱結合部を複数設けた場合、
SN比が大きくなって超電導磁気抵抗効果素子の感度が向上する。 しかしながら、上記従来の超電導磁気抵抗効果素子は、焼成によって弱結合部101が作製されているため、加工が困難であり、弱結合部101を規則的に配列することができない。 このため、SN比を高めることができない。
【0004】そこで、この発明の目的は、SN比を高めることができる超電導磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明の超電導磁気抵抗効果素子は、基板上に、
臨界電流密度が大きい超電導部と臨界電流密度が小さい弱結合部とが交互に複数連ねて設けられていることを特徴としている。
【0006】また、上記弱結合部は、上記超電導部と同一組成を有する超電導薄膜に所定の元素をドープして構成されているのが望ましい。
【0007】また、上記超電導部は所定の組成と結晶配向方向とを有する超電導薄膜からなり、上記弱結合部は上記超電導部と同一組成を有し結晶配向方向が異なる超電導薄膜からなるのが望ましい。
【0008】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板上に半導体膜または金属膜を複数箇所に離間させて設ける工程と、上記基板上に超電導薄膜を全面に設け、この超電導薄膜を上記複数の半導体膜または金属膜上を通るライン状のパターンに加工する工程と、上記各膜を設けた基板を熱処理して、上記半導体膜または金属膜を構成する元素を上記超電導薄膜に拡散させる工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記半導体膜または金属膜上の部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしたことを特徴としている。
【0009】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板上に超電導薄膜を全面に設け、この超電導薄膜をライン状のパターンに加工する工程と、フォトリソグラフィを行って、レジストを上記超電導薄膜上の複数箇所に離間させて設ける工程と、上記レジストをマスクとして上記超電導薄膜に所定の元素をイオン注入する工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記レジストの隙間に相当する部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしたことを特徴としている。
【0010】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板表面に、形成すべき超電導薄膜の結晶配向方向を変えることができる下地膜を複数箇所に離間させて設ける工程と、上記基板上に超電導薄膜を全面に設け、この超電導薄膜を上記複数の下地膜上を通るライン状のパターンに加工する工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記基板上または下地膜上の部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしたことを特徴としている。
【0011】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、第一の結晶面と、この第一の結晶面に交差し、形成すべき超電導薄膜の結晶配向方向を変えることができる第二の結晶面とが交互に複数連なり階段状をなしている基板表面に、超電導薄膜を全面に設ける工程と、上記超電導薄膜を上記第一の結晶面と第二の結晶面とがなす複数の段差を通るライン状のパターンに加工する工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記第一の結晶面または第二の結晶面に接する部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしたことを特徴としている。
【0012】
【作用】この発明の超電導磁気抵抗効果素子は、基板上に臨界電流密度が大きい超電導部と臨界電流密度が小さい弱結合部とが交互に複数連ねて設けられている。 すなわち、弱結合部を複数有している。 したがって、SN比が大きくなって感度が向上する。
【0013】また、上記弱結合部が超電導部と同一組成を有する超電導薄膜に所定の元素をドープして構成されている場合、上記超電導部と弱結合部とは、同一組成の超電導薄膜を用いて、連結された状態に簡単に形成される。 上記元素をドープするためには、上記元素を含む半導体膜または金属膜に上記超電導薄膜を接触させて設け、熱処理を行って上記元素を拡散させれば良い。 または、上記超電導薄膜上に所定のパターンでレジストを設け、上記元素をイオン注入すれば良い。
【0014】また、上記超電導部は所定の組成と結晶配向方向を有する超電導薄膜からなり、上記弱結合部は上記超電導部と同一組成を有し結晶配向方向が異なる超電導薄膜からなる場合、同一組成の超電導薄膜を基板上の異なる面に形成することによって、上記超電導部と弱結合部とが連結された状態に簡単に形成される。 上記異なる面は、基板表面と、この基板表面に設けられ上記超電導薄膜の結晶配向方向を変えることができる下地膜表面とを選べば良い。 または、基板表面が、第一の結晶面と、この第一の結晶面に交差し、上記超電導薄膜の結晶配向方向を変えることができる第二の結晶面とが交互に複数連なり階段状をなしているものを選べば良い。
【0015】
【実施例】以下、この発明の超電導磁気抵抗効果素子およびその製造方法を実施例により詳細に説明する。
