JP2002094132A - 超伝導量子干渉素子 - Google Patents

超伝導量子干渉素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超伝導ループを構成するジョセフソン接合と
ワッシャーコイルおよび検出コイルと、帰還変調コイル
と、からなる超伝導量子干渉素子において、検出コイル
の内径と比較して検出コイルを構成する超伝導配線の幅
や検出コイル付近の超伝導膜が大きい場合でも、検出コ
イルの有効検出面積が大きくなることを防止し、空間分
解能を高められる超伝導量子干渉素子の提供する。 【解決手段】 検出コイル１３、かつまたは、検出コイ
ル１３周辺の超伝導膜にスリット１５を設けた構造の超
伝導量子干渉素子としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、各種半導体素子
や半導体材料、あるいは超伝導材料、その他金属材料や
無機材料など、各種の素子や材料からなる試料につい
て、マイクロメータ程度の範囲における磁気量を計測ま
たは観察する磁気計測装置に関し、詳しくは磁気を検出
する高分解能な超伝導量子干渉素子（以下ＳＱＵＩＤと
称する）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近に至り、ＳＱＵＩＤ顕微鏡と称され
るマイクロメータ程度の空間分解能を有する高感度磁束
計が実用化され、各種素子や材料についてＳＱＵＩＤ顕
微鏡を用いた計測・観察を行うことが多くなっている。
ＳＱＵＩＤは高い磁場分解能を有する磁気センサーとし
て従来応用されているが、微小領域の磁気観察を行うＳ
ＱＵＩＤ顕微鏡として用いる場合には、空間分解能が重
要な性能となる。
【０００３】図２は空間分解能を考慮した従来のＳＱＵ
ＩＤの一例を示した概略回路パターン図である。ＳＱＵ
ＩＤは超伝導ループ１０と帰還変調コイル２０で作製さ
れたＤＣ−ＳＱＵＩＤである。図２における超伝導ルー
プ１０の概略等価回路図を図３に示す。超伝導ループ１
０は、ワッシャーコイル１１と２つのジョセフソン接合
１２と検出コイル１３により構成される。図２に示すよ
うに超伝導ループ１０は帰還変調コイル２０と共にシリ
コン基板上に集積される。
【０００４】ジョセフソン接合１２は、ニオブ／酸化ア
ルミ／ニオブのトンネル接合型ジョセフソン接合が良く
用いられている。
【０００５】帰還変調コイル２０はワッシャーコイル１
１に磁気結合される。１６は検出コイル１３とワッシャ
ーコイル１１とのコンタクトホールである。
【０００６】図２、図３において、外部制御回路により、
ワッシャーコイル１１の２つの電極２１ａと２１ｂとの
間に図３に示すような方向に適当なバイアス電流を印加
して、検出コイル１３で検出した磁束と同じ量で逆向き
の磁束をワッシャーコイル１１のループに重なる帰還変
調コイル２０（図３においては図示されない）を通して
ワッシャーコイル１１へ帰還させて駆動する。これによ
り、検出コイル１３で検出した磁束を外部制御回路から
電圧出力として得ることができる。
【０００７】空間分解能はＳＱＵＩＤを構成する検出コ
イルの大きさなどの形状と、試料−ＳＱＵＩＤ間の距離
により決定される。空間分解能が高いＳＱＵＩＤを設計
・作製する際には、検出コイルの有効検出面積を可能な
限り小さく設計し、フォトリソグラフィ技術を用いた薄
膜作製技術を利用して作製される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のＳＱＵＩＤ
によれば、空間分解能を上げるために検出コイルを小さ
く作製しようとすると、検出コイルの内径と比較して相
対的に検出コイル自体の幅や検出コイル付近の超伝導膜
が大きくなる。そうなると検出コイルの内径部分に結合
する磁気以外にも、検出コイル自体や検出コイル付近の
超伝導膜の反磁性により反発された磁束の一部を検出し
てしまい、結果として検出コイルの有効面積が大きくな
るという問題があった。
【０００９】この発明は、上記問題点を解決し、検出コ
イルの有効検出面積を小さくし、空間分解能を高めたＳ
ＱＵＩＤを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】（第１の手段）本発明
は、上記の課題を解決するために、前記検出コイルと検
出コイル周辺の超伝導膜のいずれか一方かあるいはその
両方へ、超伝導膜により反発された磁束のうち前記検出
コイルに向かう磁束を通過させるためのスリットを設け
たＳＱＵＩＤとした。 （第２の手段）第１の手段にさらに、スリットを加工す
る装置としてビーム加工装置を用いた。
【００１１】第１の手段によるＳＱＵＩＤによれば、検
出コイルかつ、または検出コイル周辺の超伝導膜に反発
した磁束の内、検出コイルに結合しようとする余分な磁
束の一部が検出コイルに結合されずにスリットを通過す
るため、検出コイルへの余分な磁束の結合が少なくなる
ことから、検出コイルの有効検出面積が小さくなり、空
間分解能を高めることが可能となる。
【００１２】第２の手段により、スリットの微細加工が
可能になるため、検出コイルへ結合する余分な磁束を排
除する能力が向上し、空間分解能をさらに高めることが
