JPH0818113A - 段差型ジョセフソン素子 - Google Patents
段差型ジョセフソン素子Info
- Publication number
- JPH0818113A JPH0818113A JP6148148A JP14814894A JPH0818113A JP H0818113 A JPH0818113 A JP H0818113A JP 6148148 A JP6148148 A JP 6148148A JP 14814894 A JP14814894 A JP 14814894A JP H0818113 A JPH0818113 A JP H0818113A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- temperature superconductor
- degrees
- thin film
- stepped
- 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
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 電圧ノイズが低く、特性のバラツキの小さい
段差型ジョセフソン素子を提供する。 【構成】 段差部２を設けた基板の(100) 面４上に高温
超電導体薄膜５を形成した段差型ジョセフソン素子にお
いて、前記基板段差部２の傾斜面３と非段差部の基板面
４とのなす傾斜角度αが90度を超える角度にする。 【効果】 段差部２の傾斜角度αが90度を超えると、段
差部２の傾斜面３上の高温超電導体薄膜５（ジョセフソ
ン接合部）は１個の亜粒界６にて形成されるようにな
る。前記亜粒界６は安定した結晶構造からなるので、電
圧ノイズ及び特性のバラツキが低下する。
段差型ジョセフソン素子を提供する。 【構成】 段差部２を設けた基板の(100) 面４上に高温
超電導体薄膜５を形成した段差型ジョセフソン素子にお
いて、前記基板段差部２の傾斜面３と非段差部の基板面
４とのなす傾斜角度αが90度を超える角度にする。 【効果】 段差部２の傾斜角度αが90度を超えると、段
差部２の傾斜面３上の高温超電導体薄膜５（ジョセフソ
ン接合部）は１個の亜粒界６にて形成されるようにな
る。前記亜粒界６は安定した結晶構造からなるので、電
圧ノイズ及び特性のバラツキが低下する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高温超電導体により構成
された段差型ジョセフソン素子に関する。
された段差型ジョセフソン素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の金属又は金属間化合物超電導体
は、高価な液体ヘリウムを冷媒に用いる為利用分野が限
られていた。しかし1986年以降、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系
やＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系等の、冷媒に廉価な液
体窒素を使用できる高温超電導体が見出されるに至り、
その応用が種々の分野で検討されるようになった。とこ
ろで、超電導現象を利用した素子としては、ジョセフソ
ン素子が知られている。この素子は、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たもので、従
来の金属超電導体等を用いて、デジタル回路、ＳＱＵＩ
Ｄ、マイクロ波検出器、Ａ／Ｄコンバータ等の一部に実
用されている。ジョセフソン接合の構造には、段差型、
マイクロブリッジ型、トンネル型、ポイントコンタクト
型等があるが、どの型も、高温超電導体を用いて良好な
ジョセフソン接合を形成するのは非常に難しい。その理
由は、良好なジョセフソン接合を形成するには、超電導
体のコヒーレンス長の数倍程度の極めて微細な加工技術
が必要であり、高温超電導体はコヒーレンス長さが３ｎ
ｍ以下と、金属系超電導体に比べ極めて小さい為であ
る。
は、高価な液体ヘリウムを冷媒に用いる為利用分野が限
られていた。しかし1986年以降、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系
やＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系等の、冷媒に廉価な液
体窒素を使用できる高温超電導体が見出されるに至り、
その応用が種々の分野で検討されるようになった。とこ
ろで、超電導現象を利用した素子としては、ジョセフソ
