JPH0964429A - トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 - Google Patents
トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法Info
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- JPH0964429A JPH0964429A JP7239188A JP23918895A JPH0964429A JP H0964429 A JPH0964429 A JP H0964429A JP 7239188 A JP7239188 A JP 7239188A JP 23918895 A JP23918895 A JP 23918895A JP H0964429 A JPH0964429 A JP H0964429A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 再現性の良いトンネル型の特性を示すイント
リンシックジョセフソン接合素子を提供すること。 【構成】 層状構造を有する超伝導体が、前記層状構造
の平面と平行な上下の平面で同一種類のもしくは他の超
伝導体または電極に結合され、かつ前記超伝導体結合部
分の面積が０．０１μｍ2 以上０．０１ｍｍ2 以下で前
記超伝導体結合部分に含まれる層数が１以上１００を越
えないことを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合素
子。
リンシックジョセフソン接合素子を提供すること。 【構成】 層状構造を有する超伝導体が、前記層状構造
の平面と平行な上下の平面で同一種類のもしくは他の超
伝導体または電極に結合され、かつ前記超伝導体結合部
分の面積が０．０１μｍ2 以上０．０１ｍｍ2 以下で前
記超伝導体結合部分に含まれる層数が１以上１００を越
えないことを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合素
子。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超伝導電子計算機
あるいは超伝導デジタル回路または超伝導量子干渉デバ
イス（ＳＱＵＩＤ）、またはミリ波ないし遠赤外領域の
電波の検出に用いられる高周波ミキサーなどに使用する
トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法に
関するものである。
あるいは超伝導デジタル回路または超伝導量子干渉デバ
イス（ＳＱＵＩＤ）、またはミリ波ないし遠赤外領域の
電波の検出に用いられる高周波ミキサーなどに使用する
トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】酸化銅系の高温超伝導体の発見により、
超伝導デバイスの動作温度が飛躍的に上昇し、超伝導ミ
キサ等の周波数上限が約１０ＴＨｚまで原理的に高くな
った。しかし、このような超伝導応用を可能にするトン
ネル型ジョセフソン接合素子はまだ実現していない。高
温超伝導体では、コヒーレンス長ξが約１ｎｍ程度と非
常に短い。トンネル接合を形成する際には、トンネル接
合を構成するバリア層両側の超伝導体界面において乱れ
た層の厚さをξよりも十分小さくしなければならない。
現実には、このことは極めて困難であり、主としてこの
理由により、高温超伝導体のトンネル型ジョセフソン接
合素子はまだ実現していない。
超伝導デバイスの動作温度が飛躍的に上昇し、超伝導ミ
キサ等の周波数上限が約１０ＴＨｚまで原理的に高くな
った。しかし、このような超伝導応用を可能にするトン
ネル型ジョセフソン接合素子はまだ実現していない。高
温超伝導体では、コヒーレンス長ξが約１ｎｍ程度と非
常に短い。トンネル接合を形成する際には、トンネル接
合を構成するバリア層両側の超伝導体界面において乱れ
た層の厚さをξよりも十分小さくしなければならない。
現実には、このことは極めて困難であり、主としてこの
理由により、高温超伝導体のトンネル型ジョセフソン接
合素子はまだ実現していない。
【０００３】人工的にバリア層を形成する方法とは別
に、層状構造超伝導体に備わる超伝導層間の絶縁層をト
ンネル接合に利用しようとする試みがある（特開平０７
−５８３６６）。極めて異方性の大きい層状構造超伝導
体では、非超伝導層は絶縁体とみなされる。その厚さは
１ｎｍ程度であり、文字どおり原子レベルで平坦であ
り、界面の乱れまたは劣化層は存在しない。したがっ
て、理想的なトンネル型（またはＳＩＳ）ジョセフソン
接合が形成されている。これをイントリンシックジョセ
フソン接合と呼ぶ。
に、層状構造超伝導体に備わる超伝導層間の絶縁層をト
ンネル接合に利用しようとする試みがある（特開平０７
−５８３６６）。極めて異方性の大きい層状構造超伝導
体では、非超伝導層は絶縁体とみなされる。その厚さは
１ｎｍ程度であり、文字どおり原子レベルで平坦であ
り、界面の乱れまたは劣化層は存在しない。したがっ
