JP2723952B2 - ジョセフソン接合素子の形成方法 - Google Patents
ジョセフソン接合素子の形成方法Info
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- JP2723952B2 JP2723952B2 JP1028567A JP2856789A JP2723952B2 JP 2723952 B2 JP2723952 B2 JP 2723952B2 JP 1028567 A JP1028567 A JP 1028567A JP 2856789 A JP2856789 A JP 2856789A JP 2723952 B2 JP2723952 B2 JP 2723952B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロ波から赤外光にかけての電磁波検
出、発振等に用いられるジョセフソン接合素子に関する
ものである。
出、発振等に用いられるジョセフソン接合素子に関する
ものである。
［従来の技術］ ジョセフソン接合の形式としては、ポイントコンタク
ト型，サンドイッチ型（SIS型），準平面型，ブリッジ
型等さまざまな形態が提案されている。中でもブリッジ
型ジョセフソン接合素子は、素子形態が単純な構造であ
るために、各種の金属超伝導薄膜およびBiPbBaO超伝導
薄膜において、さまざまな形態の検討がなされている。
（Japan.J.Appl.Phys.,22,544（1983）、及び特開昭59
−210678）。
ト型，サンドイッチ型（SIS型），準平面型，ブリッジ
型等さまざまな形態が提案されている。中でもブリッジ
型ジョセフソン接合素子は、素子形態が単純な構造であ
るために、各種の金属超伝導薄膜およびBiPbBaO超伝導
薄膜において、さまざまな形態の検討がなされている。
（Japan.J.Appl.Phys.,22,544（1983）、及び特開昭59
−210678）。
これらのブリッジ型ジョセフソン接合素子は、基板全
面に超伝導薄膜を形成後、エッチング等によって所望の
ブリッジを形成するのが一般的であった。
面に超伝導薄膜を形成後、エッチング等によって所望の
ブリッジを形成するのが一般的であった。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、近年発見されたセラミクス超伝導薄
膜、例えばYBa2Cu3O7−δ,ErBa2Cu3O7−δ（０＜δ
＜）,BiSrCaCuO系材料では、その材料組成が複雑なこと
もあり、エッチングにより、たとえばY,Ba,Cuなどのエ
ッチング速度が異なるため、超伝導体の組成がエッチン
により変化しやすいという問題があった。このためエッ
チングの状態により超伝導特性を示さなくなったり、パ
ターンの結晶性，再現性，均一性も劣るという欠点があ
った。
膜、例えばYBa2Cu3O7−δ,ErBa2Cu3O7−δ（０＜δ
＜）,BiSrCaCuO系材料では、その材料組成が複雑なこと
もあり、エッチングにより、たとえばY,Ba,Cuなどのエ
ッチング速度が異なるため、超伝導体の組成がエッチン
により変化しやすいという問題があった。このためエッ
チングの状態により超伝導特性を示さなくなったり、パ
ターンの結晶性，再現性，均一性も劣るという欠点があ
った。
また、ブリッジ型粒界ジョセフソン接合のミリ波応答
性の検討はなされているものの（Japan.J.Appl.Phys.,2
7,L1110（1988））、電磁波検出器として感度向上を目
的とした素子形態の検討には、まだいたっていない。
性の検討はなされているものの（Japan.J.Appl.Phys.,2
7,L1110（1988））、電磁波検出器として感度向上を目
的とした素子形態の検討には、まだいたっていない。
本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、エッ
チング操作を必要とせず、成膜操作のみでジョセフソン
接合素子を形成することのできる形成方法を提供するも
のである。
チング操作を必要とせず、成膜操作のみでジョセフソン
接合素子を形成することのできる形成方法を提供するも
のである。
［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、基体上に、直列に接続された複数の
ジョセフソン接合部を有するジョセフソン接合素子の形
成方法において、単結晶基板上の所望の位置に、行間隔
と列間隔とを異にして行列状に形成された複数の核の各
々を中心にして、行方向また列方向について結晶同士が
接するように無機材料を結晶成長させ、行間または列間
で周期的に幅の異なる間隔を有する無機材料結晶膜を形
成後、該無機材料結晶膜上及び該間隙部に超伝導材料か
らなる薄膜を形成する工程を有することにより、エツチ
ング工程を経ることなくジョセフソン接合を形成し得る
ものである。
ジョセフソン接合部を有するジョセフソン接合素子の形
成方法において、単結晶基板上の所望の位置に、行間隔
と列間隔とを異にして行列状に形成された複数の核の各
