本发明涉及一种适于在液氮温度或更高温度下工作的超导弱连接器件，更确切地说，涉及一种能降低因制造工艺造成的电性质的偏差并且能稳定工作的高温超导器件。

迄今为止，用于高温工作型超导弱连接器件的材料都是象Nb3Ge这样的材料。H.Rogalla等人在IEEE Trans.MAG-15，536（1985）对这项技术作了讨论。

另外，R.B.Van    Dover等人在J.Appl.Phys，Vol，52，P.7327，1981中对其中呈超导性的电极通过一半导体或正常导体连接在一起的一种超导器件作了讨论。还有，T.D.Clark等人在J.Appl.Phys，Vol.5，P.2736，1980中对一种三端超导器件作了讨论，其中在上述超导器件上加有以场效应为基础改变呈超导性的电极间的连接的装置。

在上述已有技术的超导器件中，超导材料的超导临界温度（Tc）约为23K。因此，原则上不可能将这些器件用于更高温度。

在已有技术里，超导电极和半导体或正常导体分别用由各自的元素组合构成的材料制得。因此，超导器件具有这样的结构，其中不同材料的超导体堆积并成形在半导体或正常导体的表面。在这种情况下，超导体的性质易受半导体或正常导体表面态的影响。所以，具有这种结构的超导器件的性质容易变化，而且它的复现制作也是困难的。另外超导体的超导临界温度（Tc）最高为10-20K左右。这意味着器件的性质容易受器件温度变化的影响而变得不稳定。

还有，因为已有技术的超导器件主要在液氦温度下工作，它们靠浸在液氦中或用氦气冷却的方法被冷却到这一温度。液氦带来了不少问题，首先它很昂贵，用作冷却剂是不经济的，而且由于温度远远低于室温，它本身也难于掌握。

液氦的这些问题直接导致超导器件本身不经济且难以加工的问题。

本发明的第一个目的是提供一种能在温度变化时稳定地工作并能在液氮温度以上的高温下工作的一种超导器件。

本发明的第三个目的是提供一种容易制造并呈现出均匀电性质的超导器件。

第一和第二个目的是按如下方式实现的：组成超导器件的超导体由K2NiF4型结构或钙钛矿型结构的超导氧化物材料制成，这种结构含有选自包括Ba，Sr，Ca，Mg和Ra的元素族的至少一种元素;选自包括La，Y，Ce，Sc，Sm，Eu，Er，Gd，Ho，Yb，Nd，Pr，Lu和Tb的元素族的至少一种元素;Cu;以及O。

第三个目的是按如下方式实现的，与超导体接触的半导体或正常导体是由如同上述超导材料，但组分不同的材料制成。

更详细地说，组分为YBa2Cu3O7-x，Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）或Sr2xLa2（1-x）CuO4（1-y）的材料用作超导电极;含有Y，Ba和Cu;La，Ba和Cu;或Sr，La和Cu的氧化物材料分别用作半导体或正常导体。另外，超导电极区和半导体或正常导体区的形成是通过予先使两区组分不同，或者过后向各区材料中扩散或注入至少一种元素来改变每一区的组分。这样做的根据是组分为YBa2Cu3O7-x，Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）或Sr2xLa2（1-x）CuO4（1-y）的氧化物材料的电性质依赖于X值。

本发明的超导器件也可通过如下方式实现，选择X值使要成为半导体或正常导体的区的材料的超导临界温度低于超导器件的工作温度（例如，4.2K或77K，或更高温度），或者引入不同于构成超导体的四个元素的第五个元素。

组分为Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）或Sr2xLa2（1-x）CuO4（1-y）的材料在x为0.05时的超导临界温度约为35K。所以，当组分不满足X＝0.05条件的材料被作为正常导体或半导体先形成，而且X约为0.05，具有高的临界温度的超导体层在正常导体或半导体上连续形成时，可以获得超导体与正常导体或半导体间的理想界面，而且可以具有包括能靠加工超导体层建立的超导弱连接的非常均匀且可重视的性质超导器件。另外，在这里所述的超导器件附加一个应用于电场的绝缘门电极以形成一场效应形超导晶体管的情况下，因为超导体层和正常导体层（或半导体层）具有基本相同的氧化速率，可以将整个样品氧化来形成一门绝缘体膜。考虑到在用Nb或Pb合金或类似物作超导电极的常规器件中，超导电极的材料比半导体材料更易氧化的事实，可以看到这从器件制造的观点来说很有好处。

