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*조셉슨 접합

조셉슨 터널링 접합
초전도 디지털 전자소자는 조셉슨 접합을 이용하는 기술이다. 조셉슨 터널링 접합이란 그림 1(a)에 나타낸 바와 같이 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연체(barrier)가 있는 구조를 가지고 있다. 이 경우 접합을 바이어스 시키지 않아도 Cooper pair의 터널링이 일어나며 접합에 전류원을 연결하여 전류를 인가할 경우 접합의 임계전류까지는 전류를 증가하여도 전압이 걸리지 않으면서 Cooper pair에 의해 barrier의 양단에 전류가 흐르게 된다. 이러한 조셉슨 접합의 특성은 초전도체만이 가지는 매우 독특한 현상으로서, 이를 바탕으로 한 초전도 물성 연구와 이 현상을 이용한 응용소자의 개발 등에 많은 연구가 집중되고 있다.
고온초전도 접합의 경우와 같은 weak link 접합과 달리 절연층이 완벽한 절연층으로 되어 있는 터널 접합의 경우에는 전류가 전자쌍들에 의해서만 흐르게 된다. 그러나 일반적으로 절연층이 완전하지 않을 경우 콘덴서의 변위 전류, 전압 의존성을 가진 컨덕턴스에 의한 준입자 터널링 및 절연층의 누설전류 등의 단일 입자(single-particle)에 의한 전류가 흐르게 된다. 그림 1(b)는 이것을 등가회로로 표시한 것이다. 여기서 Icsin 는 순수한 pair 터널링에 의해 흐르는 전류를 나타낸 것이고, C는 축전기의 변위 전류, G는 준입자 터널링 및 축전기의 누설 전류가 존재함을 나타낸 것이다.
그림1. 초전도 조셉슨 접합의 모식도(a) 및 등가회로(b)
고온초전도 조셉슨 접합
우수한 특성의 조셉슨 접합 제작을 위해서는 균일한 성질을 가지는 잘 정의된 barrier가 필수적으로 요구된다. 크기와 물성이 잘 정의된 barrier에 의한 조셉슨 접합 제조시 고려해야 할 기본적인 조건은 다음과 같다.
- 조셉슨 접합의 barrier는 그 길이(d)와 넓이(W)가 동시에 barrier에서의 coherence length( n)보다 크지 않아야 한다. 그렇지 않을 경우 접합 내부에 vortex가 생성되어 이것이 움직임에 따라 초전도 전류가 변하게 되어 일반적인 조셉슨 접합의 성질이 나타나지 않게 된다.
- 접합의 넓이는 조셉슨 자장침투깊이( i)보다 크지 않아야 한다. 그렇지 않으면 접합 내에서의 임계전류밀도가 shielding 전류에 의해 불균일해 진다. 접합의 임계전류밀도가 104A/cm2일 때 i는 약 3 ㎛ 정도이다.
- 접합의 기하학적인 구조와 접합 물질의 유전율에 의해 정해지는 접합의 정전용량(capacitance)이 작아야 한다.
- 접합의 I-V특성의 hysteresis를 없애기 위해서는 McCumber parameter( c)가 1보다 작아야 한다.
고온초전도 조셉슨 접합은 크게 입계를 이용한 접합(grain boundary junction)과 proximity 효과를 이용한 접합으로 나눌 수 있다. 입계를 이용한 접합은 bicrystal 접합, biepitaxial 접합, step edge 접합 등이 있고 proximity 효과를 이용한 접합에는 귀금속 접합, edge 접합, trilayer 접합 등이 있다. 그림 2에 이들 접합에 대한 개략도를 나타내었는데, 각각에 대하여 간단히 설명하면 다음과 같다.

