JPH0828536B2 - 超伝導体装置及び超伝導体装置の製造方法 - Google Patents
超伝導体装置及び超伝導体装置の製造方法Info
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- JPH0828536B2 JPH0828536B2 JP63291122A JP29112288A JPH0828536B2 JP H0828536 B2 JPH0828536 B2 JP H0828536B2 JP 63291122 A JP63291122 A JP 63291122A JP 29112288 A JP29112288 A JP 29112288A JP H0828536 B2 JPH0828536 B2 JP H0828536B2
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Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は高Tc超伝導体材料を用いた超伝導体装置に係
り、更に詳しくは、高Tc超伝導体材料を用いた簡単で実
用的な装置及びその製造方法に関する。本発明の装置は
高Tc超伝導体材料中に弱い結合（リンク）あるいは接合
バリヤとしての結晶粒界（欠陥部）を有する平面的構造
である。このような構造は大きな余裕度をもつて量産さ
れ得る。
り、更に詳しくは、高Tc超伝導体材料を用いた簡単で実
用的な装置及びその製造方法に関する。本発明の装置は
高Tc超伝導体材料中に弱い結合（リンク）あるいは接合
バリヤとしての結晶粒界（欠陥部）を有する平面的構造
である。このような構造は大きな余裕度をもつて量産さ
れ得る。
B.従来技術 J.G.BednorzとK.A.MuellerのZ.Phys.B.Condensed Mat
ter64、189（1986）及びEurophysics Letters、３、379
（1987）に報告された注目すべき発見は超伝導技術の方
向と重要性を完全に変えてしまつた。彼等の発見とはあ
る種の金属酸化物が23Kをはるかに越える臨界温度を示
し得るということである。そのような物質はしばしば
「高Tc超伝導体」と言われる。BednorzとMuellerの最初
の発見以来、膨大な量の研究と開発が世界中で行なわ
れ、超伝導温度範囲を拡張するため及び超伝導の仕組み
を理解するためにこの種の超伝導体材料の研究が続けら
れて来た。
ter64、189（1986）及びEurophysics Letters、３、379
（1987）に報告された注目すべき発見は超伝導技術の方
向と重要性を完全に変えてしまつた。彼等の発見とはあ
る種の金属酸化物が23Kをはるかに越える臨界温度を示
し得るということである。そのような物質はしばしば
「高Tc超伝導体」と言われる。BednorzとMuellerの最初
の発見以来、膨大な量の研究と開発が世界中で行なわ
れ、超伝導温度範囲を拡張するため及び超伝導の仕組み
を理解するためにこの種の超伝導体材料の研究が続けら
れて来た。
BednorzとMuellerは混合銅酸化物における超伝導挙動
を最初に示した。この混合銅酸化物とは典型的には希土
類元素及び／または希土類元素に類似の元素及びアルカ
リ土類元素、例えばLa、Ba、Sr等を含み、ペロブスカイ
トのような構造を有している。Y-Ba-Cu-O系の「１−２
−３」相と呼ばれる相を含む物質が77Kを超える臨界温
度を示すことが知られている。R.B.Laibowitz等は最初
にこのような物質薄膜を形成している。その構造及び製
造については本出願人による米国特許出願第27584号（1
987年３月18日出願）に記載されている。R.B.Laibowitz
等の研究はPhys.Rev.B、35、8821（1987）にも記述され
ている。それらによると、蒸気移送方法が採用されてお
り、超伝導薄膜の成分が酸素雰囲気中で蒸発されて基板
上に堆積され、その後に、堆積された薄膜がアニールさ
れる。
を最初に示した。この混合銅酸化物とは典型的には希土
類元素及び／または希土類元素に類似の元素及びアルカ
リ土類元素、例えばLa、Ba、Sr等を含み、ペロブスカイ
トのような構造を有している。Y-Ba-Cu-O系の「１−２
−３」相と呼ばれる相を含む物質が77Kを超える臨界温
度を示すことが知られている。R.B.Laibowitz等は最初
にこのような物質薄膜を形成している。その構造及び製
造については本出願人による米国特許出願第27584号（1
987年３月18日出願）に記載されている。R.B.Laibowitz
等の研究はPhys.Rev.B、35、8821（1987）にも記述され
ている。それらによると、蒸気移送方法が採用されてお
り、超伝導薄膜の成分が酸素雰囲気中で蒸発されて基板
上に堆積され、その後に、堆積された薄膜がアニールさ
れる。
高Tc超伝導体、そのうちで特に大きな臨界電流を有す
る高Tc超伝導体についての他の報告はP.Chaudhari等のP
hys.Rev.Lett.58、2864、June 1987である。P.Chaudhar
i等はSrTiO3のような基板上に形成された高Tc超伝導体
のエピタキシヤル薄膜について述べており、その77Kに
おける臨界電流は105A/cm2を超えている。
る高Tc超伝導体についての他の報告はP.Chaudhari等のP
hys.Rev.Lett.58、2864、June 1987である。P.Chaudhar
i等はSrTiO3のような基板上に形成された高Tc超伝導体
のエピタキシヤル薄膜について述べており、その77Kに
おける臨界電流は105A/cm2を超えている。
この他に高Tc超伝導体材料の薄膜あるいは層の堆積に
関するものとして、本出願人による米国特許出願第4352
3号（1987年４月28日出願）、同第121982号（1987年11
月18日出願）がある。米国特許出願43523号はプラズマ
・スプレー・コーテイング・プロセスについて述べ、米
国特許出願121982号は溶液からのスプレーにより基板を
被覆して超伝導体の薄膜を形成してからそれをパターン
化することにより高Tc超伝導体材料のパターン化された
層を形成する方法を述べている。
関するものとして、本出願人による米国特許出願第4352
3号（1987年４月28日出願）、同第121982号（1987年11
月18日出願）がある。米国特許出願43523号はプラズマ
・スプレー・コーテイング・プロセスについて述べ、米
国特許出願121982号は溶液からのスプレーにより基板を
被覆して超伝導体の薄膜を形成してからそれをパターン
化することにより高Tc超伝導体材料のパターン化された
層を形成する方法を述べている。
高Tc超伝導体薄膜のエピタキシヤル成長がSrTiO3を含
む幾つかの基板上に行なわれている。特に、大きな臨界
電流を流すことのできる超伝導薄膜のエピタキシヤル成
長についてはP.Chaudhari等のPhysical Review Letter
s、58、2684、June 1987に記述されている。
む幾つかの基板上に行なわれている。特に、大きな臨界
電流を流すことのできる超伝導薄膜のエピタキシヤル成
長についてはP.Chaudhari等のPhysical Review Letter
s、58、2684、June 1987に記述されている。
BednorzとMuellerの最初の研究は高温超伝導性を示す
他の銅酸化物組成物へと拡げられた。これらの他の組成
物は希土類元素を含まず、その代わりにBiのような元素
を含んでいる。その代表例は、約115Kで電気抵抗の降下
を示し80Kで零抵抗に遷移するBi-Sr-Ca-Cu-O系の１つの
物質である。C.Michel等はZ.Phys.B-Condensed Matte
r、68、412（1987）で22Kの臨界温度の希土類元素を含
まないBiSrCuO系の超伝導性について報告している。前
田及び田中は日本物理学会誌で発行されることになつて
いる予稿で新しい BiSrCaCuOx組成物が80Kで抵抗がなくなり約115Kではつ
きりした抵抗の降下があることを示した。
他の銅酸化物組成物へと拡げられた。これらの他の組成
物は希土類元素を含まず、その代わりにBiのような元素
を含んでいる。その代表例は、約115Kで電気抵抗の降下
を示し80Kで零抵抗に遷移するBi-Sr-Ca-Cu-O系の１つの
物質である。C.Michel等はZ.Phys.B-Condensed Matte
r、68、412（1987）で22Kの臨界温度の希土類元素を含
まないBiSrCuO系の超伝導性について報告している。前
田及び田中は日本物理学会誌で発行されることになつて
いる予稿で新しい BiSrCaCuOx組成物が80Kで抵抗がなくなり約115Kではつ
きりした抵抗の降下があることを示した。
前田及び田中の研究はC.W.Chu等及びHazen等によつて
確認され、これらの研究はビスマス含有の銅酸化物の構
造を記述している。
確認され、これらの研究はビスマス含有の銅酸化物の構
造を記述している。
約30Kを超える臨界温度を示す銅酸化物超伝導体材料