々を中心にして、行方向また列方向について結晶同士が
接するように無機材料を結晶成長させ、行間または列間
で周期的に幅の異なる間隔を有する無機材料結晶膜を形
成後、該無機材料結晶膜上及び該間隙部に超伝導材料か
らなる薄膜を形成する工程を有することにより、エツチ
ング工程を経ることなくジョセフソン接合を形成し得る
ものである。
本発明において、単結晶基板上に形成される無機材料
の結晶の生起・成長を速める核とは、該単結晶基板上に
形成されたエッチングライン凹部等の構造的なもの、又
核形成密度の十分大きい異種材料たとえばSi3N4膜等の
微細な膜、イオン注入した領域等であり、無機材料を選
択的核形成、エピタキシャル成長により該基板上に成長
させた際に、それを中心として結晶が成長することので
きる核である。
の結晶の生起・成長を速める核とは、該単結晶基板上に
形成されたエッチングライン凹部等の構造的なもの、又
核形成密度の十分大きい異種材料たとえばSi3N4膜等の
微細な膜、イオン注入した領域等であり、無機材料を選
択的核形成、エピタキシャル成長により該基板上に成長
させた際に、それを中心として結晶が成長することので
きる核である。
例えばダイヤモンドをエピタキシャル成長させる場
合、エッチングラインを縦横に引いたサファイヤ基板上
ではラインの交点が核となり、該核において選択的にダ
イヤモンドの結晶が生起され、成長させることができ
る。又Siをエピタキシャル成長させる場合では、MgO基
板上に予め窒化シリコンのスポットを形成しておくと、
該スポットが核となりSiの結晶が選択的に生起し結晶化
を進行させることができる。
合、エッチングラインを縦横に引いたサファイヤ基板上
ではラインの交点が核となり、該核において選択的にダ
イヤモンドの結晶が生起され、成長させることができ
る。又Siをエピタキシャル成長させる場合では、MgO基
板上に予め窒化シリコンのスポットを形成しておくと、
該スポットが核となりSiの結晶が選択的に生起し結晶化
を進行させることができる。
適切な核の種類、形状等は、基板上に選択的に成長さ
せる無機物の種類及び成長法等により適宜設定すればよ
い。
せる無機物の種類及び成長法等により適宜設定すればよ
い。
形成させる無機物としてはダイヤモンド,Si,W,GaAs,I
nP等であり、その上に超伝導薄膜を形成した場合、該超
伝導薄膜は超伝導性を示さなくなるような無機材料であ
る。この結果、基板上に結晶化された該無機材料は超伝
導薄膜のネガパターンとなる。
nP等であり、その上に超伝導薄膜を形成した場合、該超
伝導薄膜は超伝導性を示さなくなるような無機材料であ
る。この結果、基板上に結晶化された該無機材料は超伝
導薄膜のネガパターンとなる。
該パターンは、成長の生起となる核を所望の位置にお
くことで任意の位置に形成可能である。従って、たて、
横の巾を変えてマス目状に核を形成後結晶の選択的生起
と結晶化の進行によって無機材料のネガパターンを形成
し、次に超伝導薄膜を作成することで、簡単にジョセフ
ソン接合アレイを形成することもできる。
くことで任意の位置に形成可能である。従って、たて、
横の巾を変えてマス目状に核を形成後結晶の選択的生起
と結晶化の進行によって無機材料のネガパターンを形成
し、次に超伝導薄膜を作成することで、簡単にジョセフ
ソン接合アレイを形成することもできる。
さらに前記核は、EB露光パターニング等により１μｍ
以下のパターニングが可能であるので各ジョセフソン接
合間距離を極めて小さくすることができ接合数を大きく
することが可能で、電磁波検出器として高感度発振器と
して高出力のものを得ることが可能である。
以下のパターニングが可能であるので各ジョセフソン接
合間距離を極めて小さくすることができ接合数を大きく
することが可能で、電磁波検出器として高感度発振器と
して高出力のものを得ることが可能である。
また、ジョセフソン接合アレイにすることによってノ
ーマル抵抗値RN、および超伝導臨界電流値ICが大きくな
り、素子に印加できるる電圧Ｖ＝ICRNを上げることがで
き、電磁派の応答周波数 を上げることが可能となる。
ーマル抵抗値RN、および超伝導臨界電流値ICが大きくな
り、素子に印加できるる電圧Ｖ＝ICRNを上げることがで
き、電磁派の応答周波数 を上げることが可能となる。
また成膜する超伝導薄膜は、粒界ジョセフソン接合を
形成しうる超伝導物質の薄膜であればいずれも用いるこ
とができるが、その化合組成をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄと表わす
とき、ＡがLa,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Sc,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,T
m,Yb,Lu,Bi,TlおよびＹよりなる群より選ばれた一種以
上の元素;BがBa,Ca,SrおよびPbよりなる群から選ばれた
一種以上の元素;CがV,Ti,Cr,Mn,Fe,Ni,Co,Ag,CdおよびC
