JP3129552B2 - 超伝導接合素子 - Google Patents
超伝導接合素子Info
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- JP3129552B2 JP3129552B2 JP04322854A JP32285492A JP3129552B2 JP 3129552 B2 JP3129552 B2 JP 3129552B2 JP 04322854 A JP04322854 A JP 04322854A JP 32285492 A JP32285492 A JP 32285492A JP 3129552 B2 JP3129552 B2 JP 3129552B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超伝導接合素子に係り、
さらに詳しくは臨界電流値の制御が可能な弱結合型超伝
導接合素子に関する。
さらに詳しくは臨界電流値の制御が可能な弱結合型超伝
導接合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】液体窒素温度を超える超伝導転移温度を
有する酸化物高温超伝導材料の発見以来、これらの材料
を用いた超伝導エレクトロニクス素子の開発が精力的に
進められている。一般に超伝導エレクトロニクス素子
は、電流−電圧特性上にヒステリシスを示すトンネル型
のジョセフソン接合と、ヒステリシスを示さない弱結合
型のジョセフソン接合の２種を主な基本要素としてい
る。前者は、積層された２つの超伝導薄膜電極間に３ｎ
ｍ以下と非常に薄い絶縁体バリア層を挿入した構造を持
つ。特にこの種の接合は、いわゆるジョセフソンコンピ
ュータなどデジタル演算回路を構成するのに適してい
る。しかしながら、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ（ｙ＝６〜７）に
代表される高温超伝導材料は、コヒーレンス長が０．１
〜２．５ｎｍと非常に短く、またＣｕＯ面内と、面に垂
直な方向とで大きな電気的異方性を持つため、現在まで
に高品質のトンネル接合は実現されていない（高品質接
合を得るためには、超伝導層−バリア層界面における界
面劣化層の厚みをコヒーレンス長以下に抑制する必要が
ある）。一方、弱結合型ジョセフソン接合は、２つの超
伝導薄膜電極間を、例えば細くくびらせたりなどして、
臨界電流を小さくして超伝導性が弱められた部分で結合
した構造を持つ。高温超伝導材料はキャリア濃度が小さ
く、また大きな電気的異方性を持つため、結晶粒界をよ
ぎる方向では、粒内に比べ臨界電流密度が２、３桁小さ
くなるという性質がある。例えば、ＳｒＴｉＯ3単結晶
基板上には臨界電流密度の高い良質のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
エピタキシャル薄膜が得られるが、２つのＳｒＴｉＯ3
単結晶を結晶軸を傾けて張り合わせた双晶基板を用いる
ことにより双晶粒界上に弱結合接合を容易に形成するこ
とができる。また、ＳｒＴｉＯ3単結晶基板上に段差を
形成した後に薄膜を堆積すると、上記段差上に沿って弱
結合接合が形成される。このような方法で形成した高温
超伝導薄膜弱結合接合を利用し、液体窒素温度付近の温
度で動作するＤＣ−ＳＱＵＩＤ磁束計（超伝導量子干渉
計）や磁束フロートランジスタなどのエレクトロニクス
素子が開発されてきている。これら弱結合型接合を利用
した超伝導接合素子においては、臨界電流密度をある所
定の値に制御することが非常に重要である。例えば、２
つの弱結合型接合を用いるＤＣ−ＳＱＵＩＤは、両者の
臨界電流値Ｉｃが等しく、かつループインダクタンスＬ
とＩｃの積が量子磁束Φ0の１／２程度の時に最も高感
度になる。Ｌは、素子の形状で決まるためＩｃの制御が
重要となるわけである。しかしながら、上述した結晶粒
界を利用する弱結合型接合では、形状や面積を正確に決
めることができないだけでなく、その抵抗値が粒界中の
酸素濃度に非常に敏感であるため、臨界電流値Ｉｃを精
密に制御することが困難であるという問題がある。他
方、最近、ＫudinovあるいはＮievaらは、酸素の欠損に
より半導体的な電気抵抗変化や非常に低い超伝導転移温
度Ｔｃを示すＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ（Ｌｎ＝Ｙ、Ｇｄ）薄
膜に、高パワーＡｒイオンレーザ光を照射することによ
り、電気抵抗の減少やＴｃの上昇が起こること、またそ
の変化が低温において保持されることを報告している
〔Phys. Lett. A151 (1990), p.358 および Appl. Phy
s. Lett.60 (1992), p.2159〕。弱結合型接合の臨界電
流は、一般に薄膜のＴｃの上昇により増大するため、こ
の効果を利用した臨界電流の制御が可能と考えられる。
しかしながら、数Ｗ程度の高パワーレーザが必要なこ
