JP5024774B2 - ３端子固有ジョセフソン接合積層体 - Google Patents

Description

本発明は、劈開性単結晶を立体的に微細加工して得られる固有ジョセフソン接合積層体に関するものであり、また、固有ジョセフソン接合積層体の評価方法に関するものでもある。

銅酸化物超伝導体は、よく知られているように数千もの接合から成っており、Ｂｉ₂Ｓ
ｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈の場合では各々の接合間距離は１．５ｎｍであり、固有ジョセフソン接
合（ＩＪＪ）と呼ばれる（R.Kleinerら,1992；G.Oyaら,1992）。高温（high-Tc）超伝導
体における固有ジョセフソン接合の発見は、マイクロエレクトロニクスの分野に、例えば、固有ジョセフソン接合を利用した高周波検出器、テラヘルツ発振器、超伝導デジタル回路等の新しい分野を切り開いた。しかし、実際にこれらが実現されるまでには、更に解決しなければならない問題は多い。一つの興味深い課題は、固有ジョセフソン接合の集積化である。言い換えれば、実際に応用される場合〔例えば、量子電圧標準（quantum voltage standard）〕のように多数の接合がある場合に、どのようにしたら多数の接合をもつ大きな接合アレイをつくれるか、さらには、自己発熱や照射光の不均等な分布をどう防ぐか、ということである。

最近、本発明者の一人（Wang）は、一つのチップに数千の固有ジョセフソン接合スタック―線状に結合された１次元固有ジョセフソン接合アレイ、あるいは、ジグザグに結合された２次元固有ジョセフソン接合アレイ―を集積させた超伝導電子デバイスの新しい両面製造方法を開発した（非特許文献１、特許文献１、２参照）。この新しい製造方法により、通常の金属電極と固有ジョセフソン接合のメサ（mesa）との接触によって生じる発熱の問題を解決でき、マイクロウェーブ信号と大きな基板上に製作された固有ジョセフソン接合との間の深刻な結合（coupling）の問題を解決できた。しかしながら、固有ジョセフソン接合構造から生じる現象には、未だ良く理解できないものも多い。例えば、ジュール熱や非平衡準粒子注入は、超伝導性抑制の主たる理由となるので多大の興味を引く（M.Suzukiら,1999；J.C.Fentonら,2002；J.C.Fentonら,2003；K.Anagawaら,2003；V.M.Krasnovら,20 01；V.N.Zavaritsky,2004）。ミクロンサイズの熱電対を用いて温度を直接測定した結果では、固有ジョセフソン接合メサではその温度は室温レベルにある（A.Yurgensら,2004）。また、多くの研究は、パルス化された掃引電流（pulsed sweep current）又はａ−ｂ平面上の小サンプルが超伝導性の抑制をいくらか減らすと示唆している。

H. B. Wang, P. H. Wu, and T. Yamashita, Appl. Phys. Lett. 78, 4010 (2001). 特開２００２−２４６６６４ 特開２００２−２４６６６５

以上の測定は全てメサ構造でなされており、例えば、通常の金属電極と固有ジョセフソン接合スタックとの接合部（通常は、半導体との接触）からのジュール熱や、４端子法の配置（4-probe configuration）で測定中の固有ジョセフソン接合の上部の小さなメサか
らの発熱のような他の影響は避けがたい。
本発明は、固有ジョセフソン接合特性とともに、温度等の物理パラメータを測定することができる固有ジョセフソン接合積層体を提供すること及びそれを用いた固有ジョセフソン接合積層体の評価方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、従来の構造とは異なる新しいタイプの固有ジョセフソン接合積層体、すなわち、スタックを２個形成させた固有ジョセフソン接合積層体をつくり、一方のスタックを通常の特性評価用（電流電圧測定用）スタックとし、他方のスタックを温度測定用スタックとし、これを用いて、他方のスタックの臨界電流の減少から測定対象のスタック（a working stack）の温度を測定できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、劈開性単結晶を立体的に微細加工して得られる（劈開性単結晶だけで構成される）固有ジョセフソン接合積層体であって、その固有ジョセフソン接合積層体の上部には上部電極（Ｔ）が、中間部には中間電極（Ｍ１／Ｍ２）が、下部には下部電極（Ｂ）が各々、積層面（ａ−ｂ面）に並行に突き出るように形成されるとともに、前記上部電極と中間電極との間、及び中間電極と下部電極との間にはいずれにも固有ジョセフソン接合スタック（各々、「上部スタック」及び「下部スタック」という）が形成されている固有ジョセフソン接合積層体、である。

