JPH05160448A - 階段型ジョセフソン素子 - Google Patents
階段型ジョセフソン素子Info
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- JPH05160448A JPH05160448A JP3347844A JP34784491A JPH05160448A JP H05160448 A JPH05160448 A JP H05160448A JP 3347844 A JP3347844 A JP 3347844A JP 34784491 A JP34784491 A JP 34784491A JP H05160448 A JPH05160448 A JP H05160448A
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Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 特性の再現性に優れた階段型ジョセフソン素
子を提供する。 【構成】 ジョセフソン結合領域２ａに段差１ａを形成
された基板１と、該基板１上に堆積された酸化物超電導
薄膜２とを備えた階段型ジョセフソン素子において、該
段差１ａの傾斜部分１ｂが該基板１の成膜面に対して40
°〜45°の範囲内の角度をなすように形成されている。
子を提供する。 【構成】 ジョセフソン結合領域２ａに段差１ａを形成
された基板１と、該基板１上に堆積された酸化物超電導
薄膜２とを備えた階段型ジョセフソン素子において、該
段差１ａの傾斜部分１ｂが該基板１の成膜面に対して40
°〜45°の範囲内の角度をなすように形成されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超電導素子に関する。
より詳細には、本発明は、酸化物超電導体により構成さ
れた階段型ジョセフソン素子の新規な構成に関する。
より詳細には、本発明は、酸化物超電導体により構成さ
れた階段型ジョセフソン素子の新規な構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来知られていた超電導材料は一般にヘ
リウムの液化温度以下の極低温でしか超電導体にならな
かったので、これを実用的に利用できる分野は非常に限
られていた。しかしながら、1986年に[La,Ba]2CuＯ4 あ
るいは[La,Sr]2CuＯ4 等の複合酸化物焼結体が高い臨界
温度を有する超電導材料であることが報告されて以来、
Ｙ−Ba−Cu−Ｏ系あるいはBi−Ca−Sr−Cu−Ｏ系等の複
合酸化物が極めて高い温度範囲で超電導特性を示すこと
が次々に確認された。このような高い温度で超電導特性
を示す材料は廉価な液体窒素を冷却媒体として使用する
ことができるので、超電導技術の応用が俄かに現実的な
課題として検討されるようになってきている。
リウムの液化温度以下の極低温でしか超電導体にならな
かったので、これを実用的に利用できる分野は非常に限
られていた。しかしながら、1986年に[La,Ba]2CuＯ4 あ
るいは[La,Sr]2CuＯ4 等の複合酸化物焼結体が高い臨界
温度を有する超電導材料であることが報告されて以来、
Ｙ−Ba−Cu−Ｏ系あるいはBi−Ca−Sr−Cu−Ｏ系等の複
合酸化物が極めて高い温度範囲で超電導特性を示すこと
が次々に確認された。このような高い温度で超電導特性
を示す材料は廉価な液体窒素を冷却媒体として使用する
ことができるので、超電導技術の応用が俄かに現実的な
課題として検討されるようになってきている。
【０００３】超電導現象を利用した最も基本的な電子素
子のひとつとしてジョセフソン素子が知られている。ジ
ョセフソン素子は、所謂ジョセフソン接合を介した１対
の超電導電極により構成されており、クーパー対のトン
ネル効果であると言われている直流ジョセフソン効果
や、離散的な電圧／電流特性を示す交流ジョセフソン効
果等の独特の特性を有している。
子のひとつとしてジョセフソン素子が知られている。ジ
ョセフソン素子は、所謂ジョセフソン接合を介した１対
の超電導電極により構成されており、クーパー対のトン
ネル効果であると言われている直流ジョセフソン効果
や、離散的な電圧／電流特性を示す交流ジョセフソン効
果等の独特の特性を有している。
【０００４】ジョセフソン素子は、その構造によりマイ
クロブリッジ型、トンネル型、ポイントコンタクト型等
種々の構成が知られているが、何れの構造の場合にも、
良好な特性が得られるジョセフソン接合の形成は非常に
難しい。その理由は、有効なジョセフソン効果が現れる
ようなジョセフソン接合を形成するためには、超電導材
料のコヒーレンス長の数倍程度という極めて微細な加工
