JP2663856B2 - エッジ型ジョセフソン接合を用いる超伝導回路およびその製造方法 - Google Patents
エッジ型ジョセフソン接合を用いる超伝導回路およびその製造方法Info
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- JP2663856B2 JP2663856B2 JP5325585A JP32558593A JP2663856B2 JP 2663856 B2 JP2663856 B2 JP 2663856B2 JP 5325585 A JP5325585 A JP 5325585A JP 32558593 A JP32558593 A JP 32558593A JP 2663856 B2 JP2663856 B2 JP 2663856B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、比較的高温で動作する
高温超伝導エッジ型ジョセフソン接合を含む超伝導回路
とその製造方法に関するものである。
高温超伝導エッジ型ジョセフソン接合を含む超伝導回路
とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高い超伝導転移温度（ＴC ）を持つＹ−
Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導体の発見以来、銅酸化物系高温
超伝導体の高いＴC をもたらす超伝導機構の解明のため
の基礎研究や電子素子および回路への応用研究が活発に
行われている。Ｙ系超伝導体は約９０Ｋ、Ｂｉ系超伝導
体は８０〜１１０Ｋという高いＴC を持っている。その
ためその使用に際しては、冷媒として７７Ｋの沸点を持
つ安価な液体窒素や、小型で簡便な冷凍機を使用するこ
とが可能である。またその低温の維持のための設備も簡
単なものですむという長所を持っている。このため、従
来の低いＴC を持つ物質を用いて実現した超伝導電子素
子および回路を、高温超伝導体を用いて実現すること
は、産業上大きな貢献となる。
Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導体の発見以来、銅酸化物系高温
超伝導体の高いＴC をもたらす超伝導機構の解明のため
の基礎研究や電子素子および回路への応用研究が活発に
行われている。Ｙ系超伝導体は約９０Ｋ、Ｂｉ系超伝導
体は８０〜１１０Ｋという高いＴC を持っている。その
ためその使用に際しては、冷媒として７７Ｋの沸点を持
つ安価な液体窒素や、小型で簡便な冷凍機を使用するこ
とが可能である。またその低温の維持のための設備も簡
単なものですむという長所を持っている。このため、従
来の低いＴC を持つ物質を用いて実現した超伝導電子素
子および回路を、高温超伝導体を用いて実現すること
は、産業上大きな貢献となる。
【０００３】現在、良好な超伝導特性を示す高温超伝導
薄膜は６００〜８００℃の高基板温度、約１００ｍＴｏ
ｒｒの高酸素分圧の条件で気相成長させたものである。
この中でも特に特性の良い薄膜は、ｃ軸が基板表面に垂
直なｃ軸配向薄膜である。これに対し、成長条件によっ
てはａまたはｂ軸配向薄膜も成長させることが可能であ
るが、ｃ軸配向薄膜に比べて超伝導特性は劣っている。
薄膜は６００〜８００℃の高基板温度、約１００ｍＴｏ
ｒｒの高酸素分圧の条件で気相成長させたものである。
この中でも特に特性の良い薄膜は、ｃ軸が基板表面に垂
直なｃ軸配向薄膜である。これに対し、成長条件によっ
てはａまたはｂ軸配向薄膜も成長させることが可能であ
るが、ｃ軸配向薄膜に比べて超伝導特性は劣っている。
【０００４】高温超伝導体は異方性が強いことが知られ
ている。その超伝導コヒーレンス長はｃ軸方向に比べａ
・ｂ軸方向のほうが長く、高温超伝導体を用いた超伝導
回路においてはａ・ｂ軸方向に電流を流すことが好まし
い。超伝導電子回路を構成する重要な要素のひとつであ
るジョセフソン素子についても同じことが言える。この
ため超伝導特性が優れたｃ軸配向薄膜を用いた場合、膜
厚方向すなわちｃ軸方向に電流を流す積層型ジョセフソ
ン接合は好ましくない。高温超伝導体を用い、接合特性
