JPH02186683A - 弱結合ジョセフソン接合の形成法及びこれを用いた超電導素子 - Google Patents
弱結合ジョセフソン接合の形成法及びこれを用いた超電導素子Info
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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。
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Description
本発明は酸化物超電導体のジョセフソン接合、特に弱結
合ジョセフソン接合の形成法及び、これを用いた超電導
素子に関する。
合ジョセフソン接合の形成法及び、これを用いた超電導
素子に関する。
【従来の技術１
超電導臨界温度（Ｔｃ）が液体窒素温度（７７Ｋ）を超
える酸化物超電導体の出現により、新しい超電導素子が
開発できるものと期待されている。 しかしながら、酸化物超電導体を用いて、素子とくにエ
レクトロニクス素子を形成する時、いくつかの課題が残
されている。その中の−・つば、ジョセフソン接合の形
成である。従来の金属超電導体を用いたジョセフソン接
合素子では、超電導体薄膜の間に極薄の絶縁層を設ける
１−ンネル型ジョセフソン接合が形成されてきた。金属
超電導体の場合には、超電導薄膜と反応せず、かつ膜厚
が極めて薄くても絶縁性に優れたＭ縁膜（例えば、５ｉ
ｎ２）が形成できること、金属超電導体はコヒーレンＩ
・長が数１０人と長いこと、がこの接合を実現できた主
な理由である。これらのトンネル型接合を用いることに
より超電導スイッチング素子などが開発されている。 しかしながら、酸化物高温超伝導体は、■コヒーレント
長が数人と短いため、＃！！縁層の厚さをこれまで以上
に薄くシなければならない、■Ｔｃの高い超電導薄膜を
形成するには、基板温度が高い条件で膜を形成するか、
高温での熱処理をしなければならない。これに加え、金
属と異なり、酸化物超電導体は絶縁材料（一般に酸化物
）と反応しやすく、それ故、トンネル型のジョセフソン
接合を形成することは、極めて難しい。そのため、これ
までのジョセフソン接合は第１４図に示すように超電導
体セラミックスの捧１０を超電導体１］−に押しつけた
時に得られているのみで、積層膜でのジョセフソン接合
は作られていない。 薄膜で作られたジョセフソン接合としては、部分的に膜
厚を薄くしたり、電流の流れる部分を狭くしたりして、
超電導結合を弱くする弱結合型ジョセフソン接合が知ら
れている。 弱結合を形成する具体的方法としては、第１５図に示す
ように基板２０に段差２工を設け、その上に形成した超
電導薄膜２２の厚さ変える方法の他、水素イオンを打ち
込み、狭い領域にのみ超電Ｒｅｖ、 Ｌｅｔｔ、旦０
（１９８８）１６５３）、および特開昭６２−２７３
７８２がある。しかしながら、これらの方法は、偶然に
多結晶超電導薄膜粒界が接合を形成しようとしている場
所にくることを期待するもので、再現性に劣る他、形状
や、接合の位置を任意に選択することができないという
問題があった。さらに、複数の粒界が存在するので接合
が電流の方向に対して多数直列に形成され、その結果ｒ
−ｖ特性が悪くなるという問題があった。 特開昭６２−２７３７８２では、所定の位置に特性の揃
った弱結合ジョセフソン接合を再現性よ板上にスリット
状のパターンを形成し、この」二に超電導薄膜をエピタ
キシャル成長させる。スリット状のパターンの」二の超
電導薄膜はエピタキシャル成長が阻害され、当初多結晶
となり、その後の膜厚の増大の結果、スリット状のパタ
ーンの上に単一の粒界が形成されるものである。しかし
ながら、該従来技術の方法では、パターン形成のために
ホトレジスｌへ工程を必要とするので、エピタキシャル
成長を阻害する要因となる基板表面の汚染が生じやすく
、再現性に劣る。また、パターンの幅は微細加工技術に
よりその最小幅が制限される為、超電導薄膜の膜厚を薄
くし難いという問題があった。 【発明が解決しようとする課題） 酸化物超電導薄膜における従来の弱結合ジョセフソン接
合形成法は、所定の位置に特性の揃った弱結合ジョセフ
ソン接合の形成が難しく、再現性の点から問題があった
。本発明の目的は、所定の位置に特性の揃った弱結合ジ
ョセフソン接合を再現性よく形成することにある。また
、このようにして形成した弱結合ジョセフソン接合を使
用して、超電導素子を作ることにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、第１の手段は、人工的に形
成した結晶欠陥を反映して生成させた結晶粒界を弱結合
ジョセフソン接合として利用するものである。具体的に
は、まず、基板上に超電導材料とは異る異種原子を付着
させたり、基板表面を乱し、次にこの上に薄膜をエピタ
キシャル成長させる。上記の付着、破壊の手段には加速
、収束されたイオンビームを使用する。 また、第２の手段として次のものがある。すなわち、基
板上にエピタキシャル成長させた超電導薄膜に、超電導
電流が流れることを阻害する異種原子を拡散させたり、
薄膜表面近傍を乱した後、この超電導薄膜を熱処理する
ことにより、結晶粒界を形成する。上記の拡散、損傷を
与える手段には加速、収束されたイオンビームを使用す
る。 さらに、第３の手段として次のものがある。すなわち、
基板上に人工的に結晶面方位の異なる部分を形成し、こ
の上に成長方位の異なる超電導薄膜をエピタキシャル成
長させ、基板の結晶面方位を変位させた部分に超電導電
流が流れることを阻害する結晶粒界を形成する。 【作用】 上記第１の手段の具体的作用について第１図（ａ）〜第
１図（ｃ）に従って説明する。収束イオンビーム（ｆｏ
ｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ）により、基板３０の表
面にＧａなどのイオンビーム３１を照射すると、加速電
圧の大きさに従って、金属が蒸着されたり、基板３０表
表面下１００〜２００人の深さまで損傷層３２が生じる
。（第１図（ａ））蒸着領域および損傷領域の幅はイオ
ンビームの収束の仕方によって変化できる、１μｍ以下
の幅にできる。 また蒸着物の厚さはイオンのドーズ量とビーム幅で決ま
る。１０”／ｃｍ２のドーズを１μｍのビーム径で照射
すると３９人に相当する膜厚の蒸着物が形成される。 このように加工した基板３０に超電導薄膜３３をエピタ
キシャル成長する条件で形成すると、蒸着されていない
領域や、損傷を受けていない領域では、超電導薄膜３３
がエピタキシャル成長するが、イオンビームにより加工
された領域３４では、エピタキシャル成長が阻害され、
微結晶３５が生成する。（第１図（ｂ））膜厚が厚くな
るとイオンビームにより加工された領域３４の両側から
成長してきた結晶が互いにぶつかる。両側の結晶の結晶
方位は同じであるが、僅かなずれがあるため、２つの結
晶の間にはミスフィツトが殆どない結晶粒界３６が生成
する。（第１図（Ｃ））結晶粒界によって粒界をはさむ
両側での位相差は保たれ、両側の超電導電流は低くなり
、磁場が侵入できる弱結合が形成される。 次に上記第２の手段の具体的作用について第２図（ａ）
および第２図（ｂ）に従って説明する。 収束イオンビーム（ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ
）により、基板１３０にエピタキシャル成長させた超電
導薄膜１３１にＧａなどのイオンビーム１３２を照射す
ると、加速電圧の大きさに従って、金属が蒸着されたり
、超電導薄膜１３１表面下約１００〜２００人の深さま
で拡張領域１３３が生じる。 （第２図（ａ））このように加工した超電導薄膜１３４
を熱処理すると、蒸着されたり、損傷を受けた領域では
、再結晶化が生じ、結晶粒界１３５が生成する。（第２
図（ｂ））両側の結晶の結晶方位は同じであるため、結
晶粒界の両側の結晶粒の間にはミスフィツトは殆どない
。 次に上記第３の具体的作用を説明する。 Ｌｎ、Ｂａ２Ｃｕ３０ｙ （Ｌｎ”Ｙ、Ｅｒ、Ｈｏなど
の希土類金属）からなる酸化物超電導材料は、斜方晶型
ペロブスカイト構造をもち、ａ軸、ｂ軸。 Ｃ軸、の長さが各々３．８３人、３．８９人。 １１．７人、となっている。これら酸化物超電導薄膜材
