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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10006862&local_id=10014781
고유조셉슨효과를 이용한 차세대 전자소자의 개발
Reports NRF is supported by Research Projects( 고유조셉슨효과를 이용한 차세대 전자소자의 개발 | 2005 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 김상재(제주대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00006
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 06월 19일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research Summary
  • Korean
  • 층상구조의 산화물(예, Bi2Sr2CaCu2O8+d, Bi-2212)은 선천적인 결정구조가 c축 방향으로 약 1.5 nm 간격의 주기적인 적층형태의 직렬어레이의 조셉슨 소자를 구성하고 있으나, 이러한 천혜의 결정구조를 이용하기 위해서는 c 축 방향의 완전 단결정성장이 필요하다. 그러나, a축 방향의 고품질 단결정 성장은 매우 어려움으로 c 축 단결정을 이용하여, 수속이온빔 3차원 가공법을 이용하여 S자 형태의 마이크로스케일부터 나노스케일 까지의 초미소 소자를 형성 해야한다. 따라서, 본 연구에서는 10 µm정도의 폭과 1 µm이하의 두께를 갖는 고품질 고이방성 물질인 Bi-2212 침상단결정을 육성하고, 이 침상단결정상에 집속이온빔 가공기술을 적용하는 것에 의해, 서브마이크론 크기의 홀을 가지는 dc SQUID 형상의 입체적인 미소단결정소자의 제작을 시도 하였다. 또한 종래의 사이즈가 큰 자속양자를 기초로 하는 조셉슨 집적회로의 개선을 위하여, 1µm 정도의 작은 자속 양자를 갖는 동산화물 단결정을 사용하여 고유조셉슨 소자를 제작하고, 초감도의 전자소자를 개발하기 위한 다양한 크기의 소자의 제작을 시도 하였다. 나노주기의 적층구조를 사용 하고, 3차원 집속이온빔 가공방법을 이용하여 수직면 및 측면으로부터 목표물을 가공, 초미소턴넬 층을 가지는 마이크로 및 나노크기의 자연적으로 형성된 1.5 nm 나노주기의 입체적 전자소자를 제작하고, 고품질의 c축 배향 산화물 침상단결정을 이용 하여, 서브마이크로 크기의 홀을 가지는 dc SQUID 형상 소자의 제작를 제작하였고, 임계 전류의 명확한 변조특성 및 외부자장 인가각도의 변화에 따른 사각형상의 주기적인 피크구조를 처음으로 관찰되었다. 본 연구에서 발견된 새로운 제 현상을 해석하기 위한 보충실험 및 해석이 진행되고 있다.
  • English
  • Our research focused on the development of high sensitivity magnetic sensor using layered structures in oxide Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi-2212) superconducting materials.
    A single crystal of a layered oxide superconductor naturally forms Josephson junction arrays (intrinsic Josephson junction) in which the superconducting CuO2 layers and the insulating Bi-O layers alter with a periods of 1.5 nm, eg. Bi2Sr2CaCu2O8+δ. The arrays show collective behaviors different from those of a conventional Josephson junction and be useful for the advanced microwave applications. The intrinsic Josephson junction have a longitudinal Josephson plasma mode propagating along the stacked direction in addition to the transverse mode along the junction plane. The junctions showed peculiar vortex states. Under a layer-parallel magnetic field, vortices were aligned in the insulating layers and are driven along the junction plane by the c-axis bias current. The sliding motion of the vortices excited the Josephson plasma inside the junction as their moving speed matches phase velocity of transverse propagating plasma. Our research extended to the fabrication of dc SQUID configuration systems combing the IJJs and the submicron hole on the same chip in order to find the moving of the vortex in the hole. We observed the clear critical current modulation with different incident angle of static magnetic field of 1T. We also observed the periodic rectangular peak structure. This new phenomena is now analyzing with additional experimental evidence.
    This research subject related to the intrinsic Josephson effect and device applications using layered structure in oxide superconductor by micro-patterning led and competed to the similar works in other advanced countries, Japan, European countries, and USA. By this research project, we fabricated the coupled IJJs and the submicron hole system and took rectangular step-like response up to several hundreds GHz. These new results indicate not only enlarging the field of superconducting electronics but also contributing the broadening of modern nanotechnology for the development of next generation devices.
Research result report
  • Abstract
  • 2005년 12월 23일부터 2006년 12월 21일까지 1년간 실시된, 본 방문 기간연구에서는 자연적으로 형성된 나노주기의 적층구조를 가지는 극미소 나노물질육성, 나노스케일의 초미세 가공 및 차세대 전자소자중의 하나인 적층구조 dc SQUID 소자에 대한 국제공동연구를 실시하였다. 이와 같은 연구는 인공적으로 제작된 초격자를 사용하여 가공하는 방법도 고려 될 수 있지만, 고품질의 결정성제어 및 이방성 등의 제어가 매우 힘들고, 재료 및 가공법의 부재에 의하여 실현되지 못하였다. 따라서, 신청자가 보유한 초미소 산화물 고온 초전도체의 침상단결정 육성 및 집속이온빔 3차원 가공에 의한 입체적인 전자소자의 제작방법을 이용하여 고품질의 c축 배향 산화물 침상 단결정 내에 천연적으로 존재하는 나노주기의 적층구조를 제작하였다. 또한, 수 마이크론 스케일의 초미소 턴넬층을 가지는 차세대에 실용적인 용용을 위한 dc SQUID 소자를 제작하고 자장에 의한 임계전류 의존성 및 각도의존성 등을 측정 및 평가 하였다. 미소 단결정 재료는 본 연구실에서 성장된 물질을 사용하고, 소자의 제작평가는 캠브리지대학 디바이스재료 그룹과 나노연구센터에서 행하였다.
