JP2002009353A

JP2002009353A - バイクリスタル酸化物超電導膜体及び該膜体を用いた高温超電導ジョセフソン接合素子並びに超電導量子干渉素子

Info

Publication number: JP2002009353A
Application number: JP2000182223A
Authority: JP
Inventors: Erutsuefu Julij; エルツェフユーリ; Koichi Nakao; 公一中尾; Yasushi Yamada; 容士山田; Takekuni Bun; 建国文; Yoichi Enomoto; 陽一榎本; Izumi Hirabayashi; 泉平林; Naoki Koshizuka; 直己腰塚
Original assignee: International Superconductivity Technology Center
Current assignee: International Superconductivity Technology Center
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】金属系超電導体によるｓ−ｓ波接合のジョセ
フソン接合のフラウンホーファーパターンと異なる臨界
電流−磁界特性を示す高温超電導ジョセフソン接合素子
の提供。【解決手段】バイクリスタル基板３上に形成されたバ
イクリスタル酸化物超電導膜６の接合界面を形成する二
つの結晶粒が共にｃ軸配向結晶粒であって、これら二つ
の結晶粒の粒界界面が{１１０}面と{１００}面、もしく
は{１１０}面と{０１０}面からなるバイクリスタル酸化
物超電導体が用いられ、０磁場で超電導臨界電流がほぼ
０の極小値を示し、しかも超電導臨界電流値は磁場の絶
対値の増加とともに周期的に極大、極小を繰り返す特性
を示す高温超電導ジョセフソン接合素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子情報通信産
業、パワーエレクトロニクス、医療用センサ等の分野で
利用できるバイクリスタル酸化物超電導膜体及び該膜体
を用いた高温超電導ジョセフソン接合素子並びに超電導
量子干渉素子に関する。より詳細には、０．５μｍ以上
の長い直線状の接合界面を持つバイクリスタル酸化物超
電導体及び金属系超電導体によるｓ−ｓ波接合のジョセ
フソン接合のフラウンホーファーパターンとは異なる臨
界電流−磁界依存性（臨界電流−磁場依存性）を示す高
温超電導ジョセフソン接合素子並びにこの接合素子の接
合界面の特性を利用し、新しい機能を有する超電導量子
干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導体を用いたジョセフソン接合とし
ては、金属系超電導体の薄膜で薄いトンネルバリアを挟
んだトンネル接合型と、二つの超電導電極が結晶粒界で
隔てられた粒界接合型があり、近年、超電導量子干渉素
子（ＳＱＵＩＤ）等には、バイクリスタル酸化物超電導
膜体による粒界接合型が主に用いられている。Ｙ−Ｂａ
−Ｃｕ−Ｏ系バイクリスタル超電導膜体等のバイクリス
タル酸化物超電導膜体は、既知のものであり（J. Mate
r. Res., Vol. 12, No. 11 NOV 1997）、その製造は、
一般に、ＭｇＯ等のバイクリスタル基板上に気相成長法
により行われていた。このようにして製造されたバイク
リスタル酸化物超電導膜体においては、二つの超電導電
極（二つの結晶）が接する接合界面は、１０ｎｍ〜１０
０ｎｍ程度の多数の微細な不規則形状のファセット（結
晶片）の集合体面となっている。そのため該接合界面
は、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の微小間隔で曲がりくね
りを生じた形状となっている（J. Mater. Res., Vol. 1
2, No. 11 NOV 1997p3030参照）。

【０００３】このような接合界面に小さな曲がりくねり
のあるバイクリスタル酸化物超電導膜体については、そ
の接合界面において生ずる特性を、スイッチング素子、
限流器あるいはＳＱＵＩＤ等の電気素子として利用しよ
うとしても、この細かい曲がりくねりのために直線状の
接合界面を持つバイクリスタルを切り出すことは不可能
であり、これを利用して電気素子を形成したとしても電
気特性（臨界電流密度（Ｊｃ）あるいはＩc・Ｒｎ等）
のばらつきが大きく、製造上の歩留まりが極めて悪いと
いう困難があった。また、このようにして形成した超電
導体は、超電導体としての特性、例えば、臨界温度（Ｔ
ｃ）はＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系（ＹＢＣＯ）の場合ほとん
どが９０Ｋ以下であり、ＹＢＣＯが本来持っている特性
より低い性能のものであった。以上のとおりであるか
ら、このようなばらつきのない、電気素子として利用可
能な０．５μｍ以上の直線状の長さの接合界面を有する
バイクリスタル酸化物超電導体は、未だ開発されていな
い。そのようなことで、接合界面に曲がりくねりのな
い、すなわち電気素子としても利用可能な直線状の接合
界面を有するバイクリスタル酸化物超電導膜体の開発が
求められており、またそのような直線状の接合界面を有
するバイクリスタル酸化物超電導膜体が開発できれば、
電気素子として利用可能である。