また、本発明は、固有ジョセフソン接合積層体の評価方法、すなわち、劈開性単結晶だけで構成される固有ジョセフソン接合積層体の上部、中間部及び下部に各々、積層面（ａ−ｂ面）に並行に突き出るように上部電極（Ｔ）、中間電極（Ｍ１／Ｍ２）及び下部電極（Ｂ）を形成するとともに、前記上部電極と中間電極との間、及び中間電極と下部電極との間に、各々固有ジョセフソン接合スタックを形成し、上部電極（Ｔ）と中間電極（Ｍ１）との間（すなわち、「上部スタック」）で、固有ジョセフソン接合特性を測定し、
下部電極（Ｂ）と他の中間電極（Ｍ２）との間（すなわち、「下部スタック」）で、電流−電圧特性から見積もられる物理パラメータを測定することを特徴とする、固有ジョセフソン接合積層体の評価方法も提供する。なおここで、逆に、下部スタックにおいて固有ジョセフソン接合特性を測定し、上部スタックにおいて電流−電圧特性から見積もられる物理パラメータを測定しても構わない。
上記固有ジョセフソン接合特性としては、通常、電流−電圧特性が選ばれる。また、上記電流−電圧特性から見積もられる物理パラメータとしては、典型的なものは温度であり、そのほかにも電流―電圧特性に影響を与えるもの、たとえば磁場の強さ、電磁波の強度又は周波数等の特性であってもよい。以下の実施例においては、電流―電圧特性を測定し、その変化から温度を見積もることにより温度を測定するものであるが、磁場の強さ、電磁波の強度、周波数等の物理パラメータも電流−電圧特性に影響を与えるものであるから、温度と同様に測定できる。

本発明における劈開性単結晶としては、好ましいものはビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（ＢＳＣＣＯと略す）単結晶である。ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（ＢＳＣＣＯ）は、通常、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ_(n-1)Ｃｕ_nＯ_2n+4中と表すことができ（但し、ｎは１以上の整数）、中でも、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₈がよく用いられる。

本発明の固有ジョセフソン接合積層体の具体例は、後述するように、図１に示すような比較的単純な構造や、図５に示すような（図１の構造を多数有する）構造もあり、これらスタックの微細加工や製造は特開２００２−２４６６６５に開示した両面加工方法によって容易に行なうことができる。

