JPH09121064A - 高温超電導ジョセフソン接合素子 - Google Patents
高温超電導ジョセフソン接合素子Info
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- JPH09121064A JPH09121064A JP7278560A JP27856095A JPH09121064A JP H09121064 A JPH09121064 A JP H09121064A JP 7278560 A JP7278560 A JP 7278560A JP 27856095 A JP27856095 A JP 27856095A JP H09121064 A JPH09121064 A JP H09121064A
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- josephson junction
- axis oriented
- junction
- wave
- axis
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温超電導ジョセフソン接合素子に関し、液
体窒素温度以上の高温での動作が可能なｓ−ｄ波接合の
ジョセフソン接合素子を実現する。 【解決手段】 酸化物超電導体のａ軸配向結晶粒２とｃ
軸配向結晶粒１との間のａ／ｃ界面３を接合面とすると
共に、ａ軸配向領域の接合面が｛００１｝面からなり、
且つ、ｃ軸配向領域の接合面が｛１１０｝面からなるａ
／ｃ界面３によりジョセフソン接合を形成する。
体窒素温度以上の高温での動作が可能なｓ−ｄ波接合の
ジョセフソン接合素子を実現する。 【解決手段】 酸化物超電導体のａ軸配向結晶粒２とｃ
軸配向結晶粒１との間のａ／ｃ界面３を接合面とすると
共に、ａ軸配向領域の接合面が｛００１｝面からなり、
且つ、ｃ軸配向領域の接合面が｛１１０｝面からなるａ
／ｃ界面３によりジョセフソン接合を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高温超電導ジョセフ
ソン接合素子に関するものであり、特に、酸化物超電導
体のみを使用したｓ−ｄ波接合からなる高温超電導ジョ
セフソン接合素子に関するものである。
ソン接合素子に関するものであり、特に、酸化物超電導
体のみを使用したｓ−ｄ波接合からなる高温超電導ジョ
セフソン接合素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、金属系超電導体を用いて各種の超
電導デバイスが開発されており、特に、その中心的デバ
イスとしてジョセフソン接合素子の研究が成されてきた
が、近年、液体窒素温度で動作可能な高温超電導体を用
いて各種の電子デバイスを形成することも試みられてお
り、医療用の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）、デジ
タルデバイス、或いは、高周波デバイスにおいて、従来
の半導体デバイスを凌駕する性能が期待されている。
電導デバイスが開発されており、特に、その中心的デバ
イスとしてジョセフソン接合素子の研究が成されてきた
が、近年、液体窒素温度で動作可能な高温超電導体を用
いて各種の電子デバイスを形成することも試みられてお
り、医療用の超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）、デジ
タルデバイス、或いは、高周波デバイスにおいて、従来
の半導体デバイスを凌駕する性能が期待されている。
【０００３】従来の金属系超電導体は、ＢＣＳ理論で記
述可能であり、このようなＢＣＳ超電導体では超電導状
態を記述する基本的パラメータである超電導ギャップが
等方的であり、ｓ波対称性を有していることが知られて
いる。
述可能であり、このようなＢＣＳ超電導体では超電導状
態を記述する基本的パラメータである超電導ギャップが
等方的であり、ｓ波対称性を有していることが知られて
いる。
【０００４】一方、層状構造を有する酸化物超電導体で
は、超電導ギャプが等方的でなく異方性を有する可能
性、即ち、ｄ波対称性を有する可能性が指摘されている
が、酸化物超電導体の超電導ギャップの対称性に関する
結論が得られていないのが現状である。
は、超電導ギャプが等方的でなく異方性を有する可能
性、即ち、ｄ波対称性を有する可能性が指摘されている
が、酸化物超電導体の超電導ギャップの対称性に関する
結論が得られていないのが現状である。
【０００５】しかし、最近、井口等、或いは、Ｗｏｌｌ
ｍａｎ等によって、層状構造の酸化物超電導体の超電導
ギャップがｄ波対称性を有することを前提として、従来
のｓ波対称性を有する金属系超電導体との間でｓ−ｄ波
接合を形成したことが報告されている（例えば、Ｉ．Ｉ
ｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｚ．Ｗｅｎ，ＰｈｙｓｉｃａｌＲ
ｅｖｉｅｗ，Ｖｏｌ．Ｂ．４９，１９９４，ｐ．１２３
８８、及び、Ｄ．Ａ．Ｗｏｌｌｍａｎ，Ｄ．Ｊ．Ｖａｎ
Ｈａｒｌｉｎｇｅｎ，Ｊ．Ｇｉａｐｉｎｔｚａｋｉ
ｓ，ａｎｄ Ｄ．Ｍ．Ｇｉｎｓｂｅｒｇ，Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７４，
１９９５，ｐ．７９７参照）。
ｍａｎ等によって、層状構造の酸化物超電導体の超電導
ギャップがｄ波対称性を有することを前提として、従来
のｓ波対称性を有する金属系超電導体との間でｓ−ｄ波
接合を形成したことが報告されている（例えば、Ｉ．Ｉ
ｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｚ．Ｗｅｎ，ＰｈｙｓｉｃａｌＲ
ｅｖｉｅｗ，Ｖｏｌ．Ｂ．４９，１９９４，ｐ．１２３
８８、及び、Ｄ．Ａ．Ｗｏｌｌｍａｎ，Ｄ．Ｊ．Ｖａｎ