が良好で制御性・再現性も優れているジョセフソン接合
としては、超伝導薄膜のエッジ部分にジョセフソン接合
を作製し、電流を薄膜面内すなわちａ・ｂ軸方向に流す
エッジ型ジョセフソン接合がふさわしい。
ている。その超伝導コヒーレンス長はｃ軸方向に比べａ
・ｂ軸方向のほうが長く、高温超伝導体を用いた超伝導
回路においてはａ・ｂ軸方向に電流を流すことが好まし
い。超伝導電子回路を構成する重要な要素のひとつであ
るジョセフソン素子についても同じことが言える。この
ため超伝導特性が優れたｃ軸配向薄膜を用いた場合、膜
厚方向すなわちｃ軸方向に電流を流す積層型ジョセフソ
ン接合は好ましくない。高温超伝導体を用い、接合特性
が良好で制御性・再現性も優れているジョセフソン接合
としては、超伝導薄膜のエッジ部分にジョセフソン接合
を作製し、電流を薄膜面内すなわちａ・ｂ軸方向に流す
エッジ型ジョセフソン接合がふさわしい。
【０００５】高温超伝導エッジ型ジョセフソン接合で
は、図２の断面図に示すように基板１上の下部超伝導薄
膜２および層間絶縁膜３を加工して直線状のエッジを設
け、このエッジ部分で中間層４を介して電気的に接触す
るような上部超伝導薄膜５を設けることによってジョセ
フソン接合を作製する。この際、上部超伝導薄膜の粒界
が形成されないように、下部超伝導薄膜に設けるエッジ
部が基板表面となす角をできるだけ小さくする必要があ
る。このため下部超伝導薄膜のエッジを作製する工程で
は、薄膜の断面方向から見て基板表面からできるだけ小
さな角度でイオンビーム６を照射するのが一般的であ
る。
は、図２の断面図に示すように基板１上の下部超伝導薄
膜２および層間絶縁膜３を加工して直線状のエッジを設
け、このエッジ部分で中間層４を介して電気的に接触す
るような上部超伝導薄膜５を設けることによってジョセ
フソン接合を作製する。この際、上部超伝導薄膜の粒界
が形成されないように、下部超伝導薄膜に設けるエッジ
部が基板表面となす角をできるだけ小さくする必要があ
る。このため下部超伝導薄膜のエッジを作製する工程で
は、薄膜の断面方向から見て基板表面からできるだけ小
さな角度でイオンビーム６を照射するのが一般的であ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】超伝導電子回路は、図
３の平面図に示すように複数（図では２個）のジョセフ
ソン接合９を含んでいる。ジョセフソン接合をエッジ型
にした場合、これらのジョセフソン接合をすべて同一直
線上に、しかも同じ電流方向を持つように作製しなけれ
ばならず、回路設計上の制約が大きいという問題があ
る。なお図３において、図２と同一の要素には同一の参
照番号を付しており、７は上部超伝導体層用パッド、８
は下部超伝導体層用パッドである。
３の平面図に示すように複数（図では２個）のジョセフ
ソン接合９を含んでいる。ジョセフソン接合をエッジ型
にした場合、これらのジョセフソン接合をすべて同一直
線上に、しかも同じ電流方向を持つように作製しなけれ
ばならず、回路設計上の制約が大きいという問題があ
る。なお図３において、図２と同一の要素には同一の参
照番号を付しており、７は上部超伝導体層用パッド、８
は下部超伝導体層用パッドである。
【０００７】また数種類のエッジを作製する場合、ひと
つの種類のエッジを作製する際は他のエッジ部分が加工
されないような何らかの被覆を施さなければならず、そ
のためエッジ部分が劣化してしまうという問題があっ
た。
つの種類のエッジを作製する際は他のエッジ部分が加工
されないような何らかの被覆を施さなければならず、そ
のためエッジ部分が劣化してしまうという問題があっ
た。
【０００８】本発明の目的は、このような問題を解決
し、高温超伝導体のエッジ型ジョセフソン接合を含む超
伝導回路において、ジョセフソン接合の位置・電流方向
などに自由度を持たせることにある。
し、高温超伝導体のエッジ型ジョセフソン接合を含む超
伝導回路において、ジョセフソン接合の位置・電流方向
などに自由度を持たせることにある。
【０００９】本発明の他の目的は、このような超伝導回
路の製造方法を提供することにある。