料の臨界温度（Ｔｃ）や臨界電流密度（Ｊｃ）などの特
性を向」ニさせるには、薄膜の組成や適正な基板材料を
選択することが重要である。 特に酸化物超電導薄膜材料は、成膜過程において６００
’Ｃ〜９５０℃の高温プロセスを経過するため、基板
材料としては薄膜との反応性の少ない材料を選ぶ必要が
ある。さらに、良好な超電導特性をもった薄膜結晶を形
成するには、結晶粒界の少ないエピタキシャル成長し易
い基板を選ぶ必要がある。この点から望ましい基板材料
は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化マ
グネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）
などである。 酸化物超電導薄膜を真空蒸着法やスパッタ法で形成する
場合、基板材料の種類や基板の結晶面方位によって薄膜
結晶の成長方向が異なることが明らかになった。例えば
、Ｍｇ０（１００）基板やＺｒＯ２（１００）基板−に
に、前記酸化物超電導薄膜を形成した場合、基板と薄膜
のａ、ｂ軸の格子定数のミスマツチが大きいため、エネ
ルギー的に安定な０面を基板面に接した膜、すなわちＯ
軸配向した酸化物超電導薄膜が形成される。 これに対して、５ｒＴｊ○３（１００）基板上に前記酸
化物超電導薄膜を形成した場合、ＳｒＴｉＯ３の格子定
数（３，９０人）と、酸化物超電導薄膜のｂ軸の格子定
数およびＣ軸の格子定数の］／３の長さがほぼ等しいた
め、薄膜は基板」二にエピタキシャル成長して、ａ軸に
配向した酸化物超電導薄膜が形成される。同様に５ｒＴ
ｊ○３（１１０）基板では（１１０）方向に配向した酸
化物超電導薄膜が形成される。 さらに、第３図に示したように１例えば５ｒＴｊ○＝
（１００）、５ｒＴｉＯ３（１１０）。 Ｓ ｒ Ｔ ｊ○、（ｌｌｌｊ基板において、基板面が
わずかの角度Ｏだけ傾いた（オフした）基板を用いると
、この上に形成する酸化物超電導薄膜の納品配向が制御
できることが明らかになった。例えば、ＳｒＴｉＯ３（
１００）基板２３０の表面を（１００）面に正しく合わ
せた領域２３］と（１００）から角度Ｏだけ傾いた領域
２３２に同一条件で前記酸化物超電導薄膜を形成すると
、（１００）面に正しく合わせた領域２３１では、ａ軸
方向に配向した酸化物超電導薄膜が生成され、一方、角
度Ｏだけ傾いた領域２３２では、Ｃ軸方向に配向した酸
化物超電導薄膜が生成されることを見出した。この場合
、基板の結晶面方位がわずかに傾斜した境界部分では薄
膜の結晶方位が異なるため、結晶粒界２３３が形成され
る。 この場合、オフ角度Ｏは、０．５度以上が望ましい。ま
た、５ｒＴｊ○３ Ｎ、１０）、５ｒＴｉＯ。 （１゜１．１）、ＭｇＯ，ＺｒＯ２基板を用いても同様
の効果がある。 ［実施例］ 以下、実施例により本発明の詳細な説明する。 実施例１゜ 第４図（ａ）〜第４図（Ｃ）により本発明の実施例１を
説明する。 無歪、鏡面に研磨した面方位（１１０）のチタン酸スト
ロンチウム（ＳｒＴｉＯ，）単結晶基板４０の上に収束
イオンビーム（ＦＩＢ）法により、ガリウム（Ｇａ）４
１を［０１１］および［００１］方向に線状に照射した
。照射条件は加速電圧３０ｋＶ、線幅（Ｓ工Ｍ：走査イ
オン顕微法で測定）は１μｍ、線の長さは０．５ｍｍで
ある。 Ｇａのドーズ量は５ Ｘ １０”〜５ Ｘ １０１９／
ｃｍで、１桁ずつ量を変化させた。各ドーズ量の８本の
線４２を３ｍｍおきに形成した。 この加工を施した基板４３上に ＥｒＢａ２Ｃｕ、０７−８薄膜４４をスパッタ法で形成
した。エピタキシャル成長を行わせるために、基板温度
は成膜時７００℃に保った。膜厚は０．７μｍであった
。スパッタで形成した膜にはイオンを照射した場所に線
状の欠陥がみられた。但し、線状の欠陥が観察されたの
はドーズ量が５ Ｘ １０”／Ｃ１１２以上の５本であ
った。この膜を８３０℃で２時間、酸素中で熱処理した
。熱処理後、線状の欠陥すなわち粒界４５は明瞭になっ
た。 粒界４５の超電導特性を調べるために、粒界４５の両端
部の超電導膜を除去して超電導膜のネック部を形成し、
４端子法でＩ−Ｖ特性を測定した。Ｉ−Ｖ曲線はその代
表例を第１２図に示すように超電導の特徴を示していた
。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は電
流を［１１０］方向に流した時、２ Ｘ １０４Ａ／ｃ
ｍ２であったが、粒界４５の場所での臨界電流密度は第
１表に示すように５０％から３％に減少した。電流の流
す方向を［００１］にした場合、電流の絶対値は約半分
に減少するものの、粒界の影響は同じ傾向にあった。イ
オンを照射したにもかかわらず、粒界４５が観察されな
い場所での臨界電流密度は照射しない領域と殆ど差がな
かった。臨界電流密度（Ｊｃ）の温度依存性を調べた結
果、５０代（１−（Ｔ／Ｔｃ））゛の関係になっていた
。また、磁場に対する臨界電流の変化を調べた結果、超
電導電流の周期的磁場依存性が観察され、弱結合ジョセ
フソン接合になっていることを確認した。 実施例２゜ 実施例１と同じ条件でイオンを照射した基板を用い、こ
の上にＥｒＢａ２Ｃｕ３０．−ａ薄膜をスパッタ法で形
成した。成膜条件は実施例１と同じであるが、膜厚は３
５００人であった。８３０℃で２時間、酸素中で熱処理
した膜には、ドーズ量が５ Ｘ １０１２／ｃｍ２以上
の７本に粒界がｍ察された。 実施例１の場合と同じように、４端子法で粒界のＩ−Ｖ
特性を調べた。実施例１の膜は臨界温度（Ｔｃ）が８８
にと高かったが、膜厚３５００人の膜のＴｃは８３Ｋに
低下した。これは基板からの不純物の拡散の影響を強く
受けたためである。 ７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は６×
１０４Ａ／ｃｌ１２であったが、粒界のある場所での臨
界電流密度は第１表に示すように５０％から１％に減少
した。イオンは照射したにもかかわらず、粒界４５の観
察されない場所での臨界電流密度は実施例１と同様、照
射しない領域と殆ど差がなかった。イオンドーズ量が５
Ｘ １０”／ｃｍ２以上の粒界での臨界電流密度（Ｊ
ｃ）が低いのは膜厚が薄いためにドーズ量が５ Ｘ １
０１６／ｃｍ２以上の粒界の幅が広くなっているためで
ある。温度依存性を調べた結果、イオンドーズ量が５
Ｘ １０”７ｃｍ２以下の粒界ではＪａｃｅ（１−（Ｔ
／Ｔｃ））゛の関係になっていた。また、磁場に対する
臨界電流の変化を調べた結果、フラウンホーファ曲線が
観察され、弱結合ジョセフソン接合になっていることを
確認した。 実施例３゜ 実施例１，２と同じように、イオン照射した基板上にＥ
ｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜を１０００人形成し、酸素
中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）が８０にで
あった。熱処理後にはすべての個所に粒界が観察された
。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は２
Ｘ １０３Ａ／ｃｍ”であり、粒界の場所での臨界電
流密度は第１表に示すように７５％から０％に減少した
。 実施例４゜ 実施例１と同じように、イオン照射した基板上にＥｒＢ
ａ２Ｃｕ３０ｖ−ａ薄膜を１． 、５ ／Ａ ｍ形成し
、酸素中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）が８
５にであった。熱処理後にはドーズ量が５×１０１６／
Ｃｍ２〜５×１０１１１／Ｃｍ２の個所に粒界が観察さ
れた。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度
は３ Ｘ １０’Ａ／ｃｍ”であり、粒界の場所での臨
界電流密度は第１表に示すように６０％から３２％に減
少した。 した。この場合に粒界が観察された条件は、５Ｘ１０１
１１／ｃｍ２照射した個所だけであり、この部分だけが
弱結合ジョセフソン接合として利用できることが分かっ
た。 以上の実施例１〜実施例５の結果を膜厚と照射ドーズ量
の関係でまとめると、第５図の黒点で示す領域が適切な