本発明の固有ジョセフソン接合積層体は新規な構造であり、ナノサイズの電極を有する
と共にスタックを２個（あるいはその整数倍）形成させた固有ジョセフソン接合積層体である。これによって接合アレイの中の所望する点へ原子スケールでアクセスできる。
また、本発明の固有ジョセフソン接合積層体は、固有ジョセフソン接合における物理的プロセスを探るための必須のプローブを提供する。
本発明の（ジョセフソン接合積層体の）評価方法を用いて、２個のスタック（上部スタック及び下部スタック）のうちの一方のスタックを通常の固有ジョセフソン接合特性評価用スタックとし、他方のスタックを温度測定用スタックとして用いれば、ジュール熱などによる加熱（温度変化）が起きているかどうかをリアルタイムでモニターしながら、そのジョセフソン接合（スタック）におけるジョセフソン特性の測定が可能である。
本発明の固有ジョセフソン接合積層体を用いた固有ジョセフソン接合アレイは、超伝導デジタル回路、３端子デバイス、３次元アレイ、及びその他のマイクロエレクトロニクス分野で多くの応用が期待できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を更に具体的に説明する。
図１は、本発明の一例の固有ジョセフソン接合積層体（模式図）であり、図２はその固有ジョセフソン接合積層体を用いてＭｇＯ基板上に作られた固有ジョセフソン接合アレー（サンプル）の光学顕微鏡像（平面図）で、図２中の点線で囲ったコア部分が上記固有ジョセフソン接合積層体である。基板ＭｇＯは透明なので、背後から光を当てるとサンプルの構造が詳細に分かる。図１の模式図から分かるように、サンプル中には、中間部のわずか１００ｎｍ（１０００オングストローム）の厚みのＢＳＣＣＯ電極によって分離された二つのスタックがある。図では、この電極は薄くて殆ど透明である。固有ジョセフソン接合積層体は、ＢＳＣＣＯ電極によって分離された二つのスタック（数百オングストロームにデザインされる）のほかに、数十のジョセフソン接合Ｔ，Ｂ，及びＭ（Ｔ：上部電極、Ｂ：下部電極、Ｍ：中間電極）を有している。ＴＭ間のスタックはいわゆる「上部スタック」と呼ばれ、ＭＢ間のスタックはいわゆる「下部スタック」と呼ばれ、ＴＢ間のスタックはいわゆる「上部下部間スタック」と各々呼ばれる。ＢＳＣＣＯ電極はいずれも（平面視で）末広がりにテーパーがついていて、更に、電圧端子と電流端子（図２では金線を用いている）との二つに分けられている。合計８つの端子が製作されており、これを用いて、任意の二つの積層間の様々な輸送特性やスタック間の相互作用を測定できる。

図３（ａ）及び（ｃ）で示したものは、上記ＢＳＣＣＯサンプルにおいて、各々、Ｂ−Ｍ電極及びＴ−Ｍ電極を用いて個別に測定した下部スタック及び上部スタックのI-V特性
である。全ての測定は、物性測定システム（Quantum Design）を用いて４．２Ｋで行なった。いくつかのサンプルについての臨界電流の温度依存性については、４．２Ｋからその臨界温度までの範囲で行なった。これらのデータを用いて、臨界電流の値からサンプルの温度を推定した。
測定されたI-V特性は均一な接合特性を有する固有ジョセフソン接合の典型的なもので
ある。マルチの分枝数を注意深く数えると、いずれの場合も５５の接合があり、これは精密な製作物であることを示している。しかしながら、フォトリソグラフィーのあいだのマスク材の位置合わせの少々の誤差が原因で、上部スタック及び下部スタックは異なるａ−ｂ平面サイズを有しており、臨界電流は各々９０μＡ及び６０μＡであった。

図３（ｂ）で示したものは、Ｔ−Ｂ電極を用いて測定した上部下部間スタックのI-V特
性である。図３（ｂ）と図３（ａ）、（ｃ）とを比較すると、面白いことに上部下部間スタックのI-V曲線では、ある点で電流の急激な上昇があることに気付く。この電流の急激
な上昇は、下部スタックの臨界電流値をちょうど越えた電流で起こっている。このことは偶然に観察したが、この観察は、電流が急に上昇する点で下部スタックの全ての接合は電圧状態（voltage state）にあると我々に信じさせる。全体として、下部スタックは上部
スタックの臨界電流を抑える熱源のように振舞う。ここでは示さない上部スタックの臨界
電流の温度依存性を参照して、図３（ｂ）の上部スタックは約３６Ｋであると推定している。

次に、一つのスタック（以下、センサースタックという）の臨界電流を、バイアスのかかった他のスタック（以下、バイアスドスタックという）に掛けたバイアス電流を変化させながら測定することによって更に相互作用を測定することとした。この方法によれば、センサースタックの臨界電流の変化は、バイアスドスタックの状態を示しながらそこの温度が何度かがわかる。