ン素子が知られている。この素子は、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たもので、従
来の金属超電導体等を用いて、デジタル回路、ＳＱＵＩ
Ｄ、マイクロ波検出器、Ａ／Ｄコンバータ等の一部に実
用されている。ジョセフソン接合の構造には、段差型、
マイクロブリッジ型、トンネル型、ポイントコンタクト
型等があるが、どの型も、高温超電導体を用いて良好な
ジョセフソン接合を形成するのは非常に難しい。その理
由は、良好なジョセフソン接合を形成するには、超電導
体のコヒーレンス長の数倍程度の極めて微細な加工技術
が必要であり、高温超電導体はコヒーレンス長さが３ｎ
ｍ以下と、金属系超電導体に比べ極めて小さい為であ
る。
【０００３】高温超電導体をジョセフソン素子に用いる
場合は、段差型ジョセフソン素子が製造し易く有利であ
る。高温超電導体を用いた従来の段差型ジョセフソン素
子は、図２に示すように、段差部12を設けた基板11上に
高温超電導体薄膜５を形成したものである。高温超電導
体は、結晶異方性を有しｃ軸に直角な方向に超電導電流
が流れる。従って、前記段差型ジョセフソン素子は、基
板11の (100)面４上に高温超電導体薄膜５をヘテロエピ
タキシャル成長させて製造する。段差部12を設けた基板
面(100) ４上に高温超電導体薄膜５を形成すると、段差
部２を挟む両基板(100) 面４上に成長したｃ軸配向の高
温超電導体薄膜５と傾斜面13上に成長した高温超電導体
薄膜15の当接部に結晶粒界（弱結合部）７が形成され
る。この結晶粒界（弱結合部）７は傾斜面13の上下両端
に形成され、この結晶粒界間領域８がジョセフソン接合
部となる。
場合は、段差型ジョセフソン素子が製造し易く有利であ
る。高温超電導体を用いた従来の段差型ジョセフソン素
子は、図２に示すように、段差部12を設けた基板11上に
高温超電導体薄膜５を形成したものである。高温超電導
体は、結晶異方性を有しｃ軸に直角な方向に超電導電流
が流れる。従って、前記段差型ジョセフソン素子は、基
板11の (100)面４上に高温超電導体薄膜５をヘテロエピ
タキシャル成長させて製造する。段差部12を設けた基板
面(100) ４上に高温超電導体薄膜５を形成すると、段差
部２を挟む両基板(100) 面４上に成長したｃ軸配向の高
温超電導体薄膜５と傾斜面13上に成長した高温超電導体
薄膜15の当接部に結晶粒界（弱結合部）７が形成され
る。この結晶粒界（弱結合部）７は傾斜面13の上下両端
に形成され、この結晶粒界間領域８がジョセフソン接合
部となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前述の高温超電導体を
用いた段差型ジョセフソン接合は、今日の微細加工技術
をもってすれば形成可能であるが、実際に製造されたジ
ョセフソン素子は、ノイズ並びに超電導特性のバラツキ
が大きく、実用性に乏しいものであった。本発明は、こ
のような状況の中で鋭意研究を行い、ノイズと特性バラ
ツキの原因は、前記傾斜面の両端に形成される２箇所の
弱結合部にあること、この弱結合部は結晶構造が不安定
な自然粒界であること、傾斜角度を大きくすると粒界間
隔が狭まり、且つ粒界の結晶構造は安定な亜粒界に変化
することを知見し、更に研究を進めて本発明を完成させ
るに至った。
用いた段差型ジョセフソン接合は、今日の微細加工技術
をもってすれば形成可能であるが、実際に製造されたジ
ョセフソン素子は、ノイズ並びに超電導特性のバラツキ
が大きく、実用性に乏しいものであった。本発明は、こ
のような状況の中で鋭意研究を行い、ノイズと特性バラ
ツキの原因は、前記傾斜面の両端に形成される２箇所の
弱結合部にあること、この弱結合部は結晶構造が不安定
な自然粒界であること、傾斜角度を大きくすると粒界間
隔が狭まり、且つ粒界の結晶構造は安定な亜粒界に変化
することを知見し、更に研究を進めて本発明を完成させ
るに至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、段差部を設け
た基板面上に高温超電導体薄膜を形成した段差型ジョセ
フソン素子において、前記基板の段差部の傾斜面と非段
差部の基板面とのなす傾斜角度α（図１参照）が90度を
超える角度であることを特徴とする段差型ジョセフソン
素子である。
た基板面上に高温超電導体薄膜を形成した段差型ジョセ
フソン素子において、前記基板の段差部の傾斜面と非段
差部の基板面とのなす傾斜角度α（図１参照）が90度を
超える角度であることを特徴とする段差型ジョセフソン
素子である。
【０００６】本発明の段差型ジョセフソン素子は、図１
に示すように、基板１の段差部２に設けられた傾斜面３
の傾斜角度αを、90度を超える角度（オーバーハング
