JP2007180492A - How to create a thin layer device - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的強度に優れ、サブミリ波帯受信に有用な超伝導素子などの薄層デバイスの作成方法を提供する。
【解決手段】MgO仮基板上にNbN/MgO/NbN−SIS接合からなる多層構造体を形成し、該多層構造体上に基板としてSiO2を形成し、ついでエッチングにより前記MgO仮基板を除去することで薄層デバイスを作成する。本発明の方法により作成した超伝導素子(薄層デバイス)は、性能に優れ、かつ機械的強度が高いため、サブミリ波用導波管への導入も容易である。
【選択図】図1A method for producing a thin layer device such as a superconducting element having excellent mechanical strength and useful for submillimeter wave band reception is provided.
A multilayer structure composed of NbN / MgO / NbN-SIS junction is formed on a temporary MgO substrate, SiO 2 is formed as a substrate on the multilayer structure, and then the temporary MgO substrate is removed by etching. This creates a thin layer device. Since the superconducting element (thin layer device) produced by the method of the present invention has excellent performance and high mechanical strength, it can be easily introduced into a submillimeter wave waveguide.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、薄層デバイスの作成方法に関し、より詳細には、SiO2基板にSIS接合を有する超伝導素子などの薄層デバイスの作成方法および超伝導素子などに関する。 The present invention relates to a method for producing a thin layer device, and more particularly to a method for producing a thin layer device such as a superconducting element having a SIS junction on a SiO 2 substrate, and a superconducting element.
地球環境計測や電波天文学、次世代無線通信の分野において、サブミリ波帯での受信機や発振器の開発が望まれており、その一つとしてジョセフソン接合など超伝導デバイスの研究開発がなされている。ジョセフソン接合の一つである超伝導SIS(Superconductor−Insulator−Superconductor)接合に直流電流を流すと、ある電流値までは2つの超伝導電極間に超伝導トンネル電流が流れるが、これを超えると2つの超伝導電極間に電圧が発生するという特徴を示す。しかもこの接合の電流−電圧特性は半導体デバイスには達成できない非常に強い非線形特性を有する。 In the fields of global environment measurement, radio astronomy, and next-generation wireless communication, the development of receivers and oscillators in the submillimeter wave band is desired, and one of them is research and development of superconducting devices such as Josephson junctions. . When a direct current is passed through a superconducting SIS (Superconductor-Insulator-Superconductor) junction, which is one of the Josephson junctions, a superconducting tunnel current flows between two superconducting electrodes up to a certain current value. A characteristic is that a voltage is generated between two superconducting electrodes. Moreover, the current-voltage characteristic of this junction has a very strong non-linear characteristic that cannot be achieved by a semiconductor device.
現在300GHz帯以上のサブミリ波帯では、このSIS接合をミキサ素子として用いたSIS電磁波受信機が最も低雑音であり、たとえば、ニオブ(Nb)をベースにしたSIS接合により、既に725GHz帯までの極低雑音SIS電磁波受信機が開発されている。しかし725GHzより高い周波数では、Nb電極内の超伝導電子対の破壊に伴う電極損失増大により、SIS電磁波受信機の性能が急激に劣化してしまう。 At present, in the submillimeter wave band of 300 GHz or higher, the SIS electromagnetic wave receiver using the SIS junction as a mixer element has the lowest noise. For example, the SIS junction based on niobium (Nb) is already used for the pole up to the 725 GHz band. Low noise SIS electromagnetic wave receivers have been developed. However, at a frequency higher than 725 GHz, the performance of the SIS electromagnetic wave receiver rapidly deteriorates due to an increase in electrode loss accompanying the destruction of the superconducting electron pair in the Nb electrode.
そこで超伝導ギャップエネルギーが大きく1.4THzまで極低損失特性を有する窒化ニオブ(NbN)等を用いたSIS電磁波受信機の開発が行われている。しかし、NbNのサブミリ波帯での極低損失特性は、NbN薄膜の結晶性に大きく依存し、NbNのサブミリ波帯デバイス開発への導入には、良好な結晶性を保ちながらデバイスを作成する技術が必要である。すなわちNbNを用いたSIS接合をエピタキシャル成長させたNbN、MgO等の多層膜のみで構成させる必要がある。 Accordingly, development of SIS electromagnetic wave receivers using niobium nitride (NbN) or the like having a large superconducting gap energy and extremely low loss characteristics up to 1.4 THz has been carried out. However, the ultra-low loss characteristics of NbN in the submillimeter wave band depend greatly on the crystallinity of the NbN thin film, and the technology for making a device while maintaining good crystallinity is introduced in the development of NbN submillimeter wave devices. is required. That is, it is necessary to configure the SIS junction using NbN only with a multilayer film such as NbN, MgO or the like obtained by epitaxial growth.
