JP2002141566A - 高温超伝導ジョセフソン接合形成方法 - Google Patents

高温超伝導ジョセフソン接合形成方法

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JP2002141566A JP2001295078A JP2001295078A JP2002141566A JP 2002141566 A JP2002141566 A JP 2002141566A JP 2001295078 A JP2001295078 A JP 2001295078A JP 2001295078 A JP2001295078 A JP 2001295078A JP 2002141566 A JP2002141566 A JP 2002141566A
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josephson junction
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josephson
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義彦 高野
Takeshi Hatano
毅 波多野
Akira Ishii
明 石井
Shunichi Arisawa
俊一 有澤
Kazumasa Togano
一正 戸叶
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価な微細加工装置を必要とせず、簡便かつ
迅速に高い特性を持つジョセフソン接合の形成を実現す
る新たな高温超伝導ジョセフソン接合形成方法を提供す
る。 【解決手段】 2本の高温超伝導ウイスカー結晶を交差
せしめ、次いで、熱処理を施すことで、2本の高温超伝
導ウイスカー結晶間にジョセフソン接合を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、高温超伝
導ジョセフソン接合形成方法に関するものである。さら
に詳しくは、高価な微細加工装置を必要とせず、簡便か
つ迅速に高い特性を持つジョセフソン接合を形成するこ
とを実現する高温超伝導ジョセフソン接合形成方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】テラヘルツ以上の超高周波発
生素子、超高周波検出素子、SQUID磁気センサ、さ
らには、大量情報処理システムを担うデジタル素子など
を実現する新たな電子デバイスとして、高温超伝導ジョ
セフソン素子への関心は非常に高く、その実用化が強く
望まれている。
【0003】一方で、ウイスカーや薄膜を用いるジョセ
フソン接合の形成には、収束イオンビームエッチング装
置やフォトリソグラフィー装置などのような半導体デバ
イスの製造に用いられるような微細加工装置が利用され
ることが一般的である。これらの微細加工装置の利用に
おいては、膨大な経費がかかるばかりではなく、製造プ
ロセスの煩雑性や製造時間が長期にわたることなどが、
問題となっている。研究機関においても、微細加工装置
を所有することなく、ジョセフソン接合に関する研究を
行うことは難しく、微細加工装置が非常に高価であるこ
とにより、ジョセフソン接合に関わる研究者人口が限定
されてしまっているのが現状である。
【0004】また、発熱による誤動作の防止や消費電力
低減、集積化の向上、性能の向上などの観点からも、ジ
ョセフソン素子の小型化を実現することは必要不可欠で
あると考えられている。
【0005】この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑
みてなされたものであり、高価な微細加工装置を必要と
せず、簡便かつ迅速に高い特性を持つジョセフソン接合
の形成を実現する新たな高温超伝導ジョセフソン接合形
成方法を提供することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第1には、高温超伝導ウ
イスカー結晶を交差させ、熱処理を施すことで、高温超
伝導ウイスカー結晶の結合部もしくはその近傍にジョセ
フソン接合を形成することを特徴とする高温超伝導ジョ
セフソン接合形成方法を提供する。
【0007】また、この出願の発明は、第2には、細長
い線状にマスク加工された線状高温超伝導薄膜を交差さ
せ、熱処理を施すことで、線状高温超伝導薄膜の間にジ
ョセフソン接合を形成することを特徴とする高温超伝導
ジョセフソン接合形成方法を提供し、第3には、細長い
線状にマスク加工された線状高温超伝導薄膜と、高温超
伝導ウイスカー結晶とを交差させ、熱処理を施すこと
で、線状高温超伝導薄膜と高温超伝導ウイスカー結晶と
の間にジョセフソン接合を形成することを特徴とする高
