JPH01218077A - 超伝導体装置及び超伝導体装置の製造方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は高Ｔｃ超伝導体材料を用いた超伝導体装置に係
り、更に詳しくは、高Ｔｃ超伝導体材料を用いた簡単で
実用的な装置及びその製造方法に関する。本発明の装置
は高Ｔｃ超伝導体材料中に弱い結合（リンク）あるいは
接合バリヤとしての結晶粒界（欠陥部）を有する平面的
構造である。

このような構造は大きな余裕度をもって量産され得る。

Ｂ、従来技術 Ｊ、　Ｇ、　Ｂｅｄｎｏｒｚとに、　Ａ、　Ｍｕｅｌｌ
ｅｒの２゜Ｐｈｙｓ、　Ｂ、　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ　　
Ｍａ　ｔｔ　ｅ　ｒ　６４．１８９（１９８６）及びＥ
ｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ。

上、３７９（１９８７）に報告された注目すべき発見は
超伝導技術の方向と重要性を完全に変えてｊ〜まった。

彼等の発見とはある種の金属酸化物が２３Ｋｉはるかに
越える臨界温度を示し得るということである。そのよう
な物質はしばしば「高Ｔｃ超伝導体」と言われる。１３
ｅｔｌｎｏｒｚとＭ　ｕ　ｅ　ｌ　１　ｅ　ｒの最初の
発見以来、膨大な量の研究と開発が世界中で行なわれ、
超伝導温度範囲を拡張するため及び超伝導の仕組みを理
解するためにこの種の超伝導体材料の研究が続けられて
来た。

ＢｅｄｎｏｒｚとＭｕｅｌｌｅｒは混合銅酸化物におけ
る超伝導挙動を最初に示した。この混合銅酸化物とは典
型的には希土類元素及び／または希土類元素に類似の元
素及びアルカリ土類元素、例えばＬａ％Ｂａ、Ｓｒ等を
含み、ペロブスカイトのような構造を有している。Ｙ　
−Ｂ　ａ　−Ｃｕ　−０系の「１−２−５」相と呼ばれ
る相全含む物質が７７Ｋを超える臨界温度を示すことが
知られている。Ｒ，Ｂ。

Ｌａｉｂｏｗｉｔｚ等は最初にこのような物質薄膜を形
成している。その構造及び製造については本出願人によ
る米国特許出願第２７５８４号（１９８７年３月１８日
出願）に記載されている。Ｒ，Ｂ。

Ｌａｉｂｏｗｉｔｚ等の研究はＰｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｂ、
３５．８８２１（１９８７）にも記述されている。それ
らによると、蒸気移送方法が採用されており、超伝導薄
膜の成分が酸素雰囲気中で蒸発されて基板上に堆積され
、その後に、堆積された薄膜がアニールされる。

高Ｔｃ超伝導体、そのうちで特に大きな臨界電流を有す
る高Ｔｃ超伝導体についての他の報告はＰ、Ｃｈａｕｄ
ｈａｒｉ等のＰｈｙｓ、　Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔ、　　５
旦、２８６４、Ｊｕｎｅ　　１９８７である。Ｐ。

（：ｈａｕｄｈａｒｉ等はＳ　ｒ　Ｔ　ｓ　Ｏｚ、のよ
うな基板上に形成された高Ｔｃ超伝導体のエピタキシャ
ル薄膜について述べており、その７７Ｋにおける臨界電
流は１０５Ａ／ｃｍ２を超えている。

この他に高Ｔｃ超伝導体材料の薄膜あるいは層の堆積に
関するものとして、本出願人による米国特許出願第４３
５２３号（１９８７年４月２８日出願）、同第１２１９
８２号（１９８７年１１月１８日出願）がある。米国特
許出願４３５２３号はプラズマ・スプレー・コーティン
グ・プロセスについて述べ、米国特許出願１２１９８２
号は溶液からのスプレーにより基板を被覆して超伝導体
の薄膜を形成してからそれをパターン化することにより
高Ｔｃ超伝導体材料のパターン化された鳩ケ形成する方
法を述べている。

高Ｔｃ超伝導体薄膜のエピタキシャル成長がＳ　ｒ　Ｔ
　ｉＯ３ｋ含む幾つかの基板上に行なわれている。特に
、大きな臨界電流を流すことのできる超伝導薄膜のエピ
タキシャル成長についてはＰ。