uよりなる群から選ばれた一種以上の元素;DがＳおよび
Ｏよりなる群から選ばれた一種以上の元素である超伝導
体による成膜において本発明の形成方法は特に有効であ
り、これらを用いた超伝導体薄膜は選択的結晶成長され
た無機材料上で良好に形成される。
形成しうる超伝導物質の薄膜であればいずれも用いるこ
とができるが、その化合組成をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄと表わす
とき、ＡがLa,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Sc,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,T
m,Yb,Lu,Bi,TlおよびＹよりなる群より選ばれた一種以
上の元素;BがBa,Ca,SrおよびPbよりなる群から選ばれた
一種以上の元素;CがV,Ti,Cr,Mn,Fe,Ni,Co,Ag,CdおよびC
uよりなる群から選ばれた一種以上の元素;DがＳおよび
Ｏよりなる群から選ばれた一種以上の元素である超伝導
体による成膜において本発明の形成方法は特に有効であ
り、これらを用いた超伝導体薄膜は選択的結晶成長され
た無機材料上で良好に形成される。
基板上への超伝導薄膜の成膜方法としては、通常のス
パッタ法，電子ビーム加熱法，抵抗加熱法,MBE法,CVD
法，イオンビーム法などが適用できる。又該超伝導薄膜
の厚さは適宜所望により設定すればよい。
パッタ法，電子ビーム加熱法，抵抗加熱法,MBE法,CVD
法，イオンビーム法などが適用できる。又該超伝導薄膜
の厚さは適宜所望により設定すればよい。
その様にして作成された超伝導薄膜は、必要に応じて
熱処理されるが、単結晶基板は超伝導薄膜との熱膨張係
数の近いものを選ぶことでさらにその耐久性を向上させ
ることもできる。
熱処理されるが、単結晶基板は超伝導薄膜との熱膨張係
数の近いものを選ぶことでさらにその耐久性を向上させ
ることもできる。
［実施例］ 以下、本発明を実施例によって、より具体的に説明す
る。
る。
実施例１ 第１図，第２図に示す各工程によってジョセフソン接
合を形成した。すなわち、まずサファイヤ（100）基板
１上にエッチング等によって、たて13μｍピッチ、横10
μｍピッチでエッチングライン２をひいた。この基板上
にダイアモンドをエピタキシャル成長させたところライ
ンの交点上に半球上のダイアモンド３が形成された（第
１図）。
合を形成した。すなわち、まずサファイヤ（100）基板
１上にエッチング等によって、たて13μｍピッチ、横10
μｍピッチでエッチングライン２をひいた。この基板上
にダイアモンドをエピタキシャル成長させたところライ
ンの交点上に半球上のダイアモンド３が形成された（第
１図）。
次に、この基板上にＹ−Ba−Cu−ＯをICB法（クラス
ターイオンビーム法）で成膜した（第２図）。この時の
成膜条件は、基板温度400℃，酸素分圧３×10-4Torrで
行い、蒸着材料としてY,BaO,Cuをそれぞれ独立のクラス
ターイオンガンにより、基板上の組成が、Y:Ba:Cu＝1:
2:3になるように堆積速度を調節した。なお、Ｙ用のク
ラスターイオンガンの加速電圧は1KV,イオン化電流は50
mAとし、BaO用のクライスターイオンガンの加速電圧は
0.5KV,イオン化電流は30mAとし、Cu用の加速電圧は4KV,
イオン化電流は200mAとした。なお堆積速度は200Å/min
で、膜厚は5000Åだった。さらにこの基板を酸素雰囲気
中で940℃,1時間の熱処理を行ない超伝導薄膜4aを作成
した。
ターイオンビーム法）で成膜した（第２図）。この時の
成膜条件は、基板温度400℃，酸素分圧３×10-4Torrで
行い、蒸着材料としてY,BaO,Cuをそれぞれ独立のクラス
ターイオンガンにより、基板上の組成が、Y:Ba:Cu＝1:
2:3になるように堆積速度を調節した。なお、Ｙ用のク
ラスターイオンガンの加速電圧は1KV,イオン化電流は50
mAとし、BaO用のクライスターイオンガンの加速電圧は
0.5KV,イオン化電流は30mAとし、Cu用の加速電圧は4KV,
イオン化電流は200mAとした。なお堆積速度は200Å/min
で、膜厚は5000Åだった。さらにこの基板を酸素雰囲気
中で940℃,1時間の熱処理を行ない超伝導薄膜4aを作成
した。
Au電極をつけて、液体Heを用いて抵抗を測定したとこ
ろサファイア上のＹ−Ba−Cu−Ｏ薄膜4aは、70Kで抵抗
Ｏとなり超伝導性を示したが、ダイアモンド３上のＹ−
Ba−Cu−Ｏ薄膜4bは4Kでも抵抗Ｏにならず、超伝導性を
示さなかった。すなわち本発明の方法により、粒界ジョ
セフソン接合素子が得られたことになる。
ろサファイア上のＹ−Ba−Cu−Ｏ薄膜4aは、70Kで抵抗
Ｏとなり超伝導性を示したが、ダイアモンド３上のＹ−
Ba−Cu−Ｏ薄膜4bは4Kでも抵抗Ｏにならず、超伝導性を
示さなかった。すなわち本発明の方法により、粒界ジョ
セフソン接合素子が得られたことになる。
