JPH02184087A - 超電導弱結合素子の製造方法 - Google Patents

超電導弱結合素子の製造方法

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JPH02184087A
JPH02184087A JP1002800A JP280089A JPH02184087A JP H02184087 A JPH02184087 A JP H02184087A JP 1002800 A JP1002800 A JP 1002800A JP 280089 A JP280089 A JP 280089A JP H02184087 A JPH02184087 A JP H02184087A
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Yoshinobu Taruya
Shinya Kominami
信也 小南
Koji Yamada
宏治 山田
Ushio Kawabe
川辺 潮
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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〕 本発明は高速、低消費電力でスイッチング動作を行う超
電導スイッチング装置等の超電導エレクトロニクスの分
野に係り、特に液体窒素温度以上で動作可能な酸化物系
超電導弱結合素子に関するものである。
〔従来の技術〕
Y−Ba−Cu酸化物あるいはB1−Ca−8r−Cu
酸化物等の酸化物系超電導材料は臨界温度が90に以上
であり、液体窒素温度において完全な超電導性を示すも
のである。これらY−Ba−Cu酸化物等の超電導材料
をエレクトロニクスの分野に応用するためには基本的な
超電導素子である超電導弱結合素子を得る必要がある。
Y−Ba−Cu酸化物あるいはB1−Ca−8r−Cu
酸化物を用いた超電導弱結合素子としては、同一平面上
に二個の酸化物超電導電極を近接させて配し、二枚の電
極間をAuで橋渡しした構造の素子が作製されている。
この例はイクステンディド・アブストラクツ・オン・フ
ィツス・インターナショナル・ワークショップ・オン・
ツユ−チャ・エレクトロン・デバイシズの第157頁か
ら第160頁、1988年 (Extended  Abstracts  of 
 5th   InternationalWorks
hop on Future Electron De
vices。
pp、157−160.1988)に記載されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記Y−Ba−Cu酸化物を電極とし、常電導金属であ
るAuをカップリング材とした超電導弱結合素子は以下
の問題のような問題点を有している。
すなわちこのような超電導弱結合素子の構造においては
二枚の超電導電極間距離によって特性が決定づけられる
。すなわち、液体窒素温度において動作させるために望
ましい電極間距離は100n rnから10nmの間で
ある。この理由は超電導ffi極から超電導電子がしみ
出して互に常電導体内部で重なり合い、ジョセフソン効
果を発揮させるためには常電導体中のコヒーレンス長さ
、すなわち数十nmの寸法に常電導体の長さを揃える必
要があるからである。
しかるに超電導電極間の距離をこのような短い値に保つ
のはきわめて困難なことである。実際、上記超電導弱結
合素子においては超電導電極間距離として1μmを与え
ている。逆に望ましい超電導電極間距離10〜1100
nが得られたとして、必要な超電導電流を得るために距
離を10nm以下の精度で調節するのはきわめて困難な
ことである。
本発明の目的は、Y−Ba−Cu酸化物あるいはB1−
Ca−8r−Cu酸化物等の酸化物系超電導材料を電極
として用いたジョセフソン接合装胃に関して、電極間距
離がジョセフソン効果を示すのに必要とされる10〜1
100nの範囲に保たれ、この間にAu等の常電導金属
をカップリング材として挿入し得る超電導弱結合素子の
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〕
上記目的を達成するために、超電導弱結合素子の構造に
関して以下の手段を用いた。
Y −B a −Cu酸化物あるいはB1−3r−Ca
−Cu酸化物等の酸化物系超電導材料を電極として用い
、超電導カップリング材としてA u IAg、Pt等
を用いる。超電導弱結合素子において1弱結合部が基板
の段差上に形成されるようにする。基板の段差部におい
て酸化物超電導電極が部分され、かつこの部分された酸
化物超電導電極はAut Agl Pt等の金属材料に