Ｃｈａｕｄｈａｒｉ等のＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅ
ｗ　Ｌｅｔｔ’ｅｒｓ。

５８．２６８４、Ｊｕｎｅ　　１９８７に記述されてい
る。

ＢｅｄｎｏｒｚとＭｕｅｌｌｅｒの最初の研究は高温超
伝導性を示す他の銅酸化物組成物へと拡げられた。これ
らの他の組成物は希土類元素を含まず、その代わりにＢ
ｉのような元素を含んでいる。その代表例は、約１１５
にで電気抵抗の降下を示し８０にで零抵抗に遷移するＢ
１−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ　−０系の１つの物質である。Ｃ
，Ｍｊｃｈｅｌ等は２゜Ｐｈｙｓ、Ｂ−Ｃｏｎ’ｄｅｎ
ｓｅｄ　　Ｍａｔｔｅｒ、６８．４１２（１９８７）で
２２にの臨界温度の希土類元素を含まないＢ１５ｒＣｕ
Ｏ系の超伝導性について報告している。前田及び日中は
日本物理学会誌で発行されることになっている予稿で新
しいＢ１５ｒＣａＣｕＯ組成物が８０にで抵抗がなくな
り約１１５にではつきりした抵抗の降下があることを示
した。

前田及び日中の研究はＣ，Ｗ、Ｃｈｕ等及びＨａｚｅｎ
等によって確認され、これらの研究はビスマス含有の銅
酸化物の構造全記述している。

約５０に金超える臨界温度全示す銅酸化物超伝導体材料
は一般に「高Ｔｃ超伝導体」として知られている。本明
細書で高Ｔｃ超伝導体という場合には、その結晶構造中
に希土類元素あるいは希土類元素に類似の元素を含む場
合だけでなく含まない場合も含むものとする。これらの
物質は銅酸化物を基本とする超伝導体であり、超を流に
寄与すると考えられるＣｕ−０プレーンを含み、Ｃｕ　
−０ブレーンは組成物中で他の元素から分離されあるい
はグループとなって分離されている。

高温超伝導体の出現は、それまでの超伝導体から製造さ
れる超伝導装置の場合よりもはるかに高い温度で動作す
る数多（の接合装置を誘発した。

しかし、ものになる装置を作ることは容易ではなかった
。動作し得る装置の最初の報告はＲ，Ｋｏｃｈ等による
５ＱＵＩＤ（量子干渉デバイス）装置であり、その装置
では高Ｔｃ超伝導体が用いられ、高Ｔｃ超伝導体間をつ
なぐ弱いリンクを形成するために高エネルギー線が用い
られた。このようにして、弱いリンク領域を有する超伝
導ループが形成され且つ５ＱＵＩＤとして動作した。こ
の技術については本出願人による米国特許出願第７−０
３７９１２号（１９８７年４月１３日出願）に記載され
ている。

ＹＢａ２Ｃｕ２Ｏ７−ｘのような高Ｔｃ超伝導銅酸化物
を繰り返し薄膜に形成することは可能だが、ジョセフソ
ン・トンネリング電流を示す全ての高Ｔｃ接合をうま（
製造することはできなかった。

そのような装置では、高Ｔｃ超伝導体から成る２つの超
伝導体層がトンネル・バリヤとして働（薄い（１０から
５０オングストローム）層で分離されている。酸化物物
質をバリヤ層として用いることができる。しかしながら
、高Ｔｃ銅酸化物超伝導体は、薄膜であってもバルクで
あっても、典型的には約９００℃という高温での酸素雰
囲気中でアニール処理を必要とする。この高温処理は、
非常に薄い絶縁性トンネル・バリヤ上に高Ｔｃ超伝導体
材料から成る反対電極を堆積させることを不可能ではな
いにしても極めて困難にさせる。一般に、高温処理は接
合部の質全深刻に低下させる。

高Ｔｃ超伝導体材料のもう１つの特徴はコヒーレンス長
さが極めて短いということである。コヒーレンス長さは
相関する超伝導電子対の距離の目安である。このような
高Ｔｃ超伝導体材料ではコヒーレンス長さは典型的には
１０かも３０オングストロームであり、これは、それま
での超伝導材料（ｌＤ１０００オングストロームという
コヒーレンス長さと際立って相違している。そのような
短いコヒーレンス長さはジョセフノン接合装置における
プレーナ構造や弱いリンク（結合）のトンネル・バリヤ
全作る上での障害となる。弱い結合装置では、非常に狭
いくびれ部が２つの広い超伝導領域間の弱い結合バリヤ
として働き、ジョセフソンに似た特性が得られる。しか
しながら、高Ｔｃ超伝導体ではコヒーレンス長さが極め
て短いので、くびれ部がコヒーレンス長さと同程度でな
ければ弱い結合としての機能を果さない。そのような寸
法の（ひれ部を作ることは容易ではない。プレーナ接合
が形成されても、高Ｔｃ超伝導体のコヒーレンス長（約
１０オングストローム）と同程度の厚さのトンネル・バ
リヤ層を信頼住良（堆積させることは非常に困難である
。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は前述の問題点が解決された高Ｔｃ超伝導
体材料を用いた実用的装置を提供することである。

