JPH07193285A - ジョセフソン接合素子 - Google Patents
ジョセフソン接合素子Info
- Publication number
- JPH07193285A JPH07193285A JP5333678A JP33367893A JPH07193285A JP H07193285 A JPH07193285 A JP H07193285A JP 5333678 A JP5333678 A JP 5333678A JP 33367893 A JP33367893 A JP 33367893A JP H07193285 A JPH07193285 A JP H07193285A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- superconductor
- layer
- josephson junction
- junction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】 半導体特性を有し、単数又は複数の段差部を
有する基板上に超電導体層が形成されており、前記段差
部の側壁上の一部において前記超電導体層が分離されて
超電導体−常電導体−超電導体の接合が形成されている
ジョセフソン接合素子。 【効果】 基板の段差部を、ＳＮＳ接合の接合部として
用いることができるので、特別なＮ層の製造工程を付加
する必要がなく、基板自体をＮ層として用いることがで
きる。従って、基板へのキャリアとしての金属のドープ
量及び段差部の高さを変化させることにより、そのジョ
セフソンカップリングの変調を制御することができ、再
現性及び効率の良い素子を得ることができることから、
自由な素子設計が可能となる。
有する基板上に超電導体層が形成されており、前記段差
部の側壁上の一部において前記超電導体層が分離されて
超電導体−常電導体−超電導体の接合が形成されている
ジョセフソン接合素子。 【効果】 基板の段差部を、ＳＮＳ接合の接合部として
用いることができるので、特別なＮ層の製造工程を付加
する必要がなく、基板自体をＮ層として用いることがで
きる。従って、基板へのキャリアとしての金属のドープ
量及び段差部の高さを変化させることにより、そのジョ
セフソンカップリングの変調を制御することができ、再
現性及び効率の良い素子を得ることができることから、
自由な素子設計が可能となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン接合素子
に関し、より詳細には酸化物超伝導体層を用いたジョセ
フソン接合素子に関する。
に関し、より詳細には酸化物超伝導体層を用いたジョセ
フソン接合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
La系、Ｙを含むランタノイド系、Bi系、Tl系又はHg系等
の酸化物超電導体が注目されている。これらは、従来の
金属系や合金系超電導材料に比し、高い臨界温度を有し
ており、液体窒素で冷却できる利点を有し、実用面にお
いても極めて有益性の高い材料である。また、エレクト
ロニクス素子として、超電導のジョセフソン効果を用い
た磁気センサ、光センサ、マイクロ波素子、論理素子な
どが実現できれば、幅広い応用展開が期待される。
La系、Ｙを含むランタノイド系、Bi系、Tl系又はHg系等
の酸化物超電導体が注目されている。これらは、従来の
金属系や合金系超電導材料に比し、高い臨界温度を有し
ており、液体窒素で冷却できる利点を有し、実用面にお
いても極めて有益性の高い材料である。また、エレクト
ロニクス素子として、超電導のジョセフソン効果を用い
た磁気センサ、光センサ、マイクロ波素子、論理素子な
どが実現できれば、幅広い応用展開が期待される。
【０００３】ところで、従来提案されているジョセフソ
ン接合素子には、その構造を大別すると、超電導体−絶
縁体−超電導体接合素子（いわゆるＳ−Ｉ−Ｓ型接合素
子）、超電導体−常電導体−超電導体接合素子（いわゆ
るＳ−Ｎ−Ｓ型接合素子）がある。従来のＳ−Ｉ−Ｓ型
接合素子は、２つの超電導体の間に、超電導体が有して
いるコヒーレンス長以下の極薄絶縁膜を介在させた、い
わゆる積層型の構造であり、この極薄絶縁膜の元素の組
成比、その均一性及び膜厚によって、その接合の特性
や、信頼性などが大きく左右されることがあった。特に
酸化物超電導体は、そのコヒーレンス長が数Å程度と短
いので、Ｓ−Ｉ−Ｓ型接合の特性を一定にするために、
作製する極薄絶縁膜をÅオーダーで均一にする必要があ
った。従って、その作製が困難であり、酸化物超電導体
で良好な接合特性が得られなかった。
ン接合素子には、その構造を大別すると、超電導体−絶
縁体−超電導体接合素子（いわゆるＳ−Ｉ−Ｓ型接合素
子）、超電導体−常電導体−超電導体接合素子（いわゆ
るＳ−Ｎ−Ｓ型接合素子）がある。従来のＳ−Ｉ−Ｓ型
接合素子は、２つの超電導体の間に、超電導体が有して
いるコヒーレンス長以下の極薄絶縁膜を介在させた、い
わゆる積層型の構造であり、この極薄絶縁膜の元素の組
成比、その均一性及び膜厚によって、その接合の特性
や、信頼性などが大きく左右されることがあった。特に
酸化物超電導体は、そのコヒーレンス長が数Å程度と短
いので、Ｓ−Ｉ−Ｓ型接合の特性を一定にするために、
作製する極薄絶縁膜をÅオーダーで均一にする必要があ
った。従って、その作製が困難であり、酸化物超電導体
で良好な接合特性が得られなかった。
【０００４】一方、Ｓ−Ｎ−Ｓ型接合素子には、主に積
層型とプレーナ型の２種類がある。Ｓ−Ｎ−Ｓ型接合
は、超電導体から超電導体間に介在した常電導体への、
超電導状態の波動関数のしみ出しを利用した近接効果型
接合であり、その接合特性は、常電導体層の特性、形成
方法に大きく左右される。しかしながら、常導電体層へ
の超電導状態の波動関数のしみ出し幅は、数百Å〜数千