Ｈａｒｌｉｎｇｅｎ，Ｊ．Ｇｉａｐｉｎｔｚａｋｉ
ｓ，ａｎｄ Ｄ．Ｍ．Ｇｉｎｓｂｅｒｇ，Ｐｈｙｓｉｃ
ａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７４，
１９９５，ｐ．７９７参照）。
【０００６】即ち、ｓ波対称性を有するＰｂと、層状構
造の酸化物超電導体であるＹＢａ2Ｃｕ3 Ｏ7-x （ＹＢ
ＣＯ）薄膜、或いは、ＹＢＣＯ単結晶との間で接合を形
成し、各種の試験を行うことによってこの接合がｓ−ｄ
波接合からなるジョセフソン接合であるとの結論に至っ
たものである。
造の酸化物超電導体であるＹＢａ2Ｃｕ3 Ｏ7-x （ＹＢ
ＣＯ）薄膜、或いは、ＹＢＣＯ単結晶との間で接合を形
成し、各種の試験を行うことによってこの接合がｓ−ｄ
波接合からなるジョセフソン接合であるとの結論に至っ
たものである。
【０００７】この場合、形成された接合がジョセフソン
接合であるか否かを確認するためには、 電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）がＳＩＳ（超電導体／
絶縁体／超電導体）接合に特有なヒステリシスを示す
か、或いは、ＳＮＳ（超電導体／常電導体／超電導体）
接合に特有なＲＳＪ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ Ｓｈｕ
ｎｔ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）モデルで示される形を有して
いるか、また、 μ波照射時にシャピロステップが観測されるか、ま
た、 磁場印加時に、接合を流れる超電導電流の最大値が変
化し、変化の様子がフラウンホーファーパターンと呼ば
れるパターンを示すか、の３点を確認する必要がある。
接合であるか否かを確認するためには、 電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）がＳＩＳ（超電導体／
絶縁体／超電導体）接合に特有なヒステリシスを示す
か、或いは、ＳＮＳ（超電導体／常電導体／超電導体）
接合に特有なＲＳＪ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ Ｓｈｕ
ｎｔ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）モデルで示される形を有して
いるか、また、 μ波照射時にシャピロステップが観測されるか、ま
た、 磁場印加時に、接合を流れる超電導電流の最大値が変
化し、変化の様子がフラウンホーファーパターンと呼ば
れるパターンを示すか、の３点を確認する必要がある。
【０００８】上記のＷｏｌｌｍａｎ等の場合にはＹＢＣ
Ｏ薄膜を用いたＹＢＣＯ／Ａｕ／Ｐｂからなる接合にお
いて、Ｉ−Ｖ特性がＳＮＳ接合に特有なＲＳＪモデル
で示される形を有しており、また、磁場印加時に接合
を流れる超電導電流の最大値が変化するフラウンホーフ
ァーパターンが観測されたので、接合がＳＮＳ型のジョ
セフソン接合であると判定し、一方、井口等の場合には
ＹＢＣＯ／ＭｇＯ（又は、自然酸化膜）／Ｐｂからなる
接合において、ＳＩＳ接合に特有なヒステリシスを示
し、また、磁場印加時に接合を流れる超電導電流の最
大値が変化するフラウンホーファーパターンが観測され
たので、接合がＳＩＳ型のジョセフソン接合であると判
定したが、両者とものフラウンホーファーパターンが
金属系超電導体によるｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合
のパターンと異なっていた。
Ｏ薄膜を用いたＹＢＣＯ／Ａｕ／Ｐｂからなる接合にお
いて、Ｉ−Ｖ特性がＳＮＳ接合に特有なＲＳＪモデル
で示される形を有しており、また、磁場印加時に接合
を流れる超電導電流の最大値が変化するフラウンホーフ
ァーパターンが観測されたので、接合がＳＮＳ型のジョ
セフソン接合であると判定し、一方、井口等の場合には
ＹＢＣＯ／ＭｇＯ（又は、自然酸化膜）／Ｐｂからなる
接合において、ＳＩＳ接合に特有なヒステリシスを示
し、また、磁場印加時に接合を流れる超電導電流の最
大値が変化するフラウンホーファーパターンが観測され
たので、接合がＳＩＳ型のジョセフソン接合であると判
定したが、両者とものフラウンホーファーパターンが
金属系超電導体によるｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合
のパターンと異なっていた。
【０００９】即ち、ｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合の
フラウンホーファーパターンが磁束密度が０（ゼロ）に
おいて超電導電流値が極大値をとるのに対して、Ｐｂ
と、ＹＢＣＯ薄膜、或いは、ＹＢＣＯ単結晶との間の接
合の場合には、磁束密度が０（ゼロ）においては超電導
電流値が極小値になるので、理論的にこの接合はｓ−ｄ
波接合であると結論されたものである。
フラウンホーファーパターンが磁束密度が０（ゼロ）に
おいて超電導電流値が極大値をとるのに対して、Ｐｂ
と、ＹＢＣＯ薄膜、或いは、ＹＢＣＯ単結晶との間の接
合の場合には、磁束密度が０（ゼロ）においては超電導
電流値が極小値になるので、理論的にこの接合はｓ−ｄ
波接合であると結論されたものである。
【００１０】この様なｓ−ｄ波接合のジョセフソン接合
は、従来のｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合とフラウン
ホーファーパターンが異なるため、この違いを利用する
ことによって、従来のジョセフソン接合素子とは異なっ
た新しい機能を有する超電導デバイスの出現が期待され
ている。
は、従来のｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合とフラウン
