JPH084157B2 - ジョセフソン素子とその製造方法 - Google Patents
ジョセフソン素子とその製造方法Info
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- JPH084157B2 JPH084157B2 JP62308226A JP30822687A JPH084157B2 JP H084157 B2 JPH084157 B2 JP H084157B2 JP 62308226 A JP62308226 A JP 62308226A JP 30822687 A JP30822687 A JP 30822687A JP H084157 B2 JPH084157 B2 JP H084157B2
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- Japan
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- weakly
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- film
- substance
- superconducting
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、例えば高速スイッチング素子、SQUID、ミ
リ波検出等への応用が可能なジョセフソン素子とその製
造方法に関し、更に詳しくは、２つの超電導体間を超電
導材で形成された弱結合部で接続したタイプのジョセフ
ソン素子とその製造方法に関する。
リ波検出等への応用が可能なジョセフソン素子とその製
造方法に関し、更に詳しくは、２つの超電導体間を超電
導材で形成された弱結合部で接続したタイプのジョセフ
ソン素子とその製造方法に関する。
＜従来の技術＞ ジョセフソン素子の一般的な構造は、第５図〜第９図
に示す通りで、いずれも２つの超電導体１および２間を
弱結合部３で接続してなっている。第５図に示すものは
超電導マイクロブリッジと称されるタイプで、超電導体
1,2および弱結合部３を同一の超電導材によって一体形
成している。第６図に示すものは平面型ジョセフソン接
合と称されるタイプで、２つの超電導体1,2間に超電導
材製の弱結合部３を差しわたしている。第７図に示すも
のは薄膜トンネル接合と称され、一方の超電導体１の表
面に弱結合部３となる薄い絶縁膜を形成したものであ
る。また、第８図に示すものはサンドイッチ型ジョセフ
ソン接合と称され、同じく絶縁体によって弱結合部３を
形成している。更に、第９図に示すものは準平面型ジョ
セフソン接合と称されるタイプで、一方の超電導体１の
表面に絶縁体10を介して他方の超電導体２を重ね、これ
らを超電導材製の弱結合部３で接続している。
に示す通りで、いずれも２つの超電導体１および２間を
弱結合部３で接続してなっている。第５図に示すものは
超電導マイクロブリッジと称されるタイプで、超電導体
1,2および弱結合部３を同一の超電導材によって一体形
成している。第６図に示すものは平面型ジョセフソン接
合と称されるタイプで、２つの超電導体1,2間に超電導
材製の弱結合部３を差しわたしている。第７図に示すも
のは薄膜トンネル接合と称され、一方の超電導体１の表
面に弱結合部３となる薄い絶縁膜を形成したものであ
る。また、第８図に示すものはサンドイッチ型ジョセフ
ソン接合と称され、同じく絶縁体によって弱結合部３を
形成している。更に、第９図に示すものは準平面型ジョ
セフソン接合と称されるタイプで、一方の超電導体１の
表面に絶縁体10を介して他方の超電導体２を重ね、これ
らを超電導材製の弱結合部３で接続している。
＜発明が解決しようとする問題点＞ 以上のような各構造ジョセフソン素子の、超電導体1,
2間に電流を流すと、そのＩ−Ｖ特性は第10図は示す通
りとなる。ここで、ジョセフソン素子の特性を揃えるた
めには、第10図の臨界電流値Icを一定値にする必要があ
る。このIcの値は、例えば第６図のタイプにおいて弱結
合部３の断面積ｗ×ｔで決まるが、このIcの値を適度の
範囲内に収めるためには、ｗおよびｔの寸法をサブミク
ロンオーダーの精度で加工する必要があり、従来の加工
法ではIcのバラツキを所望の範囲内に抑えこめず、素子
の歩留まりを大きく低下させる要因となっている。
2間に電流を流すと、そのＩ−Ｖ特性は第10図は示す通
りとなる。ここで、ジョセフソン素子の特性を揃えるた
めには、第10図の臨界電流値Icを一定値にする必要があ
る。このIcの値は、例えば第６図のタイプにおいて弱結
合部３の断面積ｗ×ｔで決まるが、このIcの値を適度の
範囲内に収めるためには、ｗおよびｔの寸法をサブミク
ロンオーダーの精度で加工する必要があり、従来の加工
法ではIcのバラツキを所望の範囲内に抑えこめず、素子
の歩留まりを大きく低下させる要因となっている。
ところで、最近発見されたセラミックス高温超電導体
は、液体窒素温度で動作するジョセフソン素子を作成す
ることができることから注目されているが、セラミック
スであるが故に加工性が悪く、上記の問題が更に深刻な
