JP4092393B2

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

Info

Publication number: JP4092393B2
Application number: JP2001295078A
Authority: JP
Inventors: 義彦高野; 毅羽多野; 明石井; 俊一有澤; 一正戸叶
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: JP2002141566A

Description

【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、交差される少な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９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

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。
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。
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、交差される少な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。
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。
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１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。
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。
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。
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。
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。