ホーファーパターンが異なるため、この違いを利用する
ことによって、従来のジョセフソン接合素子とは異なっ
た新しい機能を有する超電導デバイスの出現が期待され
ている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような金
属系超電導体と層状構造酸化物超電導体とによるｓ−ｄ
波接合のジョセフソン接合素子の場合には、その動作温
度は金属系超電導体の転移温度で決定されるため、極低
温での動作しか期待できないものであり、液体窒素温度
（７７°Ｋ）での動作が可能な高温超電導体を用いた他
の超電導デバイスとの集積化ができない等の問題があ
る。
属系超電導体と層状構造酸化物超電導体とによるｓ−ｄ
波接合のジョセフソン接合素子の場合には、その動作温
度は金属系超電導体の転移温度で決定されるため、極低
温での動作しか期待できないものであり、液体窒素温度
（７７°Ｋ）での動作が可能な高温超電導体を用いた他
の超電導デバイスとの集積化ができない等の問題があ
る。
【００１２】したがって、本発明は、酸化物超電導体の
みを用いることによって、高温（液体窒素温度以上）で
の動作が可能なｓ−ｄ波接合のジョセフソン接合素子を
実現することを目的とする。
みを用いることによって、高温（液体窒素温度以上）で
の動作が可能なｓ−ｄ波接合のジョセフソン接合素子を
実現することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 （１）本発明は、高温超電導ジョセフソン接合素子にお
いて、酸化物超電導体のａ軸配向結晶粒２とｃ軸配向結
晶粒１との間のａ／ｃ界面３を接合面とすると共に、ａ
軸配向領域の接合面が｛００１｝面からなり、且つ、ｃ
軸配向領域の接合面が｛１１０｝面からなることを特徴
とする。
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 （１）本発明は、高温超電導ジョセフソン接合素子にお
いて、酸化物超電導体のａ軸配向結晶粒２とｃ軸配向結
晶粒１との間のａ／ｃ界面３を接合面とすると共に、ａ
軸配向領域の接合面が｛００１｝面からなり、且つ、ｃ
軸配向領域の接合面が｛１１０｝面からなることを特徴
とする。
【００１４】この様に、ａ軸配向結晶粒２の｛００１｝
面とｃ軸配向結晶粒１の｛１１０｝面とで接合を形成し
た場合、そのａ／ｃ界面３においてｃ軸配向領域が｛１
１０｝面からなることによって、接合界面がｄ波対称性
の特性を示し、また、接合界面にＮ（常電導体）的に振
る舞う層が形成されて、ＳＮＳ型のジョセフソン接合が
形成される。
面とｃ軸配向結晶粒１の｛１１０｝面とで接合を形成し
た場合、そのａ／ｃ界面３においてｃ軸配向領域が｛１
１０｝面からなることによって、接合界面がｄ波対称性
の特性を示し、また、接合界面にＮ（常電導体）的に振
る舞う層が形成されて、ＳＮＳ型のジョセフソン接合が
形成される。
【００１５】（２）また、本発明は、上記（１）におい
て、ａ軸配向結晶粒２が｛１００｝面のＭｇＯ基板上に
形成された〔０１１〕方向と平行な方向の長軸を有する
結晶粒であることを特徴とする。
て、ａ軸配向結晶粒２が｛１００｝面のＭｇＯ基板上に
形成された〔０１１〕方向と平行な方向の長軸を有する
結晶粒であることを特徴とする。
【００１６】この様に、｛１００｝面のＭｇＯ基板上に
酸化物超電導体を堆積させた場合に、ｃ軸配向結晶粒１
が主体の酸化物超電導体薄膜中に、矩形状のａ軸配向結
晶粒２も混在して形成され、このａ軸配向結晶粒は、長
軸がＭｇＯ基板の〔００１〕方向、〔０１１〕方向、及
び、〔０１０〕方向を有する結晶粒が混在することにな
り、〔０１１〕方向の長軸を有するａ軸配向結晶粒２と
ｃ軸配向結晶粒１とのａ／ｃ界面３におけるａ軸配向領
域の接合面が｛００１｝面となり、且つ、ｃ軸配向領域
の接合面が｛１１０｝面となる。
酸化物超電導体を堆積させた場合に、ｃ軸配向結晶粒１
が主体の酸化物超電導体薄膜中に、矩形状のａ軸配向結
晶粒２も混在して形成され、このａ軸配向結晶粒は、長
軸がＭｇＯ基板の〔００１〕方向、〔０１１〕方向、及
び、〔０１０〕方向を有する結晶粒が混在することにな
り、〔０１１〕方向の長軸を有するａ軸配向結晶粒２と
ｃ軸配向結晶粒１とのａ／ｃ界面３におけるａ軸配向領
域の接合面が｛００１｝面となり、且つ、ｃ軸配向領域
の接合面が｛１１０｝面となる。
【００１７】（３）また、本発明は、上記（１）または
（２）において、酸化物超電導体がＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x 或いはＮｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x のいずれかであるこ
とを特徴とする。
（２）において、酸化物超電導体がＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x 或いはＮｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x のいずれかであるこ
とを特徴とする。
【００１８】この様な、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 或いはＮ
ｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 等の層状構造の酸化物超電導体を
用いることにより、堆積時にａ軸配向結晶粒２とｃ軸配
向結晶粒１とが基板上に自然に混在して形成されること
になる。
ｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 等の層状構造の酸化物超電導体を
用いることにより、堆積時にａ軸配向結晶粒２とｃ軸配