ものとなっている。
は、液体窒素温度で動作するジョセフソン素子を作成す
ることができることから注目されているが、セラミック
スであるが故に加工性が悪く、上記の問題が更に深刻な
ものとなっている。
本発明は上記に鑑みてなされたもので、臨界電流値Ic
を必要に応じて変化させることのできるジョセフソン素
子、および、高精度の加工を施すことなく臨界電流値Ic
を所望の値とすることのできる、ジョセフソン素子の製
造方法の提供を目的としている。
を必要に応じて変化させることのできるジョセフソン素
子、および、高精度の加工を施すことなく臨界電流値Ic
を所望の値とすることのできる、ジョセフソン素子の製
造方法の提供を目的としている。
＜問題点を解決するための手段＞ 上記の各目的を達成するため、第１の発明は、実施例
に対応する第１図に示すように、２つの超電導体1,2間
を、超電導材で形成された弱結合部３により接続してな
る素子において、弱結合部３に、加熱によりこの弱結合
部３内に拡散してその臨界電流値Icを下げる物質（例え
ばAl2O3膜）４を接続配置し、かつ、上記の加熱のため
のヒータ（例えばTa膜）５を熱的に接触したことによっ
て、特徴づけられる。
に対応する第１図に示すように、２つの超電導体1,2間
を、超電導材で形成された弱結合部３により接続してな
る素子において、弱結合部３に、加熱によりこの弱結合
部３内に拡散してその臨界電流値Icを下げる物質（例え
ばAl2O3膜）４を接続配置し、かつ、上記の加熱のため
のヒータ（例えばTa膜）５を熱的に接触したことによっ
て、特徴づけられる。
また、第２の発明は、ジョセフソン素子の製造方法で
あって、同じく実施例に対応する第１図を参照しつつ説
明すると、２つの超電導体1,2間を、超電導材によって
接続して弱結合部３を形成し、次に、その弱結合部３
に、加熱によりこの弱結合部３内に拡散してその拡散領
域の超電導性を破壊する物質（例えばAl2O3膜）４を接
触させた状態で、２つの超電導体1,2間に電流を流して
そのＩ−Ｖ特性を測定しつつ、弱結合部３を局所的に加
熱して上記の物質４の拡散領域を順次増大せしめること
により、上記のＩ−Ｖ特性における臨界電流値Icが所望
の値となるよう調整することによって、特徴づけられ
る。
あって、同じく実施例に対応する第１図を参照しつつ説
明すると、２つの超電導体1,2間を、超電導材によって
接続して弱結合部３を形成し、次に、その弱結合部３
に、加熱によりこの弱結合部３内に拡散してその拡散領
域の超電導性を破壊する物質（例えばAl2O3膜）４を接
触させた状態で、２つの超電導体1,2間に電流を流して
そのＩ−Ｖ特性を測定しつつ、弱結合部３を局所的に加
熱して上記の物質４の拡散領域を順次増大せしめること
により、上記のＩ−Ｖ特性における臨界電流値Icが所望
の値となるよう調整することによって、特徴づけられ
る。
＜作用＞ Ｙ−Ｂ−Ｃ−Ｏ系やＬ−Ｓ−Ｃ−Ｏ系セラミックス超
電導体等においては、Al,Al2O3,Si,SiO2等を拡散させる
ことによってその超電導性が破壊されることが知られて
いる。
電導体等においては、Al,Al2O3,Si,SiO2等を拡散させる
ことによってその超電導性が破壊されることが知られて
いる。
第１の発明の構造を有するジョセフソン素子による
と、ヒータ５による加熱により、Al2O3等の物質が弱結
合部３内に拡散してその超電導性破壊領域を増大させ、
弱結合部３の超電導性を有する断面積を縮少させること
ができ、必要に応じて適宜に素子のIcを低下させること
ができる。
と、ヒータ５による加熱により、Al2O3等の物質が弱結
合部３内に拡散してその超電導性破壊領域を増大させ、
弱結合部３の超電導性を有する断面積を縮少させること
ができ、必要に応じて適宜に素子のIcを低下させること
ができる。
第２の発明による製造方法によれば、適当な断面積の
超電導材による弱結合部３に、超電導性破壊物質を拡散
させつつ、素子のＩ−Ｖ特性を測定し、Ic値が所望値と
なった時点で拡散を停止することで、一定のIc値を有す
るジョセフソン素子が得られる。
超電導材による弱結合部３に、超電導性破壊物質を拡散
させつつ、素子のＩ−Ｖ特性を測定し、Ic値が所望値と
なった時点で拡散を停止することで、一定のIc値を有す
るジョセフソン素子が得られる。
＜実施例＞ 本発明の実施例を、以下、図面に基づいて説明する。
第１図は本発明実施例の構造を示す斜視図である。
超電導体1,2および弱結合部３が同一の超電導材によ
って一体形成されてなる超電導マイクロブリッジ構造
の、弱結合部３の上面に、Al2O3膜４が形成されてお
り、更にその上面にTa膜５が形成されている。このTa膜
５の両端には、それぞれ電極（図示せず）を介してリー
ド線6,7が接続されている。
って一体形成されてなる超電導マイクロブリッジ構造
の、弱結合部３の上面に、Al2O3膜４が形成されてお
り、更にその上面にTa膜５が形成されている。このTa膜
５の両端には、それぞれ電極（図示せず）を介してリー
ド線6,7が接続されている。
以上の構造は、次の方法によって製造することができ
る。
る。