【０００４】一方、従来の金属系超電導体は、ＢＣＳ理
論で記述でき、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。図１２（ａ）は金属系超電導体を用いた従来のｓ
−ｓ波接合型のジョセフソン接合素子を概念的に示す図
であり、また、図１２（ｂ）は制御線４２に制御電流
(Ｉ_bias)を流すことによって、ジョセフソン接合４１を
流れる超電導臨界電流（Ｉｃ)の変化を示すもので、図
から明らかなように、制御電流０の０磁場において、最
大の超電導電流が流れ、制御電流、即ち、磁場を増加す
るにつれて超電導臨界電流は減少し、ある特定の制御電
流で０となる。さらに制御電流を増加させると、超電導
臨界電流値は再び増加し、その後また減少する振動を繰
り返すことになり、この様な特性を利用することによっ
て、外部磁界あるいは制御電流により、適当に電流をバ
イアスしたジョセフソン接合４１において、超電導−常
電導スイッチを行うことができる。

【０００５】また、このようなジョセフソン接合を含む
超電導リングを構成してＳＱＵＩＤを形成すると、超電
導リング内の超電導電子対の干渉を用いて、単一磁束量
子という限界の微弱磁場を高感度で検出できることが知
られており、非破壊検査用磁気センサや生体磁気センサ
として実用化されている。そして、このジョセフソン接
合あるいはＳＱＵＩＤと、制御線との組み合わせは、電
磁リレーと同じ機能を持つので、これを基本素子として
論理演算が可能となり、しかも、０抵抗で外部磁場に高
感度である。図１３（ａ）はこの様な従来のｓ−ｓ波接
合型のＳＱＵＩＤを用いた論理回路を概念的に示す図で
あり、また、図１３（ｂ）は制御線Ａ４３及び制御線Ｂ
４４に制御電流(Ｉ_A,Ｉ_B)を流した場合のジョセフソン
接合４１を流れる超電導臨界電流（Ｉｃ)の変化を示す
もので、図から明らかなように、制御電流０の０磁場に
おいて、最大の超電導電流が流れ、制御電流の増加に伴
って振動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のｓ
−ｓ波接合型のジョセフソン接合素子は、図１２（ｂ）
のようなフラウンホーファーパターンを示すため、この
ようなジョセフソン接合素子の接合界面の特性を有する
電気素子は、図１３（ｂ）に示すような超電導臨界電流
−磁界特性を示すものしか得られないため、機能が限ら
れてしまう。そのようなことで、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フラウンホーファー
パターンとは異なる臨界電流−磁界特性を示すジョセフ
ソン接合素子の開発が求められており、また、そのよう
なジョセフソン接合素子が開発できれば、新しい機能を
有するＳＱＵＩＤ等の電気素子として利用可能である。

【０００７】本発明は上述の問題点に鑑みなされたもの
であり、接合界面に曲がりくねりのない、すなわちＳＱ
ＵＩＤ等の電気素子としても利用可能な直線状の接合界
面を有するバイクリスタル酸化物超電導膜体の提供を目
的の一つとする。更に、本発明は、金属系超電導体によ
るｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合と異なる臨界電流−
磁界特性（臨界電流−磁場特性）を示す高温超電導ジョ
セフソン接合素子の提供を目的の一つとする。更に、本
発明は、金属系超電導体によるｓ−ｓ波接合のジョセフ
ソン接合のフラウンホーファーパターンと異なる特性を
示す高温超電導ジョセフソン接合の接合界面の特性を利
用し、新しい機能を有する超電導量子干渉素子の提供を
目的の一つとする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のバイクリスタル
酸化物超電導膜体は、上記課題を解決するために、バイ
クリスタル基板上に形成されたバイクリスタル酸化物超
電導膜の接合界面を形成する二つの結晶粒が共にｃ軸配
向結晶粒であって、これら二つの結晶粒の粒界界面が
{１１０}面と{１００}面、もしくは{１１０}面と{０１
０}面からなることを特徴とする。また、本発明は、上
記の構成の本発明のバイクリスタル酸化物超電導膜体に
おいて、上記バイクリスタル酸化物超電導膜が０．５μ
ｍ以上の長い直線状の接合界面を有していることを特徴
とする。また、本発明は、上記のいずれかの構成の本発
明のバイクリスタル酸化物超電導膜体において、上記バ
イクリスタル酸化物超電導膜が、酸化マグネシウムバイ
クリスタル基板上に液相エピタキシー法により形成され
たＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（但し、ＲＥは、Ｙと希土類元
素のうちから選択される１種以上の元素）系のバイクリ
スタル超電導膜であることを特徴とする。