て、理想的なトンネル型（またはＳＩＳ）ジョセフソン
接合が形成されている。これをイントリンシックジョセ
フソン接合と呼ぶ。
【０００４】従来のイントリンシックジョセフソン接合
では、ジョセフソン電流のステップが観察されるもの
の、超伝導エネルギーギャップを反映する構造がみられ
る特性は、全ての素子に観察されるわけではなかった。
主としてジョセフソン電流を利用する応用なら大きな支
障はないが、ＳＩＳミキサやスイッチング素子のような
場合には、明確なギャップ構造が必要であり、確実にそ
のような構造を有する特性（簡単にトンネル型の特性）
が得られるようなイントリンシックジョセフソン接合が
望まれていた。上記の試み（特開平０７−５８３６６）
により得られた接合ではトンネル特性を示す場合もあっ
たが、素子形状に依存し再現性はなかった。
では、ジョセフソン電流のステップが観察されるもの
の、超伝導エネルギーギャップを反映する構造がみられ
る特性は、全ての素子に観察されるわけではなかった。
主としてジョセフソン電流を利用する応用なら大きな支
障はないが、ＳＩＳミキサやスイッチング素子のような
場合には、明確なギャップ構造が必要であり、確実にそ
のような構造を有する特性（簡単にトンネル型の特性）
が得られるようなイントリンシックジョセフソン接合が
望まれていた。上記の試み（特開平０７−５８３６６）
により得られた接合ではトンネル特性を示す場合もあっ
たが、素子形状に依存し再現性はなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は再現性の良い
トンネル型の特性を示すイントリンシックジョセフソン
接合の具体的構成を示し、かつその製造方法を提供する
ことにある。上述した課題を解決するために、本発明に
おけるトンネル型ジョセフソン接合素子では、接合の面
積を０．０１ｍｍ2 以下とし、接合部分に含まれる層の
数が１００を越えないことを特徴としている。
トンネル型の特性を示すイントリンシックジョセフソン
接合の具体的構成を示し、かつその製造方法を提供する
ことにある。上述した課題を解決するために、本発明に
おけるトンネル型ジョセフソン接合素子では、接合の面
積を０．０１ｍｍ2 以下とし、接合部分に含まれる層の
数が１００を越えないことを特徴としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は、層状構造を有する超伝導体が、前記層状構
造の平面と平行な上下の平面で同一種類のもしくは他の
超伝導体または電極に結合され、かつ前記超伝導体結合
部分の面積が０．０１μｍ2 以上０．０１ｍｍ2 以下で
前記超伝導体結合部分に含まれる層数が１以上１００を
越えないことを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合
素子を特徴とする。さらに本発明は、層状構造を有する
超伝導体表面の一部を、表面からの深さを一定にしたま
ま除去し、除去した部分に、除去した前記深さに相当す
る厚さもしくはそれ以上に相当する厚さの絶縁体を堆積
し、さらに前記超伝導体と前記絶縁体上に前記層状構造
超伝導体もしくは他の超伝導体または電極を堆積するこ
とを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合素子の製造
方法を特徴とする。
め本発明は、層状構造を有する超伝導体が、前記層状構
造の平面と平行な上下の平面で同一種類のもしくは他の
超伝導体または電極に結合され、かつ前記超伝導体結合
部分の面積が０．０１μｍ2 以上０．０１ｍｍ2 以下で
前記超伝導体結合部分に含まれる層数が１以上１００を
越えないことを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合
素子を特徴とする。さらに本発明は、層状構造を有する
超伝導体表面の一部を、表面からの深さを一定にしたま
ま除去し、除去した部分に、除去した前記深さに相当す
る厚さもしくはそれ以上に相当する厚さの絶縁体を堆積
し、さらに前記超伝導体と前記絶縁体上に前記層状構造
超伝導体もしくは他の超伝導体または電極を堆積するこ
とを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合素子の製造
方法を特徴とする。
【０００７】高温超伝導体のジョセフソン侵入長は約５
μｍであり、層状構造の効果を考慮しても約１００μｍ
である。したがって、接合面積が０．０１ｍｍ2 以上に
なると、最大ジョセフソン電流密度が減少し、ジョセフ
ソン電流が流れなくなるため、本来の接合特性が得られ
ない。また、イントリンシックジョセフソン接合の最大
ジョセフソン電流密度は約５００Ａｃｍ-2程度である。
その場合、接合面積が０．０１μｍ2 以下になると、ジ
ョセフソン電流は０．１μＡ以下となり、ノイズと同レ
ベルになるため、素子としての応用を考えると実用的で
ない。一方、トンネル型の特性を得るためには、接合部
分の層の数が１００を越えないようにしなければならな
い。この部分は本発明の主要な部分であり、以下に詳細
を説明する。
