JP5187559B2 - Superconducting quantum interference device - Google Patents
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Description
本発明は、ジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子(SQUID)に関する。
The present invention relates to a superconducting quantum interference device (SQUID) using a Josephson junction.
これまで、超伝導トンネル接合として、酸化膜(I)の両側に超伝導体層(S)を挟み込んだSIS型ジョセフソン接合がある。このSIS型ジョセフソン接合を作製する場合、超伝導体層と絶縁バリア層と超伝導体層との合計3層を順に積層するために最低でも3回の成膜工程が必要であった(例えば、非特許文献1参照)。超伝導トンネル接合の特性は、いわゆるIcRN積によって特徴づけられ、この値が大きいほど良好な接合となる。 Until now, there is a SIS type Josephson junction in which a superconductor layer (S) is sandwiched between both sides of an oxide film (I) as a superconducting tunnel junction. When this SIS type Josephson junction is manufactured, at least three film forming steps are required in order to sequentially stack a total of three layers of a superconductor layer, an insulating barrier layer, and a superconductor layer (for example, Non-Patent Document 1). The characteristics of the superconducting tunnel junction are characterized by the so-called I c RN product, and the larger this value, the better the junction.
単一磁束量子デバイス(Single Flux Quantum Device、以下、SFQ素子と称する。)は、ジョセフソン接合を用いた論理回路である(非特許文献2参照)。このSFQ素子においては、磁束量子一本がジョセフソン接合を横切るときに発生するパルス状の電圧を利用して論理回路を構成する。この場合のスイッチング速度は、IcRN積に逆比例する。従って、IcRN積が大きい程、高速で動作する。IcRN積は、大凡、ジョセフソン接合に用いる超伝導体の臨界温度(Tc)に比例して大きくなる。 A single flux quantum device (hereinafter referred to as an SFQ element) is a logic circuit using a Josephson junction (see Non-Patent Document 2). In this SFQ element, a logic circuit is configured by using a pulsed voltage generated when one magnetic flux quantum crosses a Josephson junction. The switching speed in this case is inversely proportional to the I c RN product. Therefore, the larger the I c RN product, the faster the operation. I c R N product is approximately increases in proportion to the critical temperature of the superconductor (Tc) used for the Josephson junction.
高温超伝導体層を用いたジョセフソン接合によれば、そのTcが従来のNbなどの超伝導体よりも大きいので、IcRN積が大きくなることが予測されている。しかしながら、現状の高温超伝導体においては、IcRN積が理論的に期待される値に対し10%程度の値をもつジョセフソン接合しか得られず、IcRN積が高くできないという課題がある。 According to the Josephson junction using the high-temperature superconductor layer, its Tc is larger than that of a conventional superconductor such as Nb, and therefore it is predicted that the I c RN product will be large. However, as in the high-temperature superconductor of the current, I c R N product is obtained only Josephson junctions with a value of about 10% with respect to the theoretically expected value can not be higher I c R N product There are challenges.
特に、高温超伝導体においては、絶縁バリア層作製の制御性や再現性を高めることが非常に困難であるために、良質の超伝導SIS型トンネル接合の作製ができなかった。そのため、安定した特性を有する量子磁束干渉素子(SQUID)を簡便な方法で作製することが困難であった。 In particular, in a high-temperature superconductor, since it is very difficult to improve the controllability and reproducibility of the production of the insulating barrier layer, a high-quality superconducting SIS tunnel junction cannot be produced. Therefore, it has been difficult to produce a quantum magnetic flux interference element (SQUID) having stable characteristics by a simple method.
本発明は上記課題に鑑み、超伝導体、特に高温超伝導体によるSIS型ジョセフソン接合において、良好な絶縁バリア層が得られないという技術的困難を克服するために、絶縁バリア層の形成を不要とする新たな超伝導量子干渉素子を提供することを目的としている。
In view of the above problems, the present invention provides an insulating barrier layer formed in order to overcome the technical difficulty that a good insulating barrier layer cannot be obtained in a SIS-type Josephson junction using a superconductor, particularly a high-temperature superconductor. An object of the present invention is to provide a new superconducting quantum interference device that is unnecessary.
本発明は、超伝導体層上に強磁性層を被覆した構造において、強磁性層をなす磁性体が下側の超伝導体層の超伝導を抑制し、特に高温超伝導体層に対して超伝導体(S)から絶縁体(I)への転移を引き起こす点に着目してなされたものである。 In the present invention, in the structure in which the ferromagnetic layer is coated on the superconductor layer, the magnetic material forming the ferromagnetic layer suppresses the superconductivity of the lower superconductor layer, particularly for the high-temperature superconductor layer. It was made paying attention to the point which causes the transition from the superconductor (S) to the insulator (I).
上記目的を達成するために、本発明の超伝導量子干渉素子は、一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続して構成したリング部を有する超伝導体層と、この一対の狭窄部の一方に跨るように配設された強磁性層と、を備える。
また、本発明の超伝導量子干渉素子は、一対のアンテナ部を一対の狭窄部で接続して構成したリング部を有する超伝導体層と、一対の狭窄部のそれぞれに跨るように配設された強磁性層と、を備える。
好ましくは、超伝導体層及び強磁性層は、基板をオーバーエッチングして形成されたメサ部上に配設されている。
好ましくは、一対のアンテナ部のそれぞれは、縦幅0.1〜1000μm×横幅0.1〜1000μmの矩形状を成し、狭窄部はμmのオーダーの幅であり、強磁性層は、2nm〜1μmの幅である。
In order to achieve the above object, a superconducting quantum interference device of the present invention includes a superconductor layer having a ring portion formed by connecting a pair of antenna portions by a pair of constricted portions, and one of the pair of constricted portions. And a ferromagnetic layer disposed so as to straddle.
The superconducting quantum interference device of the present invention is disposed so as to straddle the superconductor layer having a ring portion formed by connecting a pair of antenna portions by a pair of constricted portions and the pair of constricted portions. And a ferromagnetic layer.
Preferably, the superconductor layer and the ferromagnetic layer are disposed on a mesa formed by overetching the substrate.
Preferably, each of the pair of antenna portions has a rectangular shape with a vertical width of 0.1 to 1000 μm × a horizontal width of 0.1 to 1000 μm, the narrowed portion has a width on the order of μm, and the ferromagnetic layer has a thickness of 2 nm to The width is 1 μm.