【0016】図1は、この発明の第1実施例の超電導磁気抵抗効果素子の構造を示している。 この超電導磁気抵抗効果素子は、基板10上に、臨界電流密度が大きい超電導部13aと臨界電流密度が小さい弱結合部13bとを交互に複数連ねて構成されている。
【0017】この超電導磁気抵抗効果素子は次のようにして作製される。 まず、図2(a)に示すように、SrTi
O 3 (100)基板10上に、電子ビーム蒸着法により、
厚さ1000ÅのSi薄膜11を蒸着し、このSi薄膜1
1を通常のフォトリソグラフィとドライエッチングにより、幅1μm、線間隔5μmの微細パターンに加工する
(なお、図2は図1におけるII−II線矢視断面を示している。)。 次に、基板10をチャンバ内に設置し、
基板温度を650℃に保持して、図2(b)に示すように、反応性蒸着法により、この上に厚さ1000ÅのY
1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜(超電導薄膜)13を組成比がY:B
a:Cu=1:2:3となるように制御して蒸着する。 このとき、超電導薄膜13が充分に酸化されるように、基板10付近にオゾンを重量比で10%含んだ酸素ガスを導入し、RF(高周波)プラズマを発生させながら蒸着を施す。 なお、ポンプ付近の真空度は2×10 -4 Torrであった。 次に、基板温度を一旦500℃に下げてチャンバ内に酸素を圧力が300Torrになるように導入する。
この状態を1時間保持して、超電導薄膜13を充分に酸化させる。 これにより、超電導薄膜13にSi薄膜12
からSi元素を拡散(ドープ)させて、超電導薄膜13のうちSi薄膜11上の部分を弱結合部13bとする一方、
超電導薄膜13のうち残りの部分を超電導部13aとする。 なお、超電導薄膜13の下のSi薄膜11も同時に酸化され、絶縁性のあるSiO 2薄膜12になる。 基板1
0を自然冷却させた後、チャンバから取り出し、フォトリソグラフィとドライエッチングを行う。 そして、図2
(c)に示すように、超電導薄膜13を複数のSiO 2薄膜12上を通る幅5μm、線間隔5μmのライン状パターン
(ミアンダパターン)に加工する。 これにより、幅5μ
m、長さ1μmの弱結合部13bを5μm間隔で形成できる。
【0018】実際に、X線回折とSEM観察を行ったところ、上記Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜13のうちSrTiO
3 (100)基板11上に形成された部分(超電導部)13a
は、粒界のない完全な単結晶薄膜になっていた。 臨界温度は90K、臨界電流密度は3×10 6 A/cm 2 (T=7
7K)であった。 また、測定温度77K、印加電流20m
Aで1000ガウスまでの磁場印加を行ったところ、抵抗温度特性の磁場によるブロードニングは全く起こらなかった。 一方、上記Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜13のうちS
i薄膜11上に形成された部分(弱結合部)13bは、Si
ないしはSiO 2の拡散により、超電導部13aよりも弱結合状態になっており、臨界温度は80K、臨界電流密度は1×10 3 A/cm 2 (T=77K)であった。 また、測定温度77K、印加電流20mAで100ガウスまでの磁場印加で、抵抗温度特性の磁場によるブロードニングが見られ、弱磁場でも超電導性が壊れることがわかった。
【0019】図3は、この素子の磁気抵抗特性を示している。 磁気感度測定を行った結果、測定温度77K、印加電流20mAで磁電変換率(シグナル)は100mV/g
auss、雑音特性(ノイズ)は20nV/√Hz[at 1
00Hz]、磁気検出感度(S/N比)は2×10 -8 gauss
/√Hz[at 100Hz]となった。 このようにS/N比を高めることができた。
【0020】なお、この例では基板11の材料としてS
rTiO 3 (100)を用いたが、SrTiO 3 (110)、Mg
O(100)、YSZ(100)などを用いていも同様の結果が得られる。 また、超電導薄膜13にドープする元素として、この例ではSiを用いたが、Al、Fe等を用いても同様な結果が得られる。
【0021】図4は第2実施例の超電導磁気抵抗効果素子の作製工程を示している。 同図(a)に示すように、Sr
TiO 3 (100)基板40上に、反応性蒸着法により、Y
1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜(超電導薄膜)41を全面に設け、この超電導薄膜41を幅5μm、線間隔5μmのミアンダパターンに加工する。 次に、同図(b)に示すように、フォトリソグラフィを行って、幅5μm、レジスト間隔1μm
のレジスト42を超電導薄膜41に交差するように形成する。 次に、基板40をチャンバ内に設置し、基板温度を200℃に保持する。 この状態で、イオンビーム銃を用いて、レジスト42をマスクとして超電導薄膜41のうちレジスト42の隙間に相当する部分に窒素イオン4
3を注入(ドープ)する。 これにより、超電導薄膜41のうちレジスト42の隙間に相当する部分を弱結合部41
bとする一方、超電導薄膜41のうち残りの部分を超電導部41aとする。 その後、レジストを剥離する。 これにより、第1実施例と同様に、幅5μm、長さ1μmの弱結合部41bを5μm間隔で形成できる。 磁気検出感度
(S/N比)を測定したところ、上に述べた第1実施例の超電導磁気抵抗素子と同様の結果が得られた。