μｍであり、層状構造の効果を考慮しても約１００μｍ
である。したがって、接合面積が０．０１ｍｍ2 以上に
なると、最大ジョセフソン電流密度が減少し、ジョセフ
ソン電流が流れなくなるため、本来の接合特性が得られ
ない。また、イントリンシックジョセフソン接合の最大
ジョセフソン電流密度は約５００Ａｃｍ-2程度である。
その場合、接合面積が０．０１μｍ2 以下になると、ジ
ョセフソン電流は０．１μＡ以下となり、ノイズと同レ
ベルになるため、素子としての応用を考えると実用的で
ない。一方、トンネル型の特性を得るためには、接合部
分の層の数が１００を越えないようにしなければならな
い。この部分は本発明の主要な部分であり、以下に詳細
を説明する。
【０００８】層状構造超伝導体では、全体に占める超伝
導層の割合が小さいために、最大ジョセフソン電流以上
の電流を流した場合の準粒子注入により、著しい非平衡
超伝導効果が発現する。例えば層状構造高温超伝導体の
Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8の場合には、層の周期１．
５ｎｍに対し、超伝導層の厚さは０．３ｎｍである。こ
の厚さは、通常非平衡超伝導現象が観測される超伝導薄
膜の場合、その薄膜の厚さに対応する。薄膜における現
象の場合、その厚さは典型的に３０ｎｍ程度であるか
ら、層状構造超伝導体の場合には、約１００倍大きな準
粒子蓄積効果がある。すなわち約１００倍大きな非平衡
超伝導効果が存在する。また、２個の準粒子が結合して
電子対とフォノンを生成するが、そのフォノンが逃散し
なければまた電子対を破壊し、準粒子を生成することに
なり、準粒子の数は減らない。層状構造超伝導体の場
合、フォノンが層と直角方向に逃散した場合、同様の超
伝導層が続くために、その部分で再び電子対を破壊する
ため準粒子注入効果が大きくなる。
導層の割合が小さいために、最大ジョセフソン電流以上
の電流を流した場合の準粒子注入により、著しい非平衡
超伝導効果が発現する。例えば層状構造高温超伝導体の
Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8の場合には、層の周期１．
５ｎｍに対し、超伝導層の厚さは０．３ｎｍである。こ
の厚さは、通常非平衡超伝導現象が観測される超伝導薄
膜の場合、その薄膜の厚さに対応する。薄膜における現
象の場合、その厚さは典型的に３０ｎｍ程度であるか
ら、層状構造超伝導体の場合には、約１００倍大きな準
粒子蓄積効果がある。すなわち約１００倍大きな非平衡
超伝導効果が存在する。また、２個の準粒子が結合して
電子対とフォノンを生成するが、そのフォノンが逃散し
なければまた電子対を破壊し、準粒子を生成することに
なり、準粒子の数は減らない。層状構造超伝導体の場
合、フォノンが層と直角方向に逃散した場合、同様の超
伝導層が続くために、その部分で再び電子対を破壊する
ため準粒子注入効果が大きくなる。
【０００９】一般に、超伝導エネルギーギャップ△は１
−２δｎqpに比例する。δｎqpは規格化された過剰準粒
子濃度で次の式で表される。 δｎqp＝Ｉqpτeff ／４Ｎ（０）△ （１） ここで、Ｉqpは準粒子注入率でＩqp＝ｊ／ｅｄと表さ
れ、ｊ、ｅ、ｄはそれぞれ電流、電荷、および準粒子注
入層の厚さ、この場合は超伝導層の厚さである。また、
Ｎ（０）はフェルミ準位の状態密度である。τeff は有
効準粒子緩和時間で、フォノンが対破壊を起こさないで
超伝導体から逃げて行く時間をτes、フォノンが対破壊
を起こすまでの時間をτB 、準粒子が再結合して対を形
成するまでの時間をτR として、 τeff ＝τR （１＋τes／τB ） （２） と表現される。通常τesはτB よりも大きくτR （１＋
τes／τB ）〜１０程度である。層状構造の場合、層の
スタック数をＮとすると、上の議論から、τeffはＮに
比例して変わることになる。
−２δｎqpに比例する。δｎqpは規格化された過剰準粒
子濃度で次の式で表される。 δｎqp＝Ｉqpτeff ／４Ｎ（０）△ （１） ここで、Ｉqpは準粒子注入率でＩqp＝ｊ／ｅｄと表さ
れ、ｊ、ｅ、ｄはそれぞれ電流、電荷、および準粒子注
入層の厚さ、この場合は超伝導層の厚さである。また、
Ｎ（０）はフェルミ準位の状態密度である。τeff は有
効準粒子緩和時間で、フォノンが対破壊を起こさないで
超伝導体から逃げて行く時間をτes、フォノンが対破壊
を起こすまでの時間をτB 、準粒子が再結合して対を形
成するまでの時間をτR として、 τeff ＝τR （１＋τes／τB ） （２） と表現される。通常τesはτB よりも大きくτR （１＋
τes／τB ）〜１０程度である。層状構造の場合、層の
スタック数をＮとすると、上の議論から、τeffはＮに
比例して変わることになる。
【００１０】したがって（１）式から明らかなように、
非平衡超伝導効果はＮが大きいほど著しい効果を示す。
以上のことを念頭に置いて、スタック構造の層状構造超
伝導体の電流電圧特性を考える。層と直角方向に電流を
流した場合、図１に示すように、直列に接続されたジョ