と、また高パワーのため薄膜を液体窒素に直接浸すなど
して温度上昇を防ぐ必要があることなど、エレクトロニ
クス素子への適用を阻害する問題点があった。
有する酸化物高温超伝導材料の発見以来、これらの材料
を用いた超伝導エレクトロニクス素子の開発が精力的に
進められている。一般に超伝導エレクトロニクス素子
は、電流−電圧特性上にヒステリシスを示すトンネル型
のジョセフソン接合と、ヒステリシスを示さない弱結合
型のジョセフソン接合の２種を主な基本要素としてい
る。前者は、積層された２つの超伝導薄膜電極間に３ｎ
ｍ以下と非常に薄い絶縁体バリア層を挿入した構造を持
つ。特にこの種の接合は、いわゆるジョセフソンコンピ
ュータなどデジタル演算回路を構成するのに適してい
る。しかしながら、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ（ｙ＝６〜７）に
代表される高温超伝導材料は、コヒーレンス長が０．１
〜２．５ｎｍと非常に短く、またＣｕＯ面内と、面に垂
直な方向とで大きな電気的異方性を持つため、現在まで
に高品質のトンネル接合は実現されていない（高品質接
合を得るためには、超伝導層−バリア層界面における界
面劣化層の厚みをコヒーレンス長以下に抑制する必要が
ある）。一方、弱結合型ジョセフソン接合は、２つの超
伝導薄膜電極間を、例えば細くくびらせたりなどして、
臨界電流を小さくして超伝導性が弱められた部分で結合
した構造を持つ。高温超伝導材料はキャリア濃度が小さ
く、また大きな電気的異方性を持つため、結晶粒界をよ
ぎる方向では、粒内に比べ臨界電流密度が２、３桁小さ
くなるという性質がある。例えば、ＳｒＴｉＯ3単結晶
基板上には臨界電流密度の高い良質のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
エピタキシャル薄膜が得られるが、２つのＳｒＴｉＯ3
単結晶を結晶軸を傾けて張り合わせた双晶基板を用いる
ことにより双晶粒界上に弱結合接合を容易に形成するこ
とができる。また、ＳｒＴｉＯ3単結晶基板上に段差を
形成した後に薄膜を堆積すると、上記段差上に沿って弱
結合接合が形成される。このような方法で形成した高温
超伝導薄膜弱結合接合を利用し、液体窒素温度付近の温
度で動作するＤＣ−ＳＱＵＩＤ磁束計（超伝導量子干渉
計）や磁束フロートランジスタなどのエレクトロニクス
素子が開発されてきている。これら弱結合型接合を利用
した超伝導接合素子においては、臨界電流密度をある所
定の値に制御することが非常に重要である。例えば、２
つの弱結合型接合を用いるＤＣ−ＳＱＵＩＤは、両者の
臨界電流値Ｉｃが等しく、かつループインダクタンスＬ
とＩｃの積が量子磁束Φ0の１／２程度の時に最も高感
度になる。Ｌは、素子の形状で決まるためＩｃの制御が
重要となるわけである。しかしながら、上述した結晶粒
界を利用する弱結合型接合では、形状や面積を正確に決
めることができないだけでなく、その抵抗値が粒界中の
酸素濃度に非常に敏感であるため、臨界電流値Ｉｃを精
密に制御することが困難であるという問題がある。他
方、最近、ＫudinovあるいはＮievaらは、酸素の欠損に
より半導体的な電気抵抗変化や非常に低い超伝導転移温
度Ｔｃを示すＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ（Ｌｎ＝Ｙ、Ｇｄ）薄
膜に、高パワーＡｒイオンレーザ光を照射することによ
り、電気抵抗の減少やＴｃの上昇が起こること、またそ
の変化が低温において保持されることを報告している
〔Phys. Lett. A151 (1990), p.358 および Appl. Phy
s. Lett.60 (1992), p.2159〕。弱結合型接合の臨界電
流は、一般に薄膜のＴｃの上昇により増大するため、こ
の効果を利用した臨界電流の制御が可能と考えられる。
しかしながら、数Ｗ程度の高パワーレーザが必要なこ
と、また高パワーのため薄膜を液体窒素に直接浸すなど
して温度上昇を防ぐ必要があることなど、エレクトロニ
クス素子への適用を阻害する問題点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した従来の高温超伝導薄膜を用いた超伝導弱結合型接合
の欠点を解消するものであって、臨界電流値を容易に制
御し得る弱結合型の超伝導接合素子を提供することにあ
る。
した従来の高温超伝導薄膜を用いた超伝導弱結合型接合
の欠点を解消するものであって、臨界電流値を容易に制
御し得る弱結合型の超伝導接合素子を提供することにあ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、基板上に形成された第１および第２の超伝
導薄膜電極と、上記両電極を結ぶ臨界電流のより小さい
超伝導薄膜弱結合部から構成される弱結合型超伝導接合
素子において、上記超伝導薄膜弱結合部に近接し配設さ
