JPH0379091A - ジョセフソン素子 - Google Patents
ジョセフソン素子Info
- Publication number
- JPH0379091A JPH0379091A JP1215649A JP21564989A JPH0379091A JP H0379091 A JPH0379091 A JP H0379091A JP 1215649 A JP1215649 A JP 1215649A JP 21564989 A JP21564989 A JP 21564989A JP H0379091 A JPH0379091 A JP H0379091A
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- Japan
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- superconductor
- josephson
- film
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野〕
本発明は、超伝導体に部分的に形成される弱結合を利用
したジョセフソン素子に関する。
したジョセフソン素子に関する。
〔従来の技術］
弱結合ジョセフソン素子として、第２図ないし第５図に
示す３種類のものが知られている。第２図および第３図
に示すものはブリフジ型ジ四セフソン素子で、第２図に
は一般的なブリッジ型ジ１セフソン素子を示す、この素
子は、超伝導体薄膜２１に長さｄのくびれ２２を形成し
てその部分の超伝導性を弱め、弱結合にし、くびれのな
い部分に電圧端子２３．２４．電流端子２５．２６を設
けたものである。
示す３種類のものが知られている。第２図および第３図
に示すものはブリフジ型ジ四セフソン素子で、第２図に
は一般的なブリッジ型ジ１セフソン素子を示す、この素
子は、超伝導体薄膜２１に長さｄのくびれ２２を形成し
てその部分の超伝導性を弱め、弱結合にし、くびれのな
い部分に電圧端子２３．２４．電流端子２５．２６を設
けたものである。
くびれ２２の長さｄは薄膜２１の材料のコヒーレンス長
程度で、Ｎｂ、Ｐｂなどの超伝導体では数千人である。
程度で、Ｎｂ、Ｐｂなどの超伝導体では数千人である。
第３図（＆）、（ｂ）にはＶ Ｔ Ｂ （Ｖａｒｌａｂ
ｌａ Ｔｈ１ｃｋａ＠ａｓＢｒｌｄｇｓ）型ジ１セフソ
ン素子を示し、側面図の−）よりわかるように、超伝導
体薄膜２１の数千人の厚さをくびれ２２の部分で１７２
程度に薄くして特性を向上させたものである。第４図は
点接触型ジ雪セフソン素子を示し、先端をニードル状に
とがらせた超伝導体２７を薄膜あるいはバルクの超伝導
体２８に押し付けたものであり、押し付けた部分が弱結
合になる。第５図はトンネル型ジ四セフソン素子を示し
、コヒーレンス長程度の薄い絶縁体３２を二つの超伝導
体３１ではさんでトンネルバリアを形成したものであり
、超伝導体３１には主に薄膜を用い、絶縁体３３の代わ
りに常伝導体の薄膜を用いることもできる。
ｌａ Ｔｈ１ｃｋａ＠ａｓＢｒｌｄｇｓ）型ジ１セフソ
ン素子を示し、側面図の−）よりわかるように、超伝導
体薄膜２１の数千人の厚さをくびれ２２の部分で１７２
程度に薄くして特性を向上させたものである。第４図は
点接触型ジ雪セフソン素子を示し、先端をニードル状に
とがらせた超伝導体２７を薄膜あるいはバルクの超伝導
体２８に押し付けたものであり、押し付けた部分が弱結
合になる。第５図はトンネル型ジ四セフソン素子を示し
、コヒーレンス長程度の薄い絶縁体３２を二つの超伝導
体３１ではさんでトンネルバリアを形成したものであり
、超伝導体３１には主に薄膜を用い、絶縁体３３の代わ
りに常伝導体の薄膜を用いることもできる。
ところで、高臨界温度超伝導体として知られているＬｌ
ｌ−Ｂａ−Ｃｕ−０（Ｌｍは希土類元素）はコヒーレン
