JP2010232500A - 固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入やイオンビームエッチングおよびリソグラフィーなど高度で複雑な技術を要することなく、固有ジョセフソントンネルデバイスを作製する固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明は、超伝導単結晶の表面に絶縁層と電極を配置してなる固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法であって、前記表面の絶縁層を前記超伝導単結晶の結晶面を表面とし、当該表面を還元雰囲気に暴露しながら加熱して、当該表面を還元して絶縁化し、形成することを特徴とする固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法の構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導単結晶の表面に絶縁層と電極を配置してなる固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法に関する。

特許文献１に示すように、固有ジョセフソントンネルデバイスについては公知であり、その有用性については十分知られている。特許文献１に記載の固有ジョセフソントンネルデバイスは、（ａ）超伝導体単結晶内部に形成される微細な超電流経路と、（ｂ）該超電流経路を埋め込むようにイオン注入により形成される絶縁化層と、（ｃ）前記超電流経路と絶縁化層上に形成されるエピタキシャル高温超伝導電極層とを具備することを特徴とする層状高温超伝導体固有ジョセフソン効果装置（請求項１）である。

しかしながら、特許文献１などに記載の従来の固有ジョセフソントンネルデバイスは、イオン注入やイオンビームエッチングおよびリソグラフィーなど高度で複雑な技術を要するという欠点があり、またコスト面からも実用的ではなかった。

そこで、本発明は、このような実情に鑑み、イオン注入やイオンビームエッチングおよびリソグラフィーなど高度で複雑な技術を要することなく、固有ジョセフソントンネルデバイスを作製する固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法を提供することを課題とした。

上記課題を解決するために、第１に、超伝導単結晶の表面に絶縁層と電極を配置してなる固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法であって、前記表面の絶縁層を前記超伝導単結晶の結晶面を表面とし、当該表面を還元雰囲気に暴露しながら加熱して、当該表面を還元して絶縁化し、形成することを特徴とする固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法の構成とした。

さらに、前記超伝導単結晶が、Ｂｉ−２２１２であることを特徴とする前記固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法の構成、また前記還元雰囲気が、モル比９５〜９８％の不活性ガスと、モル比２〜５％の水素ガスの混合ガスであることを特徴とする前記何れかに記載の固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法の構成、或いは前記加熱が、１５０〜５００℃の範囲で、０．２〜５時間行われることを特徴とする前記何れかに記載の固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法の構成とした。そして、前記何れかに記載の固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法によって製造されることを特徴とする固有ジョセフソントンネルデバイスの構成とした。

本発明は、上記構成であるから、次の効果を有する。特許文献１に記載の技術ではイオン注入技術により必要とする絶縁層を形成していたが、本発明では代わりに還元雰囲気中での熱処理を用いた非常に簡便な手法で、特許文献１と同様な絶縁層を形成でき、電流パスを制御できた。即ち、本発明では、超伝導単結晶の表面近傍のみを絶縁化することができる。ここいう表面近傍とは、最表面から数ｎｍ〜数十ｎｍの領域である。これにより、電流の流れる経路が変化し、c軸方向（深さ方向）を通るようになる。それに伴い、固有ジョセフソン特性が観測できる固有ジョセフソントンネルデバイスを簡易に作製することができる。また、本発明は上記従来の欠点を解決できるのみならず、より均一な特性を有する固有ジョセフソントンネルデバイスを得られる。これは、本発明においては絶縁層が深さ方向に１層単位ずつ順次形成されていくためである。

還元雰囲気中熱処理により絶縁層を形成して作製した本発明である固有ジョセフソントンネルデバイスの模式図を示すグラフである。 還元雰囲気中熱処理により絶縁層を形成して作製した本発明である固有ジョセフソントンネルデバイスの抵抗−温度特性を示すグラフである。 還元雰囲気中熱処理により、絶縁層を形成して作製した本発明である固有ジョセフソントンネルデバイスの電流−電圧特性を示すグラフである。

上記特許文献１の「イオン注入により絶縁化層を形成する工程」を「還元雰囲気中熱処理」に置換えても同様な作用効果を発揮させ得ることは、特許文献１の図２で示されるプロセスで形成されるデバイスの電流パスと、本発明で形成されるデバイスの電流パスが類似していることに起因する。

