JPH05291632A - 超電導接合構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 MgＯ（１００）基板５上に形成されたａ軸配
向のBi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x 酸化物超電導薄膜でそれぞれ構成
された超電導領域１、２と、両者を結合する結合部３と
を具備する超電導接合構造体。Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x 酸化物
超電導薄膜のCu−Ｏ面は、超電導領域１、２間を流れる
超電導電流の方向に垂直となっていて、結合部３のCu−
Ｏ面間の結晶面が障壁の超電導接合になる。 【効果】 微細加工せずに弱結合型の超電導接合構造体
が容易に作製できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導接合構造体に関
する。より詳細には、酸化物超電導体を用いており、作
製が容易である新規な超電導接合構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン接合に代表される超電導接
合を実現する構成は各種あって、最も好ましい構造は、
一対の超電導体で薄い非超電導体をはさんだトンネル型
の接合である。しかしながら、点接触型、マイクロブリ
ッジ型等一対の超電導体を弱く結合した超電導接合も、
特性は異なるもののジョセフソン効果を発揮する。一般
に、このような超電導接合を実現する超電導接合構造体
は非常に微細な構造であり、上記の超電導体および非超
電導体は、いわゆる薄膜で構成されている。

【０００３】例えば、超電導体に酸化物超電導体を使用
してトンネル型超電導接合構造体を実現する場合には、
基板上に第１の酸化物超電導薄膜、非超電導体薄膜およ
び第２の酸化物超電導薄膜を順に積層する。

【０００４】非超電導体には、用途により例えばMgＯ等
の絶縁体、Si等の半導体、Au等の金属が使用され、それ
ぞれ異なる特性の超電導接合を構成する。

【０００５】トンネル型超電導接合構造体における非超
電導体の厚さは、超電導体のコヒーレンス長によって決
まる。酸化物超電導体は、コヒーレンス長が非常に短い
ため、酸化物超電導体を使用したトンネル型超電導接合
構造体においては、非超電導体の厚さは数nm程度にしな
ければならない。

【０００６】また、点接触型超電導接合構造体、マイク
ロブリッジ型超電導接合構造体は、いずれも一対の超電
導体の弱結合が実現するような非常に微細な加工を必要
とする。一方、超電導接合の動作特性を考慮すると、超
電導接合構造体を構成する各層の結晶性がよく、単結晶
または単結晶にごく近い配向性を有する多結晶でなけれ
ばならない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のトンネル型超電
導接合構造体を酸化物超電導体を使用して実現する場合
には、それぞれ結晶性のよい第１の酸化物超電導薄膜、
非超電導体の薄膜および第２の酸化物超電導薄膜を積層
しなければならない。酸化物超電導薄膜上にごく薄く、
且つ結晶性のよい非超電導体の薄膜を積層することは困
難であり、この非超電導体薄膜のさらに上に結晶性のよ
い酸化物超電導薄膜を形成するのは酸化物超電導体の特
性上非常に困難である。また、上記の積層構造が実現し
ても、従来は酸化物超電導体と非超電導体との界面の状
態が良好でなく、安定して所望の特性が得られなかっ
た。

【０００８】一方、点接触型超電導接合構造体、マイク
ロブリッジ型超電導接合構造体を実現するような、微細
な加工を酸化物超電導薄膜に施すことも非常に困難であ
り、安定した性能の超電導接合構造体を再現性よく作製
することができなかった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
問題点を解決した、酸化物超電導体を用いた新規な構成
の超電導接合構造体を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、第１お
よび第２の超電導領域を、結合部に障壁が発生するよう
弱く結合させて構成される弱結合型超電導接合を実現し
ている構造体において、前記第１および第２の超電導領
域が、一体のｃ軸が膜面に平行な酸化物超電導薄膜で形
成され、前記障壁が前記酸化物超電導薄膜を構成する酸
化物超電導体結晶のCu−Ｏ面間の結晶面であることを特
徴とする超電導接合構造体が提供される。

【００１１】

【作用】本発明の超電導接合構造体は、第１および第２
の超電導領域が一体の酸化物超電導薄膜で構成されてお
り、障壁がこの酸化物超電導薄膜を構成する酸化物超電
導体結晶のCu−Ｏ面間の結晶面になっている。従って、
障壁が非常にシャープであり、超電導接合としての特性
が優れている。