領域であることが分かった。 実施例６゜ 照射するＦＩＢのイオン源として、基板のチタン酸スト
ロンチウム（Ｓ ｒ Ｔ ｊ○３）の構成元素であるチ
タン（Ｔｉ）を使用し、実施例１と同じ条件でＳ ｒＴ
ｊ、ｏ３（１］、 Ｏ）基板」二にＴ〕を線状に照射し
た。この上に実施例１と同じく厚さ０．７μｍのＥｒＢ
ａ２Ｃｕ３０７−８薄膜を形成した。イオン源をＧａか
らＴｉに変更しても、粒界の発生に差はなく、Ｉ−Ｖ特
性とＪｃの値に関しても再現性が極めて高いことが明ら
かになった。 実施例７゜ Ｇａイオンの照射において、加速電圧を３０ｋＶから１
５ｋＶに下げた。加速電圧以外は実施例１と同じ条件で
５ｒＴｊＯ３（１１０）基板上にＧａを線状に照射した
。この上にスパッタ法で厚さ０．３５ μｍのＥｒＢａ
２Ｃｕ３０７−ａ薄膜を形成した。熱処理後の粒界はド
ーズ量が５ Ｘ １０”７０ｍ２以上の個所に観察され
た。加速電圧が３０ｋＶの場合に比較して、粒界形成に
照射の効果が少なくなったのは、基板の損傷の程度が少
なく、Ｇａが蒸着されている状況に近づいたためと考え
られる。 実施例８゜ 基板にＳ ｒ Ｔ ｊ○３（１００）を用い、実施例１
と同し条件でＧａイオンを線状に照射した。このイオン
ビーム加工した基板の上に、膜厚０．７μｍのＹＢａ２
Ｃｕ３０７−ａ薄膜を形成した。薄膜はａ軸［１００］
が膜面に垂直になるように成長した。面内にはＣ軸とｂ
軸が混じっていたが、線状にＧａを照射した部分の実施
例１と同じドーズ量の条件下の部分で粒界が明瞭に観察
された。これから、基板方位と超電導薄膜の材料に殆ど
影響されないことが示された。 実施例９゜ 基板に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（１００）を使用し
、実施例６と同様にＴｊイオン加速電圧３０ｋＶで、５
Ｘ １０”７ｃｍ −５Ｘ １０”７ｃｍ２のドーズ
量照射した。この上に膜厚０．３５μｍのＹ Ｂ ａ２
Ｃｕａ Ｏ７−ａ 簿膜を形成した。薄膜はＣ軸が基板
面に垂直になり、ａ軸とｂ軸の区別はできなかったが、
５ Ｘ １０”７ｃｍ２−５ Ｘ １０１８／ｃｍ２の
ドーズ量の個所で粒界が発生した。粒界を形成していな
い領域に対してのＪｃの値は、基板の種類に依存せず、
膜厚とドーズ量でほぼ規定される値であった。 実施例１０゜ 以上の実施例１〜実施例９に示した方法で形成した結晶
粒界を弱結合ジョセフソン接合に利用し、ｄｃｓＱＵＩ
Ｄを作製した。５ｒＴｉ○３（１１−０）基板７０に加
速電圧３０ｋＶで、Ｇａイオンをドーズ量５ Ｘ １０
１５／ｃｍ”で線幅１μｍ、長さ０．５ｍｍ、間隔０．
８ｍｍで直列に２本照射した。この」二には実施例１と
同じ条件で膜厚０．３５μｍのＥｒＢａ２Ｃｕ３０７．
、、薄膜７１を形成した。このようにして形成した薄膜
をホトリソグラフィと化学エツチングにより第６図に示
すように、２つの粒界７２を利用したＳＱＵＩＤのパタ
ーンに加工した。 このＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、磁束の測定を７
６にでおこなった。その結果、第１３図に示すように量
子磁束に対応する電圧が観測され、本発明で形成した粒
界利用の弱結合ジョセフソン接合が超電導素子に応用で
きることが示された。 実施例１１゜ 本発明の実施例１１を第７図（ａ）〜第７図（ｃ）によ
り説明する。 無歪、鏡面に研磨した面内方位（１１０）のチタン酸ス
トロンチウム（Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ３）単結晶基板１４
０の上にＥｒＢａ２Ｃｕ３０□−ａ薄膜１４１をスパッ
タ法で形成した。エピタキシャル成長を行わせるために
、基板温度は成膜時７００℃に保った。 膜厚は０．７μｍであった。この薄膜１４１にガリウム
（Ｇａ）の収束イオンビーム（ＦＩＢ）１４２を［０１
１］および［００１］方向に線状に照射した。照射条件
は加速電圧３０ｋＶ、線幅（ＳＩＭ：走査イオン顕微法
で測定）は１μｍ、線の長さは０．５＋ａｍである。Ｇ
ａのドーズ量はｌＸ１０１２〜１×１０１９７ｃＷ１２
で、１桁ずつ量を変化させた。各ドーズ量の８本の線１
４３を３ｍｍおきに形成した。 この加工を施した薄膜１４４を８３０℃で２時間、酸素
中で熱処理した。熱処理後、イオンを照射した場所に欠
陥の粒界が発生した。但し、線状の欠陥が観察されたの
はドーズ量がＩ Ｘ １０”／ｃｍ２以上の５本であっ
た。この線状の欠陥すなわち粒界１４５は明瞭になった
。 粒界１４５の超電導特性を調べるために、粒界１４５の
両端部の超電導膜を除去して超電導膜のネック部を形成
し、４端子法でＩ−Ｖ特性を測定した。Ｉ−Ｖ曲線はそ
の代表例を第１２図に示すように超電導の特徴を示して
いた。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度
は電流を［１１０］方向に流した時、２ Ｘ １０５Ａ
７ｃｍ”であったが、粒界１４５の場所での臨界電流
密度は第２表に示すように５２％から１１％に減少した
。 電流の流す方向を［００１］にした場合、電流の絶対値
は約半分に減少するものの、粒界の影響が同じ傾向にあ
った。イオンを照射したにもかかわらず、粒界１４５が
観察されない場所での臨界電流密度は照射しない領域と
殆ど差がなかった。臨界電流密度（Ｊｃ）の温度依存性
を調べた結果、Ｊｃ” （１−（Ｔ／Ｔｃ）） の関
係になっていた。また、磁場にたいする臨界電流の変化
を調べた結果、超電導電流の周期的磁場依存性が観察さ
れ、弱結合ジョセフソン接合になっていることを＝２４ 確認した。 実施例１２ 実施例１１と同じ成膜条件で膜厚０．３５μｍのＥｒＢ
ａ２Ｃｕ３０□４薄膜をスパッタ法で形成し、これに実
施例１１と同じ条件でイオンを照射した。 その後、８３０℃で２時間、酸素中で熱処理した。 薄膜には、ドーズ量がＩ Ｘ １０１３／ｃｍ２以上の
７本に粒界が観察された。実施例１１の場合と同じよう
に、４端子法で粒界のＩ−Ｖ特性を調べた。 実施例１１の膜は臨界温度（Ｔｃ）が８８にと高かった
が、膜厚０．３５μｍの膜のＴｃは８３Ｋに低下した。 これは基板からの不純物の拡散の影響を強く受けたため
である。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密
度は６ Ｘ １０’Ａ／ａｍ２であ−たが、粒貸鷺る場
所での臨界電流密度は第２表に示すように５０％から１
％に減少した。イオンは照射したにもかかわらず、粒界
１４５の観察されない場所での臨界電流密度は実施例１
１と同様、照射しない領域と殆ど差がなかった。イオン
ドーズ量がＩ Ｘ １０１７／ｃｍ”以上の粒界での臨
界電流密度（Ｊｃ）が低いのは膜厚が薄いためにドーズ
量がＩ Ｘ １０′７７ｃｍ２以上の粒界の幅が広くな
っているためである。温度依存性を調べた結果、イオン
ドーズ量がＩ Ｘ １０”／ａｍ２以下の粒界ではＪ
ｃｃｅ （１−（Ｔ／Ｔｃ） ） の関係になってい
た。また、磁場にたいする臨界電流の変化を調べた結果
、フラウンホーファ曲線がａ察され、弱結合ジョセフソ
ン接合になっていることを確認した。 実施例１３ 実施例１１と同じように、ＥｒＢａ２Ｃｕ３０ｔ−ａ薄
膜を１０００人形成し、これに、イオンを照射し、酸素
中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）は８０にで
あった。熱処理後にはすべての個所に粒界が観察された
。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は２
Ｘ １０３Ａ／ｃｍ’であり、粒界の場所での臨界電
流密度は第２表に示すように３９％から０％に減少した
。 実施例］４ 基板上にＥｒＢａ２Ｃｕ３０７−８薄膜を１．５μｍ形
成し、実施例１１と同じように、イオン照射し、これを
酸素中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）は８５
にであった。熱処理後にはドーズ量がＩ Ｘ １０１７
／ｃｍ −Ｉ Ｘ １０１９／ｃｍ２の個所に粒界が観
察された。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流