技術が必要になるからである。
クロブリッジ型、トンネル型、ポイントコンタクト型等
種々の構成が知られているが、何れの構造の場合にも、
良好な特性が得られるジョセフソン接合の形成は非常に
難しい。その理由は、有効なジョセフソン効果が現れる
ようなジョセフソン接合を形成するためには、超電導材
料のコヒーレンス長の数倍程度という極めて微細な加工
技術が必要になるからである。
【０００５】図２は、上述のようなジョセフソン素子の
典型的な構造のひとつである階段型の素子構造を示す断
面図である。
典型的な構造のひとつである階段型の素子構造を示す断
面図である。
【０００６】図２に示すジョセフソン素子は、階段型と
呼ばれる構造のもので、大きな段差１ａを形成された基
板１上に酸化物超電導薄膜２を堆積させることにより構
成されている。ここで、段差１ａ上の領域では、酸化物
超電導薄膜２の実効的な膜厚が非常に小さくなってお
り、この領域２ａをジョセフソン接合として利用するこ
とができる。
呼ばれる構造のもので、大きな段差１ａを形成された基
板１上に酸化物超電導薄膜２を堆積させることにより構
成されている。ここで、段差１ａ上の領域では、酸化物
超電導薄膜２の実効的な膜厚が非常に小さくなってお
り、この領域２ａをジョセフソン接合として利用するこ
とができる。
【０００７】尚、酸化物超電導体は、一般にその結晶構
造により超電導特性に異方性を有することが知られてい
る。このため、図２に示したような素子では、超電導電
流の伝播方向に対して結晶のｃ軸が直角になるように配
向した酸化物超電導薄膜が使用される。
造により超電導特性に異方性を有することが知られてい
る。このため、図２に示したような素子では、超電導電
流の伝播方向に対して結晶のｃ軸が直角になるように配
向した酸化物超電導薄膜が使用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述のような構造の超
電導素子は、半導体製造技術として発達した微細加工技
術等を応用して基板を加工することにより、比較的確実
に所期の仕様を実現することができるものと考えられて
いる。ところが、実際に製作された超電導素子ではその
特性のばらつきが極めて大きく、実際に素子として機能
するものの歩留りは極めて低い。
電導素子は、半導体製造技術として発達した微細加工技
術等を応用して基板を加工することにより、比較的確実
に所期の仕様を実現することができるものと考えられて
いる。ところが、実際に製作された超電導素子ではその
特性のばらつきが極めて大きく、実際に素子として機能
するものの歩留りは極めて低い。
【０００９】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、所望の特性を再現性良く実現することができ
るような新規なジョセフソン素子を提供することをその
目的としている。
を解決し、所望の特性を再現性良く実現することができ
るような新規なジョセフソン素子を提供することをその
目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明に従うと、
ジョセフソン接合領域に段差部を形成された基板と、該
基板上に堆積された酸化物超電導薄膜とを備えた階段型
のジョセフソン素子において、該段差部の傾斜部分が、
該基板の成膜面に対して40°〜45°の範囲内の角度をな
すように構成されていることを特徴とするジョセフソン
素子が提供される。
ジョセフソン接合領域に段差部を形成された基板と、該
基板上に堆積された酸化物超電導薄膜とを備えた階段型
のジョセフソン素子において、該段差部の傾斜部分が、
該基板の成膜面に対して40°〜45°の範囲内の角度をな
すように構成されていることを特徴とするジョセフソン
素子が提供される。
【００１１】
【作用】本発明に係る超電導素子は、基板上の段差部に
おいて、その高さだけではなく傾斜部分の角度について
も最適化した点に主要な特徴がある。
おいて、その高さだけではなく傾斜部分の角度について
も最適化した点に主要な特徴がある。
【００１２】即ち、従来の階段型素子について詳細に検
討したところ、基板上に形成された段差部により物理的
に生じる膜厚の変化の他に、段差部の側面の傾斜部分で
結晶構造の連続性が乱れ、このために実効的な膜厚が変
化していることが判明した。また、甚だしい場合は、結
晶構造の完全な不連続が生じることもある。
討したところ、基板上に形成された段差部により物理的
に生じる膜厚の変化の他に、段差部の側面の傾斜部分で
結晶構造の連続性が乱れ、このために実効的な膜厚が変
化していることが判明した。また、甚だしい場合は、結
晶構造の完全な不連続が生じることもある。