一方、従来からサブミリ波帯受信機作成には、誘電率が低いSiO2を基板として用いられてきたが、NbNのエピタキシャル成長はSiO2基板を使用した場合の報告例はなく、現在のところMgOなど岩塩型単結晶基板が多用されている。実際、MgO基板上にNbN層/MgO層/NbN層からなるSIS接合(以下、NbN/MgO/NbN−SIS接合と称する。)を形成させる技術が公開されている(特許文献1)。該公報ではMgO基板上に、NbN層、薄いMgO層、さらにNbN層を各ヘテロエピタキシャル成長によって形成している。 On the other hand, SiO 2 having a low dielectric constant has been conventionally used as a substrate for the production of submillimeter wave receivers. However, there has been no report of NbN epitaxial growth using a SiO 2 substrate, and MgO and the like are currently not available. Rock salt type single crystal substrates are frequently used. Actually, a technique for forming a SIS junction (hereinafter referred to as NbN / MgO / NbN-SIS junction) composed of an NbN layer / MgO layer / NbN layer on an MgO substrate is disclosed (Patent Document 1). In this publication, an NbN layer, a thin MgO layer, and an NbN layer are formed on each MgO substrate by heteroepitaxial growth.
なお、サブミリ波帯導波管用ミキサは、導波管内波長より十分薄い基板上に作成する必要がある。1THz導波管用ミキサの基板厚は目安として、電磁波の基板内波長の1/4以下、すなわちSiO2基板でおよそ40μm以下、MgO基板では27μm以下にする必要がある。十分な面積を確保しつつこの厚さの基板でデバイスを作成することは困難であり、一般には数百μm厚の基板上にSIS接合を作成し、最終的に基板を機械的に研磨して目的の基板厚に調整している。 The sub-millimeter wave waveguide mixer needs to be formed on a substrate that is sufficiently thinner than the wavelength in the waveguide. As a guide, the substrate thickness of the 1 THz waveguide mixer needs to be ¼ or less of the wavelength of the electromagnetic wave in the substrate, that is, approximately 40 μm or less for the SiO 2 substrate and 27 μm or less for the MgO substrate. It is difficult to create a device with a substrate of this thickness while securing a sufficient area. Generally, a SIS junction is formed on a substrate of several hundred μm thickness, and finally the substrate is mechanically polished. The target substrate thickness is adjusted.
このような方法でMgO基板上に作成されたNbN系SISミキサは、サブミリ波帯導波管用ミキサに導入され、一定の性能を示している(非特許文献1)。
しかしながらMgO単結晶基板は劈開等により開裂しやすく、また基板を薄くすることで機械的強度が低下するため、再現性良く任意の基板厚を得ることは実質的に困難である。 However, since the MgO single crystal substrate is easily cleaved by cleavage or the like, and the mechanical strength is lowered by making the substrate thinner, it is substantially difficult to obtain an arbitrary substrate thickness with good reproducibility.
そこで本発明は、NbN/MgO/NbN−SIS接合などエピタキシャル多層構造体がサブミリ波帯材料として有用なSiO2基板上に配設された、機械的強度に優れ、かつ十分な厚さを確保できる薄層デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can ensure an excellent mechanical strength and a sufficient thickness in which an epitaxial multilayer structure such as an NbN / MgO / NbN-SIS junction is disposed on a SiO 2 substrate useful as a submillimeter wave band material. It aims at providing the manufacturing method of a thin layer device.
また、本発明は、上記製造方法によって得られる薄層デバイス、該薄層デバイスからなるSISミキサ及びHEB(Hot-electron Bolometer)電磁波受信機を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a thin layer device obtained by the above production method, a SIS mixer comprising the thin layer device, and a HEB (Hot-electron Bolometer) electromagnetic wave receiver.
上記の課題を解決するために、NbN/MgO/NbN−SIS接合の作成技術について詳細に検討した結果、MgOを仮基板として、該仮基板上にエピタキシャル成長によって形成したNbN層/MgO層/NbN層(以下、エピタキシャルNbN/MgO/NbNとも称する。)からなるエピタキシャルNbN/MgO/NbN−SIS接合を作成し、その後、基板として、厚さ数10μmのSiO2を前記エピタキシャル成長で作成したNbN/MgO/NbN−SIS接合上に成膜し、ついで前記MgO仮基板を酸などで除去することで、数10μmの厚さのSiO2上に該NbN/MgO/NbN−SIS接合が配設された薄層デバイスを作成できること、および、特に機械的強度に優れ、サブミリ波帯材料として有効なSiO2基板上に該NbN/MgO/NbN−SIS接合が配設された前記薄層デバイスを用いて、該薄層デバイスからなる超伝導素子、ミキサ、およびHEB電磁波受信機が得られることを見出し、本発明を完成させた。 In order to solve the above-described problems, the NbN / MgO / NbN-SIS junction fabrication technique was examined in detail. As a result, MgO was used as a temporary substrate, and the NbN layer / MgO layer / NbN layer formed by epitaxial growth on the temporary substrate. (hereinafter, also referred to as an epitaxial NbN / MgO / NbN.) create the epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS junction consisting, then as the substrate, the SiO 2 having a thickness of 10μm was prepared by the epitaxial growth NbN / MgO / A thin layer in which the NbN / MgO / NbN-SIS junction is disposed on SiO 2 having a thickness of several tens of μm by forming a film on the NbN-SIS junction and then removing the MgO temporary substrate with an acid or the like. The ability to create devices, and especially SiO 2 substrates with excellent mechanical strength and effective as submillimeter wave band materials Using the thin layer device having the NbN / MgO / NbN-SIS junction disposed thereon, it has been found that a superconducting element, a mixer, and a HEB electromagnetic wave receiver comprising the thin layer device can be obtained. Was completed.