は一般に「高Tc超伝導体」として知られている。本明細
書で高Tc超伝導体という場合には、その結晶構造中に希
土類元素あるいは希土類元素に類似の元素を含む場合だ
けでなく含まない場合も含むものとする。これらの物質
は銅酸化物を基本とする超伝導体であり、超電流に寄与
すると考えられるCu-Oプレーンを含み、Cu-Oプレーンは
組成物中で他の元素から分離されあるいはグループとな
つて分離されている。
は一般に「高Tc超伝導体」として知られている。本明細
書で高Tc超伝導体という場合には、その結晶構造中に希
土類元素あるいは希土類元素に類似の元素を含む場合だ
けでなく含まない場合も含むものとする。これらの物質
は銅酸化物を基本とする超伝導体であり、超電流に寄与
すると考えられるCu-Oプレーンを含み、Cu-Oプレーンは
組成物中で他の元素から分離されあるいはグループとな
つて分離されている。
高温超伝導体の出現は、それまでの超伝導体から製造
される超伝導体装置の場合よりもはるかに高い温度で動
作する数多くの接合装置を誘発した。しかし、ものにな
る装置を作ることは容易ではなかつた。動作し得る装置
の最初の報告はR.Koch等によるSQUID（量子干渉デバイ
ス）装置であり、その装置では高Tc超伝導体が用いら
れ、高Tc超伝導体間をつなぐ弱いリンクを形成するため
に高エネルギー線が用いられた。このようにして、弱い
リンク領域を有する超伝導ループが形成され且つSQUID
として動作した。この技術については本出願人による米
国特許出願第7-037912号（1987年４月13日出願）に記載
されている。
される超伝導体装置の場合よりもはるかに高い温度で動
作する数多くの接合装置を誘発した。しかし、ものにな
る装置を作ることは容易ではなかつた。動作し得る装置
の最初の報告はR.Koch等によるSQUID（量子干渉デバイ
ス）装置であり、その装置では高Tc超伝導体が用いら
れ、高Tc超伝導体間をつなぐ弱いリンクを形成するため
に高エネルギー線が用いられた。このようにして、弱い
リンク領域を有する超伝導ループが形成され且つSQUID
として動作した。この技術については本出願人による米
国特許出願第7-037912号（1987年４月13日出願）に記載
されている。
YBa2Cu3O7-xのような高Tc超伝導銅酸化物を繰り返し
薄膜に形成することは可能だが、ジヨセフソン・トンネ
リング電流を示す全ての高Tc接合をうまく製造すること
はできなかつた。そのような装置では、高Tc超伝導体か
ら成る２つの超伝導体層がトンネル・バリヤとして働く
薄い（10から50オングストローム）層で分離されてい
る。酸化物物質をバリヤ層として用いることができる。
しかしながら、高Tc銅酸化物超伝導体は、薄膜であつて
もバルクであつても、典型的には約900℃という高温で
の酸素雰囲気中でアニール処理を必要とする。この高温
処理は、非常に薄い絶縁性トンネル・バリヤ上に高Tc超
伝導体材料から成る反対電極を堆積させることを不可能
ではないにしても極めて困難にさせる。一般に、高温処
理は接合部の質を深刻に低下させる。
薄膜に形成することは可能だが、ジヨセフソン・トンネ
リング電流を示す全ての高Tc接合をうまく製造すること
はできなかつた。そのような装置では、高Tc超伝導体か
ら成る２つの超伝導体層がトンネル・バリヤとして働く
薄い（10から50オングストローム）層で分離されてい
る。酸化物物質をバリヤ層として用いることができる。
しかしながら、高Tc銅酸化物超伝導体は、薄膜であつて
もバルクであつても、典型的には約900℃という高温で
の酸素雰囲気中でアニール処理を必要とする。この高温
処理は、非常に薄い絶縁性トンネル・バリヤ上に高Tc超
伝導体材料から成る反対電極を堆積させることを不可能
ではないにしても極めて困難にさせる。一般に、高温処
理は接合部の質を深刻に低下させる。
高Tc超伝導体材料のもう１つの特徴はコヒーレンス長
さが極めて短いということである。コヒーレンス長さは
相関する超伝導電子対の距離の目安である。このような
高Tc超伝導体材料ではコヒーレンス長さは典型的には10
から30オングストロームであり、これは、それまでの超
伝導材料の1000オングストロームというコヒーレンス長
さと際立つて相違している。そのような短いコヒーレン
ス長さはジヨセフソン接合装置におけるプレーナ構造や
弱いリンク（結合）のトンネル・バリヤを作る上での障
害となる。弱い結合装置では、非常に狭いくびれ部が２
つの広い超伝導領域間の弱い結合バリヤとして働き、ジ
ヨセフソンに似た特性が得られる。しかしながら、高Tc
超伝導体ではコヒーレンス長さが極めて短いので、くび
れ部がコヒーレンス長さと同程度でなければ弱い結合と
しての機能を果さない。そのような寸法のくびれ部を作
ることは容易ではない。プレーナ接合が形成されても、
高Tc超伝導体のコヒーレンス長（約10オングストロー
ム）と同程度の厚さのトンネル・バリヤ層を信頼性良く
堆積させることは非常に困難である。
さが極めて短いということである。コヒーレンス長さは
相関する超伝導電子対の距離の目安である。このような
高Tc超伝導体材料ではコヒーレンス長さは典型的には10
から30オングストロームであり、これは、それまでの超
伝導材料の1000オングストロームというコヒーレンス長
さと際立つて相違している。そのような短いコヒーレン
ス長さはジヨセフソン接合装置におけるプレーナ構造や
弱いリンク（結合）のトンネル・バリヤを作る上での障
害となる。弱い結合装置では、非常に狭いくびれ部が２
つの広い超伝導領域間の弱い結合バリヤとして働き、ジ
ヨセフソンに似た特性が得られる。しかしながら、高Tc
超伝導体ではコヒーレンス長さが極めて短いので、くび
れ部がコヒーレンス長さと同程度でなければ弱い結合と
しての機能を果さない。そのような寸法のくびれ部を作
ることは容易ではない。プレーナ接合が形成されても、
高Tc超伝導体のコヒーレンス長（約10オングストロー
ム）と同程度の厚さのトンネル・バリヤ層を信頼性良く
堆積させることは非常に困難である。
C.発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は前述の問題点が解決された高Tc超伝導
体材料を用いた実用的装置を提供することである。
体材料を用いた実用的装置を提供することである。
本発明の他の目的は高Tc超伝導体材料だけを用いた実
用的な接合及び弱い結合を利用する超伝導体装置の再現
性の優れた製造方法を提供することである。
用的な接合及び弱い結合を利用する超伝導体装置の再現
性の優れた製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は弱い結合即ち接合領域が特定の配
置関係に正確に配置されるようなプレーナ構造の超伝導
体装置及びその製造方法を提供することである。
置関係に正確に配置されるようなプレーナ構造の超伝導
体装置及びその製造方法を提供することである。
本発明により接合装置即ち弱い結合装置が２つの高Tc
超伝導結晶粒の間の結晶粒界を用いて形成される。結晶
粒界は非常に狭く（その超伝導体材料のユニツト・セル
の大きさとほぼ同程度であり、約10オングストロームで
ある。）、その電気抵抗のような電気的特性を変えるこ
とが容易であり、異なる装置特性を作ることができる。
特に、正確に特定された結晶粒界を有する基板上に高Tc
超伝導体材料の薄膜をエピタキシヤル成長させることに
よりプレーナ構造が設けられる。このようにして、基板
内の結晶粒界がエピタキシヤル超伝導体薄膜に再現して
形成される。他の表現をすれば、エピタキシヤル成長が
基板の多結晶構造を高Tc超伝導体薄膜中に写像すること
になる。
超伝導結晶粒の間の結晶粒界を用いて形成される。結晶
粒界は非常に狭く（その超伝導体材料のユニツト・セル
の大きさとほぼ同程度であり、約10オングストロームで
ある。）、その電気抵抗のような電気的特性を変えるこ
とが容易であり、異なる装置特性を作ることができる。
特に、正確に特定された結晶粒界を有する基板上に高Tc
超伝導体材料の薄膜をエピタキシヤル成長させることに
よりプレーナ構造が設けられる。このようにして、基板
内の結晶粒界がエピタキシヤル超伝導体薄膜に再現して
形成される。他の表現をすれば、エピタキシヤル成長が
基板の多結晶構造を高Tc超伝導体薄膜中に写像すること
になる。
結晶粒界が従来の超伝導装置においてもそこを横切る
電子の流れに対してバリヤとなることは既に知られてい
る。そのような装置はバウンダリー・レイヤー・ジヨセ
フソン接合装置ともいわれ、以下の文献で紹介された。
電子の流れに対してバリヤとなることは既に知られてい
る。そのような装置はバウンダリー・レイヤー・ジヨセ
フソン接合装置ともいわれ、以下の文献で紹介された。
M.Ito等の日本応用物理学会誌21、No.6、pp.L375-37
6、６月1982年。
6、６月1982年。
M.Ito等のAppl.Phys.Lett.、43、（３）pp.314、８月
1983年。
1983年。
T.Inamura等の日本応用物理学会誌21、補遺21-1、pp.