れた光ファイバ開放端から、上記超伝導薄膜弱結合部に
可視光を照射して超伝導転移温度を上昇させることによ
り、超伝導薄膜弱結合部の臨界電流値を制御する構成と
するものである。さらに本発明は、上記超伝導接合素子
の超伝導薄膜弱結合部が、一般式ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
（ＬｎはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちから選ばれる
少なくとも１種の元素を示し、ｙは６．３５≦ｙ≦６．
９の範囲を表わす。）で示される組成の超伝導接合素子
とするものである。石英系光ファイバは、波長１．３μ
ｍあるいは１．５５μｍの赤外光を用いた光通信に広く
用いられているが、短距離であれば可視光をも通すこと
ができ、また液体ヘリウム温度程度の極低温においても
損失はそれほど増大しない。例えば、ＧＩ（Graded Ind
ex）マルチモード光ファイバを用いた場合、そのコア径
は５０μｍであるから、ファイバ開口端を弱結合型接合
に接近して配設すると、直径１ｍｍのレーザビームを空
間伝播で直接照射するのに比べ、約４００倍高いパワー
密度の照射を有効に得ることができる。コア径８μｍの
単一モード光ファイバでは、さらに大きい約１５０００
倍ものパワー密度を容易に作り出すことができるため、
小パワーのレーザ光源を用いても大きな効果が期待でき
る。また、通常超伝導エレクトロニクス素子に用いられ
ている接合のサイズは１〜１０μｍであるから、超伝導
薄膜弱結合部のみを効果的に照射することができ、超伝
導接合素子全体の温度上昇を抑えることができる。
するために、基板上に形成された第１および第２の超伝
導薄膜電極と、上記両電極を結ぶ臨界電流のより小さい
超伝導薄膜弱結合部から構成される弱結合型超伝導接合
素子において、上記超伝導薄膜弱結合部に近接し配設さ
れた光ファイバ開放端から、上記超伝導薄膜弱結合部に
可視光を照射して超伝導転移温度を上昇させることによ
り、超伝導薄膜弱結合部の臨界電流値を制御する構成と
するものである。さらに本発明は、上記超伝導接合素子
の超伝導薄膜弱結合部が、一般式ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
（ＬｎはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちから選ばれる
少なくとも１種の元素を示し、ｙは６．３５≦ｙ≦６．
９の範囲を表わす。）で示される組成の超伝導接合素子
とするものである。石英系光ファイバは、波長１．３μ
ｍあるいは１．５５μｍの赤外光を用いた光通信に広く
用いられているが、短距離であれば可視光をも通すこと
ができ、また液体ヘリウム温度程度の極低温においても
損失はそれほど増大しない。例えば、ＧＩ（Graded Ind
ex）マルチモード光ファイバを用いた場合、そのコア径
は５０μｍであるから、ファイバ開口端を弱結合型接合
に接近して配設すると、直径１ｍｍのレーザビームを空
間伝播で直接照射するのに比べ、約４００倍高いパワー
密度の照射を有効に得ることができる。コア径８μｍの
単一モード光ファイバでは、さらに大きい約１５０００
倍ものパワー密度を容易に作り出すことができるため、
小パワーのレーザ光源を用いても大きな効果が期待でき
る。また、通常超伝導エレクトロニクス素子に用いられ
ている接合のサイズは１〜１０μｍであるから、超伝導
薄膜弱結合部のみを効果的に照射することができ、超伝
導接合素子全体の温度上昇を抑えることができる。
【０００５】
【実施例】以下に本発明の実施例を挙げ、図面を用いて
さらに詳細に説明する。 ＜実施例１＞反応性同時蒸着法を用いて、ＳｒＴｉＯ3
（１００）単結晶基板上に、厚さ約１００ｎｍのＹＢａ
2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜を堆積した。Ｙは、電子ビームにより蒸
発させ、Ｂａ、Ｃｕ源としてはＫ−ｃｅｌｌを用いた。
堆積時の基板温度は約７００℃、酸素圧力は１×１０~4
ｍｍＨｇ（Ｔｏｒｒ）とし、約１００ＷのＲＦ（高周
波）パワーを加えることにより酸素の活性化を行った。
薄膜はｃ軸配向を示し、ｃ軸方向の格子定数は１１．６
８Å、Ｔｃ（ゼロ抵抗）は９０Ｋであった。これらを高
速アニール炉中で還元処理することにより、酸素の欠損
した薄膜を作製した。雰囲気としては、Ａｒ＋０．２〜
２ｖｏｌ％Ｏ2混合ガスを用い、温度４００〜５５０℃
における３０ｍｉｎのアニール後に、薄膜を１５０℃程
度の温度にまで急冷した。アニール時の酸素濃度と温度
を変えることにより酸素濃度の異なる薄膜を作製した。
その格子定数〔ｃ0（Å）〕および超伝導転移温度〔Ｔ
ｃ（Ｋ）〕、また、これらの値から推定される酸素組成
〔ｙ〕および光照射によるＴｃの上昇量〔δＴｃ
（Ｋ）〕の値を表１に示す。
さらに詳細に説明する。 ＜実施例１＞反応性同時蒸着法を用いて、ＳｒＴｉＯ3