【００１２】本発明の超電導接合構造体に使用する酸化
物超電導体としては、Ｙ₁Ba₂Cu₃Ｏ_7-X、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ
_x 、Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃Ｏ_x 等が使用できるが、特にBi₂Sr₂Ca
₂Cu₃Ｏ_x が好ましい。これらの酸化物超電導体は、結晶
構造が層状ペロブスカイトと呼ばれる多層構造になって
おり、通常この多層構造の内のCu−Ｏ面を超電導電流が
流れる。逆に、Cu−Ｏ面に垂直な方向には超電導電流が
流れ難く、この方向の臨界電流密度は小さくなってい
る。従って、Cu−Ｏ面に垂直に大きな超電導電流が流れ
るようにすると、Cu−Ｏ面間の結晶面が障壁となって、
超電導接合が成立する。従って、本発明の超電導接合構
造体は、障壁が非常にシャープであり、超電導接合とし
ての特性が優れている。また、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x および
Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂Ｏ_x はCu−Ｏ面間の結合が弱いので特に好
ましい。

【００１３】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。

【００１４】

【実施例】図１に、本発明の超電導接合構造体の一例を
示す。図１は本発明の超電導接合構造体の平面図であ
り、本発明の超電導接合構造体は、基板５上に形成され
たａ軸配向の酸化物超電導薄膜でそれぞれ構成された第
１の超電導領域１、第２の超電導領域２および結合部３
を備える。超電導領域１、２および結合部３を構成する
酸化物超電導薄膜のCu−Ｏ面は、図面の上下方向に平行
に並んでおり、超電導領域１および２間を流れる超電導
電流の方向は、特に結合部３では、Cu−Ｏ面に対して垂
直である。

【００１５】上記本発明の超電導接合構造体では、基板
５はMgＯ（１００）基板であり、超電導領域１、２およ
び結合部３は、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x 酸化物超電導薄膜で構
成されている。また、結合部３は10μｍ×５μｍの寸法
に形成されている。

【００１６】上記本発明の超電導接合構造体の作製工程
を説明する。まず、MgＯ（１００）基板５上にBi₂Sr₂Ca
₂Cu₃Ｏ_x 酸化物超電導薄膜を形成する。成膜方法として
はスパッタリング法が好ましい。成膜条件を以下に示
す。 基板温度 630℃ スパッタリングガス Ar ８SCCM Ｏ₂ ４SCCM 圧力 ５×10^-2Torr 膜厚 200nm

【００１７】上記のように成膜したBi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x 酸
化物超電導薄膜を構成する結晶方向を調べ、超電導電流
が結晶中のCu−Ｏ面に垂直に流れるよう超電導接合構造
体の方向を定める。次いで、反応性イオンエッチングを
使用して、上記のBi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ｏ_x 酸化物超電導薄膜を
図１に示す形状に加工し、本発明の超電導接合構造体が
完成する。このように作製された本発明の超電導接合構
造体は、元来単一の酸化物超電導薄膜であったので、第
１および第２の超電導領域の特性が揃っており、また、
超電導領域と結合部との間に界面が存在しない。従っ
て、不要な抵抗成分や超電導接合が内部に存在すること
がない。

【００１８】上記本発明の超電導接合構造体を使用した
ジョセフソン素子の特性を測定した。85Ｋに冷却し、周
波数15ＧHz、出力0.2 ｍＷのマイクロ波を印加したとこ
ろ、31μＶの倍数の電圧点でシャピロステップが観測さ
れ、ジョセフソン結合が実現していることが確認され
た。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に従うと、
新規な構成の超電導接合構造体を酸化物超電導体により
実現できる。本発明の超電導接合構造体は、同時に成長
した１枚の酸化物超電導薄膜から構成されている。ま
た、本発明の超電導接合構造体は、従来必要とされた微
細加工を行うことなく容易に作製することが可能であ
る。本発明により、超電導技術の電子デバイスへの応用
がさらに促進される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超電導接合構造体の平面図である。

【符号の説明】

１、２ 超電導領域 ３ 結合部 ５ 基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第２の超電導領域を、結合部
   に障壁が発生するよう弱く結合させて構成される弱結合
   型超電導接合を実現している構造体において、前記第１
   および第２の超電導領域が、一体のｃ軸が膜面に平行な
   酸化物超電導薄膜で形成され、前記障壁が前記酸化物超
   電導薄膜を構成する酸化物超電導体結晶のCu−Ｏ面間の
   結晶面であることを特徴とする超電導接合構造体。