ス長がＮｈ、 Ｐｂなとの１／１００程度であり、通常
の方法ではブリッジ型ジ曽セフソン素子の作成は不可能
である。しかし、このような酸化物趨伝導体では、−船
釣に膜成長時に粒成長を起こし、粒界が形成される。こ
のため膜の内部の所々で弱結合、すなわち粒界ジョセフ
ソン結合が形成される。
ｌ−Ｂａ−Ｃｕ−０（Ｌｍは希土類元素）はコヒーレン
ス長がＮｈ、 Ｐｂなとの１／１００程度であり、通常
の方法ではブリッジ型ジ曽セフソン素子の作成は不可能
である。しかし、このような酸化物趨伝導体では、−船
釣に膜成長時に粒成長を起こし、粒界が形成される。こ
のため膜の内部の所々で弱結合、すなわち粒界ジョセフ
ソン結合が形成される。
この弱結合のため、臨界電流密度が太き（ならないとい
う問題があるが、この粒界ジョセフソン結合を利用して
さまざまな素子が試作されている。
う問題があるが、この粒界ジョセフソン結合を利用して
さまざまな素子が試作されている。
第６図ないし第８図はその例である。第６図は、酸化物
超伝導体、特にＬｎ−Ｂａ−Ｃｕ−０を用いた５ＱＵＩ
Ｄ（超伝導量子干渉計）で、ブリッジ型ジーセフソン素
子を二つ並列に接続したような素子であり、二つの（び
れ３４をはさむ二つの部分３３に電圧端子３５．３６
、電流端子３７．３８が設けられている。この素子のく
びれ３４の部分Ａには、拡大図に示すように結晶粒３９
の間に粒界ジョセフソン結合が形成されている。このた
め、ジョセフソン特性は、かなり大きい寸法のくびれに
おいても観測されている。第７図は、酸化物超伝導体を
用いた光センサであり、基板４１の上に中間に２０００
〜３０００人程度の薄膜部分成膜を存する酸化物超伝導
体４２が形成されている。中間部分４３には概念的に示
した結晶粒３９が存在し、粒界ジ５セフソン結合を形成
している。第８図にこの素子の電圧端子４４，４５ 、
を流端子４６．４７から得られた電流電圧特性を示し、
光照射のないときには実ｍｓｉ、光４８を照射したとき
には点線８２のようになり、光照射により臨界電流が変
調する。
超伝導体、特にＬｎ−Ｂａ−Ｃｕ−０を用いた５ＱＵＩ
Ｄ（超伝導量子干渉計）で、ブリッジ型ジーセフソン素
子を二つ並列に接続したような素子であり、二つの（び
れ３４をはさむ二つの部分３３に電圧端子３５．３６
、電流端子３７．３８が設けられている。この素子のく
びれ３４の部分Ａには、拡大図に示すように結晶粒３９
の間に粒界ジョセフソン結合が形成されている。このた
め、ジョセフソン特性は、かなり大きい寸法のくびれに
おいても観測されている。第７図は、酸化物超伝導体を
用いた光センサであり、基板４１の上に中間に２０００
〜３０００人程度の薄膜部分成膜を存する酸化物超伝導
体４２が形成されている。中間部分４３には概念的に示
した結晶粒３９が存在し、粒界ジ５セフソン結合を形成
している。第８図にこの素子の電圧端子４４，４５ 、
を流端子４６．４７から得られた電流電圧特性を示し、
光照射のないときには実ｍｓｉ、光４８を照射したとき
には点線８２のようになり、光照射により臨界電流が変
調する。
（発明が解決しようとする課題〕
Ｌｎ −Ｂａ −Ｃｕ −０系の超伝導体では、上述の
ように非常に弱結合ができやすい、しかし、Ｌｎ −Ｂ
ａ −Ｃｕ−０系よりＩＯＫ以上高い臨界温度をもつＢ
ｉ −５ｔ−Ｃａ−Ｃｕ −０（Ｂ Ｓ ＣＣＯ）系あ
るいはＢ１−Ｐｂ−９ｒ−Ｃａ−Ｃｕ −０（Ｂ Ｐ
Ｓ ＣＣＯ）系超伝導体では、膜成長時に粒成長を起こ
すにもかかわらず、粒界ジョセフソン特性が観測されな
い、現状では、その理由は明らかではないが、粒界に析
出する物質も超伝導体になるのではないかと考えられて
いる。
ように非常に弱結合ができやすい、しかし、Ｌｎ −Ｂ
ａ −Ｃｕ−０系よりＩＯＫ以上高い臨界温度をもつＢ
ｉ −５ｔ−Ｃａ−Ｃｕ −０（Ｂ Ｓ ＣＣＯ）系あ
るいはＢ１−Ｐｂ−９ｒ−Ｃａ−Ｃｕ −０（Ｂ Ｐ
Ｓ ＣＣＯ）系超伝導体では、膜成長時に粒成長を起こ