（１００）単結晶基板上に、厚さ約１００ｎｍのＹＢａ
2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜を堆積した。Ｙは、電子ビームにより蒸
発させ、Ｂａ、Ｃｕ源としてはＫ−ｃｅｌｌを用いた。
堆積時の基板温度は約７００℃、酸素圧力は１×１０~4
ｍｍＨｇ（Ｔｏｒｒ）とし、約１００ＷのＲＦ（高周
波）パワーを加えることにより酸素の活性化を行った。
薄膜はｃ軸配向を示し、ｃ軸方向の格子定数は１１．６
８Å、Ｔｃ（ゼロ抵抗）は９０Ｋであった。これらを高
速アニール炉中で還元処理することにより、酸素の欠損
した薄膜を作製した。雰囲気としては、Ａｒ＋０．２〜
２ｖｏｌ％Ｏ2混合ガスを用い、温度４００〜５５０℃
における３０ｍｉｎのアニール後に、薄膜を１５０℃程
度の温度にまで急冷した。アニール時の酸素濃度と温度
を変えることにより酸素濃度の異なる薄膜を作製した。
その格子定数〔ｃ0（Å）〕および超伝導転移温度〔Ｔ
ｃ（Ｋ）〕、また、これらの値から推定される酸素組成
〔ｙ〕および光照射によるＴｃの上昇量〔δＴｃ
（Ｋ）〕の値を表１に示す。
【０００６】
【表１】
【０００７】上記の手法で作製した薄膜上に、電極取り
出し用のＡｕ薄膜パタンをメタルマスクを用い真空蒸着
で形成した後、フォト工程によるレジストパタンの形成
と、これをマスクとしたＡｒイオンミリングにより、幅
１０μｍ、長さ３０μｍの弱結合構造の超伝導接合素子
を作製した。次に、出力４ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ（λ
＝６３２．８ｎｍ）光源を用い照射効果を調べた。レー
ザ光をレンズ系で絞り、コア系５０μｍのＧＩマルチモ
ード光ファイバ内に導入した。光ファイバは低温測定用
のサンプルホルダに通してあり、他方の開口端を図１に
示すようなアルミナ製ガイド６を用い ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
ｙ薄膜弱結合部３に近接させ、この薄膜弱結合部３全体
が垂直に光照射を受けるように配設した。顕微鏡を用い
た位置合わせ終了後、アルミナ製ガイド６をＳｒＴｉＯ
3（１００）基板１に接着し固定した。基板位置での光
パワーは 約２．５ｍＷであった。サンプルホルダを液
体ヘリウムデュワ内に挿入し、液面からの高さを調節す
ることにより薄膜の温度を約１００Ｋに保ち、２．５ｍ
Ｗの光を弱結合部に８ｈｒ照射した後のＴｃの上昇量
〔δＴｃ（Ｋ）〕を表１に示した。元のＴｃが８８Ｋの
薄膜においてもＴｃの上昇が観測され、またＴｃの低い
薄膜ほど大きなＴｃの上昇量を示す傾向が見られた。ま
た光照射を受けた薄膜は、２００Ｋ以下の温度に保持し
ている限りＴｃは上昇したままで、元の低いＴｃへの緩
和は観測されなかった。一方、３２５Ｋ以上の温度に加
熱し数時間保持すると、最初と全く同じＴｃを示すよう
になった。さらに、上記のように高温でＴｃを緩和させ
た表１に示す試料Ｎｏ．４の薄膜を用い、今度は波長の
異なる光源を用い同様の照射実験を行った。用いた光源
は、ＡｌＧａＡｓ系ＬＥＤ（λ＝８５０ｎｍ）、ＡｌＧ
ａＩｎＰ系レーザダイオード（λ＝６７０ｎｍ）、Ｈｅ
−Ｎｅレーザ（λ＝５４３．５ｎｍ）、Ａｒイオンレー
ザ（λ＝４８８ｎｍ）の４種である。ダイオード電流の
調節あるいはガスレーザではＮＤ（Neutral Density）
フィルタの使用により光パワーを減衰させ、試料位置で
のパワーが１．５ｍＷになるようにした。１００Ｋにお
ける８ｈｒの照射により、可視光光源を用いた場合は５
〜６．５ＫのＴｃの上昇が観測された。一方、赤外光Ｌ
ＥＤではＴｃの上昇が全く生じなかった。
出し用のＡｕ薄膜パタンをメタルマスクを用い真空蒸着
で形成した後、フォト工程によるレジストパタンの形成
と、これをマスクとしたＡｒイオンミリングにより、幅
１０μｍ、長さ３０μｍの弱結合構造の超伝導接合素子
を作製した。次に、出力４ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ（λ
＝６３２．８ｎｍ）光源を用い照射効果を調べた。レー
ザ光をレンズ系で絞り、コア系５０μｍのＧＩマルチモ
ード光ファイバ内に導入した。光ファイバは低温測定用
のサンプルホルダに通してあり、他方の開口端を図１に
示すようなアルミナ製ガイド６を用い ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
ｙ薄膜弱結合部３に近接させ、この薄膜弱結合部３全体
が垂直に光照射を受けるように配設した。顕微鏡を用い
た位置合わせ終了後、アルミナ製ガイド６をＳｒＴｉＯ
3（１００）基板１に接着し固定した。基板位置での光
パワーは 約２．５ｍＷであった。サンプルホルダを液
体ヘリウムデュワ内に挿入し、液面からの高さを調節す
ることにより薄膜の温度を約１００Ｋに保ち、２．５ｍ
Ｗの光を弱結合部に８ｈｒ照射した後のＴｃの上昇量
