[其他]超导器件

说明书

本发明是关于一种工作在液氮温度或该温度以上温区，并特指容易制造和运行稳定的超导器件。

到目前为止，诸如铌三锗（Nb₃Ge）等材料已被用于制造可在较高温度运行的超导器件。关于这一技术，H.Rogalla等人已在“IEEE Transactions，”MAG-15，536（1985）〕中讨论过。

一种先有的超导器件制造技术，其中制造由多个超导电极同半导体或正常金属耦合在一起显示超导性的超导器件制造技术，R.B.Van    Dovor等人已在（“Joarnal    of    Applied    Physics”Vol.52，P.7327，1981〕中做过讨论。另外，一种在上面超导器件上利用场效应原理能够控制超导电极间耦合的三端超导器件，T.D.Clark等人也已在〔Journal    of    Applied    Physics，”Vol.5，P.2736，1980〕中讨论过。这种三端超导器件的剖面结构如图1所示。在这种器件中，流径基底1上的半导体层2和设置在与之相接触的两个超导电极3a和3b的电流值，能够靠改变电极3a和3b之间的控制极5上的电压，改变其超导邻近效应的方法来控制。控制极5通过一层电绝缘膜4布置在半导体膜2上。

这种先有三端超导器件技术已经使用了铅（Pb）、铅合金、铌（Nb）和铌化合物做为其超导电极的材料。但是为使这种采用这些材料的超导器件能够运行，必须将其放在温度接近液氮温度（4.2K）的环境气氛中。而且，为了增强两个超导电极间的超导邻近效应的影响，两个超导电极的间距必须在0.5um以内，使这种器件在制造上变得十分困难。

另外，在这种三端超导器件的先有技术中，超导电极和半导体成正常导体都已用过不同元素的材料来制造。例如，超导电极的材料用铌（Nb），铅合金和锡（Sn）等材料中的任何一种，而半导体或正常导体的材料用硅（Si），砷化锢（InAs）和铜等材料中的任何一种。可是，这些材料组合还说明，这种器件是由电性质完全不同的超导体材料、半导体材料或正常导体材料的堆积组合构成的。这种超导器件的结构也就是在半导体或正常导体的表面上覆盖一层由不同材料构成的超导体膜。在此情况，超导体的特性对导体或半导体的表面状态非常敏感，而使这种结构器件的特性很容易变化。这给重复制造带来很大困难。

这些超导体超导临界温度（Tc）大都在10-20K左右。这说明其器件的特性会由于温度变化等原因而易于变得不稳定。

由于这种先有技术的三端超导器件主要是在液氦温区运行，其冷却是靠浸泡在液氦中或用氦气冷却的方法进行的。可是液氦很昂贵，并且做为制冷剂是不经济的。另一个问题是，由于液氦的温度要比室温低得多，器件本身的掌握等问题都很困难。液氦的这些问题直接导致这种超导器件本身在经济和掌握方面的问题。

另外，以前用的超导材料都是多晶或者非晶。对于多晶材料，要精确地进行微制造成0.5um或更小的部件是困难的。再者，如果作为超导体所用材料的超导性质，依赖于晶体的取向，那么这种多晶材料的晶粒取向就需要在超导体的每一制造过程中严格控制，可是一般来说，这种控制是很困难的，会有在制造过程中器件特性的差异变大的问题。

具有超导弱连接的先有技术的三端超导器件结构上的特征是所谓的“微桥”，这种“微桥”是一超导薄膜部分地构成的塞状物，它起到弱连接性质的作用。特别是对于铌（Nb）型超导材料，光刻或电子束刻蚀制板工艺和用于生成超导薄膜的工艺技术已被结合用于制造超导弱连接元件。这样的弱连接元件已被应用于能够探测微弱磁场的磁通量子探测器或高灵敏度微波/毫米波探测器。这种磁通量子探测器具有10^-9奥斯特（Oe）这样高的磁通分辩能力，被用于磁脑电图和磁心电图探测器。这种弱连接元件的微波探测范围能够覆盖住不能用其它半导体器件探测到的10¹²赫兹（Hz）的高频段。如此，备有超导弱连接元件的超导器件做为电磁波探测器具有优异的性能。然而，由于先有技术中的这种超导器件中的铌（Nb）型超导材料的临界温度只有23K或更低，因此用铌型超导材料形成的这种超导器件只能在液氦中（4.2K）运行。

这个例子引自〔“IEEE    Transactions    on    Magnetics”，Vol.MAG21，No.2，MARCH1985，PP932-934。〕

本发明的第一个目的是提供一种对温度变化稳定，并且能够在液氦温度或液氦以上温度运行的超导器件。