すにもかかわらず、粒界ジョセフソン特性が観測されな
い、現状では、その理由は明らかではないが、粒界に析
出する物質も超伝導体になるのではないかと考えられて
いる。
このため、第６図、第７図に示すような素子はＢｓｃｃ
ｏ系ではつくられていない、また粒界ジョセフソン素子
でない第２図、第３図に示すような素子を制作するには
、コヒーレンス長程度の微細加工が必要であるが、現在
の技術では困難である。
ｏ系ではつくられていない、また粒界ジョセフソン素子
でない第２図、第３図に示すような素子を制作するには
、コヒーレンス長程度の微細加工が必要であるが、現在
の技術では困難である。
本発明の目的は、上述の問題を解決し、臨界温度の高い
Ｂ５ＣＣ０あるいはＢＰＳＣＣＯ系超伝導体系層伝導体
製容易なジョセフソン素子を提供することにある。
Ｂ５ＣＣ０あるいはＢＰＳＣＣＯ系超伝導体系層伝導体
製容易なジョセフソン素子を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明は、酸化物超伝導
体を用いたジョセフソン素子において、微細な凹凸を有
する基板表面上に超伝導体膜を堆積してなるものとする
。
体を用いたジョセフソン素子において、微細な凹凸を有
する基板表面上に超伝導体膜を堆積してなるものとする
。
表面にミクロン程度の凹凸を有する基板上に超伝導体膜
を堆積することにより、部分的にブリフジ型接合のくび
れあるいは点接触型結合の接触部に相当する膜厚の薄い
部分が形成され、ジョセフソン特性を示す、また、基板
表面が凹凸を存するために、結晶粒と結晶粒の間に数十
人の寸法の隙間ができ、この隙間がトンネルバリアとな
って電子対がトンネルする場合には、トンネル型の接合
ができる可能性もある。
を堆積することにより、部分的にブリフジ型接合のくび
れあるいは点接触型結合の接触部に相当する膜厚の薄い
部分が形成され、ジョセフソン特性を示す、また、基板
表面が凹凸を存するために、結晶粒と結晶粒の間に数十
人の寸法の隙間ができ、この隙間がトンネルバリアとな
って電子対がトンネルする場合には、トンネル型の接合
ができる可能性もある。
（実施例〕
以下、酸化物超伝導体としてＢ５ＣＣ０を用いた本発明
の一実施例の製作工程について第１図［ａｌ〜（ｄ）を
引用して説明する。
の一実施例の製作工程について第１図［ａｌ〜（ｄ）を
引用して説明する。
＋１）基板
第１図（ｍｌに示す基板としては（１００）面を有する
ＭｇＯ板１を用いた。
ＭｇＯ板１を用いた。
（２）基板の凹凸処理（テクスチャ処理）粒径１−のア
ルミナ微粒子を用い、シリコン板表面にオーム性接触の
ための表面再結合中心をつくるラフニング工程と同様に
微粒子をこすりつける方法で第１図伽）に示すような凹
凸面２を形成した。アルミナ微粒子の代わりにカーボラ
ンダム微粒子を用いてもよい、また、アモルファスｓｉ
太陽電池の透明電極のテクスチャ処理などに用いられる
微粒子吹付け、すなわちサンドプレス法によってもよい
。
ルミナ微粒子を用い、シリコン板表面にオーム性接触の
ための表面再結合中心をつくるラフニング工程と同様に
微粒子をこすりつける方法で第１図伽）に示すような凹
凸面２を形成した。アルミナ微粒子の代わりにカーボラ
ンダム微粒子を用いてもよい、また、アモルファスｓｉ
太陽電池の透明電極のテクスチャ処理などに用いられる
微粒子吹付け、すなわちサンドプレス法によってもよい
。
＋３１ Ｂ Ｓ ＣＣＯの堆積
テクスチャ処理を施したｌ’１ｇｏ基板１の上に第１図
＋ｃ＞に示すようにＢ５ＣＣ０膜３を堆積した。
＋ｃ＞に示すようにＢ５ＣＣ０膜３を堆積した。
成膜は下記の条件のマグネトロンスパッタリング法によ
った。
った。
ＲＦ電力 ３００Ｗ
圧力 ２Ｐａ
ガス Ａｒ１０ｓ （１： １）基板温度
６００℃ ターゲット ＢｉｔＳｒｌＣａ＋Ｃｕｔ、ｓＯｘ膜