Åあるため、Ｓ−Ｉ−Ｓ型接合よりも作製しやすいとい
える。特に、プレーナ型接合の場合、基本的に、常電導
体層と超電導体層との２層を形成するだけでよいため、
比較的作製しやすく、再現性も良好である。しかし、接
合部分の数百Å〜数千Åの幅の微細加工が困難であり、
接合部分をいかに細く加工するかが課題であった。
層型とプレーナ型の２種類がある。Ｓ−Ｎ−Ｓ型接合
は、超電導体から超電導体間に介在した常電導体への、
超電導状態の波動関数のしみ出しを利用した近接効果型
接合であり、その接合特性は、常電導体層の特性、形成
方法に大きく左右される。しかしながら、常導電体層へ
の超電導状態の波動関数のしみ出し幅は、数百Å〜数千
Åあるため、Ｓ−Ｉ−Ｓ型接合よりも作製しやすいとい
える。特に、プレーナ型接合の場合、基本的に、常電導
体層と超電導体層との２層を形成するだけでよいため、
比較的作製しやすく、再現性も良好である。しかし、接
合部分の数百Å〜数千Åの幅の微細加工が困難であり、
接合部分をいかに細く加工するかが課題であった。
【０００５】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、酸化物超電導体を用いたＳ−Ｎ−Ｓ型接合におい
て、良好な素子特性を得ることができるジョセフソン接
合素子を提供することを目的としている。
り、酸化物超電導体を用いたＳ−Ｎ−Ｓ型接合におい
て、良好な素子特性を得ることができるジョセフソン接
合素子を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のジョセフソン接
合素子によれば、半導体特性を有し、単数又は複数の段
差部を有する基板上に超電導体層が形成されており、前
記段差部の側壁上の一部において前記超電導体層が分離
されて超電導体−常電導体−超電導体の接合が形成され
ているジョセフソン接合素子が提供される。
合素子によれば、半導体特性を有し、単数又は複数の段
差部を有する基板上に超電導体層が形成されており、前
記段差部の側壁上の一部において前記超電導体層が分離
されて超電導体−常電導体−超電導体の接合が形成され
ているジョセフソン接合素子が提供される。
【０００７】つまり、本発明のジョセフソン接合素子に
おいては、半導体特性を有するとともに、段差部を有す
る基板上に、超電導体層が形成されており、段差部の側
壁上の一部において超電導体層が分離されているので、
この段差部部分の超電導体層の分離部分の基板をＮ層と
して用いることにより、超電導体−常電導体−超電導体
の接合を形成することを特徴としている。
おいては、半導体特性を有するとともに、段差部を有す
る基板上に、超電導体層が形成されており、段差部の側
壁上の一部において超電導体層が分離されているので、
この段差部部分の超電導体層の分離部分の基板をＮ層と
して用いることにより、超電導体−常電導体−超電導体
の接合を形成することを特徴としている。
【０００８】本発明のジョセフソン接合素子において用
いる基板としては、チタン酸ストロンチウムが好まし
い。基板としてチタン酸ストロンチウムを用いる場合に
は、ニオブあるいはランタンをドープすることで半導体
的特性を示すことが知られており、そのドープ量によっ
て、キャリアの濃度と移動度とが決定される。つまり、
図１２に示したように、チタン酸ストロンチウムにニオ
ブのドープ量により、キャリア濃度が決定される。本発
明においては、基板がチタン酸ストロンチウムの場合に
は、基板中にドープされるニオブ又はランタンが、キャ
リア濃度として１×１０18〜１０21cm-3の範囲であるこ
とが好ましい。
いる基板としては、チタン酸ストロンチウムが好まし
い。基板としてチタン酸ストロンチウムを用いる場合に
は、ニオブあるいはランタンをドープすることで半導体
的特性を示すことが知られており、そのドープ量によっ
て、キャリアの濃度と移動度とが決定される。つまり、
図１２に示したように、チタン酸ストロンチウムにニオ
ブのドープ量により、キャリア濃度が決定される。本発
明においては、基板がチタン酸ストロンチウムの場合に
は、基板中にドープされるニオブ又はランタンが、キャ
リア濃度として１×１０18〜１０21cm-3の範囲であるこ
とが好ましい。
【０００９】また、本発明のジョセフソン接合素子にお
ける基板には、物理的あるいは化学的なエッチング方法
により、単数又は複数の段差部が形成されている。段差
部の形状は特に限定されるものではなく、基板上に複数
の段差部が形成されている場合には、断面形状凸凹形状
で複数個段差部が形成されていてもよいし、階段状に形
成されていてもよい。
ける基板には、物理的あるいは化学的なエッチング方法
により、単数又は複数の段差部が形成されている。段差
部の形状は特に限定されるものではなく、基板上に複数
の段差部が形成されている場合には、断面形状凸凹形状
で複数個段差部が形成されていてもよいし、階段状に形
成されていてもよい。
【００１０】さらに、基板上に形成されている超電導体
層としては、超電導体としての性質を有するものであれ
ば特に限定されるものではなく、酸化物超電導体が好ま
しい。酸化物超電導体としては、YBa2Cu3O7-X、(La1-XM
X)2CuO4(M=Ba,Sr,Ca)、Ln1Ba 2Cu3O7-X 、Ln5Ba6Cu11O
X(Ln=Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb)、Bi2Sr2Ca2Cu3O
10 、Bi2Sr2Ca1Cu2OX、Bi1.7Pb0.2Sb0.1Ca2.0Sr2.0Cu
2.8OX、(Bi0.7Pb0.3)2Sr2Ca2Cu3O10 、Tl2Ba2Ca2Cu3O
10 、Ba1-XKXBiO3、Nd2-XCeXCuO4-y 、HgBa2Can-1CunOy