温超伝導ジョセフソン接合形成方法を提供する。
【0008】そして、この出願の発明は、第4には、前
記第1の発明において、高温超伝導ウイスカー結晶の片
方または両方が細長い線状に加工された線状高温超伝導
単結晶に置換されているジョセフソン接合の形成方法を
提供し、第5には、前記第3の発明において、高温超伝
導ウイスカー結晶が細長い線状に加工された線状高温超
伝導単結晶に置換されているジョセフソン接合の形成方
法を提供する。
【0009】さらに、この出願の発明は、上記の高温超
伝導ジョセフソン接合形成方法について、第6には、ジ
ョセフソン接合を形成する高温超伝導ウイスカー結晶、
線状高温超伝導薄膜または線状超伝導単結晶が、ビスマ
ス2212相、ビスマス2201相およびビスマス22
23相のうちの少なくとも1種の相を含む化合物である
ことを特徴とし、第7には、ジョセフソン接合を形成す
る高温超伝導ウィスカー結晶、線状高温超伝導薄膜、ま
たは線状高温超伝導単結晶を、互いにc面を上にして接
合することを特徴とし、第8には、ジョセフソン接合を
形成する高温超伝導ウィスカー結晶、線状高温超伝導薄
膜、または線状高温超伝導単結晶の交差角を45〜90
°で調整して接合することを特徴とし、第9には、この
出願の発明により提供される高温超伝導ジョセフソン接
合形成方法は、形成されるジョセフソン接合が固有ジョ
セフソン接合であることを特徴とする。
【0010】またさらに、この出願の発明は、第10に
は、上記の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法により
形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセ
フソン素子であって、ジョセフソン接合された高温超伝
導ウイスカー結晶、線状高温超伝導薄膜または線状超伝
導単結晶の接合部以外を、結線用の線材として用いるこ
とを特徴とする高温超伝導ジョセフソン素子をも提供す
る。
【0011】
【発明の実施の形態】この出願の発明は上記のとおりの
特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につい
て説明する。
【0012】この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン
接合形成方法においては、高温超伝導ウイスカー結晶が
針状の細長い形状であることを利用し、極めて微小な接
合面積でのジョセフソン接合を実現する。具体的には、
たとえば基板上に、2本の高温超伝導ウイスカー結晶を
交差するように設置し、次に、熱処理を施すことによ
り、これらの2本の高温超伝導ウイスカー結晶の結合部
もしくはその近傍にジョセフソン接合を形成する。接合
面積が微小であることから、特殊な微細加工を行う必要
がない。
【0013】この出願の発明の接合形成方法における熱
処理の温度については、用いる高温超伝導ウイスカー結
晶の種類によって異なるため一概にはいえないが、たと
えば、上限を試料の融点とし、下限をおよそ500℃程
度とすることを一般的な目安として例示することができ
る。より好ましくは700℃以上、さらには800℃以
上とすることが好ましい。また、熱処理雰囲気について
は、少なくとも酸素が含まれていることが好ましい。
【0014】この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン
接合形成方法においては、高温超伝導ウイスカー結晶を
使用する代わりに、細長い線状マスク加工された線状高
温超伝導薄膜を用いてもよい。この場合には、たとえば
基板上に、2本の線状高温超伝導薄膜を交差するよう設
置し、次いで、上記と同様の熱処理を施すことで、2本
の線状高温超伝導薄膜の間にジョセフソン接合を形成す
る。また、高温超伝導ウイスカー結晶と線状高温超伝導
薄膜とを、それぞれ1本ずつ基板上に交差するように設
置し、次いで、熱処理を施すことで、高温超伝導ウイス
カー結晶と線状高温超伝導薄膜との間にジョセフソン接
合を形成してもよい。
【0015】さらに、この出願の発明においては、前記
ウイスカーについて、細長い線状に加工された線状高温
超伝導単結晶によって置換されていてもよい。高温超伝
導体では、ビスマス系高温超伝導体のみにウィスカーが
成長することが知られているが、高温超伝導体の単結晶
や薄膜を細長く切り出して用いることで、ビスマス系あ
るいはそれ以外の高温超伝導体についても、ジョセフソ
ン接合を形成することができる。
【0016】この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン
接合形成方法において、ジョセフソン接合を形成する高
温超伝導ウイスカー結晶、線状高温超伝導薄膜または線
状高温超伝導単結晶は、各種の高温超伝導体であってよ