313-318、1982年。
313-318、1982年。
これらの文献に述べられている装置は超伝導薄膜が基
板上に堆積されるときに無秩序に発生する結晶粒界を用
いている。これら超伝導体は一般にBPB薄膜と呼ばれ
る。それは、それらがペロブスカイト型構造を有するB
a、Pb、及びbiの酸化物の組み合せだからである。しか
しながら、これらの文献は特性がきちんと制御され再現
性良く製造され得るような結晶粒界接合装置を形成する
方法を何ら教示していない。これらの文献が述べている
のは、約13Kという低い臨界温度を有する物質における
無秩序に発生されて無秩序に配置された結晶粒界を利用
する装置である。
板上に堆積されるときに無秩序に発生する結晶粒界を用
いている。これら超伝導体は一般にBPB薄膜と呼ばれ
る。それは、それらがペロブスカイト型構造を有するB
a、Pb、及びbiの酸化物の組み合せだからである。しか
しながら、これらの文献は特性がきちんと制御され再現
性良く製造され得るような結晶粒界接合装置を形成する
方法を何ら教示していない。これらの文献が述べている
のは、約13Kという低い臨界温度を有する物質における
無秩序に発生されて無秩序に配置された結晶粒界を利用
する装置である。
これらの文献及び他の文献と更に比較すると、本発明
の装置は高Tc超伝導体材料のエピタキシヤル層から形成
されている。エピタキシー（エピタキシヤル成長）は、
多結晶よりも本発明では基板及び超伝導薄膜に用いられ
るような単結晶に関して利用される。
の装置は高Tc超伝導体材料のエピタキシヤル層から形成
されている。エピタキシー（エピタキシヤル成長）は、
多結晶よりも本発明では基板及び超伝導薄膜に用いられ
るような単結晶に関して利用される。
M.Suzuki等はBPBの結晶質層を用いたプレーナ型のジ
ヨセフソン型装置の形成について日本応用物理学会誌5
3、（３）、pp.1622、３月1982年の中で述べている。こ
の構造では、２つのBBBの超伝導体層がBPBと同じ結晶構
造を有する絶縁性酸化物から成る絶縁性トンネル・バリ
ヤによつて分離されている。そのような構造では高Tc超
伝導体材料を用いることができなかつた。というのは、
上述したように高Tc超伝導体という新しい超伝導体の製
法では高温処理を要し、そのコヒーレンス長さは極めて
短いからである。
ヨセフソン型装置の形成について日本応用物理学会誌5
3、（３）、pp.1622、３月1982年の中で述べている。こ
の構造では、２つのBBBの超伝導体層がBPBと同じ結晶構
造を有する絶縁性酸化物から成る絶縁性トンネル・バリ
ヤによつて分離されている。そのような構造では高Tc超
伝導体材料を用いることができなかつた。というのは、
上述したように高Tc超伝導体という新しい超伝導体の製
法では高温処理を要し、そのコヒーレンス長さは極めて
短いからである。
従つて、本発明の他の目的は高Tc超伝導体材料中に選
択して設けられた結晶粒界を利用した実用性のある装置
を提供することである。
択して設けられた結晶粒界を利用した実用性のある装置
を提供することである。
本発明の他の目的は高Tc超伝導体材料を用いた結晶粒
界超伝導装置を再現性良く製造する方法を提供すること
であり、その方法では装置の特性が一定でありまたその
装置の構造はプレーナ型で容易且つ再現性良く製造され
るというものである。
界超伝導装置を再現性良く製造する方法を提供すること
であり、その方法では装置の特性が一定でありまたその
装置の構造はプレーナ型で容易且つ再現性良く製造され
るというものである。
本発明の他の目的は、高Tc超伝導体を用いた装置であ
つてどちらかと言えばむしろ障害物として考えられてい
た性質を効果的に用いるような装置及びその製造方法を
提供することである。
つてどちらかと言えばむしろ障害物として考えられてい
た性質を効果的に用いるような装置及びその製造方法を
提供することである。
D.問題点を解決するための手段 本発明は高Tc超伝導体材料及び均一且つ再現性良く形
成された結晶粒界を用いた装置に関する。結晶粒界は従
来技術でもBPB酸化物に関してトンネル・バリヤとして
利用されており、ジヨセフソン・トンネル・電流を導く
結晶粒界の存在の可能性は本出願人による米国特許出願
第37912号中にG.J.Clark等の発明に関連して述べられて
いる。しかしながら本発明は短いコヒーレンス長さの高
Tcジヨセフソン材料中に制御性良く且つ再現性良く精密
に結晶粒界が形成されているような装置及びその製造方
法を提供しようとするものである。更に、このような新
しい結晶粒界装置の位置、向き、及び数をあらかじめ特
定することができ、各装置の特性を製造中に調整するこ
とができる。
成された結晶粒界を用いた装置に関する。結晶粒界は従
来技術でもBPB酸化物に関してトンネル・バリヤとして
利用されており、ジヨセフソン・トンネル・電流を導く
結晶粒界の存在の可能性は本出願人による米国特許出願
第37912号中にG.J.Clark等の発明に関連して述べられて
いる。しかしながら本発明は短いコヒーレンス長さの高
Tcジヨセフソン材料中に制御性良く且つ再現性良く精密
に結晶粒界が形成されているような装置及びその製造方
法を提供しようとするものである。更に、このような新
しい結晶粒界装置の位置、向き、及び数をあらかじめ特
定することができ、各装置の特性を製造中に調整するこ
とができる。
一実施例においては、基板は少なくとも１つの結晶粒
界を有し、その基板中の結晶粒界は高Tc超伝導体の被覆
層中にも再現される。高Tc超伝導体層が基板上に堆積さ
れてその超伝導体層中に結晶粒界を再現させるのであ
る。こうして結晶粒界の配置場所及び配向性を制御する
ことができる。この後、超伝導薄膜がパターン化されて
結晶粒界の両側に超伝導領域が残され、これらの超伝導
領域は結晶粒界を横切る電流を与えるための電極として
用いられる。高エネルギー線あるいはエキシマ・レーザ
による融除を用いて前記電極用領域を形成することがで
きる。この後、前記電極用領域がバイアス手段に電気的
に接続されて、バリヤとして機能し得る結晶粒界を横切
る電流が流される。この種の装置を複数配置してSQUID
等のような配列体を形成できる。
界を有し、その基板中の結晶粒界は高Tc超伝導体の被覆
層中にも再現される。高Tc超伝導体層が基板上に堆積さ
れてその超伝導体層中に結晶粒界を再現させるのであ
る。こうして結晶粒界の配置場所及び配向性を制御する
ことができる。この後、超伝導薄膜がパターン化されて
結晶粒界の両側に超伝導領域が残され、これらの超伝導
領域は結晶粒界を横切る電流を与えるための電極として
用いられる。高エネルギー線あるいはエキシマ・レーザ
による融除を用いて前記電極用領域を形成することがで
きる。この後、前記電極用領域がバイアス手段に電気的
に接続されて、バリヤとして機能し得る結晶粒界を横切
る電流が流される。この種の装置を複数配置してSQUID
等のような配列体を形成できる。
E.実施例 本発明によれば、高Tc超伝導材料の単一層からなる超
伝導装置が平面的構造に形成され、超伝導結晶粒間を結
合するトンネル・バリヤあるいは弱い結合が利用され
る。従来技術とは異なり、このような構成は再現性及び
制御性に優れている。というのは、結晶粒界の配向及び
配置が予め決められているようにして結晶粒界が超伝導
層中に形成されるからである。
伝導装置が平面的構造に形成され、超伝導結晶粒間を結
合するトンネル・バリヤあるいは弱い結合が利用され
る。従来技術とは異なり、このような構成は再現性及び
制御性に優れている。というのは、結晶粒界の配向及び
配置が予め決められているようにして結晶粒界が超伝導
層中に形成されるからである。
本発明の製造方法は配向及び配置が精密に決まつてい
る少なくとも１つの結晶粒界を有する基板を用意するス
テツプを含む。この後、高Tc超伝導体層が基板上に直接
あるいは基板上にエピタキシヤル成長した薄い中間層上
にエピタキシヤル成長され、超伝導体層中に結晶粒界が
下地となつている基板中の結晶粒界に対応する配置及び
配向で形成される。この後、超伝導体層はパターン化さ
れ、結晶粒界の両側に超伝導体領域が残され、結晶粒界
で分離された超伝導体領域（電極）を有する装置が形成