YSZ（イットリア安定化ジルコニア）基板上に、rfス
パッタによりＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ薄膜を作成し、フォトリソ
グラフ・ウェットエッチングにより、超電導体1,2およ
び弱結合部３からなる超電導マイクロブリッジ構造を形
成した。ここで、弱結合部３の大きさは10μｍ×10μm,
厚さは２μｍとした。なお、このパターン成形はイオン
注入法等によって行ってもよい。
パッタによりＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ薄膜を作成し、フォトリソ
グラフ・ウェットエッチングにより、超電導体1,2およ
び弱結合部３からなる超電導マイクロブリッジ構造を形
成した。ここで、弱結合部３の大きさは10μｍ×10μm,
厚さは２μｍとした。なお、このパターン成形はイオン
注入法等によって行ってもよい。
次に、同じくrfスパッタにより、弱結合部３の上にAl
2O3膜４を、更にその上にTa膜５を積層した。そしてTa
膜５の両端に電極とリード線6,7を接続した。
2O3膜４を、更にその上にTa膜５を積層した。そしてTa
膜５の両端に電極とリード線6,7を接続した。
さて、以上の構造を有する素子を、液体窒素中に浸
し、超電導体1,2間に電流を流してそのＩ−Ｖ特性を測
定すると、例えば第２図実線の通りであった。次に、そ
の状態でリード線6,7間に電流を数秒間流してTa膜５を
発熱させると、Al2O3が弱結合部３のＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜
に所定深さだけ拡散してその超電導性を破壊する結果、
実質的に弱結合部３の厚さｔが小さくなって断面積が小
さくなり、第２図破線で示すようなＩ−Ｖ特性が得ら
れ、臨界電流値が低下した。更にTa膜５に通電すると、
同図一点鎖線で示すように臨界電流値は更に低下した。
このように、Ta膜５への通電時間により、臨界電流値の
大きさを制御することができ、所望の臨界電流値から得
られた時点で通電を停止することによって、所棒の特性
を有するジョセフソン素子が得られる。
し、超電導体1,2間に電流を流してそのＩ−Ｖ特性を測
定すると、例えば第２図実線の通りであった。次に、そ
の状態でリード線6,7間に電流を数秒間流してTa膜５を
発熱させると、Al2O3が弱結合部３のＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜
に所定深さだけ拡散してその超電導性を破壊する結果、
実質的に弱結合部３の厚さｔが小さくなって断面積が小
さくなり、第２図破線で示すようなＩ−Ｖ特性が得ら
れ、臨界電流値が低下した。更にTa膜５に通電すると、
同図一点鎖線で示すように臨界電流値は更に低下した。
このように、Ta膜５への通電時間により、臨界電流値の
大きさを制御することができ、所望の臨界電流値から得
られた時点で通電を停止することによって、所棒の特性
を有するジョセフソン素子が得られる。
なお、Ｉ−Ｖ特性の測定と加熱のための通電は並行し
て行ってもよいし、交互に行ってもよい。測定と加熱通
電を並行に行なう場合、第１図の構造の素子を窒素ガス
が充填された容器内に入れ、その容器ごと液体窒素内に
浸すことで、加熱による液体窒素の急激な沸騰を防止で
きる。
て行ってもよいし、交互に行ってもよい。測定と加熱通
電を並行に行なう場合、第１図の構造の素子を窒素ガス
が充填された容器内に入れ、その容器ごと液体窒素内に
浸すことで、加熱による液体窒素の急激な沸騰を防止で
きる。
また、素子の構造としては、第１図に示した超電導マ
イクロブリッジ構造のほか、第６図および第９図に示し
た平面型ジョセフソン接合および準平面型ジョセフソン
接合のタイプにも適用可能であり、いずれも超電導材製
弱結合部３に超電導性破壊物質を接触配置し、この接触
部分を加熱するためのヒータを熱的に接続すればよい。
イクロブリッジ構造のほか、第６図および第９図に示し
た平面型ジョセフソン接合および準平面型ジョセフソン
接合のタイプにも適用可能であり、いずれも超電導材製
弱結合部３に超電導性破壊物質を接触配置し、この接触
部分を加熱するためのヒータを熱的に接続すればよい。
弱結合部３の超電導材料としては、Ｙ−Ｂ−Ｃ−Ｏ系
セラミックスのほか、Ｌ−Ｓ−Ｃ−Ｏ系セラミックスで
も同様の結果を得ることができた。また、超電導性破壊
物質としては、上述のAl2O3のほか、SiO2,AlおよびSiが
ほぼ同様の結果を示し、更にSr,Ti,Feおよびその酸化物
等でも効率的ではないものの使用することができる。
セラミックスのほか、Ｌ−Ｓ−Ｃ−Ｏ系セラミックスで
も同様の結果を得ることができた。また、超電導性破壊
物質としては、上述のAl2O3のほか、SiO2,AlおよびSiが
ほぼ同様の結果を示し、更にSr,Ti,Feおよびその酸化物
等でも効率的ではないものの使用することができる。
次に、超電導マイクロブリッジ構造を有するジョセフ
ソン素子と、その製造方法の他の例を述べる。第３図は
その説明図である。この例では、まず、YSZ基板等の上