(n=1-4) 等が挙げられ、なかでもYBa2Cu3O7-Xが好まし
い。これら超電導体は、公知の方法、例えば反応性蒸着
法、スパッタ法、レーザ蒸着法、イオンクラスタビーム
法、ＣＶＤ法等により形成することができる。これら超
導電体層は、基板の段差部の側壁上の一部において分離
されるように、法線方向から段差の高い方へ３０〜８０
度、このましくは４５度から傾いた方向から、基板に対
して上記蒸着やスパッタ等を行って形成することが好ま
しい。従って、これら超導電体層は、基板の段差部上の
一部において分離されることとなり、基板を常電導層
（Ｎ層）として用いる超電導体−常電導体−超電導体の
接合が形成される。
層としては、超電導体としての性質を有するものであれ
ば特に限定されるものではなく、酸化物超電導体が好ま
しい。酸化物超電導体としては、YBa2Cu3O7-X、(La1-XM
X)2CuO4(M=Ba,Sr,Ca)、Ln1Ba 2Cu3O7-X 、Ln5Ba6Cu11O
X(Ln=Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb)、Bi2Sr2Ca2Cu3O
10 、Bi2Sr2Ca1Cu2OX、Bi1.7Pb0.2Sb0.1Ca2.0Sr2.0Cu
2.8OX、(Bi0.7Pb0.3)2Sr2Ca2Cu3O10 、Tl2Ba2Ca2Cu3O
10 、Ba1-XKXBiO3、Nd2-XCeXCuO4-y 、HgBa2Can-1CunOy
(n=1-4) 等が挙げられ、なかでもYBa2Cu3O7-Xが好まし
い。これら超電導体は、公知の方法、例えば反応性蒸着
法、スパッタ法、レーザ蒸着法、イオンクラスタビーム
法、ＣＶＤ法等により形成することができる。これら超
導電体層は、基板の段差部の側壁上の一部において分離
されるように、法線方向から段差の高い方へ３０〜８０
度、このましくは４５度から傾いた方向から、基板に対
して上記蒸着やスパッタ等を行って形成することが好ま
しい。従って、これら超導電体層は、基板の段差部上の
一部において分離されることとなり、基板を常電導層
（Ｎ層）として用いる超電導体−常電導体−超電導体の
接合が形成される。
【００１１】本発明のジョセフソン接合素子における基
板に形成された段差部の高さ、超電導体層の膜厚は特に
限定されるものではないが、５００〜３０００Å程度の
高さ、５００〜４０００Å程度の膜厚が好ましく、段差
部の高さと膜厚との比が、０．５〜２．５の範囲である
ことが好ましい。本発明のように、半導体特性を有する
基板の一部を超電導体層の間に挟んだ、いわゆるＳＮＳ
（超電導体−常電導体−超電導体）ジョセフソン接合素
子においては、Ｎ層のコヒーレンス長（ξN ）は、以下
の式で表される(J.Seto and T. Van Duzer,in Low Temp
erature Physics,LT-13,Vol.3,p.328)。
板に形成された段差部の高さ、超電導体層の膜厚は特に
限定されるものではないが、５００〜３０００Å程度の
高さ、５００〜４０００Å程度の膜厚が好ましく、段差
部の高さと膜厚との比が、０．５〜２．５の範囲である
ことが好ましい。本発明のように、半導体特性を有する
基板の一部を超電導体層の間に挟んだ、いわゆるＳＮＳ
（超電導体−常電導体−超電導体）ジョセフソン接合素
子においては、Ｎ層のコヒーレンス長（ξN ）は、以下
の式で表される(J.Seto and T. Van Duzer,in Low Temp
erature Physics,LT-13,Vol.3,p.328)。
【００１２】
【数１】 マン定数、ｅは電子の電荷、m*は有効質量、ｎは半導体
層のキャリア濃度、Ｔは測定温度である。上記式で、Ｎ
層のコヒーレンス長（ξN ）を決定するパラメータとな
るのは、半導体層のキャリアの移動度（μ）、半導体層
のキャリア濃度（ｎ）及び測定温度（Ｔ）である。すな
わち、ある一定の測定（動作）温度条件下においては、
チタン酸ストロンチウムへの金属のドープ量を制御する
ことによりμとｎを制御でき、それによりξNを制御す
ることができる。ξNは超電導のジョセフソンカップリ
ングの重要なファクターであり、ξNを制御すること
で、ＳＮＳジョセフソン接合素子の接合特性を決定する
ことができる。従って、本発明においては、上記式に基
づいて、基板にキャリアとなる金属をドープし、一定条
件下で、所望のコヒーレンス長（ξN ）を有するＳＮＳ
ジョセフソン接合素子を得ることができる。
層のキャリア濃度、Ｔは測定温度である。上記式で、Ｎ
層のコヒーレンス長（ξN ）を決定するパラメータとな
るのは、半導体層のキャリアの移動度（μ）、半導体層
のキャリア濃度（ｎ）及び測定温度（Ｔ）である。すな
わち、ある一定の測定（動作）温度条件下においては、
チタン酸ストロンチウムへの金属のドープ量を制御する
ことによりμとｎを制御でき、それによりξNを制御す
ることができる。ξNは超電導のジョセフソンカップリ
ングの重要なファクターであり、ξNを制御すること
で、ＳＮＳジョセフソン接合素子の接合特性を決定する
ことができる。従って、本発明においては、上記式に基
づいて、基板にキャリアとなる金属をドープし、一定条
件下で、所望のコヒーレンス長（ξN ）を有するＳＮＳ
ジョセフソン接合素子を得ることができる。
【００１３】また、本発明において、単数個の段差部が
形成された基板を用いる場合には、１つのＳＮＳ接合が
形成されるか、あるいは複数個のＳＮＳ接合が並列的に
形成されることとなり、複数個の段差部が形成された基
板を用いる場合には、ＳＮＳ接合が直列的に形成される
ことなる。本発明のように、ＳＮＳ接合を有するジョセ
フソン接合素子におけるＳＮＳ接合部が、段差部に配設
されており、Ｎ層として基板自体を用いることにより弱
結合が形成されることとなる。このような弱結合部を並
列した例が、アプライド・フィジックス・レターズvol.
