JPH01184882A - 高温超電導量子干渉デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超電導エレクトロニクスあるいは超電導素子の
分野に係り、特に物性測定や医療計測の分野において必
要とされる極微小磁場の検出に好適な高温超電導量子干
渉デバイスに関するものである。

〔従来の技術〕

超電導量子干渉デバイスをはじめとする超電導素子は従
来液体ヘリウムによって冷却することによって、４．２
Ｋにおいて動作されていた。臨界温度９３にのＹ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物薄膜が発見されることにより、液体窒素温
度、すなわち７７Ｋにおいて動作する超電導素子を得る
ことが原理的に可能となった。たとえばＹ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物薄膜を用いて超電導量子干渉デバイスを作製した
例がアプライド　フィジックス　レターズ５１巻２０号
（１９８７年）２００頁から２０２頁（Ａｐｐｌｉｅｄ
　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　５１
　、　Ｎｕ　２０（１９８７）ｐｐ２００−２０２）に
おいて記載されている。この記載例においてはＹ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物薄膜を形成後、酸素あるいはヒ素イオンを
打込むことにより超電導層を常電導層に変換する。この
ような方法により直流型超電導量子干渉デバイスのパタ
ンを得ている。この記載例になる直流型超電導量子干渉
デバイスのジョセフソン接合には粒界におけるＹ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物超電導体の弱結合性を利用した、いわゆる
粒界ジョセソン効果が利用されている。すなわちＹ−Ｂ
ａ−Ｃｕ酸化物薄膜は斜方晶のペロブスカイト型結晶構
造を有する多結晶体である。したがってＹ−Ｂａ−Ｃｕ
酸化物薄膜は超電導弱結合部の集合体であり、超電導臨
界電流の値は弱結部で決定づけられる。膜幅をバタン形
成法を用いて絞った部分を超電導量子干渉デバイスのジ
ョセフソン接合部となすとともに、臨界電流値を調節し
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術はしかしながら以下に述べる問題点を有し
た２すなわち、超電導量子干渉デバイスに外部からの磁
束を印加した場合、出力電圧信号が低いということであ
る。たとえばＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜により構成した
超電導量子干渉デバイスの出力電圧は高々１μＶである
。これに対して従来のＮｂあるいはＮｂＮ等のＮｂ系金
属間化合物を用いた超電導量子干渉デバイスの出力電圧
は１０μＶ以上の値が得られている。

超電導量子干渉デバイスの磁場信号に対する検出感度は
測定系、とくに増幅器の雑音電圧レベルと出力電圧信号
の比によって決まる。したがってＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物
薄膜により構成した超電導量子干渉デバイスの磁場検出
感度はＮｂあるいはＮｂＮ等のＮｂ系金属間化を用いた
超電導量子干渉デバイスの値より１桁以上低くなる。

本発明の目的はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物等の高臨界温度超
電導材料を用い、液体窒素中で動作可能な超電導量子干
渉デバイスに関して、従来の素子より検出感度の高い超
電導量子干渉デバイスの構造を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は以下により達成することができる。

すなわち、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物をはじめとする酸化物
系超電導材料により構成される超電導量子干渉デバイス
において、ジョセフソン接合がＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物結
晶の粒界等の結晶欠陥から成る構造とする。ジョセフソ
ン接合部において、このような結晶欠陥列は直列に１ケ
所あるいは２ケ所存在するようにし、３ケ所以上は存在
しないようにする。

このような構造は具体的には以下の通りである。

すなわち、ジ目セフソン接合部は超電導ループの他の部
分と比較して膜幅を絞った部分とする。このジ目セフソ
ン接合部において、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜を連続的
に横断する結晶粒界が１ケ所あるいは２ケ所であるよう
にする。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜を横断する結晶欠陥
が１ケ所の場合、たとえば超電導量子干渉デバイスが２
個の単結晶で構成されたＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜であ
るものがこれに該当する。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜を
横断する結晶欠陥が２ケ所の場合、たとえば超電導量子
干渉デバイスが２個の単結晶の間に多結晶が一列に並ん
でいるＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜がこれに該当する。

〔作用〕

上記のごとき手段は以下の理由により本発明の目的を達
成するものである。

直流型の超電導量子干渉デバイスについて考える。印加
磁場に対する超電導量子干渉デバイスの臨界電流値３は
第２図に示すごとき周期的な依存性を示す。この１周期
の磁場に対応する磁束の大きさは一磁束量子すなわち２
．０７　ｘ　１０−１５Ｗｂに対応する。臨界電流値が
磁場の強さに依存する理由は次のような理由によるもの
である。すなわち、ジョセフソン接合を通して超電導ル
ープに磁束Φが侵入した場合、ループを１周する向きに
二つのジョセフソン接合を横切ったときの位相差の柏原
は２πＸΦ／Φ。となる、ここでΦ。は磁束量子である
。各ジョセフソン接合における位相差をφ１およびφ２
とし、臨界電流値をともに工。とすれば、各ジョセフソ
ン接合に流れる電流１１および工２は １１＝Ｉ、ｓｉｎφ１．およびｌ２＝Ｉ、ｓｉｎφ２と
なる。磁場を印加しない状態においては等しい位相差お
よび等しい電流値である。磁場を印加した場合、先に述
べたように二つのジョセフソン接合の位相差の間に差異
が生じる。インダクタンス成分を無視できる場合、各ジ
ョセフソン接合に流れる電流は、 １１＝Ｉｃｓｉｎ（φ＋φΦ／Φ。）およびｌ２＝Ｉ。

５ｉｎ（φ−πΦ／Φ。） となる。φは超電導量子干渉デバイスに対する通電電流
によって決まる値である。上式かられかるように磁束が
侵入した場合、二つのジョセフソン接合の間に位相のア
ンバランスに伴う電流差が生じるのである。超電導量子
干渉デバイスに流し得る超電導電流値が最小になるのは
Φの値がΦ。／２になるときであり、電流値が零となる
。ループのインダクタンスが存在する場合、磁束を打消
す方向に電流が生じ、侵入磁束がΦ／２においても有限
の電流が生じる。

以上の超電導量子干渉デバイスの動作は電流の流れる通
路に副添ってそれぞれ１個のジョセフソン接合が存在す
る場合についてあてはまる。ｎ個のジョセフソン接合が
直列につながっている場合について考えてみる。この場
合でも第２図に示すごとく、電流の増減周期が磁束量子
になることは変りが無い。但し、超電導量子干渉デバイ
スに流し得る電流値が最小となる状態は、すなわちルー
プの左右の分岐における侵入磁束による位相差の和がそ
れぞれπ／２の場合である。したがって各ジョセフソン
接合の磁束による位相差成分はπ／２πとなる。つまり
、ループに侵入する磁束量が（ｋ＋−）Φ。（ｋは整数
）の場合でも、超電導電子干渉デバイスに流れる電流値
は零とならずに、有限の値２工。ｃｏｓ（７ｃ／２ｎ）
となる。

したがって、ｎの数が大きくなるほど、臨界電流の極小
値が大きくなる。

このような侵入磁束による超電導量子干渉デバイスの超
電導臨界電流の変調を用いて、磁場信号を電圧信号に変
換する。この方式はつぎの通りである。すなわち、第３
図に示すごとく、超電導量子干渉デバイスを臨界電流以
上の有限の電圧状態にバイアス６にしておく。臨界電流
３の変調に対応して、電圧値７が周期的に変化する。し
たがって、臨界電流の変調振幅が小さくなれば、同時に
電圧値の変化幅も小さくなる０以上の理由により、電流
パスに対して多数のジョセフソン接合が直列に配置され
ている場合、出力電圧の変化幅が小さくなるのである。

超電導量子干渉デバイスを作製する立場からは構造的に
は手段の項において述べたように電流のパス方向に１個
あるいは２個の弱結合部を形成することが可能である。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図にもとづいて説明する
。

本発明になる超電導量子干渉デバイスは５ｒＴｉ０３の
単結晶基板１０、弱結合部１３を含むＹ−’Ｂａ−Ｃｕ
酸化物薄膜１２．５ｒＴｉ０３薄膜１４から成る眉間絶
縁膜および入力コイルとなるＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
１５からなる。

超電導量子干渉デバイスの作製工程は以下の通りである
。

結晶面が（１００）（７）　Ｓ　ｒ　ＴｉＯ３単結晶基
板１０上に高周波スパッタリング法によってＳ　ｒ　Ｔ
ｉＯ３薄膜１１を形成する。基板温度は室温とし、膜厚
１１００ｎとする。５ｒＴｉ０３薄膜１１はＡｒと酸素
を５０％ずつ含む圧力５ｐａの雰囲気中で。

Ｓ　ｒＴｉ○３焼結体をターゲツト材としてスパッタリ
ングを行う。ＳｒＴｉＯ３薄膜１１は多結晶体である。

つぎにＮｂ膜をマスク材として、イオンビームエツチン
グ法によりＳｒＴｉＯ３薄膜１１のエツチングを行う。

これにより、幅２μｍのジョセフ接合部となるべき部分
を横切るＳ　’ｒ　Ｔ　ｉ　０３薄膜１１の細線を得る
。つぎに高周波マグネトロンスパッタリング法により、
膜厚１μｍのＹＢａ−Ｃｕ酸化物薄膜１２の形成を行う
。ターゲツト材はＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物の焼結体とし、
基板温度７００℃で、酸素濃度５０％で全圧３０　ｍ　
ＴｏｒｒのＡｒと酸素の混合ガス雰囲気中でスパッタリ
ングを行う。このような条件で成膜後、９００℃以下の
温度でかつ酸素、１気圧の雰囲気中で熱処理を施すこと
により斜方晶の単結晶薄膜１６を得る。ただし、第４図
に示すごとく、５ｒＴｉ０３薄膜上におけるＹ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物薄膜１７は多結晶体であり、５ｒＴｉ０３薄
膜細線１１に添って結晶粒が一列に並ぶ構造となる。