更进一步，如前所述，当YBa2Cu3O7-x，Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）或Sr2xLa2（1-x）CuO4（1-y）被用作构成超导器件的材料时，超导体部分或半导体或正常导体部分可通过扩散或注入至少一种元素来形成。在这种情况下，超导体部分和半导体或正常导体部分的界面不暴露于大气便可形成。所以，污染等不会发生，而且这样形成的超导器件具有均匀的电性质和非常好的复现性。另外，因为器件表面已平整，用于场效应控制的绝缘栅极将由于栅极区无台阶存在而可方便地形成。

另外，由于超导体区的超导临界温度变得较高，器件工作温度微小变化造成的性质变化降到可忽略的程度，器件的工作可稳定下来，按这种方式，根据本发明，可以实现易于制造，工作稳定的超导器件。

即使对其中上述材料里的La被Y，Sc，Sm，Eu，Gd，Ho，Yb，Nd，Pr，Lu或Tb所代替，或者Ba或Sr被Ca，Mg，或Ra所代替的器件也能得到类似结果，本发明的目的可以令人满意地实现。

进一步，为了稳定地生产超导弱连接器件，要求弱连接区的加工比较容易。按超导体-正常导体-超导体顺序排列的弱连接器件容易制造。然而，由于器件电容增加，其应用受到限制。具体地讲，这种器件不适用于高频模拟器件。因此采用了一种共面电极型器件结构。在这种情况下，两超导体间的距离，即微加工尺寸d必须为1um或更小。保持精度在1%以内是提高器件性能并实现其均匀性的必不可少的技术。同时，微加工尺寸d需要随器件工作温度一起变化，以保持器件处于最佳工作状态。在已有技术中，器件工作温度几乎无例外地为液氦温度4.2K或在大约2-6K的范围内。所以，只要将它们认作工作温度，并使微加工尺寸d最佳化就足够了。

相反地，在本发明的超导器件是用在，例如77K的情况下，上限假定为正常导体中相干长度ξn的3-10倍的微加工尺寸d变化：d＜10ξn    （1）在苛刻限制（dirty    limit）情况下，下式成立：ξn∝T- 1/2 〔1+2/ln（T/Tc′）］12]]>（2）上式中，Tc′表示用于正常导体区或半导体区的所用材料的超导临界温度，T表示器件工作温度。在已有技术中，正常导体区由超导临界温度可认为是0°K的材料，如Au或Cu，半导体材料如Si或InAs，或者超导临界温度低于4.2K的液氮温度的材料制成。在这种情况下，方程（2）变为：ξ∝TT-12]]>（3）在T低于4.2K的情况下，这不会引起严重问题。然而，当T为77K时，ξn小于4.2K时的值的四分之一，根据方程（1）微加工尺寸d也必须相应降到原来值的四分之一以下。所以，微加工精度必须比已有技术中的精度增加至少四倍。所以，器件在77K工作时，在采用同样微加工精度的情况下，器件尺寸的变化超过四倍，伴随的电性质变化也变得非常明显，从而导致器件生产成品率下降。为解决这一问题，需要采用Tc′高于已有工艺的材料作为正常导体区或半导体区。鉴于方程（2），这里重要的是T和Tc′间的比率T/Tc′。为了用与已有工艺中的相同的微加工技术维持而不是降低电性质的变化，相干长度ξn可定在一固定值或变得更大，可以根据方程（2）选择，使之满足下式：T－［1+2/ln（T/Tc′）〕 ≥4.2－（4）例如，在器件工作温度T为77K情况下，Tc′应为68K或更高。Tc′的这一下限值取决于微加工精度。然而，即使微加工精度提高了，还有超导体相干长度作为下限的一个判断标准。当长度值为判断标准时，微加工尺寸d必须至少为此值的5倍，温度Tc′需要满足：（ (4·2)/(T) ） 〔1+2/ln（T/Tc′）〕 ≥ 1/5 （5）当T为300K时，Tc′可为102K或更高。