【０００９】また、本発明の高温超電導ジョセフソン接
合素子は、上記のいずれかの構成の本発明のバイクリス
タル酸化物超電導膜体が備えられ、上記バイクリスタル
酸化物超電導膜の接合界面により生じる特性を利用した
ことを特徴とする。また、本発明は、上記の構成の本発
明の高温超電導ジョセフソン接合素子において、上記バ
イクリスタル酸化物超電導膜の接合界面により生じる特
性は０磁場で超電導臨界電流がほぼ０の極小値を示し、
しかも超電導臨界電流値は磁場の絶対値の増加とともに
周期的に極大、極小を繰り返すことを特徴とする。

【００１０】また、本発明の超電導量子干渉素子は、上
記のいずれかの構成の本発明の高温超電導ジョセフソン
接合素子の接合界面の特性を有する高温超電導ジョセフ
ソン接合を２個以上含む超電導リングが備えられた素子
であって、０磁場で超電導臨界電流値がほぼ０の極小値
を示し、周期的に極大、極小を繰り返すことを特徴とす
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のバイクリスタル酸
化物超電導膜体及び該膜体を用いた高温超電導ジョセフ
ソン接合素子並びに超電導量子干渉素子実施形態を図面
に基づいて具体的に説明するが、本発明はこの具体的に
説明した内容に限定されるものではなく、あくまで特許
請求の範囲の記載に基づいて把握されるものであること
はいうまでもない。（バイクリスタル酸化物超電導膜体と高温超電導ジョセ
フソン接合素子の実施形態）本発明のバイクリスタル酸
化物超電導膜体の一実施形態例について図１乃至図３を
参照して以下に説明する。本実施形態のバイクリスタル
酸化物超電導膜体は、バイクリスタル基板３上にバイク
リスタル酸化物超電導膜６が形成された概略構成のもの
である。バイクリスタル基板３の材料としては、特に制
限されるわけではないが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）
基板のほかにチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃ ）
あるいはガリウム酸ネオジウム（ＮｄＧａＯ₃)基板等が
用いられ、これらの中でも酸化マグネシウム（ＭｇＯ）
基板が好適に用いられる。

【００１２】この基板３の接合界面の位置４及び基板３
の接合傾角（θ）がこの上に形成されるバイクリスタル
酸化物超電導膜６にそのまま反映されるため、基板３の
バイクリスタルを形成する２つの結晶の素材については
同一成分からなる結晶であり、かつその両結晶が接合界
面で結合していることが必要である。その両結晶の結晶
軸がなす角度（θ）、すなわち、接合傾角（θ）は、非
対称４５度とされている。ここでの両結晶の結晶軸がな
す角度（θ）が、非対称４５度とは、一方の結晶の結晶
軸方向[１００]が接合界面と平行であり、他方の結晶の
結晶軸方向[１００]が接合界面となす角度が４５度であ
る場合のことを言う。一方、接合傾角が対称４５度と
は、両方の結晶の結晶軸方向[１００]と接合界面のなす
角度がともに２２．５度である。バイクリスタル基板３
の接合界面を形成する二つの結晶粒の結晶軸の接合傾角
（θ）が非対称４５°であると、両結晶粒の粒界界面は
{１１０}面と{１００}面、もしくは{１１０}面と{０１
０}面とから構成されている。

【００１３】バイクリスタル酸化物超電導膜６の組成と
しては、特に制限されるわけではないが、ＲＥＢａ₂Ｃ
ｕ₃Ｏ_7-δ（但し、ＲＥは、Ｙと希土類元素のうちから
選択される１種以上の元素）系のバイクリスタル超電導
膜から構成されている。バイクリスタル酸化物超電導膜
６は、上記のバイクリスタル基板３上に形成されている
ため、図１に示したように接合界面の位置７及び接合界
面を形成する２つの結晶粒の結晶軸（ａ軸）８、９のな
す角度（θ）、すなわち接合傾角は、基板３の接合界面
の位置４及び基板の接合傾角（θ）がそのまま反映され
ており、バイクリスタル酸化物超電導膜６の接合界面を
形成する二つの結晶粒は共にｃ軸配向結晶粒であって、
これら二つの結晶粒の粒界界面が{１１０}面と{１００}
面、もしくは{１１０}面と{０１０}面から構成されてい
る。

【００１４】バイクリスタル酸化物超電導膜６の接合界
面を形成する二つの結晶粒の粒界界面が上記の面と面か
ら構成されている場合、一方の結晶の結晶軸（ａ軸）方
向が接合界面と平行方向に向いており、他方の結晶の結
晶軸（ａ軸）方向と上記一方の結晶の結晶軸（ａ軸）方
向のなす角度（θ）が非対称４５度になっている。図２
は、バイクリスタル酸化物超電導膜６の接合界面を形成
する二つの結晶粒の粒界界面が{１１０}面と{１００}面
から構成されている場合の粒界界面の状態の説明図であ
る。

