JP2644284B2 - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
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- JP2644284B2 JP2644284B2 JP63130279A JP13027988A JP2644284B2 JP 2644284 B2 JP2644284 B2 JP 2644284B2 JP 63130279 A JP63130279 A JP 63130279A JP 13027988 A JP13027988 A JP 13027988A JP 2644284 B2 JP2644284 B2 JP 2644284B2
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- superconducting
- josephson
- oxide superconductor
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は，酸化物超電導体薄膜を用いて構成された，
量子力学的弱結合部を有するジョセフソン接合をもつ超
電導素子に関する。
量子力学的弱結合部を有するジョセフソン接合をもつ超
電導素子に関する。
（従来の技術） 超高密度電子素子や超高速電子素子の開発は，これま
で，シリコンおよび化合物半導体を中心として進められ
て来た。従来の半導体素子の高密度化，高速化は，高度
の微細加工技術，均質で完全性の高い結晶作成技術およ
びシミュレーションを利用した素子設計技術によりなし
遂げられてきた。半導体素子の更なる高密度化，高速化
を図る上で今後ますます重要になる問題は，発熱であ
る。これは，結晶の完全性や微細加工技術とは別に，半
導体素子の高密度化や高速化の限界を与える大きい要因
になると考えられる。
で，シリコンおよび化合物半導体を中心として進められ
て来た。従来の半導体素子の高密度化，高速化は，高度
の微細加工技術，均質で完全性の高い結晶作成技術およ
びシミュレーションを利用した素子設計技術によりなし
遂げられてきた。半導体素子の更なる高密度化，高速化
を図る上で今後ますます重要になる問題は，発熱であ
る。これは，結晶の完全性や微細加工技術とは別に，半
導体素子の高密度化や高速化の限界を与える大きい要因
になると考えられる。
電子素子の発熱の点で，半導体素子に比べて優れてい
るのは、ジョセフソン接合素子に代表される超電導素子
である。しかし，超電導素子はこれまでのところ，本格
的な実用化の目途が立っていない，その理由は，液体ヘ
リウム温度という超低温でないと動作しないこと，超電
導材料として金属或いは金属間化合物を用いるため酸化
され易いこと，ジョセフソン接合素子の場合はその絶縁
膜として用いる金属酸化物の時間的，空間的一様性が得
られないこと，等にある。
るのは、ジョセフソン接合素子に代表される超電導素子
である。しかし，超電導素子はこれまでのところ，本格
的な実用化の目途が立っていない，その理由は，液体ヘ
リウム温度という超低温でないと動作しないこと，超電
導材料として金属或いは金属間化合物を用いるため酸化
され易いこと，ジョセフソン接合素子の場合はその絶縁
膜として用いる金属酸化物の時間的，空間的一様性が得
られないこと，等にある。
最近発見された，希土類元素を含有するペロブスカイ
ト構造の酸化物超電導体は，高い臨界温度をもち，これ
らのジョセフソン接合素子の欠点を解消するものとして
期待されている。しかしながら，酸化物超電導体は800
℃以上の高温での熱処理が必要であるため，酸化物超電
導体／絶縁体／酸化物超電導体のトンネル接合を制御性
よく形成することが困難である。そこで，酸化物超電導
体薄膜のパターンによって，二つの超電導体バンク部と
これらを量子力学的に弱結合する弱結合部を構成する，
弱結合ジョセフソン素子が考えられる。しかしながら酸
化物超電導体は，コヒーレンス長がＣ軸方向で10Å程
度,C面内でも100Å程度と極めて短い。従って上述のよ
うな弱結合のジョセフソン接合を形成するためには，数
100Å以下の微細加工技術が必要であり，現在のリソグ
ラフィ技術では不可能である。
ト構造の酸化物超電導体は，高い臨界温度をもち，これ
らのジョセフソン接合素子の欠点を解消するものとして
期待されている。しかしながら，酸化物超電導体は800
℃以上の高温での熱処理が必要であるため，酸化物超電
導体／絶縁体／酸化物超電導体のトンネル接合を制御性