セフソン接合の中で最も小さい最大ジョセフソン電流Ｉ
C を有する接合から電圧状態になり、その大きさの順で
次々に電圧状態に転移する。この時、注入電流も増加
し、かつτesに影響する接合のスタック数Ｎも、電圧状
態の接合の数であることから、注入電流の増加とともに
増加する。したがって、準粒子注入効果は準粒子電流の
ほぼ二乗に比例して起こることになる。この状態では注
入電流の増加とともに急激に超伝導エネルギーギャップ
が減少する。電圧状態の接合の数をＮとし、その時の接
合スタックに含まれる超伝導層の超伝導エネルギーギャ
ップを△（Ｎ）としたとき、 △（Ｎ＋１）（Ｎ＋１）＝△（Ｎ）Ｎ （３） が成り立つ時に、電圧状態のジョセフソン接合スタック
は急激に電圧状態に転移する。この時の電圧は、層状構
造超伝導の物質と平衡状態の超伝導エネルギーギャップ
がきまれば接合のスタック数に依存せずにある一定の値
になる。△（Ｎ）の変化は緩やかであり、Ｎが１増えた
場合約１〜２％程度の減少である。ここで、接合スタッ
ク全体が常伝導状態に転移する臨界のスタック数を知る
ために、以下のようなジョセフソン接合スタックの電流
電圧特性を考える。
非平衡超伝導効果はＮが大きいほど著しい効果を示す。
以上のことを念頭に置いて、スタック構造の層状構造超
伝導体の電流電圧特性を考える。層と直角方向に電流を
流した場合、図１に示すように、直列に接続されたジョ
セフソン接合の中で最も小さい最大ジョセフソン電流Ｉ
C を有する接合から電圧状態になり、その大きさの順で
次々に電圧状態に転移する。この時、注入電流も増加
し、かつτesに影響する接合のスタック数Ｎも、電圧状
態の接合の数であることから、注入電流の増加とともに
増加する。したがって、準粒子注入効果は準粒子電流の
ほぼ二乗に比例して起こることになる。この状態では注
入電流の増加とともに急激に超伝導エネルギーギャップ
が減少する。電圧状態の接合の数をＮとし、その時の接
合スタックに含まれる超伝導層の超伝導エネルギーギャ
ップを△（Ｎ）としたとき、 △（Ｎ＋１）（Ｎ＋１）＝△（Ｎ）Ｎ （３） が成り立つ時に、電圧状態のジョセフソン接合スタック
は急激に電圧状態に転移する。この時の電圧は、層状構
造超伝導の物質と平衡状態の超伝導エネルギーギャップ
がきまれば接合のスタック数に依存せずにある一定の値
になる。△（Ｎ）の変化は緩やかであり、Ｎが１増えた
場合約１〜２％程度の減少である。ここで、接合スタッ
ク全体が常伝導状態に転移する臨界のスタック数を知る
ために、以下のようなジョセフソン接合スタックの電流
電圧特性を考える。
【００１１】図２はＢｉ−２２１２超伝導体におけるス
タック数４０のジョセフソン接合スタックの電流電圧特
性である。電圧ステップは約２０ｍＶ間隔で観測され
る。その時の電流の大きさと、４０個全部の接合が電圧
状態に転移したときの電流電圧特性の形から、２０ｍＶ
という値は超伝導エネルギーギャップではなく、ギャッ
プ電圧以下に見られるサブギャップコンダクタンスに対
応するものであることがわかる。この電圧ステップの飛
びの値は、試料によらずほとんど同じであり、超伝導エ
ネルギーギャップ、すなわち２△（０）の約半分であ
る。
タック数４０のジョセフソン接合スタックの電流電圧特
性である。電圧ステップは約２０ｍＶ間隔で観測され
る。その時の電流の大きさと、４０個全部の接合が電圧
状態に転移したときの電流電圧特性の形から、２０ｍＶ
という値は超伝導エネルギーギャップではなく、ギャッ
プ電圧以下に見られるサブギャップコンダクタンスに対
応するものであることがわかる。この電圧ステップの飛
びの値は、試料によらずほとんど同じであり、超伝導エ
ネルギーギャップ、すなわち２△（０）の約半分であ
る。
【００１２】一方、Ｂｉ−２２１２超伝導体で２０μｍ
角の接合面積で層数２００のジョセフソン接合スタック
の場合、電流の増加に対し電圧の増加がなくなる電圧
は、図１に示されるように、１．８Ｖから２Ｖの間にあ
る。最初の電圧ステップの大きさが約２０ｍＶであり、
電流を注入して臨界となったときの電圧ステップが約１
％程度減少したとすると、その時の電圧状態の接合の数
は１００個であることがわかる。すなわち、層状構造超
伝導体のジョセフソン接合のスタック数が１００以上の
場合には、電圧状態になった時に急激に常伝導状態に近
づくことから、明確なエネルギーギャップ構造を有する
トンネル型の電流電圧特性は観測できないことがわか
る。以上が、スタック数が１００を越えない場合にしか
トンネル特性が観測されない理由である。ビスマス系高
温超伝導体の場合の具体的な数値を用いて説明したが、
その他の層状構造超伝導体の場合も同様に説明できる。
以下、本発明を実施例に沿って具体的に説明するが、以
下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術範
囲を何ら限定するものではない。
角の接合面積で層数２００のジョセフソン接合スタック
の場合、電流の増加に対し電圧の増加がなくなる電圧
は、図１に示されるように、１．８Ｖから２Ｖの間にあ
る。最初の電圧ステップの大きさが約２０ｍＶであり、