〔δＴｃ（Ｋ）〕を表１に示した。元のＴｃが８８Ｋの
薄膜においてもＴｃの上昇が観測され、またＴｃの低い
薄膜ほど大きなＴｃの上昇量を示す傾向が見られた。ま
た光照射を受けた薄膜は、２００Ｋ以下の温度に保持し
ている限りＴｃは上昇したままで、元の低いＴｃへの緩
和は観測されなかった。一方、３２５Ｋ以上の温度に加
熱し数時間保持すると、最初と全く同じＴｃを示すよう
になった。さらに、上記のように高温でＴｃを緩和させ
た表１に示す試料Ｎｏ．４の薄膜を用い、今度は波長の
異なる光源を用い同様の照射実験を行った。用いた光源
は、ＡｌＧａＡｓ系ＬＥＤ（λ＝８５０ｎｍ）、ＡｌＧ
ａＩｎＰ系レーザダイオード（λ＝６７０ｎｍ）、Ｈｅ
−Ｎｅレーザ（λ＝５４３．５ｎｍ）、Ａｒイオンレー
ザ（λ＝４８８ｎｍ）の４種である。ダイオード電流の
調節あるいはガスレーザではＮＤ（Neutral Density）
フィルタの使用により光パワーを減衰させ、試料位置で
のパワーが１．５ｍＷになるようにした。１００Ｋにお
ける８ｈｒの照射により、可視光光源を用いた場合は５
〜６．５ＫのＴｃの上昇が観測された。一方、赤外光Ｌ
ＥＤではＴｃの上昇が全く生じなかった。
【０００８】＜実施例２＞実施例１と同様の同時蒸着装
置を用い、厚さ約１００ｎｍの ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
（Ｌｎ＝Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ）薄膜を
ほぼ同一条件でＳｒＴｉＯ3（１００）基板上に堆積し
た。堆積した薄膜は、いずれもｃ軸配向を示し、そのＴ
ｃは８５〜９０Ｋであった。これらの薄膜をＡｒ＋０．
２〜２ｖｏｌ％Ｏ2ガスフロー中において４３０℃で３
０ｍｉｎ間アニールした後、急冷し、酸素の欠損した薄
膜を作製した。表２に、還元したＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
（ Ｌｎ＝Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ）薄膜
の超伝導転移温度Ｔｃ（Ｋ）と光照射によるＴｃの上昇
量δＴｃ（Ｋ）を示す。Ｔｃには少しばらつきがある
が、これらＴｃの値から酸素組成ｙは、ｙ＝０．４〜
０．５と推定された。次に、実施例１と同様の方法によ
り、幅１０μｍ、長さ３０μｍの弱結合構造を作製し、
マルチモードファイバを近接配設し、上記と同様の光照
射実験を行った。光源としてはＡｌＧａＩｎＰ系レーザ
ダイオード（λ＝６７０ｎｍ）を用い、試料位置での光
パワーは３ｍＷとした。１００Ｋにおける８ｈｒの照射
による薄膜のＴｃの上昇量δＴｃ（Ｋ）を表２に示す。
置を用い、厚さ約１００ｎｍの ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
（Ｌｎ＝Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ）薄膜を
ほぼ同一条件でＳｒＴｉＯ3（１００）基板上に堆積し
た。堆積した薄膜は、いずれもｃ軸配向を示し、そのＴ
ｃは８５〜９０Ｋであった。これらの薄膜をＡｒ＋０．
２〜２ｖｏｌ％Ｏ2ガスフロー中において４３０℃で３
０ｍｉｎ間アニールした後、急冷し、酸素の欠損した薄
膜を作製した。表２に、還元したＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ
（ Ｌｎ＝Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ）薄膜
の超伝導転移温度Ｔｃ（Ｋ）と光照射によるＴｃの上昇
量δＴｃ（Ｋ）を示す。Ｔｃには少しばらつきがある
が、これらＴｃの値から酸素組成ｙは、ｙ＝０．４〜
０．５と推定された。次に、実施例１と同様の方法によ
り、幅１０μｍ、長さ３０μｍの弱結合構造を作製し、
マルチモードファイバを近接配設し、上記と同様の光照
射実験を行った。光源としてはＡｌＧａＩｎＰ系レーザ
ダイオード（λ＝６７０ｎｍ）を用い、試料位置での光
パワーは３ｍＷとした。１００Ｋにおける８ｈｒの照射
による薄膜のＴｃの上昇量δＴｃ（Ｋ）を表２に示す。
【０００９】
【表２】
【００１０】表２に示すごとく、実施例１のＹＢａ2Ｃ
ｕ3Ｏｙ薄膜の場合と同程度のＴｃの上昇があることが
分かる。なお、ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ（Ｌｎ＝Ｙ、Ｌａ、
Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）薄膜とは同じ構造であり、約９０Ｋと
同程度の超伝導転移温度を有することから、他のランタ
ノイドに対しても同様の効果が期待できる。
ｕ3Ｏｙ薄膜の場合と同程度のＴｃの上昇があることが