よく形成することが困難である。そこで，酸化物超電導
体薄膜のパターンによって，二つの超電導体バンク部と
これらを量子力学的に弱結合する弱結合部を構成する，
弱結合ジョセフソン素子が考えられる。しかしながら酸
化物超電導体は，コヒーレンス長がＣ軸方向で10Å程
度,C面内でも100Å程度と極めて短い。従って上述のよ
うな弱結合のジョセフソン接合を形成するためには，数
100Å以下の微細加工技術が必要であり，現在のリソグ
ラフィ技術では不可能である。
一方，酸化物超電導体膜／金属膜／酸化物超電導体
膜，或いは酸化物超電導体膜／半導体膜／酸化物超電導
体膜の積層構造により弱結合ジョセフソン接合を形成す
ることもできる。この場合は，弱結合部を構成する金属
膜または半導体膜の厚みを数100Å〜数1000Åとするこ
とで，比較的制御性よく形成することができる。しかし
この構造では，オフ時の抵抗が低いため，通常の電圧モ
ード・ジョセフソン素子には使用できない。
膜，或いは酸化物超電導体膜／半導体膜／酸化物超電導
体膜の積層構造により弱結合ジョセフソン接合を形成す
ることもできる。この場合は，弱結合部を構成する金属
膜または半導体膜の厚みを数100Å〜数1000Åとするこ
とで，比較的制御性よく形成することができる。しかし
この構造では，オフ時の抵抗が低いため，通常の電圧モ
ード・ジョセフソン素子には使用できない。
（発明が解決しようとする問題点） 以上のように超電導素子は，発熱が少ない点で従来の
半導体素子の高密度化や高速化の限界を越えるものとし
て注目されるが，主として材料特性による制約から実用
化に至っていない。
半導体素子の高密度化や高速化の限界を越えるものとし
て注目されるが，主として材料特性による制約から実用
化に至っていない。
本発明は上記の点に鑑み，液体窒素温度以上の高温で
動作可能であり、加工も容易な酸化物超電導体膜による
バンク部を用いた弱結合ジョセフソン接合をもつ超電導
素子を提供することを目的とする。
動作可能であり、加工も容易な酸化物超電導体膜による
バンク部を用いた弱結合ジョセフソン接合をもつ超電導
素子を提供することを目的とする。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明にかかる超電導素子は，基板上に形成された酸
化物超電導体膜により互いに分離された二つのバンク部
と，これらバンク部間に形成された量子力学的弱係合部
により構成され，その弱結合部を銀（Ag）膜若しくは銀
の酸化物（Ag2O）膜またはこれらの複合膜により構成し
たことを特徴とする。
化物超電導体膜により互いに分離された二つのバンク部
と，これらバンク部間に形成された量子力学的弱係合部
により構成され，その弱結合部を銀（Ag）膜若しくは銀
の酸化物（Ag2O）膜またはこれらの複合膜により構成し
たことを特徴とする。
（作用） 酸化物超電導体膜とAg膜との間に良好な電気的接触を
与えると，近接効果によりAg膜内に超電導状態がしみだ
す。Ag膜内にしみだす超電導状態のコヒーレンス長は非
常に長く,10Kでおよそ１μｍとなる。このため二つのバ
ンク部の間のギャップがμｍオーダーであっても，ここ
にAg膜を形成することにより，良好なジョセフソン接合
特性を示す。従って現在の集積回路の微細加工技術によ
り，弱結合部は十分に形成可能である。
与えると，近接効果によりAg膜内に超電導状態がしみだ
す。Ag膜内にしみだす超電導状態のコヒーレンス長は非
常に長く,10Kでおよそ１μｍとなる。このため二つのバ
ンク部の間のギャップがμｍオーダーであっても，ここ
にAg膜を形成することにより，良好なジョセフソン接合
特性を示す。従って現在の集積回路の微細加工技術によ
り，弱結合部は十分に形成可能である。
Ag膜の代わりにAg2O膜を用いても，同様である。実
際，超電導膜を形成し,Ag膜を形成した後にアニールを
行えば,Ag膜は酸化物超電導体に含まれる酸素あるは外
気中の酸素と結合して少なくとも一部酸化物になる。こ
の様な場合も良好な弱係合ジョセフソン接合が得られ
る。
際，超電導膜を形成し,Ag膜を形成した後にアニールを
行えば,Ag膜は酸化物超電導体に含まれる酸素あるは外
気中の酸素と結合して少なくとも一部酸化物になる。こ
の様な場合も良好な弱係合ジョセフソン接合が得られ
る。
（実施例） 以下，本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は，一実施例の弱結合ジョセフソン素子を示