本発明によれば、基板として厚さ数10μmのSiO2を成膜法により形成し、前記MgO仮基板をエッチングにより除去するため均一な研磨技術が不要となり、かつ比較的誘電率の低いSiO2を基板とするため、MgOを基板として用いた場合に比べ、基板厚を十分に確保することができ、機械的強度に優れる超伝導素子を製造することができる。また成膜法でSiO2などの基板を作成することから、優れた基板厚制御が可能となる。
前記薄層デバイスとしては、SISミキサやHEB電磁波受信機等の超伝導素子が挙げられる。また、薄層デバイス作成時に成膜およびリソグラフィにより接地導体(グランド)薄膜を作製することが可能であり、確実かつ良好な接地を達成することができる。
According to the present invention, SiO 2 having a thickness of several tens of μm is formed as a substrate by a film forming method, and the MgO temporary substrate is removed by etching, so that no uniform polishing technique is required, and SiO 2 having a relatively low dielectric constant. Therefore, compared to the case where MgO is used as the substrate, a sufficient substrate thickness can be secured, and a superconducting element excellent in mechanical strength can be manufactured. In addition, since a substrate such as SiO 2 is formed by a film forming method, excellent substrate thickness control is possible.
Examples of the thin layer device include superconducting elements such as SIS mixers and HEB electromagnetic wave receivers. In addition, a grounding conductor (ground) thin film can be produced by film formation and lithography at the time of producing a thin layer device, and reliable and satisfactory grounding can be achieved.
本発明の第一は、仮基板上に、薄膜を積層してなる多層構造体を形成し、次いで、前記多層構造体上に基板を形成するものである、薄層デバイスの作成方法である。 The first of the present invention is a method for producing a thin-layer device, in which a multilayer structure formed by laminating thin films is formed on a temporary substrate, and then a substrate is formed on the multilayer structure.
本発明において、仮基板としては、多層構造体を形成し、酸等で除去できるものであれば特に制限はない。多層構造体がエピタキシャル成長させたNbN層、MgO層およびNbN層からなる場合には、NbN層のエピタキシャル成長に適する基材としてMgO単結晶基板であることが好ましい。 In the present invention, the temporary substrate is not particularly limited as long as it can form a multilayer structure and can be removed with an acid or the like. When the multilayer structure is composed of an epitaxially grown NbN layer, MgO layer, and NbN layer, an MgO single crystal substrate is preferable as a substrate suitable for epitaxial growth of the NbN layer.
また、前記多層構造体としては、エピタキシャル成長で形成した薄膜からなる多層であることが好ましく、その構成は、得られる薄層デバイスの使用目的に応じて適宜選択することができる。例えば、薄層デバイスが超伝導素子である場合には、SIS接合を形成しうる多層構造体であることが好ましく、例えば、エピタキシャル成長によって得たNbN層を超伝導層とし、絶縁層として単結晶MgO層とするNbN層/MgO層/NbN層からなる多層構造体などを使用することができる。 The multilayer structure is preferably a multilayer composed of thin films formed by epitaxial growth, and the configuration thereof can be appropriately selected according to the intended use of the resulting thin layer device. For example, when the thin layer device is a superconducting element, it is preferably a multilayer structure capable of forming a SIS junction. For example, an NbN layer obtained by epitaxial growth is used as a superconducting layer, and a single crystal MgO is used as an insulating layer. A multilayer structure composed of NbN layer / MgO layer / NbN layer as a layer can be used.
また、前記基板としては、得られる薄層デバイスの使用目的に応じてSiO2、MgO、Al2O3などから適宜選択することができる。これらの中でもSiO2であれば、誘電率が低いためサブミリ波帯受信機などに使用するに好適であり、数十nm〜数十μmの範囲で形成することができる。また、MgOを基板とする場合に比べ厚く設定できるため、素子切り出し時の基板強度を十分に確保することもできる。また、MgOであれば、エピタキシャル成長が可能であり、高い熱伝導率、NbNとの優れた格子整合性等を有する点で有利である。 The substrate can be appropriately selected from SiO 2 , MgO, Al 2 O 3 and the like according to the intended use of the thin layer device to be obtained. Among these, SiO 2 is suitable for use in a submillimeter wave receiver because of its low dielectric constant, and can be formed in the range of several tens of nanometers to several tens of micrometers. Moreover, since it can set thickly compared with the case where MgO is used as a substrate, the substrate strength at the time of element cutting can be sufficiently secured. MgO is advantageous in that it can be epitaxially grown and has high thermal conductivity, excellent lattice matching with NbN, and the like.
以下に、本発明の薄層デバイスの一例として、多層構造体がエピタキシャル成長で形成したNbN/MgO/NbN−SIS接合である薄層デバイスの作製方法を示す。 Hereinafter, as an example of the thin layer device of the present invention, a method for manufacturing a thin layer device in which the multilayer structure is an NbN / MgO / NbN-SIS junction formed by epitaxial growth will be described.