【0022】なお、この例では、超電導薄膜41にドープする材料として窒素を用いたが、Ar、H 2 、Cl 2でも同様の結果が得られた。
【0023】上記第1実施例、第2実施例の超電導磁気抵抗効果素子では、超電導薄膜13,41にSi、窒素などの元素をドープして弱結合部13b,41bを作製したが、超電導体の電気的異方性を利用することによっても弱結合部を作製することができる。 Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x系等の結晶構造においては、c軸方向とab面内とでは、c軸方向の方が臨界電流密度が100倍ほど大きい。 よって、同一組成の超電導薄膜にc軸配向の部分とa軸配向の部分とを交互に設けることにより、超電導部と弱結合部とを交互に複数連ねることができる。 次に、このようにした例について述べる。
【0024】図5は、第3実施例の超電導磁気抵抗効果素子の構造を示している。 この超電導磁気抵抗効果素子を作製する場合、まず、SrTiO 3 (100)基板50上に、下地膜としてLaSrGaO 4 (100)薄膜51を蒸着し、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、幅1μm、線間隔5μmにパターン化する。 次に、その上に、反応性蒸着法により、Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜(超電導薄膜)52を全面に蒸着し、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを行って、上記複数のLaSrGaO 4
(100)薄膜51に交差するミアンダパターンに加工する。 このとき、Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜52のうちLaSr
GaO 4 (100)薄膜51上の部分52bはa軸配向する一方、Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜52のうちSrTiO 3 (10
0)基板上の部分52aはc軸配向する。 したがって、超電導薄膜52を超電導部52aと弱結合部52bとが交互に複数連なる状態に構成することができる。 これにより、第1実施例、第2実施例と同様に、幅5μm、長さ1μmの弱結合部52bを5μm間隔で形成できる。 この素子の磁気検出感度を測定したところ、第1実施例、第2実施例の超電導磁気抵抗効果素子と同様の結果が得られた。
【0025】図6は、第4実施例の超電導磁気抵抗効果素子の構造を示している。 この例では、同一基板60の異なる結晶面60a,60bに超電導薄膜62を設けることにより、超電導薄膜62にc軸配向の部分62aとa軸配向の部分62bとを設けている。 すなわち、[010]
方向に5〜10°オフさせたSrTiO 3 (100)基板6
0を用いる。 図に示すように、基板60の表面は、(1
00)面(第1の結晶面)60aと(010)面(第2の結晶面)60bとが交互に複数連なる状態となっている。 この基板表面に、反応性蒸着法により、Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜62を全面に蒸着する。 基板表面の結晶方位に応じて、Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜のうち(010)面60bに接する部分はa軸配向となる一方、Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜62のうち残りの部分62aがc軸配向となる。 次に、フォトリソグラフィとドライエッチングを行って、超電導薄膜62を上記(100)面60aと(010)面60bとがなす複数の段差を通るミアンダパターンに加工する。 これにより、超電導薄膜62を超電導部62aと弱結合部62bとが交互に複数連なる状態に構成する。 第1実施例乃至第3実施例と同様に、幅5μm、長さ1μmの弱結合部62bを5μm間隔で形成できる。 この素子の磁気検出感度を測定したところ、第1実施例乃至第3実施例と同様の結果が得られた。
【0026】なお、上記各実施例では、超電導薄膜としていずれもY 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x薄膜を用いたが、当然ながら、この組成に限定されるものではない。 他の酸化物超電導体、例えば(La 1- xMx) 2 CuO 4 (M=Ba,Sr,C
a)、Ln 1 Ba 2 Cu 3 O 7- x、Ln 5 Ba 6 Cu 11 Ox(Ln=Nd,
Pm,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb)、Bi 2 Sr 2 Ca
2 Cu 3 O 10 、Bi 1 . 7 Pb 0 . 2 Sb 0 . 1 Ca 2 . 0 Sr 2 . 0 Cu 2 . 8 O
x、(Bi 0 . 7 Pb 0 . 3 ) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 、Tl 2 Ba 2 Ca 2 C
u 3 O 10 、Ba 1- xKxBiO 3 、Nd 2- xCexCuO 4- y等を用いることができる。
【0027】また、基板上に超電導薄膜を設けるために、反応性蒸着法を用いたが、これに限定されるものではなく、スパッタ法、レーザーアブレーション法、CV
D法等を用いることができる。
【0028】