される。電気的接触が次に形成され、超伝導体領域が適
当なバイアス源に接続される。後に示すように、結晶粒
界の特性は調整可能でありまた複数の装置を１つの結晶
粒界に沿つてあるいは複数の結晶粒界に沿つて形成する
ことができる。
る少なくとも１つの結晶粒界を有する基板を用意するス
テツプを含む。この後、高Tc超伝導体層が基板上に直接
あるいは基板上にエピタキシヤル成長した薄い中間層上
にエピタキシヤル成長され、超伝導体層中に結晶粒界が
下地となつている基板中の結晶粒界に対応する配置及び
配向で形成される。この後、超伝導体層はパターン化さ
れ、結晶粒界の両側に超伝導体領域が残され、結晶粒界
で分離された超伝導体領域（電極）を有する装置が形成
される。電気的接触が次に形成され、超伝導体領域が適
当なバイアス源に接続される。後に示すように、結晶粒
界の特性は調整可能でありまた複数の装置を１つの結晶
粒界に沿つてあるいは複数の結晶粒界に沿つて形成する
ことができる。
第１図から第４図を参照して平面的結晶粒界装置の製
造方法を説明する。この方法においては、装置の特定の
部分の材料の性質との調整を行なうための後続ステツプ
を用いないで平面構造の装置を得ることができる。結晶
粒界はジヨセフソン・トンネル・バリヤあるいは弱いリ
ンク（結合）として機能し、高Tc超伝導体中におけるそ
の幅は典型的には約10オングストロームである。より一
般的に言えば、結晶粒界の幅は高Tc超伝導体のユニツト
・セルと同程度である。
造方法を説明する。この方法においては、装置の特定の
部分の材料の性質との調整を行なうための後続ステツプ
を用いないで平面構造の装置を得ることができる。結晶
粒界はジヨセフソン・トンネル・バリヤあるいは弱いリ
ンク（結合）として機能し、高Tc超伝導体中におけるそ
の幅は典型的には約10オングストロームである。より一
般的に言えば、結晶粒界の幅は高Tc超伝導体のユニツト
・セルと同程度である。
第１図において、基板10は２つの単結晶粒領域Ａ及び
Ｂを含み、これらは結晶粒界GBにより分離されている。
この結晶粒界GBは幅が約10オングストロームである。
Ｂを含み、これらは結晶粒界GBにより分離されている。
この結晶粒界GBは幅が約10オングストロームである。
第２図において、高Tc超伝導体材料の層12が適宜な方
法を用いて基板10上にエピタキシヤル成長される。前述
の適宜な方法には複数のソースからの蒸発やスパツタリ
ングによるものが含まれる。超伝導体層12が基板10上に
エピタキシヤル成長されるので、超伝導体層12は基板10
中の単結晶領域Ａ及びＢに結晶構造的に連続する結晶質
領域Ａ及びＢを有することになるとともに基板10中の結
晶粒界GBと同じ配向及び配置の結晶粒界GBを有すること
になる。
法を用いて基板10上にエピタキシヤル成長される。前述
の適宜な方法には複数のソースからの蒸発やスパツタリ
ングによるものが含まれる。超伝導体層12が基板10上に
エピタキシヤル成長されるので、超伝導体層12は基板10
中の単結晶領域Ａ及びＢに結晶構造的に連続する結晶質
領域Ａ及びＢを有することになるとともに基板10中の結
晶粒界GBと同じ配向及び配置の結晶粒界GBを有すること
になる。
第３図において、超伝導体層12は、例えば、矢印14で
表わされるフオトンあるいは高エネルギー粒子を用い
て、パターン化される。このパターン化は種々の方法に
よつて行うことができ、このパターン化によつて超伝導
体層12の所定の領域の超伝導性が残され、一方、フオト
ンあるいは高エネルギー粒子等が照射された領域は除去
されあるいは非超伝導体（常伝導体）に変えられる。照
射領域を常伝導体に変化させる方法として、前出の米国
特許出願第37912号に記載の方法を用いることができ
る。この方法は、Appl.Phys.Lett.51、（1987）の139ペ
ージと1462ページにより詳しく記載されている。この方
法は、高Tc超伝導体材料に損傷を与えるために高エネル
ギー線を用いる。この損傷によつて超伝導体材料は常伝
導体あるいはアモルフアス構造を有する非超伝導絶縁状
態にも変わり得る。この目的で用いる高エネルギー線の
例は酸素、As、Krなどのイオンを含むイオン・ビームで
ある。このようなイオン・ビームをマスクを用いて超伝
導体層の選択した領域に向けることができる。この方法
を用いたSQUID装置の例がR.H.Koch等のAppl.Phys.Let
t.、51、pp.200（1987）に記載されている。
表わされるフオトンあるいは高エネルギー粒子を用い
て、パターン化される。このパターン化は種々の方法に
よつて行うことができ、このパターン化によつて超伝導
体層12の所定の領域の超伝導性が残され、一方、フオト
ンあるいは高エネルギー粒子等が照射された領域は除去
されあるいは非超伝導体（常伝導体）に変えられる。照
射領域を常伝導体に変化させる方法として、前出の米国
特許出願第37912号に記載の方法を用いることができ
る。この方法は、Appl.Phys.Lett.51、（1987）の139ペ
ージと1462ページにより詳しく記載されている。この方
法は、高Tc超伝導体材料に損傷を与えるために高エネル
ギー線を用いる。この損傷によつて超伝導体材料は常伝
導体あるいはアモルフアス構造を有する非超伝導絶縁状
態にも変わり得る。この目的で用いる高エネルギー線の
例は酸素、As、Krなどのイオンを含むイオン・ビームで
ある。このようなイオン・ビームをマスクを用いて超伝
導体層の選択した領域に向けることができる。この方法
を用いたSQUID装置の例がR.H.Koch等のAppl.Phys.Let
t.、51、pp.200（1987）に記載されている。
約250KeVから約2meV更には約3meVの範囲のエネルギー
を与える高エネルギー線は高Tc銅酸化物超伝導体の特性
を変化させるに十分なエネルギーを与えることができ
る。しかし、本発明は次のような場合も含む。即ち、照
射部分が完全に非超伝導材料に変わる場合だけでなく、
非照射部分に比較して明らかに低い臨界温度（転移温
度）を有するようになる場合も含む。
を与える高エネルギー線は高Tc銅酸化物超伝導体の特性
を変化させるに十分なエネルギーを与えることができ
る。しかし、本発明は次のような場合も含む。即ち、照
射部分が完全に非超伝導材料に変わる場合だけでなく、
非照射部分に比較して明らかに低い臨界温度（転移温
度）を有するようになる場合も含む。
高Tc超伝導体層をパターン化する別の方法はエキシマ
・レーザによる光分解除去方法であり、これは、照射領
域を紫外線によつて除去（例えば、吹きとばす。）する
というものである。光分解除去はUV照射のエネルギーが
十分に高くて光分解除去の閾値を十分に超えている場合
に生じる。この方法では、照射領域の除去が非照射領域
に熱的影響を与えることなく行なわれる。この方法はパ
ターン形成後も非照射領域の超伝導特性が変化しないの
で優れている。
・レーザによる光分解除去方法であり、これは、照射領
域を紫外線によつて除去（例えば、吹きとばす。）する
というものである。光分解除去はUV照射のエネルギーが
十分に高くて光分解除去の閾値を十分に超えている場合
に生じる。この方法では、照射領域の除去が非照射領域
に熱的影響を与えることなく行なわれる。この方法はパ
ターン形成後も非照射領域の超伝導特性が変化しないの
で優れている。
第４図にはパターン化後の構造が示されている。超伝
導体12の薄いストリツプ（帯）が基板10上に残され、残
された超伝導体12は超伝導体12中の結晶粒界GBで分離さ
れた結晶粒領域Ａ及びＢを含んでいる。こうして得られ
たのは平面構造であり、結晶粒領域Ａ及びＢは電極とし
て用いられ、結晶粒界GBの平面に電流が流される。
導体12の薄いストリツプ（帯）が基板10上に残され、残
された超伝導体12は超伝導体12中の結晶粒界GBで分離さ
れた結晶粒領域Ａ及びＢを含んでいる。こうして得られ
たのは平面構造であり、結晶粒領域Ａ及びＢは電極とし
て用いられ、結晶粒界GBの平面に電流が流される。
このように、本発明の方法は、配置及び結晶配向が予
め決められている少なくとも１つの結晶粒界を含む基板
を用意し、この基板上に高Tc超伝導体薄膜をエピタキシ