【００１３】図２に示した断面構造を参照して説明する
と、段差部１ａの傾斜部分１ｂ以外の領域では、酸化物
超電導薄膜２は、基板１表面の結晶構造を反映した特定
の配向性を形成する。ところが、段差部１ａの傾斜部分
１ｂの表面の結晶構造は他の領域とは異なるものになっ
ているので、傾斜部分１ｂの上に堆積された酸化物薄膜
２では、超電導特性を発揮する特定の結晶構造が形成さ
れなくなる。従って、基板上に堆積させる酸化物超電導
薄膜の膜厚が充分に大きくなれば連続した超電導薄膜が
形成されるが、段差部分における特性は必ずしも所望の
ものと一致するとは限らない。このように、従来は、傾
斜部分における実質的な膜厚の変化が把握されていなか
ったので超電導素子の特性に大きなばらつきが発生して
いた。
と、段差部１ａの傾斜部分１ｂ以外の領域では、酸化物
超電導薄膜２は、基板１表面の結晶構造を反映した特定
の配向性を形成する。ところが、段差部１ａの傾斜部分
１ｂの表面の結晶構造は他の領域とは異なるものになっ
ているので、傾斜部分１ｂの上に堆積された酸化物薄膜
２では、超電導特性を発揮する特定の結晶構造が形成さ
れなくなる。従って、基板上に堆積させる酸化物超電導
薄膜の膜厚が充分に大きくなれば連続した超電導薄膜が
形成されるが、段差部分における特性は必ずしも所望の
ものと一致するとは限らない。このように、従来は、傾
斜部分における実質的な膜厚の変化が把握されていなか
ったので超電導素子の特性に大きなばらつきが発生して
いた。
【００１４】これに対して、本発明に係る超電導素子に
おいては、基板段差部の傾斜を規定しており、この部分
における結晶構造の乱れを加味して超電導素子を設計
し、また作製することを可能にしている。
おいては、基板段差部の傾斜を規定しており、この部分
における結晶構造の乱れを加味して超電導素子を設計
し、また作製することを可能にしている。
【００１５】ここで、傾斜部分の基板に対する角度を40
°〜45°としたのは、以下のような理由による。即ち、
傾斜部分の基板対する角度が40°よりも小さい場合は、
段差の傾斜面上でもｃ軸配向膜が形成されるので、段差
による人工粒界接合が形成され難い。また、傾斜部分の
基板対する角度が45°よりも大きい場合は、傾斜部分上
に多結晶膜や非晶質膜が形成され、この部分での結晶の
連続性が完全に失われる。
°〜45°としたのは、以下のような理由による。即ち、
傾斜部分の基板対する角度が40°よりも小さい場合は、
段差の傾斜面上でもｃ軸配向膜が形成されるので、段差
による人工粒界接合が形成され難い。また、傾斜部分の
基板対する角度が45°よりも大きい場合は、傾斜部分上
に多結晶膜や非晶質膜が形成され、この部分での結晶の
連続性が完全に失われる。
【００１６】上述のように、特定の角度で形成された傾
斜部分上に形成された酸化物超電導薄膜では、基板との
界面近傍に非超電導層が形成されるが、その厚さは均一
であり、予めその厚さを予想して素子を設計することに
より、所期の特性を再現性良く実現することができる。
斜部分上に形成された酸化物超電導薄膜では、基板との
界面近傍に非超電導層が形成されるが、その厚さは均一
であり、予めその厚さを予想して素子を設計することに
より、所期の特性を再現性良く実現することができる。
【００１７】以上のような特徴を備えた本発明に係る超
電導素子において、その超電導薄膜を形成するために
は、結晶構造に異方性を有する全ての酸化物超電導体を
使用することができるが、特に好ましい材料として、Ｙ
1Ba2Cu3 Ｏ7-X 、Bi2Sr2Ca2Cu3Ｏx 、Tl2Ba2Ca2Cu3Ｏx
等を例示することができる。
電導素子において、その超電導薄膜を形成するために
は、結晶構造に異方性を有する全ての酸化物超電導体を
使用することができるが、特に好ましい材料として、Ｙ
1Ba2Cu3 Ｏ7-X 、Bi2Sr2Ca2Cu3Ｏx 、Tl2Ba2Ca2Cu3Ｏx
等を例示することができる。
【００１８】また、基板材料としては、MgＯ（１００）
基板、SrTiＯ3 （１１０）基板、ＹＳＺ基板等を有利な
ものとして例示することができるが、これに限定される
わけではなく、例えば、成膜面に適切なバッファ層を装
荷したSi基板等も使用することができる。
基板、SrTiＯ3 （１１０）基板、ＹＳＺ基板等を有利な
ものとして例示することができるが、これに限定される
わけではなく、例えば、成膜面に適切なバッファ層を装
荷したSi基板等も使用することができる。
【００１９】更に、基板に段差部を形成する方法として
は公知の加工技術をいずれも適用することができる。ま
た、酸化物超電導薄膜の成膜方法としては、スパッタリ
ング法、ＭＢＥ法、真空蒸着法、レーザアブレーション