本発明の他の目的は高Ｔｃ超伝導体材料だけを用いた実
用的な接合及び弱い結合を利用する超伝導体装置の再現
性の優れた製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は弱い結合即ち接合領域が特定の配置
関係に正確に配置されるようなプレーナ構造の超伝導装
置及びその製造方法を提供することである。

本発明により接合装置即ち弱い結合装置が２つの高Ｔｃ
超伝導結晶粒の間の結晶粒界を用いて形成される。結晶
粒′界は非常に狭く（その超伝導体材料のユニット・セ
ルの大きさとほぼ同程度であり、約１０オングストロー
ムである。）、その電気抵抗のような電気的特性を変え
ることが容易であり、異なる装置特性を作ることができ
る。特に、正確に特定された結晶粒界を有する基板上に
高Ｔｃ超伝導体材料の薄膜をエピタキシャル成長させる
ことによりプレーナ構造が設けられる。このようにして
、基板内の結晶粒界がエピタキシャル超伝導体薄膜に再
現して形成される。他の表現をすれば、エピタキシャル
成長が基板の多結晶構造を高Ｔｃ超伝導体薄膜中に写像
することになる。

結晶粒界が従来の超伝導装置においてもそこを横切る電
子の流れに対してバリヤとなることは既に知られている
。そのような装置はバウンダリー会しイヤーφジョセフ
ソン接合装置ともいわれ、以下の文献で紹介された。

Ｍ、Ｉｔｏ等の日本応用物理学会誌２１、Ｎ００６、ｐ
ｐ、　Ｌ３７５−３７６．６月１９８２年。

Ｍ、Ｉｔｏ等のＡｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、旦、
（５）ｐｐ、３１４．８月１９８３年。

Ｔ、　Ｉｎａｍｕｒａ等の日本応用物理学会誌ｌユ、補
遺２１−１、ｐｐ、３１３−３１８．１９８２年。

これらの文献に述べられている装置は超伝導薄膜が基板
上に堆積されるときに無秩序に発生する結晶粒界を用い
ている。これら超伝導体は一般にＢＰＢ薄膜と呼ばれる
。それは、それらがペロブスカイト型構造を有するＢａ
、　Ｐｂ、及びｂｉの酸化物の組み合せだからである。

しかしながら、これらの文献は特性がきちんと制御され
再現性良く製造され得るような結晶粒界接合装置を形成
する方法を何ら教示していない。これらの文献が述べて
いるのは、約１３にという低い臨界温度を有する物質に
おける無秩序に発生されて無秩序に配置された結晶粒界
を利用する装置である。

これらの文献及び他の文献と更に比較すると、本発明の
装置は高Ｔｃ超伝導体材料のエピタキシャル層から形成
されている。エピタキシー（エピタキシャル成長）は、
多結晶よりも本発明では基板及び超伝導薄膜に用いられ
るような単結晶に関して利用される。

Ｍ、５ｕｚｕｋｉ等はＢＰＢの結晶質層を用いたプレー
ナ型のジョセフソン型装置の形成について日本応用物理
学会誌且、（３）、ｐｐ、１６２２．３月１９８２年の
中で述べている。この構造では、２つのＢＢＢの超伝導
体層がＢＰＢと同じ結晶構造を有する絶縁性酸化物から
成る絶縁性トンネル・バリヤによって分離されている。

そのような構造では高Ｔｃ超伝導体材料を用いることが
できなかった。というのは、上述したように高Ｔｃ超伝
導体という新しい超伝導体の製法では高温処理を安し、
そのコヒーレンス長さは極め【短いからである。

従って、本発明の他の目的は高Ｔｃ超伝導体材料中に選
択して設けられた結晶粒界を利用した実用性のある装置
を提供することである。

本発明の他の目的は高Ｔｃ超伝導体材料を用いた結晶粒
界超伝導装置を再現性良（製造する方法を提供すること
であり、その方法では装置の特性が一定でありまたその
装置の構造はプレーナ型で容易且つ再現性良（製造され
るというものである。

本発明の他の目的は、高Ｔｃ超伝導体を用い次装置であ
ってどちらか言えばむしろ障害物として考えられていた
性質を効果的に用いるような装置及びその製造方法を提
供することである。

Ｄ１問題点を解決するための手段 本発明は高Ｔｃ超伝導体材料及び均−且つ再現性良（形
成された結晶粒界を用いた装置に関する。

結晶粒界は従来技術でもＢＰＢ酸化物に関してトンネル
・バリヤとして利用されており、ジョセフソン・トンネ
ル・電流を導（結晶粒界の存在の可能性は本出願人によ
る米国特許出願第３７９１２号中にＧ、Ｊ、Ｃ１ａｒｋ
等の発明に関連して述べられている。しかしながら本発
明は短いコヒーレンス長さの高ＴＣジョセフノン材料中
に制御住良（且つ再現性良（精密に結晶粒界が形成され
ているような装置及びその製造方法を提供しようとする
ものである。更に、このような新しい結晶粒界装置の位
置、向き、及び数をあらかじめ特定することができ、各
装置の特性全製造中に調整することかでさる。