実施例２ MgO（100）基板上にマスクを利用したRFスパッタ法で
無機材料の核となるSi3N4膜５を第３図に示すように20
行20列作成した。その際Si3N4膜５の大きさは１μｍφ
とし、行間距離Ａを８μｍに固定し、列間距離Ｂを10〜
13μｍと変化させた。
無機材料の核となるSi3N4膜５を第３図に示すように20
行20列作成した。その際Si3N4膜５の大きさは１μｍφ
とし、行間距離Ａを８μｍに固定し、列間距離Ｂを10〜
13μｍと変化させた。
この基板上にCVD法でSiをエピタキシャル成長させた
ところ核５を中心にSiが成長した。たて方向にある程度
接するまで成長させた。この時の成膜条件は、原料ガス
としてHClとH2とSiH2Cl2,SiCl4,SiHCl3,SiF4もしくはSi
H4との混合ガスを用いて、基板温度700〜1100℃，圧力
は約100Torrとした。
ところ核５を中心にSiが成長した。たて方向にある程度
接するまで成長させた。この時の成膜条件は、原料ガス
としてHClとH2とSiH2Cl2,SiCl4,SiHCl3,SiF4もしくはSi
H4との混合ガスを用いて、基板温度700〜1100℃，圧力
は約100Torrとした。
この様にして作製した基板上にBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ焼
結体ターゲットを用いてRFスパッタ法で成膜したところ
Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ薄膜が形成された。この時の成膜条
件は、基板温度100℃以下、Arガス圧力0.05a,スパッタ
パワー100Wで、堆積速度50Å/min,膜圧は4000Åであっ
た。さらにこの基板を酸素雰囲気中で850℃１時間の熱
処理を行ない、Tc＝70Kとなる超伝導薄膜を作成した
（第３図）。表１に得られた粒界ジョセフソン接合にお
ける列間距離Ｂの変化による各特性の変化を示す。本発
明の方法により得られたジョセフソン接合素子は特にIC
が大きく、ICRN積が大きいものであった。
結体ターゲットを用いてRFスパッタ法で成膜したところ
Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ薄膜が形成された。この時の成膜条
件は、基板温度100℃以下、Arガス圧力0.05a,スパッタ
パワー100Wで、堆積速度50Å/min,膜圧は4000Åであっ
た。さらにこの基板を酸素雰囲気中で850℃１時間の熱
処理を行ない、Tc＝70Kとなる超伝導薄膜を作成した
（第３図）。表１に得られた粒界ジョセフソン接合にお
ける列間距離Ｂの変化による各特性の変化を示す。本発
明の方法により得られたジョセフソン接合素子は特にIC
が大きく、ICRN積が大きいものであった。
なお、２μｍ×２μｍのウィークジャンクション部１
個をもつ粒界ジョセフソン接合素子では、IC＝0.2mA,RN
＝0.9ΩでICRN＝0.18mVであった。
個をもつ粒界ジョセフソン接合素子では、IC＝0.2mA,RN
＝0.9ΩでICRN＝0.18mVであった。
［発明の効果］ 以上説明したように単結晶基板上にあらかじめ選択的
結晶成長法によりネガ形のパターンを形成した後、超伝
導薄膜を形成するため、ネガ形パターンを制御すること
によって、粒界ジョセフソン接合素子アレイのICRN積を
大きくすることができ、電磁波デバイスとしての周波数
上限を高くできる。
結晶成長法によりネガ形のパターンを形成した後、超伝
導薄膜を形成するため、ネガ形パターンを制御すること
によって、粒界ジョセフソン接合素子アレイのICRN積を
大きくすることができ、電磁波デバイスとしての周波数
上限を高くできる。
また、超伝導薄膜成形後のエッチング工程を必要とし
ないため素子の再現性，結晶性，均一性を向上させるこ
とができ、品質の良い素子をつくることができる。
ないため素子の再現性，結晶性，均一性を向上させるこ
とができ、品質の良い素子をつくることができる。
第１図は本発明の実施例１において、核を中心に無機材
料を成長させた状態を示す部分膜式平面図、第２図は本
発明の実施例１において、超伝導薄膜を基板上に形成し
た状態を示す部分膜式平面図（ａ）及びその正面膜式断
面図（ｂ）、第３図は本発明の実施例２において作製し
たジョセフソン接合素子の部分膜式平面図である。 １……基板、 ２……エッチングライン、 ３……選択的結晶成長した無機材料、 4a……超伝導薄膜、 4b……非超伝導薄膜、 ５……無機材料の核。
料を成長させた状態を示す部分膜式平面図、第２図は本
発明の実施例１において、超伝導薄膜を基板上に形成し
た状態を示す部分膜式平面図（ａ）及びその正面膜式断
面図（ｂ）、第３図は本発明の実施例２において作製し