法等任意の方法を選択することができる。
は公知の加工技術をいずれも適用することができる。ま
た、酸化物超電導薄膜の成膜方法としては、スパッタリ
ング法、ＭＢＥ法、真空蒸着法、レーザアブレーション
法等任意の方法を選択することができる。
【００２０】以下、本発明をより具体的に説明するが、
以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術
的範囲を何ら限定するものではない。
以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術
的範囲を何ら限定するものではない。
【００２１】
【実施例】図１は、基板上に形成する段差部の傾斜部分
の角度を変えて作製した複数の試料における酸化物超電
導薄膜の結晶構造を模式的に示す図である。
の角度を変えて作製した複数の試料における酸化物超電
導薄膜の結晶構造を模式的に示す図である。
【００２２】MgＯ（１００）基板とＹ1Ba2Cu3Ｏ7-x 薄
膜とにより、本発明に従うジョセフソン素子を作製し
た。
膜とにより、本発明に従うジョセフソン素子を作製し
た。
【００２３】まず、15mm×８mm、厚さ 0.5mmのMgＯ（１
００）基板の表面を、リン酸によるウェットエッチング
法で加工することにより、高さ 0.3μｍの段差部を形成
した。このとき、段差部の傾斜部分は、基板の成膜面に
対して40°の角度をなすように形成した。尚、傾斜部分
の傾斜角度は、エッチ剤の浸み込みによるサイドエッチ
ングを利用しエッチング速度を適切に設定することによ
り任意に設定できる。また、イオンミリング法による斜
めエッチングでも、所望の角度の傾斜部分を形成するこ
とができる。また、この処理の後に、必要に応じて超高
真空中で 350℃〜400 ℃のアニール処理を行うことも好
ましい。
００）基板の表面を、リン酸によるウェットエッチング
法で加工することにより、高さ 0.3μｍの段差部を形成
した。このとき、段差部の傾斜部分は、基板の成膜面に
対して40°の角度をなすように形成した。尚、傾斜部分
の傾斜角度は、エッチ剤の浸み込みによるサイドエッチ
ングを利用しエッチング速度を適切に設定することによ
り任意に設定できる。また、イオンミリング法による斜
めエッチングでも、所望の角度の傾斜部分を形成するこ
とができる。また、この処理の後に、必要に応じて超高
真空中で 350℃〜400 ℃のアニール処理を行うことも好
ましい。
【００２４】次に、この段差部を含む基板上に、スパッ
タリング法によりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-x 薄膜を成膜した。成
膜条件は下記の表１に示す通りである。
タリング法によりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-x 薄膜を成膜した。成
膜条件は下記の表１に示す通りである。
【００２５】
【表１】
【００２６】図１(a) は、上述のようにして作製した試
料の断面構造を模式的に示す図である。同図に示すよう
に、傾斜部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２中
にはａ軸配向した超電導領域２ｃが形成されており、傾
斜部分２ｂの上方には、ｃ軸配向膜−ａ軸配向膜−ｃ軸
配向膜という組合せの人工粒界が形成されており、この
部分が所期の特性を発揮するジョセフソン接合を形成し
ていた。
料の断面構造を模式的に示す図である。同図に示すよう
に、傾斜部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２中
にはａ軸配向した超電導領域２ｃが形成されており、傾
斜部分２ｂの上方には、ｃ軸配向膜−ａ軸配向膜−ｃ軸
配向膜という組合せの人工粒界が形成されており、この
部分が所期の特性を発揮するジョセフソン接合を形成し
ていた。
【００２７】〔比較例１〕図１(b) は、段差部１ａの傾
斜部分の角度を約30°としたこと以外は、実施例と全く
同じ材料および条件で作製した試料における配向性の分
布を模式的に示す図である。
斜部分の角度を約30°としたこと以外は、実施例と全く
同じ材料および条件で作製した試料における配向性の分
布を模式的に示す図である。
【００２８】同図に示すように、この試料において傾斜
部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２は全体がｃ
軸配向しており、図示した範囲だけでジョセフソン素子
を構成することはできなかった。
部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２は全体がｃ
