JPH01169979A - ジョセフソン素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［目次］ 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するための手段（第１図）作用 実施例（第２〜４図） 一実施例 拡張 発明の効果 ［概要］ マイクロジャンクション型ジョセフソン素子に関し、安
定したジョセフソン接合を有するジョセフソン素子を提
供することを目的とし、基板上に被着され、狭幅の頚部
が形成された結晶構造の超伝導薄膜を有するジョセフソ
ン素子において、該頚部の、該基板とは反対側の面に形
成され、該結晶構造が破壊された絶縁部と、該絶縁部と
該基板との間に形成された、極薄の超伝導薄膜であるマ
イクロジャンクションと、を備えて構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明はマイクロジャンクション型ジョセフソン素子に
関する。

［従来の技術］ Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ・０系等の結晶構造酸化物超伝導体を用
いてジョセフソン接合を作る試みが各方面で行われてい
る。この種のジョセフソン接合では、現在までに、 ■酸化物超伝体とニオブ針を点接触させたもの、■超伝
導体に軽い衝撃を与えて破断面を形成し、内破断面を再
接触させたもの、及び、 ■不純物を混入してこれを析出させることにより超伝導
薄膜の粒界を形成したものが報告されている。

しかし、これらのジョセフソン接合は、接合点や接合面
の形成が偶然によるところが大きく、安定した接合が得
られないという問題点があった。

そこで、この問題点を解決するために、基板上に結晶構
造の酸化物超伝導薄膜を被着し、この超伝導薄膜に狭幅
のマイクロブリッジを形成してジョセフソン接合を作る
ことが試みられている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、マイクロブリッジの幅を１μｍかそれ以下に
しなければならず、これに対し結晶粒の直径が０．２μ
ｍ程度もあること等から、安定したジョセフソン接合を
有するジョセフソン素子を得ることが困難であった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、安定したジョセフ
ソン接合を存するジョセフソン素子を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 第１図は本発明の原理図である。

図中、ｌは基板、２は超伝導薄膜であり、結晶構造を有
し、基板ｉ上に被着されたもの、２１は狭幅の頚部であ
り、超伝導薄膜２に形成されたもの、２１ａは絶縁部で
あり、頚部２１の、基板ｌとは反対側の面に形成され、
該結晶構造が破壊されたもの、２１ｂはマイクロジャン
クションであり、絶縁部２Ｉと基板ｌとの間に形成され
た極薄の超伝導薄膜である。

１作用ｊ スパッタリング及びアニール等により基板ｌ上に結晶構
造の超伝導薄膜２を被着し、バターニング及びエツチン
グ等により該超伝導薄膜２に狭幅の頚部２１を形成し、
加速装置３により加速された荷電粒子を該頚部２１に入
射注入して、該結晶構造を深さ方向に部分的に破壊する
ことにより絶縁部２１ａを形成し、該絶縁部２１ａと該
基板ｌとの間に極薄の超伝導薄膜であるマイクロジャン
クション２１ｂを残してジョセフソン接合を得る。

［実施例］ （Ａ）−実施例 第２図は基板上に形成されたジョセフソン素子の外観斜
視図であり、！は基板、２は結晶構造の超伝導薄膜であ
る。この超伝導薄膜２は、狭幅の頚部２Ｉと、その両側
に広がったターミナル２２及び２３とからなり、基板１
上に被着されている。

基板ｌの材料は超伝導薄膜２との関係で選定され、熱膨
張係数が超伝導薄膜２と路間−であって、温度変化によ
り超伝導薄膜２に対し熱応力をほとんど加えないものが
好ましく、また、格子定数が超伝導薄膜２と路間−であ
って、基板ｌ上に超伝導薄膜２を結晶化しやすいものが
好ましい。基板Ｉの具体的な材料としては、超伝導薄膜
２が下記材料である場合には、サファイヤ、ＭｇＯ単結
晶、Ｓ　、Ｔ　ｔｏ　、単結晶またはジルコンを含有さ
せて安定化したイツトリウムの酸化物等が用いられる。

超伝導薄膜２の材料は、例えば、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ・０系
またはＬａ−８ｒ−Ｃｕ・０系等が用いられ、現在では
特に前記ＹＢａｔＣｕ＊０ｘ（Ｘ＝６．７〜７゜０）が
よく用いられている。

超伝導薄膜２は例えばスパッタリングにより基板ｌ上に
被着され、材料が前記の場合には、８５０℃の０．雰囲
気中で２時間アニールを行うことにより超伝導性を有す
る結晶が育成される。

第２図に示す超伝導薄膜２のパターンは、ホトレジスト
の塗布、パターンの露光、ホトレジストの現像及びリン
酸エツチングにより形成することができる。

頚部２１の中央部には、第３図に示す如く、頚部２１を
横切る所定幅の矩形表面を残してその両側に保護膜４が
被着される。この保護膜４はそれぞれ第２図に示すター
ミナル２２及び２３上のボンディング領域（図示せず）
を除く部分にも被着される。