本発明の超伝導量子干渉素子によれば、超伝導体層のループ部の一部に強磁性層を配設して構成されているため、強磁性層で被覆された超伝導体層の超伝導体から絶縁体へ転移が生じ、これにより、SIS型ジョセフソン接合が形成される。よって、従来のようにバリア層を超伝導体層で挟んだ構造と異なり、簡単な構造により超伝導量子干渉素子を実現できる。 According to the superconducting quantum interference device of the present invention, since the ferromagnetic layer is arranged in a part of the loop portion of the superconductor layer, the superconductor layer covered with the ferromagnetic layer is super A transition from a conductor to an insulator occurs, thereby forming a SIS-type Josephson junction. Therefore, unlike a conventional structure in which a barrier layer is sandwiched between superconductor layers, a superconducting quantum interference device can be realized with a simple structure.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において、同一又は対応する部材には同一の符号を用いる。
超伝導量子干渉素子の第1実施形態について説明する。
図1は、第1実施形態に係る超伝導量子干渉素子を示し、(A)は平面図、(B)はX1-X1線に沿う断面図である。超伝導量子干渉素子10は、リング部12Aを有する超伝導体層12と、この超伝導体層12のリング部12Aの一部を跨いで配設された強磁性層13,13と、を有する。第1実施形態では、複数の強磁性層13、13がリング部12Aに跨いで被覆している。超伝導体層12のリング部12Aのうち強磁性層13,13で被覆された領域12B,12Bが、強磁性層13により超伝導体(S)から絶縁体(I)へ転移し、障壁となる。この構造により所謂SIS型のジョセフソン接合が2箇所で形成されるため、所謂DC−SQUIDを構成する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same code | symbol is used for the same or corresponding member.
A first embodiment of a superconducting quantum interference device will be described.
1A and 1B show a superconducting quantum interference device according to the first embodiment, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line X1-X1. The superconducting quantum interference device 10 includes a superconductor layer 12 having a ring portion 12A, and ferromagnetic layers 13 and 13 disposed across a part of the ring portion 12A of the superconductor layer 12. . In the first embodiment, the plurality of ferromagnetic layers 13 and 13 covers the ring portion 12A. Of the ring portion 12A of the superconductor layer 12, the regions 12B and 12B covered with the ferromagnetic layers 13 and 13 are transferred from the superconductor (S) to the insulator (I) by the ferromagnetic layer 13, and the barrier and Become. This structure forms a so-called DC-SQUID because so-called SIS-type Josephson junctions are formed at two locations.
上記構造において、超伝導体層12の各両端部に電流端子12G,12Hが設けられている。電流端子12G,12H間に電流を流すと、ある閾値を超えたときに超伝導量子干渉素子10にはゼロでない電圧が発生する。この閾値を臨界電流と呼ぶことにする。臨界電流が磁束の関数になることを利用することで、臨界電流の測定により磁束を高感度で検出することができる。 In the above structure, current terminals 12G and 12H are provided at both ends of the superconductor layer 12. When a current is passed between the current terminals 12G and 12H, a non-zero voltage is generated in the superconducting quantum interference device 10 when a certain threshold value is exceeded. This threshold value is called a critical current. By utilizing the fact that the critical current is a function of the magnetic flux, the magnetic flux can be detected with high sensitivity by measuring the critical current.
この構造は、トンネル層を超伝導体層で挟んで構成した従来のSIS型のジョセフソン接合とは異なり、超伝導体層、酸化膜などのトンネル層、超伝導体層の最低三層の成膜工程が必要ではないため、トンネル層の形成が不要となり工程数を減らすことができる。
特に、従来の構造では、銅酸化物による高温超電導体に対してトンネル層を積層するので、せっかく形成された洗浄表面が必ず汚染され、ジョセフソン接合の特性が悪くなっていた。しかしながら、超伝導量子干渉素子10では、酸化膜を部分的に除去してトンネル層を形成することはないため、ジョセフソン接合の電気的な特性の制御や再現性が良くなり、超伝導量子干渉素子10の感度などの特性も極めて向上する。
This structure is different from a conventional SIS type Josephson junction in which a tunnel layer is sandwiched between superconductor layers, and is composed of at least three layers of a superconductor layer, a tunnel layer such as an oxide film, and a superconductor layer. Since a film process is not necessary, it is not necessary to form a tunnel layer, and the number of processes can be reduced.
In particular, in the conventional structure, since the tunnel layer is laminated on the high-temperature superconductor made of copper oxide, the cleaning surface thus formed is always contaminated, and the characteristics of the Josephson junction are deteriorated. However, in the superconducting quantum interference device 10, the oxide film is not partially removed to form the tunnel layer, so that control and reproducibility of the electrical characteristics of the Josephson junction are improved, and superconducting quantum interference is achieved. Characteristics such as sensitivity of the element 10 are also greatly improved.
さらに、超伝導量子干渉素子10の構成について具体的に説明する。
超伝導量子干渉素子10は、図1に示すように、超伝導体層12及び強磁性層13が基板11上に配設されて構成されている。図1(A)では基板11は省略している。
基板11として、例えば酸化マグネシウム(MgO)基板、サファイア(Al2O3)基板、LaとAlとOからなる化合物(LaAlO3)基板、SrとAlとOとからなる化合物(SrAlO3)基板が挙げられる。
Further, the configuration of the superconducting quantum interference device 10 will be specifically described.
As shown in FIG. 1, the superconducting quantum interference device 10 includes a superconductor layer 12 and a ferromagnetic layer 13 disposed on a substrate 11. In FIG. 1A, the substrate 11 is omitted.
Examples of the substrate 11 include a magnesium oxide (MgO) substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a compound composed of La, Al, and O (LaAlO 3 ) substrate, and a compound composed of Sr, Al, and O (SrAlO 3 ) substrate. Can be mentioned.
超伝導体層12は、四角形、矩形状、円環状その他のリング部12Aを有する。超伝導体層12は、一対のアンテナ部12C,12Dが一対の狭窄部12E,12Fにより連結されてループを構成している。一対のアンテナ部12C,12Dは何れも、例えば図1に示すように横幅W11、縦幅W12、厚みD11の矩形状である。一対のアンテナ部は、図示を省略するが、台形状、特に等脚台形状であってもよい。この場合、平行をなす上底部と下底部の何れか一方に一対の狭窄部12E,12Fが接続されている。一対の狭窄部12E,12Fは、図1に示すように幅W21、長さL21、厚みD11を有する細線部である。 The superconductor layer 12 has a quadrangular, rectangular, annular or other ring portion 12A. In the superconductor layer 12, a pair of antenna portions 12C and 12D are connected by a pair of constricted portions 12E and 12F to form a loop. Each of the pair of antenna portions 12C and 12D has a rectangular shape with a width W 11 , a width W 12 , and a thickness D 11 as shown in FIG. 1, for example. The pair of antenna portions are not shown, but may be trapezoidal, particularly isosceles trapezoidal. In this case, a pair of constricted portions 12E and 12F are connected to either one of the upper bottom portion and the lower bottom portion that are parallel to each other. The pair of constricted portions 12E and 12F are thin line portions having a width W 21 , a length L 21 , and a thickness D 11 as shown in FIG.
ここで、横幅W11、縦幅W12は何れも、0.1μm以上でかつ1000μm以下であることが良く、特に下記の範囲であることが好ましい。
0.1μm≦W11≦10μm
1μm≦W12≦10μm
Here, the horizontal width W 11 and the vertical width W 12 are both preferably 0.1 μm or more and 1000 μm or less, and particularly preferably in the following ranges.