路の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に設け
られた第１の超伝導薄膜と、前記第１の超伝導薄膜上に
設けられた第１の非超伝導薄膜と、前記第１の超伝導薄
膜の端部および前記基板上で第１の超伝導薄膜で覆われ
ていない部分に設けられた第２の非超伝導薄膜と、前記
第２の非超伝導薄膜を介して前記第１の超伝導薄膜と電
気的に接続するように設けられた第２の超伝導薄膜とで
構成されたエッジ型ジョセフソン接合を少なくとも２個
用いる超伝導回路において、前記第１の超伝導体の端部
の平面形状が互いに平行でない少なくとも２種類の方向
を持つ折れ線状となっており、電流方向の異なる少なく
とも２種類のジョセフソン接合を含むことを特徴とす
る。
られた第１の超伝導薄膜と、前記第１の超伝導薄膜上に
設けられた第１の非超伝導薄膜と、前記第１の超伝導薄
膜の端部および前記基板上で第１の超伝導薄膜で覆われ
ていない部分に設けられた第２の非超伝導薄膜と、前記
第２の非超伝導薄膜を介して前記第１の超伝導薄膜と電
気的に接続するように設けられた第２の超伝導薄膜とで
構成されたエッジ型ジョセフソン接合を少なくとも２個
用いる超伝導回路において、前記第１の超伝導体の端部
の平面形状が互いに平行でない少なくとも２種類の方向
を持つ折れ線状となっており、電流方向の異なる少なく
とも２種類のジョセフソン接合を含むことを特徴とす
る。
【００１１】また本発明の超伝導回路は、第２の非超伝
導薄膜の代わりに第１の超伝導薄膜よりも低い超伝導転
移温度を持つ超伝導薄膜を用いることを特徴とする。
導薄膜の代わりに第１の超伝導薄膜よりも低い超伝導転
移温度を持つ超伝導薄膜を用いることを特徴とする。
【００１２】本発明は、前記超伝導回路を製造するにあ
たり、エッジ型ジョセフソン接合における第１の超伝導
薄膜の端部を形成する工程において、どの端部とも平行
でない方向からイオンを照射することを特徴とする。
たり、エッジ型ジョセフソン接合における第１の超伝導
薄膜の端部を形成する工程において、どの端部とも平行
でない方向からイオンを照射することを特徴とする。
【００１３】
【作用】エッジ型ジョセフソン接合を少なくとも２個用
いる超伝導回路において、超伝導体の端部の平面形状が
互いに平行でない少なくとも２種類の方向を持つ折れ線
状となっており、電流方向の異なる少なくとも２種類の
ジョセフソン接合を含むこととしたのは、超伝導回路に
おけるジョセフソン素子の位置・電流方向などの自由度
を増すためである。
いる超伝導回路において、超伝導体の端部の平面形状が
互いに平行でない少なくとも２種類の方向を持つ折れ線
状となっており、電流方向の異なる少なくとも２種類の
ジョセフソン接合を含むこととしたのは、超伝導回路に
おけるジョセフソン素子の位置・電流方向などの自由度
を増すためである。
【００１４】また、エッジ型ジョセフソン接合におい
て、中間層として非超伝導薄膜の代わりに下部超伝導薄
膜よりも低い超伝導転移温度を持つ超伝導薄膜を用いる
こととしたのは、中間層の常伝導コヒーレンス長がより
長くなり、高温で動作させるのにより有利になるからで
ある。
て、中間層として非超伝導薄膜の代わりに下部超伝導薄
膜よりも低い超伝導転移温度を持つ超伝導薄膜を用いる
こととしたのは、中間層の常伝導コヒーレンス長がより
長くなり、高温で動作させるのにより有利になるからで
ある。
【００１５】また、エッジ型ジョセフソン接合における
下部超伝導薄膜のエッジ部を形成する工程において、ど
のエッジ部とも平行でない方向からイオンを照射するこ
ととしたのは、多種類のエッジ部を被覆等の工程なしで
一工程で作製できるからである。
下部超伝導薄膜のエッジ部を形成する工程において、ど
のエッジ部とも平行でない方向からイオンを照射するこ
ととしたのは、多種類のエッジ部を被覆等の工程なしで
一工程で作製できるからである。
【００１６】
【実施例】図１は本発明による、高温超伝導エッジ型ジ
ョセフソン接合を用いた回路の概略平面図である。
ョセフソン接合を用いた回路の概略平面図である。
【００１７】基板には（００１）ＳｒＴｉＯ3 単結晶基
板を用いた。基板の大きさは１５ｍｍ角で厚さは０．５