Bi-crystal 접합
Bi-crystal 조셉슨 접합은 bi-crystal 기판 위에 고온초전도 박막을 epitaxial하게 성장시킴으로서 얻어 진다. Bi-crystal 기판은 두 개의 기판을 서로 다른 방향으로 접합한 것으로서 [001] 혹은 [100]방향 tilt, [100]방향 twist 형태가 가능하다. 접합의 임계전류밀도는 기판 사이의 각도의 함수로 주어지며 각도가 0°에서 45°로 변할 때 임계전류 밀도는 약 1000배 감소함이 알려져 있다. 보통 약 24°의 [001] 방향 tilt bi-crystal이 많이 사용되고 있다.
Bi-epitaxial 접합
Bi-epitaxial 조셉슨 접합은 seed layer가 있고 없는 경계부분에 생기는 입계를 이용한 조셉슨 접합이다. 대표적인 bi-epitaxial 조셉슨 접합은 SrTiO3 기판 위에 약 10nm의 MgO seed layer, 그리고 그 위에 약 20nm의 CeO2 buffer layer를 이용한 것이다. CeO2의 격자 상수는 SrTiO3의 약 2배 정도로 기판 위에서는 CeO2가 [110] 방향으로 성장한다. 그러나 CeO2와 SrTiO3 격자 상수의 중간값을 가진 MgO layer가 SrTiO3[100] 기판 위에 증착된 경우에는 CeO2는 [100]방향으로 성장한다. 따라서 그 위에 증착되는 YBCO박막은 MgO seed layer의 경계에서 45°입계를 형성하게 된다.
Step edge 접합
기판 위에 ion milling으로 step을 만든 후 고온초전도 박막을 증착하면 step의 윗부분과 아랫부분에 입계가 형성되는데 이런 형태의 조셉슨 접합을 step edge 조셉슨 접합이라 한다. 접합 양단을 지나는 임계전류 밀도는 step의 각도, step의 높이와 증착된 고온초전도 박막의 두께의 비의 함수로 주어진다. SrTiO3 혹은 LaAlO3 기판의 경우는 step의 각도가 45°이상으로 클 때만 step 부분에 c축이 서로 수직인 grain이 생기는데 비해, MgO 기판의 경우는 step의 각도가 작은 경우에도 입계가 생성될 뿐 아니라 step의 각도와 같은 각도로 c축이 어긋난 입계가 형성됨이 알려져 있다. Step edge 조셉슨 접합은 제작이 간편한 장점이 있으나 특성 분포가 좋지 않아 한정된 분야에서만 활용되고 있다.

귀금속을 이용한 조셉슨 접합

기판 위에 step edge 조셉슨 접합 제작 방법과 같은 방법으로 step을 만든 후 이어서 고온초전도 박막을 step에 대하여 비스듬히 증착함으로서 step 위와 아래의 고온초전도 박막 사이에 틈이 형성되도록 한 후 은을 in-situ로 증착한다. 이 방법에서는 고온초전도 박막과 은의 증착이 in-situ로 이루어져 계면저항을 작게 할 수 있다는 장점이 특징이다.이 경우 고온초전도체의 면 방향으로는 proximity효과를 이용한 조셉슨 접합 현상이 관찰되나 c축 방향으로는 조셉슨 접합이 형성되지 않는다. 따라서 c축 방향의 은을 제거하면 이는 임계전류 밀도에는 영향을 주지 않고 접합의 저항만을 크게 할 수 있다. 이를 위해 은 증착 후 step에 대해 비스듬히 ion milling하여 c축에 수직방향으로 연결된 은을 제거하여 특성을 향상시킨다.

Ramp-edge 접합

Ramp-edge 형태의 고온초전도 조셉슨 접합의 기본 구조는 그림 2(e)에서 보이는 바와 같다. 고온초전도 박막 및 절연층을 먼저 증착한 후, 비스듬이 ion milling하고, 얇은 barrier 층을 증착하고, 그 위에 다시 고온초전도 박막을 증착하는 구조이다. 널리 사용되는 metallic 산화물은 CaRuO3, PrBa2Cu3Ox, Co-doped YBCO 등이나, 최근에는 barrier 층을 증착하는 대신 ion beam 조사나 플라즈마 처리 방법 등을 이용하여 계면을 처리하는 방법을 사용하여 우수한 특성의 접합을 얻고 있다. 현재 알려진 방법 중 가장 우수한 특성의 접합을 제작할 수 있기 때문에 복잡한 구조의 전자소자에는 이 방법이 가장 널리 사용되고 있다.

Trilayer 형태의 고온초전도 조셉슨 접합

Trilayer 형태의 고온초전도 조셉슨 접합은 고온초전도 박막을 증착한 후 절연 박막 또는 반도체 박막을 증착하고, 그 위에 다시 고온초전도 박막을 증착한 고전적인 샌드위치형의 구조이다. 앞에서 본 금속 산화막을 이용한 edge형태의 고온초전도 조셉슨 접합과 같이 절연 또는 반도체 박막에서의 핀홀과 내부확산이 문제이다. 면 방향으로의 coherence length가 큰 것을 이용하기 위해 기판 표면에 대해 a축 수직인 고온초전도 박막에 대한 연구도 많이 보고된 바 있으나 접합 단면을 작게 하기 어려운 점 등의 단점이 있어 널리 사용되고 있지 못한 방법이다.
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