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Info
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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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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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。
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)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1002800A JPH02184087A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | 超電導弱結合素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1002800A JPH02184087A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | 超電導弱結合素子の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02184087A true JPH02184087A (ja) | 1990-07-18 |
JPH0580160B2 JPH0580160B2 (ja) | 1993-11-08 |
Family
ID=11539450
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1002800A Granted JPH02184087A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | 超電導弱結合素子の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02184087A (ja) |
Cited By (2)
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 |
Citations (1)
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 |
-
1989
- 1989-01-11 JP JP1002800A patent/JPH02184087A/ja active Granted
Patent Citations (1)
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 |
Cited By (2)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0580160B2 (ja) | 1993-11-08 |
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EXPY | Cancellation because of completion of term |