【００１５】このバイクリスタル酸化物超電導膜６は、
上記のバイクリスタル基板３上に熱平衡状態での成長に
近く、２次元層成長法である液相エピタキシー法により
形成されているため、０．５μｍ以上の長い直線状の接
合界面を有しており、また、製造条件をコントロールす
ることにより、１．０μｍ以上の長い直線状の結合界面
を有することもできる。バイクリスタル基板３とバイク
リスタル酸化物超電導膜６の間には種晶が形成されるの
が好ましい。

【００１６】次に、実施形態のバイクリスタル酸化物超
電導膜体の製造方法の例について、図３に示す液相エピ
タキシー成長装置に基づいて具体的に説明する。図３に
示す液相エピタキシー成長装置は、単結晶の製造に使用
するチョクラルスキー法による結晶成長装置等の液相結
晶装置と同様の構造のものである。その装置の構造は、
電気炉等の炉１１内に、ＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（但し、
ＲＥは、Ｙと、Ｎｄ及びＳｍ等の希土類元素のうちから
選択される１種以上の元素）系、例えば、Ｙ−Ｂａ−
Ｃｕ−Ｏ系等の酸化物超電導体を形成する融液を生成す
る原料成分を配置しており、その直上には表面に種晶の
薄膜を形成したＭｇＯ等のバイクリスタル基板３を配置
している。また、この基板３は、回転軸１５の下端に結
合されている。

【００１７】この装置によるバイクリスタル酸化物超電
導膜の製造は、炉１１の加熱により原料成分を融解して
融液１２を作り、その融液表面に、回転軸１５の回転に
より回転すると共にゆっくり引き上げられる基板３を浸
漬して、その上に結晶を成長させることにより行う。そ
の結果、基板上には基板３と同様の位置に結合界面を有
し、かつ基板と同様の接合傾角、すなわち両結晶の結晶
軸がなす角度（θ）が非対称４５度を有するバイクリス
タル酸化物超電導膜が形成される。なお、ここでの液相
成長操作の際、装置全体をわずかに（数度）傾斜させる
ことにより表面が清浄で平滑なものが得られる。

【００１８】その際に使用する基板３の材料としては、
先に述べた材料が用いられる。そして、基板への種晶の
形成は不可欠のものではなく、基板あるいは形成するバ
イクリスタルの材質によっては必要ないが、種晶は形成
した方が好ましい。また、種晶の厚みは、１０〜５００
ｎｍ程度の膜、すなわち、種膜がよい。その種膜の形成
は、パルスレーザーデポジション法（ＰＬＤ法）、有機
金属化学気相デポジョン法（ＭＤＣＶＤ）、スパッタ法
あるいは熱プラズマ蒸着法で行うことが可能であるが、
簡便さの点でＰＬＤ法やスパッタ法が好ましい。その種
晶は、完全な超電導体結晶とする必要はなく、不完全な
ものでもよい。なお、種晶の形成を不可欠としない基板
には、例えば、ＮｄＧａＯ₃基板が挙げられる。

【００１９】また、基板３上に形成されるバイクリスタ
ル酸化物超電導膜６においては、上述したように接合界
面の位置７及び接合界面を形成する２つの結晶粒の結晶
軸（ａ軸）８、９のなす角度（θ）、すなわち接合傾角
は、基板の接合界面の位置４及び基板の接合傾角（θ）
がそのまま反映されている。

【００２０】本発明においては、バイクリスタル酸化物
超電導膜を製造する材料についても特に制限されるわけ
ではなく、融液により超電導体を製造することが可能な
ものであれば、本発明の酸化物超電導膜は製造可能であ
る。それには、ＹＢＣＯ系超電導体以外に、ＮｄＢａＣ
ｕＯ系あるいはＳｍＢａＣｕＯ系等の超電導体があり、
それらはいずれもＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-δ（但し、ＲＥ
は、Ｙと、Ｎｄ及びＳｍ等の希土類元素のうちから選択
される１種以上の元素）と表記できる。また、製造され
る膜の厚さについては、１〜１００μｍ程度がよく、そ
の膜厚の好ましい範囲については利用する目的、すなわ
ちそれを利用して形成するジョセフソン接合素子やＳＱ
ＵＩＤ等の電気素子の用途によって異なったものとな
る。