図４は、他のサンプルから得られた実験結果であり、センサ接合の臨界電流のバイアス電流依存性と有効温度を示すグラフである。センサースタックの臨界電流は１５０μＡであり、バイアスドスタックの臨界電流は５０−１００μＡの分布をもつ。
図４の曲線は、センサースタックの臨界電流（Ic）とそれに対応する温度が、バイアスドスタックのバイアス電流（Ib）に依存していることを示している。データは、バイアス電流をゼロから１．２８ｍＡに増加させて得（▲印）、それから、ゼロに減少させて得た（▼印）ものである。この順序は、バイアス電流自体が重要であるほどには重要でないことは明らかである。図４にはまた、その二つのスタックが存在する有効温度（Te）が示されている。接合の多くが電圧状態（voltage state）（５０−１００μＡのバイアス電流
を有する）へ転換するほど、Teは非常に早く上昇することが分かる。６１０μＡでは、Teは既に７０Ｋと高い。更にバイアス電流が増加すると、臨界温度８８Ｋを超え、その後上昇傾向はゆっくりとなる。これは、より高温ではｃ軸の比抵抗（resistivity）が減少す
るためと考えられる。このバイアス源の電圧制限の理由で、我々は１００−６００μＡの範囲のバイアス電流のデータは得られていない。にもかかわらず、Teは３５Ｋと７０Ｋの間であると信じる多くの理由を我々は持っている。

図５は本発明の固有ジョセフソン接合積層体の別の例（模式図）を示したものである。図１の固有ジョセフソン接合積層体を平面的に多数連結させたような構造である。これにより、固有ジョセフソン接合積層体における電磁波等の発生を増強させることができるので、通信用、医療用機器等のテラヘルツの電磁波を発生させる機器一般への利用が期待できる。

本発明のＢＳＣＣＯ固有ジョセフソン接合積層体の模式図。電極部はわずか１０００オングストロームの厚みであることを示している。 図１のＢＳＣＣＯ固有ジョセフソン接合積層体を用いた固有ジョセフソン接合アレーの光学顕微鏡の写真（平面図）。四角点線で囲った部分がＢＳＣＣＯ固有ジョセフソン接合積層体である。 本発明のＢＳＣＣＯ固有ジョセフソン接合積層体で測定した電流−電圧（I-V）特性図（横軸が電圧、縦軸が電流）で、（ａ）上部と中間部との間の「上部スタック」におけるもの、（ｂ）は上部と下部との間の「上部下部間スタック」、（ｃ）は中間部と下部との間の「下部スタック」である。 センサ接合の臨界電流のバイアス電流依存性と有効温度を示すグラフ。 本発明のＢＳＣＣＯ固有ジョセフソン接合積層体の別の例の模式図。

符号の説明

Ｂ：下部電極
Ｔ：上部電極
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２：中間電極

Claims (5)

1. 劈開性単結晶を立体的に微細加工して得られる固有ジョセフソン接合積層体であって、
   その固有ジョセフソン接合積層体の上部には立体的に微細加工された前記劈開性単結晶の一部で構成される上部電極が、中間部には立体的に微細加工された前記劈開性単結晶の一部で構成される中間電極が、下部には立体的に微細加工された前記劈開性単結晶の一部で構成される下部電極が各々、積層面に並行に突き出るように形成されるとともに、
   前記上部電極と中間電極との間、及び中間電極と下部電極との間にはいずれにも、固有ジョセフソン接合スタックが形成されていることを特徴とする固有ジョセフソン接合積層体。
2. 前記劈開性単結晶はビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物単結晶であることを特徴とする請求項１の固有ジョセフソン接合積層体。
3. 劈開性単結晶だけで構成される固有ジョセフソン接合積層体の上部、中間部及び下部に各々、積層面に並行に突き出るように上部電極、中間電極及び下部電極を形成するとともに、
   前記上部電極と中間電極との間、及び中間電極と下部電極との間に、各々固有ジョセフソン接合スタックを形成し、
   上部電極と中間電極との間（上部スタック）及び下部電極と他の中間電極との間（下部スタック）のうち一方のスタックで、固有ジョセフソン接合特性を測定し、
   他方のスタックで、電流−電圧特性から見積もられる物理パラメータを測定することを特徴とする、固有ジョセフソン接合積層体の評価方法。
4. 前記劈開性単結晶はビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物単結晶であることを特徴とする請求項３の評価方法。
5. 前記物理パラメータが温度であることを特徴とする請求項３又は４の評価方法。
   

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