密度は３ Ｘ １０５Ａ／ｃｍ２であり、粒界の場所で
の臨界電流密度は第２表に示すように６４％から３５％
に減少した。 実施例１５ 形成するＥｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜の膜厚を３μｍ
にした。この場合に粒界が観察された条件は、Ｉ Ｘ
１０１９／ｃｍ”照射した個所だけであり、この部分だ
けが弱結合ジョセフソン接合として利用できることが分
かった。 以」二の実施例１１〜実施例１５の結果を膜厚と照射ド
ーズ量の関係でまとめると、第８図の黒点で示す領域が
適切な領域であることが分かった。 実施例１６゜ 照射するＦＩＢのイオン源として、基板のチタン酸スト
ロンチウム（Ｓ ｒ Ｔ ｉ○３）の構成元素であるチ
タン（Ｔｉｉ）を使用し、実施例１１と同じく厚さＯ，
’７μｍのＥｒＢａ２Ｃｕ、Ｏ□−ａ薄晶施例１１と同
じ条件でＴｉを線状に照射した。イオン源をＧａからＴ
ｉに変更しても、粒界の発生に差はなく、Ｉ−Ｖ特性と
Ｊｃの値に関しても再現性が極めて高いことが明らかに
なった。 実施例１７ Ｇａイオンの照射において、加速電圧を３゜ｋＶから１
５ｋＶに下げた。加速電圧以外は実施例１１と同じ条件
で５ｒＴｉＯ３（１１０）基板上の厚さ０．３５ μｍ
のＥ ｒ Ｂ ８２Ｃ１１３０７−６薄膜にＧａを線状
に照射した。熱処理後の粒界はドーズ量が１×１０１５
／ｃｍ２以上の個所に観察された。 加速電圧が３０ｋＶの場合に比較して、粒界形成に照射
の効果が少なくなったのは、薄膜の損傷の程度が少なく
、Ｇａが蒸着されている状況に近づいたためと考えられ
る。 実施例１８゜ 基板に５ｒＴｉｏ３（１００）を用い、この上に膜厚０
．７ｔｔｍのＹＢａ２Ｃｕ３０．−ａ薄膜を形成した。 実施例１１と同じ条件でＧａイオンを線状に照射した。 このイオンビーム加工した薄膜はａ軸［１００］が膜面
に垂直になるように成長したもので、面内にはＣ軸とｂ
軸が混じっていたが、線状にＧａを照射した部分では実
施例１１と同じ１−一ズ量の条件下の部分で粒界が明瞭
に観察された。 これから、基板方位と超電導薄膜の材料に殆ど影響され
ないことが示された。 実施例１９゜ 基板に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（１００）を使用し
、この上に膜厚０．３５μｍの ＹＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜を形成した。実施例１６と
同様にＴｊイオンを加速電圧３０ｋＶで、Ｉ Ｘ １０
１２−Ｉ Ｘ １０１ｇ／ｃｍ２のドーズ量照射した。 薄膜はＣ軸が基板面に垂直になり、ａ軸とｂ軸の区別は
できなかったが、Ｉ Ｘ １０１３〜Ｉ Ｘ １０１９
／ｃｍ２のドーズ量の個所で粒界が発生した。粒界を形
成していない領域に対してのＪｃの値は、基板の種類に
依存せず、膜厚とドーズ量でほぼ規定される値であった
。 実施例２０゜ 以上の実施例１１〜実施例１９に示した方法で形成した
結晶粒界を弱結合ジョセフソン接合に利用し、ｄｃｓＱ
ＵＩＤを作製した。５ｒＴｉＯ。 （１１０）基板１７０に実施例１１と同じ条件で膜厚０
．３５ μｍのＥｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜１７１を
形成した。この上に加速電圧３０ｋＶで、Ｇａイオンを
ドーズ量５ Ｘ １０”／ｃｍ２で線幅１μｍ、長さＱ
、５ｍｍ、間隔０．８１１１ｍで直列に２本照射した。 このようにして形成した薄膜をホトリソグラフィと化学
エツチングにより第９図に示すように、２つの粒界１７
２を利用したＳＱＵＩＤのパターンに加工した。 このＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、磁束の測定を７
６にでおこなった。その結果、第１３図に示すように量
子磁束に対応する電圧が観測され、本発明で形成した粒
界利用の弱結合ジョセフソン接合が超電導素子に応用で
きることが示された。 実施例２１゜ 本発明の実施例２１を第１０図（ａ）および第１０図（
ｂ）により説明する。まず第１０図（、）に示すように
、面内方位（１００）のチタン酸ストロンチウム（Ｓｒ
ＴｉＯ３）単結晶基板２４０の表面を、面方位（１００
）に正しく合わせた面２４１と、これに対して角度Ｏだ
け傾斜した面２４２となるように切断し、各々の表面を
無歪。 鏡面に研磨した。基板の傾斜角Ｏは、０．５度。 １度、２度、６度、１０度、１４度とした基板を用いた
。次に成膜時の基板温度を７００℃に保持して、前記基
板上にＥｒ２Ｏ３，Ｂａｄ、Ｃｕ各々の一層の膜厚を６
０人、１８５人、６０人として全膜厚０．７μｍの積層
磁ζ３を真空蒸着法により形成した。 ついで薄膜２４３を９００℃で２時間、酸素中で熱処理
して第１０図（ｂ）に示したようなＥｒ１Ｂａ２Ｃｕ３
０□の酸化物超電導膜を形成した。 この熱処理により、面方位（１００）に正しく合わせた
領域２４１では、ａ軸方向に配向した酸化物超電導膜が
形成された。一方、面方位が（１００）に対して角度θ
だけ傾斜した領域２４２では、Ｃ軸方向に配向した酸化
物超電導膜が形成された。上記薄膜において基板の結晶
面が傾斜した境界部分に薄膜結晶の配向の違いにより、
結晶粒界２４４が発生した。 粒界２４４の超電導特性を調べるために、実施例１と同
じように粒界２４４の両端部の超電導膜を除去して超電
導膜のネック部を形成し、４端子法でＩ−Ｖ特性を測定
した。Ｉ−Ｖ曲線はその代表例を第１２図に示すように
超電導の特徴を示していた。７７Ｋにおける粒界のない
領域での臨界電流密度は、２×１０″’ Ａ ／ ０ｍ
２であったが、粒界２４４の場所での臨界電流密度は傾
斜角θの大きさにより第３表に示すように５２％から１
１％に減少した。臨界電流密度（Ｊｃ）の温度依存性を
調べた結果、Ｊ ｃ” （１−（Ｔ／Ｔｃ））゛の関係
になっていた。また、磁場にたいする臨界電流ているこ
とを確認した。 第３表 実施例２２゜ 面内方位（１００）の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結
晶基板の表面を第１０図（ａ）に示したように実施例２
１と同様の形状に加工した後、各々の表面を無歪、鏡面
に研磨した。次に、第１０図（ｂ）に示したように、ス
パッタ法により基板上に膜厚Ｑ、３１ｔｍのＥ ｒ、
Ｂ ａ２Ｃｕ、０７の酸化物超電導膜を形成した。薄膜
形成時の基板温度は７００ ’Ｃとした。その後、８３
０℃で２時間、酸素中で熱処理した。得られた試料は、
面方位（１００）に正しく合わせた領域２４］ （０＝
０度）およびこれに対して角度θだけ傾斜した領域２４
２ともに、各々の基板面に垂直にＣ軸配向した酸化物超
電導薄膜が形成され、また基板の結晶面が傾斜した境界
部分には、薄膜結晶の配向の傾きにより、粒界が発生し
ていた。なお、本実施例ではスパッタ中に膜の超電導化
が行なわれているので、その後の熱処理工程は必ずしも
必要ではない。 粒界の超電導特性を調べるために、実施例２１の場合と
同しように、粒界の両側を除去し、４端子法で粒界のｒ
−ｖ特性を調べた。Ｔ −Ｖ特性は、第１２図に示すよ
うな超電導の特徴を示していた。 ７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は６
Ｘ １．０４Ａ／ｃｍ’であったが、粒界のある場所で
の臨界電流密度は第３表に示すように６０％から１２％
に減少した。傾斜角Ｏが大きいほど、粒界での臨界電流
密度が低いのは、薄膜結晶の成長軸の傾きが大きくなる
ことにより、粒界の幅が広くなるためである。臨界電流
密度の温度依存性をの関係になっていた。また、磁場に
たいする臨界電流の変化からも弱結合ジョセフソン接合
になっていることを確認した。 実施例２３゜ 本発明の実施例２１〜実施例２２の弱結合のジョセフソ
ン接合を利用し、第１１図に示したようなｄｃｓＱＵＩ
Ｄを作製した。面内方位（１００）の融化マグネシウム
（ＭｇＯ）単結晶基板の表面の一部を傾斜角０＝２度に
切断した基板２６０を用いて、実施例２２と同じ条件で
膜厚０．３μｍのＥｒ、Ｂａ２Ｃｕ３０７薄膜２６１を
形成した。このようにして形成した薄膜において、基板
の傾斜角のずれた部分に粒界２６２が生成された。この