0.1 μm ≦ W 11 ≦ 10 μm
1 μm ≦ W 12 ≦ 10 μm
W21は5μm程度以下であればよいが、高温超伝導体層12のコヒーレンス長と同程度、例えば30nmから50nm程度としてもよい。幅W21は、電流分布が一様となるように設定される必要がある。これは、電流分布が一様でない場合には、ジョセフソン磁束が生じてしまい、動作に支障をきたすからである。そのため、高温超伝導体層12における幅W21はジョセフソン侵入長程度以下という条件でなければならない。ジョセフソン侵入長は臨界電流に反比例するので、温度を変化させることによってジョセフソン接合がこの条件を満たすようにすればよい。 W 21 may be about 5 μm or less, but may be about the same as the coherence length of the high-temperature superconductor layer 12, for example, about 30 nm to 50 nm. The width W 21 needs to be set so that the current distribution is uniform. This is because when the current distribution is not uniform, Josephson magnetic flux is generated, which hinders operation. Therefore, the width W 21 in the high-temperature superconductor layer 12 must be in a condition that it is about Josephson penetration depth or less. Since the Josephson penetration depth is inversely proportional to the critical current, the Josephson junction should satisfy this condition by changing the temperature.
高温超伝導体層12における厚さD11の唯一の制約は、超伝導特性が発現するための必要最小限の値以上になっていることである。その具体的値は、超伝導体の材料として何を用いるかに依存する。例えば、後述する実施例の銅酸化物超伝導体の場合、過去の文献では、数nmで比較的良好な超伝導特性が発現している例がある。 The only restriction of the thickness D 11 of the high temperature superconductor layer 12 is that it has become more than necessary minimum level for superconductivity is exhibited. The specific value depends on what is used as the material of the superconductor. For example, in the case of a copper oxide superconductor of an example to be described later, there are examples in the past literature in which relatively good superconducting characteristics are expressed at several nm.
一対のアンテナ部12C,12Dは、一対の狭窄部12E,12Fの長さL21だけ離れて配設される。この長さL21は下記の範囲が好ましい。
0.1μm≦L21≦10μm
上記範囲を超えると、磁束量子1個の運動を取り出すことが著しく困難になるからである。
A pair of antenna portions 12C, 12D has a pair of narrowing portions 12E, it is arranged apart by a length L 21 of 12F. The length L 21 is preferably in the following range.
0.1 μm ≦ L 21 ≦ 10 μm
This is because when the above range is exceeded, it is extremely difficult to extract the motion of one magnetic flux quantum.
超伝導体層12は、超伝導体、例えばニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、鉛を含む化合物や銅酸化物超伝導体で成る。銅酸化物超伝導体として、La,Sr,Cu及びOからなる化合物(LSCO)、Y,Ba,Cu及びOからなる化合物(YBCO)、Bi,Sr,Ca,Cu及びOからなる化合物(BSCCO)などが挙げられる。特に、超伝導体層12が大きいTcを有することで、ジョセフソン接合のIcRN積が大きくなる。 The superconductor layer 12 is made of a superconductor such as niobium, niobium nitride, aluminum, a compound containing lead, or a copper oxide superconductor. As a copper oxide superconductor, a compound composed of La, Sr, Cu and O (LSCO), a compound composed of Y, Ba, Cu and O (YBCO), a compound composed of Bi, Sr, Ca, Cu and O (BSCCO) ) And the like. In particular, the superconductor layer 12 having a large Tc increases the I c RN product of the Josephson junction.
強磁性層13は、第1の実施形態では、一対の狭窄部12E,12Fとしての細線部上にそれぞれ被覆されている。強磁性層13は、図示するように、各狭窄部12E,12Fに被覆され、その両端部が基板11上に延設されていても、図示を省略するが、各狭窄部12E,12F上にのみ被覆されていてもよい。強磁性層13は、狭窄部12E,12Fのうち強磁性層13で被覆されている領域が強磁性層13により超伝導体(S)から絶縁体(I)に転移してバリアが形成されるため、強磁性層13の幅W31は下記の範囲であることが好ましい。 In the first embodiment, the ferromagnetic layer 13 is coated on the thin line portions as the pair of constricted portions 12E and 12F, respectively. As shown in the figure, the ferromagnetic layer 13 is covered with the narrowed portions 12E and 12F, and even though both ends thereof are extended on the substrate 11, the illustration is omitted, but the ferromagnetic layer 13 is formed on the narrowed portions 12E and 12F. It may be coated only. In the ferromagnetic layer 13, a region covered by the ferromagnetic layer 13 in the narrowed portions 12 </ b> E and 12 </ b> F is transferred from the superconductor (S) to the insulator (I) by the ferromagnetic layer 13 to form a barrier. Therefore, the width W 31 of the ferromagnetic layer 13 is preferably in the following range.
強磁性層13の狭窄部12E,12F方向の幅W31は、高温超伝導体層12における狭窄部を覆う長さであればよい。例えば、強磁性層13の幅W31は、理論的には、超伝導体のコヒーレンス長程度でないとジョセフソン効果は起こらないが、未解明の機構などによりそれより長距離でジョセフソン効果が生起する可能性もある。この場合には、寸法上の制約はなくなる。強磁性層13の幅W31は、具体的には数nmから1μm程度の範囲、即ち2nm〜1μmであればよい。特に2nmから0.1μmの範囲が好ましい。
強磁性層13の積層方向の厚さtは、下部にある高温超伝導体層12の超伝導特性を抑制してジョセフソン特性が出現しさえすればよいので、厚くする分には特に寸法上の制約はない。例えば、10nm以上(t≧10nm)とすればよい。厚さtが大凡10nm未満では、後述する高温超伝導体層における狭窄部12Cへのバリア作用が果たせなくなるので好ましくない。
なお、強磁性層13の長さL31は、狭窄部12E,12Fの幅W21と同程度で狭窄部12E,12Fを被覆するだけの長さを有していても、また、図示するように、狭窄部12E,12Fの幅W21よりも長くてもよい。
The width W 31 of the ferromagnetic layer 13 in the direction of the narrowed portions 12E and 12F may be a length that covers the narrowed portion of the high-temperature superconductor layer 12. For example, if the width W 31 of the ferromagnetic layer 13 is theoretically not about the coherence length of the superconductor, the Josephson effect will not occur, but the Josephson effect will occur at a longer distance due to unexplained mechanisms. There is also a possibility to do. In this case, there are no dimensional restrictions. Specifically, the width W 31 of the ferromagnetic layer 13 may be in the range of several nm to 1 μm, that is, 2 nm to 1 μm. The range of 2 nm to 0.1 μm is particularly preferable.