厚 ０．５μ （４）熱処理 酸素雰囲気中で８００℃、１時間の熱処理を行った。こ
の熱処理により、Ｂ５ＣＣ０膜３の結晶化が促進される
とともに、結晶粒の成長が生じる。これにより、弱結合
部が強調される。
６００℃ ターゲット ＢｉｔＳｒｌＣａ＋Ｃｕｔ、ｓＯｘ膜
厚 ０．５μ （４）熱処理 酸素雰囲気中で８００℃、１時間の熱処理を行った。こ
の熱処理により、Ｂ５ＣＣ０膜３の結晶化が促進される
とともに、結晶粒の成長が生じる。これにより、弱結合
部が強調される。
（５）バターニング
ジョセフソン特性を観測するため、電流経路を細める必
要がある。バターニングには、ウェットエツチング法を
用い、平面図の第１図＋ｄ）に示すように輻ＩＱＯＲ，
幅１日の線状部分４を形成した。
要がある。バターニングには、ウェットエツチング法を
用い、平面図の第１図＋ｄ）に示すように輻ＩＱＯＲ，
幅１日の線状部分４を形成した。
以上の工程によりＢ５ＣＣ０膜に擬似的な粒界が形成さ
れ、従来の技術について示したような弱との電流電圧特
性を第９図に示す０点線９１はテクスチャ処理を施さな
い基板上に堆積されたＢ５ＣＣ０膜を有する素子の特性
であり、線９２は第１図に示した工程で製作された素子
の特性である０両者とも、成膜条件は同一であり、膜厚
、バターニング形状も同じである。線９１は超伝導体の
電流電圧特性であるが、テクスチャ処理を施すことによ
りＭ９２のように臨界電流が小さくなる。これは、電流
が擬領的粒界に制限されていることに起因している。Ｂ
部の拡大図に見られるように線９２にはジョセフソン特
性特臂の飛び９３が存在する。試料にマイクロ波を照射
すると線９４に示すようにシャピロステップが観測され
、弱結合の存在が確認された。
れ、従来の技術について示したような弱との電流電圧特
性を第９図に示す０点線９１はテクスチャ処理を施さな
い基板上に堆積されたＢ５ＣＣ０膜を有する素子の特性
であり、線９２は第１図に示した工程で製作された素子
の特性である０両者とも、成膜条件は同一であり、膜厚
、バターニング形状も同じである。線９１は超伝導体の
電流電圧特性であるが、テクスチャ処理を施すことによ
りＭ９２のように臨界電流が小さくなる。これは、電流
が擬領的粒界に制限されていることに起因している。Ｂ
部の拡大図に見られるように線９２にはジョセフソン特
性特臂の飛び９３が存在する。試料にマイクロ波を照射
すると線９４に示すようにシャピロステップが観測され
、弱結合の存在が確認された。
なお、本発明で重要な事柄は、基板の凹凸の度合と、Ｂ
５ＣＣ０膜の膜厚である。凸の部分と門の部分の高さの
差が、膜厚より充分に厚い場合には、弱結合は観測され
なかった。また、膜厚に比して高さの差が薄すぎると、
抵抗の温度依存性が半導体的な振舞いを示し、超伝導性
が観測されなかった。
５ＣＣ０膜の膜厚である。凸の部分と門の部分の高さの
差が、膜厚より充分に厚い場合には、弱結合は観測され
なかった。また、膜厚に比して高さの差が薄すぎると、
抵抗の温度依存性が半導体的な振舞いを示し、超伝導性
が観測されなかった。
上記の実施例では、酸化物超伝導体としてＢ５ＣＣ０を
用いているが、ＢＰＳＣＣＯを用いることができ、また
他の酸化物超伝導体を用いても弱結合を容易に形成する
ことができる。
用いているが、ＢＰＳＣＣＯを用いることができ、また
他の酸化物超伝導体を用いても弱結合を容易に形成する
ことができる。
本発明によれば、表面に微細な凹凸を存する単結晶基板
上に超伝導体膜を堆積することにより、膜厚の薄い部分
に弱結合が生ずるので、粒界弱結合を生じない酸化物超
伝導体を用いても、微細加工を施す必要なしにジョセフ
ソン結合が形成できる。これによって、臨界温度の高い
Ｂ５ＣＣ０゜ＢＰＳＣＧＯなどの酸化物超伝導体を用い
た実用的なジョセフソン素子を作製することが可能にな
った。
上に超伝導体膜を堆積することにより、膜厚の薄い部分
に弱結合が生ずるので、粒界弱結合を生じない酸化物超