根据上面描述，为了超导弱连接器件在77K或更高温度下工作，Tc′必须满足方程（4）或（5）例如，为了使器件在77K工作，Tc′必须达到一定值;最好在68K或更高。一般地，方程（5）必须被满足在已有技术中，这样的高温工作不在考虑之列。作为另一种增加相干长度ξn的方法，可增加材料的费米速度VF或载流子平均自由程ln。然而，在T为300K的情况下，仅用这种方法，难以制造具有均匀性质的器件，也满足不了方程（4）和（5）的条件。相反，根据本发明，方程（4）和（5）的条件不同时满足。另外，特别地，象ξn正比于T－，随温度增加而降低，因而必须提高微加工程度以增加器件电性能的变化这样的问题可用本发明方便地解决。

根据本发明，制备器件的同时可保持超导体与正常导体或半导体间界面的清洁，超导体的超导临界温度高，正常导体区或半导体区可平整成形。结果可以实现性质稳定、可以重现制备、并且在温度变化时能稳定工作的超导器件。

图1是显示根据本发明的第一最佳实施方案的一个超导器件的部分断面图。

图2是显示根据本发明的第二个最佳实施方案的一个超导器件的部分断面图;

图3（a）-3（c）是显示根据本发明的第三个最佳实施方案的一个超导器件的若干部分的断面图;

图4（a）-4（c）是显示根据本发明的第四个最佳实施方案的一个超导器件的若干部分的断面图;

图5是本发明的第五个最佳实施方案中的，采用本发明的超导器件的磁通计的装配图。

图6（a）和6（b）是显示根据本发明的第六个最佳实施方案的一个超导器件的部分断面图;

图7是显示根据本发明的第七个最佳实施方案的一个超导器件的部分断面图;

图8是显示根据本发明的第八个最佳实施方案的一个超导器件的部分断面图。

现在参照附图描述本发明的实施方案。

图1是显示根据本发明的第一个最佳实施方案的一个超导器件的部分视图。在由蓝宝石制成的衬底1上溅射一层厚度约为100nm，成分为Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）（X＝0.5）的正常导体层或半导体层2。正常导体层或半导体层2在平整衬底1上形成，其厚度是均匀的。衬底1也可采用单晶材料，例如（100）取向的SrTiO3。Ba，La和Cu的氧化物经研磨，混合后，压成园盘形压块，用作溅射靶材。溅射过程中用包括Ar和O2的混合气体，在这里，y值可靠改变氧分压来变化。接着，在不破坏真空的同时，用类似溅射方法形成Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）（X＝0.05）的超导层3。在超导层3表面形成一光刻胶图形，将它用作掩膜，用Ar离子进行溅射蚀刻以除去超导层3的一部分，从而形成两个相对的超导电极。结果在两超导电极之间确定一段间距。用这种方式可获得具有超导体-正常导体-超导体结构的二极管型超导器件。在这种情况下，因为正常导体层2和超导体层3是连续形成的，所以两层间的界面不受污染等影响，可以在理想状态下形成。因此，器件电性质的均匀性和复现性非常好。另一效果是，因为采用了高超导临界温度的材料作为超导层，器件能稳定地工作。

下面将参考图2描述本发明的第二个实施方案。图1的超导器件的上表面被在纯氧气中加热氧化，以形成厚为20-80nm的绝缘膜4，接着在两超导电极之间形成由约3000nm厚的铝蒸镀膜制成的门电极5。这个门电极控制跨两超导电极间流动的电流。这样便可实现三端晶体管形超导器件。图2所示的实施方案与具有门电极的场效应型超导器件有关。这里和图1的情况一样，正常导体层2和超导体层3用同样元素制成，所以氧化膜4的生长速率基本是均匀的。所以可方便地实现其氧化膜厚度均匀的超导装置。