The thickness t in the laminating direction of the ferromagnetic layer 13 is only required to suppress the superconducting property of the high-temperature superconductor layer 12 below, so that the Josephson property appears. There are no restrictions. For example, it may be 10 nm or more (t ≧ 10 nm). If the thickness t is less than about 10 nm, it is not preferable because the barrier function to the constricted portion 12C in the high-temperature superconductor layer described later cannot be achieved.
The length L 31 of the ferromagnetic layer 13 is about the same as the width W 21 of the narrowed portions 12E and 12F and has a length sufficient to cover the narrowed portions 12E and 12F. , the constriction 12E, may be longer than the width W 21 of 12F.
強磁性層13は、Fe3O4など各種フェライトその他の絶縁性強磁性材料で構成しても、鉄(Fe),ニッケル(Ni),マンガン(Mn),クロム(Cr)などの単体又は合金その他の導電性強磁性材料で構成してもよい。 The ferromagnetic layer 13 may be composed of various ferrites or other insulating ferromagnetic materials such as Fe 3 O 4 , but may be a simple substance or an alloy such as iron (Fe), nickel (Ni), manganese (Mn), or chromium (Cr). You may comprise with another electroconductive ferromagnetic material.
超伝導量子干渉素子の第2実施形態について説明する。
図2は、第2実施形態に係る超伝導量子干渉素子20を示し、(A)は平面図、(B)はX2-X2線に沿う断面図である。なお、図1と同一又は対応する部材には同一の符号を付してある。
図2に示す超伝導量子干渉素子20は第1の実施形態と異なり、リング部12Aを有する超伝導体層12と、この超伝導体層12のリング部12Aの一箇所を被覆した強磁性層13と、を有する。超伝導体層12のリング部12Aのうち強磁性層13で被覆された領域12Bが、強磁性層13により超伝導体(S)から絶縁体(I)へ転移し、障壁となる。この構造により所謂SIS型のジョセフソン接合が1箇所で形成されるため、RF−SQUIDを構成する。このRF−SQUIDにおいても臨界電流の測定による磁束を高感度で検出することができる。
A second embodiment of the superconducting quantum interference device will be described.
2A and 2B show a superconducting quantum interference device 20 according to the second embodiment, in which FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line X2-X2. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which is the same as that of FIG. 1, or respond | corresponds.
Unlike the first embodiment, the superconducting quantum interference device 20 shown in FIG. 2 has a superconductor layer 12 having a ring portion 12A and a ferromagnetic layer covering a portion of the ring portion 12A of the superconductor layer 12. 13. The region 12B covered with the ferromagnetic layer 13 in the ring portion 12A of the superconductor layer 12 is transferred from the superconductor (S) to the insulator (I) by the ferromagnetic layer 13 and becomes a barrier. With this structure, a so-called SIS type Josephson junction is formed at one place, and thus an RF-SQUID is formed. Also in this RF-SQUID, the magnetic flux obtained by measuring the critical current can be detected with high sensitivity.
超伝導量子干渉素子の第3の実施形態について説明する。
図3は、第3実施形態に係る超伝導量子干渉素子30を示し、(A)は平面図、(B)はX3-X3線に沿う断面図である。図3に示す超伝導量子干渉素子30は第1の実施形態と異なり、基板11において超伝導体層12及び強磁性層13が形成されない領域がオーバーエッチングされている。すなわち、超伝導体層12及び強磁性層13が基板11のメサ部31A上に形成されている点で異なる。基板11をオーバーエッチングすることで、基板11上の超伝導体層12や強磁性層13との段差にウエットエッチング残渣が残らない。従って、ジョセフソン接合の特性劣化の要因とはならない。
A third embodiment of the superconducting quantum interference device will be described.
3A and 3B show a superconducting quantum interference device 30 according to the third embodiment, in which FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line X3-X3. Unlike the first embodiment, the superconducting quantum interference device 30 shown in FIG. 3 is over-etched in the substrate 11 where the superconductor layer 12 and the ferromagnetic layer 13 are not formed. That is, the difference is that the superconductor layer 12 and the ferromagnetic layer 13 are formed on the mesa portion 31 A of the substrate 11. By over-etching the substrate 11, no wet etching residue remains on the step with the superconductor layer 12 or the ferromagnetic layer 13 on the substrate 11. Therefore, it does not cause deterioration of the characteristics of the Josephson junction.
超伝導量子干渉素子の第4の実施形態について説明する。
図4は、第4実施形態に係る超伝導量子干渉素子40を示し、(A)は平面図、(B)はX4-X4線に沿う断面図である。図4に示す超伝導量子干渉素子40は第2の実施形態と異なり、基板11において超伝導体層12及び強磁性層13が形成されない領域がオーバーエッチングされている。すなわち、超伝導体層12及び強磁性層13が基板11のメサ部31A上に形成されている点で異なる。基板11をオーバーエッチングすることで、基板11上の超伝導体層12や強磁性層13との段差にウエットエッチング残渣が残らない。従って、ジョセフソン接合の特性劣化の要因とはならない。
A fourth embodiment of the superconducting quantum interference device will be described.
4A and 4B show a superconducting quantum interference device 40 according to the fourth embodiment, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line X4-X4. Unlike the second embodiment, the superconducting quantum interference device 40 shown in FIG. 4 is over-etched in the substrate 11 where the superconductor layer 12 and the ferromagnetic layer 13 are not formed. That is, the difference is that the superconductor layer 12 and the ferromagnetic layer 13 are formed on the mesa portion 31 A of the substrate 11. By over-etching the substrate 11, no wet etching residue remains on the step with the superconductor layer 12 or the ferromagnetic layer 13 on the substrate 11. Therefore, it does not cause deterioration of the characteristics of the Josephson junction.
ここで、前述の超伝導量子干渉素子10,20,30,40では基板11上に超伝導体層12を直接設けていたが、超伝導体層12の結晶性を高めるために基板11と超伝導体層12との間にバッファー層を設けても良い。 Here, in the superconducting quantum interference devices 10, 20, 30, and 40 described above, the superconductor layer 12 is directly provided on the substrate 11, but in order to increase the crystallinity of the superconductor layer 12, A buffer layer may be provided between the conductor layer 12.