ヤル成長させて基板中の結晶粒界に対応する結晶粒界を
高Tc超伝導体薄膜中にも形成し、パターン化して結晶粒
界領域で分割された超伝導領域を残し、超伝導領域相互
を適当な電源に接続するというものである。
め決められている少なくとも１つの結晶粒界を含む基板
を用意し、この基板上に高Tc超伝導体薄膜をエピタキシ
ヤル成長させて基板中の結晶粒界に対応する結晶粒界を
高Tc超伝導体薄膜中にも形成し、パターン化して結晶粒
界領域で分割された超伝導領域を残し、超伝導領域相互
を適当な電源に接続するというものである。
第５図には最終構造の一例が示されている。第５図に
おいて、コンタクト16が超伝導領域Ａ及びＢとバイアス
源18とを接続するために設けられている。バイアス源18
は例えばバツテリであり超伝導体層中の結晶粒界GBを横
切る電源を与えるために設けられている。
おいて、コンタクト16が超伝導領域Ａ及びＢとバイアス
源18とを接続するために設けられている。バイアス源18
は例えばバツテリであり超伝導体層中の結晶粒界GBを横
切る電源を与えるために設けられている。
基板10の材料はその上に高Tc超伝導体薄膜がエピタキ
シヤル成長され得るような材料から選択される。適当な
基板の例は、YBa2Cu3O7-xのような高Tc超伝導体材料の
エピタキシヤル成長を行う場合のSrTiO3基板である。基
板は超電導体と格子一致が十分に行なわれるように選択
され、この点からすれば基板の他の例は当業者にとつて
明らかである。
シヤル成長され得るような材料から選択される。適当な
基板の例は、YBa2Cu3O7-xのような高Tc超伝導体材料の
エピタキシヤル成長を行う場合のSrTiO3基板である。基
板は超電導体と格子一致が十分に行なわれるように選択
され、この点からすれば基板の他の例は当業者にとつて
明らかである。
制御された結晶粒界成長領域を有する基板の形成方法
については既に知られている。例えば、制御して形成し
た配向不一致による結晶粒界が配向の異なる２つの結晶
から形成され得る。これは粉末圧縮機で２つの単結晶片
を焼結することにより得られる。焼結の間、２つの単結
晶片は互いに他方側に侵入して１つの結晶粒界を形成す
るまで周囲の結晶領域を少し犠牲にしつつ成長する。こ
の方法はSrTiO3の２結晶体を1600℃の焼結温度で形成す
るために用いられている。他には２つの単結晶片を一諸
にして加熱圧縮して２結晶体を形成することもできる。
いずれの方法を用いても、長くて鮮明な形状の結晶粒界
を形成できるが、第２の方法を用いると細孔のない直線
状の結晶粒界を容易に形成することができるという利点
がある。
については既に知られている。例えば、制御して形成し
た配向不一致による結晶粒界が配向の異なる２つの結晶
から形成され得る。これは粉末圧縮機で２つの単結晶片
を焼結することにより得られる。焼結の間、２つの単結
晶片は互いに他方側に侵入して１つの結晶粒界を形成す
るまで周囲の結晶領域を少し犠牲にしつつ成長する。こ
の方法はSrTiO3の２結晶体を1600℃の焼結温度で形成す
るために用いられている。他には２つの単結晶片を一諸
にして加熱圧縮して２結晶体を形成することもできる。
いずれの方法を用いても、長くて鮮明な形状の結晶粒界
を形成できるが、第２の方法を用いると細孔のない直線
状の結晶粒界を容易に形成することができるという利点
がある。
既述のように、結晶粒界は互いに電気的に接続される
２つの超伝導結晶粒領域間のトンネル・バリヤあるいは
弱い結合を形成する。結晶粒界の臨界電流密度及びトン
ネル特性は制御した気体雰囲気中における低温（400℃
より低温）のアニール処理によつて変更され得る。He及
びArのような不活性ガス及び還元ガス、及びCO2のよう
な反応性ガスは本目的に対して有効である。不活性ガス
・アニール処理は超伝導体薄膜中の酸素含有量を減らす
働きをする。CO2アニールは YBa2Cu3O7-xの薄膜中BaCO3の形成を促進する。ここでBa
CO3は絶縁体である。結晶粒界の拡散及び固体状態反応
のための活性化エネルギーは一般に残りの格子部分にと
つては低いものであるので、隣接する超伝導結晶粒領域
の特性には影響を与えないままにして結晶粒界の臨界温
度Tc及び通常状態での抵抗値を変更させるようなアニー
ル温度及びアニール回数を選択することが可能である。
２つの超伝導結晶粒領域間のトンネル・バリヤあるいは
弱い結合を形成する。結晶粒界の臨界電流密度及びトン
ネル特性は制御した気体雰囲気中における低温（400℃
より低温）のアニール処理によつて変更され得る。He及
びArのような不活性ガス及び還元ガス、及びCO2のよう
な反応性ガスは本目的に対して有効である。不活性ガス
・アニール処理は超伝導体薄膜中の酸素含有量を減らす
働きをする。CO2アニールは YBa2Cu3O7-xの薄膜中BaCO3の形成を促進する。ここでBa
CO3は絶縁体である。結晶粒界の拡散及び固体状態反応
のための活性化エネルギーは一般に残りの格子部分にと
つては低いものであるので、隣接する超伝導結晶粒領域
の特性には影響を与えないままにして結晶粒界の臨界温
度Tc及び通常状態での抵抗値を変更させるようなアニー
ル温度及びアニール回数を選択することが可能である。
本発明は高Tc超伝導体であるYBa2Cu3O7-x中の結晶粒
界を用いた種々のジヨセフソン接合装置に適用され得
る。この場合、薄膜平面内に大きな結晶粒を有する高Tc
超伝導体の多結晶層が形成される。この超伝導材料はSr
TiO3の基板上にエピタキシヤル成長される。200から300
ミクロンの大きさの結晶粒を有する種々の多結晶SrTiO3
基板がその上にYBaCuOの超伝導薄膜を堆積させるために
用いられる。
界を用いた種々のジヨセフソン接合装置に適用され得
る。この場合、薄膜平面内に大きな結晶粒を有する高Tc
超伝導体の多結晶層が形成される。この超伝導材料はSr
TiO3の基板上にエピタキシヤル成長される。200から300
ミクロンの大きさの結晶粒を有する種々の多結晶SrTiO3
基板がその上にYBaCuOの超伝導薄膜を堆積させるために
用いられる。
このような結晶粒の大きなSrTiO3基板は、少なくとも
48時間の間、1600から1650℃の温度範囲で、空気中に
て、微細粉末（平均粒度が約25ミクロン）を低温加圧ペ
レツト中で焼結することにより形成される。このような
焼結条件により結晶粒の非常な成長が生じ、濃縮ペレツ
ト（P/Pth≧99％）中で非常に大きな結晶粒の形成が生
じる。チタン化ストロンチウムの粉末は炭化ストロンチ
ウム及び２酸化チタニウムの高純度な粉末を1450℃で反
応させて単一相が得られるようにすることで製造され
る。
48時間の間、1600から1650℃の温度範囲で、空気中に
て、微細粉末（平均粒度が約25ミクロン）を低温加圧ペ
レツト中で焼結することにより形成される。このような
焼結条件により結晶粒の非常な成長が生じ、濃縮ペレツ
ト（P/Pth≧99％）中で非常に大きな結晶粒の形成が生
じる。チタン化ストロンチウムの粉末は炭化ストロンチ
ウム及び２酸化チタニウムの高純度な粉末を1450℃で反
応させて単一相が得られるようにすることで製造され
る。
弱い結合ブリツジとしての良く限定された結晶粒界を
有する単一ジヨセフソン接合を形成するため、結晶粒の
大きなSrTiO3の多結晶の基板の上に高Tc超伝導体である
YBa2Cu3O7-xの薄膜がエピタキシヤル成長される。超伝
導体薄膜の堆積及びその後のアニール処理の詳細につい
ては前出のR.B.LaibowitzやP.Chaudhari等の文献中に述
べられている。アニール処理の後には超伝導体薄膜は基
板の結晶粒の配向と一致し、大きな結晶粒の超伝導体薄
膜が得られることとなる。第６図において、超伝導体薄
膜20は基板22にエピタキシヤル整合（結晶配向が一致し
ていること。）している。大きな結晶粒Ａ及びＢは超伝
導薄膜20中に形成され、これらは結晶粒界GBによつて分
離されている。
有する単一ジヨセフソン接合を形成するため、結晶粒の
大きなSrTiO3の多結晶の基板の上に高Tc超伝導体である
YBa2Cu3O7-xの薄膜がエピタキシヤル成長される。超伝