【００２１】このバイクリスタル酸化物超電導膜の両結
晶が形成する接合界面については、それが直線状に形成
される長さが、従来技術の気相成長法で形成された１０
〜１００ｎｍより、はるかに長い０．５μｍ以上、好ま
しくは１．０μｍであり、それは本発明では、液相成長
法を採用することにより１００μｍ以上のものも形成可
能である。本発明のバイクリスタル酸化物超電導膜体を
製造に使用できる液相成長法は、図３に具体的図示した
液相成長装置を用いる液相エピタキシー技術に限られる
わけでなく、液相成長により薄膜あるいは厚膜を形成す
ることができる技術であれば対応可能であり、それに
は、例えば単純固化法等がある。図３における液相成長
装置における加熱用の炉としては、抵抗加熱炉に限られ
るわけではなく、高周波加熱炉等であってもよく、要は
炉内の超電導膜体形成用の原料成分が円滑に溶融するも
のであればよい。また炉の雰囲気についても特に制限さ
れるわけでなく、大気中、真空中、窒素雰囲気中あるい
は酸素雰囲気中が使用可能である。

【００２２】本実施形態のバイクリスタル酸化物超電導
膜体は、バイクリスタル酸化物超電導膜６の界面の二つ
の結晶粒により形成される接合界面の存在により臨界電
流あるいはジョセフソン電流等の電気特性を発現するも
のである。従って、本実施形態のバイクリスタル酸化物
超電導膜体は、スイッチング素子、限流器あるいはジョ
セフソン接合を含む超電導リングを備えたＳＱＵＩＤ等
の電気素子に好適に用いることができる。また、バイク
クリスタル酸化物超電導膜６の接合界面が上記したとお
り直線状に長く形成されているので、所定の長さに切断
してジョセフソン接合素子等の電気素子を形成した場
合、各素子間で特性にばらつきがなく、また長いままで
利用した場合においては、場所間での特性にばらつきの
ないものができ、いずれの場合も電気特性にばらつきが
なく、優れた電気素子が得られる。

【００２３】そして、本実施形態のバイクリスタル酸化
物超電導膜体からジョセフソン接合素子を形成するに
は、例えば、バイクリスタル酸化物超電導膜６をフォト
リソグラフィー技術と集束イオンビームを用いるエッチ
ング技術等により所望の線幅のパターンを形成し、この
パターン上にＡｕやＡｇ等の電極等を形成することによ
りジョセフソン接合素子が得られる。なお、ここでパタ
ーンを形成する際、バイクリスタル酸化物超電導膜の接
合界面の位置がパターンの長さ方向と交差するように、
すなわち、パターンを横切るように形成される。本実施
形態の高温超電導ジョセフソン接合素子は、本実施形態
のバイクリスタル酸化物超電導膜体を用いて形成された
ものであり、バイクリスタル酸化物超電導膜６の接合界
面により生じる特性を利用している。

【００２４】本実施形態の高温超電導ジョセフソン接合
素子において、上記バイクリスタル酸化物超電導膜６の
接合界面により生じる特性は、後述する実施例の図９に
示すような０磁場で超電導臨界電流がほぼ０の極小値を
示し、しかも超電導臨界電流値は磁場の絶対値の増加と
ともに減少しながら周期的に極大、極小を繰り返すもの
であるので、従来の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とは異なる特性を示すこと
ができ、新しい機能を有する超電導デバイスの実現が可
能であり、例えば、π−ＳＱＵＩＤに用いることにより
単一量子磁束量子デバイスにおいて新しい機能をもつ素
子を実現できる。また、バイククリスタル酸化物超電導
膜６の接合界面が上記のように直線状に長い形本実施形
態のバイクリスタル酸化物超電導体を所定の長さに切断
して形成したものであるので、各素子間で特性にばらつ
きがなく、また長いままで利用した場合においては、場
所間での特性にばらつきのないものができ、いずれの場
合も電気特性にばらつきがなく、優れたジョセフソン接
合素子が得られる。