軸配向しており、図示した範囲だけでジョセフソン素子
を構成することはできなかった。
【００２９】〔比較例２〕図１(c) は、段差部１ａの傾
斜部分の角度を約60°としたこと以外は、実施例と全く
同じ材料および条件で作製した試料における配向性の分
布を模式的に示す図である。
斜部分の角度を約60°としたこと以外は、実施例と全く
同じ材料および条件で作製した試料における配向性の分
布を模式的に示す図である。
【００３０】同図に示すように、この試料において傾斜
部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２中では、酸
化物超電導体が多結晶または非晶質となっており、この
領域で超電導体の結晶の連続が絶たれていた。
部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２中では、酸
化物超電導体が多結晶または非晶質となっており、この
領域で超電導体の結晶の連続が絶たれていた。
【００３１】
【発明の効果】以上詳述の如く、本発明に従って構成さ
れた超電導素子は、そのジョセフソン接合部において所
望の特性を再現性良く出現させることができる。
れた超電導素子は、そのジョセフソン接合部において所
望の特性を再現性良く出現させることができる。
【図１】実施例における酸化物超電導薄膜の配向性の分
布を模式的に示す図である。
布を模式的に示す図である。
【図２】階段型のジョセフソン素子の典型的な構成を示
す図である。
す図である。
【符号の説明】 １ 基板、 １ａ 段差部、 １ｂ 傾斜部分、 ２ 酸化物超電導薄膜（ｃ軸配向膜）、 ２ａ ジョセフソン接合領域、 ２ｂ 非超電導領域 ２ｃ 酸化物超電導薄膜（ａ軸配向膜）
Claims (1)
- 【請求項１】ジョセフソン接合領域に段差部を形成され
た基板と、該基板上に堆積された酸化物超電導薄膜とを
備えた階段型のジョセフソン素子において、 該段差部の傾斜部分が、該基板の成膜面に対して40°〜
45°の範囲内の角度をなすように構成されていることを
特徴とするジョセフソン素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3347844A JPH05160448A (ja) | 1991-12-03 | 1991-12-03 | 階段型ジョセフソン素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3347844A JPH05160448A (ja) | 1991-12-03 | 1991-12-03 | 階段型ジョセフソン素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05160448A true JPH05160448A (ja) | 1993-06-25 |
Family
ID=18392994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3347844A Withdrawn JPH05160448A (ja) | 1991-12-03 | 1991-12-03 | 階段型ジョセフソン素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05160448A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08162681A (ja) * | 1994-12-07 | 1996-06-21 | Hitachi Ltd | 超電導回路 |
| JP2015514322A (ja) * | 2012-04-04 | 2015-05-18 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 再現可能なステップエッジ型ジョセフソン接合 |
-
1991
- 1991-12-03 JP JP3347844A patent/JPH05160448A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08162681A (ja) * | 1994-12-07 | 1996-06-21 | Hitachi Ltd | 超電導回路 |
| JP2015514322A (ja) * | 2012-04-04 | 2015-05-18 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 再現可能なステップエッジ型ジョセフソン接合 |
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