す。（ａ）は平面図であり，（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面
図である。SrTiO3結晶基板１上に酸化物超電導体薄膜と
してYB2Cu3O７−δ膜２が形成され，これが図のように
所定のギャップをもって互いに分離した二つのバンク部
21,22にパターン形成されている。膜形成は，酸素含有
率25％のArガス雰囲気中（10m torr）で，基板を650℃
に加熱した状態でスパッタリングにより行い，これをEB
レジストを用いて塩素ガスを含むドライエッチングによ
り図示のようにパターン形成している。そしてこれら二
つのバンク部21,22のギャップ部を覆うように,Ag膜３を
蒸着，パターニングして弱結合部を構成している。弱結
合部23の寸法は，長さ（即ち二つのバンク部のギャップ
間隔）が0.5μm,幅（同じくギャップ幅）が0.3μｍであ
る。Ag膜３の厚みは0.3μｍである。
す。（ａ）は平面図であり，（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面
図である。SrTiO3結晶基板１上に酸化物超電導体薄膜と
してYB2Cu3O７−δ膜２が形成され，これが図のように
所定のギャップをもって互いに分離した二つのバンク部
21,22にパターン形成されている。膜形成は，酸素含有
率25％のArガス雰囲気中（10m torr）で，基板を650℃
に加熱した状態でスパッタリングにより行い，これをEB
レジストを用いて塩素ガスを含むドライエッチングによ
り図示のようにパターン形成している。そしてこれら二
つのバンク部21,22のギャップ部を覆うように,Ag膜３を
蒸着，パターニングして弱結合部を構成している。弱結
合部23の寸法は，長さ（即ち二つのバンク部のギャップ
間隔）が0.5μm,幅（同じくギャップ幅）が0.3μｍであ
る。Ag膜３の厚みは0.3μｍである。
第２図は，このように構成された弱結合ジョセフソン
素子の20Kにおける電流−電圧特性である。この特性測
定のためにバンク部21,22には図示しない電極を設け
た。図に示すように典型的な弱結合特性が得られてい
る。
素子の20Kにおける電流−電圧特性である。この特性測
定のためにバンク部21,22には図示しない電極を設け
た。図に示すように典型的な弱結合特性が得られてい
る。
以上のようのこの実施例によれば，酸化物超電導体薄
膜を用いたジョセフソン接合において，弱結合部にAgを
用いることにより酸化物超電導膜の加工寸法を極端に小
さくすることなく，所望の弱結合特性を得ることができ
る。
膜を用いたジョセフソン接合において，弱結合部にAgを
用いることにより酸化物超電導膜の加工寸法を極端に小
さくすることなく，所望の弱結合特性を得ることができ
る。
第１図の実施例では，酸化物超電導体膜を形成した
後，そのギャップ部にAg膜を形成しているが，これらの
形成順序は逆であってもよい。第３図は，その場合の第
１図（ｂ）に対応する断面図である。
後，そのギャップ部にAg膜を形成しているが，これらの
形成順序は逆であってもよい。第３図は，その場合の第
１図（ｂ）に対応する断面図である。
第４図は，本発明を直流スクィド（dcSQUID）に適用
した実施例の平面図である。先の実施例で説明したと同
様の構成の二つの弱結合ジョセフソン素子S1,S2が超電
導ループ内に形成されている。各ジョセフソン素子S1,S
2部およびこれらをつなぐ超電導配線部24,25は，先の実
施例で説明したように,SrTiO3基板１に形成されたYBa2C
u3O７−δ膜２のパターニングにより得られ，各ジョセ
フソン素子S1,S2の弱結合部はAg膜３により形成されて
いる。
した実施例の平面図である。先の実施例で説明したと同
様の構成の二つの弱結合ジョセフソン素子S1,S2が超電
導ループ内に形成されている。各ジョセフソン素子S1,S
2部およびこれらをつなぐ超電導配線部24,25は，先の実
施例で説明したように,SrTiO3基板１に形成されたYBa2C
u3O７−δ膜２のパターニングにより得られ，各ジョセ
フソン素子S1,S2の弱結合部はAg膜３により形成されて
いる。
第５図はこの実施例のdcSQUIDのゲート電流と外部磁
束を印加した時の静特性である。Φ０は，磁束量子即ち
最小の磁束である。
束を印加した時の静特性である。Φ０は，磁束量子即ち
最小の磁束である。
この実施例によっても先の実施例と同様，微細加工を
行なうことなく，所望の弱結合特性をもつジョセフソン
素子が得られる。
行なうことなく，所望の弱結合特性をもつジョセフソン
