JP4092393B2 - 高温超伝導ジョセフソン接合形成方法とこれにより形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子 - Google Patents

高温超伝導ジョセフソン接合形成方法とこれにより形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子 Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、高温超伝導ジョセフソン接合形成方法とこれにより形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子に関するものである。さらに詳しくは、高価な微細加工装置を必要とせず、簡便かつ迅速に高い特性を持つジョセフソン接合を形成することを実現する高温超伝導ジョセフソン接合形成方法とこれにより形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
テラヘルツ以上の超高周波発生素子、超高周波検出素子、SQUID磁気センサ、さらには、大量情報処理システムを担うデジタル素子などを実現する新たな電子デバイスとして、高温超伝導ジョセフソン素子への関心は非常に高く、その実用化が強く望まれている。
【0003】
一方で、ウイスカーや薄膜を用いるジョセフソン接合の形成には、収束イオンビームエッチング装置やフォトリソグラフィー装置などのような半導体デバイスの製造に用いられるような微細加工装置が利用されることが一般的である。これらの微細加工装置の利用においては、膨大な経費がかかるばかりではなく、製造プロセスの煩雑性や製造時間が長期にわたることなどが、問題となっている。研究機関においても、微細加工装置を所有することなく、ジョセフソン接合に関する研究を行うことは難しく、微細加工装置が非常に高価であることにより、ジョセフソン接合に関わる研究者人口が限定されてしまっているのが現状である。
【0004】
また、発熱による誤動作の防止や消費電力低減、集積化の向上、性能の向上などの観点からも、ジョセフソン素子の小型化を実現することは必要不可欠であると考えられている。
【0005】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、高価な微細加工装置を必要とせず、簡便かつ迅速に高い特性を持つジョセフソン接合の形成を実現する新たな高温超伝導ジョセフソン接合形成方法とこれにより形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子を提供することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、高温超伝導ウイスカー結晶をもってジョセフソン接合を形成する方法であって、高温超伝導ウイスカー結晶を交差させ、熱処理を施すことで、高温超伝導ウイスカー結晶の結合部もしくはその近傍にジョセフソン接合を形成することを特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法を提供する。
【0007】
また、この出願の発明は、第2には、高温超伝導ウイスカー結晶をもってジョセフソン接合を形成する方法であって、細長い線状にマスク加工された線状高温超伝導薄膜と、高温超伝導ウイスカー結晶とを交差させ、熱処理を施すことで、線状高温超伝導薄膜と高温超伝導ウイスカー結晶との間にジョセフソン接合を形成することを特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法を提供する。
【0008】
さらに、この出願の発明は、上記の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法について、第3には、上記第1の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法において、交差される少くとも一方の高温超伝導ウイスカー結晶が細長い線状に加工された線状高温超伝導単結晶に置換されている高温超伝導ジョセフソン接合形成方法を、第4には、上記第2の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法において、高温超伝導ウイスカー結晶が線状に加工された線状高温超伝導単結晶に置換されている高温超伝導ジョセフソン接合形成方法を提供する。そして、第5には、ジョセフソン接合を形成する高温超伝導ウイスカー結晶、線状高温超伝導薄膜、または線状高温超伝導単結晶ビスマス2212相、ビスマス2201相およびビスマス2223相のうちの少なくとも1種の相を含む化合物であることを特徴とし、第6には、互いにc面を上にして接合することを特徴とし、第7には、交差角を45〜90°で調整して接合することを特徴とし、第8には、この出願の発明により提供される高温超伝導ジョセフソン接合形成方法は、形成されるジョセフソン接合が固有ジョセフソン接合であることを特徴とする。
【0009】
またさらに、この出願の発明は、第には、上記の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法により形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子であって、ジョセフソン接合部以外を、結線用の線材として用いることを特徴とする高温超伝導ジョセフソン素子をも提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0011】
この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法においては、高温超伝導ウイスカー結晶が針状の細長い形状であることを利用し、極めて微小な接合面積でのジョセフソン接合を実現する。具体的には、たとえば基板上に、2本の高温超伝導ウイスカー結晶を交差するように設置し、次に、熱処理を施すことにより、これらの2本の高温超伝導ウイスカー結晶の結合部もしくはその近傍にジョセフソン接合を形成する。接合面積が微小であることから、特殊な微細加工を行う必要がない。
【0012】
この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法における熱処理の温度については、用いる高温超伝導ウイスカー結晶の種類によって異なるため一概にはいえないが、たとえば、上限を試料の融点とし、下限をおよそ500℃程度とすることを一般的な目安として例示することができる。より好ましくは700℃以上、さらには800℃以上とすることが好ましい。また、熱処理雰囲気については、少なくとも酸素が含まれていることが好ましい。
【0013】
この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法においては、高温超伝導ウイスカー結晶と線状高温超伝導薄膜とを、それぞれ1本ずつ基板上に交差するように設置し、次いで、熱処理を施すことで、高温超伝導ウイスカー結晶と線状高温超伝導薄膜との間にジョセフソン接合を形成してもよい。そして、上記のウイスカー結晶は、高温超伝導単結晶に置換されていてもよい。
【0014】
この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法において、ジョセフソン接合を形成する高温超伝導ウイスカー結晶、線状高温超伝導薄膜、または線状高温超伝導単結晶各種の高温超伝導体であってよいが、より好適には、主としてビスマス2212相、ビスマス2201相およびビスマス2223相のいずれかを含む化合物である。また、ビスマス2212相、ビスマス2201相およびビスマス2223相のうちの少なくとも2種以上の混相を含む化合物であってよもい。
【0015】
そして、高温超伝導ウィスカー結晶、あるいはこのものと線状高温超伝導薄膜、さらにはウイスカー結晶に置換される高温超伝導単結晶は、互いに任意の結晶面でジョセフソン接合を形成することができる。たとえば、a面とa面や、b面とc面の接合などが可能であるが、最適な組み合わせは、互いにc面を上にして交差して接合する場合である。すなわち、c面同士を接合することである。
【0016】
そして、この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法においては、これらの高温超伝導体の交差角度を変化させることによって、ジョセフソン特性を人為的にコントロールすることができる。具体的には、ジョセフソン電流は、たとえば交差角度が約90°のとき最大となり、約45°の時最小となる。したがって、ジョセフソン接合を素子として応用する際に、交差角を45〜90°で調整して接合することで、素子ごとのスイッチングのタイミング(電流値)を人為的にコントロールすることが可能となる。
【0017】
この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法により形成されるジョセフソン接合には、固有ジョセフソン接合が含まれる。一般に、積層数の少ない固有ジョセフソン接合を作成することは非常に困難であるが、この出願の発明の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法においては、1枚または小数枚の積層数による固有ジョセフソン接合を形成可能である。
【0018】
また、この出願の発明である高温超伝導ジョセフソン接合形成方法により形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子においては、ジョセフソン接合された高温超伝導ウイスカー結晶または線状高温超伝導薄膜の接合部以外の部分が結線用端子の線材として用いられる。これにより、超伝導状態での結線が実現するとから、ジョセフソン素子における発熱による誤動作の防止および消費電力低減が実現するものである。
【0019】
この出願の発明は、以上の特徴をもつものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【0020】
【実施例】
この出願の発明である高温超伝導ジョセフソン接合形成方法により、ジョセフソン接合を形成した。試料として、2本のビスマス2212高温超伝導ウイスカーを、十字形に交差するようにMgO基板上に配置した。次いで、2本の高温超伝導ウイスカーを基板ごと炉中に設置し、酸素雰囲気を制御した状態で熱処理を施す。焼成条件は、温度850℃、酸素分圧70%、焼成時間30分とした。
【0021】
図1に、熱処理後の試料の写真を示す。熱処理により得られた試料の端部に、電流電圧端子を設け、ジョセフソン接合部位の電流電圧特性を測定した結果を図2に示す。
【0022】
また、ビスマス2212高温超伝導ウイスカーとビスマス2212線状高温超伝導薄膜とを十字形に交差するようにMgO基板上に配置し、上記の焼成条件で熱処理を施した結果得られた試料について、ジョセフソン接合部位の電流電圧特性を測定した結果を図3に示す。
【0023】
図2および図3より、どちらの試料においても、良好な超伝導特性が得られていることがわかる。
【0024】
【発明の効果】
以上、詳しく説明した通り、この出願の発明により、高価な微細加工装置を必要とせず、簡便かつ迅速に高い特性を持つジョセフソン接合の形成を実現する新たな高温超伝導ジョセフソン接合形成方法が提供される。この出願の発明は、超伝導素子研究開発を活性化に貢献するものであり、さらには、超伝導デバイスの製造コストの低減、製造装置の簡略化、製造時間の短縮など多様な技術的効果を持つものである。この出願の発明により製造される高温超伝導ジョセフソン素子は、優れた機能性および特性を備えるものであることから、通信技術、センサー技術、情報処理技術などの様々な分野への応用が可能であると考えられ、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この出願の発明の実施例において形成されたジョセフソン接合を示した写真である。
【図2】 この出願の発明の実施例において形成されたジョセフソン接合の電流電圧特性を測定し
た結果を示したグラフである。
【図3】 この出願の発明の実施例において形成されたジョセフソン接合の電流電圧特性を測定した結果を示したグラフである。