59, 3330(1991)で提案されている。例えば、２個のＳＮ
Ｓ接合を並列に接続した超電導素子(SQUID)の場合及び
Ｎ個のＳＮＳ接合を並列に接続した場合の臨界電流Icを
以下にそれぞれ示す。
形成された基板を用いる場合には、１つのＳＮＳ接合が
形成されるか、あるいは複数個のＳＮＳ接合が並列的に
形成されることとなり、複数個の段差部が形成された基
板を用いる場合には、ＳＮＳ接合が直列的に形成される
ことなる。本発明のように、ＳＮＳ接合を有するジョセ
フソン接合素子におけるＳＮＳ接合部が、段差部に配設
されており、Ｎ層として基板自体を用いることにより弱
結合が形成されることとなる。このような弱結合部を並
列した例が、アプライド・フィジックス・レターズvol.
59, 3330(1991)で提案されている。例えば、２個のＳＮ
Ｓ接合を並列に接続した超電導素子(SQUID)の場合及び
Ｎ個のＳＮＳ接合を並列に接続した場合の臨界電流Icを
以下にそれぞれ示す。
【００１４】
【数２】 ここで、Фextは外部印加磁束、Ф0は磁束量子(=2.07×
10-15weber) である。上記式を図１３に示す。２個のＳ
ＮＳ接合の場合を実線で、Ｎ個のＳＮＳ接合の場合を破
線で示した。２個のＳＮＳ接合の場合には、磁束量子Ф
0の周期を持っているのに対し、Ｎ個のＳＮＳ接合の場
合には、磁束量子に対して１／Ｎの周期になることがわ
かる。この様に、弱結合を多数個並列に接続することに
より、より大きな超電導量子干渉効果が期待できる。
10-15weber) である。上記式を図１３に示す。２個のＳ
ＮＳ接合の場合を実線で、Ｎ個のＳＮＳ接合の場合を破
線で示した。２個のＳＮＳ接合の場合には、磁束量子Ф
0の周期を持っているのに対し、Ｎ個のＳＮＳ接合の場
合には、磁束量子に対して１／Ｎの周期になることがわ
かる。この様に、弱結合を多数個並列に接続することに
より、より大きな超電導量子干渉効果が期待できる。
【００１５】
【作用】本発明によるジョセフソン接合素子は、半導体
特性を有し、単数又は複数の段差部を有する基板上に超
電導体層が形成されており、前記段差部の側壁上の一部
において前記超電導体層が分離されて超電導体−常電導
体−超電導体の接合が形成されていることから、基板の
段差部がＳＮＳ接合の接合部として用いられることとな
るので、特別なＮ層の製造工程を付加する必要がなく、
基板自体がＮ層として用いられる。従って、基板へのキ
ャリアとしての金属のドープ量と、段差部の高さによ
り、そのジョセフソンカップリングの変調が制御される
こととなる。
特性を有し、単数又は複数の段差部を有する基板上に超
電導体層が形成されており、前記段差部の側壁上の一部
において前記超電導体層が分離されて超電導体−常電導
体−超電導体の接合が形成されていることから、基板の
段差部がＳＮＳ接合の接合部として用いられることとな
るので、特別なＮ層の製造工程を付加する必要がなく、
基板自体がＮ層として用いられる。従って、基板へのキ
ャリアとしての金属のドープ量と、段差部の高さによ
り、そのジョセフソンカップリングの変調が制御される
こととなる。
【００１６】
【実施例】本発明に係るジョセフソン接合素子の実施例
を図面に基づいて説明する。 実施例１ 図１に、本発明の実施例１のジョセフソン接合素子の基
本構造を示す。略中央に段差部１０ａが設けられ、ニオ
ブがドープされたチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）基
板１０上に、略中央部分に凹部１１ａが形成された平面
形状を有する超電導層１１が形成されている。超電導層
１１の略中央部分は、基板１０の段差部１０ａによって
切断されており、弱結合部１１ｂが形成されている。弱
結合部１１ｂの超電導層１１と超電導層１１との間は常
導電体であるため、いわゆるＳ−Ｎ−Ｓジョセフソン接
合素子が形成されており、超導電層１１の上には電圧電
極１２、電流電極１３がそれぞれ形成されている。
を図面に基づいて説明する。 実施例１ 図１に、本発明の実施例１のジョセフソン接合素子の基
本構造を示す。略中央に段差部１０ａが設けられ、ニオ
ブがドープされたチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）基
板１０上に、略中央部分に凹部１１ａが形成された平面
形状を有する超電導層１１が形成されている。超電導層
１１の略中央部分は、基板１０の段差部１０ａによって
切断されており、弱結合部１１ｂが形成されている。弱
結合部１１ｂの超電導層１１と超電導層１１との間は常
導電体であるため、いわゆるＳ−Ｎ−Ｓジョセフソン接
合素子が形成されており、超導電層１１の上には電圧電
極１２、電流電極１３がそれぞれ形成されている。
【００１７】以下に、上記ジョセフソン接合素子の製造
方法について説明する。図２（ａ）に示したように、ニ
オブを0.5wt％ドープしたSrTiO3(100) 単結晶基板１０
上に、レジスト２１を約１μｍ塗布し、通常のフォトリ
ソグラフィーにより、片側のレジスト２１を除去した。
次いで、図２（ｂ）に示したように、レジスト２１を含
む基板１０上に、真空蒸着法により、ニオブ２２を2500
Å蒸着した。そして、図２（ｃ）に示したように、リフ
トオフ法によりレジスト２１と共にそのレジスト２１上
のニオブ膜２２のみを除去した。
方法について説明する。図２（ａ）に示したように、ニ
オブを0.5wt％ドープしたSrTiO3(100) 単結晶基板１０
上に、レジスト２１を約１μｍ塗布し、通常のフォトリ
ソグラフィーにより、片側のレジスト２１を除去した。
次いで、図２（ｂ）に示したように、レジスト２１を含
む基板１０上に、真空蒸着法により、ニオブ２２を2500
Å蒸着した。そして、図２（ｃ）に示したように、リフ
トオフ法によりレジスト２１と共にそのレジスト２１上