また、超伝導量子干渉素子10,20,30,40では、超伝導体層12の上に強磁性層13を直接設けていたが、特に導電性の強磁性層の場合には、超伝導体層12と強磁性層13との間に絶縁膜が介在していてもよい。この絶縁膜は従来のSIS型のジョセフソン接合に不可欠なトンネル層としては作用しない。この介在させる絶縁膜は、単に絶縁特性を有すれば良く、例えば数nmから数十nmの厚さを有する。絶縁膜は超伝導量子干渉素子の製造工程において強磁性層13となる鉄やニッケルなどの単体又は合金その他の強磁性材料の表面に形成される自然酸化膜でも、意図的に形成したSi3N4膜やSiO2膜などの絶縁膜でもよい。 In the superconducting quantum interference devices 10, 20, 30, and 40, the ferromagnetic layer 13 is provided directly on the superconductor layer 12, but in the case of a conductive ferromagnetic layer, the superconductor is provided. An insulating film may be interposed between the layer 12 and the ferromagnetic layer 13. This insulating film does not act as a tunnel layer indispensable for a conventional SIS type Josephson junction. The insulating film to be interposed only needs to have insulating characteristics, and has a thickness of, for example, several nm to several tens of nm. The insulating film may be a natural oxide film formed on the surface of a simple substance such as iron or nickel or an alloy or other ferromagnetic material, which becomes the ferromagnetic layer 13 in the manufacturing process of the superconducting quantum interference device, and is intentionally formed Si 3 N. An insulating film such as four films or SiO 2 film may be used.
次に、本発明の超伝導量子干渉素子の製造方法について、図1に示す第1の実施形態の場合を例にとって説明する。図5は、本発明の超伝導量子干渉素子の製造工程を示す図である。
先ず、図5(A)に示すように、基板11上に超伝導体層12となる膜51を成膜する。その際、基板11には予めバッファー層(図示せず)が形成されていてもよい。成膜にはパルスレーザを用いたアブレーション法、すなわちPLD法等の堆積法を用い、所定の厚さとなるまで堆積を行う。
Next, the manufacturing method of the superconducting quantum interference device of the present invention will be described taking the case of the first embodiment shown in FIG. 1 as an example. FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of the superconducting quantum interference device of the present invention.
First, as shown in FIG. 5A, a film 51 to be the superconductor layer 12 is formed on the substrate 11. At that time, a buffer layer (not shown) may be formed on the substrate 11 in advance. For the film formation, an ablation method using a pulse laser, that is, a deposition method such as a PLD method is used, and deposition is performed until a predetermined thickness is reached.
次に、超伝導量子干渉素子の電流端子12G,12Hに接続される電極を形成する。その際、アライメント用のマーカーを同時に形成することが好ましい。具体的には、膜51の上に電子ビーム露光用レジストを塗布し、電子ビーム露光用レジストを露光し、電子ビーム露光用レジストを現像し、電極やマーカーとなる領域を開口したパターンを形成する。このマスクパターンに電極となる金属層を堆積し、レジストを除去する、所謂リフトオフ法により電極やマーカーを同時に形成することができる。 Next, electrodes connected to the current terminals 12G and 12H of the superconducting quantum interference device are formed. In that case, it is preferable to form the alignment marker simultaneously. Specifically, an electron beam exposure resist is applied on the film 51, the electron beam exposure resist is exposed, the electron beam exposure resist is developed, and a pattern in which regions serving as electrodes and markers are opened is formed. . An electrode and a marker can be simultaneously formed by a so-called lift-off method in which a metal layer serving as an electrode is deposited on this mask pattern and the resist is removed.
次に、強磁性層13を形成するためのリフトオフマスクを形成する。具体的には、図5(B)に示すように膜51の上に電子ビーム露光用レジスト52を塗布し、図5(C)に示すように電子ビーム露光用レジスト52に対して露光56を行い、電子ビーム露光用レジスト52の現像を行うことで、強磁性層が配置されるべき領域が開口されたレジストパターン53をエッチングにより形成する(図5(D)参照)。 Next, a lift-off mask for forming the ferromagnetic layer 13 is formed. Specifically, an electron beam exposure resist 52 is applied on the film 51 as shown in FIG. 5B, and an exposure 56 is applied to the electron beam exposure resist 52 as shown in FIG. 5C. Then, by developing the electron beam exposure resist 52, a resist pattern 53 having an opening in the region where the ferromagnetic layer is to be formed is formed by etching (see FIG. 5D).
次に、レジストパターン53が形成された基板の表面全体に、強磁性材料54を抵抗加熱による蒸着法等により堆積し(図5(E)参照)、レジストパターンをエッチングにより除去する(図5(F)ご参照)。これで、所謂リフトオフ工程により余分な強磁性膜が除去され、強磁性層13のパターンが超伝導膜51上に形成される。 Next, a ferromagnetic material 54 is deposited on the entire surface of the substrate on which the resist pattern 53 is formed by vapor deposition using resistance heating or the like (see FIG. 5E), and the resist pattern is removed by etching (FIG. 5 ( F) See). Thus, the extra ferromagnetic film is removed by a so-called lift-off process, and the pattern of the ferromagnetic layer 13 is formed on the superconducting film 51.
次に、余分な超伝導膜51をエッチングにより除去して超伝導体層12を形成する。具体的には、電子ビーム露光用レジスト55を塗布し(図5(G)参照)、電子ビーム露光用レジストの露光56を行い、電子ビーム露光用レジストの現像を行うことで、超伝導体層となる以外の領域が開口されたレジストパターン57をエッチングにより形成する(図5(I)参照)。 Next, the superconductor film 12 is formed by removing the excess superconductor film 51 by etching. Specifically, an electron beam exposure resist 55 is applied (see FIG. 5G), the electron beam exposure resist exposure 56 is performed, and the electron beam exposure resist is developed, whereby a superconductor layer is formed. A resist pattern 57 having an opening in a region other than that to be formed is formed by etching (see FIG. 5I).
その後、図5(J)に示すレジストパターン57を除去することにより、図1に示す超伝導量子干渉素子10を作製することができる(図5(K)参照)。 Thereafter, by removing the resist pattern 57 shown in FIG. 5J, the superconducting quantum interference device 10 shown in FIG. 1 can be manufactured (see FIG. 5K).
ここで、図2に示す超伝導量子干渉素子20を作製する場合には、上記工程において、強磁性層が配置される領域が開口されたレジストパターンを変えることで実現できる。 Here, when the superconducting quantum interference device 20 shown in FIG. 2 is manufactured, it can be realized by changing the resist pattern in which the region where the ferromagnetic layer is arranged is opened in the above-described process.
図3及び図4に示す超伝導量子干渉素子30,40の作製方法について説明する。超伝導量子干渉素子30と超伝導量子干渉素子40とでは強磁性層のパターンが異なるだけであるので、特に、超伝導量子干渉素子30の場合について説明する。 A method for manufacturing the superconducting quantum interference devices 30 and 40 shown in FIGS. 3 and 4 will be described. Since the superconducting quantum interference device 30 and the superconducting quantum interference device 40 only differ in the pattern of the ferromagnetic layer, the case of the superconducting quantum interference device 30 will be described in particular.
図6は、図3に示す超伝導量子干渉素子30の作製工程の一部を示す図である。
図3に示す超伝導量子干渉素子30を作製する場合、図5に示すように、超伝導量子干渉素子10の作製工程と同様な工程を経る。そして、図5(J)に示す状態、すなわち、図6(A)に示す状態となる。
次に、図6(B)に示すようにイオン58でイオンミリングやリアクティグイオンエッチング(RIE)を行うことで、基板11のうち、超伝導体層及び強磁性層が形成されていない領域をオーバーエッチングして、メサ部31Aを形成する(図6(C)参照)。
その後、図6(C)に示すレジストパターン57を除去することにより、図3に示す超伝導量子干渉素子30を作製することができる(図6(D)参照)。
FIG. 6 is a diagram showing a part of the manufacturing process of the superconducting quantum interference device 30 shown in FIG.