向結晶粒１とが基板上に自然に混在して形成されること
になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図２乃至図６を参照して本発明の
実施の形態であるｓ−ｄ波接合のジョセフソン接合素子
を説明することにする。まず、図２を参照してｓ−ｄ波
接合のジョセフソン接合素子の製造工程を説明するが、
各図における下側の図は、上側の図のＡ−Ｂに沿った断
面図である。
実施の形態であるｓ−ｄ波接合のジョセフソン接合素子
を説明することにする。まず、図２を参照してｓ−ｄ波
接合のジョセフソン接合素子の製造工程を説明するが、
各図における下側の図は、上側の図のＡ−Ｂに沿った断
面図である。
【００２０】図２（ａ）及び（ｂ）参照 まず、主面が（１００）面のＭｇＯ単結晶基板１１上
に、波長が２４８ｎｍのＫｒＦレーザを用いたパルスレ
ーザデポジッション法（レーザアブレーション法）によ
って、厚さ１００〜３００ｎｍ、好適には２２０ｎｍの
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ 7-x （ＹＢＣＯ）薄膜を堆積させる。
に、波長が２４８ｎｍのＫｒＦレーザを用いたパルスレ
ーザデポジッション法（レーザアブレーション法）によ
って、厚さ１００〜３００ｎｍ、好適には２２０ｎｍの
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ 7-x （ＹＢＣＯ）薄膜を堆積させる。
【００２１】なお、この場合の堆積条件は、ターゲット
としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 多結晶体を用い、基板温度
が７５０〜８００℃、好適には７８０℃であり、酸素ガ
ス圧力が１００〜３００ｍＴｏｒｒ、好適には２００ｍ
Ｔｏｒｒの酸化性雰囲気であり、さらに、レーザパワー
が１．５〜２．５Ｊ／ｃｍ2 、好適には２．０Ｊ／ｃｍ
2 である。
としてＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 多結晶体を用い、基板温度
が７５０〜８００℃、好適には７８０℃であり、酸素ガ
ス圧力が１００〜３００ｍＴｏｒｒ、好適には２００ｍ
Ｔｏｒｒの酸化性雰囲気であり、さらに、レーザパワー
が１．５〜２．５Ｊ／ｃｍ2 、好適には２．０Ｊ／ｃｍ
2 である。
【００２２】この堆積されたＹＢＣＯ薄膜は、ｃ軸配向
ＹＢＣＯ結晶粒からなるｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２が主体
であり、このｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２中に、その長軸が
ＭｇＯ単結晶基板１１の〈０１０〉方向のａ軸配向ＹＢ
ＣＯ結晶粒１３、〈０１１〉方向のａ軸配向ＹＢＣＯ結
晶粒１４、及び、〈００１〉方向のａ軸配向ＹＢＣＯ結
晶粒１５が混在している。
ＹＢＣＯ結晶粒からなるｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２が主体
であり、このｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２中に、その長軸が
ＭｇＯ単結晶基板１１の〈０１０〉方向のａ軸配向ＹＢ
ＣＯ結晶粒１３、〈０１１〉方向のａ軸配向ＹＢＣＯ結
晶粒１４、及び、〈００１〉方向のａ軸配向ＹＢＣＯ結
晶粒１５が混在している。
【００２３】なお、このａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１３〜
１５の大きさは、長軸方向の大きさが５〜２０μｍであ
り、また、短軸方向の大きさが０．０５〜０．２μｍで
あるが、この様なａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１３〜１５が
形成される理由は、堆積温度とＭｇＯ単結晶基板１１表
面に存在する１０Åオーダーの微細な段差構造によると
考えられる。
１５の大きさは、長軸方向の大きさが５〜２０μｍであ
り、また、短軸方向の大きさが０．０５〜０．２μｍで
あるが、この様なａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１３〜１５が
形成される理由は、堆積温度とＭｇＯ単結晶基板１１表
面に存在する１０Åオーダーの微細な段差構造によると
考えられる。
【００２４】図２（ｃ）参照 次いで、フォトレジストマスク（図示せず）を用いて、
引き出し電圧を３５０〜５００Ｖ、好適には４５０Ｖ、
Ａｒ圧力を０．０１〜０．１Ｐａ、好適には０．０２Ｐ
ａとした条件のＡｒイオンを用いたイオンミーリング法
によって、ＭｇＯ単結晶基板１１の〈０１１〉方向と平
行なａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１４を横切るようにＹＢＣ
Ｏ薄膜を工字状のパターンにパターニングしてジョセフ
ソン接合を形成する。
引き出し電圧を３５０〜５００Ｖ、好適には４５０Ｖ、
Ａｒ圧力を０．０１〜０．１Ｐａ、好適には０．０２Ｐ
ａとした条件のＡｒイオンを用いたイオンミーリング法
によって、ＭｇＯ単結晶基板１１の〈０１１〉方向と平
行なａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１４を横切るようにＹＢＣ
Ｏ薄膜を工字状のパターンにパターニングしてジョセフ
ソン接合を形成する。
【００２５】次いで、図示しないものの、メタルマスク
を用いたスパッタリング法でＡｕ膜を選択的に堆積させ
ることによって、Ａｕ電極を形成してジョセフソン接合
素子が完成する。
を用いたスパッタリング法でＡｕ膜を選択的に堆積させ
ることによって、Ａｕ電極を形成してジョセフソン接合