のニオブ膜２２のみを除去した。
【００１８】次いで、図２（ｄ）に示したように、アル
ゴンのイオンミリングにより、基板１０と基板上のニオ
ブ膜２２をエッチングし、図２（ｅ）に示したように、
基板１０上からニオブ膜２２を完全に除去することによ
り、約１５００Åの段差部１０ａを形成した。続いて、
図２（ｆ）に示したように、段差部１０ａを有するNb-S
rTiO3(100)基板１０上に、反応性蒸着法により、超電導
膜としてYBa2Cu3O7-X膜１１を、その組成比がY:Ba:Cu=
1:2:3となるように1000Å形成した。その際、基板１０
の段差部１０ａに、YBa2Cu3O7-X膜１１が蒸着しないよ
うに、法線方向から段差部の高い方に４５度ど傾いた方
向から蒸発源での蒸着を行った。なお、形成されたYBa2
Cu3O7-X膜１１が充分に酸化されるように、基板付近
に、オゾンを重量比で10％含んだ酸素ガスを導入し、RF
プラズマを発生させながら、蒸着した。また、蒸着時の
基板温度を650℃、チャンバ内の真空度を２×１０-4Tor
rで行った。その後、基板温度を一旦500℃に下げて、酸
素をチャンバ内に300Torr導入し、１時間保持してYBa2C
u3O7-X膜１１を充分に酸化させた。そして、基板を自然
冷却させた後、チャンバから取り出し、フォトリソグラ
フィーとドライエッチングにより、図１に示すように、
段差部１０ａにおいて、YBa2Cu3O7-X膜１１が、凹部１
１ａと弱結合部１１ｂとを有するブリッジ形状となるよ
うにパターニングした。その際、段差部１０ａには超電
導膜１１が完全には着膜されず、段差部上段と下段で超
電導膜が切断された形となっている。ブリッジの幅は10
μｍ、長さは100μｍであった。
ゴンのイオンミリングにより、基板１０と基板上のニオ
ブ膜２２をエッチングし、図２（ｅ）に示したように、
基板１０上からニオブ膜２２を完全に除去することによ
り、約１５００Åの段差部１０ａを形成した。続いて、
図２（ｆ）に示したように、段差部１０ａを有するNb-S
rTiO3(100)基板１０上に、反応性蒸着法により、超電導
膜としてYBa2Cu3O7-X膜１１を、その組成比がY:Ba:Cu=
1:2:3となるように1000Å形成した。その際、基板１０
の段差部１０ａに、YBa2Cu3O7-X膜１１が蒸着しないよ
うに、法線方向から段差部の高い方に４５度ど傾いた方
向から蒸発源での蒸着を行った。なお、形成されたYBa2
Cu3O7-X膜１１が充分に酸化されるように、基板付近
に、オゾンを重量比で10％含んだ酸素ガスを導入し、RF
プラズマを発生させながら、蒸着した。また、蒸着時の
基板温度を650℃、チャンバ内の真空度を２×１０-4Tor
rで行った。その後、基板温度を一旦500℃に下げて、酸
素をチャンバ内に300Torr導入し、１時間保持してYBa2C
u3O7-X膜１１を充分に酸化させた。そして、基板を自然
冷却させた後、チャンバから取り出し、フォトリソグラ
フィーとドライエッチングにより、図１に示すように、
段差部１０ａにおいて、YBa2Cu3O7-X膜１１が、凹部１
１ａと弱結合部１１ｂとを有するブリッジ形状となるよ
うにパターニングした。その際、段差部１０ａには超電
導膜１１が完全には着膜されず、段差部上段と下段で超
電導膜が切断された形となっている。ブリッジの幅は10
μｍ、長さは100μｍであった。
【００１９】次いで、図２（ｇ）に示したように、電圧
電極１２、電流電極１３として、銀薄膜をYBa2Cu3O7-X
膜１１上にそれぞれ形成した。このようにして得られた
段差型ジョセフソン接合素子の電流電圧特性を図３に示
す。この接合素子の臨界温度は85Ｋ、臨界電流密度は６
×１０4Ａ／cm2（15Ｋ）であった。この電流電圧特性
は、ほぼ理想的なRSJ (Resistivity Shunted Junction)
モデルにそっており、良好な単一ジョセフソン接合が形
成されていることがわかった。
電極１２、電流電極１３として、銀薄膜をYBa2Cu3O7-X
膜１１上にそれぞれ形成した。このようにして得られた
段差型ジョセフソン接合素子の電流電圧特性を図３に示
す。この接合素子の臨界温度は85Ｋ、臨界電流密度は６
×１０4Ａ／cm2（15Ｋ）であった。この電流電圧特性
は、ほぼ理想的なRSJ (Resistivity Shunted Junction)
モデルにそっており、良好な単一ジョセフソン接合が形
成されていることがわかった。
【００２０】また、上記段差型ジョセフソン接合素子の
接合部への磁場印加特性を図４に示す。明瞭なフラウン
フォーファーパターンを示していることがわかる。 実施例２ 実施例１と同様の形状のジョセフソン接合素子を、基板
へのニオブのドープ量を種々変化させて、実施例１と同
様の方法で形成した。各素子の電流電圧特性を図５に示
す。なお、ニオブのドープ量が５wt％の基板を用いた場
合のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を実線、0.5w
t％の場合を破線、0.05wt％の場合を一点破線で示し
た。ニオブの基板へのドープ量の変化によって電流電圧
特性が変調されていることがわかる。 実施例３ 本実施例では、図６に示したように、複数個の段差部を
設け、超電導膜の弱結合部を５個作製した。基板３０
は、ニオブ0.5wt％ドープしたSrTiO3基板であり、この
基板３０は段差部３０ａを有している。
接合部への磁場印加特性を図４に示す。明瞭なフラウン
フォーファーパターンを示していることがわかる。 実施例２ 実施例１と同様の形状のジョセフソン接合素子を、基板
へのニオブのドープ量を種々変化させて、実施例１と同
様の方法で形成した。各素子の電流電圧特性を図５に示
す。なお、ニオブのドープ量が５wt％の基板を用いた場
合のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を実線、0.5w
t％の場合を破線、0.05wt％の場合を一点破線で示し
た。ニオブの基板へのドープ量の変化によって電流電圧
特性が変調されていることがわかる。 実施例３ 本実施例では、図６に示したように、複数個の段差部を
設け、超電導膜の弱結合部を５個作製した。基板３０
は、ニオブ0.5wt％ドープしたSrTiO3基板であり、この
基板３０は段差部３０ａを有している。
【００２１】このようなジョセフソン接合素子におい
て、段差部３０ａを有した基板３０に、蒸着により超伝
導膜３１を形成する際、斜め４５度からの超電導材料を
成膜することにより、段差部３０ｂには超電導膜３１が
成膜され、段差部３０ａには超電導膜３１が成膜されな
い。従って、段差部３０ａには弱結合部３１ｂが形成さ
れることとなり、段差部３０ｂには強結合部が形成され
ることとなる。
て、段差部３０ａを有した基板３０に、蒸着により超伝
導膜３１を形成する際、斜め４５度からの超電導材料を
成膜することにより、段差部３０ｂには超電導膜３１が
成膜され、段差部３０ａには超電導膜３１が成膜されな
い。従って、段差部３０ａには弱結合部３１ｂが形成さ
れることとなり、段差部３０ｂには強結合部が形成され
ることとなる。
【００２２】上記素子の臨界電流Icより少し多めの電流
Ｉ＝１．２Ｉｃを印加したときの、出力電圧の磁場依存
性を、図７において実線で示す。なお、比較のため、単
一の段差部を形成した基板を用いた場合の出力電圧を破
線で示す。段差部を５個形成した基板を用いたものは、
単一の段差部を形成した基板を用いた場合の５倍の出力
が得られていることがわかる。 実施例４ 本実施例では、図８に示したように、単一の段差部４０
ａを有する基板４０上の段差部４０ａにおいて、２個の
弱結合部４１ａを並列に有する超電導膜４１が形成てい
る。これは、いわゆるSQUID型（超電導量子干渉効果素
子）のジョセフソン接合素子である。基板４０として
は、ニオブ0.5wt％ドープしたSrTiO3(100)基板を用い
た。
Ｉ＝１．２Ｉｃを印加したときの、出力電圧の磁場依存
性を、図７において実線で示す。なお、比較のため、単
一の段差部を形成した基板を用いた場合の出力電圧を破
線で示す。段差部を５個形成した基板を用いたものは、
単一の段差部を形成した基板を用いた場合の５倍の出力
が得られていることがわかる。 実施例４ 本実施例では、図８に示したように、単一の段差部４０
ａを有する基板４０上の段差部４０ａにおいて、２個の
弱結合部４１ａを並列に有する超電導膜４１が形成てい
る。これは、いわゆるSQUID型（超電導量子干渉効果素
子）のジョセフソン接合素子である。基板４０として
は、ニオブ0.5wt％ドープしたSrTiO3(100)基板を用い
た。
【００２３】この素子に、バイアス電流を流し、75Ｋの
測定温度で磁束を測定した。その結果を図９に示す。こ
れによると、磁束量子Ф0に対応する周期電圧が測定さ
れ、良好な接合が得られていることがわかった。 実施例５ 本実施例のジョセフソン接合素子では、図１０に示した
ように、単一の段差部５０ａを有する基板５０上の段差
部５０ａにおいて、６個の弱結合部５１ａを並列に有す
る超電導膜５１が形成ている。基板５０としては、ニオ
ブ0.5wt％ドープしたSrTiO3(100)基板を用いた。
測定温度で磁束を測定した。その結果を図９に示す。こ
れによると、磁束量子Ф0に対応する周期電圧が測定さ
れ、良好な接合が得られていることがわかった。 実施例５ 本実施例のジョセフソン接合素子では、図１０に示した
ように、単一の段差部５０ａを有する基板５０上の段差
部５０ａにおいて、６個の弱結合部５１ａを並列に有す
る超電導膜５１が形成ている。基板５０としては、ニオ
ブ0.5wt％ドープしたSrTiO3(100)基板を用いた。
【００２４】図１１は、上記６個の弱結合部５１ａを並
列に形成した素子の磁場印加特性を示す。動作状態で
は、素子を臨界電流よりも少し大きな値に電流バイアス
し、時速を測定した。その結果、磁束量子Ф0に対して
１／６の周期の干渉パターンが見られた。なお、上記実
施例３、４、５においては、0.5wt％ニオブドープのSrT
iO3を基板として用いたが、実施例２でもわるように、
ドープ量を0.05〜５wt％に変調させても、同様の結果が
得られた。また、実施例１〜５においては、ドープ材料
としてニオブを用いたが、ランタンをドープしても同様
の結果が得られた。
列に形成した素子の磁場印加特性を示す。動作状態で
は、素子を臨界電流よりも少し大きな値に電流バイアス
し、時速を測定した。その結果、磁束量子Ф0に対して
１／６の周期の干渉パターンが見られた。なお、上記実
施例３、４、５においては、0.5wt％ニオブドープのSrT
iO3を基板として用いたが、実施例２でもわるように、
ドープ量を0.05〜５wt％に変調させても、同様の結果が
得られた。また、実施例１〜５においては、ドープ材料
としてニオブを用いたが、ランタンをドープしても同様
の結果が得られた。
【００２５】
【発明の効果】本発明によるジョセフソン接合素子は、
半導体特性を有し、単数又は複数の段差部を有する基板
上に超電導体層が形成されており、前記段差部の側壁上
の一部において前記超電導体層が分離されて超電導体−
常電導体−超電導体の接合が形成されていることから、
基板の段差部を、ＳＮＳ接合の接合部として用いること
ができる。よって、特別なＮ層の製造工程を付加する必
要がなく、基板自体をＮ層として用いることができる。
半導体特性を有し、単数又は複数の段差部を有する基板
上に超電導体層が形成されており、前記段差部の側壁上
の一部において前記超電導体層が分離されて超電導体−
常電導体−超電導体の接合が形成されていることから、