一実施例においては、基板は少なくとも１つの結晶粒界
を有し、その基板中の結晶粒界は高Ｔｃ超伝導体の被覆
層中にも再現される。高Ｔｃ超伝導体層が基板上に堆積
されてその超伝導体層中に結晶粒界全再現させるのであ
る。こうして結晶粒界の配置場所及び配向性を制御する
ことができる。

この後、超伝導薄膜がパターン化されて結晶粒界の両側
に超伝導領域が残され、これらの超伝導領域は結晶粒界
を横切る電流を与えるための電極として用いられる。高
エネルギー線あるいはエキシマ・レーザによる融除を用
いて前記電極用領域全形成することができる。この後、
前記電極用領域がバイアス手段に電気的に接続されて、
バリヤとして機能し得る結晶粒界を横切る電流が流され
る。

この種の装置を複数配置して５ＱＵＩＤ等のよつな配列
体全形成できる。

Ｅ、実施例 本発明によれば、高Ｔｃ超伝導材料の単一層からなる超
伝導装置が平面的構造に形成され、超伝導結晶粒間を結
合するトンネル・バリヤあるいは弱い結合が利用される
。従来技術とは異なり、このような構成は再現性及び制
御性に優れている。

というのは、結晶粒界の配向及び配置が予め決められて
いるようにして結晶粒界が超伝導層中に形成されるから
である。

本発明の製造方法は配向及び配置が精密に決まっている
少なくとも１つの結晶粒界を有する基板全用意するステ
ップを含む。この後、高Ｔｃ超伝導体層が基板上に直接
あるいは基板上にエピタキシャル成長した薄い中間層上
にエピタキシャル成長され、超伝導体層中に結晶粒界が
下地となっている基板中の結晶粒界に対応する配置及び
配向で形成される。この後、超伝導体層はパターン化さ
れ、結晶粒界の両側に超伝導体領域が残され、結晶粒界
で分離された超伝導体領域（電極）を有する装置が形成
される。電気的接触が次に形成され、超伝導体領域が適
当なバイアス源に接続される。

後に示すように、結晶粒界の特性は調整可能でありまた
複数の装置を１つの結晶粒界に沿っであるいは複数の結
晶粒界に沿って形成することができる。

第１図から第４図を参照して平面的結晶粒界装置の製造
方法を説明する。この方法においては、装置の特定の部
分の材料の性質との調整金行うための後続ステップを用
いないで平面構造の装置を得ることができる。結晶粒界
はジョセフソ／・トンネル・バリヤあるいは弱いリンク
（結合）として機能し、高Ｔｃ超伝導材料におけるその
幅は典型的には約１０オングストロームである。より一
般的に言えば、結晶粒界の幅は高Ｔｃ超伝導体のユニッ
ト・セルと同程度である。

第１図において、基板１０は２つの単結晶粒領域Ａ及び
Ｂを含み、これらは結晶粒界ＧＢにより分離されている
。この結晶粒界ＧＢは幅が約１０オングストロームであ
る。

第２図において、高Ｔｃ超伝導体材料の層１２が適宜な
方法を用いて基板１０上にエピタキシャル成長される。

前述の適宜な方法には複数のソースからの蒸発やスパッ
タリングによるものが含まれる。超伝導体層１２が基板
１０上にエピタキシャル成長されるので、超伝導体層１
２は基板１０中の単結晶領域Ａ及びＢに結晶構造的に連
続する結晶質領域Ａ及びＢ全有することになるとともに
基板１０中の結晶粒界ＧＢと同じ配向及び配置の結晶粒
界ＧＢｔ−有することになる。

第３図において、超伝導体層１２は、例えば、矢印１４
で表わされるフォトンあるいは高エネルギー粒子を用い
て、パターン化される。このパターン化は種々の方法に
よって行うことができ、このパターン化によって超伝導
体層１２の所定の領域の超伝導性が残され、一方、フォ
トンあるいは高エネルギー粒子等が照射された領域は除
去されあるいは非超伝導体（常伝導体）に変えられる。

照射領域を常伝導体に変化させる方法として、前出の米
国特許出願第３７９１２号に記載の方法を用いることが
できる。この方法は、Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、５１、（１９８７）の１６９ページと１４６
２ページにより詳しく記載されている。この方法は、高
Ｔｃ超伝導体材料に損傷を与えるために高エネルギー線
を用いる。この損傷によって超伝導体材料は常伝導体あ
るいはアモルファス構造を有する非超伝導絶縁状態にも
変わり得る。この目的で用いる高エネルギー線の例は酸
素、Ａｓ、　Ｋｒなどのイオンを含むイオン・ビームで
ある。このようなイオン・ビームをマスクを用いて超伝
導体層の選択した領域に向けることができる。この方法
を用いた５ＱＵＩＤ装置の例がＲ，Ｈ，Ｋｏｃｈ等のＡ
ｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、５±、ｐｐ、２００（
１９８７）に記載されている。