に一様なＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11を形成する。次に、そのＹ
−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11上に第３図に示すようにAl2O3膜4,4ま
たは他の超電導性破壊物質の膜を形成する。そして、こ
のAl2O3膜4,4を加熱することにより、Ｙ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜
11の膜厚方向に拡散させてAl2O3膜4,4の下方のＹ−Ｂ−
Ｃ−Ｏ膜11を絶縁化し、超電動マイクロブリッジ構造を
得る。次いで、Al2O3膜4,4を更に加熱することによりAl
2O3を膜面方向に拡散させ、弱結合部３の実質的な幅ｗ
を小さくさせて断面積を小さくし、所望のＩ−Ｖ特性が
得られた時点で加熱を停止する。
ソン素子と、その製造方法の他の例を述べる。第３図は
その説明図である。この例では、まず、YSZ基板等の上
に一様なＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11を形成する。次に、そのＹ
−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11上に第３図に示すようにAl2O3膜4,4ま
たは他の超電導性破壊物質の膜を形成する。そして、こ
のAl2O3膜4,4を加熱することにより、Ｙ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜
11の膜厚方向に拡散させてAl2O3膜4,4の下方のＹ−Ｂ−
Ｃ−Ｏ膜11を絶縁化し、超電動マイクロブリッジ構造を
得る。次いで、Al2O3膜4,4を更に加熱することによりAl
2O3を膜面方向に拡散させ、弱結合部３の実質的な幅ｗ
を小さくさせて断面積を小さくし、所望のＩ−Ｖ特性が
得られた時点で加熱を停止する。
この方法は第６図および第９図に示した平面型および
準平面型ジョセフソン接合のタイプに適用できる。準平
面型ジョセフソン接合を有する素子への適用例を第４図
に示す。この例では、超電導体１と、その上に絶縁体10
を介して重ねられた超電導体２の上に、一様なＹ−Ｂ−
Ｃ−Ｏ膜11を形成し、そのＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11の上方に
は、中心部分を除いてAl2O3膜４およびTa膜５を積層
し、更にTa膜５の両端に加熱用電流を流すためのリード
線6,7を接続している。この構造においてリード線6,7を
介して電流を流してTa膜５を発熱させることにより、Al
2O3がＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11の膜厚方向に拡散し、Ｙ−Ｂ
−Ｃ−Ｏ膜11の中心部を除く部分が絶縁化される。つま
り、超電導性が残る中心部が弱結合部３を形成すること
になる。そして、同様に更に通電して加熱することによ
り、Al2O3がＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11の膜面方向に拡散し、
弱結合部３の実質的な幅ｗを適宜を狭めることができ
る。
準平面型ジョセフソン接合のタイプに適用できる。準平
面型ジョセフソン接合を有する素子への適用例を第４図
に示す。この例では、超電導体１と、その上に絶縁体10
を介して重ねられた超電導体２の上に、一様なＹ−Ｂ−
Ｃ−Ｏ膜11を形成し、そのＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11の上方に
は、中心部分を除いてAl2O3膜４およびTa膜５を積層
し、更にTa膜５の両端に加熱用電流を流すためのリード
線6,7を接続している。この構造においてリード線6,7を
介して電流を流してTa膜５を発熱させることにより、Al
2O3がＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11の膜厚方向に拡散し、Ｙ−Ｂ
−Ｃ−Ｏ膜11の中心部を除く部分が絶縁化される。つま
り、超電導性が残る中心部が弱結合部３を形成すること
になる。そして、同様に更に通電して加熱することによ
り、Al2O3がＹ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜11の膜面方向に拡散し、
弱結合部３の実質的な幅ｗを適宜を狭めることができ
る。
＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明のジョセフソン素子によ
れば、超電導材製の弱結合部に、加熱によりその超電導
性を破壊し、弱結合部の実質的な断面積を小さくしてそ
の超電導臨界電流を低下させる物質が接続配置され、か
つ、加熱用のヒータが熱的に接続されているから、必要
に応じてそのＩ−Ｖ特性を適宜に変化させることがで
き、使用上の汎用性が増大する。
れば、超電導材製の弱結合部に、加熱によりその超電導