基板の段差部を、ＳＮＳ接合の接合部として用いること
ができる。よって、特別なＮ層の製造工程を付加する必
要がなく、基板自体をＮ層として用いることができる。
【００２６】従って、基板へのキャリアとしての金属の
ドープ量及び段差部の高さを変化させることにより、そ
のジョセフソンカップリングの変調を制御することがで
きることとなり、再現性が良く、かつ効率の良い素子を
得ることができることから、自由な素子設計が可能とな
る。
ドープ量及び段差部の高さを変化させることにより、そ
のジョセフソンカップリングの変調を制御することがで
きることとなり、再現性が良く、かつ効率の良い素子を
得ることができることから、自由な素子設計が可能とな
る。
【図１】本発明のジョセフソン接合素子の第１の実施例
を示すジョセフソン接合素子の要部の概略斜視図であ
る。
を示すジョセフソン接合素子の要部の概略斜視図であ
る。
【図２】図１のジョセフソン接合素子の製造工程図であ
る。
る。
【図３】図１のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を
示す図である。
示す図である。
【図４】図１のジョセフソン接合素子の磁場印加特性を
示す図である。
示す図である。
【図５】本発明のジョセフソン接合素子の第２の実施例
で形成された素子の電流電圧特性を示す図である。
で形成された素子の電流電圧特性を示す図である。
【図６】本発明のジョセフソン接合素子の第３の実施例
で形成される素子の要部の概略断面図である。
で形成される素子の要部の概略断面図である。
【図７】図６のジョセフソン接合素子の磁場印加特性を
示す図である。
示す図である。
【図８】本発明のジョセフソン接合素子の第４の実施例
で形成される素子の要部の概略平面図である。
で形成される素子の要部の概略平面図である。
【図９】図８のジョセフソン接合素子の磁場印加特性を
示す図である。
示す図である。
【図１０】本発明のジョセフソン接合素子の第５の実施
例で形成される素子の要部の概略平面図である。
例で形成される素子の要部の概略平面図である。
【図１１】図１０のジョセフソン接合素子の磁場印加特
性を示す図である。
性を示す図である。
【図１２】ニオブのチタン酸ストロンチウムに対するド
ープ量とキャリア濃度との関係を示す図である。
ープ量とキャリア濃度との関係を示す図である。
【図１３】一般的な並列型ジョセフソン接合素子の磁場
印加特性を示す図である。
印加特性を示す図である。
１０、３０、４０、５０ 基板 １０ａ、３０ａ、３０ｂ、４０ａ、５０ａ 段差部 １１、３１、４１、５１ 超電導体層 １１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ 凹部 １１ｂ、３１ｂ、４１ｂ、５１ｂ ＳＮＳ接合 １２ 電圧電極 １３ 電流電極 ２１ レジスト ２２ ニオブ膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木場 正義 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体特性を有し、単数又は複数の段差
部を有する基板上に超電導体層が形成されており、前記
段差部の側壁上の一部において前記超電導体層が分離さ
れて超電導体−常電導体−超電導体の接合が形成されて
いることを特徴とするジョセフソン接合素子。 - 【請求項２】 基板が、チタン酸ストロンチウムにキャ
リア濃度として１×１０18〜１０21cm-3の範囲でニオブ
又はランタンがドープされたものである請求項１記載の
ジョセフソン接合素子。 - 【請求項３】 超電導体層が、酸化物超電導体である請
求項１又は２のいづれかに記載のジョセフソン接合素
子。 - 【請求項４】 基板上の複数の段差部の側壁上の一部に
おいて超電導体層が分離されて形成された超電導体−常
電導体−超電導体の接合が、直列的に形成されている請
求項１〜３のいずれかに記載のジョセフソン接合素子。 - 【請求項５】 基板上の単数の段差部の側壁上の一部に
おいて超電導体層が分離されて形成された超電導体−常
電導体−超電導体の接合が、並列的に形成されている請
求項１〜３のいずれかに記載のジョセフソン接合素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5333678A JPH07193285A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | ジョセフソン接合素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5333678A JPH07193285A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | ジョセフソン接合素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07193285A true JPH07193285A (ja) | 1995-07-28 |
Family
ID=18268750
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5333678A Pending JPH07193285A (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | ジョセフソン接合素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07193285A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118201468A (zh) * | 2024-05-20 | 2024-06-14 | 天津大学 | 量子芯片及其制备方法 |