約２５０　ＫｅＶから約２ｍｅＶ更には約３ｍｅＶの範
囲のエネルギーを与える高エネルギー線は高Ｔｃ銅酸化
物超伝導体の特性を変化させるに十分なエネルギーを与
えることができる。しかし、本発明は次のような場合も
含む。即ち、照射部分が完全に非超伝導材料に変わる場
合だけでなく、非照射部分に比較して明らかに低い臨界
温度（転移温度）を有するようになる場合も含む。

高Ｔｃ超伝導体層全パターン化する別の方法はエキシマ
・レーザによる光分解除去方法であり、これは、照射領
域を紫外線によって除去（例えば、吹きとばす。）する
というものである。光分解除去はＵＶ照射のエヌルギー
が十分に高（て光分解除去の閾値を十分に超えている場
合に生じる。この方法では、照射領域の除去が非照射領
域に熱的影響を与えることな（行なわれる。この方法は
パターン形成後も非照射領域の超伝導特性が変化しない
ので優れている。

第４図にはパターン化後の構造が示されている。

超伝導体１２の薄いストリップ（帯）が基板１０上に残
され、残された超伝導体１２は超伝導体１２中の結晶粒
界ＧＢで分離された結晶粒領域Ａ及びＢを含んでいる。

こうして得られたのは平面構造であり、結晶粒領域Ａ及
びＢは電極として用いられ、結晶粒界ＧＢの平面に電流
が流される。

このようＫ、本発明の方法は、配置及び結晶配向が予め
決められている少なくとも１つの結晶粒界を含む基板を
用意し、この基板上に高Ｔｃ超伝導体薄膜をエピタキシ
ャル成長させて基板中の結晶粒界に対応する結晶粒界金
高Ｔｃ超伝導体薄膜中にも形成し、パターン化して結晶
粒界領域で分割された超伝導領域相互し、超伝導領域相
互を適当な電源に接続するというものである。

第５図には最終構造の一例が示されている。第５図にお
いて、コンタクト１６が超伝導領域Ａ及びＢとバイアス
源１８とを接続するために設けられている。バイアス源
１８は例えばバッテリであり超伝導体層中の結晶粒界Ｇ
Ｂを横切る電源を与えるために設けられている。

基板１０の材料はその上に高Ｔｃ超伝導体薄膜がエピタ
キシャル成長され得るような材料から選択される。適当
な基板の例は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘのような高Ｔｃ
超伝導体材料・のエピタキシャル成長を行う場合のＳ　
ｒ　Ｔ　＋　０３基板である。基板は超電導体と格子一
致が十分に行なわれるように選択され、この点からすれ
ば基板の他の例は当業者にとって明らかである。

制御された結晶粒界成長領域を有する基板の形成方法に
ついては既に知られている。例えば、制御して形成した
配向不一致による結晶粒界が配向の異なる２つの結晶か
ら形成され得る。これは粉末圧縮機で２つの単結晶片を
焼結することにより得られる。焼結の間、２つの単結晶
片は互いに他方側に侵入して１つの結晶粒界を形成する
まで周囲の結晶領域を少し犠牲にしつつ成長する。この
方法はＳｒＴｉＯ３の２結晶体１１６００℃の焼結温度
で形成するために用いられている。他には２つの単結晶
片を一諸にして加熱圧縮して２結晶体を形成することも
できる。いずれの方法を用いても、長（て鮮明な形状の
結晶粒界を形成できるが、第２の方法を用いると細孔の
ない直線状の結晶粒界全容易に形成することができると
いう利点がある。

既述のように、結晶粒界は互いに電気的に接続される２
つの超伝導結晶粒領域間のトンネル・バリヤあるいは弱
い結合を形成する。結晶粒界の臨界電流密度及びトンネ
ル特性は制御した気体雰囲気中における低温（４００℃
より低温）のアニール処理によって変更され得る。Ｈｅ
及びＡｒのような不活性ガス及び還元ガス、及びＣＯ２
のような反応性ガスは本目的に対して有効である。不活
性ガス・アニール処理は超伝導体薄膜中の酸素含有量を
減らす働きをする。ＣＯ２アニールはＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ
７−ｘの薄膜中Ｂ　ａ　ＣＯ３の形成を促進する。ここ
でＢ　ａ　ＣＯｓは絶縁体である。結晶粒界の拡散及び
固体状態反応のための活性化エネルギーは一般に残りの
格子部分にとっては低いものであるので、隣接する超伝
導結晶粒領域の特性には影響を与えないままにして結晶
粒界の臨海温度Ｔｃ及び通常状態での抵抗値を変更させ
るようなアニール温度及びアニール回数を選択すること
が可能である。