    현재 개발되고 있는 차세대 전자소자의 제작은 반도체 혹은 저온초전도체의 조셉슨 소자를 나노 스케일까지 극소화하여 면적을 작게 함으로써 소자의 접합용량을 제어하는 방법이다. 이러한 소자 실현에 있어서의 문제점은 소자의 크기가 아주 미세하게 되면 전자의 양자성이 확연하게 표출되게 되고, 미세한 가공에 의하여 표출되는 거시적 양자효과를 새로운 전자장치의 원리로 이용하는 연구가 필요하며, 소자간의 간섭현상과 더불어 소자자체가 파괴되기 쉬운 특성을 가지고 있다. 또한, 층상구조의 산화물(예, Bi2Sr2CaCu2O8+d, Bi-2212)은 선천적인 결정구조가 c축 방향으로 약 1.5 nm 간격의 주기적인 적층형태의 직렬어레이의 조셉슨 소자를 구성하고 있으나, 이러한 천혜의 결정구조를 이용하기 위해서는 c 축 방향의 완전 단결정성장이 필요하다. 그러나, a축 방향의 고품질 단결정 성장은 매우 어려움으로 c 축 단결정을 이용하여, 수속이온빔 3차원 가공법을 이용하여 S자 형태의 마이크로스케일부터 나노스케일 까지의 초미소 소자를 형성 해야한다. 따라서, 본 연구에서는 10 µm정도의 폭과 1 µm이하의 두께를 갖는 고품질 고이방성 물질인 Bi-2212 침상단결정을 육성하고, 이 침상단결정상에 집속이온빔 가공기술을 적용하는 것에 의해, 서브마이크론 크기의 홀을 가지는 dc SQUID 형상의 입체적인 미소단결정소자의 제작을 시도 하였다. 또한 종래의 사이즈가 큰 자속양자를 기초로 하는 조셉슨 집적회로의 개선을 위하여, 1µm 정도의 작은 자속 양자를 갖는 동산화물 단결정을 사용하여 고유조셉슨 소자를 제작하고, 초감도의 전자소자를 개발하기 위한 다양한 크기의 소자의 제작을 시도 하였다. 나노주기의 적층구조를 사용 하고, 3차원 집속이온빔 가공방법을 이용하여 수직면 및 측면으로부터 목표물을 가공, 초미소턴넬 층을 가지는 마이크로 및 나노크기의 자연적으로 형성된 1.5 nm 나노주기의 입체적 전자소자를 제작하고, 고품질의 c축 배향 산화물 침상단결정을 이용 하여, 서브마이크로 크기의 홀을 가지는 dc SQUID 형상 소자의 제작를 제작하였고, 임계 전류의 명확한 변조특성 및 외부자장 인가각도의 변화에 따른 사각형상의 주기적인 피크구조를 처음으로 관찰되었다. 본 연구에서 발견된 새로운 제 현상을 해석하기 위한 보충실험 및 해석이 진행되고 있다. 이 결과는 영국 런던과 호주 시드니에서 개최된 국제학회에서 초청연사로 발표 하였고, 국제 저명학술지에 2007년 7월경에 발간 예정에 있다.
  • Research result and Utilization method
  • dc SQUID형상의 적층구조소자를 제작하고 강자장 하에서 그 응답특성을 조사하였다. 자속양자를 다수의 접합에 걸친 동위상에서 운동과 홀의 결합에 의한 구조로부터 그 특성을 평가 하였고, 그 응답특성으로부터 기대했던 것 보다 명확한 전류의존성을 얻을 수 있었다. 또한 동 간격의 피크구조를 가지는 인가자장의 각도 의존성을 관찰하였다. 계속적인 소자의 평가 및 설계의 개선이 필요하고, 실용화를 위해서는 균일한 특성을 가지는 새로운 구조도 제안된다. 이러한 결과를 바탕으로 하여, 후속연구가 계속진행 된다면 강자장 하에서 고밀도의 자속양자를 이용한 다수의 접합에 걸친 자속운동과 dc SQUID형상의 홀에서 생기는 자속의 거동에 의한 새로운 현상의 해석이 가능하게 되고, 고감도 자기장치 뿐 만 아니라, 고유조셉슨접합을 이용한 차세대 전자소자 개발이 가능하게 될 것으로 사료된다.
  • Index terms
  • 초미세가공, MEMS, 차세대전자소자, dc SQUID, 나노주기, 적층구조, 집속이온빔가공, 단결정 위스커, 고유조셉슨접합
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