素子が完成する。
【００２６】図３参照 図３は、この様にして形成したジョセフソン接合素子の
光学顕微鏡写真を模写したものであり、工字状のパター
ンの電流通路に沿った幅細部の間隔は約５μｍになって
いる。なお、このジョセフソン接合素子の場合には、工
字状のパターンの幅細部の位置と、ＭｇＯ単結晶基板１
１の〈０１１〉方向と平行なａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１
４との位置がズレたため、ＦＩＢ（収束イオンビーム）
法を用いてＧａイオンビームによって、ａ軸配向ＹＢＣ
Ｏ結晶粒１４を横切る一対の溝１７を形成して、ジョセ
フソン接合素子を形成している。
光学顕微鏡写真を模写したものであり、工字状のパター
ンの電流通路に沿った幅細部の間隔は約５μｍになって
いる。なお、このジョセフソン接合素子の場合には、工
字状のパターンの幅細部の位置と、ＭｇＯ単結晶基板１
１の〈０１１〉方向と平行なａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１
４との位置がズレたため、ＦＩＢ（収束イオンビーム）
法を用いてＧａイオンビームによって、ａ軸配向ＹＢＣ
Ｏ結晶粒１４を横切る一対の溝１７を形成して、ジョセ
フソン接合素子を形成している。
【００２７】図４参照 図４はｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２とａ軸配向ＹＢＣＯ結晶
粒１４との間のａ／ｃ界面１６の様子を模式的に示す上
面図であり、ｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２の（１１０）面と
ａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１４の（００１）面とによって
接合が形成されている。
粒１４との間のａ／ｃ界面１６の様子を模式的に示す上
面図であり、ｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２の（１１０）面と
ａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１４の（００１）面とによって
接合が形成されている。
【００２８】次に、図５及び図６を参照して、本発明の
ジョセフソン接合素子の特性を説明する。 図５（ａ）参照 図５（ａ）は、本発明のジョセフソン接合素子のＩ−Ｖ
特性を示すもので、図から明らかなように、ＳＮＳ構
造、即ち、弱結合型に特有なＲＳＪモデルで示される特
性が見られるので、ａ／ｃ界面１６の接合領域の特性が
Ｎ（常電導体）的に振る舞うものと考えられる。
ジョセフソン接合素子の特性を説明する。 図５（ａ）参照 図５（ａ）は、本発明のジョセフソン接合素子のＩ−Ｖ
特性を示すもので、図から明らかなように、ＳＮＳ構
造、即ち、弱結合型に特有なＲＳＪモデルで示される特
性が見られるので、ａ／ｃ界面１６の接合領域の特性が
Ｎ（常電導体）的に振る舞うものと考えられる。
【００２９】図５（ｂ）参照 また、図５（ｂ）は、本発明のジョセフソン接合素子
に、周波数９．２９ＧＨｚで、０．１μＷのμ波を照射
した場合の特性を示すもので、この場合にも、ジョセフ
ソン接合に特有なシャピロステップが観測された。
に、周波数９．２９ＧＨｚで、０．１μＷのμ波を照射
した場合の特性を示すもので、この場合にも、ジョセフ
ソン接合に特有なシャピロステップが観測された。
【００３０】図６参照 また、図６は、１８°Ｋにおいて、本発明のジョセフソ
ン接合に磁場を印加した場合の超電導電流の変化、即
ち、フラウンホーファパターンを示すもので、図の下側
に示す本発明のジョセフソン接合の特性（低電流ＪＪ）
は、磁束密度が０（ガウス）の位置で極小になってお
り、磁束密度の増大に伴って、略左右対称的に周期的に
超電導電流が変化している。
ン接合に磁場を印加した場合の超電導電流の変化、即
ち、フラウンホーファパターンを示すもので、図の下側
に示す本発明のジョセフソン接合の特性（低電流ＪＪ）
は、磁束密度が０（ガウス）の位置で極小になってお
り、磁束密度の増大に伴って、略左右対称的に周期的に
超電導電流が変化している。
【００３１】この本発明のジョセフソン接合のフラウン
ホーファパターンは、図の上側に示す通常のｓ−ｓ波接
合のフラウンホーファパターン（高電流ＪＪ）とは磁束
密度依存性が反対になっている。
ホーファパターンは、図の上側に示す通常のｓ−ｓ波接
合のフラウンホーファパターン（高電流ＪＪ）とは磁束
密度依存性が反対になっている。
【００３２】即ち、通常のｓ−ｓ波接合のフラウンホー
ファパターンは、磁束密度が０の位置で極大値をとるも
のであるが、本発明のジョセフソン接合のフラウンホー
ファパターンは、磁束密度が０（ガウス）の位置で極小
になっており、これをこれまでの理論を参照して考察す
るならば、本発明のジョセフソン接合はｓ−ｄ波接合で
あると結論される。
ファパターンは、磁束密度が０の位置で極大値をとるも
のであるが、本発明のジョセフソン接合のフラウンホー
ファパターンは、磁束密度が０（ガウス）の位置で極小
になっており、これをこれまでの理論を参照して考察す
るならば、本発明のジョセフソン接合はｓ−ｄ波接合で
あると結論される。
【００３３】したがって、図５及び図６に示す測定結果
により、本発明のジョセフソン接合素子は上述の乃至
の要件を満たしていることになるので、実際にジョセ
フソン接合が形成されており、且つ、それはＳＮＳ構造
のｓ−ｄ波接合であることがわかった。
により、本発明のジョセフソン接合素子は上述の乃至
の要件を満たしていることになるので、実際にジョセ
フソン接合が形成されており、且つ、それはＳＮＳ構造
のｓ−ｄ波接合であることがわかった。