保護膜４は超伝導薄膜２の表面が空気や空気中の水分に
触れて超伝導薄膜２が変質し、超伝導性が失われるのを
防止するためのものであり、超伝導薄膜２の材料が前記
具体例の場合には、保護膜４の材料としてＳｉＯｘ、Ｙ
　＊　ＯｓまたはＳ　ｉ３Ｎ　ａｓＳｉＣ等が用いられ
る。

保護膜４の間の超伝導薄膜矩形表面に垂直に荷電粒子ビ
ームを入射させ、この荷電粒子を超伝導薄膜２内に注入
し、これにより超伝導薄膜２の結晶構造を破壊して絶縁
部２１ａを形成する。この荷電粒子は加速してその速度
を制御できるものであればよく、Ａ、、ＣｕもしくはＦ
ｏ等のイオンビーム又は電子ビームが用いられる。

荷電粒子ビームのエネルギーは、経過時間に関し、絶縁
部２１の厚さ、超伝導薄膜の材料または荷電粒子ビーム
のエネルギー分布等に応じて、固定され、または連続的
もしくは段階的に変化される。例えば第４図に示す如く
、第１段階ではイオンを（Ａ）に示すような濃度分布に
なるよう注入し、次にイオンビームのエネルギーを下げ
て第２段階ではイオンを（Ｂ）に示すような濃度分布に
なるよう注入し、次にイオンビームのエネルギーをさら
に下げて第３段階ではイオンを（Ｃ）に示すような濃度
分布になるよう注入する。

このようにして、頚部２１において、基板ｌと絶縁部２
１ａとの間に極薄の超伝導薄膜であるマイクロジャクジ
ョン２１ｂを形成する。

従来では、頚部２１それ自体の形状によってンヨセフソ
ン接合を形成していたので、頚部２１の幅及び厚さを１
μｍ又はそれ以下にしなければならなかったが、本実施
例では、頚部２１を形成した後に、深さを制御可能な絶
縁部２１ａを形成することにより頚部２１の一部におい
て超伝導薄膜２を極薄にすることができるので、頚部２
１の厚さ及び幅を従来よりも大きくとることができる。

例えば、頚部２１の幅を５μ醜にし、頚部２１の厚さを
１〜５μにすることができる。ジョセフソン接合として
機能するかどうかは、マイクロジャクジョン２１ｂの縦
幅、横幅、厚さ及び超伝導薄膜の材料により、これらの
寸法の組み合わせには種々のものが許されるが、典型的
な数値としては、Ｙ　Ｂ　ａｙｃ　ｕｓｏ　ｘ多結晶薄
膜を使用した場合、縦幅ｔ　、　０〜５　、０　μｔｎ
　Ｘ横幅１　、０〜５　、０　ｐ　＠　Ｘ厚さ１．０μ
ｍである。

また、好ましいことに、絶縁部２１ａは保護膜として機
能し、頚部２１ｂの安定化を図ることができる。

（Ｂ）拡張 なお、上記実施例では頚部２１ｂの横幅全体にわたって
頚部２１ｂを形成した場合を説明したが、本発明はその
一部のみに頚部２１ｂを形成してもよい。たとえば、頚
部２１ｂの側部については深さ方向全体の結晶構造を破
壊してもよい。

［発明の効果コ 以上説明した如く、本発明に係るジョセフソン素子では
、基板上に被着された結晶構造の超伝導薄膜の頚部に荷
電粒子ビームを入射注入して結晶構造を破壊し、これに
より絶縁部を形成して、この絶縁部と基板との間に極薄
の超伝導薄膜であるマイクロジャンクションを形成する
構成となっており、荷電粒子ビームのエネルギーを制御
することにより、望む厚さのマイクロジャンクションを
形成することができ、したがって、該頚部の幅を広く取
ることができ、また、該絶縁部が保護膜として機能する
ので、安定したジョセフソン接合部を容易に形成するこ
とができるとい優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は本発明の一実施例のジジセフソン素子を示す外
観斜視図、 第３図は第２図の１点鎖線間の部分拡大図、第４図はイ
オンビームのエネルギーを３段階に切り換えてマイクロ
ブリッジ２１にイオンを注入した場合のイオン濃度分布
図である。 図中、！＝基板 ２：超伝導薄膜 ２１：頚部 ２１ａ：絶縁部 ２１ｂ：マイクロジャンクション ２２．２３：ターミナル 代理人　　弁理士　井　桁　貞　− ２１ａ　：絶縁部 ２１ｂ：ジョセフノン接合層 本発明の原理説明図 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　基板（１）上に被着され、狭幅の頚部（２１）が形成
   された結晶構造の超伝導薄膜（２）を有するジョセフソ
   ン素子において、 該頚部（２１）の、該基板とは反対側の面に形成され、
   該結晶構造が破壊された絶縁部（２１ａと、 該絶縁部（２１ａ）と該基板（１）との間に形成された
   、極薄の超伝導薄膜であるマイクロジャンクション（２
   １ｂ）と、 を有することを特徴とするジョセフソン素子。