本発明は高Ｔｃ超伝導体であるＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ
中の結晶粒界を用いた種々のジョセフソン接合装置に適
用され得る。この場合、薄膜平面内に大きな結晶粒を有
する高Ｔｃ超伝導体の多結晶層が形成される。この超伝
導材料は５ｒＴｉＯ５の基板上にエピタキシャル成長さ
れる。２００から３００ミクロンの大きさの結晶粒を有
する種々の多結晶５ｒＴｉＯ基板がその上にＹＢａＣｕ
Ｏの超伝導薄換金堆積させるために用いられる。

このような結晶粒の大きなＳｒＴｉＯ３基板は、少なく
とも４８時間の間、１６００から１６５０℃の温度範囲
で、空気中にて、微細粉末（平均粒度が約２５ミクロン
）を低温加圧ペレット中で焼結することにより形成され
る。このような焼結条件により結晶粒の非常な成長が生
じ、濃縮ベレツ）（Ｐ／ｐｔｈ≧９９％）中で非常に大
ぎな結晶粒の形成が生じる。チタン化ストロンチウムの
粉末は炭化ストロンチウム及び２酸化チタニウムの高純
度な粉末’１１４５０℃で反応させて単一相が得られる
ようにすることで製造される。

弱い結合ブリッジとしての良く限定された結晶粒界を有
する単一ジョセフソン接合を形成するため、結晶粒の大
きなＳ　ｒ　Ｔ　＋　０３の多結晶の基板の上に高Ｔｃ
超伝導体であるＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘの薄膜がエピタ
キシャル成長される。超伝導体薄膜の堆積及びその後の
アニール処理の詳細については前出のＲ，Ｂ、　Ｌａｉ
ｂｏｗｉ　ｔｚ’ｐＰ、　Ｃｈａｕｄｈａｒｉ等の文献
中に述べられている。アニール処理の後には超伝導体薄
膜は基板の結晶粒の配向と一致し、大きな結晶粒の超伝
導体薄膜が得られることとなる。第６図において、超伝
導体薄膜２０は基板２２にエピタキシャル整合（結晶配
向が一致していること。）している。大きな結晶粒Ａ及
びＢは超伝導薄膜２０中に形成され、これらは結晶粒界
ＧＢによって分離されている。

結晶粒界接合装置及び電極パッドの形状及び寸法を限定
するために、レーザ削除方法が用いられる。結晶粒Ａ及
びＢがエキシマ・レーザ削除によってパターン化されて
、第７図に示されるように、３本の線Ｉ、　Ｌ及び■が
形成される。これらの例では、基板−超伝導体薄膜の結
合体はコンピュータ制御されるステッピング台上に載置
されて種々の大きさの四角の開口を通して照射を受ける
。

このような方法を高Ｔｃ超伝導体薄膜をパターン化する
ために用いることができ、長さが数センチメートルで幅
がサブミクロンの大きさのパターンをその超伝導体の臨
界温度Ｔｃや臨界電流密度Ｊｃを低下させることなく形
成できる。

これらの例において、約２０ミクロン×約８０ミクロン
で厚さが約０．５ミクロンの寸法の狭い線Ｉ、■、■の
パターンが超伝導体薄膜２０中に形成されている。パタ
ーン化工程は照射領域中の超伝導体材料を除去するため
の工程である。形成される構造が第７図に示されている
。第７図において、線Ｉは全体が結晶粒Ａであり、線■
は全体が結晶粒Ｂである。一方、線■は結晶粒界ＧＢｉ
またいでいる。研究室での試みでは、線■、■、■の幅
は約１ミクロンから約２ミクロンの間の種々の値であっ
た。線Ｉ、　ＩＩＩの長さは約４０ミクロンであり、結
晶粒界ＧＢを横切る線■の長さは約２ミクロンから約４
０ミクロンの間の種々の値であった。

第８図、第９Ａ図、第９Ｂ図、及び第９Ｃ図には線Ｉ、
Ｉ、■の電気的性質が示されて〜・る。第８図において
、線Ｉ、ｌ、■の各々における温度に対する臨界電流Ｉ
ｃＯ値が示されている。この図から、線Ｉが結晶粒界を
含んでいることが分かる。というのは、線■は線■、■
よりも臨界電流の値が小さいからである。