ｍｍであった。基板上にまず下部ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 超
伝導体薄膜１１を成長させた。成長手法はパルスレーザ
蒸着法を用いた。レーザはＫｒＦのエキシマレーザで、
レーザ波長は２４８ｎｍ、レーザ出力１０００ｍＪ、レ
ーザ周波数は３Ｈｚとした。ターゲットはＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏx の組成の焼結ターゲットを用いた。成長中の基板
温度は７００〜８００℃、雰囲気は酸素で酸素分圧は約
２００ｍＴｏｒｒとした。膜厚は約２００ｎｍであっ
た。成長した薄膜はｃ軸配向薄膜となっており、ＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏx 以外の相はほとんど存在せず表面は平坦で
あった。また超伝導転移温度Ｔc は約８９Ｋであった。
板を用いた。基板の大きさは１５ｍｍ角で厚さは０．５
ｍｍであった。基板上にまず下部ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏx 超
伝導体薄膜１１を成長させた。成長手法はパルスレーザ
蒸着法を用いた。レーザはＫｒＦのエキシマレーザで、
レーザ波長は２４８ｎｍ、レーザ出力１０００ｍＪ、レ
ーザ周波数は３Ｈｚとした。ターゲットはＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏx の組成の焼結ターゲットを用いた。成長中の基板
温度は７００〜８００℃、雰囲気は酸素で酸素分圧は約
２００ｍＴｏｒｒとした。膜厚は約２００ｎｍであっ
た。成長した薄膜はｃ軸配向薄膜となっており、ＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏx 以外の相はほとんど存在せず表面は平坦で
あった。また超伝導転移温度Ｔc は約８９Ｋであった。
【００１８】この下部超伝導薄膜１１をフォトリソグラ
フィー法とイオンミリング法により加工した。この上に
層間絶縁層１２として、ＬａＡｌＯ3 薄膜を約２５０ｎ
ｍ成長させた。この層間絶縁層１２は、ターゲットにＬ
ａＡｌＯ3 焼結体を用いたほかは、下部超伝導薄膜成長
と同じ条件で成長させた。ここでフォトリソグラフィ法
とイオンミリング法により下部超伝導体薄膜１１および
層間絶縁膜層１２を加工し、約９０°の角度で交わって
いる折れ線状のエッジ型ジョセフソン接合用のエッジを
作製した。ただし、各エッジの方向は互いに９０°にな
っている必要はなく、各エッジの長さも同じである必要
はない。また２種類以上のエッジが存在してもさしつか
えない。
フィー法とイオンミリング法により加工した。この上に
層間絶縁層１２として、ＬａＡｌＯ3 薄膜を約２５０ｎ
ｍ成長させた。この層間絶縁層１２は、ターゲットにＬ
ａＡｌＯ3 焼結体を用いたほかは、下部超伝導薄膜成長
と同じ条件で成長させた。ここでフォトリソグラフィ法
とイオンミリング法により下部超伝導体薄膜１１および
層間絶縁膜層１２を加工し、約９０°の角度で交わって
いる折れ線状のエッジ型ジョセフソン接合用のエッジを
作製した。ただし、各エッジの方向は互いに９０°にな
っている必要はなく、各エッジの長さも同じである必要
はない。また２種類以上のエッジが存在してもさしつか
えない。
【００１９】この工程において、基板の法線方向から見
てどのエッジ部とも平行でない方向１８から、かつ薄膜
の断面方向から見て基板表面から２０〜３０°の小さな
角度でＡｒイオンを照射した。この角度は２０°より小
さな角度でもさしつかえない。ただしその場合イオンミ
リング速度が遅くなり、ミリング時間が長くなる。この
イオンミリングの際、基板の回転は行わなかった。
てどのエッジ部とも平行でない方向１８から、かつ薄膜
の断面方向から見て基板表面から２０〜３０°の小さな
角度でＡｒイオンを照射した。この角度は２０°より小
さな角度でもさしつかえない。ただしその場合イオンミ
リング速度が遅くなり、ミリング時間が長くなる。この
イオンミリングの際、基板の回転は行わなかった。