伝導体を用いても、微細加工を施す必要なしにジョセフ
ソン結合が形成できる。これによって、臨界温度の高い
Ｂ５ＣＣ０゜ＢＰＳＣＧＯなどの酸化物超伝導体を用い
た実用的なジョセフソン素子を作製することが可能にな
った。
第１図（畠）〜（ｄｌは本発明の一実施例のジョセフソ
ン素子の作製工程を順次示し、ｆａ）、 （ｂ）、 （
Ｃ）は断面図、（ｄ）は平面図、第２図はブリッジ型ジ
ョセフソン素子の平面図、第３図はＶＴＢ型ジ四セフソ
ン素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、第４
回は点接触型ジョセフソン素子の斜視図、第５図はトン
ネル型ジ四セフソン素子の斜視図、第６図は酸化物超伝
導体を用いた５ＱＵＩＤの平面図、第７図は酸化物超伝
導体を用いた光センサの断面図、第８図は第７図に示し
た光センサの光照射による変調を示す電流電圧特性線図
、第９図は本発明の実施例のジョセフソン素子と比較例
の素子の電流電圧特性線図である。 １：ＭｇＯ基板、２：凹凸面、３ ＋ Ｂ５ＣＣ０膜。 ４ 第１肥 寮４肥 Ｉ ３ノ 第５図 第２図 ２４（−Ｖ） ２１；（−１） （ａン １ノ３図 第６図 ＠流（Ａ） １ ’１７１！１ 第９図 第８図
ン素子の作製工程を順次示し、ｆａ）、 （ｂ）、 （
Ｃ）は断面図、（ｄ）は平面図、第２図はブリッジ型ジ
ョセフソン素子の平面図、第３図はＶＴＢ型ジ四セフソ
ン素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、第４
回は点接触型ジョセフソン素子の斜視図、第５図はトン
ネル型ジ四セフソン素子の斜視図、第６図は酸化物超伝
導体を用いた５ＱＵＩＤの平面図、第７図は酸化物超伝
導体を用いた光センサの断面図、第８図は第７図に示し
た光センサの光照射による変調を示す電流電圧特性線図
、第９図は本発明の実施例のジョセフソン素子と比較例
の素子の電流電圧特性線図である。 １：ＭｇＯ基板、２：凹凸面、３ ＋ Ｂ５ＣＣ０膜。 ４ 第１肥 寮４肥 Ｉ ３ノ 第５図 第２図 ２４（−Ｖ） ２１；（−１） （ａン １ノ３図 第６図 ＠流（Ａ） １ ’１７１！１ 第９図 第８図
Claims (1)
- １）酸化物超伝導体を用いたものにおいて、微細な凹凸
を有する基板表面上に超伝導体膜を堆積してなることを
特徴とするジョセフソン素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1215649A JPH0379091A (ja) | 1989-08-22 | 1989-08-22 | ジョセフソン素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1215649A JPH0379091A (ja) | 1989-08-22 | 1989-08-22 | ジョセフソン素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0379091A true JPH0379091A (ja) | 1991-04-04 |
Family
ID=16675901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1215649A Pending JPH0379091A (ja) | 1989-08-22 | 1989-08-22 | ジョセフソン素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0379091A (ja) |
-
1989
- 1989-08-22 JP JP1215649A patent/JPH0379091A/ja active Pending
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