【００２５】（ＳＱＵＩＤの実施形態）本発明のＳＱＵ
ＩＤの一実施形態例について図４乃至図６を参照して以
下に説明する。本実施形態のＳＱＵＩＤは、図４に示す
ように本実施形態のバイクリスタル酸化物超電導膜体を
用いて形成した高温超電導ジョセフソン接合素子の接合
界面の特性を有する高温超電導ジョセフソン接合ＪＪを
２個含む超電導リング２０が備えられた素子である。超
電導リング２０は、本実施形態のバイクリスタル酸化物
超電導体のバイクリスタル酸化物超電導膜体６をフォト
リソグラフィー技術と、Ａｒイオンを用いるイオンミリ
ング法等のエッチング技術により形成したものである。
この超電導リング２０のジョセフソン接合ＪＪは、図１
のバイクリスタル酸化物超電導膜６の接合界面の位置７
と同じ場所に生じている。この超電導リング２０の上面
には、蒸着法等によりＡｕからなる取り出し電極２５が
４個設けられている。図５は、図４に示すＳＱＵＩＤの
等価回路を示す図である。図５からｄｃ−ＳＱＵＩＤが
実現できることがわかる。本実施形態のＳＱＵＩＤは、
後述の図１０と同様に、０磁場で超電導臨界電流値がほ
ぼ０の極小値を示し、周期的に極大、極小を繰り返す特
性を示すことができる。従って、本実施形態のＳＱＵＩ
Ｄは、従来のｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合を用いた
ＳＱＵＩＤと異なる特性を有していることがわかる。ま
た、本実施形態のジョセフソン接合素子の接合界面の特
性を有するジョセフソン接合ＪＪを含むことにより、場
所間での特性にばらつきのないものができ、いずれの場
合も電気特性にばらつきがなく、優れたＳＱＵＩＤが得
られる。

【００２６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は
この実施例に限定されるものではなく特許請求の範囲の
記載に基づいて把握されるものであることはいうまでも
ない。この実施例においては、図３に図示する液相成長
装置を使用してバイクリスタル基板上にｃ軸配向の酸化
物超電導薄膜を成膜し、バイクリスタル酸化物超電導膜
体を製造した。その際には、上記したとおり装置全体を
わずかに傾斜させることにより膜表面に異相が残らずき
れいな表面が得られることから３゜傾斜させた。基板と
しては、ＭｇＯバイクリスタル基板を使用した。基板の
接合傾角（θ）については、非対称４５゜のものを使用
した。バイクリスタル酸化物超電導膜を形成するに当た
っては、基板は、予めＹＢａＣｕＯの種膜を形成したも
のを使用した。種膜の形成は、パルスレーザーデポジシ
ョン（Pulse Laser Deposition）法を使用し、真空雰囲
気中、基板温度６８０〜７３０℃で行った。その際のレ
ーザーの周波数は５Ｈｚとした。

【００２７】酸化物超電導膜形成用の原料成分として
は、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x粉末とＢａ₃Ｃｕ₇Ｏ₁₀とが１０：
９０質量比で均一に混合された混合粉末を使用し、それ
を炉１１内で９６０〜９７０℃にし、加熱溶融させた。
溶融後、融液温度を一旦９８０〜１０５０℃に上昇さ
せ、１時間保持した。ついで、９１０〜９７０℃に急冷
し、過飽和状態になったところで、種膜を形成した基板
を融液液面にわずかに接触させ、その状態を維持しなが
ら１分程度回転させた。

【００２８】その後引き続き回転させながらゆっくりと
引き上げることにより基板上にバイクリスタル酸化物超
電導膜を成長させた。成膜時の雰囲気は、窒素雰囲気と
し、基板の回転数は、軸の回転数の制御により８０ｒｐ
ｍとし、基板の引き上げ速度は２μｍ/ｍｉｎとして、
成膜操作を２分間行った。形成された膜の厚さは３μｍ
であった。成膜後５００℃の酸素中で、８０時間酸化処
理を行った。得られた膜の組成は、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_6.9
であった。また、比較例として接合傾角（θ）が非対
称４５゜のＭｇＯバイクリスタル基板上に気相成長法に
より厚さ３μｍのバイクリスタル酸化物超電導膜を成膜
し、バイクリスタル酸化物超電導体を得た。ここで得ら
れた膜の組成は、実施例と同様にＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_6.9
であった。

【００２９】また、実施例で得られたバイクリスタル酸
化物超電導膜は、図１と同様に基板と同一の位置に接合
界面が現出し、接合傾角（θ）も基板と同一となった。
その接合界面の微細構造（結晶構造）は、図６の光学顕
微鏡写真に示されるとおりであり、その接合界面は、数
百ｎｍ以上の長さで直線状に形成されていることがわか
る。一方、比較例で得られたバイクリスタル酸化物超電
導膜の接合界面の微細構造（結晶構造）は、図７の光学
顕微鏡写真に示されるとおりであり、その接合界面の構
造は、２００ｎｍより小さい微小間隔で曲がりくねりが
生じた形状となっていることがわかる。