| CN118201469A (zh) * | 2024-05-20 | 2024-06-14 | 天津大学 | 平面约瑟夫森结及其制备方法、约瑟夫森结阵列 |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP5333678A patent/JPH07193285A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118201468A (zh) * | 2024-05-20 | 2024-06-14 | 天津大学 | 量子芯片及其制备方法 |
| CN118201469A (zh) * | 2024-05-20 | 2024-06-14 | 天津大学 | 平面约瑟夫森结及其制备方法、约瑟夫森结阵列 |
| CN118201468B (zh) * | 2024-05-20 | 2024-08-20 | 天津大学 | 量子芯片及其制备方法 |
| CN118201469B (zh) * | 2024-05-20 | 2024-09-17 | 天津大学 | 平面约瑟夫森结及其制备方法、约瑟夫森结阵列 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3330969B2 (ja) | 段付きエッジ間のＳＮＳ接合を用いる高Ｔｃマイクロブリッジ超電導体装置 | |
| JP3278638B2 (ja) | 高温超伝導ジョセフソン接合およびその製造方法 | |
| US5627139A (en) | High-temperature superconducting josephson devices having a barrier layer of a doped, cubic crystalline, conductive oxide material | |
| Gao et al. | Preparation and properties of all high T/sub c/SNS-type edge DC SQUIDs | |
| EP0546958B1 (en) | Superconducting field-effect transitor having an extremly thin superconducting channel formed of oxide superconductor material | |
| JPH05335638A (ja) | ジョセフソン接合構造体およびその作製方法 | |
| JP2963614B2 (ja) | 酸化物超電導体接合素子の製造方法 | |
| JPH104223A (ja) | 酸化物超電導体ジョセフソン素子 | |
| US5422337A (en) | Step-edged grain boundary Josephson junction with 5 to 30 degrees inclined angle | |
| Forrester et al. | Inductance measurements in multilevel high T c step‐edge grain boundary SQUIDS | |
| JPH07193285A (ja) | ジョセフソン接合素子 | |
| US5480859A (en) | Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor junction through a Bi-Sr-Cu-O barrier layer | |
| US5612290A (en) | Josephson junction device formed of oxide superconductor | |
| EP0494830B1 (en) | Method for manufacturing tunnel junction type josephson device composed of compound oxide superconductor material | |
| JPH05190921A (ja) | 超電導接合を有する素子およびその作製方法 | |
| JPH0278282A (ja) | ジヨセフソン素子 | |
| US5856205A (en) | Josephson junction device of oxide superconductor having low noise level at liquid nitrogen temperature | |
| US20040134967A1 (en) | Interface engineered high-Tc Josephson junctions | |
| Ovsyannikov et al. | YBCO bicrystal junctions on sapphire: d-wave impact and possible applications | |
| Horiuchi et al. | Superconductivity of strained YBa2Cu3O7/(La1-xSrx) 2CuO4 superlattices | |
| US6372368B1 (en) | Superconducting regular current interval voltage step element and superconducting device | |
| JP2899287B2 (ja) | ジョセフソン素子 | |
| US5362709A (en) | Superconducting device | |
| JP2861235B2 (ja) | 超伝導素子 | |
| JP2730360B2 (ja) | トンネル型ジョセフソン接合素子の作製方法 |