素子が得られる。
第６図（ａ）（ｂ）は他の実施例のジョセフソン素子
を示す斜視図とそのＡ−Ａ′断面図である。先の実施例
と対応する部分には，先の実施例と同一符号を付してあ
るが，この実施例では，基板１上に二つのバンク部21,2
2が間に絶縁膜４を挟んで積層された構造としている。
絶縁膜４はその厚みがトンネル電流が流れるような薄い
ものではなく，従って超電導体膜の積層部でジョセフソ
ン接合を構成している訳ではない。即ちこの実施例で
は，絶縁膜４と２層目の超電導体膜をパターン形成した
側面部を所定幅で覆うようにAg膜３を配設して弱結合部
として，ジョセフソン素子S1,S2を構成している。これ
らのジョセフソン素子を更に超電導体で並列接続すれ
ば，先の実施例と同様,dcSQUIDが得られる。
を示す斜視図とそのＡ−Ａ′断面図である。先の実施例
と対応する部分には，先の実施例と同一符号を付してあ
るが，この実施例では，基板１上に二つのバンク部21,2
2が間に絶縁膜４を挟んで積層された構造としている。
絶縁膜４はその厚みがトンネル電流が流れるような薄い
ものではなく，従って超電導体膜の積層部でジョセフソ
ン接合を構成している訳ではない。即ちこの実施例で
は，絶縁膜４と２層目の超電導体膜をパターン形成した
側面部を所定幅で覆うようにAg膜３を配設して弱結合部
として，ジョセフソン素子S1,S2を構成している。これ
らのジョセフソン素子を更に超電導体で並列接続すれ
ば，先の実施例と同様,dcSQUIDが得られる。
この実施例の場合，二つのバンク部が同一平面上に並
んで形成されたものではないが，絶縁膜の厚み方向に弱
結合部を構成するものでもなく，膜の側面を利用して弱
結合部を形成しており，準平面型と言うことができる。
この実施例によっても，先の実施例と同様の効果が得ら
れる。
んで形成されたものではないが，絶縁膜の厚み方向に弱
結合部を構成するものでもなく，膜の側面を利用して弱
結合部を形成しており，準平面型と言うことができる。
この実施例によっても，先の実施例と同様の効果が得ら
れる。
本発明は上記実施例に限られるものではない。例えば
酸化物超電導体膜として，一般にABa2Cu3O７−δ（Ａ
は、Y,Yb,Ho,Dy,Eu,Er,Tm,Luから選ばれた一種）で表わ
される欠陥プロブスカイト型酸化物を用いることができ
る。また，（Sr1-xLax）CuO4-y（但し,SrをBa,Caで置換
したものを含む）で表わされる層状ペロブスカイト型酸
化物を用いることもできる。更に，ペロブスカイト構造
を基本とするBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系やTl−Ba−Ca−Cu−
Ｏ系等の酸化物超電導体を用いることができる。
酸化物超電導体膜として，一般にABa2Cu3O７−δ（Ａ
は、Y,Yb,Ho,Dy,Eu,Er,Tm,Luから選ばれた一種）で表わ
される欠陥プロブスカイト型酸化物を用いることができ
る。また，（Sr1-xLax）CuO4-y（但し,SrをBa,Caで置換
したものを含む）で表わされる層状ペロブスカイト型酸
化物を用いることもできる。更に，ペロブスカイト構造
を基本とするBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系やTl−Ba−Ca−Cu−
Ｏ系等の酸化物超電導体を用いることができる。
その他本発明は，その趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することができる。
形して実施することができる。
［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば，酸化物超電導体薄
膜によるバンク部を用い，特に超電導体にAgまたはその
酸化物を接触させた時の近接効果によるコヒーレンス長
の増大を利用して，現在の微細加工技術で十分実現でき
る大きさの弱結合部を構成したジョセフソン接合をもつ
超電導素子を得ることができる。
膜によるバンク部を用い，特に超電導体にAgまたはその
酸化物を接触させた時の近接効果によるコヒーレンス長
の増大を利用して，現在の微細加工技術で十分実現でき
る大きさの弱結合部を構成したジョセフソン接合をもつ
超電導素子を得ることができる。
第１図（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例のジョセフソン
接合素子を示す平面図とそのＡ−Ａ′断面図，第２図は
その電流−電圧特性を示す図，第３図は他の実施例のジ