下記実施例では、Ｂｉ−２２１２超伝導単結晶を例示したが、その他、以下のような超伝導単結晶についても同様な方法で、絶縁層を超伝導単結晶表面部に形成することができる。

以下、本発明である固有ジョセフソントンネルデバイスの一例の作製方法のフローを説明する。本発明によって得られるＢｉ−２２１２超伝導単結晶を用いた固有ジョセフソントンネルデバイスは、次の（１）〜（４）のプロセスを経て得られた。

Ｂｉ−２２１２は、ビスマス（Ｂｉ）を中心とした銅酸化物で、構成する元素記号（割合）を示すと、Ｂｉ（２）、Ｓｒ（２）、Ｃａ（１）、Ｃｕ（２）、Ｏｙである。ビスマス−２２１２は、結晶を作るだけで、自然に、超伝導層と絶縁層が交互に配置されたサンドイッチ層（ジョセフソン接合列）を形成する。さらに、それら層は極めて薄くできる優れた特性があることから、半導体に代わる素子として期待されている。

（１）劈開工程
１０ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ程度のサイズを有するＢｉ−２２１２超伝導単結晶をスコッチ（スリーエム社登録商標）テープを用いて劈開し、清浄面を出した。

（２）電極形成工程
工程（１）で用意した単結晶劈開面上に銀ペーストを用いて電極を４つ配列した（図１）。

（３）還元熱処理工程
工程（２）で作製したものを２％Ｈ_２＋９８％Ｎ_２の還元雰囲気中において、４００℃で１ｈ熱処理して還元処理を施した。還元熱処理工程により、Ｂｉ−２２１２超伝導単結晶の表面近傍層が絶縁体になった。絶縁化は光電子分光による測定で観測されたＣｕ２ｐ内殻光電子スペクトルで確認された。具体的には、Ｃｕ２ｐ光電子スペクトルにおけるサテライトピーク（２ｐ^５３ｄ^９）の強度が超伝導を示す場合のそれに比べて著しく低下していることから判別した。

（４）電気パス偏向工程
工程（３）で作製したものにおいてＩ_Ｈ端子およびＩ_Ｌ端子を電流端子として用い、一方でＶ_Ｈ端子およびＶ_Ｌ端子を電圧端子として用いることで、電流パスを固有ジョセフソン接合列が存在する深さ方向に偏向できた。

電流パスは、図２に示すように抵抗−温度特性測定で観測された「超伝導転移温度が不変の状態にも関わらず電気抵抗値が半導体的振舞いを示す」ことから確認された。また、固有ジョセフソントンネルデバイスとしての動作の確認は、図３に示すように電流−電圧特性測定で観測された「電圧の不連続な飛び」から確認された。

これらのプロセスにより高温超伝導体の単結晶上に、ｃ軸方向に存在する固有ジョセフソン接合列を活かした形態のトンネルデバイスが形成された。

従来の層状高温超伝導固有ジョセフソントンネルデバイス作製方法では高度で複雑な技術を要するという点およびコスト面から実用的ではないという問題があった。本発明により非常に安価に安定したデバイスを簡易に作製することが可能になった。本プロセスで作製した層状高温超伝導固有ジョセフソントンネルデバイスを用いたＨＴＳ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：高温超伝導体）−ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ：超伝導量子干渉素子）は低コスト及びメンテナンスフリーである為、各種検査装置（食品・薬品内異物検査装置や半導体デバイス検査装置などの非破壊検査）に応用することが可能である。従って、産業分野への貢献も大きく、経済的効果をもたらす。

特開平１１−２７４５８４号公報

Claims (5)

1. 超伝導単結晶の表面に絶縁層と電極を配置してなる固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法であって、
   前記表面の絶縁層を前記超伝導単結晶の結晶面を表面とし、当該表面を還元雰囲気に暴露しながら加熱して、当該表面を還元して絶縁化し、形成することを特徴とする固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法。
2. 前記超伝導単結晶が、Ｂｉ−２２１２であることを特徴とする請求項１に記載の固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法。
3. 前記還元雰囲気が、モル比９５〜９８％の不活性ガスと、モル比２〜５％の水素ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法。
4. 前記加熱が、１５０〜５００℃の範囲で、０．２〜５時間行われることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の固有ジョセフソントンネルデバイスの簡易作製法によって製造されることを特徴とする固有ジョセフソントンネルデバイス。