When the superconducting quantum interference device 30 shown in FIG. 3 is manufactured, the same process as the manufacturing process of the superconducting quantum interference device 10 is performed as shown in FIG. Then, the state shown in FIG. 5J, that is, the state shown in FIG.
Next, as shown in FIG. 6B, ion milling or reactive ion etching (RIE) is performed with ions 58, so that a region of the substrate 11 where the superconductor layer and the ferromagnetic layer are not formed is formed. Over-etching is performed to form a mesa portion 31A (see FIG. 6C).
Thereafter, by removing the resist pattern 57 shown in FIG. 6C, the superconducting quantum interference device 30 shown in FIG. 3 can be manufactured (see FIG. 6D).
このようにして、超伝導量子干渉素子10,20,30,40が作製できるが、最終工程として、電極以外の領域に最終保護膜を形成することが好ましい。
以上のように、リング部を有する超伝導体層と、リング部上に配設された一又は複数の強磁性層とを備える超伝導量子干渉素子の作製方法にあっては、基板上に超伝導膜を形成するステップと、超伝導膜上に強磁性膜を形成してパターニングにより強磁性層を形成するステップと、超伝導膜の不要な部分をエッチングして超伝導体層を形成するステップと、を含んでいる。超伝導膜をエッチングして超伝導体層を形成した後に、さらに基板をオーバーエッチングしてもよい。
これによれば、従来のバリア層を形成する必要がなく、超伝導体層のループ部の一部に強磁性層を一又は複数跨って配設することで作製することができるので、従来のようにフッ酸などでパターニングしてバリア層を形成するというプロセスを経る必要がない。よって、従来のように、超伝導体層とバリア層との界面特性が劣化するという問題が生じない。また、プロセス工程数が少なく、作製制御が容易な作製方法を提供することができる。これにより、再現性がよく、感度の高い超伝導量子干渉素子を作製することができる。
Thus, although the superconducting quantum interference devices 10, 20, 30, and 40 can be manufactured, it is preferable to form a final protective film in a region other than the electrodes as a final process.
As described above, in a method for manufacturing a superconducting quantum interference device including a superconductor layer having a ring portion and one or more ferromagnetic layers disposed on the ring portion, Forming a conductive film; forming a ferromagnetic film on the superconductive film; forming a ferromagnetic layer by patterning; and etching an unnecessary portion of the superconductive film to form a superconductor layer. And. After the superconducting film is etched to form a superconductor layer, the substrate may be further over-etched.
According to this, it is not necessary to form a conventional barrier layer, and it can be produced by arranging one or more ferromagnetic layers across a part of the loop portion of the superconductor layer. Thus, it is not necessary to go through a process of patterning with hydrofluoric acid or the like to form a barrier layer. Therefore, unlike the conventional case, there is no problem that the interface characteristics between the superconductor layer and the barrier layer deteriorate. Further, a manufacturing method with fewer process steps and easy manufacturing control can be provided. Thereby, a superconducting quantum interference device with good reproducibility and high sensitivity can be produced.
超伝導量子干渉素子として図1に示すDC−SQUIDを次の工程により作製した。
先ず、LaSrAlO4基板11上にLa2−xSrxCuO4(LSCO)を約42nm堆積させた。波長248nmのKrFエキシマレーザによるPLD法を用いた。
次に、La2−xSrxCuO4超伝導体層となる膜51上にポジ型の電子ビーム露光用レジスト(Shipley社製、型番1813)を塗布し、電子ビーム露光を行い、現像を行うことによって電極が配置されるべき領域が開口されたレジストパターンを形成した。
レジストパターンを形成した基板11の表面全面に電極となる金を抵抗加熱による蒸着法により堆積させた。基礎真空度は約5×10−6Torrであり、1nm/秒の蒸着速度で250nm堆積させた。そして、レジストパターン53をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な金を除去して電極及びアライメント用のマーカーを膜51上に形成した。
As a superconducting quantum interference device, a DC-SQUID shown in FIG. 1 was produced by the following process.
First, about 42 nm of La 2-x Sr x CuO 4 (LSCO) was deposited on the LaSrAlO 4 substrate 11. A PLD method using a KrF excimer laser with a wavelength of 248 nm was used.
Next, a positive electron beam exposure resist (manufactured by Shipley, model number 1813) is applied on the film 51 to be the La 2-x Sr x CuO 4 superconductor layer, electron beam exposure is performed, and development is performed. Thus, a resist pattern having an opening in a region where the electrode is to be arranged was formed.
Gold serving as an electrode was deposited on the entire surface of the substrate 11 on which the resist pattern was formed by a vapor deposition method using resistance heating. The basic vacuum was about 5 × 10 −6 Torr, and the film was deposited at 250 nm at a deposition rate of 1 nm / second. Then, excess gold was removed by a so-called lift-off process in which the resist pattern 53 was removed by etching, and electrodes and alignment markers were formed on the film 51.
次に、La2−xSrxCuO4超伝導体層となる膜51上にポジ型の電子ビーム露光用レジスト52(Shipley社製、型番1813)を塗布し、電子ビーム露光を行い、現像を行うことによって強磁性層13が配置されるべき領域を開口させたレジストパターン53を形成した(図5(D)参照)。
図5(E)に示すようにレジストパターン53を形成した基板11の表面全体に強磁性層13となる鉄を抵抗加熱による蒸着法により堆積させた。基礎真空度は約5×10−7Torrであり、1nm/秒の蒸着速度で60〜100nm堆積させた。
そして、レジストパターン53をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な鉄を除去して強磁性層13のパターンが超伝導体層12上に形成した(図5(F)参照)。その際、強磁性層13の幅W31は100〜500nmであり、長さL31は2μ〜10μmであった。
Next, a positive type electron beam exposure resist 52 (manufactured by Shipley, Model No. 1813) is applied on the film 51 to be the La 2-x Sr x CuO 4 superconductor layer, electron beam exposure is performed, and development is performed. As a result, a resist pattern 53 having an opening in a region where the ferromagnetic layer 13 is to be disposed was formed (see FIG. 5D).
As shown in FIG. 5E, iron to be the ferromagnetic layer 13 was deposited on the entire surface of the substrate 11 on which the resist pattern 53 was formed by a vapor deposition method using resistance heating. The basic degree of vacuum was about 5 × 10 −7 Torr, and 60 to 100 nm was deposited at a deposition rate of 1 nm / second.