電流を注入して臨界となったときの電圧ステップが約１
％程度減少したとすると、その時の電圧状態の接合の数
は１００個であることがわかる。すなわち、層状構造超
伝導体のジョセフソン接合のスタック数が１００以上の
場合には、電圧状態になった時に急激に常伝導状態に近
づくことから、明確なエネルギーギャップ構造を有する
トンネル型の電流電圧特性は観測できないことがわか
る。以上が、スタック数が１００を越えない場合にしか
トンネル特性が観測されない理由である。ビスマス系高
温超伝導体の場合の具体的な数値を用いて説明したが、
その他の層状構造超伝導体の場合も同様に説明できる。
以下、本発明を実施例に沿って具体的に説明するが、以
下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術範
囲を何ら限定するものではない。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の特徴とする点は層状構造
を有する超伝導体が、前記層状構造の平面と平行な上下
の平面で同一種類のもしくは他の超伝導体または電極に
結合され、かつ前記超伝導体結合部分の面積が０．０１
μｍ2 以上０．０１ｍｍ2 以下で前記超伝導体結合部分
に含まれる層数が１以上１００を越えないことを特徴と
するトンネル型ジョセフソン接合素子にある。さらに本
発明の特徴とする点は層状構造を有する超伝導体表面の
一部を、表面からの深さを一定にしたまま除去し、除去
した部分に、除去した前記深さに相当する厚さもしくは
それ以上に相当する厚さの絶縁体を堆積し、さらに前記
超伝導体と前記絶縁体上に前記層状構造超伝導体もしく
は他の超伝導体または電極を堆積することを特徴とする
トンネル型ジョセフソン接合素子の製造方法にある。
を有する超伝導体が、前記層状構造の平面と平行な上下
の平面で同一種類のもしくは他の超伝導体または電極に
結合され、かつ前記超伝導体結合部分の面積が０．０１
μｍ2 以上０．０１ｍｍ2 以下で前記超伝導体結合部分
に含まれる層数が１以上１００を越えないことを特徴と
するトンネル型ジョセフソン接合素子にある。さらに本
発明の特徴とする点は層状構造を有する超伝導体表面の
一部を、表面からの深さを一定にしたまま除去し、除去
した部分に、除去した前記深さに相当する厚さもしくは
それ以上に相当する厚さの絶縁体を堆積し、さらに前記
超伝導体と前記絶縁体上に前記層状構造超伝導体もしく
は他の超伝導体または電極を堆積することを特徴とする
トンネル型ジョセフソン接合素子の製造方法にある。
【００１４】（実施例１）Ｂｉ−２２１２の結晶構造を
図３に示す。超伝導層の厚さは０．３ｎｍ、絶縁層の厚
さは１．２ｎｍであり、トンネル型のジョセフソン接合
が約１．５ｎｍの周期で積層されていることがわかる。
Ｂｉ−２２１２単結晶の平坦な表面にＡｕ薄膜を５０ｎ
ｍの厚さで蒸着した。その後フォトリソグラフにより２
０μｍ角の正方形１個と２００μｍ角の正方形２個をレ
ジストで覆い、残りをＡｕの層を全部とＢｉ−２２１２
の層を３００ｎｍ厚さだけＡｒイオンミリングで取り除
いた。次にそのままの状態に絶縁層としてＳｉＯを４０
０ｎｍ蒸着した。その後、アセトンによりレジストを除
去し、リフトオフによりＡｕの電極を蒸着した。このＡ
ｕ電極からリード線を取り出し、測定用試料とした。こ
の状態の試料の断面図を図４に示す。
図３に示す。超伝導層の厚さは０．３ｎｍ、絶縁層の厚
さは１．２ｎｍであり、トンネル型のジョセフソン接合
が約１．５ｎｍの周期で積層されていることがわかる。
Ｂｉ−２２１２単結晶の平坦な表面にＡｕ薄膜を５０ｎ
ｍの厚さで蒸着した。その後フォトリソグラフにより２
０μｍ角の正方形１個と２００μｍ角の正方形２個をレ
ジストで覆い、残りをＡｕの層を全部とＢｉ−２２１２
の層を３００ｎｍ厚さだけＡｒイオンミリングで取り除
いた。次にそのままの状態に絶縁層としてＳｉＯを４０
０ｎｍ蒸着した。その後、アセトンによりレジストを除
去し、リフトオフによりＡｕの電極を蒸着した。このＡ
ｕ電極からリード線を取り出し、測定用試料とした。こ
の状態の試料の断面図を図４に示す。
【００１５】図において、１はコンタクト用Ａｕ電極、
２は接合側のＡｕ電極、３はＢｉ2Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ
8 層状構造超伝導体、４はＳｉＯ絶縁層、５は接合スタ
ック部分のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導
体を示す。２００μｍ角接合は面積が大きいため超伝導
電流が十分とれるので接続用の電極として使用してい
る。２０μｍ角部分のＡｕとＢｉ−２２１２の接触抵抗
は０．１Ωであり、２００μｍ角部分の接触抵抗はそれ
以下であった。２０μｍ角の接合の部分の電流電圧特性
を１０Ｋで測定することにより図１の特性を得た。電圧
ステップは約２０ｍＶである。図３から明らかなよう
に、この試料のジョセフソン接合のスタック数は約２０
０層である。一方、電圧の立ち上がりが約２Ｖであるか
ら、電圧ステップ間隔から求められる電圧ステップ数は