第９Ａ図、第９Ｂ図、及び第９Ｃ図をみると、線■、■
に比較して線■のジョセフソンの弱い結合接合としての
性質が一層はつきりと分かる。これらの図においては、
線１．　　ＩＩ、■の各々についての磁界Ｈに対する臨
界電流ＩｃＯ値が示されている。第９Ａ図及び第９Ｃ図
は同様の直線全示し、一方、第９Ｂ図は線…中に結晶粒
が存在することをはっきりと示している。接合抵抗値は
数オーム程度であり、そのキャパシタンスは１ピコフア
ラツドの何分の１かの値である。ステワード・マツキャ
ンバ−（Ｓｔｅｗａｒｔ　　ＭｃＣｕｍｂｅｒ）＃パラ
メータは１程度である。従ってＩ−Ｖ曲線のヒステリシ
スは極めて小さく、従来の例えば酸化物のような絶縁物
層によって２つの超伝導体層を分離したような大きなキ
ャパシタンスヲ有スるオーバーラツプ型接合装置と極め
て対照的である。

本発明を実施する場合、超伝導体層中の結晶粒界の数、
その配向及びその配置については装置形成用パターン化
の前に予め知っていることになる。

このことは、他の型の超伝導体を用いる従来の結晶粒界
装置の配置及び配向が無秩序であることとは異なる主な
点である。他に異なる点は本発明の超伝導体の結晶粒の
大きさが従来装置の場合と異なるということである。本
発明では、結晶粒の大きさは典型的には数百ミクロンで
あるが、従来装置では平均的に約１０ミクロンである。

本発明の結晶粒の大きさはとても大きいので、パターン
化及び装置形成のために結晶粒界を分離化することが容
易である。

従来の結晶粒界装置に対する本発明の利点は結晶粒界に
沿った性質が一様であることである。本発明では、同一
の結晶粒界が幾つかの装置あるいは装置の配列体をパタ
ーン化して形成することができるように長い結晶粒界が
形成され得る。複数の装置におけるバリヤとして同一の
結晶粒界を用いることは個々の装置間の性質の一様性を
達成する上で極めて有利であるので、本発明を利用する
回路の性質あるいは装置の配列体は従来装置よりも極め
て優れている。例えば、５ＱＵＩＤ装置においては超伝
導ループは少なくとも２つの弱いリンクあるいはトンネ
ル・バリヤ金倉んで形成される。本発明においては、超
伝導ループを、複数のトンネル・バリヤが同一の結晶粒
界から形成されるので超伝導ループ中の全ての弱い結合
装置が全（同一の性質を有するように、形成することが
可能である。このようなことは幾つかの結晶粒界を利用
する従来装置では達成され得ないことである。

第１０Ａ図及び第１０Ｂ図には本発明が５ＱＵＩＤ装置
に適用された実施例が示され、第１１図には前記５ＱＵ
ＩＤ装置を流れる種々の異なるバイアス電流Ｉｂ１、　
ｂ２、より３についての磁界Ｈ■ に対する臨界電流Ｉｃの関係が示されている。このグラ
フは４．６Ｋにて得たものであるが、７７Ｋを超える温
度でも同じ性質が得られる。

第１０Ａ図は基板（図示せず）上の超伝導体層２４の平
面図であり、超伝導体層２４は結晶粒界ＧＢ’ｉｉ有し
、結晶粒界ＧＢは結晶粒Ａ及びＢを分離させている。鎖
線２６及び２８は５ＱＵＩＤ装置を構成するための超伝
導ループの境界を特定している。鎖線２６の外側の領域
及び鎖線２８の内側の領域はレーザによる削除される部
分であり、これらが削除されると超伝導体材料６０（第
１０Ｂ図）が残される。この超伝導ループ３０は基板３
２上に配置され、２つの結晶粒界ＧＢで分離される第１
、第２部分３０Ａ、３０Ｂｉ含んでいる。

こうして、超伝導ループ６０中に２つのトンネル・バリ
ヤあるいは弱い結合装置が形成されて、５ＱＵＩＤ装置
が形成される。

第１１図は第１０図のＳ　ＱＵ　Ｉ　Ｄ装置の磁界に対
する変化が示されている。電流が超伝導ループ内で発生
され、磁界Ｈは結晶粒界に平行で超伝導体層２４に直角
な方向に印加される。第１１図は第１０図の５ＱＵＩＤ
のループに通じる３つのバイアス電流■ｂ１、■ｂ２、
Ｉｂｓの各々についての印加磁束に対する干渉計の応答
を示している。正確な周期性及び磁界の関数としての深
さの大きな変化は第１０Ｂ図の５ＱＵＩＤのような装置
における結晶粒界接合の有用性１−［わしている。更に
、これらの結晶粒界接合における小さなり　　（＜１）
のおかげで、非ヒステリシスのＳＱＵ　ＩＤの動作を達
成するための外部抵抗変格の必要性がなくなる。