状）に形成することにより、前記傾斜面３を挟む両方の
（100)面４上の高温超電導体薄膜５の当接個所に１個の
粒界（本発明者は亜粒界となっていると考えている）６
が形成され、この一箇所のみが、ジョセフソン接合部と
して働き、電気的安定化が計られるものである。前記亜
粒界６は、結晶構造の乱れによるミスフィット転位が集
積したもので、構造的に安定で再現性がある。
に示すように、基板１の段差部２に設けられた傾斜面３
の傾斜角度αを、90度を超える角度（オーバーハング
状）に形成することにより、前記傾斜面３を挟む両方の
（100)面４上の高温超電導体薄膜５の当接個所に１個の
粒界（本発明者は亜粒界となっていると考えている）６
が形成され、この一箇所のみが、ジョセフソン接合部と
して働き、電気的安定化が計られるものである。前記亜
粒界６は、結晶構造の乱れによるミスフィット転位が集
積したもので、構造的に安定で再現性がある。
【０００７】本発明の段差型ジョセフソン素子には任意
の高温超電導体が適用される。特に好ましくは、ＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏx （ＹＢＣＯ）、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3
Ｏx、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx （ＢＳＣＣＯ）、Ｔ
ｌ2 Ｂａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx（ＴＢＣＣＯ）等の高温超
電導体である。
の高温超電導体が適用される。特に好ましくは、ＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏx （ＹＢＣＯ）、Ｂｉ2 Ｓｒ2 Ｃａ2 Ｃｕ3
Ｏx、Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏx （ＢＳＣＣＯ）、Ｔ
ｌ2 Ｂａ2 Ｃａ2 Ｃｕ3 Ｏx（ＴＢＣＣＯ）等の高温超
電導体である。
【０００８】前記高温超電導体を膜形成する基板にはＭ
ｇＯ、ＳｒＴｉＯ3 、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＯ2 等の単結
晶基板が用いられる。これら例示の基板の成膜面は(10
0) 面である。この他、ペロブスカイト型結晶構造の材
料等も適用できる。又単結晶基板以外でも、例えば多結
晶Ｓｉ基板等は、成膜面に適当なバッファ層を設けるこ
とにより使用可能である。
ｇＯ、ＳｒＴｉＯ3 、ＬａＡｌＯ3、ＺｒＯ2 等の単結
晶基板が用いられる。これら例示の基板の成膜面は(10
0) 面である。この他、ペロブスカイト型結晶構造の材
料等も適用できる。又単結晶基板以外でも、例えば多結
晶Ｓｉ基板等は、成膜面に適当なバッファ層を設けるこ
とにより使用可能である。
【０００９】基板に、傾斜角度が90度を超える段差部を
形成するには、サイドエッチング効果を利用したウェッ
トエッチング法、基板を傾斜配置してイオンミリングす
る方法、レーザー光線を用いた光加工法等が適用できる
基板の段差ｈは、基板上に形成する高温超電導体薄膜の
厚さｔより小さく、 0.1ｔより大きくするのが望まし
い。その理由は、段差ｈがｔを超えると、高温超電導体
薄膜が段差部で部分的に切れて特性が低下し、又段差ｈ
が 0.1ｔ未満では段差部の両端の高温超電導体薄膜が再
結晶して亜粒界が部分的に形成されなくなって特性が低
下する為である。
形成するには、サイドエッチング効果を利用したウェッ
トエッチング法、基板を傾斜配置してイオンミリングす
る方法、レーザー光線を用いた光加工法等が適用できる
基板の段差ｈは、基板上に形成する高温超電導体薄膜の
厚さｔより小さく、 0.1ｔより大きくするのが望まし
い。その理由は、段差ｈがｔを超えると、高温超電導体
薄膜が段差部で部分的に切れて特性が低下し、又段差ｈ
が 0.1ｔ未満では段差部の両端の高温超電導体薄膜が再
結晶して亜粒界が部分的に形成されなくなって特性が低
下する為である。
【００１０】高温超電導体薄膜の形成には、スパッタリ
ング法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法、真空蒸着
法等の任意の気相成長法が適用できる。段差部の傾斜角
度が大きくなると、気相粒子が傾斜面下方に回り込めな
くなり空孔が生じて特性が低下する。適正な特性が得ら
れる傾斜角度の上限は、成膜時に気相粒子の持つエネル
ギーによって異なる。従って、成膜法としてスパッタリ
ング法を用いたときは、αを 135度、レーザアブレーシ