【００３４】即ち、ｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２及びａ軸配
向ＹＢＣＯ結晶粒１４のａ／ｃ界面１６においてｃ軸配
向ＹＢＣＯ膜１２の（１１０）面が接合面になることに
よって、ａ／ｃ界面１６のｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２側が
ｄ波対称性を示し、それによってｓ−ｄ波接合が形成さ
れたものと考えられる。
向ＹＢＣＯ結晶粒１４のａ／ｃ界面１６においてｃ軸配
向ＹＢＣＯ膜１２の（１１０）面が接合面になることに
よって、ａ／ｃ界面１６のｃ軸配向ＹＢＣＯ膜１２側が
ｄ波対称性を示し、それによってｓ−ｄ波接合が形成さ
れたものと考えられる。
【００３５】なお、図６は、測定結果からバックグラウ
ンドの磁場強度の除いたものであり、且つ、上側のｓ−
ｓ波接合のフラウンホーファパターンは図３に示す実際
に作製したｓ−ｄ波接合の近傍に形成されているｓ−ｓ
波接合のジョセフソン接合の特性を測定したものであ
る。
ンドの磁場強度の除いたものであり、且つ、上側のｓ−
ｓ波接合のフラウンホーファパターンは図３に示す実際
に作製したｓ−ｄ波接合の近傍に形成されているｓ−ｓ
波接合のジョセフソン接合の特性を測定したものであ
る。
【００３６】このように、本発明の実施の形態によれ
ば、（１００）面のＭｇＯ単結晶基板１１上にＹＢＣＯ
薄膜を堆積した場合、自然に混在して形成されるＭｇＯ
単結晶基板１１の〈０１１〉方向と平行に延在するａ軸
配向結晶粒１４を利用してジョセフソン接合を形成する
ことによってｓ−ｄ波接合のジョセフソン接合が形成さ
れるので、従来の金属系超電導体と酸化物超電導体との
間のｓ−ｄ波接合より高温で動作を行うことができ、ま
た、フラウンホーファパターンの違いを利用してｓ−ｓ
波接合のジョセフソン接合とは異なった特性を有する高
温超電導デバイスの実現が期待できる。
ば、（１００）面のＭｇＯ単結晶基板１１上にＹＢＣＯ
薄膜を堆積した場合、自然に混在して形成されるＭｇＯ
単結晶基板１１の〈０１１〉方向と平行に延在するａ軸
配向結晶粒１４を利用してジョセフソン接合を形成する
ことによってｓ−ｄ波接合のジョセフソン接合が形成さ
れるので、従来の金属系超電導体と酸化物超電導体との
間のｓ−ｄ波接合より高温で動作を行うことができ、ま
た、フラウンホーファパターンの違いを利用してｓ−ｓ
波接合のジョセフソン接合とは異なった特性を有する高
温超電導デバイスの実現が期待できる。
【００３７】なお、ＭｇＯ単結晶基板１１の〈０１０〉
方向と平行に延在するａ軸配向結晶粒１３及び〈００
１〉方向と平行に延在するａ軸配向結晶粒１５を利用し
てジョセフソン接合を形成した場合には、通常のｓ−ｓ
波接合のジョセフソン接合しか得られないので、ｓ−ｄ
波接合の形成は、接合面を形成す結晶面の面指数に依存
するものである。
方向と平行に延在するａ軸配向結晶粒１３及び〈００
１〉方向と平行に延在するａ軸配向結晶粒１５を利用し
てジョセフソン接合を形成した場合には、通常のｓ−ｓ
波接合のジョセフソン接合しか得られないので、ｓ−ｄ
波接合の形成は、接合面を形成す結晶面の面指数に依存
するものである。
【００３８】また、上記の実施の形態の説明において
は、酸化物超電導体としてＹＢＣＯ（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x ）を用いているが、ＮＢＣＯ（ＮｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x ）を用いてもＹＢＣＯと同様の結果が得られてお
り、このＹＢＣＯ及びＮＢＣＯ以外にも、このＹＢＣＯ
及びＮＢＣＯと同様の層状構造の高温酸化物超電導体で
ある、ＳｍＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 、ＥｕＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x 、ＤｙＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7- x 、ＧｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x 、ＨｏＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 、ＥｒＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-
x 、ＴｍＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 、或いは、ＹｂＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x 等を用いても良いものである。
は、酸化物超電導体としてＹＢＣＯ（ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x ）を用いているが、ＮＢＣＯ（ＮｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x ）を用いてもＹＢＣＯと同様の結果が得られてお
り、このＹＢＣＯ及びＮＢＣＯ以外にも、このＹＢＣＯ
及びＮＢＣＯと同様の層状構造の高温酸化物超電導体で
ある、ＳｍＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 、ＥｕＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x 、ＤｙＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7- x 、ＧｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x 、ＨｏＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 、ＥｒＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-