全部が高Ｔｃ超伝導体材料から成る平面スパイラル・コ
イルが別々のチップから構成される装個々のコイルをテ
ストした後、コイル及び第１０Ｂ図の５ＱＵＩＤが適当
に配置されてコイルから５ＱＵＩＤへの磁界の適当な結
合関係が形成される。これにより感度の向上した再現性
のよい装置が形成されることになる。

これまで述べてきたのは複数の結晶粒界及びそれに隣接
する結晶粒を流れる臨界電流全利用する装置である。結
晶粒界を流れる臨界電流は隣接する結晶粒の臨界電流よ
りも小さく、一方、温度及び結晶粒界の臨界電流に依存
する磁界は結晶粒界が弱い領域と強い領域との結び付き
から成っていることを示している。結晶粒界は５ＱＵＩ
Ｄのような構造を形成するために用いられ得るとともに
科学や産業での応用のための一層進んだトンネリング構
造の開発に用いられ得る。

本発明の構造は多くの目的のための種々の優れた装置に
応用され得る。これ等には赤外線検知器、ミリメートル
波の検知及び転換用のコヒーレント・アレイ、電圧標準
用の線型接合アレイが含まれる。例えば、コヒーレント
・アレイは各トンネル装置内のトンネル・バリヤあるい
は弱い結合バリヤとしての同一の結晶粒界を用いて形成
される複数のトンネル装置から構成され得る。各トンネ
ル装置は非常に小さく形成することができ且つトンネル
・バリヤとして用いられる結晶粒界及び超伝導結晶粒に
ついて同一の性質を有しているので、優れた特性を有す
るコヒーレント・アレイが形成され得る。更に、結晶粒
界の配置及び配向は正確に制御され得るので、これらの
装置の複数個をレイアウトすることも容易である。

本発明は超伝導体中の制御された欠陥部（例えば、結晶
粒界のこと。）を利用しており、超伝導体は銅酸化物平
面を含む結晶体構造を示すような高Ｔｃ超伝導体である
ことが好ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明に係る超伝導体装置の一実施
例の製造方法を示す斜視図、 第５図は前記製造方法によって製造された超伝導体装置
を示す斜視図、 第６図は他の実施例の製造過程中の構造を示す斜視図、 第７図は第６図の構造より更に進んだ製造過程中の構造
を示す斜視図、 第８図は第７図の装置における領域１．ｌ、及び■の各
々についての温度Ｔに対する臨界電流Ｉｃの値の、変化
を示すグラフ、 第９Ａ図、第９Ｂ図、及び第９Ｃ図の各々は第７図の装
置における領域１．　　Ｉ、及び■についての磁界Ｈに
対する臨界電流Ｉｃの値の変化を示すグラフ、 第１０Ａ図は前記以外の実施例の製造過程中の構造を示
す平面図、 第１０Ｂ図は第１０Ａ図の構造より更に進んだ製造過程
中の構造を示す平面図、 第１１図は第１０Ｂ図の装置における異なるバイアス電
流についての磁界Ｈに対する臨界電流Ｉｃの値の変化を
示すグラフである。 ＦＩＧ、４ ｆｌｌｌｌ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、６ 匡 の　　　　　　　　０ ■　　　　　　　　■ ＬＬ　　　　　　　　　　　Ｌ Ｑ　　　　　　　　　　　Ｏ ＬＬ　　　　　　　　　　　　　　　ＬべＨ 砺 匡

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高Ｔｃ超伝導体層中の結晶粒界がそこを横切る電
   子の流れに対してバリヤとなるように設けられている超
   伝導体装置であつて、 前記結晶粒界を有する前記Ｔｃ超伝導体層と、前記高Ｔ
   ｃ超伝導体層がその上にエピタキシャル成長される基板
   であつて、前記結晶粒界に一致する結晶粒界を含む基板
   と、 前記高Ｔｃ超伝導体層中の結晶粒界の両側の前記高Ｔｃ
   超伝導体層より成る一対の超伝導領域と、前記高Ｔｃ超
   伝導体層中の前記結晶粒界を横切る電子の流れを生じさ
   せるために前記一対の超伝導領域に接続されたバイアス
   手段と、 を有する超伝導体装置。
2. （２）欠陥部を有する結晶質基板を用意し、前記欠陥部
   に一致する欠陥部が形成されるように前記結晶質基板上
   に高Ｔｃ超伝導体層をエピタキシャル成長させ、 前記高Ｔｃ超伝導体層中の前記欠陥部の両側に前記高Ｔ
   ｃ超伝導体層よりなる超伝導領域を形成するように前記
   高Ｔｃ超伝導体層をパターン化し、前記高Ｔｃ超伝導体
   層中の前記欠陥部に電流を横切らせるための電源を前記
   欠陥部の両側の前記超伝導領域に接続することを含む、 超伝導体装置の製造方法。