【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の超電導磁気抵抗効果素子は、基板上に、超電導部と弱結合部とが交互に複数連ねて設けられ、弱結合部を複数有しているのでSN比を高めることができる。
【0029】また、上記弱結合部が超電導部と同一組成を有する超電導薄膜に所定の元素をドープして構成されている場合、上記弱結合部と超電導部とを同一組成の超電導薄膜を用いて、連結された状態に簡単に形成することができる。
【0030】また、上記超電導部は所定の組成と結晶配向方向を有する超電導薄膜からなり、上記弱結合部は上記超電導部と同一組成を有し結晶配向方向が異なる超電導薄膜からなる場合、同一組成の超電導薄膜を基板上の異なる面に形成することによって、上記超電導部と弱結合部とを連結された状態で簡単に形成することができる。
【0031】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板上に半導体膜または金属膜を複数箇所に離間させて設ける工程と、上記基板上に超電導薄膜を全面に設け、この超電導薄膜を上記複数の半導体膜または金属膜上を通るライン状のパターンに加工する工程と、上記各膜を設けた基板を熱処理して、上記半導体膜または金属膜を構成する元素を上記超電導薄膜に拡散させる工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記半導体膜または金属膜上の部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしているので、基板上に複数の弱結合部を有し、SN
比が高い超電導磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【0032】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板上に超電導薄膜を全面に設け、この超電導薄膜をライン状のパターンに加工する工程と、フォトリソグラフィを行って、レジストを上記超電導薄膜上の複数箇所に離間させて設ける工程と、上記レジストをマスクとして上記超電導薄膜に所定の元素をイオン注入する工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記レジストの隙間に相当する部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしているので、基板上に複数の弱結合部を有し、S
N比が高い超電導磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【0033】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板表面に、形成すべき超電導薄膜の結晶配向方向を変えることができる下地膜を複数箇所に離間させて設ける工程と、上記基板上に超電導薄膜を全面に設け、この超電導薄膜を上記複数の下地膜上を通るライン状のパターンに加工する工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記基板上または下地膜上の部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしているので、基板上に複数の弱結合部を有し、SN比が高い超電導磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【0034】また、この発明の超電導磁気抵抗効果素子の製造方法は、第一の結晶面と、この第一の結晶面に交差し、形成すべき超電導薄膜の結晶配向方向を変えることができる第二の結晶面とが交互に複数連なり階段状をなしている基板表面に、超電導薄膜を全面に設ける工程と、上記超電導薄膜を上記第一の結晶面と第二の結晶面とがなす複数の段差を通るライン状のパターンに加工する工程を有して、上記超電導薄膜のうち上記第一の結晶面または第二の結晶面に接する部分を上記弱結合部とする一方、上記超電導薄膜のうち残りの部分を上記超電導部とするようにしているので、基板上に複数の弱結合部を有し、SN比が高い超電導磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【図1】 この発明の第1実施例の超電導磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。
【図2】 上記超電導磁気抵抗効果素子の作製過程を示す図である。
【図3】 上記超電導磁気抵抗効果素子の磁気抵抗特性を示す図である。
【図4】 この発明の第2実施例の超電導磁気抵抗効果素子の作製過程を示す図である。
【図5】 この発明の第3実施例の超電導磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。
【図6】 この発明の第4実施例の超電導磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。
【図7】 従来の超電導磁気抵抗効果素子の磁気抵抗特性を示す図である。
【図8】 従来の超電導磁気抵抗効果素子の構造を示す図である。
10,40,50,60 SrTiO 3 (100)基板 11 Si薄膜 12 SiO 2膜 13,41,52,62 Y 1 Ba 2 Cu 2 O 7- x薄膜 13a,41a,52a,62a 超電導部 13b,41b,52b,62b 弱結合部 42 レジスト 43 窒素イオン
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