１００である。このことは１００個のジョセフソン接合
が電圧状態になり、残りの接合が電圧状態に転移する前
に電圧状態の接合が常伝導状態になったことを示してい
る。したがって、層状構造のジョセフソン接合のスタッ
クにおいて、接合数が１００個を越えると全部のジョセ
フソン接合が電圧状態に到達する以前に一部の接合が常
伝導状態になり、超伝導エネルギーギャップを示す電流
電圧構造が得られないことを示している。
２は接合側のＡｕ電極、３はＢｉ2Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ
8 層状構造超伝導体、４はＳｉＯ絶縁層、５は接合スタ
ック部分のＢｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導
体を示す。２００μｍ角接合は面積が大きいため超伝導
電流が十分とれるので接続用の電極として使用してい
る。２０μｍ角部分のＡｕとＢｉ−２２１２の接触抵抗
は０．１Ωであり、２００μｍ角部分の接触抵抗はそれ
以下であった。２０μｍ角の接合の部分の電流電圧特性
を１０Ｋで測定することにより図１の特性を得た。電圧
ステップは約２０ｍＶである。図３から明らかなよう
に、この試料のジョセフソン接合のスタック数は約２０
０層である。一方、電圧の立ち上がりが約２Ｖであるか
ら、電圧ステップ間隔から求められる電圧ステップ数は
１００である。このことは１００個のジョセフソン接合
が電圧状態になり、残りの接合が電圧状態に転移する前
に電圧状態の接合が常伝導状態になったことを示してい
る。したがって、層状構造のジョセフソン接合のスタッ
クにおいて、接合数が１００個を越えると全部のジョセ
フソン接合が電圧状態に到達する以前に一部の接合が常
伝導状態になり、超伝導エネルギーギャップを示す電流
電圧構造が得られないことを示している。
【００１６】（実施例２）実施例１において、Ｂｉ−２
２１２の単結晶の表面をイオンミリングにより取り除く
深さを６０ｎｍとした。これに対応するジョセフソン接
合のスタック数は４０である。このようにして得られた
ジョセフソン接合スタックの電流電圧特性を図２に示し
た。図１において、電圧ステップの数は４０であり、実
際の２０μｍ角のジョセフソン接合の数と一致した。ま
た、電流を増加して行き、４０個のジョセフソン接合が
電圧状態になった後にも、接合全体が常伝導状態になる
ことがなく、超伝導のエネルギーギャップ構造を反映す
る明確な構造を示した。以上のことは、ジョセフソン接
合のスタック数が１００個以下であればエネルギーギャ
ップ構造の明確な、いわゆるトンネル型の電流電圧特性
が得られることを示す。
２１２の単結晶の表面をイオンミリングにより取り除く
深さを６０ｎｍとした。これに対応するジョセフソン接
合のスタック数は４０である。このようにして得られた
ジョセフソン接合スタックの電流電圧特性を図２に示し
た。図１において、電圧ステップの数は４０であり、実
際の２０μｍ角のジョセフソン接合の数と一致した。ま
た、電流を増加して行き、４０個のジョセフソン接合が
電圧状態になった後にも、接合全体が常伝導状態になる
ことがなく、超伝導のエネルギーギャップ構造を反映す
る明確な構造を示した。以上のことは、ジョセフソン接
合のスタック数が１００個以下であればエネルギーギャ
ップ構造の明確な、いわゆるトンネル型の電流電圧特性
が得られることを示す。
【００１７】（実施例３）実施例１において、接合の１
辺を１００μｍとし、イオンミリングで削るＢｉ−２２
１２の厚さを６０ｎｍ、接合数にして４０層にした場合
の特性は図２と同様であった。しかし、最大ジョセフソ
ン電流密度が減少し、トンネル抵抗が大きく、接合の静
電容量も増えたために、ヒステリシスが小さくなり明確
な電圧ステップの観測が困難になった。また、十分電流
を流している状態では４０個のジョセフソン接合は電圧
状態にあると考えられるが、ヒステリシスが小さくなっ
たために図２ほど明確な超伝導エネルギーギャップ構造
は見られなかった。
辺を１００μｍとし、イオンミリングで削るＢｉ−２２
１２の厚さを６０ｎｍ、接合数にして４０層にした場合
の特性は図２と同様であった。しかし、最大ジョセフソ
ン電流密度が減少し、トンネル抵抗が大きく、接合の静
電容量も増えたために、ヒステリシスが小さくなり明確
な電圧ステップの観測が困難になった。また、十分電流
を流している状態では４０個のジョセフソン接合は電圧
状態にあると考えられるが、ヒステリシスが小さくなっ
たために図２ほど明確な超伝導エネルギーギャップ構造
は見られなかった。
【００１８】（実施例４）表面の平坦な膜厚３００ｎｍ
のＢｉ−２２１２の薄膜を用い実施例１と同様にしてＢ
ｉ−２２１２の厚さが６０ｎｍ、スタック数４０のジョ
セフソン接合を形成した。これを測定したところ、図１
と同様の特性を得ることができた。なお、層数が１の場
合にもトンネル型のジョセフソン接合特性を観察するこ
とができるので、本発明の最低の層数は１である。
のＢｉ−２２１２の薄膜を用い実施例１と同様にしてＢ
ｉ−２２１２の厚さが６０ｎｍ、スタック数４０のジョ