x 、ＴｍＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 、或いは、ＹｂＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x 等を用いても良いものである。
【００３９】また、上記の実施の形態においては、基板
として（１００）面のＭｇＯ単結晶基板１１を用いてい
るが、（１００）面に限られるのでものではなく、（１
００）面と等価な｛１００｝面であれば良い。
として（１００）面のＭｇＯ単結晶基板１１を用いてい
るが、（１００）面に限られるのでものではなく、（１
００）面と等価な｛１００｝面であれば良い。
【００４０】また、ａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒１４の方位
や、ａ／ｃ界面１４の接合面の面指数も、実施の形態に
示した結晶方位或いは結晶面指数に限られるものではな
く、結晶学的にそれと等価な結晶方位或いは結晶面指数
であれば良い。
や、ａ／ｃ界面１４の接合面の面指数も、実施の形態に
示した結晶方位或いは結晶面指数に限られるものではな
く、結晶学的にそれと等価な結晶方位或いは結晶面指数
であれば良い。
【００４１】また、上記の実施の形態においては、ｃ軸
配向結晶膜中に混在する矩形状の結晶粒をａ軸配向結晶
粒として説明しているが、ＹＢＣＯ等の層状構造の酸化
物超電導体においては、ａ軸とｂ軸の区別が実質的にで
きないものであるので、本明細書におけるａ軸とは、ｂ
軸も含むものである。
配向結晶膜中に混在する矩形状の結晶粒をａ軸配向結晶
粒として説明しているが、ＹＢＣＯ等の層状構造の酸化
物超電導体においては、ａ軸とｂ軸の区別が実質的にで
きないものであるので、本明細書におけるａ軸とは、ｂ
軸も含むものである。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、層状構造の酸化物超電
導体を用いてｓ−ｄ波結合のジョセフソン接合素子を形
成したので、金属系超電導体より高温での動作が可能に
なり、且つ、フラウンホーファパターンの違いに基づく
新たな機能を有する超電導デバイスの基礎構造を提案す
るものであるので、将来の超電導デバイスの多様化・新
機能化に大いに寄与するものである。
導体を用いてｓ−ｄ波結合のジョセフソン接合素子を形
成したので、金属系超電導体より高温での動作が可能に
なり、且つ、フラウンホーファパターンの違いに基づく
新たな機能を有する超電導デバイスの基礎構造を提案す
るものであるので、将来の超電導デバイスの多様化・新
機能化に大いに寄与するものである。
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の製造工程の説明図であ
る。
る。
【図３】本発明の実施の形態の素子構造の説明図であ
る。
る。
【図４】ａ／ｃ界面の模式的説明図である。
【図５】本発明のジョセフソン接合素子のＩ−Ｖ特性及
びシャピロステップの説明図である。
びシャピロステップの説明図である。
【図６】本発明のジョセフソン接合素子のフラウンホー
ファーパターンの説明図である。
ファーパターンの説明図である。
１ ｃ軸配向結晶粒 ２ ａ軸配向結晶粒 ３ ａ／ｃ界面 １１ ＭｇＯ単結晶基板 １２ ｃ軸配向ＹＢＣＯ膜 １３ ａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒 １４ ａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒 １５ ａ軸配向ＹＢＣＯ結晶粒 １６ ａ／ｃ界面 １７ 溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 文 建国 東京都江東区東雲１−14−３ 財団法人国 際超電導産業技術研究センター 超電導工 学研究所内 (72)発明者 林 邦彦 東京都江東区東雲１−14−３ 財団法人国 際超電導産業技術研究センター 超電導工 学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲１−14−３ 財団法人国 際超電導産業技術研究センター 超電導工 学研究所内 (72)発明者 腰塚 直己 東京都江東区東雲１−14−３ 財団法人国 際超電導産業技術研究センター 超電導工 学研究所内 (72)発明者 田中 昭二 東京都江東区東雲１−14−３ 財団法人国 際超電導産業技術研究センター 超電導工 学研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】 酸化物超電導体のａ軸配向結晶粒とｃ軸
配向結晶粒との間のａ／ｃ界面を接合面とすると共に、
前記ａ軸配向領域の接合面が｛００１｝面からなり、且
つ、前記ｃ軸配向領域の接合面が｛１１０｝面からなる
ことを特徴とする高温超電導ジョセフソン接合素子。 - 【請求項２】 上記ａ軸配向結晶粒が、｛１００｝面の
ＭｇＯ基板上に形成された〔０１１〕方向と平行な方向
に長軸を有する結晶粒であることを特徴とする請求項１
記載の高温超電導ジョセフソン接合素子。 - 【請求項３】 上記酸化物超電導体が、ＹＢａ2 Ｃｕ3
Ｏ7-x またはＮｄＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x のいずれかである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の高温超電導