ョセフソン接合素子の断面図，第４図は他の実施例のdc
SQUIDを示す平面図，第５図はその静特性を示す図，第
６図（ａ）（ｂ）は更に他の実施例のジョセフソン接合
素子を示す斜視図とそのＡ−Ａ′断面図である。 １……SrTiO3結晶基板,21,22……バンク部（YBa2Cu3O
７−δ膜）,3……Ag膜（弱結合部）,4……絶縁膜。
接合素子を示す平面図とそのＡ−Ａ′断面図，第２図は
その電流−電圧特性を示す図，第３図は他の実施例のジ
ョセフソン接合素子の断面図，第４図は他の実施例のdc
SQUIDを示す平面図，第５図はその静特性を示す図，第
６図（ａ）（ｂ）は更に他の実施例のジョセフソン接合
素子を示す斜視図とそのＡ−Ａ′断面図である。 １……SrTiO3結晶基板,21,22……バンク部（YBa2Cu3O
７−δ膜）,3……Ag膜（弱結合部）,4……絶縁膜。
Claims (1)
- 【請求項１】基板上に酸化物超電導体膜による２つのバ
ンク部が所定のギャップをもって分離形成され，そのギ
ャップ部に銀膜若しくは銀の酸化物膜またはこれらの複
合膜からなる量子力学的弱結合部を構成したことを特徴
とする超電導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63130279A JP2644284B2 (ja) | 1988-05-30 | 1988-05-30 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63130279A JP2644284B2 (ja) | 1988-05-30 | 1988-05-30 | 超電導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01300575A JPH01300575A (ja) | 1989-12-05 |
| JP2644284B2 true JP2644284B2 (ja) | 1997-08-25 |
Family
ID=15030509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63130279A Expired - Lifetime JP2644284B2 (ja) | 1988-05-30 | 1988-05-30 | 超電導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2644284B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL8901874A (nl) * | 1989-07-20 | 1991-02-18 | Philips Nv | Planaire josephson inrichting. |
| JP3123164B2 (ja) * | 1991-01-11 | 2001-01-09 | 株式会社日立製作所 | 超電導デバイス |
| JP4511441B2 (ja) | 2005-09-30 | 2010-07-28 | 富士フイルム株式会社 | 感度可変型撮像素子及びこれを搭載した撮像装置 |
| JP4511442B2 (ja) | 2005-09-30 | 2010-07-28 | 富士フイルム株式会社 | 感度可変型撮像素子及びこれを搭載した撮像装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0812939B2 (ja) * | 1984-12-14 | 1996-02-07 | 富士通株式会社 | ジヨセフソン集積回路の製造方法 |
| JPS6329592A (ja) * | 1986-07-23 | 1988-02-08 | Hitachi Ltd | 超伝導素子 |
-
1988
- 1988-05-30 JP JP63130279A patent/JP2644284B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｉｎｔ．Ｊ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｓ Ｖｏｌ．７Ｎｏ．３ ＰＰ．３１７−３２２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01300575A (ja) | 1989-12-05 |
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