ようにして形成した薄ｉン鯰雰≠＃辷辻ホトリソグラフ
ィと化学エツチングにより第１１図に示すように、２つ
の粒界２６２を利用したＳＱＵＩＤのパターンに加工し
た。 このＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、磁束の測定を７
６にでおこなった。その結果、第１３図に示すように、
量子磁束に対応する電圧が観測され、本発明で形成した
粒界利用の弱結合ジョセフソン接合が超電導素子に応用
できることが示された。 【発明の効果１ 本発明によれば、所定に位置に単一の結晶粒界が形成で
きるため、これを超電導弱結合ジョセフソン接合に利用
できる。また、膜厚、ドーズ量を選択することにより、
素子作製時のバイアス電流を制御できることも大きな特
長である。 なお、本発明における薄膜形成法はスパッタ法あるいは
積層蒸着法であったが、酸化物超電導薄膜はこの他、反
応性蒸着法でも形成可能であり、他の成膜法が適用可能
であることは言うまでもない。
える酸化物超電導体の出現により、新しい超電導素子が
開発できるものと期待されている。 しかしながら、酸化物超電導体を用いて、素子とくにエ
レクトロニクス素子を形成する時、いくつかの課題が残
されている。その中の−・つば、ジョセフソン接合の形
成である。従来の金属超電導体を用いたジョセフソン接
合素子では、超電導体薄膜の間に極薄の絶縁層を設ける
１−ンネル型ジョセフソン接合が形成されてきた。金属
超電導体の場合には、超電導薄膜と反応せず、かつ膜厚
が極めて薄くても絶縁性に優れたＭ縁膜（例えば、５ｉ
ｎ２）が形成できること、金属超電導体はコヒーレンＩ
・長が数１０人と長いこと、がこの接合を実現できた主
な理由である。これらのトンネル型接合を用いることに
より超電導スイッチング素子などが開発されている。 しかしながら、酸化物高温超伝導体は、■コヒーレント
長が数人と短いため、＃！！縁層の厚さをこれまで以上
に薄くシなければならない、■Ｔｃの高い超電導薄膜を
形成するには、基板温度が高い条件で膜を形成するか、
高温での熱処理をしなければならない。これに加え、金
属と異なり、酸化物超電導体は絶縁材料（一般に酸化物
）と反応しやすく、それ故、トンネル型のジョセフソン
接合を形成することは、極めて難しい。そのため、これ
までのジョセフソン接合は第１４図に示すように超電導
体セラミックスの捧１０を超電導体１］−に押しつけた
時に得られているのみで、積層膜でのジョセフソン接合
は作られていない。 薄膜で作られたジョセフソン接合としては、部分的に膜
厚を薄くしたり、電流の流れる部分を狭くしたりして、
超電導結合を弱くする弱結合型ジョセフソン接合が知ら
れている。 弱結合を形成する具体的方法としては、第１５図に示す
ように基板２０に段差２工を設け、その上に形成した超
電導薄膜２２の厚さ変える方法の他、水素イオンを打ち
込み、狭い領域にのみ超電Ｒｅｖ、 Ｌｅｔｔ、旦０
（１９８８）１６５３）、および特開昭６２−２７３
７８２がある。しかしながら、これらの方法は、偶然に
多結晶超電導薄膜粒界が接合を形成しようとしている場
所にくることを期待するもので、再現性に劣る他、形状
や、接合の位置を任意に選択することができないという
問題があった。さらに、複数の粒界が存在するので接合
が電流の方向に対して多数直列に形成され、その結果ｒ
−ｖ特性が悪くなるという問題があった。 特開昭６２−２７３７８２では、所定の位置に特性の揃
った弱結合ジョセフソン接合を再現性よ板上にスリット
状のパターンを形成し、この」二に超電導薄膜をエピタ
キシャル成長させる。スリット状のパターンの」二の超
電導薄膜はエピタキシャル成長が阻害され、当初多結晶
となり、その後の膜厚の増大の結果、スリット状のパタ
ーンの上に単一の粒界が形成されるものである。しかし
ながら、該従来技術の方法では、パターン形成のために
ホトレジスｌへ工程を必要とするので、エピタキシャル
成長を阻害する要因となる基板表面の汚染が生じやすく
、再現性に劣る。また、パターンの幅は微細加工技術に
よりその最小幅が制限される為、超電導薄膜の膜厚を薄
くし難いという問題があった。 【発明が解決しようとする課題） 酸化物超電導薄膜における従来の弱結合ジョセフソン接
合形成法は、所定の位置に特性の揃った弱結合ジョセフ
ソン接合の形成が難しく、再現性の点から問題があった
。本発明の目的は、所定の位置に特性の揃った弱結合ジ
ョセフソン接合を再現性よく形成することにある。また
、このようにして形成した弱結合ジョセフソン接合を使
用して、超電導素子を作ることにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、第１の手段は、人工的に形
成した結晶欠陥を反映して生成させた結晶粒界を弱結合
ジョセフソン接合として利用するものである。具体的に
は、まず、基板上に超電導材料とは異る異種原子を付着
させたり、基板表面を乱し、次にこの上に薄膜をエピタ
キシャル成長させる。上記の付着、破壊の手段には加速
、収束されたイオンビームを使用する。 また、第２の手段として次のものがある。すなわち、基
板上にエピタキシャル成長させた超電導薄膜に、超電導
電流が流れることを阻害する異種原子を拡散させたり、
薄膜表面近傍を乱した後、この超電導薄膜を熱処理する
ことにより、結晶粒界を形成する。上記の拡散、損傷を
与える手段には加速、収束されたイオンビームを使用す
る。 さらに、第３の手段として次のものがある。すなわち、
基板上に人工的に結晶面方位の異なる部分を形成し、こ
の上に成長方位の異なる超電導薄膜をエピタキシャル成
長させ、基板の結晶面方位を変位させた部分に超電導電
流が流れることを阻害する結晶粒界を形成する。 【作用】 上記第１の手段の具体的作用について第１図（ａ）〜第
１図（ｃ）に従って説明する。収束イオンビーム（ｆｏ
ｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ）により、基板３０の表
面にＧａなどのイオンビーム３１を照射すると、加速電
圧の大きさに従って、金属が蒸着されたり、基板３０表
表面下１００〜２００人の深さまで損傷層３２が生じる
。（第１図（ａ））蒸着領域および損傷領域の幅はイオ
ンビームの収束の仕方によって変化できる、１μｍ以下
の幅にできる。 また蒸着物の厚さはイオンのドーズ量とビーム幅で決ま
る。１０”／ｃｍ２のドーズを１μｍのビーム径で照射
すると３９人に相当する膜厚の蒸着物が形成される。 このように加工した基板３０に超電導薄膜３３をエピタ
キシャル成長する条件で形成すると、蒸着されていない
領域や、損傷を受けていない領域では、超電導薄膜３３
がエピタキシャル成長するが、イオンビームにより加工
された領域３４では、エピタキシャル成長が阻害され、
微結晶３５が生成する。（第１図（ｂ））膜厚が厚くな
るとイオンビームにより加工された領域３４の両側から
成長してきた結晶が互いにぶつかる。両側の結晶の結晶
方位は同じであるが、僅かなずれがあるため、２つの結
晶の間にはミスフィツトが殆どない結晶粒界３６が生成
する。（第１図（Ｃ））結晶粒界によって粒界をはさむ
両側での位相差は保たれ、両側の超電導電流は低くなり
、磁場が侵入できる弱結合が形成される。 次に上記第２の手段の具体的作用について第２図（ａ）
および第２図（ｂ）に従って説明する。 収束イオンビーム（ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ
）により、基板１３０にエピタキシャル成長させた超電
導薄膜１３１にＧａなどのイオンビーム１３２を照射す
ると、加速電圧の大きさに従って、金属が蒸着されたり
、超電導薄膜１３１表面下約１００〜２００人の深さま
で拡張領域１３３が生じる。 （第２図（ａ））このように加工した超電導薄膜１３４
を熱処理すると、蒸着されたり、損傷を受けた領域では
、再結晶化が生じ、結晶粒界１３５が生成する。（第２
図（ｂ））両側の結晶の結晶方位は同じであるため、結
晶粒界の両側の結晶粒の間にはミスフィツトは殆どない
。 次に上記第３の具体的作用を説明する。 Ｌｎ、Ｂａ２Ｃｕ３０ｙ （Ｌｎ”Ｙ、Ｅｒ、Ｈｏなど
の希土類金属）からなる酸化物超電導材料は、斜方晶型