参考图3（a）-3（c）描述本发明的第三个实施方案。在图1和图2的实施方案中，正常导体层2和超导体层3是通过使它们的组分稍有不同而分别形成的。用下面方法能得到同样的结构，首先只形成正常导体层2和超导体层3中的一层，在其上用扩散或注入一种或多种构成已成形材料的元素的方法形成另一层。这就是说，本实施方案相应于正常导体层2先形成，然后其组分被改变的情况。在图3（a）中，厚约200nm，组分为Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）（X＝0.05，y＞0）的正常导体层在衬底1上通过溅射形成。接着，用蒸镀方法形成厚约250nm的SiO绝缘膜，将它用作掩膜，注入氧离子以形成其组分中y＝0的超导体层3。随即除去绝缘膜6。这样，便形成了如图3所示的具有图1结构的二极管型超导器件。用溅射方法在器件表面形成一厚约20-80nm，由SiO2制成的绝缘膜4。最后，在位于两超导体3之间的那部分绝缘膜4上形成由Al蒸镀膜其厚度为300nm制成的门电极5。这样，便可加工出如图3（c）所示的，与图2的实施方案结构相似的超导器件，即场效应型超导晶体管可制成。

下面将参考图4（a）-4（c）描述本发明的第四个实施方案。图3（a）-3（c）的实施方案是先形成正常导体层2，然后改变其组分以形成超导体层3，而本实施方案先形成超导体层3，然后扩散或注入原子以形成正常导体层2。在蓝宝石衬底上分别形成厚约100nm的组分为Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）的正常导体层2，和除y＝0，其余组分相同的超导体层3，随即采用如图3（a）的SiO2绝缘膜6作为掩膜，注入Ba离子以形成一正常导体层7（见图4（a））。除去绝缘膜6便可得到具有图3（b）所示结构的二极管型超导器件（见图4（b））。另外，如图4（c）所示，加一氧化膜4和一门电极5便可得到具有图3（c）所示结构的场效应型超导器件。

下面将参考图5描述本发明的第五个实施方案。本实施方案是采用本发明的二极管型超导器件51和52的磁通计。两超导器件51和52相互连接，形成一闭环。从电源端53向闭环加电功率。标号55表示接地点。闭环的探测信号从输出端54输出。探测线圈56探测待测磁通58。与探测线圈56相连的是耦合线圈57，它将对应于磁通58的磁通馈入闭环。磁通计中所包括的超导体部分，即通向电源端53及输出端54的导线，探测线圈56，耦合线圈57，以及线圈56和57之间的导线都是用组分为Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）（X＝0.05）的超导薄膜制成的。结果，磁通计的探测线圈56在高达35K的温度下工作。整个磁通计的特性随温度涨落的变化很小，并能实现稳定的工作。

下面将参考图6（a）和6（b）描述本发明的第六个实施方案。在真空中对含La量为几个至18个wt.%（重量百分比）的Cu合金进行烧结，使之成为固溶体。然后将固溶滚轧或拉成所希望的导线棒61。将Ba（或Sr）的碳酸盐或醋酸盐粉末溶于戊基酷酸脂中后得到的溶液用喷涂方法施加到导线棒61上，达几um厚，并使其充分干燥。然后将得到的导线棒61。在减压大气中，900℃温度下，缓慢热处理6小时。随后用稀醋酸充分冲洗导线棒的表面，从而在Cu合金表面上便形成具有K2NiF4晶体结构的，由（La1-xBax）2CuO4（1-y）（或La2（1-x）Sr2xCuO4）制成的超导体层62。超导体层62的超导临界温度为20-30K。

这样制成的超导线材可用于图5中所示的本发明的实施方案中的探测线圈56。另外，根据这样的设计制造线材，可形成连续的高临界温度线材，因此这种线材可用于超导磁体，输电线等。

本实施方案采用了导线棒形状的Cu-La合金。但是毫无疑问，当采用薄膜形状的Cu-La合金时，通过在薄膜表面形成超导体层并对之微加工就可以简便地实现图1所示的第一个实施方案的设计。

下面将参照图7描述本发明的第七个实施方案。在SiO2，Al2O3或类似的物制成的绝缘衬底71上先蒸镀La，再蒸镀Cu，从而衬底71为总厚约为300nm的La-Cu双层膜72所覆盖。在这种情况下，La/Cu层厚度比率为10/64或更大。用喷涂方法将溶有BaCO3或SrCO3粉末的戊基酷酸脂加到结构的表面并使之干燥，然后将得到的结构在减压大气中900℃温度下缓慢加热1小时，随后用稀醋酸冲洗表面。这样便在表面形成具有K2NiF4晶体结构的Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）或Sr2xLa2（1-x）CuO4（1-y）的超导体层73。超导体层73的超导临界温度较高，为20-30K，通过在其上微加工，可以简便地实现图1中所示的第一个实施方案的结构。此外，应该知道，具有图2所示结构的超导器件可通过形成一绝缘膜和一门电极的方法简便地实现。