分かる。なお、ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ（Ｌｎ＝Ｙ、Ｌａ、
Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）薄膜とは同じ構造であり、約９０Ｋと
同程度の超伝導転移温度を有することから、他のランタ
ノイドに対しても同様の効果が期待できる。
【００１１】＜実施例３＞図２に示すごとく、ＳｒＴｉ
Ｏ3（１００）基板１上に、フォト工程でレジストパタ
ンを形成した後、これをマスクとし、Ａｒイオンミリン
グによって高さ１００ｎｍの段差７を形成した。レジス
ト除去後、上記の基板上に、化学量論組成の焼結体ター
ゲットを用いたＤＣマグネトロンスパッタ法により、厚
さ約１５０ｎｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜２を堆積した。
この際、１０ＰａのＡｒ＋５ｖｏｌ％Ｏ2ガスを用い基
板温度は６５０℃とした。この薄膜を、フォト工程とイ
オンミリングにより加工し、図２に示すような幅５μ
ｍ、長さ３０μｍで、段差を横切る形のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
ｙ薄膜弱結合部３を作製した。この弱結合型超伝導接合
素子は、７２Ｋ以下の温度で超伝導（ゼロ電圧）電流を
示し、より低温では、図３に示すようなＲＳＪ（Resist
ively Shunted Junction）モデルによく従う典型的な弱
結合型ジョセフソン接合の電流−電圧特性が観測され
た。上記の手順で作製した弱結合型超伝導接合素子に、
実施例１と同様のマルチモード光ファイバ５を近接して
配設し、６５ＫにおけるＨｅ−Ｎｅレーザ光（λ＝６３
２．８ｎｍ）照射の効果を調べた。ファイバ内に結合さ
れた光パワーは最大で２．５ｍＷであり、またファイバ
への導入部の前にＮＤ（Neutral Density）フィルタを
挿入することにより、パワーを−１０ｄＢ（デシベル）
あるいは−２０ｄＢ減衰させた光照射も行った。規格化
した臨界（ゼロ抵抗）電流値の光照射時間依存性を示
す。どの光パワーに対しても、臨界電流は時間の対数に
比例する形で増加していく。また、−１０ｄＢおよび−
２０ｄＢのパワーで０ｄＢと同じ増加量を得るために
は、それぞれ１０倍、１００倍の時間を要することが分
かる。これらは、臨界電流値がパワーと時間の積、すな
わちフォトンのドーズ量で制御できること、また高パワ
ー密度の光照射により電流値制御に要する時間を著しく
短縮できることを意味する。次に、上記と同じ弱結合型
ジョセフソン接合を、ガスフロー型のクライオスタット
内の銅ブロックヘッドに低温用グリースを用い張り付
け、ブロックからの熱伝導で６５Ｋに冷却した。この場
合、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜は真空中に置かれている。１
ＷパワーのＡｒイオンレーザ光（λ＝５１４．５ｎｍ、
ビーム径１ｍｍ）を１／１０に減衰させ、クライオスタ
ットの石英窓を通してＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜弱結合部付
近に照射し、臨界電流値の時間変化を調べた。図５に示
すように、光照射中は、０．２５ｍＷのパワーのＨｅ−
Ｎｅレーザ光を、光ファイバを通して照射した場合に比
べて臨界電流値の増加は小さい。ところが、１００ｍｉ
ｎ後に光照射をやめると、臨界電流値はファイバを通し
た場合と同程度のレベルにまで突然増加した（一方、フ
ァイバを用いた場合の臨界電流の変化はほとんど見られ
なかった）。これは、ファイバを通さない場合、光照射
時にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜の温度が著しく上昇したため
であると考えられる。
Ｏ3（１００）基板１上に、フォト工程でレジストパタ
ンを形成した後、これをマスクとし、Ａｒイオンミリン
グによって高さ１００ｎｍの段差７を形成した。レジス
ト除去後、上記の基板上に、化学量論組成の焼結体ター
ゲットを用いたＤＣマグネトロンスパッタ法により、厚
さ約１５０ｎｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜２を堆積した。
この際、１０ＰａのＡｒ＋５ｖｏｌ％Ｏ2ガスを用い基
板温度は６５０℃とした。この薄膜を、フォト工程とイ
オンミリングにより加工し、図２に示すような幅５μ
ｍ、長さ３０μｍで、段差を横切る形のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
ｙ薄膜弱結合部３を作製した。この弱結合型超伝導接合
素子は、７２Ｋ以下の温度で超伝導（ゼロ電圧）電流を
示し、より低温では、図３に示すようなＲＳＪ（Resist
ively Shunted Junction）モデルによく従う典型的な弱
結合型ジョセフソン接合の電流−電圧特性が観測され