性を破壊し、弱結合部の実質的な断面積を小さくしてそ
の超電導臨界電流を低下させる物質が接続配置され、か
つ、加熱用のヒータが熱的に接続されているから、必要
に応じてそのＩ−Ｖ特性を適宜に変化させることがで
き、使用上の汎用性が増大する。
また、本発明の製造方法によると、弱結合部の加工精
度を高度化することなく、Ｉ−Ｖ特性を所望の状態に調
整することができるので、歩留まりが向上し、ひいては
製造コストを低減させることができる。
度を高度化することなく、Ｉ−Ｖ特性を所望の状態に調
整することができるので、歩留まりが向上し、ひいては
製造コストを低減させることができる。
第１図は本発明実施例の構造を示す斜視図、 第２図はその作用説明図、 第３図および第４図は本発明の他の実施例の説明図、 第５図乃至第９図は従来のジョセフソン素子の構造例を
示す斜視図、 第10図はそのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 1,2……超電導体 ３……弱接合部 ４……Al2O3膜 ５……Ta膜 6,7……リード線 10……絶縁体 11……Ｙ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜
示す斜視図、 第10図はそのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 1,2……超電導体 ３……弱接合部 ４……Al2O3膜 ５……Ta膜 6,7……リード線 10……絶縁体 11……Ｙ−Ｂ−Ｃ−Ｏ膜
Claims (4)
- 【請求項１】２つの超電導体間を、超電導材で形成され
た弱結合部により接続してなる素子において、上記弱結
合部に、加熱により当該弱結合部内に拡散してその超電
導臨界電流値を下げる物質を接触配置し、かつ、上記加
熱のためのヒータを熱的に接触したことを特徴とする、
ジョセフソン素子。 - 【請求項２】上記弱結合部の超電導材がセラミックス超
電導材で、その弱結合部に接触配置される上記物質がA
l,Al2O3,SiまたはSiO2であることを特徴とする、特許請
求の範囲第１項記載のジョセフソン素子。 - 【請求項３】２つの超電導体間を、超電導材により接続
して弱結合部を形成し、次に、その弱結合部に、加熱に
より当該弱結合部内に拡散してその拡散領域における超
電導性を破壊する物質を接触させた状態で、上記２つの
超電導体間に電流を流してそのＩ−Ｖ特性を測定しつ
つ、上記弱結合部を局所的に加熱して上記物質の拡散領
域を順次増大せしめることにより、上記Ｉ−Ｖ特性にお
ける臨界電流値が所望の値となるよう調整することを特
徴とする、ジョセフソン素子の製造方法。 - 【請求項４】上記弱結合部をセラミックス超電導体で形
成するとともに、その弱結合部に接触させる上記物質を
Al,Al2O3,SiまたはSiO2とすることを特徴とする、特許
請求の範囲第３項記載のジョセフソン素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62308226A JPH084157B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | ジョセフソン素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62308226A JPH084157B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | ジョセフソン素子とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01149492A JPH01149492A (ja) | 1989-06-12 |
| JPH084157B2 true JPH084157B2 (ja) | 1996-01-17 |
Family
ID=17978445
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62308226A Expired - Lifetime JPH084157B2 (ja) | 1987-12-04 | 1987-12-04 | ジョセフソン素子とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH084157B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112098910B (zh) * | 2020-10-10 | 2025-05-23 | 邵阳学院 | 一种六点法卷对卷传动式高温超导长带临界电流测试装置及方法 |
-
1987
- 1987-12-04 JP JP62308226A patent/JPH084157B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01149492A (ja) | 1989-06-12 |
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