Claims (9)

  1. 高温超伝導ウイスカー結晶をもってジョセフソン接合を形成する方法であって、高温超伝導ウイスカー結晶を交差させ、熱処理を施すことで、高温超伝導ウイスカー結晶の結合部もしくはその近傍にジョセフソン接合を形成することを特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  2. 高温超伝導ウイスカー結晶をもってジョセフソン接合を形成する方法であって、細長い線状にマスク加工された線状高温超伝導薄膜と、高温超伝導ウイスカー結晶とを交差させ、熱処理を施すことで、線状高温超伝導薄膜と高温超伝導ウイスカー結晶との間にジョセフソン接合を形成することを特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  3. 請求項1の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法において、交差される少くとも一方の高温超伝導ウイスカー結晶が細長い線状に加工された線状高温超伝導単結晶に置換されていることを特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  4. 請求項2の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法において、高温超伝導ウイスカー結晶が細長い線状に加工された線状高温超伝導単結晶に置換されていることを特徴とする高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  5. ジョセフソン接合を形成する高温超伝導ウイスカー結晶、または線状高温超伝導薄膜もしくは線状高温超伝導単結晶が、ビスマス2212相、ビスマス2201相およびビスマス2223相のうちの少なくとも1種の相を含む化合物であることを特徴とする請求項から4のいずれかの高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  6. 互いにc面を上にして接合することを特徴とする請求項1から5のいずれかの高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  7. 交差角を45〜90°で調整して接合することを特徴とする請求項1から6の高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  8. 形成されるジョセフソン接合が固有ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項1から7のいずれかの高温超伝導ジョセフソン接合形成方法。
  9. 請求項1から8のいずれかの高温超伝導ジョセフソン接合形成方法により形成されたジョセフソン接合を備える高温超伝導ジョセフソン素子であって、ジョセフソン接合部以外を、結線用の線材として用いることを特徴とする高温超伝導ジョセフソン素子。
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