ョン法を用いたときは、130度、ＭＢＥ法や真空蒸着法
を用いたときは、 120度程度が好ましい。
ング法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法、真空蒸着
法等の任意の気相成長法が適用できる。段差部の傾斜角
度が大きくなると、気相粒子が傾斜面下方に回り込めな
くなり空孔が生じて特性が低下する。適正な特性が得ら
れる傾斜角度の上限は、成膜時に気相粒子の持つエネル
ギーによって異なる。従って、成膜法としてスパッタリ
ング法を用いたときは、αを 135度、レーザアブレーシ
ョン法を用いたときは、130度、ＭＢＥ法や真空蒸着法
を用いたときは、 120度程度が好ましい。
【００１１】
【作用】本発明では、段差部を設けた基板上に高温超電
導体薄膜を形成した段差型ジョセフソン素子において、
前記段差部の傾斜面と非段差部基板面とのなす角度αを
90度を超える角度にしたので、本発明者の考察によれ
ば、前記段差部に形成される高温超電導体薄膜の不連続
結晶部分は１個の安定した結晶構造の亜粒界から形成さ
れる。従って、ノイズや特性のバラツキが低減する。
導体薄膜を形成した段差型ジョセフソン素子において、
前記段差部の傾斜面と非段差部基板面とのなす角度αを
90度を超える角度にしたので、本発明者の考察によれ
ば、前記段差部に形成される高温超電導体薄膜の不連続
結晶部分は１個の安定した結晶構造の亜粒界から形成さ
れる。従って、ノイズや特性のバラツキが低減する。
【００１２】
【実施例】以下に、本発明を実施例により詳細に説明す
る。 （実施例１）図１に示した本発明の段差型ジョセフソン
素子を、ＭｇＯ基板上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx （ＹＢＣ
Ｏ）の高温超電導体薄膜を形成して製造した。12mm角、
厚さ 0.5mmの５枚のＭｇＯ基板の (100)面上に、それぞ
れ高さ30、40、300 、400 、又は500nm の段差部をリン
酸を用いたウエットエッチング法により形成した。段差
部の傾斜角度αはサイドエッチング効果を利用して形成
した。このようにして傾斜角度αが92度、95度、 110
度、 135度の４種類の基板を作成した。次に前記傾斜角
度の異なる４種の基板面上にＹＢＣＯ薄膜をスパッタリ
ング法により 400nmの厚さに形成した。成膜条件は、成
膜速度 0.1μm/Hr、RF電力100Ｗ、基板温度 740℃とし
た。成膜容器内の雰囲気はＡｒ／Ｏ2 ＝10SCCM/10SCCM
（SCCMはスタンダードCC/min. の略）のガス流量によ
り、150mTorrの圧力に保持した。成膜後、１気圧の酸素
を容器内に導入してから室温まで冷却した。
る。 （実施例１）図１に示した本発明の段差型ジョセフソン
素子を、ＭｇＯ基板上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx （ＹＢＣ
Ｏ）の高温超電導体薄膜を形成して製造した。12mm角、
厚さ 0.5mmの５枚のＭｇＯ基板の (100)面上に、それぞ
れ高さ30、40、300 、400 、又は500nm の段差部をリン
酸を用いたウエットエッチング法により形成した。段差
部の傾斜角度αはサイドエッチング効果を利用して形成
した。このようにして傾斜角度αが92度、95度、 110
度、 135度の４種類の基板を作成した。次に前記傾斜角
度の異なる４種の基板面上にＹＢＣＯ薄膜をスパッタリ
ング法により 400nmの厚さに形成した。成膜条件は、成
膜速度 0.1μm/Hr、RF電力100Ｗ、基板温度 740℃とし
た。成膜容器内の雰囲気はＡｒ／Ｏ2 ＝10SCCM/10SCCM
（SCCMはスタンダードCC/min. の略）のガス流量によ
り、150mTorrの圧力に保持した。成膜後、１気圧の酸素
を容器内に導入してから室温まで冷却した。
【００１３】（比較例１）基板の段差部の傾斜角度を30
度、45度、65度の３通りに変化させた他は、実施例１と
同じ方法により図２に示した形状の段差型ジョセフソン
素子を製造した。
度、45度、65度の３通りに変化させた他は、実施例１と
同じ方法により図２に示した形状の段差型ジョセフソン
素子を製造した。
【００１４】得られた各々の段差型ジョセフソン素子に
ついて、電圧ノイズと臨界電流Ｉｃのバラツキを測定し
た。電圧ノイズ測定でのバイアス電流は臨界電流とし
た。臨界電流のバラツキは、〔（Ｉｃの最大値−Ｉｃの
最小値）／Ｉc の平均値〕の百分率で示した。又段差部
の結晶構造を電子顕微鏡により調べた。結果を表１に示
す。
ついて、電圧ノイズと臨界電流Ｉｃのバラツキを測定し
た。電圧ノイズ測定でのバイアス電流は臨界電流とし