よって互に電気的に接続されるようにする6 A u 
r A g 、あるいはpt等の超電導カップリング材
は酸化物超電導電極の上部でも、あるいは下部に配して
も構わない。
このような超電導弱結合素子の製造方法は概ね以下の通
りである。ドライエツチング等の方法によって段差を設
けた基板上にY−Ba−Cu酸化物あるいはB a −
S r −Ca −Cu酸化物等の酸化物超電導薄膜を
形成する。つぎに酸素雰囲気中で熱処理を処すことによ
り段差部において酸化物超電導薄膜を不連続化する。こ
の段差部を中心とした領域にAu、PtあるいはAg等
を形成することにより、分かたれた酸化物超電導薄膜ど
うしを接続し、超電導弱結合部とする。
〔作用〕
本発明にかかる超電導弱結合素子は以下の理由により従
来の酸化物系超電導弱結合素子の問題点を克服するもの
である。
Y−Ba−Cu酸化物あるいはB a  S r −C
a−Cu酸化物等の酸化物超電導材料はスパッタリング
等の方法により成膜を行った段階においては、下地基板
の平坦な部分、あるいは段差部分にかかわらず比較的均
一な膜厚で形成される。しかるに膜形成後の熱処理を施
した場合1段差部分におけるY−Ba−Cu酸化物は原
子拡散によって膜厚が薄くなり、基板の平坦な部分にs
vhする。
熱処理をY−Ba−Cu酸化物等の結晶化に必要な温度
、すなわち約800℃以上で行った場合。
このような原子移動は時間とともに促進され1段差部に
おけるY−Ba−Cu酸化物薄膜には割れが生じ、つい
には段差の上面と下面に部分されてしまう。このような
熱処理に対する薄膜の挙動はY−Ba−Cu酸化物薄膜
以外にBa−5r−Ca−Cu酸化物や他の酸化物系超
電導薄膜においても見られる現象である。下地に段差の
存在する部分でこのような原子拡散が生じる原因として
は、原子の拡散係数が大きく原子の移動が容易である温
度条件では、薄膜が表面積を小さくすることにより内部
エネルギーあるいは結合エネルギーの低い状態に移行し
ようとすることによるものである。
以上のような現象を利用することによって、連続膜であ
った状態から熱処理によりY−Ba−C’u酸化物超電
導膜を二つに分つ方法を用いれば、サブミクロンの超電
導電極間距離を得ることができる。しかも、超電導電極
間距離はY−Ba−Cu酸化物薄膜に対する熱処理条件
、すなわち温度および時間、あるいは段差の高さ等によ
って所望する任意の値に決定することができる。しかも
これらの条件を設定することにより数十nmの精度で超
電導電極間距離を決定することができる。
〔実施例〕
以下1本発明を以下に述べる実施例にもとづいて説明す
る。
超電導弱結合素子は以下の工程により作製を行う。すな
わち、第1図(a)に示すごとく、(100)面方位を
有するMgO単結晶1を基板として用いる。基板上の全
面にNb膜を1μmの厚さに形成する。この上に基板の
面積半分を覆うようにレジストパタンを形成する。CF
4ガスを用いた反応性イオンエツチング法によりレジス
トに覆われていないNb膜部分を除去する。次にレジス
トを除去し、Arと酸素を用いた高周波スパッタリング
あるいはイオンビームスパッタリング法によりMgO基
板のエツチングを行う。1.7W/cm”の高周波電力
密度でスパッタリングを行った場合、Nb膜のエツチン
グ割合が70 n m/hrであるのに対して、MgO
基板のエツチング割合は300 n rn / h r
であった。MgO基板のエツチングを終了した後、マス
ク材としてのNb膜を再び反応性イオンエツチングによ
って除去する。以上の工程によりMgO基板の段差6を
人工的に形成する。段差は1.2μmとする。
つぎにY−Ba−Cu酸化物薄膜2を形成する。
Y−Ba−Cu酸化物薄膜2はあらかじめYとGaとC
uを1 : 2 : 4.5の組成比に焼成した焼結体
をターゲットとして用い、高周波マグネトロンスパッタ
法により、Arと酸素の雰囲気中で形成する。膜形成時
の基板温度は700℃とする。
膜厚は0.5μmとする。膜形成の段階でY−Ba−C
u酸化物薄膜2は正方品のペロブスカイト結晶であり、
下地°段差部において連続的である。
膜形成後Y−Ba−Cu酸化物薄膜2に900℃。
2時間の熱処理を施す。この熱処理により、斜方晶結晶
構造で80に以上の臨界温度を有する超電導膜を得る。
さらに第1図(b)に示すごとくY−Ba−Cu酸化物
薄膜は段差部においてクラック5を生じ、約0.05μ
mの間隔をもって段差上部と段差下部の二つの領域に分
かたれる。
つぎにY−Ba−Cu酸化物薄膜2表面にArと酸素の
雰囲気中で高周波スパッタリングを施すことにより表面
汚染層を除去する。さらに純酸素の雰囲気中で高周波放
電を行うことにより、超電導膜表面の欠落した酸素を補