セフソン接合を形成した。これを測定したところ、図１
と同様の特性を得ることができた。なお、層数が１の場
合にもトンネル型のジョセフソン接合特性を観察するこ
とができるので、本発明の最低の層数は１である。
【００１９】（実施例５）表面の平坦な膜厚３００ｎｍ
のＢｉ−２２１２の薄膜において、まず表面全体にスパ
ッタ法でＺｎＯを５００ｎｍ堆積した。このとき基板温
度は特に加熱しなかった。次にレジストを塗布し、２０
μｍ角の正方形部分を残すように現像した。その後、イ
オンミリングにより、レジストのない部分のＺｎＯを全
部とＢｉ−２２１２層の部分を７５ｎｍ取り去った。削
られた表面の平坦性は良かった。これをアセトンに約１
５分ひたして表面のレジストを取り除いた。次に基板の
温度を６００℃まで加熱し、スパッタ法により絶縁体Ｓ
ｒＴｉＯ3 の（１００）面を７５ｎｍの厚さだけエピタ
キシャル成長させた。その後、２％の希硫酸を用いてＺ
ｎＯのみを取り去った。これによりＺｎＯの上に堆積し
ていたＳｒＴｉＯ3 は取り除かれ、２０μｍ角のＢｉ−
２２１２の表面が露出した。これに酸素イオンビームに
よる表面クリーニングを施した後、さらに６００℃まで
加熱し、Ｂｉ−２２１２を厚さ１５０ｎｍエピタキシャ
ル成長させた。次にレジストを塗布し、現像により接合
部分と異なるところに２００μｍ角の窓を作り、その部
分を２５０μｍエッチング下部のＢｉ−２２１２層を露
出させた。下部のＢｉ−２２１２層と上部のＢｉ−２２
１２層に金の電極を形成し、測定用試料とした。
のＢｉ−２２１２の薄膜において、まず表面全体にスパ
ッタ法でＺｎＯを５００ｎｍ堆積した。このとき基板温
度は特に加熱しなかった。次にレジストを塗布し、２０
μｍ角の正方形部分を残すように現像した。その後、イ
オンミリングにより、レジストのない部分のＺｎＯを全
部とＢｉ−２２１２層の部分を７５ｎｍ取り去った。削
られた表面の平坦性は良かった。これをアセトンに約１
５分ひたして表面のレジストを取り除いた。次に基板の
温度を６００℃まで加熱し、スパッタ法により絶縁体Ｓ
ｒＴｉＯ3 の（１００）面を７５ｎｍの厚さだけエピタ
キシャル成長させた。その後、２％の希硫酸を用いてＺ
ｎＯのみを取り去った。これによりＺｎＯの上に堆積し
ていたＳｒＴｉＯ3 は取り除かれ、２０μｍ角のＢｉ−
２２１２の表面が露出した。これに酸素イオンビームに
よる表面クリーニングを施した後、さらに６００℃まで
加熱し、Ｂｉ−２２１２を厚さ１５０ｎｍエピタキシャ
ル成長させた。次にレジストを塗布し、現像により接合
部分と異なるところに２００μｍ角の窓を作り、その部
分を２５０μｍエッチング下部のＢｉ−２２１２層を露
出させた。下部のＢｉ−２２１２層と上部のＢｉ−２２
１２層に金の電極を形成し、測定用試料とした。
【００２０】この状態の試料の断面図を図５に示す。図
において、６は基板、７は下部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2
Ｏ8 層状構造超伝導体、８は上部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ
2 Ｏ8 層状構造超伝導体、９はＳｒＴｉＯ3 絶縁層、１
０はＡｕ電極、１１は接合スタック部分を示す。この試
料を測定したところ、図２と同様な電流電圧特性が観測
された。ただし、電圧ステップの数は図２の場合とは異
なり５０個あった。これはイオンミリングで取り去った
厚さに相当するＢｉ−２２１２に含まれるジョセフソン
接合の層数に一致する。以上の結果は、Ｂｉ−２２０１
薄膜、Ｂｉ−２２２３薄膜、Ｔｌ−２２０１薄膜、Ｔｌ
−２２１２薄膜、Ｔｌ−２２２３薄膜、Ｌａ2-x Ｓｒx
ＣｕＯ4 薄膜、Ｎｄ2-x Ｃｅx ＣｕＯ4 薄膜の場合に得
られた特性と基本的に同じであった。
において、６は基板、７は下部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2
Ｏ8 層状構造超伝導体、８は上部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ
2 Ｏ8 層状構造超伝導体、９はＳｒＴｉＯ3 絶縁層、１
０はＡｕ電極、１１は接合スタック部分を示す。この試
料を測定したところ、図２と同様な電流電圧特性が観測
された。ただし、電圧ステップの数は図２の場合とは異
なり５０個あった。これはイオンミリングで取り去った
厚さに相当するＢｉ−２２１２に含まれるジョセフソン
接合の層数に一致する。以上の結果は、Ｂｉ−２２０１
薄膜、Ｂｉ−２２２３薄膜、Ｔｌ−２２０１薄膜、Ｔｌ
−２２１２薄膜、Ｔｌ−２２２３薄膜、Ｌａ2-x Ｓｒx
ＣｕＯ4 薄膜、Ｎｄ2-x Ｃｅx ＣｕＯ4 薄膜の場合に得
られた特性と基本的に同じであった。
【００２１】
【発明の効果】本発明により、高温超伝導体でトンネル
型のジョセフソン素子の構成が可能となり、液体窒素温
度でのトンネル型ジョセフソン素子の動作が可能となっ
た。また、小型冷凍機でも同様のことが可能となった。
また、超伝導ギャップ以下でのトンネル抵抗が小さくな