いが、より好適には、主としてビスマス2212相、ビ
スマス2201相およびビスマス2223相のいずれか
を含む化合物である。また、ビスマス2212相、ビス
マス2201相およびビスマス2223相のうちの少な
くとも2種以上の混相を含む化合物であってよもい。
【0017】そして、高温超伝導ウィスカー結晶、線状
高温超伝導薄膜、または線状高温超伝導単結晶は、互い
に任意の結晶面でジョセフソン接合を形成することがで
きる。たとえば、a面とa面や、b面とc面の接合など
が可能であるが、最適な組み合わせは、互いにc面を上
にして交差して接合する場合である。すなわち、c面同
士を接合することである。
【0018】そして、この出願の発明の高温超伝導ジョ
セフソン接合形成方法においては、これらの高温超伝導
体の交差角度を変化させることによって、ジョセフソン
特性を人為的にコントロールすることができる。具体的
には、ジョセフソン電流は、たとえば交差角度が約90
°のとき最大となり、約45°の時最小となる。したが
って、ジョセフソン接合を素子として応用する際に、交
差角を45〜90°で調整して接合することで、素子ご
とのスイッチングのタイミング(電流値)を人為的にコ
ントロールすることが可能となる。
【0019】この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン
接合形成方法により形成されるジョセフソン接合には、
固有ジョセフソン接合が含まれる。一般に、積層数の少
ない固有ジョセフソン接合を作成することは非常に困難
であるが、この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接
合形成方法においては、1枚または小数枚の積層数によ
る固有ジョセフソン接合を形成可能である。
【0020】また、この出願の発明である高温超伝導ジ
ョセフソン接合形成方法により形成されたジョセフソン
接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子においては、
ジョセフソン接合された高温超伝導ウイスカー結晶、線
状高温超伝導薄膜または線状高温超伝導単結晶の接合部
以外の部分が結線用端子の線材として用いられる。これ
により、超伝導状態での結線が実現するとから、ジョセ
フソン素子における発熱による誤動作の防止および消費
電力低減が実現するものである。
【0021】この出願の発明は、以上の特徴をもつもの
であるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明す
る。
【0022】
【実施例】この出願の発明である高温超伝導ジョセフソ
ン接合形成方法により、ジョセフソン接合を形成した。
試料として、2本のビスマス2212高温超伝導ウイス
カーを、十字形に交差するようにMgO基板上に配置し
た。次いで、2本の高温超伝導ウイスカーを基板ごと炉
中に設置し、酸素雰囲気を制御した状態で熱処理を施
す。焼成条件は、温度850℃、酸素分圧70%、焼成
時間30分とした。
【0023】図1に、熱処理後の試料の写真を示す。熱
処理により得られた試料の端部に、電流電圧端子を設
け、ジョセフソン接合部位の電流電圧特性を測定した結
果を図2に示す。
【0024】また、ビスマス2212高温超伝導ウイス
カーとビスマス2212線状高温超伝導薄膜とを十字形
に交差するようにMgO基板上に配置し、上記の焼成条
件で熱処理を施した結果得られた試料について、ジョセ
フソン接合部位の電流電圧特性を測定した結果を図3に
示す。
【0025】図2および図3より、どちらの試料におい
ても、良好な超伝導特性が得られていることがわかる。
【0026】
【発明の効果】以上、詳しく説明した通り、この出願の
発明により、高価な微細加工装置を必要とせず、簡便か
つ迅速に高い特性を持つジョセフソン接合の形成を実現
する新たな高温超伝導ジョセフソン接合形成方法が提供
される。この出願の発明は、超伝導素子研究開発を活性
化に貢献するものであり、さらには、超伝導デバイスの
製造コストの低減、製造装置の簡略化、製造時間の短縮
など多様な技術的効果を持つものである。この出願の発
明により製造されるジョセフソン素子は、優れた機能性
および特性を備えるものであることから、通信技術、セ
ンサー技術、情報処理技術などの様々な分野への応用が
可能であると考えられ、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この出願の発明の実施例において形成されたジ
ョセフソン接合を示した写真である。
【図2】この出願の発明の実施例において形成されたジ
ョセフソン接合の電流電圧特性を測定した結果を示した
グラフである。
【図3】この出願の発明の実施例において形成されたジ
ョセフソン接合の電流電圧特性を測定した結果を示した
グラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有澤 俊一 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 独立 行政法人物質・材料研究機構内 (72)発明者 戸叶 一正 茨城県つくば市千現1丁目2番1号 独立 行政法人物質・材料研究機構内 Fターム(参考) 4M113 AA52 AD37 BA29 BB07 CA35

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高温超伝導ウイスカー結晶を交差させ、
    熱処理を施すことで、高温超伝導ウイスカー結晶の結合
    部もしくはその近傍にジョセフソン接合を形成すること
    を特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  2. 【請求項2】 細長い線状にマスク加工された線状高温
    超伝導薄膜を交差させ、熱処理を施すことで、線状高温
    超伝導薄膜の間にジョセフソン接合を形成することを特
    徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  3. 【請求項3】 細長い線状にマスク加工された線状高温
    超伝導薄膜と、高温超伝導ウイスカー結晶とを交差さ
    せ、熱処理を施すことで、線状高温超伝導薄膜と高温超
    伝導ウイスカー結晶との間にジョセフソン接合を形成す
    ることを特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方
    法。
  4. 【請求項4】 請求項1の接合形成方法において、高温
    超伝導ウイスカー結晶の片方または両方が細長い線状に
    加工された線状高温超伝導単結晶に置換されていること
    を特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  5. 【請求項5】 請求項3の接合形成方法において、高温
    超伝導ウイスカー結晶が細長い線状に加工された線状高
    温超伝導単結晶に置換されていることを特徴とする高温
    超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  6. 【請求項6】 ジョセフソン接合を形成する高温超伝導
    ウイスカー結晶、線状高温超伝導薄膜、または線状高温
    超伝導単結晶が、ビスマス2212相、ビスマス220
    1相およびビスマス2223相のうちの少なくとも1種
    の相を含む化合物であることを特徴とする請求項1ない
    し5のいずれかの高温超伝導ジョセフソン接合形成方
    法。
  7. 【請求項7】 ジョセフソン接合を形成する高温超伝導
    ウィスカー結晶、線状高温超伝導薄膜、または線状高温
    超伝導単結晶を、互いにc面を上にして接合することを
    特徴とする請求項1ないし6いずれかに記載の高温超伝
    導ジョセフソン接合形成方法。
  8. 【請求項8】 ジョセフソン接合を形成する高温超伝導
    ウィスカー結晶、線状高温超伝導薄膜、または線状高温
    超伝導単結晶の交差角を45〜90°で調整して接合す
    ることを特徴とする請求項1ないし7いずれかに記載の
    高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  9. 【請求項9】 形成されるジョセフソン接合が固有ジョ
    セフソン接合であることを特徴とする請求項1ないし8
    のいずれかの高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  10. 【請求項10】 請求項1ないし9のいずれかの高温超
    伝導ジョセフソン接合形成方法により形成されたジョセ
    フソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子であっ
    て、ジョセフソン接合された高温超伝導ウイスカー結
    晶、線状高温超伝導薄膜、または線状高温超伝導単結晶
    の接合部以外を、結線用の線材として用いることを特徴
    とする高温超伝導ジョセフソン素子。
JP2001295078A 2000-08-21 2001-08-21 高温超伝導ジョセフソン接合形成方法とこれにより形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子 Expired - Lifetime JP4092393B2 (ja)

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