【００２０】次に、この上に中間層１３としてＰｒＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏx を２０〜６０ｎｍ、続いて上部ＹＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏx 超伝導薄膜１４を約２００ｎｍ成長させた。成
長条件は下部超伝導薄膜１１を成長させたときと同じで
あった。この中間層１３および上部超伝導体層１４を加
工し、中間層１３を介して上下の超伝導層が接続したエ
ッジ型ジョセフソン接合１５を作製した。この例では、
同一直線をなすエッジ上に１個のジョセフソン接合を作
製しているが、同一直線をなすエッジ上に２個以上のジ
ョセフソン接合を作製してもさしつかえない。最後にパ
ッド部１６の層間絶縁層１２を除去し、下部超伝導薄膜
１１を露出させたうえ、パッド部１６，１７にＡｕ蒸着
を行った。
2 Ｃｕ3 Ｏx を２０〜６０ｎｍ、続いて上部ＹＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏx 超伝導薄膜１４を約２００ｎｍ成長させた。成
長条件は下部超伝導薄膜１１を成長させたときと同じで
あった。この中間層１３および上部超伝導体層１４を加
工し、中間層１３を介して上下の超伝導層が接続したエ
ッジ型ジョセフソン接合１５を作製した。この例では、
同一直線をなすエッジ上に１個のジョセフソン接合を作
製しているが、同一直線をなすエッジ上に２個以上のジ
ョセフソン接合を作製してもさしつかえない。最後にパ
ッド部１６の層間絶縁層１２を除去し、下部超伝導薄膜
１１を露出させたうえ、パッド部１６，１７にＡｕ蒸着
を行った。
【００２１】このようにして作製したエッジ型ジョセフ
ソン接合の特性を評価したところ、いずれも超伝導−常
伝導−超伝導（ＳＮＳ）型ジョセフソン接合として動作
した。その臨界電流−常伝導抵抗（Ｉc Ｒn ）積は４．
２Ｋで約１ｍＶ、７７ｋで約０．１ｍＶであった。また
マイクロ波照射によりシャピロステップが理論通りの電
圧に現れ、磁場による臨界電流の周期的な変化も観察さ
れた。
ソン接合の特性を評価したところ、いずれも超伝導−常
伝導−超伝導（ＳＮＳ）型ジョセフソン接合として動作
した。その臨界電流−常伝導抵抗（Ｉc Ｒn ）積は４．
２Ｋで約１ｍＶ、７７ｋで約０．１ｍＶであった。また
マイクロ波照射によりシャピロステップが理論通りの電
圧に現れ、磁場による臨界電流の周期的な変化も観察さ
れた。
【００２２】同様な結果は、中間層に（Ｙ0.5 ，Ｐｒ
0.5 ）Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏx を用いた場合にも得られた。
0.5 ）Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏx を用いた場合にも得られた。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、Ｙ系・Ｂｉ系の高温超
伝導体を用いた、エッジ型ジョセフソン接合を含む超伝
導回路において、電流方向の異なる少なくとも２種類の
ジョセフソン接合を比較的自由な位置に設ける方法を実
現でき、Ｙ系・Ｂｉ系等の高温超伝導体を用いた超伝導
電子素子および回路への応用上効果が大きい。
伝導体を用いた、エッジ型ジョセフソン接合を含む超伝
導回路において、電流方向の異なる少なくとも２種類の
ジョセフソン接合を比較的自由な位置に設ける方法を実
現でき、Ｙ系・Ｂｉ系等の高温超伝導体を用いた超伝導
電子素子および回路への応用上効果が大きい。
【図１】本発明によるエッジ型ジョセフソン接合の概略
平面図である。
平面図である。
【図２】エッジ型ジョセフソン接合の概略断面図であ
る。
る。
【図３】従来のエッジ型ジョセフソン接合の概略平面図
である。
である。
１ 基板 ２ 下部超伝導薄膜 ３ 層間絶縁層 ４ 中間層 ５ 上部超伝導薄膜 ６ エッジ部を作製する際のイオンビーム ７，８ パッド ９ ジョセフソン接合 １１ 下部超伝導体薄膜 １２ 層間絶縁層 １３ 中間層 １４ 上部超伝導体薄膜 １５ ジョセフソン接合 １６，１７ パッド １８ イオンビームの照射方向