ジョセフソン接合素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7278560A JPH09121064A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | 高温超電導ジョセフソン接合素子 |
| US08/735,117 US5883051A (en) | 1995-10-26 | 1996-10-22 | High Tc superconducting Josephson junction element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7278560A JPH09121064A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | 高温超電導ジョセフソン接合素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09121064A true JPH09121064A (ja) | 1997-05-06 |
Family
ID=17598970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7278560A Withdrawn JPH09121064A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | 高温超電導ジョセフソン接合素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5883051A (ja) |
| JP (1) | JPH09121064A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003519927A (ja) * | 2000-01-07 | 2003-06-24 | ディー−ウェーブ・システムズ・インコーポレイテッド | ｓ波超伝導体とｄ波超伝導体との間のジョセフソン接合を用いた量子ビット |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7015499B1 (en) * | 1999-12-01 | 2006-03-21 | D-Wave Systems, Inc. | Permanent readout superconducting qubit |
| US6495854B1 (en) * | 1999-12-30 | 2002-12-17 | International Business Machines Corporation | Quantum computing with d-wave superconductors |
| DE60134923D1 (de) * | 2000-08-21 | 2008-09-04 | Nat Inst For Materials Science | Verfahren zur Herstellung eines hochtemperatursupraleitenden Josephson-Übergangs |
| US6504172B2 (en) | 2001-03-16 | 2003-01-07 | D-Wave Systems, Inc. | Superconducting dot/anti-dot flux qubit based on time-reversal symmetry breaking effects |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5047385A (en) * | 1988-07-20 | 1991-09-10 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Method of forming superconducting YBa2 Cu3 O7-x thin films with controlled crystal orientation |
| US5077266A (en) * | 1988-09-14 | 1991-12-31 | Hitachi, Ltd. | Method of forming weak-link josephson junction, and superconducting device employing the junction |
| CA2084556C (en) * | 1991-12-06 | 1996-12-24 | So Tanaka | Method for manufacturing an artificial grain boundary type josephson junction device |
-
1995
- 1995-10-26 JP JP7278560A patent/JPH09121064A/ja not_active Withdrawn
-
1996
- 1996-10-22 US US08/735,117 patent/US5883051A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003519927A (ja) * | 2000-01-07 | 2003-06-24 | ディー−ウェーブ・システムズ・インコーポレイテッド | ｓ波超伝導体とｄ波超伝導体との間のジョセフソン接合を用いた量子ビット |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5883051A (en) | 1999-03-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20030107 |