導体薄膜の堆積及びその後のアニール処理の詳細につい
ては前出のR.B.LaibowitzやP.Chaudhari等の文献中に述
べられている。アニール処理の後には超伝導体薄膜は基
板の結晶粒の配向と一致し、大きな結晶粒の超伝導体薄
膜が得られることとなる。第６図において、超伝導体薄
膜20は基板22にエピタキシヤル整合（結晶配向が一致し
ていること。）している。大きな結晶粒Ａ及びＢは超伝
導薄膜20中に形成され、これらは結晶粒界GBによつて分
離されている。
結晶粒界接合装置及び電極パツドの形状及び寸法を限
定するために、レーザ削除方法が用いられる。結晶粒Ａ
及びＢがエキシマ・レーザ削除によつてパターン化され
て、第７図に示されるように、３本の線Ｉ、II、及びII
Iが形成される。これらの例では、基板−超伝導体薄膜
の結合体はコンピユータ制御されるステツピング台上に
載置されて種々の大きさの四角の開口を通して照射を受
ける。このような方法を高Tc超伝導体薄膜をパターン化
するために用いることができ、長さが数センチメートル
で幅がサブミクロンの大きさのパターンをその超伝導体
の臨界温度Tcや臨界電流密度Jcを低下させることなく形
成できる。
定するために、レーザ削除方法が用いられる。結晶粒Ａ
及びＢがエキシマ・レーザ削除によつてパターン化され
て、第７図に示されるように、３本の線Ｉ、II、及びII
Iが形成される。これらの例では、基板−超伝導体薄膜
の結合体はコンピユータ制御されるステツピング台上に
載置されて種々の大きさの四角の開口を通して照射を受
ける。このような方法を高Tc超伝導体薄膜をパターン化
するために用いることができ、長さが数センチメートル
で幅がサブミクロンの大きさのパターンをその超伝導体
の臨界温度Tcや臨界電流密度Jcを低下させることなく形
成できる。
これらの例において、約20ミクロン×約80ミクロンで
厚さが約0.5ミクロンの寸法の狭い線Ｉ、II、IIIのパタ
ーンが超伝導体薄膜20中に形成されている。パターン化
工程は照射領域中の超伝導体材料を除去するための工程
である。形成される構造が第７図に示されている。第７
図において、線Ｉは全体が結晶粒Ａであり、線IIIは全
体が結晶粒Ｂである。一方、線IIは結晶粒界GBをまたい
でいる。研究室での試みでは、線Ｉ、II、IIIの幅は約
１ミクロンから約２ミクロンの間の種々の値であつた。
線Ｉ、IIIの長さは約40ミクロンであり、結晶粒界GBを
横切る線IIの長さは約２ミクロンから約40ミクロンの間
の種々の値であつた。
厚さが約0.5ミクロンの寸法の狭い線Ｉ、II、IIIのパタ
ーンが超伝導体薄膜20中に形成されている。パターン化
工程は照射領域中の超伝導体材料を除去するための工程
である。形成される構造が第７図に示されている。第７
図において、線Ｉは全体が結晶粒Ａであり、線IIIは全
体が結晶粒Ｂである。一方、線IIは結晶粒界GBをまたい
でいる。研究室での試みでは、線Ｉ、II、IIIの幅は約
１ミクロンから約２ミクロンの間の種々の値であつた。
線Ｉ、IIIの長さは約40ミクロンであり、結晶粒界GBを
横切る線IIの長さは約２ミクロンから約40ミクロンの間
の種々の値であつた。
第８図、第9A図、第9B図、及び第9C図には線Ｉ、II、
IIIの電気的性質が示されている。第８図において、線
Ｉ、II、IIIの各々における温度に対する臨界電流Icの
値が示されている。この図から、線IIが結晶粒界を含ん
でいることが分かる。というのは、線IIは線Ｉ、IIIよ
りも臨界電流の値が小さいからである。
IIIの電気的性質が示されている。第８図において、線
Ｉ、II、IIIの各々における温度に対する臨界電流Icの
値が示されている。この図から、線IIが結晶粒界を含ん
でいることが分かる。というのは、線IIは線Ｉ、IIIよ
りも臨界電流の値が小さいからである。
第9A図、第9B図、及び第9C図をみると、線Ｉ、IIIに
比較して線IIのジヨセフソンの弱い結合接合としての性
質が一層はつきりと分かる。これらの図においては、線
Ｉ、II、IIIの各々についての磁界Ｈに対する臨界電流I
cの値が示されている。第9A図及び第9C図は同様の直線
を示し、一方、第9B図は線II中に結晶粒が存在すること
をはつきりと示している。接合抵抗値は数オーム程度で
あり、そのキヤパシタンスは１ピコフアラツドの何分の
１かの値である。スチワート・マツキヤンバー（Stewar
t McCumber）・パラメータは１程度である。従つてＩ−
Ｖ曲線のヒステリシスは極めて小さく、従来の例えば酸
化物のような絶縁物層によつて２つの超伝導体層を分離
したような大きなキヤパシタンスを有するオーバーラツ
プ型接合装置と極めて対照的である。
比較して線IIのジヨセフソンの弱い結合接合としての性
質が一層はつきりと分かる。これらの図においては、線
Ｉ、II、IIIの各々についての磁界Ｈに対する臨界電流I
cの値が示されている。第9A図及び第9C図は同様の直線
を示し、一方、第9B図は線II中に結晶粒が存在すること
をはつきりと示している。接合抵抗値は数オーム程度で
あり、そのキヤパシタンスは１ピコフアラツドの何分の
１かの値である。スチワート・マツキヤンバー（Stewar
t McCumber）・パラメータは１程度である。従つてＩ−
Ｖ曲線のヒステリシスは極めて小さく、従来の例えば酸
化物のような絶縁物層によつて２つの超伝導体層を分離
したような大きなキヤパシタンスを有するオーバーラツ
プ型接合装置と極めて対照的である。
本発明を実施する場合、超伝導体層中の結晶粒界の
数、その配向及びその配置については装置形成用パター
ン化の前に予め知つていることになる。このことは、他
の型の超伝導体を用いる従来の結晶粒界装置の配置及び
配向が無秩序であることとは異なる主な点である。他に
異なる点は本発明の超伝導体の結晶粒の大きさが従来装
置の場合と異なるということである。本発明では、結晶
粒の大きさは典型的には数百ミクロンであるが、従来装
置では平均的に約10ミクロンである。本発明の結晶粒の
大きさはとても大きいので、パターン化及び装置形成の
ために結晶粒界を分離化することが容易である。
数、その配向及びその配置については装置形成用パター
ン化の前に予め知つていることになる。このことは、他
の型の超伝導体を用いる従来の結晶粒界装置の配置及び
配向が無秩序であることとは異なる主な点である。他に
異なる点は本発明の超伝導体の結晶粒の大きさが従来装
置の場合と異なるということである。本発明では、結晶
粒の大きさは典型的には数百ミクロンであるが、従来装
置では平均的に約10ミクロンである。本発明の結晶粒の
大きさはとても大きいので、パターン化及び装置形成の
ために結晶粒界を分離化することが容易である。
従来の結晶粒界装置に対する本発明の利点は結晶粒界
に沿つた性質が一様であることである。本発明では、同
一の結晶粒界が幾つかの装置あるいは装置の配列体をパ
ターン化して形成することができるように長い結晶粒界
が形成され得る。複数の装置におけるバリヤとして同一
の結晶粒界を用いることは個々の装置間の性質の一様性
を達成する上で極めて有利であるので、本発明を利用す
る回路の性質あるいは装置の配列体は従来装置よりも極
めて優れている。例えば、SQUID装置においては超伝導
ループは少なくとも２つの弱いリンクあるいはトンネル
・バリヤを含んで形成される。本発明においては、超伝
導ループを、複数のトンネル・バリヤが同一の結晶粒界
から形成されるので超伝導ループ中の全ての弱い結合装
置が全く同一の性質を有するように、形成することが可
能である。このようなことは幾つかの結晶粒界を利用す
る従来装置では達成され得ないことである。
に沿つた性質が一様であることである。本発明では、同
一の結晶粒界が幾つかの装置あるいは装置の配列体をパ
ターン化して形成することができるように長い結晶粒界
が形成され得る。複数の装置におけるバリヤとして同一
の結晶粒界を用いることは個々の装置間の性質の一様性
を達成する上で極めて有利であるので、本発明を利用す
る回路の性質あるいは装置の配列体は従来装置よりも極
めて優れている。例えば、SQUID装置においては超伝導
ループは少なくとも２つの弱いリンクあるいはトンネル