したがって、ＳｒＴｉＯ３薄膜細線１１に対して垂直方
向にＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜の結晶粒界は一列並んで
いることになる。

つぎにＡｕの保護膜をＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜１２に
被覆後、Ｎｂ膜をマスク材として、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化
物薄膜１２の弱結合部１３を含む超電導ループパタンを
形成する。弱結合部１３は５ｒＴｉ０３薄膜細線上１１
のＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜部分を含むものとする。つ
ぎに層間絶縁膜となるＳｒＴｉＯ３薄膜１４を前記同様
のスパッタリング法により形成する。膜厚は１．５μｍ
とする。再びＮｂ膜をマスクとして、イオンビームエツ
チング法により眉間絶縁膜としてパタンを得る。

再び高周波マグネトロンスパッタリング法により、膜厚
２ｐｍのＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜１５を形成するとと
もに、Ｎｂ材をマスクとして入力コイルとしてのパタン
を形成し、超電導量子干渉デバイスを得る。

以上のごとき方法により形成せる超電導量子干渉デバイ
スの磁場中における特性を、入力コイルに対して電流を
通じることにより測定する。この結果は第５図に示すご
とく、入力コイルの通電電流に対して、周期的な出力電
圧特性７が得られる。

この周期は磁束量子に対応する。測定温度は液体窒素に
よって得られる７０にである。出力電圧におけるピーク
と谷との間隔、すなわち変調幅としては１０μＶが得ら
れる。この値は従来の多結晶Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜
を用いた粒界ジョセフソン接合より成る超電導量子干渉
デバイスの変調幅より大幅に大きい値である。

さらに、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜１２形成前に形成す
る５ｒＴｉ○３薄膜細線１１の幅を１μｍ以下に微細化
した場合、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物薄膜１２の微小な結晶
粒は形成されず、単結晶がＳｒＴｉＯ３細線部で分かた
れた構造になる。この超電導量子干渉デバイスの出力電
圧変調幅として、１０μＶ以上の値が得られる。

〔発明の効果〕

実施例において述べたごとく、本発明によれば超電導量
子干渉デバイスの出力電圧等に関して以下の効果を有す
る。

（１）従来の多結晶薄膜を用いた結晶欠陥ジョセフソン
１０倍以上大きい、１０μＶ以上の出力電圧が測定温度
７０にの近傍で得られる。

（２）効果（１）に対して、外部磁束に対する検出感度
が１０倍以上向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる超電導量子干渉デバイスの断面
構造を示す図、第２図は超電導量子干渉デバイスの閾値
曲線を示す図、第３図は超電導量子干渉デバイスの閾値
曲線と出力圧持回の関係を示す図、第４図はＹ−Ｂａ−
Ｃｕ酸化物薄膜の弱結晶部近傍の構造を示す図、第５図
はコイル電流−出力電圧曲線を示す図である。 １・・・零電圧状態、２・・・電圧状態、３・・・閾値
曲線、４・・・Φ＝にΦ０のときの電圧−電流特性、５
・・・Φ＝（ｋ＋　　　　）Ｏｏのときの電圧−電流特
性、６・・・バイアス電流レベル、７・・・出方電圧曲
線。 第　７　図 ／ｌ ／θ　　δｙｉｏｓＸ−Ｕヒ　　　　　ノＪ　勇鵬部￥
２１！１ 矛東東 第　４記 ｔ６　　　Ｙ−！に−Ｃ４＃１ｌｆｌＲ１７ン−に−ｅ
ｙ多ＩＩｈＥ警ａ１°腰儂Ｓ面 コイル電：ｊＦＪｍｆｉ　） ７　出力電＆曾珠

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物をはじめとする酸化物系超電
   導材料により構成され、超電導ループの中の１ケ所ある
   いは２ケ所にジョセフソン接合が介在する交流あるいは
   直流型の超電導量子干渉デバイスにおいて、ジョセフソ
   ン接合がＹ−Ｂａ−Ｃｕ酸化物結晶の結晶欠陥から成り
   かつ、ジョセフソン接合部においてこのような結晶欠陥
   が直列に１ケ所又は２ケ所存在することを特徴とする高
   温超電導量子干渉デバイス。