Then, excess iron was removed by a so-called lift-off process in which the resist pattern 53 was removed by etching to form a pattern of the ferromagnetic layer 13 on the superconductor layer 12 (see FIG. 5F). At that time, the width W 31 of the ferromagnetic layer 13 was 100 to 500 nm, and the length L 31 was 2 μm to 10 μm.
その後、LSCO薄膜エッチングのために、電子ビーム露光用レジスト55を塗布し(図5(G)参照)、電子ビーム露光用レジストを露光し、電子ビーム露光用レジストの現像を行うことで、超伝導体層となる以外の領域が開口されたレジストパターン57をエッチングにより形成した。そして、超伝導体膜のうちマスクで覆われていない部分を0.01〜0.05%の塩酸でエッチングし、その後マスク57を除去した。 Thereafter, for etching the LSCO thin film, a resist 55 for electron beam exposure is applied (see FIG. 5G), the resist for electron beam exposure is exposed, and the resist for electron beam exposure is developed, thereby superconducting. A resist pattern 57 having an opening other than the body layer was formed by etching. Then, the portion of the superconductor film not covered with the mask was etched with 0.01 to 0.05% hydrochloric acid, and then the mask 57 was removed.
図7は、作製した超伝導量子干渉素子10のSEM像を示す図である。図7に示すように、超伝導体層12として、一対の矩形状のアンテナ部12C,12Dにおける両側に電流端子12G,12Hが形成され、一対の矩形状のアンテナ部12C,12Dの間に一対の狭窄部12E,12Fとしての細線部が接続されて、略正方形状のループが形成されていることが分かる。また、一対の狭窄部12E,12Fとしての細線部にそれぞれ強磁性層13がブリッジ状に跨って被覆されていることが分かる。 FIG. 7 is a view showing an SEM image of the manufactured superconducting quantum interference device 10. As shown in FIG. 7, as the superconductor layer 12, current terminals 12G and 12H are formed on both sides of a pair of rectangular antenna portions 12C and 12D, and a pair is formed between the pair of rectangular antenna portions 12C and 12D. It can be seen that the narrow wire portions as the narrow portions 12E and 12F are connected to form a substantially square loop. Moreover, it turns out that the ferromagnetic layer 13 is each covered by the thin wire | line part as a pair of constriction parts 12E and 12F ranging over bridge shape.
図8は、実施例においてパルスレーザアブレーション法で堆積したLa2−xSrxCuO4(x=0.15)膜の抵抗についての温度依存性を示す図である。図8の縦軸は抵抗(Ω)であり、横軸は絶対温度(K)である。図8から明らかなように、La2−xSrxCuO4(x=0.15)膜からなる超伝導体層の臨界温度は約30Kであることが分かった。 FIG. 8 is a diagram showing the temperature dependence of the resistance of the La 2-x Sr x CuO 4 (x = 0.15) film deposited by the pulse laser ablation method in the example. The vertical axis in FIG. 8 is resistance (Ω), and the horizontal axis is absolute temperature (K). As is clear from FIG. 8, it was found that the critical temperature of the superconductor layer made of La 2 -x Sr x CuO 4 (x = 0.15) film was about 30K.
図9は、作製した超伝導量子干渉素子10の電流−電圧特性を示す図である。図9の縦軸は電流(μA)であり、横軸は電圧(μV)である。測定温度は8Kとした。図9から、超伝導量子干渉素子10は良好な電流−電圧特性を示すことが分かる。 FIG. 9 is a diagram showing current-voltage characteristics of the manufactured superconducting quantum interference device 10. The vertical axis in FIG. 9 is current (μA), and the horizontal axis is voltage (μV). The measurement temperature was 8K. From FIG. 9, it can be seen that the superconducting quantum interference device 10 exhibits good current-voltage characteristics.
図10は、作製した超伝導量子干渉素子10の電圧−磁束特性を示す図である。図10の縦軸は生じる電圧(μV)であり、横軸は外部からの磁束(G)である。なお、測定温度は18Kとし、電流端子間に530μAの一定電流を流した。図10から、外部からの磁束の変化に応じて電圧が振動しており、DC−SQUID特有の特性が得られていることが分かった。 FIG. 10 is a diagram showing the voltage-magnetic flux characteristics of the manufactured superconducting quantum interference device 10. The vertical axis in FIG. 10 is the generated voltage (μV), and the horizontal axis is the external magnetic flux (G). The measurement temperature was 18K, and a constant current of 530 μA was passed between the current terminals. From FIG. 10, it was found that the voltage oscillates according to the change in the magnetic flux from the outside, and the characteristic peculiar to DC-SQUID is obtained.
(比較例)
比較例として、強磁性層の素材を鉄(Fe)から、非磁性層の銅(Cu)に代え、同一寸法で同一構造の素子を作製した。
図11は、実施例と比較例における電流−電圧特性を示す図である。図の縦軸は電流(mA)を、横軸は電圧(mV)を示す。実施例の結果を塗り潰したマーク(■等)で示し、比較例の結果を中空のマーク(□等)で示している。測定温度は、8,10,12,14,16,18,20Kとした。
図11から、実施例では臨界電流は小さいのに対して、比較例では臨界電流が大きくなっていることが分かった。また、電流−電圧特性の曲線は、比較例ではフラックスフロー的になっており、ジョセフソン接合が形成されていないことが示唆されている。
(Comparative example)
As a comparative example, the material of the ferromagnetic layer was changed from iron (Fe) to copper (Cu) of the nonmagnetic layer, and elements having the same dimensions and the same structure were produced.
FIG. 11 is a diagram showing current-voltage characteristics in Examples and Comparative Examples. In the figure, the vertical axis represents current (mA), and the horizontal axis represents voltage (mV). The results of the examples are indicated by solid marks (■, etc.), and the results of the comparative examples are indicated by hollow marks (□, etc.). The measurement temperature was 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20K.
From FIG. 11, it was found that the critical current is small in the example, whereas the critical current is large in the comparative example. Further, the current-voltage characteristic curve is flux flow in the comparative example, suggesting that no Josephson junction is formed.
図12は臨界電流の磁場依存性を示す図であり、図の縦軸は臨界電流Ic(μA)、横軸は磁束密度B(G)である。マーク(●)のプロットが実施例の結果であり、マーク(■)のプロットが比較例の結果である。
図12から、鉄からなる磁性層を狭窄部に載置してブリッジ構造とした場合には、●プロットが示すように、ジョセフソン接合特有のフランホファー型の磁場依存性が観測されたが、鉄からなる層を狭窄部に載置した場合にはそのような変化は観察されなかった。
FIG. 12 is a diagram showing the magnetic field dependence of the critical current, where the vertical axis represents the critical current Ic (μA) and the horizontal axis represents the magnetic flux density B (G). The plot of the mark (●) is the result of the example, and the plot of the mark (■) is the result of the comparative example.