Claims (3)
- 【請求項１】基板上に設けられた第１の超伝導薄膜と、
前記第１の超伝導薄膜上に設けられた第１の非超伝導薄
膜と、前記第１の超伝導薄膜の端部および前記基板上で
第１の超伝導薄膜で覆われていない部分に設けられた第
２の非超伝導薄膜と、前記第２の非超伝導薄膜を介して
前記第１の超伝導薄膜と電気的に接続するように設けら
れた第２の超伝導薄膜とで構成されたエッジ型ジョセフ
ソン接合を少なくとも２個用いる超伝導回路において、
前記第１の超伝導体の端部の平面形状が互いに平行でな
い少なくとも２種類の方向を持つ折れ線状となってお
り、電流方向の異なる少なくとも２種類のジョセフソン
接合を含むことを特徴とする超伝導回路。 - 【請求項２】前記第２の非超伝導薄膜の代わりに第１の
超伝導薄膜よりも低い超伝導転移温度を持つ超伝導薄膜
を用いることを特徴とする超伝導回路。 - 【請求項３】請求項１または請求項２記載の超伝導回路
を製造するにあたり、エッジ型ジョセフソン接合におけ
る第１の超伝導薄膜の端部を形成する工程において、基
板の法線方向から見てどの端部とも平行でない方向から
イオンを照射することを特徴とする超伝導回路の製造方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5325585A JP2663856B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | エッジ型ジョセフソン接合を用いる超伝導回路およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5325585A JP2663856B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | エッジ型ジョセフソン接合を用いる超伝導回路およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07183583A JPH07183583A (ja) | 1995-07-21 |
| JP2663856B2 true JP2663856B2 (ja) | 1997-10-15 |
Family
ID=18178526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5325585A Expired - Fee Related JP2663856B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | エッジ型ジョセフソン接合を用いる超伝導回路およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2663856B2 (ja) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5823456A (ja) * | 1981-08-05 | 1983-02-12 | Fujitsu Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| JPS62128581A (ja) * | 1985-11-29 | 1987-06-10 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体レ−ザの端面形成方法 |
| JPH01117376A (ja) * | 1987-07-17 | 1989-05-10 | Mitsubishi Electric Corp | エッジ接合型単結晶薄膜超伝導体トンネル接合素子およびその製造方法 |
-
1993
- 1993-12-24 JP JP5325585A patent/JP2663856B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07183583A (ja) | 1995-07-21 |
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