另外当La-Cu双层膜72预先加工成一定图形时，具有K2NiF4结构的超导体只能在相应部分形成，因而可以简便地制备出高超导临界温度的超导线或超导电路。

在上述实施方案所采用的超导体中，La也可用Y，Sc，Sm，Eu，Er，Gd，Ho，Yb，Nd，Pr，Lu或Tb代替。即使当Ba或Sr被Ca，Mg，或Ra所代替时，本发明的目的也可达到。

下面将参考图8描述本发明的第八个实施方案。在蓝宝石衬底81上，用溅射方法形成厚约100nm，由Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）（X＝0.05）制成的正常导电薄膜82。具体成形方法可与图1的本发明的第一实施方案中所述的相同。正常导电薄膜82的超导临界温度为39K。接着用类似的溅射方法形成厚约200nm，组分为YBa2Cu3O7-x的超导薄膜83。超导薄膜83的超导临界温度为94K。在膜83上形成一光刻胶图形，将它用作掩膜，用Ar离子溅射蚀刻超导薄膜83，将其加工成两相对电极。用这种方式可实现超导性-正常导体（第二超导体）-超导体结构。在本实施方案中，作为正常导体的第二超导体的超导临界温度为39K，但是它当然最好是在满足方程（5）的范围内的一个较低的值。超导薄膜83也不必限制在上述组分。关于组分元素，不用说Ba可用Sr，Ca，Mg或Ra来代替，而Y可用一个或多个选自La，Se，Sm，Eu，Gd，Ho，Yb，Nd，Pr，Lu和Tb的元素。这样的例子在表1中列出：

表1半导体（正常导体）    超导体EuBa2Cu3O7-YY 0.5 EuBa2Cu3O7-YO Y 0.5EuSr2Cu3O7-YY 0.5 EuSr2Cu3O7-YO Y 0.5HoBa2Cu3O7-YY 0.5 HoBa2Cu3O7-YO Y 0.5HoSr2Cu3O7-YY 0.5 HoSr2Cu3O7-YO Y 0.5GdBa2Cu3O7-YY 0.5 GdBa2Cu3O7-YO Y 0.5GdSr2Cu3O7-YY 0.5 GdSr2Cu3O7-YO Y 0.5YbBa2Cu3O7-YY 0.5 YbBa2Cu3O7-YO Y 0.5YbSr2Cu3O7-YY 0.5 YbSr2Cu3O7-YO Y 0.5TbBa2Cu307-YY 0.5 TbBa2Cu3O7-YO Y 0.5TbSr2Cu307-YY 0.5 TbSr2Cu3O7-YO Y 0.5NdCa2Cu3O7-YY 0.5 NdCa2Cu307-YO Y 0.5NdSr2Cu3O7-YY 0.5 NdSr2Cu307-YO Y 0.5SmBa2Cu3O7-YY 0.5 SmBa2Cu3O7-YO Y 0.5SmSr2Cu3O7-YY 0.5 SmSr2Cu3O7-YO Y 0.5Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Ba2xLa2（1-x）CuO4（1-y）X＝0.05Sr2xLa2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Sr2La2（1-x）CuO4（1-y）x＝0.05Ca2xLa2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Ca2xLa2（1-x）CuO4（1-y）x＝0.05Ba2xY2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Ba2xY2（1-x）CuO4（1-y）x＝0.05Sr2Y2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Sr2xY2（1-x）CuO4（1-y）x＝0.05Ba2xEu2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Ba2xEu2（1-x）CuO4（1-y）x＝0.05Sr2xEu2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Sr2xEu2（1-x）CuO4（1-y）x＝0.05Ba2xEu2（1-x）CuO4（1-y）x 0.05 Ba2xEu2（1-x）CuO4（1-y）＝0.05