図1に、本発明の作成方法で得られた薄層デバイスの好適な実施態様の一例としての超伝導素子を示す。30はエピタキシャルNbN層、40は絶縁層であるエピタキシャルMgO層、50はエピタキシャルNbN層、60はSiO2基板、80は配線層、85はNbN/MgO/NbN−SIS接合を示す。エピタキシャルNbN/MgO/NbN多層膜が、NbN/MgO/NbN−SIS接合を形成し、この多層構造体上にSiO2基板が積層され、超伝導素子となっている。本発明の形成方法によって、薄層デバイスとして高性能の超伝導素子を得るには、NbN層(30)の下部に設けた図示しない仮基板上に、エピタキシャル成長によってNbN層(30)、MgO層(40)、NbN層(50)を積層させて得たエピタキシャルNbN/MgO/NbN−SIS接合部を形成し、前記SIS接合部上に配線層(80)を形成してSIS接合を完成し、次いで、該SIS接合の上にSiO2を成膜して基板(60)を形成し、ついでウェットエッチングにより前記MgO仮基板を除去することで得られる。これにより、エピタキシャルNbN/MgO/NbN−SIS接合がSiO2基板に転写される。 FIG. 1 shows a superconducting element as an example of a preferred embodiment of a thin layer device obtained by the production method of the present invention. 30 is an epitaxial NbN layer, 40 is an epitaxial MgO layer which is an insulating layer, 50 is an epitaxial NbN layer, 60 is a SiO 2 substrate, 80 is a wiring layer, and 85 is an NbN / MgO / NbN-SIS junction. The epitaxial NbN / MgO / NbN multilayer film forms an NbN / MgO / NbN-SIS junction, and a SiO 2 substrate is laminated on this multilayer structure to form a superconducting element. In order to obtain a high-performance superconducting element as a thin layer device by the formation method of the present invention, an NbN layer (30), an MgO layer (by epitaxial growth) on a temporary substrate (not shown) provided below the NbN layer (30). 40), forming an epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS junction obtained by laminating the NbN layer (50), forming a wiring layer (80) on the SIS junction and completing the SIS junction; Then, SiO 2 is formed on the SIS junction to form a substrate (60), and then the temporary MgO substrate is removed by wet etching. Thereby, the epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS junction is transferred to the SiO 2 substrate.
また、仮基板の除去のためのウェットエッチングの際に前記SIS接合がエッチング剤によって侵食されることを防止するため、前記仮基板上に予めエッチング保護層を形成し、次いで該エッチング保護層上に前記多層構造体を形成してもよい。以下、図面を用いて本発明の製造方法を説明する。 In addition, in order to prevent the SIS junction from being eroded by an etchant during wet etching for removing the temporary substrate, an etching protective layer is formed on the temporary substrate in advance, and then the etching protective layer is formed on the temporary protective substrate. The multilayer structure may be formed. Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図2に示すように、MgOなどの単結晶からなる仮基板(10)上にエッチング保護層を形成する。エッチング保護層としては、エッチングの際のSIS接合への侵食を防止するものであるからエッチング耐性を有することが好ましく、かつ該エッチング保護層上に、多層構造体が形成される必要があるため、エピタキシャル成長など多層構造体の形成に適する特性を有することが好ましい。本発明では、エッチング保護層としては、上記特性を有するものであれば単層でもよく、2層以上の多層で構成してもよい。本発明では、エッチング保護層として、少なくともNbN薄膜など非酸可溶性の岩塩構造物層を使用することが望ましい。ただし、非酸可溶性の岩塩構造物層としてNbN薄膜などの導電性材料を用いた場合、回路的に問題となるため最終的には除去する必要が生じる。そこでエッチング保護層として導電性材料を使用した場合には、更に、岩塩構造物からなる誘電体層、例えばMgO薄膜などを製膜することが好ましい。MgO薄膜であれば、フッ素プラズマ耐性が高いため、仮基板(10)をエッチング除去した後に、フッ素プラズマによってNbN等の非酸可溶性の岩塩構造物層(21)を除去する際に、SIS接合を保護することができる。 First, as shown in FIG. 2, an etching protective layer is formed on a temporary substrate (10) made of a single crystal such as MgO. As the etching protection layer, it is preferable to have etching resistance because it prevents erosion to the SIS junction during etching, and a multilayer structure needs to be formed on the etching protection layer. It is preferable to have characteristics suitable for forming a multilayer structure such as epitaxial growth. In the present invention, the etching protective layer may be a single layer or a multilayer of two or more layers as long as it has the above characteristics. In the present invention, it is desirable to use at least a non-acid soluble rock salt structure layer such as an NbN thin film as the etching protective layer. However, when a conductive material such as an NbN thin film is used as the non-acid-soluble rock salt structure layer, it becomes a problem in the circuit, so that it is finally necessary to remove it. Therefore, when a conductive material is used as the etching protective layer, it is preferable to form a dielectric layer made of a rock salt structure, such as an MgO thin film. Since the MgO thin film has high fluorine plasma resistance, after removing the temporary substrate (10) by etching, a non-acid soluble rock salt structure layer (21) such as NbN is removed by fluorine plasma. Can be protected.