【００３０】次に、実施例で得られたバイクリスタル酸
化物超電導膜体の臨界電流特性を測定するために、バイ
クリスタル酸化物超電導膜に集束イオンビームを照射
し、５〜５０μｍ程度の線幅をもつストリップ状のパタ
ーンを形成した。ここでストリップ状のパターンを形成
する際、バイクリスタル酸化物超電導膜の接合界面の位
置がパターンの長さ方向と交差するように、すなわち、
パターンを横切るように形成される。図８に、実施例で
得られたバイクリスタル酸化物超電導膜からなるストリ
ップパターンの接合界面の微細構造（結晶構造）を電子
顕微鏡（ＴＥＭ）に観察した結果を示す。図８から実施
例で得られたバイクリスタル酸化物超電導膜からなるス
トリップパターンの接合界面（バイクリスタル酸化物超
電導膜の接合界面）は、曲がりくねりもなく、直線的の
形状となっており、また、接合界面を形成する二つの結
晶粒の粒界界面が{１１０}面と{１００}面からなること
がわかる。

【００３１】次に、作製したストリップパターンにＡｕ
電極を形成し、種々の温度（Ｋ）、磁場（Ｇ）で電流−
電圧特性を四端子法により測定した。また、ここでの測
定は、１μＶを臨界電流の基準電圧として磁界を掃引し
ながら、超電導臨界電流Ｉｃの磁場Ｈ依存性を調べた。
その結果、実施例で得られたバイクリスタル酸化物超電
導膜からなるストリップパターンは、図９に示すよう
に、通常のｓ波対称性を有する超電導体のフラウンホー
ファパターンと異なり、特異な超電導臨界電流−磁場特
性（超電導臨界電流−磁界特性）、すなわち、０Ｇ（０
磁場）で超電導臨界電流がほぼ０μＡの極小値を示し、
しかも超電導臨界電流値は磁場の絶対値の増加とともに
減少しながら周期的に極大、極小を繰り返す特性をもつ
ことがわかる。実施例の酸化物超電導バイクリスタル膜
からなるストリップパターンが示す特性のうち０Ｇ（０
磁場）で超電導臨界電流がほぼ０の極小値を示すこと
は、ｓ波対称性を有する超電導体では起こり得ない。

【００３２】次に、実施例で得られたバイクリスタル酸
化物超電導膜体を用いて図４と同様のＳＱＵＩＤを作製
した。この実施例のＳＱＵＩＤの超電導リング２０の配
線パターンは、幅５μｍ、長さ３０μｍであり、また、
リングの大きさは、３０μｍ×３０μｍであった。この
ＳＱＵＩＤのバイクリスタル酸化物超電導膜６の電気抵
抗の温度依存性を調べたところ８８Ｋ以下で、超電導特
性を示し、良質の薄膜ｄｃ−ＳＱＵＩＤであることがわ
かった。

【００３３】図１０に、実施例のＳＱＵＩＤの７７Ｋに
おける超電導臨界電流の磁場依存性を示す。図１０から
実施例のＳＱＵＩＤは、０磁場で超電導臨界電流値がほ
ぼ０の極小値を示し、周期的に極大、極小を繰り返すこ
とがわかる。また、図１１に直流バイアス電流のもとで
の実施例のＳＱＵＩＤの出力電圧と磁場の関係を示す。
図１０乃至図１１から実施例のＳＱＵＩＤの超電導臨界
電流は、周期的な磁場依存性が観測され、高感度性能が
実現されていることがわかる。なお、周期の磁場は、
０．０２Ｇで超電導リング２０の面積と単一磁束量子の
関係から求められる値に一致した。従って、実施例のＳ
ＱＵＩＤは、従来のｓ−ｓ波接合のジョセフソン接合を
用いたＳＱＵＩＤと異なる特性を有していることがわか
る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明のバイクリス
タル酸化物超電導膜体は、バイクリスタル基板上に形成
されたバイクリスタル酸化物超電導膜の接合界面を形成
する二つの結晶粒が共にｃ軸配向結晶粒であって、これ
ら二つの結晶粒の粒界界面が{１１０}面と{１００}面、
もしくは{１１０}面と{０１０}面からなるものであるの
で、接合界面に曲がりくねりのない、すなわちＳＱＵＩ
Ｄ等の電気素子としても利用可能な直線状の接合界面を
有するバイクリスタル酸化物超電導膜体を提供できる。
また、本発明の高温超電導ジョセフソン接合素子は、
上記の構成の本発明のバイクリスタル酸化物超電導膜体
が備えられ、上記バイクリスタル酸化物超電導膜の接合
界面により生じる特性を利用しているので、０磁場で超
電導臨界電流がほぼ０の極小値を示し、しかも超電導臨
界電流値は磁場の絶対値の増加とともに周期的に極大、
極小を繰り返す特性を示すことができ、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フラウンホー
ファーパターンとは異なる超電導臨界電流−磁界依存性
（超電導臨界電流−磁場依存性）を示す高温超電導ジョ
セフソン接合素子を提供できる。また、本発明の超電導
量子干渉素子は、上記構成の本発明の高温超電導ジョセ
フソン接合素子の接合界面の特性を有する高温超電導ジ
ョセフソン接合を２個以上含む超電導リングが備えられ
た素子であって、０磁場で超電導臨界電流値がほぼ０の
極小値を示し、周期的に極大、極小を繰り返す特性を示
すので、新しい機能を有する超電導量子干渉素子を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバイクリスタル酸化物超電導膜体の
実施形態例を示す斜視図である。