ったためにミキサなどの性能が著しく改善された。
型のジョセフソン素子の構成が可能となり、液体窒素温
度でのトンネル型ジョセフソン素子の動作が可能となっ
た。また、小型冷凍機でも同様のことが可能となった。
また、超伝導ギャップ以下でのトンネル抵抗が小さくな
ったためにミキサなどの性能が著しく改善された。
【図１】接合面積２０μｍ角、層数２００のＢｉ−２２
１２ジョセフソン接合スタックの電流電圧特性を示す。
１２ジョセフソン接合スタックの電流電圧特性を示す。
【図２】接合面積２０μｍ角、層数４０のＢｉ−２２１
２ジョセフソン接合スタックの電流電圧特性を示す。
２ジョセフソン接合スタックの電流電圧特性を示す。
【図３】Ｂｉ−２２１２の結晶構造を示す。
【図４】Ｂｉ−２２１２のジョセフソン接合素子の測定
試料の断面図を示す。
試料の断面図を示す。
【図５】Ｂｉ−２２１２のジョセフソン接合素子の測定
試料の断面図を示す。
試料の断面図を示す。
１ コンタクト用Ａｕ電極 ２ Ａｕ電極（接合側） ３ Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導体 ４ ＳｉＯ絶縁層 ５ Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導体（接
合スタック部分） ６ 基板 ７ 下部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導体 ８ 上部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導体 ９ ＳｒＴｉＯ3 絶縁層 １０ Ａｕ電極 １１ 接合スタック部分
合スタック部分） ６ 基板 ７ 下部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導体 ８ 上部Ｂｉ2 Ｓｒ2 ＣａＣｕ2 Ｏ8 層状構造超伝導体 ９ ＳｒＴｉＯ3 絶縁層 １０ Ａｕ電極 １１ 接合スタック部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮原 一紀 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 ▲鶴▼ 浩二 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 久保 衆伍 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 層状構造を有する超伝導体が、前記層状
構造の平面と平行な上下の平面で同一種類のもしくは他
の超伝導体または電極に結合され、かつ前記超伝導体結
合部分の面積が０．０１μｍ2 以上０．０１ｍｍ2 以下
で前記超伝導体結合部分に含まれる層数が１以上１００
を越えないことを特徴とするトンネル型ジョセフソン接
合素子。 - 【請求項２】 層状構造を有する超伝導体表面の一部
を、表面からの深さを一定にしたまま除去し、除去した
部分に、除去した前記深さに相当する厚さもしくはそれ
以上に相当する厚さの絶縁体を堆積し、さらに前記超伝
導体と前記絶縁体上に前記層状構造超伝導体もしくは他
の超伝導体または電極を堆積することを特徴とするトン
ネル型ジョセフソン接合素子の製造方法。 - 【請求項３】 請求項１において、層状構造超伝導体と
してＢｉ系２２０１超伝導体、Ｂｉ系２２１２超伝導
体、Ｂｉ系２２２３超伝導体、Ｔｌ系２２０１超伝導
体、Ｔｌ系２２１２超伝導体、Ｔｌ系２２２３超伝導
体、Ｌａ2-x ＳｒxＣｕＯ4 、Ｎｄ2-x Ｃｅx ＣｕＯ4
のうち一つからなることを特徴とするトンネル型ジョセ
フソン接合素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7239188A JPH0964429A (ja) | 1995-08-23 | 1995-08-23 | トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7239188A JPH0964429A (ja) | 1995-08-23 | 1995-08-23 | トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0964429A true JPH0964429A (ja) | 1997-03-07 |
Family
ID=17041032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7239188A Pending JPH0964429A (ja) | 1995-08-23 | 1995-08-23 | トンネル型ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0964429A (ja) |
-
1995
- 1995-08-23 JP JP7239188A patent/JPH0964429A/ja active Pending
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