た。上記の手順で作製した弱結合型超伝導接合素子に、
実施例１と同様のマルチモード光ファイバ５を近接して
配設し、６５ＫにおけるＨｅ−Ｎｅレーザ光（λ＝６３
２．８ｎｍ）照射の効果を調べた。ファイバ内に結合さ
れた光パワーは最大で２．５ｍＷであり、またファイバ
への導入部の前にＮＤ（Neutral Density）フィルタを
挿入することにより、パワーを−１０ｄＢ（デシベル）
あるいは−２０ｄＢ減衰させた光照射も行った。規格化
した臨界（ゼロ抵抗）電流値の光照射時間依存性を示
す。どの光パワーに対しても、臨界電流は時間の対数に
比例する形で増加していく。また、−１０ｄＢおよび−
２０ｄＢのパワーで０ｄＢと同じ増加量を得るために
は、それぞれ１０倍、１００倍の時間を要することが分
かる。これらは、臨界電流値がパワーと時間の積、すな
わちフォトンのドーズ量で制御できること、また高パワ
ー密度の光照射により電流値制御に要する時間を著しく
短縮できることを意味する。次に、上記と同じ弱結合型
ジョセフソン接合を、ガスフロー型のクライオスタット
内の銅ブロックヘッドに低温用グリースを用い張り付
け、ブロックからの熱伝導で６５Ｋに冷却した。この場
合、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜は真空中に置かれている。１
ＷパワーのＡｒイオンレーザ光（λ＝５１４．５ｎｍ、
ビーム径１ｍｍ）を１／１０に減衰させ、クライオスタ
ットの石英窓を通してＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜弱結合部付
近に照射し、臨界電流値の時間変化を調べた。図５に示
すように、光照射中は、０．２５ｍＷのパワーのＨｅ−
Ｎｅレーザ光を、光ファイバを通して照射した場合に比
べて臨界電流値の増加は小さい。ところが、１００ｍｉ
ｎ後に光照射をやめると、臨界電流値はファイバを通し
た場合と同程度のレベルにまで突然増加した（一方、フ
ァイバを用いた場合の臨界電流の変化はほとんど見られ
なかった）。これは、ファイバを通さない場合、光照射
時にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜の温度が著しく上昇したため
であると考えられる。
【００１２】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の超
伝導接合素子によれば、光ファイバを超伝導薄膜弱結合
部に近接して配設した構造を取ることにより、小パワー
の可視光レーザを用いても、非常に高いパワー密度の照
射を実現することができ、このため光照射による超伝導
薄膜のＴｃの上昇および超伝導薄膜弱結合部の臨界電流
値の上昇量を短時間に制御することができる。また、超
伝導薄膜弱結合部のみの光照射が可能であるため、超伝
導薄膜接合部の温度上昇が抑制でき、臨界電流値をより
正確に制御できる効果がある。
伝導接合素子によれば、光ファイバを超伝導薄膜弱結合
部に近接して配設した構造を取ることにより、小パワー
の可視光レーザを用いても、非常に高いパワー密度の照
射を実現することができ、このため光照射による超伝導
薄膜のＴｃの上昇および超伝導薄膜弱結合部の臨界電流
値の上昇量を短時間に制御することができる。また、超
伝導薄膜弱結合部のみの光照射が可能であるため、超伝
導薄膜接合部の温度上昇が抑制でき、臨界電流値をより
正確に制御できる効果がある。
【図１】本発明の実施例１で例示した弱結合型超伝導接
合素子の構成を示す模式図。
合素子の構成を示す模式図。
【図２】本発明の実施例３で例示した弱結合型超伝導接
合素子の構成を示す模式図。
合素子の構成を示す模式図。
【図３】本発明の実施例３で例示した弱結合型超伝導接
合素子の電流−電圧特性を示す図。
合素子の電流−電圧特性を示す図。
【図４】本発明の実施例３で例示した弱結合型超伝導接
合素子のＨｅ−Ｎｅレーザ光照射に対する臨界電流値の
時間変化を示す図。
合素子のＨｅ−Ｎｅレーザ光照射に対する臨界電流値の
時間変化を示す図。
【図５】本発明の実施例３で例示した弱結合型超伝導接
合素子に光ファイバを通したＨｅ−Ｎｅレーザ光の照射
の場合と、光ファイバを通さないでＡｒイオンレーザ光
を直接照射した場合の臨界電流値の時間変化を示す図。
合素子に光ファイバを通したＨｅ−Ｎｅレーザ光の照射
の場合と、光ファイバを通さないでＡｒイオンレーザ光
を直接照射した場合の臨界電流値の時間変化を示す図。
１…ＳｒＴｉＯ3（１００）基板 ２…ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜 ３…ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ薄膜弱結合部 ４…Ａｕ電極パタン ５…マルチモード光ファイバ ６…アルミナ製ガイド ７…段差