・バリヤを含んで形成される。本発明においては、超伝
導ループを、複数のトンネル・バリヤが同一の結晶粒界
から形成されるので超伝導ループ中の全ての弱い結合装
置が全く同一の性質を有するように、形成することが可
能である。このようなことは幾つかの結晶粒界を利用す
る従来装置では達成され得ないことである。
第10A図及び第10B図には本発明がSQUID装置に適用さ
れた実施例が示され、第11図には前記SQUID装置を流れ
る種々の異なるバイアス電流Ib1、Ib2、Ib3についての
磁界Ｈに対する臨界電流Icの関係が示されている。この
グラフは4.6Kにて得たものであるが、77Kを超える温度
でも同じ性質が得られる。
れた実施例が示され、第11図には前記SQUID装置を流れ
る種々の異なるバイアス電流Ib1、Ib2、Ib3についての
磁界Ｈに対する臨界電流Icの関係が示されている。この
グラフは4.6Kにて得たものであるが、77Kを超える温度
でも同じ性質が得られる。
第10A図は基板（図示せず）上の超伝導体層24の平面
図であり、超伝導体層24は結晶粒界GBを有し、結晶粒界
GBは結晶粒Ａ及びＢを分離させている。鎖線26及び28は
SQUID装置を構成するための超伝導ループの境界を特定
している。鎖線26の外側の領域及び鎖線28の内側の領域
はレーザによる削除される部分であり、これらが削除さ
れると超伝導体材料30（第10B図）が残される。この超
伝導ループ30は基板32上に配置され、２つの結晶粒界GB
で分離される第１、第２部分30A、30Bを含んでいる。こ
うして、超伝導ループ30中に２つのトンネル・バリヤあ
るいは弱い結合装置が形成されて、SQUID装置が形成さ
れる。
図であり、超伝導体層24は結晶粒界GBを有し、結晶粒界
GBは結晶粒Ａ及びＢを分離させている。鎖線26及び28は
SQUID装置を構成するための超伝導ループの境界を特定
している。鎖線26の外側の領域及び鎖線28の内側の領域
はレーザによる削除される部分であり、これらが削除さ
れると超伝導体材料30（第10B図）が残される。この超
伝導ループ30は基板32上に配置され、２つの結晶粒界GB
で分離される第１、第２部分30A、30Bを含んでいる。こ
うして、超伝導ループ30中に２つのトンネル・バリヤあ
るいは弱い結合装置が形成されて、SQUID装置が形成さ
れる。
第11図は第10図のSQUID装置の磁界に対する変化が示
されている。電流が超伝導ループ内で発生され、磁界Ｈ
は結晶粒界に平行で超伝導体層24に直角な方向に印加さ
れる。第11図は第10図のSQUIDのループに通じる３つの
バイアス電流Ib1、Ib2、Ib3の各々についての印加磁束
に対する干渉計の応答を示している。正確な周期性及び
磁界の関数としての深さの大きな変化は第10B図のSQUID
のような装置における結晶粒界接合の有用性を表わして
いる。更に、これらの結晶粒界接合における小さなB
c（＜１）のおかげで、非ヒステリシスのSQUIDの動作を
達成するための外部抵抗変路の必要性がなくなる。
されている。電流が超伝導ループ内で発生され、磁界Ｈ
は結晶粒界に平行で超伝導体層24に直角な方向に印加さ
れる。第11図は第10図のSQUIDのループに通じる３つの
バイアス電流Ib1、Ib2、Ib3の各々についての印加磁束
に対する干渉計の応答を示している。正確な周期性及び
磁界の関数としての深さの大きな変化は第10B図のSQUID
のような装置における結晶粒界接合の有用性を表わして
いる。更に、これらの結晶粒界接合における小さなB
c（＜１）のおかげで、非ヒステリシスのSQUIDの動作を
達成するための外部抵抗変路の必要性がなくなる。
全部が高Tc超伝導体材料から成る平面スパイラル・コ
イルが別々のチツプから形成され得る。個々のコイルを
テストした後、コイル及び第10B図のSQUIDが適当に配置
されてコイルからSQUIDへの磁界の適当な結合関係が形
成される。これにより感度の向上した再現性のよい装置
が形成されることになる。
イルが別々のチツプから形成され得る。個々のコイルを
テストした後、コイル及び第10B図のSQUIDが適当に配置
されてコイルからSQUIDへの磁界の適当な結合関係が形
成される。これにより感度の向上した再現性のよい装置
が形成されることになる。
これまで述べてきたのは複数の結晶粒界及びそれに隣
接する結晶粒を流れる臨界電流を利用する装置である。
結晶粒界を流れる臨界電流は隣接する結晶粒の臨界電流
よりも小さく、一方、温度及び結晶粒界の臨界電流に依
存する磁界は結晶粒界が弱い領域と強い領域との結び付
きから成つていることを示している。結晶粒界はSQUID
のような構造を形成するために用いられ得るとともに科
学や産業での応用のための一層進んだトンネリング構造
の開発に用いられ得る。
接する結晶粒を流れる臨界電流を利用する装置である。
結晶粒界を流れる臨界電流は隣接する結晶粒の臨界電流
よりも小さく、一方、温度及び結晶粒界の臨界電流に依
存する磁界は結晶粒界が弱い領域と強い領域との結び付
きから成つていることを示している。結晶粒界はSQUID
のような構造を形成するために用いられ得るとともに科
学や産業での応用のための一層進んだトンネリング構造
の開発に用いられ得る。
本発明の構造は多くの目的のための種々の優れた装置
に応用され得る。これ等には赤外線検知器、ミリメート
ル波の検知及び転換用のコヒーレント・アレイ、電圧標
準用の線型接合アレイが含まれる。例えば、コヒーレン
ト・アレイは各トンネル装置内のトンネル・バリヤある
いは弱い結合バリヤとしての同一の結晶粒界を用いて形
成される複数のトンネル装置から構成され得る。各トン
ネル装置は非常に小さく形成することができ且つトンネ
ル・バリヤとして用いられる結晶粒界及び超伝導結晶粒
について同一の性質を有しているので、優れた特性を有
するコヒーレント・アレイが形成され得る。更に、結晶
粒界の配置及び配向は正確に制御され得るので、これら
の装置の複数個をレイアウトすることも容易である。
に応用され得る。これ等には赤外線検知器、ミリメート
ル波の検知及び転換用のコヒーレント・アレイ、電圧標
準用の線型接合アレイが含まれる。例えば、コヒーレン
ト・アレイは各トンネル装置内のトンネル・バリヤある
いは弱い結合バリヤとしての同一の結晶粒界を用いて形
成される複数のトンネル装置から構成され得る。各トン
ネル装置は非常に小さく形成することができ且つトンネ
ル・バリヤとして用いられる結晶粒界及び超伝導結晶粒
について同一の性質を有しているので、優れた特性を有
するコヒーレント・アレイが形成され得る。更に、結晶
粒界の配置及び配向は正確に制御され得るので、これら
の装置の複数個をレイアウトすることも容易である。
本発明は超伝導体中の制御された欠陥部（例えば、結
晶粒界のこと。）を利用しており、超伝導体は銅酸化物
平面を含む結晶体構造を示すような高Tc超伝導体である
ことが好ましい。
晶粒界のこと。）を利用しており、超伝導体は銅酸化物
平面を含む結晶体構造を示すような高Tc超伝導体である
ことが好ましい。
第１図乃至第４図は本発明に係る超伝導体装置の一実施
例の製造方法を示す斜視図、 第５図は前記製造方法によつて製造された超伝導体装置
を示す斜視図、 第６図は他の実施例の製造過程中の構造を示す斜視図、 第７図は第６図の構造より更に進んだ製造過程中の構造
を示す斜視図、 第８図は第７図の装置における領域Ｉ、II、及びIIIの
各々についての温度Ｔに対する臨界電流Icの値の変化を
示すグラフ、 第9A図、第9B図、及び第9C図の各々は第７図の装置にお
ける領域Ｉ、II、及びIIIについての磁界Ｈに対する臨
界電流Icの値の変化を示すグラフ、 第10A図は前記以外の実施例の製造過程中の構造を示す
平面図、 第10B図は第10A図の構造より更に進んだ製造過程中の構
造を示す平面図、 第11図は第10B図の装置における異なるバイアス電流に
ついての磁界Ｈに対する臨界電流Icの値の変化を示すグ
ラフである。
例の製造方法を示す斜視図、 第５図は前記製造方法によつて製造された超伝導体装置
を示す斜視図、 第６図は他の実施例の製造過程中の構造を示す斜視図、 第７図は第６図の構造より更に進んだ製造過程中の構造