したがって本発明では、仮基板(10)上にまずNbNなどの非酸可溶性の岩塩構造物層(21)を形成させ、ついでその上に岩塩構造物からなる誘電体層(23)を形成させ、岩塩構造物層(21)と誘電体層(23)との二層をエッチング保護層として使用することが好ましい。このほか非酸可溶性の岩塩構造物(21)としては、TiN薄膜などが挙げられる。エッチング保護層を構成する各層の形成は、エピタキシャル成長であることが好ましく、たとえば高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングによる方法、またはこれらの組み合わせであってもよい。また、岩塩構造物層(21)の厚さは素子をエッチング剤による侵食から保護できる耐性を有すれば特に制限はなく、好ましくは10〜200nmである。また、誘電体層(23)の厚さも特に制限はないが、好ましくは10〜100nmである。 Therefore, in the present invention, a non-acid-soluble rock salt structure layer (21) such as NbN is first formed on the temporary substrate (10), and then a dielectric layer (23) made of the rock salt structure is formed thereon, Two layers of a rock salt structure layer (21) and a dielectric layer (23) are preferably used as an etching protective layer. In addition, examples of the non-acid soluble rock salt structure (21) include a TiN thin film. Formation of each layer constituting the etching protective layer is preferably epitaxial growth, and may be a method using high frequency sputtering or DC reactive sputtering, or a combination thereof. The thickness of the rock salt structure layer (21) is not particularly limited as long as it has a resistance capable of protecting the element from erosion by the etching agent, and is preferably 10 to 200 nm. The thickness of the dielectric layer (23) is not particularly limited, but is preferably 10 to 100 nm.
次に、図3に示すように、エッチング保護層(21、23)上に多層構造体であるエピタキシャルNbN/MgO/NbN-SIS接合を構成するため、NbN層(30)、MgO層(40)、NbN層(50)を形成する。まずエッチング保護層(21、23)上にNbN層(30)をエピタキシャル成長により形成させ、ついでMgO層(40)を形成する。MgO層(40)は、エピタキシャル成長によって形成してもよく、たとえば高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングによる方法、またはこれらの組み合わせであってもよい。ついで、MgO層(40)上にNbN層(50)をエピタキシャル成長させる。本発明では、これらがエピタキシャル成長によって形成されることが好ましい。なお、NbN層(30)、MgO層(40)、NbN層(50)はそれぞれ、下部電極層、誘電層、上部電極層となる。 Next, as shown in FIG. 3, an NbN layer (30) and an MgO layer (40) are formed on the etching protection layers (21, 23) in order to form an epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS junction which is a multilayer structure. The NbN layer (50) is formed. First, an NbN layer (30) is formed on the etching protection layers (21, 23) by epitaxial growth, and then an MgO layer (40) is formed. The MgO layer (40) may be formed by epitaxial growth, and may be, for example, a method using high frequency sputtering or direct current reactive sputtering, or a combination thereof. Next, an NbN layer (50) is epitaxially grown on the MgO layer (40). In the present invention, these are preferably formed by epitaxial growth. The NbN layer (30), the MgO layer (40), and the NbN layer (50) are a lower electrode layer, a dielectric layer, and an upper electrode layer, respectively.
また、前記多層構造体であるNbN/MgO/NbN三層膜が、NbN/MgO/NbN−SIS接合として機能するために、誘電層となるMgO層(40)は超薄膜であることが必要である。このようなNbN/MgO/NbN−SIS接合の製造方法としては、従来公知の方法を応用することができる。 In addition, since the NbN / MgO / NbN trilayer film, which is the multilayer structure, functions as an NbN / MgO / NbN-SIS junction, the MgO layer (40) serving as a dielectric layer needs to be an ultrathin film. is there. As a method for producing such an NbN / MgO / NbN-SIS junction, a conventionally known method can be applied.