ペロブスカイト構造をもち、ａ軸、ｂ軸。 Ｃ軸、の長さが各々３．８３人、３．８９人。 １１．７人、となっている。これら酸化物超電導薄膜材
料の臨界温度（Ｔｃ）や臨界電流密度（Ｊｃ）などの特
性を向」ニさせるには、薄膜の組成や適正な基板材料を
選択することが重要である。 特に酸化物超電導薄膜材料は、成膜過程において６００
’Ｃ〜９５０℃の高温プロセスを経過するため、基板
材料としては薄膜との反応性の少ない材料を選ぶ必要が
ある。さらに、良好な超電導特性をもった薄膜結晶を形
成するには、結晶粒界の少ないエピタキシャル成長し易
い基板を選ぶ必要がある。この点から望ましい基板材料
は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化マ
グネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）
などである。 酸化物超電導薄膜を真空蒸着法やスパッタ法で形成する
場合、基板材料の種類や基板の結晶面方位によって薄膜
結晶の成長方向が異なることが明らかになった。例えば
、Ｍｇ０（１００）基板やＺｒＯ２（１００）基板−に
に、前記酸化物超電導薄膜を形成した場合、基板と薄膜
のａ、ｂ軸の格子定数のミスマツチが大きいため、エネ
ルギー的に安定な０面を基板面に接した膜、すなわちＯ
軸配向した酸化物超電導薄膜が形成される。 これに対して、５ｒＴｊ○３（１００）基板上に前記酸
化物超電導薄膜を形成した場合、ＳｒＴｉＯ３の格子定
数（３，９０人）と、酸化物超電導薄膜のｂ軸の格子定
数およびＣ軸の格子定数の］／３の長さがほぼ等しいた
め、薄膜は基板」二にエピタキシャル成長して、ａ軸に
配向した酸化物超電導薄膜が形成される。同様に５ｒＴ
ｊ○３（１１０）基板では（１１０）方向に配向した酸
化物超電導薄膜が形成される。 さらに、第３図に示したように１例えば５ｒＴｊ○＝
（１００）、５ｒＴｉＯ３（１１０）。 Ｓ ｒ Ｔ ｊ○、（ｌｌｌｊ基板において、基板面が
わずかの角度Ｏだけ傾いた（オフした）基板を用いると
、この上に形成する酸化物超電導薄膜の納品配向が制御
できることが明らかになった。例えば、ＳｒＴｉＯ３（
１００）基板２３０の表面を（１００）面に正しく合わ
せた領域２３］と（１００）から角度Ｏだけ傾いた領域
２３２に同一条件で前記酸化物超電導薄膜を形成すると
、（１００）面に正しく合わせた領域２３１では、ａ軸
方向に配向した酸化物超電導薄膜が生成され、一方、角
度Ｏだけ傾いた領域２３２では、Ｃ軸方向に配向した酸
化物超電導薄膜が生成されることを見出した。この場合
、基板の結晶面方位がわずかに傾斜した境界部分では薄
膜の結晶方位が異なるため、結晶粒界２３３が形成され
る。 この場合、オフ角度Ｏは、０．５度以上が望ましい。ま
た、５ｒＴｊ○３ Ｎ、１０）、５ｒＴｉＯ。 （１゜１．１）、ＭｇＯ，ＺｒＯ２基板を用いても同様
の効果がある。 ［実施例］ 以下、実施例により本発明の詳細な説明する。 実施例１゜ 第４図（ａ）〜第４図（Ｃ）により本発明の実施例１を
説明する。 無歪、鏡面に研磨した面方位（１１０）のチタン酸スト
ロンチウム（ＳｒＴｉＯ，）単結晶基板４０の上に収束
イオンビーム（ＦＩＢ）法により、ガリウム（Ｇａ）４
１を［０１１］および［００１］方向に線状に照射した
。照射条件は加速電圧３０ｋＶ、線幅（Ｓ工Ｍ：走査イ
オン顕微法で測定）は１μｍ、線の長さは０．５ｍｍで
ある。 Ｇａのドーズ量は５ Ｘ １０”〜５ Ｘ １０１９／
ｃｍで、１桁ずつ量を変化させた。各ドーズ量の８本の
線４２を３ｍｍおきに形成した。 この加工を施した基板４３上に ＥｒＢａ２Ｃｕ、０７−８薄膜４４をスパッタ法で形成
した。エピタキシャル成長を行わせるために、基板温度
は成膜時７００℃に保った。膜厚は０．７μｍであった
。スパッタで形成した膜にはイオンを照射した場所に線
状の欠陥がみられた。但し、線状の欠陥が観察されたの
はドーズ量が５ Ｘ １０”／Ｃ１１２以上の５本であ
った。この膜を８３０℃で２時間、酸素中で熱処理した
。熱処理後、線状の欠陥すなわち粒界４５は明瞭になっ
た。 粒界４５の超電導特性を調べるために、粒界４５の両端
部の超電導膜を除去して超電導膜のネック部を形成し、
４端子法でＩ−Ｖ特性を測定した。Ｉ−Ｖ曲線はその代
表例を第１２図に示すように超電導の特徴を示していた
。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は電
流を［１１０］方向に流した時、２ Ｘ １０４Ａ／ｃ
ｍ２であったが、粒界４５の場所での臨界電流密度は第
１表に示すように５０％から３％に減少した。電流の流
す方向を［００１］にした場合、電流の絶対値は約半分
に減少するものの、粒界の影響は同じ傾向にあった。イ
オンを照射したにもかかわらず、粒界４５が観察されな
い場所での臨界電流密度は照射しない領域と殆ど差がな
かった。臨界電流密度（Ｊｃ）の温度依存性を調べた結
果、５０代（１−（Ｔ／Ｔｃ））゛の関係になっていた
。また、磁場に対する臨界電流の変化を調べた結果、超
電導電流の周期的磁場依存性が観察され、弱結合ジョセ
フソン接合になっていることを確認した。 実施例２゜ 実施例１と同じ条件でイオンを照射した基板を用い、こ
の上にＥｒＢａ２Ｃｕ３０．−ａ薄膜をスパッタ法で形
成した。成膜条件は実施例１と同じであるが、膜厚は３
５００人であった。８３０℃で２時間、酸素中で熱処理
した膜には、ドーズ量が５ Ｘ １０１２／ｃｍ２以上
の７本に粒界がｍ察された。 実施例１の場合と同じように、４端子法で粒界のＩ−Ｖ
特性を調べた。実施例１の膜は臨界温度（Ｔｃ）が８８
にと高かったが、膜厚３５００人の膜のＴｃは８３Ｋに
低下した。これは基板からの不純物の拡散の影響を強く
受けたためである。 ７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は６×
１０４Ａ／ｃｌ１２であったが、粒界のある場所での臨
界電流密度は第１表に示すように５０％から１％に減少
した。イオンは照射したにもかかわらず、粒界４５の観
察されない場所での臨界電流密度は実施例１と同様、照
射しない領域と殆ど差がなかった。イオンドーズ量が５
Ｘ １０”／ｃｍ２以上の粒界での臨界電流密度（Ｊ
ｃ）が低いのは膜厚が薄いためにドーズ量が５ Ｘ １
０１６／ｃｍ２以上の粒界の幅が広くなっているためで
ある。温度依存性を調べた結果、イオンドーズ量が５
Ｘ １０”７ｃｍ２以下の粒界ではＪａｃｅ（１−（Ｔ
／Ｔｃ））゛の関係になっていた。また、磁場に対する
臨界電流の変化を調べた結果、フラウンホーファ曲線が
観察され、弱結合ジョセフソン接合になっていることを
確認した。 実施例３゜ 実施例１，２と同じように、イオン照射した基板上にＥ
ｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜を１０００人形成し、酸素
中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）が８０にで
あった。熱処理後にはすべての個所に粒界が観察された
。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は２
Ｘ １０３Ａ／ｃｍ”であり、粒界の場所での臨界電
流密度は第１表に示すように７５％から０％に減少した
。 実施例４゜ 実施例１と同じように、イオン照射した基板上にＥｒＢ
ａ２Ｃｕ３０ｖ−ａ薄膜を１． 、５ ／Ａ ｍ形成し
、酸素中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）が８
５にであった。熱処理後にはドーズ量が５×１０１６／
Ｃｍ２〜５×１０１１１／Ｃｍ２の個所に粒界が観察さ
れた。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度
は３ Ｘ １０’Ａ／ｃｍ”であり、粒界の場所での臨
界電流密度は第１表に示すように６０％から３２％に減
少した。 した。この場合に粒界が観察された条件は、５Ｘ１０１
１１／ｃｍ２照射した個所だけであり、この部分だけが
弱結合ジョセフソン接合として利用できることが分かっ