【図２】本実施形態のバイクリスタル酸化物超電導膜
の接合界面を形成する二つの結晶粒の粒界界面が{１１
０}面と{１００}面から構成されている場合の粒界界面
の状態の説明図である。

【図３】本発明のバイクリスタル酸化物超電導膜体の
製造に好適に用いられる液相成長装置の１例を示す図で
ある。

【図４】本実施形態のＳＱＵＩＤの概略構成を示す平
面図である。

【図５】図４のＳＱＵＩＤの等価回路を示す図であ
る。

【図６】実施例で得られたバイクリスタル酸化物超電
導膜の接合界面の結晶構造を示す光学顕微鏡写真であ
る。

【図７】比較例で得られたバイクリスタル酸化物超電
導膜の接合界面の結晶構造を示す光学顕微鏡写真であ
る。

【図８】実施例で得られたバイクリスタル酸化物超電
導膜からなるストリップパターンの接合界面の結晶構造
を示す電子顕微鏡写真である。

【図９】実施例で得られたバイクリスタル酸化物超電
導膜の超電導臨界電流の磁場依存性を示す図である。

【図１０】実施例のＳＱＵＩＤの７７Ｋにおける超電
導臨界電流の磁場依存性を示す図である。

【図１１】直流バイアス電流のもとでの実施例のＳＱ
ＵＩＤの出力電圧と磁場の関係を示す図である。

【図１２】従来のｓ−ｓ波接合型のジョセフソン接合
素子の説明図である。

【図１３】従来のｓ−ｓ波接合型のＳＱＵＩＤの説明
図である。

【符号の説明】

３バイクリスタル基板４バイクリスタル基板の接合界面の位置６バイクリスタル酸化物超電導膜７バイクリスタル酸化物超電導膜の接合界面の位置８、９バイクリスタル酸化物超電導膜の結晶軸２０超電導リング２５取り出し電極ＪＪジョセフソン接合

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中尾公一東京都江東区東雲１丁目14番３号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)発明者山田容士東京都江東区東雲１丁目14番３号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)発明者文建国東京都江東区東雲１丁目14番３号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丁目14番３号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)発明者平林泉東京都江東区東雲１丁目14番３号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丁目14番３号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Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BC52 CG01 ED06 HA10 4M113 AA52 AC08 AC39 AD35 AD36 AD37 BA01 BA04 BA18 BA21 CA34 5G321 AA01 AA04 CA04 CA21 CA27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バイクリスタル基板上に形成されたバイ
クリスタル酸化物超電導膜の接合界面を形成する二つの
結晶粒が共にｃ軸配向結晶粒であって、これら二つの結
晶粒の粒界界面が{１１０}面と{１００}面、もしくは
{１１０}面と{０１０}面からなることを特徴とするバイ
クリスタル酸化物超電導膜体。
【請求項２】バイクリスタル酸化物超電導膜は、０．
５μｍ以上の長い直線状の接合界面を有していることを
特徴とする請求項１記載のバイクリスタル酸化物超電導
膜体。
【請求項３】前記バイクリスタル酸化物超電導膜は、
酸化マグネシウムバイクリスタル基板上に液相エピタキ
シー法により形成されたＲＥＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7- _δ（但し、
ＲＥは、Ｙと希土類元素のうちから選択される１種以上
の元素）系のバイクリスタル超電導膜であることを特徴
とする請求項１又は２記載のバイクリスタル酸化物超電
導膜体。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか一項のバイク
リスタル酸化物超電導膜体が備えられ、前記バイクリス
タル酸化物超電導膜の接合界面により生じる特性を利用
した高温超電導ジョセフソン接合素子。
【請求項５】前記バイクリスタル酸化物超電導膜の接
合界面により生じる特性は０磁場で超電導臨界電流がほ
ぼ０の極小値を示し、しかも超電導臨界電流値は磁場の
絶対値の増加とともに周期的に極大、極小を繰り返すこ
とを特徴とする請求項４記載の高温超電導ジョセフソン
接合素子。
【請求項６】請求項４又は５記載の高温超電導ジョセ
フソン接合素子の接合界面の特性を有する高温超電導ジ
ョセフソン接合を２個以上含む超電導リングが備えられ
た素子であって、０磁場で超電導臨界電流値がほぼ０の
極小値を示し、周期的に極大、極小を繰り返すことを特
徴とする超電導量子干渉素子。