たとえば、図4に示すようにNbN/MgO/NbN三層膜上にフォトレジスト層(70)を塗布し、フォトリソグラフィにてパターニングを行う。三層膜の露出部分、すなわちNbN層(50)、MgO(40)、NbN(30)をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングなどにより除去し、その後溶剤にてフォトレジスト層(70)を除去する。次に、図5に示すようにレジスト(75)を塗布し、SIS接合部と成る部分以外のレジストをフォトリソグラフィにより除去し、三層膜の露出部分、すなわちNbN層(50)をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングにより除去する。その後絶縁層としてSIS接合部の周囲にMgO層(40)を形成する。ついで、フォトレジスト(75)を溶剤により除去することで、SIS接合部の上部に成膜されたMgO層(40)も除去する(リフトオフ法という)。次に、配線層(80)を形成するため、全面にNbN層をエピタキシャル成長によって成膜する。レジストを塗布し、配線層と成る部分以外のレジストをフォトリソグラフィにより除去、露出したNbN層をフッ素プラズマなど用いた反応性エッチングにより除去し、配線層(80)を形成する。その結果、図6に示すように、エッチング保護層であるNbN層(21)、MgO層(23)の上部に、多層構造体であるNbN/MgO/NbN−SIS接合(85)が形成される。 For example, as shown in FIG. 4, a photoresist layer (70) is applied on an NbN / MgO / NbN trilayer film and patterned by photolithography. The exposed portion of the three-layer film, that is, the NbN layer (50), MgO (40), and NbN (30) is removed by reactive etching using fluorine plasma or the like, and then the photoresist layer (70) is removed with a solvent. . Next, as shown in FIG. 5, a resist (75) is applied, and the resist other than the portion that becomes the SIS junction is removed by photolithography, and the exposed portion of the three-layer film, that is, the NbN layer (50) is fluorine plasma or the like. It is removed by the reactive etching used. Thereafter, an MgO layer (40) is formed around the SIS junction as an insulating layer. Next, the photoresist (75) is removed with a solvent, so that the MgO layer (40) formed on the SIS junction is also removed (referred to as a lift-off method). Next, in order to form a wiring layer (80), an NbN layer is formed on the entire surface by epitaxial growth. A resist is applied, the resist other than the portion that becomes the wiring layer is removed by photolithography, and the exposed NbN layer is removed by reactive etching using fluorine plasma or the like to form a wiring layer (80). As a result, as shown in FIG. 6, an NbN / MgO / NbN-SIS junction (85) as a multilayer structure is formed on the NbN layer (21) and MgO layer (23) as etching protective layers. .
ついでリン酸などをエッチング溶液として使用するウェットエッチングを行い、露出したMgO層を除去する。図7に示すように、配線層(80)の外周にあるMgO層(40)をリン酸(90)などで除去する。これによって、MgO層(40)と共にエッチング保護層であるMgO薄膜(23)の一部も除去されている。この工程により次にSIS接合の上にSiO2成膜した後は、エッチング剤にさらされるMgOは仮基板(10)のみとなる。なお、ウェットエッチングに使用するエッチング剤は、不要のMgOを除去することができれば、リン酸に限定されず他のものを使用することができる。 Next, wet etching using phosphoric acid or the like as an etching solution is performed to remove the exposed MgO layer. As shown in FIG. 7, the MgO layer (40) on the outer periphery of the wiring layer (80) is removed with phosphoric acid (90) or the like. Thereby, the MgO layer (40) and a part of the MgO thin film (23) which is an etching protective layer are also removed. After the next SiO 2 film is formed on the SIS junction by this process, the only MgO exposed to the etching agent is the temporary substrate (10). Note that the etching agent used for wet etching is not limited to phosphoric acid as long as unnecessary MgO can be removed, and other etching agents can be used.
次に、図8に示すように、SIS接合(85)の上にSiO2などの基板(60)を成膜する。このように、多層構造体としてNbN/MgO/NbN−SIS接合(85)を予め形成した後、該多層構造体の上にSiO2基板を形成することにより、実質的にSiO2基板上にSIS接合が配設された薄層デバイスを作成することができる。本発明において、基板(60)としてのSiO2は、高周波スパッタリングや直流反応性スパッタリングにより形成することができ、その厚さは、基板誘電率および使用目的周波数に応じて適宜選択可能である。一般に、1THzの場合、40μm以下となる。 Next, as shown in FIG. 8, a substrate (60) such as SiO 2 is formed on the SIS junction (85). Thus, after the NbN / MgO / NbN-SIS junction as a multilayer structure (85) is preformed, SIS by forming a SiO 2 substrate on the multilayer structure, the substantially SiO 2 substrate Thin layer devices can be created in which the junctions are disposed. In the present invention, SiO 2 as the substrate (60) can be formed by high-frequency sputtering or direct-current reactive sputtering, and the thickness can be appropriately selected according to the substrate dielectric constant and the intended frequency of use. Generally, in the case of 1 THz, it is 40 μm or less.
ついで、リン酸(90)などのエッチング剤を用いて仮基板(10)であるMgO基板をウェットエッチングにより除去する(図9参照)。次いで、ウェットエッチング保護層(21)として用いられたNbN薄膜を、反応性エッチング装置により除去する。最後にSIS接合の下部に残存するMgO薄膜(23)をリン酸により除去することにより図1に示す、目的とする薄層デバイスである超伝導素子が製造される。 Next, the MgO substrate as the temporary substrate (10) is removed by wet etching using an etching agent such as phosphoric acid (90) (see FIG. 9). Next, the NbN thin film used as the wet etching protective layer (21) is removed by a reactive etching apparatus. Finally, the MgO thin film (23) remaining in the lower part of the SIS junction is removed with phosphoric acid, whereby the superconducting element as the target thin layer device shown in FIG. 1 is manufactured.