を示す斜視図、 第８図は第７図の装置における領域Ｉ、II、及びIIIの
各々についての温度Ｔに対する臨界電流Icの値の変化を
示すグラフ、 第9A図、第9B図、及び第9C図の各々は第７図の装置にお
ける領域Ｉ、II、及びIIIについての磁界Ｈに対する臨
界電流Icの値の変化を示すグラフ、 第10A図は前記以外の実施例の製造過程中の構造を示す
平面図、 第10B図は第10A図の構造より更に進んだ製造過程中の構
造を示す平面図、 第11図は第10B図の装置における異なるバイアス電流に
ついての磁界Ｈに対する臨界電流Icの値の変化を示すグ
ラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デユーン・ブライアン・デイモス アメリカ合衆国ニユージヤージイ州アッパ ー・モンテレイアー、ヴアレイ・ロード 418番地 (72)発明者 ジヨーケン・デイター・マーンハート ドイツ連邦共和国ミイツンゲン、デイー- 7430、ビイケンベルク２番地 (72)発明者 チヤング・チユー・チイー アメリカ合衆国ニユーヨーク州チヤパク、 マウンテン・ピイーク・ロード63番地 (56)参考文献 特開 昭62−273782（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−120878（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−161881（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】高Tc超伝導体層中の結晶粒界がそこを横切
る電流に対してバリヤとなるように設けられている超伝
導体装置であつて、 前記結晶粒界を有する前記高Tc超伝導体層と、 前記高Tc超伝導体層がその上にエピタキシヤル成長され
る基板であつて、前記結晶粒界に一致する結晶粒界を含
む基板と、 前記高Tc超伝導体層中の結晶粒界の両側の前記高Tc超伝
導体層より成る一対の超伝導領域と、 前記高Tc超伝導体層中の前記結晶粒界を横切る電流を生
じさせるために前記一対の超伝導領域に接続されたバイ
アス手段と、 を有する超伝導体装置。 - 【請求項２】結晶粒界を有する結晶質基板を用意し、 前記結晶粒界に一致する結晶粒界が形成されるように前
記結晶質基板上に結晶粒界を有する高Tc超伝導体層をエ
ピタキシヤル成長させ、 前記高Tc超伝導体層中の前記結晶粒界の両側に前記高Tc
超伝導体層よりなる超伝導領域を形成するように前記高
Tc超伝導体層をパターン化し、 前記高Tc超伝導体層中の前記結晶粒界を横切る電流を生
じる電源に前記結晶粒界の両側の前記超伝導領域を接続
することを含む、 超伝導体装置の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/155,946 US5162298A (en) | 1988-02-16 | 1988-02-16 | Grain boundary junction devices using high tc superconductors |
| US155946 | 1993-11-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01218077A JPH01218077A (ja) | 1989-08-31 |
| JPH0828536B2 true JPH0828536B2 (ja) | 1996-03-21 |
Family
ID=22557423
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63291122A Expired - Lifetime JPH0828536B2 (ja) | 1988-02-16 | 1988-11-19 | 超伝導体装置及び超伝導体装置の製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5162298A (ja) |
| EP (1) | EP0329603B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0828536B2 (ja) |
| DE (1) | DE68901980T2 (ja) |
Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5077266A (en) * | 1988-09-14 | 1991-12-31 | Hitachi, Ltd. | Method of forming weak-link josephson junction, and superconducting device employing the junction |
| US5157466A (en) * | 1991-03-19 | 1992-10-20 | Conductus, Inc. | Grain boundary junctions in high temperature superconductor films |
| JPH05129671A (ja) * | 1991-10-31 | 1993-05-25 | Sharp Corp | 超電導磁気抵抗効果素子およびその製造方法 |
| DE69224605T2 (de) * | 1991-11-28 | 1998-11-05 | Int Superconductivity Tech | Kupferoxid-Supraleiter, Verfahren zu seiner Herstellung und dabei verwendete Kupferverbindung |
| CA2084556C (en) * | 1991-12-06 | 1996-12-24 | So Tanaka | Method for manufacturing an artificial grain boundary type josephson junction device |
| KR940008695B1 (ko) * | 1991-12-26 | 1994-09-24 | 한국과학기술연구원 | 입계형 반도성 자기 콘덴서 |
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| SE506807C2 (sv) * | 1994-05-03 | 1998-02-16 | Ericsson Telefon Ab L M | Anordning tillhandahållande svaga länkar i en supraledande film och anordning omfattande svaga länkar |
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| US6331680B1 (en) | 1996-08-07 | 2001-12-18 | Visteon Global Technologies, Inc. | Multilayer electrical interconnection device and method of making same |
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| US20040134967A1 (en) * | 1997-05-22 | 2004-07-15 | Conductis, Inc. | Interface engineered high-Tc Josephson junctions |
| JP2971066B1 (ja) * | 1998-12-02 | 1999-11-02 | 株式会社日立製作所 | 超電導単一磁束量子論理回路 |
| US6734699B1 (en) | 1999-07-14 | 2004-05-11 | Northrop Grumman Corporation | Self-clocked complementary logic |
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