From FIG. 12, when a magnetic layer made of iron is placed on a constricted portion to form a bridge structure, as shown by the ● plot, a Franchophor-type magnetic field dependence peculiar to Josephson junction was observed. Such a change was not observed when the layer consisting of was placed on the constriction.
図13は、実施例の超伝導量子干渉素子で用いたジョセフソン接合において、2GHzのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図の横軸は一対のアンテナ部間への印加電圧(μV)であり、左縦軸が電流(μA)を、右縦軸が微分抵抗(dV/DI[Ω])を示している。測定温度は35Kである。図中、■のプロットはマイクロ波を照射していないときの電流電圧特性の測定結果を示し、●のプロットはマイクロ波を800μW照射したときの電流電圧特性の測定結果を示し、○のプロットは、マイクロ波を800μW照射したときの微分抵抗の測定結果を示す。
図13から明らかなように、実施例ではジョセフソン接合に流れる電流は、その微分抵抗においてなだらかなキンクが約4μVおきに観測された。
FIG. 13 is a diagram showing the results of measuring current-voltage characteristics and differential resistance when a 2 GHz microwave is irradiated in the Josephson junction used in the superconducting quantum interference device of the example. The horizontal axis in the figure is the applied voltage (μV) between the pair of antenna units, the left vertical axis indicates the current (μA), and the right vertical axis indicates the differential resistance (dV / DI [Ω]). The measurement temperature is 35K. In the figure, the ■ plot shows the measurement result of the current-voltage characteristic when the microwave is not irradiated, the ● plot shows the measurement result of the current-voltage characteristic when the microwave is irradiated by 800 μW, and the ○ plot is The measurement result of differential resistance when 800 μW of microwaves is irradiated is shown.
As can be seen from FIG. 13, in the example, the current flowing through the Josephson junction showed a gentle kink in the differential resistance every 4 μV or so.
ジョセフソン接合が示す干渉効果であるシャッピーロ・ステップは、下記式(1)で表される。
V=hf/(2e)=Φf (1)
ここで、Vはシャッピーロ・ステップの間隔電圧(V)、hはプランク定数(6.626×10-34J・s)、eは電子の単位電荷(1.602×10-19C)、Φ=h/(2e)は磁束量子である。
2GHzのマイクロ波を照射したときのシャッピーロ・ステップの間隔は、式(1)から、約4μVと計算される。従って、実施例で観察されたキンクのステップ間隔は式(1)を満足し、ジョセフソン接合の干渉効果によるシャッピーロ・ステップが観察されていることが判明した。
The Shapiro step, which is an interference effect exhibited by the Josephson junction, is expressed by the following formula (1).
V = hf / (2e) = Φf (1)
Where V is the interval voltage (V) of the Shapiro step, h is the Planck constant (6.626 × 10 −34 J · s), e is the unit charge of electrons (1.602 × 10 −19 C), Φ = h / ( 2e) is the magnetic flux quantum.
The interval of the Shapiro step when the 2 GHz microwave is irradiated is calculated as about 4 μV from the equation (1). Therefore, it was found that the kink step interval observed in the example satisfied the equation (1), and that the Shapiro step due to the Josephson junction interference effect was observed.
図14は、比較例の素子において、2GHzのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図の横軸は一対のアンテナ部間への印加電圧(μV)であり、縦軸が電流(μA)を示している。測定温度は9Kである。図中、■プロットはマイクロ波を照射していないときの電流電圧特性の測定結果を示し、●プロットはマイクロ波を800μW照射したときの電流電圧特性の測定結果を示す。
図14から明らかなように、比較例では、図13と異なり、臨界電流の変化のみであり、干渉構造は一切観察されなかった。
FIG. 14 is a diagram showing results of measuring current-voltage characteristics and differential resistance when a 2 GHz microwave is irradiated in the element of the comparative example. In the figure, the horizontal axis represents the applied voltage (μV) between the pair of antenna units, and the vertical axis represents the current (μA). The measurement temperature is 9K. In the figure, the ▪ plot shows the measurement result of the current-voltage characteristic when the microwave is not irradiated, and the ● plot shows the measurement result of the current-voltage characteristic when the microwave is irradiated by 800 μW.
As is clear from FIG. 14, in the comparative example, unlike FIG. 13, only the critical current changes, and no interference structure is observed.
以上の実施例及び比較例の結果から、一対の狭窄部に鉄からなる強磁性層を載せた素子では、ジョセフソン接合が形成されていることが分かった。 From the results of the above examples and comparative examples, it was found that a Josephson junction was formed in the element in which the ferromagnetic layer made of iron was placed on the pair of constricted portions.
上記実施例において、超伝導体層12の一部に強磁性層13を配置するという所謂ブリッジ構造のジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子10〜40が簡単な製造工程で実現できることが分かった。 In the above embodiment, it was found that the superconducting quantum interference devices 10 to 40 having a so-called bridge structure Josephson junction in which the ferromagnetic layer 13 is arranged in a part of the superconductor layer 12 can be realized by a simple manufacturing process. .
本発明は図面に示された形状などの構造に限定されるものではなく、発明の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、超伝導体層12や強磁性層13の寸法は所望のIcRN積が得られるよう適宜設計することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。 The present invention is not limited to the structure such as the shape shown in the drawings, and various modifications are possible within the scope of the invention. For example, the dimensions of the superconductor layer 12 and the ferromagnetic layer 13 can be appropriately designed so as to obtain a desired I c RN product, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention.
10,20,30,40 超伝導量子干渉素子
11 基板
12 超伝導体層
12A リング部
12B 領域
12C,12D アンテナ部
12E,12F 狭窄部
12G,12H 電流端子
13 強磁性層
31A メサ部
51 超伝導膜
52 電子ビーム露光用レジスト
53 レジストパターン
54 強磁性材料
55 電子ビーム露光用レジスト
56 露光
57 レジストパターン
58 イオン流
10, 20, 30, 40 Superconducting quantum interference device 11 Substrate 12 Superconductor layer 12A Ring portion 12B Region 12C, 12D Antenna portion 12E, 12F Constriction portion 12G, 12H Current terminal 13 Ferromagnetic layer 31A Mesa portion 51 Superconducting film 52 Electron Beam Exposure Resist 53 Resist Pattern 54 Ferromagnetic Material 55 Electron Beam Exposure Resist 56 Exposure 57 Resist Pattern 58 Ion Flow
Claims (5)
上記一対の狭窄部の一方に跨るように配設された強磁性層と、を備える、超伝導量子干渉素子。 A superconductor layer having a ring portion formed by connecting a pair of antenna portions with a pair of constricted portions;
And a ferromagnetic layer disposed so as to straddle one of the pair of constricted portions.
上記一対の狭窄部のそれぞれに跨るように配設された強磁性層と、を備える、超伝導量子干渉素子。 A superconductor layer having a ring portion formed by connecting a pair of antenna portions with a pair of constricted portions;
And a ferromagnetic layer disposed so as to straddle each of the pair of constricted portions.
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