た。 以上の実施例１〜実施例５の結果を膜厚と照射ドーズ量
の関係でまとめると、第５図の黒点で示す領域が適切な
領域であることが分かった。 実施例６゜ 照射するＦＩＢのイオン源として、基板のチタン酸スト
ロンチウム（Ｓ ｒ Ｔ ｊ○３）の構成元素であるチ
タン（Ｔｉ）を使用し、実施例１と同じ条件でＳ ｒＴ
ｊ、ｏ３（１］、 Ｏ）基板」二にＴ〕を線状に照射し
た。この上に実施例１と同じく厚さ０．７μｍのＥｒＢ
ａ２Ｃｕ３０７−８薄膜を形成した。イオン源をＧａか
らＴｉに変更しても、粒界の発生に差はなく、Ｉ−Ｖ特
性とＪｃの値に関しても再現性が極めて高いことが明ら
かになった。 実施例７゜ Ｇａイオンの照射において、加速電圧を３０ｋＶから１
５ｋＶに下げた。加速電圧以外は実施例１と同じ条件で
５ｒＴｊＯ３（１１０）基板上にＧａを線状に照射した
。この上にスパッタ法で厚さ０．３５ μｍのＥｒＢａ
２Ｃｕ３０７−ａ薄膜を形成した。熱処理後の粒界はド
ーズ量が５ Ｘ １０”７０ｍ２以上の個所に観察され
た。加速電圧が３０ｋＶの場合に比較して、粒界形成に
照射の効果が少なくなったのは、基板の損傷の程度が少
なく、Ｇａが蒸着されている状況に近づいたためと考え
られる。 実施例８゜ 基板にＳ ｒ Ｔ ｊ○３（１００）を用い、実施例１
と同し条件でＧａイオンを線状に照射した。このイオン
ビーム加工した基板の上に、膜厚０．７μｍのＹＢａ２
Ｃｕ３０７−ａ薄膜を形成した。薄膜はａ軸［１００］
が膜面に垂直になるように成長した。面内にはＣ軸とｂ
軸が混じっていたが、線状にＧａを照射した部分の実施
例１と同じドーズ量の条件下の部分で粒界が明瞭に観察
された。これから、基板方位と超電導薄膜の材料に殆ど
影響されないことが示された。 実施例９゜ 基板に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（１００）を使用し
、実施例６と同様にＴｊイオン加速電圧３０ｋＶで、５
Ｘ １０”７ｃｍ −５Ｘ １０”７ｃｍ２のドーズ
量照射した。この上に膜厚０．３５μｍのＹ Ｂ ａ２
Ｃｕａ Ｏ７−ａ 簿膜を形成した。薄膜はＣ軸が基板
面に垂直になり、ａ軸とｂ軸の区別はできなかったが、
５ Ｘ １０”７ｃｍ２−５ Ｘ １０１８／ｃｍ２の
ドーズ量の個所で粒界が発生した。粒界を形成していな
い領域に対してのＪｃの値は、基板の種類に依存せず、
膜厚とドーズ量でほぼ規定される値であった。 実施例１０゜ 以上の実施例１〜実施例９に示した方法で形成した結晶
粒界を弱結合ジョセフソン接合に利用し、ｄｃｓＱＵＩ
Ｄを作製した。５ｒＴｉ○３（１１−０）基板７０に加
速電圧３０ｋＶで、Ｇａイオンをドーズ量５ Ｘ １０
１５／ｃｍ”で線幅１μｍ、長さ０．５ｍｍ、間隔０．
８ｍｍで直列に２本照射した。この」二には実施例１と
同じ条件で膜厚０．３５μｍのＥｒＢａ２Ｃｕ３０７．
、、薄膜７１を形成した。このようにして形成した薄膜
をホトリソグラフィと化学エツチングにより第６図に示
すように、２つの粒界７２を利用したＳＱＵＩＤのパタ
ーンに加工した。 このＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、磁束の測定を７
６にでおこなった。その結果、第１３図に示すように量
子磁束に対応する電圧が観測され、本発明で形成した粒
界利用の弱結合ジョセフソン接合が超電導素子に応用で
きることが示された。 実施例１１゜ 本発明の実施例１１を第７図（ａ）〜第７図（ｃ）によ
り説明する。 無歪、鏡面に研磨した面内方位（１１０）のチタン酸ス
トロンチウム（Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ３）単結晶基板１４
０の上にＥｒＢａ２Ｃｕ３０□−ａ薄膜１４１をスパッ
タ法で形成した。エピタキシャル成長を行わせるために
、基板温度は成膜時７００℃に保った。 膜厚は０．７μｍであった。この薄膜１４１にガリウム
（Ｇａ）の収束イオンビーム（ＦＩＢ）１４２を［０１
１］および［００１］方向に線状に照射した。照射条件
は加速電圧３０ｋＶ、線幅（ＳＩＭ：走査イオン顕微法
で測定）は１μｍ、線の長さは０．５＋ａｍである。Ｇ
ａのドーズ量はｌＸ１０１２〜１×１０１９７ｃＷ１２
で、１桁ずつ量を変化させた。各ドーズ量の８本の線１
４３を３ｍｍおきに形成した。 この加工を施した薄膜１４４を８３０℃で２時間、酸素
中で熱処理した。熱処理後、イオンを照射した場所に欠
陥の粒界が発生した。但し、線状の欠陥が観察されたの
はドーズ量がＩ Ｘ １０”／ｃｍ２以上の５本であっ
た。この線状の欠陥すなわち粒界１４５は明瞭になった
。 粒界１４５の超電導特性を調べるために、粒界１４５の
両端部の超電導膜を除去して超電導膜のネック部を形成
し、４端子法でＩ−Ｖ特性を測定した。Ｉ−Ｖ曲線はそ
の代表例を第１２図に示すように超電導の特徴を示して
いた。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度
は電流を［１１０］方向に流した時、２ Ｘ １０５Ａ
７ｃｍ”であったが、粒界１４５の場所での臨界電流
密度は第２表に示すように５２％から１１％に減少した
。 電流の流す方向を［００１］にした場合、電流の絶対値
は約半分に減少するものの、粒界の影響が同じ傾向にあ
った。イオンを照射したにもかかわらず、粒界１４５が
観察されない場所での臨界電流密度は照射しない領域と
殆ど差がなかった。臨界電流密度（Ｊｃ）の温度依存性
を調べた結果、Ｊｃ” （１−（Ｔ／Ｔｃ）） の関
係になっていた。また、磁場にたいする臨界電流の変化
を調べた結果、超電導電流の周期的磁場依存性が観察さ
れ、弱結合ジョセフソン接合になっていることを＝２４ 確認した。 実施例１２ 実施例１１と同じ成膜条件で膜厚０．３５μｍのＥｒＢ
ａ２Ｃｕ３０□４薄膜をスパッタ法で形成し、これに実
施例１１と同じ条件でイオンを照射した。 その後、８３０℃で２時間、酸素中で熱処理した。 薄膜には、ドーズ量がＩ Ｘ １０１３／ｃｍ２以上の
７本に粒界が観察された。実施例１１の場合と同じよう
に、４端子法で粒界のＩ−Ｖ特性を調べた。 実施例１１の膜は臨界温度（Ｔｃ）が８８にと高かった
が、膜厚０．３５μｍの膜のＴｃは８３Ｋに低下した。 これは基板からの不純物の拡散の影響を強く受けたため
である。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密
度は６ Ｘ １０’Ａ／ａｍ２であ−たが、粒貸鷺る場
所での臨界電流密度は第２表に示すように５０％から１
％に減少した。イオンは照射したにもかかわらず、粒界
１４５の観察されない場所での臨界電流密度は実施例１
１と同様、照射しない領域と殆ど差がなかった。イオン
ドーズ量がＩ Ｘ １０１７／ｃｍ”以上の粒界での臨
界電流密度（Ｊｃ）が低いのは膜厚が薄いためにドーズ
量がＩ Ｘ １０′７７ｃｍ２以上の粒界の幅が広くな
っているためである。温度依存性を調べた結果、イオン
ドーズ量がＩ Ｘ １０”／ａｍ２以下の粒界ではＪ
ｃｃｅ （１−（Ｔ／Ｔｃ） ） の関係になってい
た。また、磁場にたいする臨界電流の変化を調べた結果
、フラウンホーファ曲線がａ察され、弱結合ジョセフソ
ン接合になっていることを確認した。 実施例１３ 実施例１１と同じように、ＥｒＢａ２Ｃｕ３０ｔ−ａ薄
膜を１０００人形成し、これに、イオンを照射し、酸素
中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）は８０にで
あった。熱処理後にはすべての個所に粒界が観察された
。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は２
Ｘ １０３Ａ／ｃｍ’であり、粒界の場所での臨界電
流密度は第２表に示すように３９％から０％に減少した
。 実施例］４ 基板上にＥｒＢａ２Ｃｕ３０７−８薄膜を１．５μｍ形
成し、実施例１１と同じように、イオン照射し、これを
酸素中で熱処理した。この膜の臨界温度（Ｔｃ）は８５
にであった。熱処理後にはドーズ量がＩ Ｘ １０１７
／ｃｍ −Ｉ Ｘ １０１９／ｃｍ２の個所に粒界が観
察された。７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流