本発明の作成方法によれば、該NbN/MgO/NbN−SIS接合を包み込むようにSiO2基板が形成される。SiO2基板の厚さは、使用周波数1THzではその誘電率から、40μm以下となる。本発明によれば、MgOなどの仮基板をエッチングにより除去するため均一な研磨技術が不要となり、かつ比較的誘電率の低いSiO2層を基板とできるため基板厚を十分に確保することができ、機械的強度に優れる超伝導素子を製造することができる。また成膜法でSiO2などの基板を成膜することから、優れた基板厚制御が可能となる。 According to the production method of the present invention, the SiO 2 substrate is formed so as to enclose the NbN / MgO / NbN—SIS junction. The thickness of the SiO 2 substrate is 40 μm or less due to its dielectric constant at a use frequency of 1 THz. According to the present invention, since a temporary substrate such as MgO is removed by etching, a uniform polishing technique is not necessary, and a SiO 2 layer having a relatively low dielectric constant can be used as a substrate, so that a sufficient substrate thickness can be secured. A superconducting element having excellent mechanical strength can be produced. Further, since a substrate such as SiO 2 is formed by a film forming method, excellent substrate thickness control is possible.
なお、接地導体を作製する場合は、エピタキシャルNbN/MgO/NbN−SIS接合上にSiO2を成膜した後に、さらに導体薄膜を成膜し、これにパターニングすればよい。 In the case of producing a ground conductor, after forming a SiO 2 film on the epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS junction, a conductor thin film may be further formed and patterned.
地球環境計測や電波天文学、通信などTHz周波数領域での受信機が必要とされている分野において、現在ニオブのギャップ周波数である725GHz以上で1.4THz以下の周波数領域では、エピタキシャルNbNは最も優れた低損失材料である。エピタキシャルNbNを用いた超伝導SIS電磁波受信機は、この周波数帯での優れた低雑音電磁波受信機となる可能性を有しており、またHEB電磁波受信機はSIS電磁波受信機が動作困難な数THzの周波数領域で優れた特性を有する低雑音電磁波受信機である。 In fields where a receiver in the THz frequency range is required, such as global environment measurement, radio astronomy, and communications, the epitaxial NbN is the most excellent in the frequency range of 725 GHz to 1.4 THz, which is currently the gap frequency of niobium. Low loss material. A superconducting SIS electromagnetic wave receiver using epitaxial NbN has a possibility of becoming an excellent low noise electromagnetic wave receiver in this frequency band, and an HEB electromagnetic wave receiver is a number in which the SIS electromagnetic wave receiver is difficult to operate. It is a low noise electromagnetic wave receiver having excellent characteristics in the frequency range of THz.
本発明は、このような領域での実使用に際して、機械的強度に、かつ低損失性に優れ、地球環境計測や電波天文学の分野、次世代無線通信などに用いる導波管用電磁波受信機全てに対して極めて有効な技術である。本発明によれば、薄層デバイスとして、優れたエピタキシャルNbN/MgO/NbN−SIS電磁波検出器などを、サブミリ波帯材料として有効なSiO2基板に構成することが可能となり、また従来の基板研磨技術を不要とすることができる。具体的にはサブミリ波帯におけるHEB、SISなど電磁波受信機、X線検出器、赤外線ボロメータ、テラヘルツ検出器などの各種検出器、その他半導体デバイス、超伝導体デバイスなどの薄層デバイスの作成に適用可能である。 The present invention is excellent in mechanical strength and low loss when actually used in such a region, and is applicable to all electromagnetic wave receivers for waveguides used in the field of earth environment measurement, radio astronomy, and next-generation wireless communication. This is an extremely effective technology. According to the present invention, an excellent epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS electromagnetic wave detector or the like as a thin layer device can be configured on a SiO 2 substrate effective as a submillimeter wave band material, and conventional substrate polishing can be performed. Technology can be eliminated. Specifically, it is applied to the creation of thin layer devices such as HEB and SIS electromagnetic wave receivers in the submillimeter wave band, various detectors such as X-ray detectors, infrared bolometers, terahertz detectors, and other semiconductor devices and superconductor devices. Is possible.
次に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は何ら本発明を制限するものではない。 EXAMPLES Next, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, these Examples do not restrict | limit this invention at all.
実施例1
本発明の薄層デバイスとして、SiO2基板上に、多層構造体としてエピタキシャルNbN/MgO/NbN−SIS接合を作成した薄層デバイスを作成した。
Example 1
As a thin layer device of the present invention, a thin layer device was prepared in which an epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS junction was formed as a multilayer structure on a SiO 2 substrate.
まず、厚さ300μmのMgO仮基板上に、NbN薄膜を100nmエピキシャル成長させ、次いで該NbN薄膜の上にさらにrfスパッタ法およびDC反応性スパッタ法によって厚さ20nmのエピタキシャルMgO薄膜をエッチング保護層として形成した。 First, an NbN thin film is epitaxially grown to a thickness of 100 nm on an MgO temporary substrate having a thickness of 300 μm, and then an epitaxial MgO thin film having a thickness of 20 nm is used as an etching protective layer on the NbN thin film by rf sputtering and DC reactive sputtering. Formed.