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 実 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−264484（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−129624（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−315177（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−125980（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00
Claims (2)
- 【請求項１】基板上に形成された第１および第２の超伝
導薄膜電極と、上記第１および第２の超伝導薄膜電極間
を結ぶ臨界電流のより小さい超伝導薄膜弱結合部によっ
て構成される弱結合型超伝導接合素子において、上記超
伝導薄膜弱結合部に近接して配設された光ファイバ開放
端から超伝導薄膜弱結合部に可視光を照射して超伝導転
移温度を上昇させることにより臨界電流値を制御する手
段を有することを特徴とする超伝導接合素子。 - 【請求項２】請求項１記載の超伝導接合素子において、
超伝導薄膜弱結合部が、一般式 ＬｎＢａ2Ｃｕ3Ｏｙ （式中、ＬｎはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔ
ｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのうちから選
ばれる少なくとも１種の元素を示し、ｙは６．３５≦ｙ
≦６．９の範囲を表わす。）で示される組成からなるこ
とを特徴とする超伝導接合素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04322854A JP3129552B2 (ja) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | 超伝導接合素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04322854A JP3129552B2 (ja) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | 超伝導接合素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06177443A JPH06177443A (ja) | 1994-06-24 |
| JP3129552B2 true JP3129552B2 (ja) | 2001-01-31 |
Family
ID=18148346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04322854A Expired - Fee Related JP3129552B2 (ja) | 1992-12-02 | 1992-12-02 | 超伝導接合素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3129552B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108140716A (zh) * | 2015-09-30 | 2018-06-08 | 国际商业机器公司 | 多模约瑟夫逊参数转换器 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9858532B2 (en) * | 2015-09-30 | 2018-01-02 | International Business Machines Corporation | Multimode josephson parametric converter: coupling josephson ring modulator to metamaterial |
-
1992
- 1992-12-02 JP JP04322854A patent/JP3129552B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108140716A (zh) * | 2015-09-30 | 2018-06-08 | 国际商业机器公司 | 多模约瑟夫逊参数转换器 |
| CN108140716B (zh) * | 2015-09-30 | 2021-10-29 | 国际商业机器公司 | 多模约瑟夫逊参数转换器 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06177443A (ja) | 1994-06-24 |
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