た。臨界電流のバラツキは、〔（Ｉｃの最大値−Ｉｃの
最小値）／Ｉc の平均値〕の百分率で示した。又段差部
の結晶構造を電子顕微鏡により調べた。結果を表１に示
す。
【００１５】
【表１】
【００１６】表１より明らかなように、本発明例品（N
o.1〜8)はいずれも、電圧ノイズが低下した。又Ｉｃ
は、高く、バラツキも小さかった。これは、段差部が１
個の亜粒界から形成されている為である。特に角度αが
95度と 110度のものは電圧ノイズが小さい。このことか
ら角度αが95度以上、110 度以下のとき、特に良好なジ
ョセフソン接合を形成できることが分かる。他方、比較
例品 (No.9〜11) はいずれも、電圧ノイズが高く、又Ｉ
ｃは、低く、バラツキが大きかった。これは段差部に２
個の自然粒界が存在する為である。
o.1〜8)はいずれも、電圧ノイズが低下した。又Ｉｃ
は、高く、バラツキも小さかった。これは、段差部が１
個の亜粒界から形成されている為である。特に角度αが
95度と 110度のものは電圧ノイズが小さい。このことか
ら角度αが95度以上、110 度以下のとき、特に良好なジ
ョセフソン接合を形成できることが分かる。他方、比較
例品 (No.9〜11) はいずれも、電圧ノイズが高く、又Ｉ
ｃは、低く、バラツキが大きかった。これは段差部に２
個の自然粒界が存在する為である。
【００１７】以上、ＭｇＯ基板上に（ＹＢＣＯ）を形成
した段差型ジョセフソン素子について説明したが、本発
明は、他のチタン酸ストロンチウム等の基板上に（ＢＳ
ＣＣＯ）や（ＴＢＣＣＯ）等の高温超電導体を形成した
場合にも同様の効果が得られる。
した段差型ジョセフソン素子について説明したが、本発
明は、他のチタン酸ストロンチウム等の基板上に（ＢＳ
ＣＣＯ）や（ＴＢＣＣＯ）等の高温超電導体を形成した
場合にも同様の効果が得られる。
【００１８】
【効果】以上述べたように、本発明の段差型ジョセフソ
ン素子は、段差部の傾斜角度αが90度を超える角度で形
成されている為、前記段差部の傾斜面上の高温超電導体
薄膜は１個の亜粒界にて構成されるようになり、従って
ノイズ及びバラツキの小さい良好なジョセフソン素子が
得られる。
ン素子は、段差部の傾斜角度αが90度を超える角度で形
成されている為、前記段差部の傾斜面上の高温超電導体
薄膜は１個の亜粒界にて構成されるようになり、従って
ノイズ及びバラツキの小さい良好なジョセフソン素子が
得られる。
【図１】本発明の段差型ジョセフソン素子の実施例を示
す縦断面模式図である。
す縦断面模式図である。
【図２】従来の段差型ジョセフソン素子の縦断面模式図
である。
である。
1,11──基板 2,12──段差部 3,13──傾斜面 4 ───基板の(100) 面 5,15──高温超電導体薄膜 6 ───亜粒界 7 ───結晶構造 8 ───結晶粒界間領域 α───段差部の傾斜角度
Claims (1)
- 【請求項１】 段差部を設けた基板面上に高温超電導体
薄膜を形成した段差型ジョセフソン素子において、前記
基板の段差部の傾斜面と非段差部の基板面とのなす傾斜
角度αが90度を超える角度であることを特徴とする段差
型ジョセフソン素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6148148A JPH0818113A (ja) | 1994-06-29 | 1994-06-29 | 段差型ジョセフソン素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6148148A JPH0818113A (ja) | 1994-06-29 | 1994-06-29 | 段差型ジョセフソン素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0818113A true JPH0818113A (ja) | 1996-01-19 |
Family
ID=15446340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6148148A Pending JPH0818113A (ja) | 1994-06-29 | 1994-06-29 | 段差型ジョセフソン素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0818113A (ja) |
-
1994
- 1994-06-29 JP JP6148148A patent/JPH0818113A/ja active Pending
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