さらに、エッチング保護層であるMgO薄膜上に、NbNエピタキシャル成長させた厚さ200nmの下部電極層、ついで厚さ約0.7nmのMgO層をrfスパッタ法により形成し、ついでエピタキシャル成長により、厚さ200nmのNbN層を上部電極層として形成した。これを基にエピタキシャルNbN/MgO/NbN−SIS接合を作成、ついでエッチング剤としてリン酸溶液を用いて、NbN/MgO/NbN−SIS接合周囲のMgO層を除去した。ついで、高周波スパッタにより厚さ20μmのSiO2基板を、多層構造体であるNbN/MgO/NbN−SIS接合上に形成した。ついで、リン酸をエッチング剤として使用して、MgO仮基板を除去し、ついで反応性エッチングによりエッチング保護層であるNbN薄層を除去し、最後にリン酸を用いてエッチング保護層であるMgO層を除去した。 Further, an NbN epitaxially grown lower electrode layer having a thickness of 200 nm and an MgO layer having a thickness of about 0.7 nm are formed by rf sputtering on the MgO thin film serving as an etching protective layer, and then epitaxially grown to form a 200 nm thick layer. An NbN layer was formed as the upper electrode layer. Based on this, an epitaxial NbN / MgO / NbN-SIS junction was prepared, and then the MgO layer around the NbN / MgO / NbN-SIS junction was removed using a phosphoric acid solution as an etching agent. Next, a SiO 2 substrate having a thickness of 20 μm was formed on the NbN / MgO / NbN—SIS junction, which is a multilayer structure, by high frequency sputtering. Next, the MgO temporary substrate is removed using phosphoric acid as an etching agent, the NbN thin layer as an etching protective layer is removed by reactive etching, and finally the MgO layer as an etching protective layer using phosphoric acid. Was removed.
これにより、SiO2基板上に、多層構造体としてNbN/MgO/NbN−SIS接合からなる薄層デバイスを作成した。
実施例2
本発明の薄層デバイスとして、870GHz帯導波管用SISミキサを作成した。得られた導波管用SISミキサの顕微鏡写真を図10に示す。ここで図10(a)および図10(b)はSiO2基板上の導波管用SISミキサをダイシングソーで切断した図であり、図10(c)は約20μmのSiO2基板側からSISミキサ部を透過して観測した図である。
Thus, the SiO 2 on the substrate to form a thin layer device consisting of NbN / MgO / NbN-SIS junction as a multilayer structure.
Example 2
As a thin-layer device of the present invention, an 870 GHz band waveguide SIS mixer was prepared. A micrograph of the obtained waveguide SIS mixer is shown in FIG. Here, FIGS. 10A and 10B are diagrams in which a SIS mixer for a waveguide on a SiO 2 substrate is cut with a dicing saw, and FIG. 10C is a SIS mixer from the side of the SiO 2 substrate of about 20 μm. It is the figure observed through the part.
得られた導波管用SISミキサのSiO2基板のそり及び基板断面を評価した。結果を図11に示す。図11(a)に示すとおり、基板のそりは長さ約1mmの領域で評価した結果、周辺部より中央部が約0.7μm盛り上がっていることを確認した。このことは基板内のストレスが少なく優れた平面性を有していることを意味する。 The warpage of the SiO 2 substrate and the cross section of the obtained SIS mixer for waveguide were evaluated. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 11A, the warpage of the substrate was evaluated in a region having a length of about 1 mm. As a result, it was confirmed that the central portion was raised by about 0.7 μm from the peripheral portion. This means that there is little stress in the substrate and it has excellent flatness.
図11(b)に、レーザー顕微鏡によりSiO2基板厚を測定した結果を示す。基板厚は約21μmであり、これは成膜速度から予想される基板厚20.2μmとほぼ一致(誤差+4%)し、良好な基板厚制御性が得られていた。 FIG. 11B shows the result of measuring the SiO 2 substrate thickness with a laser microscope. The substrate thickness was about 21 μm, which almost coincided with the substrate thickness of 20.2 μm expected from the deposition rate (error + 4%), and good substrate thickness controllability was obtained.
また、このSIS接合の電流−電圧特性を評価した結果を図12に示す。SIS接合特有の非線形性とそれに伴うヒステリシス特性を確認できた。この接合は臨界電流密度Jc=30kA/cm2と高いため非線形性が弱くなっているが、エピタキシャルSIS接合の特有な高いギャップ電圧(5.3mV付近の電流の立ち上がり)と、1.3THzに相当する2.7mV付近まで確認できる接合構造に起因する明確な共振ステップが確認でき、エピタキシャルSIS接合がSiO2基板上に作製されていることを示している。 Moreover, the result of having evaluated the current-voltage characteristic of this SIS junction is shown in FIG. The non-linearity peculiar to the SIS junction and the accompanying hysteresis characteristics were confirmed. Since this junction has a high critical current density of Jc = 30 kA / cm 2 , the nonlinearity is weak, but it is equivalent to the characteristic high gap voltage (rise of current near 5.3 mV) of the epitaxial SIS junction and 1.3 THz. Thus, a clear resonance step due to the junction structure that can be confirmed up to around 2.7 mV can be confirmed, indicating that an epitaxial SIS junction is formed on the SiO 2 substrate.
10・・・MgO仮基板、21・・・エッチング保護層(非酸可溶性の岩塩構造物層)、23・・・エッチング保護層(誘電体層)、30・・・NbN層、40・・・MgO層、50・・・NbN層、60・・・基板、70・・・フォトレジスト層、75・・・フォトレジスト、80・・・配線層、85・・・SIS接合、90・・・リン酸。
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