可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について図
面を参照にして説明する。
【００１４】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１を示すＳＱＵＩＤの構造を示した概略図である。
【００１５】図１（Ａ）はＳＱＵＩＤの全体の構造を示
し、図１（Ｂ）は検出コイル付近の構造を示す。従来例
と同様に超伝導ループ１０は、ワッシャーコイル１１と
２つのジョセフソン接合１２と検出コイル１３により構
成され、帰還変調コイル２０と共にシリコン基板上に作
製される。
【００１６】その後、微細加工ができるビーム加工装置
を用いて、スリット１５の部分の上層および下層の超伝
導膜を削除する。スリット１５は検出コイル１３の内径
形状に平行に入れた。スリット１５の加工に用いたビー
ム加工装置としては集束イオンビーム加工装置を用いた
が、エキシマレーザなどその他のビーム加工装置でも良
く、さらに、フォトリソグラフィ技術を用いて作製して
もよい。
【００１７】検出コイル周辺の膜に対して垂直方向の磁
場が存在する場合、図１（Ｂ）でスリット１５よりも下
の超伝導体の部分に鎖交しようとする磁束は、超伝導体
の完全反磁性の特性により反発されて放射状に拡散され
る。拡散された磁束のうち検出コイルの方向へ向かった
磁束は、スリット１５を通りぬけて膜の反対側へと抜け
る構造となる。図1(Ｂ)において、スリット１５は検出
コイル１３の内径形状に平行に入れたことにより、より
効率的に、検出コイル１３に向かう磁束を通過させるこ
とができる。図１（Ｂ）においては、検出コイル周辺の
超伝導膜にスリットを設けたが、図４に示すようにさら
に検出コイル自体にスリットを設けてもよい。この場合
のスリットは、図４に示すようにコイル枠の法線方向の
スリットでもよいし、又コイル枠に平行に沿ったスリッ
トでもよい。いずれにしてもこれらのスリットは、検出
コイルあるいは検出コイル周辺の超伝導膜により反発さ
れた磁束の内検出コイルに向かう磁束を通過させる役割
を果たす。
【００１８】作製したＳＱＵＩＤは、検出コイルをワッ
シャーコイルおよびジョセフソン接合と共に一つの超伝
導ループに製作させた一体型であるが、検出コイルをワ
ッシャーコイルとは別の超伝導ループで形成させ、検出
コイルで検出した磁界をワッシャーコイルへ結合させる
構造としたトランス結合型のＳＱＵＩＤでも良い。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、検出コイル自体や検出
コイル付近の超伝導膜の反磁性により反発された磁束の
一部がスリットを通過するため、検出コイルへ結合せ
ず、結果として検出コイルの有効面積が大きくなること
が防げる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の実施の形態１を示すＳＱＵＩ
Ｄの全体の構造を示した概略図である。（Ｂ）は本発明
の実施の形態１を示すＳＱＵＩＤの検出コイルの構造を
示した概略図である。
【図２】従来の空間分解能を考慮したＳＱＵＩＤの一例
を示した概略図である。
【図３】磁気検出ための超伝導ループの概略等価回路図
である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示すＳＱＵＩＤの検
出コイルの構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 超伝導ループ １１ ワッシャーコイル １２ ジョセフソン接合 １３ 検出コイル １５ スリット １６ コンタクトホール ２０ 帰還変調コイル

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フォトリソグラフィ技術により作製さ
    れ、超伝導ループを構成するジョセフソン接合とワッシ
    ャーコイルおよび検出コイルと、帰還変調コイルと、か
    らなる超伝導量子干渉素子において、前記検出コイルと
    検出コイル周辺の超伝導膜のいずれか一方かあるいはそ
    の両方へ、前記超伝導膜により反発された磁束のうち前
    記検出コイルに向かう磁束を通過させるためのスリット
    を設けたことを特徴とする超伝導量子干渉素子。
  2. 【請求項２】 フォトリソグラフィ技術により作製さ
    れ、第一の超伝導ループを構成するジョセフソン接合お
    よびワッシャーコイルと、前記第一の超伝導ループに磁
    気的に結合される第二の超伝導ループを構成する検出コ
    イルおよび入力コイルと、帰還変調コイルと、からなる
    超伝導量子干渉素子において、前記検出コイルと検出コ
    イル周辺の超伝導膜のいずれか一方かあるいはその両方
    へ、前記超伝導膜により反発された磁束のうち前記検出
    コイルに向かう磁束を通過させるためのスリットを設け
    たことを特徴とする超伝導量子干渉素子。
  3. 【請求項３】 前記スリットの加工をビーム加工装置に
    より行ったことを特徴とする請求項１および２記載の超
    伝導量子干渉素子。
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