たジョセフソン接合素子の部分膜式平面図である。 １……基板、 ２……エッチングライン、 ３……選択的結晶成長した無機材料、 4a……超伝導薄膜、 4b……非超伝導薄膜、 ５……無機材料の核。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ３０Ｂ 29/04 Ｃ３０Ｂ 29/04 Ｑ 29/22 ＺＡＡ 29/22 ＺＡＡＺ ５０１ ５０１Ｋ (72)発明者 金子 典夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−306677（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−14977（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−202898（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】基板上に、直列に接続された複数のジョセ
フソン接合部を有するジョセフソン接合素子の形成方法
において、単結晶基板上の所望の位置に、行間隔と列間
隔とを異にして行列状に形成された複数の核の各々を中
心にして、行方向または列方向について結晶同士が接す
るように無機材料を結晶成長させ、行間または列間で周
期的に幅の異なる間隙を有する無機材料結晶膜を形成
後、該無機材料結晶膜上及び該間隙部に超伝導材料から
なる薄膜を形成する工程を有することを特徴とするジョ
セフソン接合素子の形成方法。 - 【請求項２】前記超伝導材料からなる薄膜の化合物組成
をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄと表わすとき、ＡがLa,Ce,Pr,Nd,Pm,S
m,Sc,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Bi,TlおよびＹより
なる群より選ばれた一種以上の元素;BがBa,Ca,Srおよび
Pbよりなる群より選ばれた一種以上の元素;CがV,Ti,Cr,
Mn,Fe,Ni,Co,Ag,CdおよびCuよりなる群から選ばれた一
種以上の元素;DがＳおよびＯよりなる群から選ばれた一
種以上の元素である請求項１記載のジョセフソン接合素
子の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1028567A JP2723952B2 (ja) | 1989-02-09 | 1989-02-09 | ジョセフソン接合素子の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1028567A JP2723952B2 (ja) | 1989-02-09 | 1989-02-09 | ジョセフソン接合素子の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02208981A JPH02208981A (ja) | 1990-08-20 |
| JP2723952B2 true JP2723952B2 (ja) | 1998-03-09 |
Family
ID=12252211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1028567A Expired - Fee Related JP2723952B2 (ja) | 1989-02-09 | 1989-02-09 | ジョセフソン接合素子の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2723952B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114959897B (zh) * | 2022-04-25 | 2024-03-26 | 同济大学 | 一种掺铬镥钪超快超强激光晶体及其制备方法和应用 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0725635B2 (ja) * | 1986-02-28 | 1995-03-22 | 京セラ株式会社 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
| JPS63306677A (ja) * | 1987-06-08 | 1988-12-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 超電導装置およびその製造方法 |
| JPS6414977A (en) * | 1987-07-09 | 1989-01-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Superconducting device and manufacture thereof |
-
1989
- 1989-02-09 JP JP1028567A patent/JP2723952B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02208981A (ja) | 1990-08-20 |
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