う。この上に第1図(c)に示すごとく膜厚300nm
のAu膜3を形成する。YBa−Cu酸化物薄膜2に対
して熱処理を施す工程とAu膜を堆積する工程を同一の
装置で行う場合、熱処理時のクラック発生過程において
Y−Ba−Cu酸化物2の新しい面が表れ、この新鮮な
表面上にAu膜3を形成するので、Y−Ba−Cu酸化
物薄膜2に対する表面クリーニングの必要性は無い1以
上のごとく形成したAu膜3に対してカップリング部お
よびこの周辺以外の膜部分をエツチング除去することに
より、超電導弱結合素子の完成を見る。
超電導弱結合素子の電圧−電流特性6は第2図に示すご
とくになる。すなわち約200μAの超電導電流が流れ
る。超電導電流はQ 、 5 Gaussの磁束密度に
相当する外部磁場を印加することによって半分以下の値
7にすることができる。このことは超電導弱結合素子が
ジョセフソン効果を有していることを意味する。しかも
この印加磁束密度は単一の超電導弱結合素子に対応する
値である。
以上の作製工程にかかる超電導弱結合素子はカップリン
グ材としてAu以外にAgあるいはpt等を用いても同
様な特性を示す。さらに超電導電極膜としてY−Ba−
Cu酸化物以外にYをYbやEr等で置換した斜方晶酸
化物あるいはB1−3 r −Ca −Cu酸化物等を
用いた場合にも同様の超電導弱結合素子を構成し、ジョ
セフソン効果を示す。
カップリング材を酸化物超電導薄膜の下部に敷いた場合
も同様の効果を示す。
超電導弱結合素子の超電導電流は常電導薄膜の膜厚、酸
化物超電導電極の膜厚と段差の相対比、および酸化物超
電導電極の熱処理条件等を調節して任意の値を得る。
〔発明の効果〕
以上述べたごとく、本発明にかかる超電導弱結合素子は
以下の効果を有する。
(1)微細バタンニングおよび加工技術を用いることな
く、1100n以下の長さの常電導カップリング長を得
ることができる。これにより、液体窒素温度で動作可能
な超電導電流を有する超電導弱結合素子を得ることがで
きる。
(2)100nm以下の長さで常電導カップリング部の
長さを調節することができる。これにより、超電導弱結
合素子に対して任意の超電導電流を与えることができる
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例である超電導弱結合素子の製
造工程を示す図、第2図は本発明にかかる超電導弱結合
素子の電圧−電流特性を示す図である。 1−M g O基板、2− Y −B a −Cu酸化
物薄膜、3・・・AuFJ膜、4・・・段差、5・・・
クラック部、6・・・印加磁場零時性、7・・・磁場印
加時特性。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、酸化物系超電導材料を電極とし、Au、Ag、Pt
    等の貴金属材料をカップリング材とする超電導弱結合素
    子において、カップリング部が基板の段差上に形成され
    、酸化物超電導電極が上記段差部上において2分され、
    Au、Ag、Pt等のカップリング材を介して電気的に
    つながって成ることを特徴とする超電導弱結合素子。
JP1002800A 1989-01-11 1989-01-11 超電導弱結合素子の製造方法 Granted JPH02184087A (ja)

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JPH0580160B2 JPH0580160B2 (ja) 1993-11-08

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5134117A (en) * 1991-01-22 1992-07-28 Biomagnetic Technologies, Inc. High tc microbridge superconductor device utilizing stepped edge-to-edge sns junction
US5157466A (en) * 1991-03-19 1992-10-20 Conductus, Inc. Grain boundary junctions in high temperature superconductor films

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63245972A (ja) * 1987-04-01 1988-10-13 Hitachi Ltd 弱結合型ジヨセフソン素子

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