密度は３ Ｘ １０５Ａ／ｃｍ２であり、粒界の場所で
の臨界電流密度は第２表に示すように６４％から３５％
に減少した。 実施例１５ 形成するＥｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜の膜厚を３μｍ
にした。この場合に粒界が観察された条件は、Ｉ Ｘ
１０１９／ｃｍ”照射した個所だけであり、この部分だ
けが弱結合ジョセフソン接合として利用できることが分
かった。 以」二の実施例１１〜実施例１５の結果を膜厚と照射ド
ーズ量の関係でまとめると、第８図の黒点で示す領域が
適切な領域であることが分かった。 実施例１６゜ 照射するＦＩＢのイオン源として、基板のチタン酸スト
ロンチウム（Ｓ ｒ Ｔ ｉ○３）の構成元素であるチ
タン（Ｔｉｉ）を使用し、実施例１１と同じく厚さＯ，
’７μｍのＥｒＢａ２Ｃｕ、Ｏ□−ａ薄晶施例１１と同
じ条件でＴｉを線状に照射した。イオン源をＧａからＴ
ｉに変更しても、粒界の発生に差はなく、Ｉ−Ｖ特性と
Ｊｃの値に関しても再現性が極めて高いことが明らかに
なった。 実施例１７ Ｇａイオンの照射において、加速電圧を３゜ｋＶから１
５ｋＶに下げた。加速電圧以外は実施例１１と同じ条件
で５ｒＴｉＯ３（１１０）基板上の厚さ０．３５ μｍ
のＥ ｒ Ｂ ８２Ｃ１１３０７−６薄膜にＧａを線状
に照射した。熱処理後の粒界はドーズ量が１×１０１５
／ｃｍ２以上の個所に観察された。 加速電圧が３０ｋＶの場合に比較して、粒界形成に照射
の効果が少なくなったのは、薄膜の損傷の程度が少なく
、Ｇａが蒸着されている状況に近づいたためと考えられ
る。 実施例１８゜ 基板に５ｒＴｉｏ３（１００）を用い、この上に膜厚０
．７ｔｔｍのＹＢａ２Ｃｕ３０．−ａ薄膜を形成した。 実施例１１と同じ条件でＧａイオンを線状に照射した。 このイオンビーム加工した薄膜はａ軸［１００］が膜面
に垂直になるように成長したもので、面内にはＣ軸とｂ
軸が混じっていたが、線状にＧａを照射した部分では実
施例１１と同じ１−一ズ量の条件下の部分で粒界が明瞭
に観察された。 これから、基板方位と超電導薄膜の材料に殆ど影響され
ないことが示された。 実施例１９゜ 基板に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）（１００）を使用し
、この上に膜厚０．３５μｍの ＹＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜を形成した。実施例１６と
同様にＴｊイオンを加速電圧３０ｋＶで、Ｉ Ｘ １０
１２−Ｉ Ｘ １０１ｇ／ｃｍ２のドーズ量照射した。 薄膜はＣ軸が基板面に垂直になり、ａ軸とｂ軸の区別は
できなかったが、Ｉ Ｘ １０１３〜Ｉ Ｘ １０１９
／ｃｍ２のドーズ量の個所で粒界が発生した。粒界を形
成していない領域に対してのＪｃの値は、基板の種類に
依存せず、膜厚とドーズ量でほぼ規定される値であった
。 実施例２０゜ 以上の実施例１１〜実施例１９に示した方法で形成した
結晶粒界を弱結合ジョセフソン接合に利用し、ｄｃｓＱ
ＵＩＤを作製した。５ｒＴｉＯ。 （１１０）基板１７０に実施例１１と同じ条件で膜厚０
．３５ μｍのＥｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜１７１を
形成した。この上に加速電圧３０ｋＶで、Ｇａイオンを
ドーズ量５ Ｘ １０”／ｃｍ２で線幅１μｍ、長さＱ
、５ｍｍ、間隔０．８１１１ｍで直列に２本照射した。 このようにして形成した薄膜をホトリソグラフィと化学
エツチングにより第９図に示すように、２つの粒界１７
２を利用したＳＱＵＩＤのパターンに加工した。 このＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、磁束の測定を７
６にでおこなった。その結果、第１３図に示すように量
子磁束に対応する電圧が観測され、本発明で形成した粒
界利用の弱結合ジョセフソン接合が超電導素子に応用で
きることが示された。 実施例２１゜ 本発明の実施例２１を第１０図（ａ）および第１０図（
ｂ）により説明する。まず第１０図（、）に示すように
、面内方位（１００）のチタン酸ストロンチウム（Ｓｒ
ＴｉＯ３）単結晶基板２４０の表面を、面方位（１００
）に正しく合わせた面２４１と、これに対して角度Ｏだ
け傾斜した面２４２となるように切断し、各々の表面を
無歪。 鏡面に研磨した。基板の傾斜角Ｏは、０．５度。 １度、２度、６度、１０度、１４度とした基板を用いた
。次に成膜時の基板温度を７００℃に保持して、前記基
板上にＥｒ２Ｏ３，Ｂａｄ、Ｃｕ各々の一層の膜厚を６
０人、１８５人、６０人として全膜厚０．７μｍの積層
磁ζ３を真空蒸着法により形成した。 ついで薄膜２４３を９００℃で２時間、酸素中で熱処理
して第１０図（ｂ）に示したようなＥｒ１Ｂａ２Ｃｕ３
０□の酸化物超電導膜を形成した。 この熱処理により、面方位（１００）に正しく合わせた
領域２４１では、ａ軸方向に配向した酸化物超電導膜が
形成された。一方、面方位が（１００）に対して角度θ
だけ傾斜した領域２４２では、Ｃ軸方向に配向した酸化
物超電導膜が形成された。上記薄膜において基板の結晶
面が傾斜した境界部分に薄膜結晶の配向の違いにより、
結晶粒界２４４が発生した。 粒界２４４の超電導特性を調べるために、実施例１と同
じように粒界２４４の両端部の超電導膜を除去して超電
導膜のネック部を形成し、４端子法でＩ−Ｖ特性を測定
した。Ｉ−Ｖ曲線はその代表例を第１２図に示すように
超電導の特徴を示していた。７７Ｋにおける粒界のない
領域での臨界電流密度は、２×１０″’ Ａ ／ ０ｍ
２であったが、粒界２４４の場所での臨界電流密度は傾
斜角θの大きさにより第３表に示すように５２％から１
１％に減少した。臨界電流密度（Ｊｃ）の温度依存性を
調べた結果、Ｊ ｃ” （１−（Ｔ／Ｔｃ））゛の関係
になっていた。また、磁場にたいする臨界電流ているこ
とを確認した。 第３表 実施例２２゜ 面内方位（１００）の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結
晶基板の表面を第１０図（ａ）に示したように実施例２
１と同様の形状に加工した後、各々の表面を無歪、鏡面
に研磨した。次に、第１０図（ｂ）に示したように、ス
パッタ法により基板上に膜厚Ｑ、３１ｔｍのＥ ｒ、
Ｂ ａ２Ｃｕ、０７の酸化物超電導膜を形成した。薄膜
形成時の基板温度は７００ ’Ｃとした。その後、８３
０℃で２時間、酸素中で熱処理した。得られた試料は、
面方位（１００）に正しく合わせた領域２４］ （０＝
０度）およびこれに対して角度θだけ傾斜した領域２４
２ともに、各々の基板面に垂直にＣ軸配向した酸化物超
電導薄膜が形成され、また基板の結晶面が傾斜した境界
部分には、薄膜結晶の配向の傾きにより、粒界が発生し
ていた。なお、本実施例ではスパッタ中に膜の超電導化
が行なわれているので、その後の熱処理工程は必ずしも
必要ではない。 粒界の超電導特性を調べるために、実施例２１の場合と
同しように、粒界の両側を除去し、４端子法で粒界のｒ
−ｖ特性を調べた。Ｔ −Ｖ特性は、第１２図に示すよ
うな超電導の特徴を示していた。 ７７Ｋにおける粒界のない領域での臨界電流密度は６
Ｘ １．０４Ａ／ｃｍ’であったが、粒界のある場所で
の臨界電流密度は第３表に示すように６０％から１２％
に減少した。傾斜角Ｏが大きいほど、粒界での臨界電流
密度が低いのは、薄膜結晶の成長軸の傾きが大きくなる
ことにより、粒界の幅が広くなるためである。臨界電流
密度の温度依存性をの関係になっていた。また、磁場に
たいする臨界電流の変化からも弱結合ジョセフソン接合
になっていることを確認した。 実施例２３゜ 本発明の実施例２１〜実施例２２の弱結合のジョセフソ
ン接合を利用し、第１１図に示したようなｄｃｓＱＵＩ
Ｄを作製した。面内方位（１００）の融化マグネシウム
（ＭｇＯ）単結晶基板の表面の一部を傾斜角０＝２度に
切断した基板２６０を用いて、実施例２２と同じ条件で
膜厚０．３μｍのＥｒ、Ｂａ２Ｃｕ３０７薄膜２６１を
形成した。このようにして形成した薄膜において、基板
の傾斜角のずれた部分に粒界２６２が生成された。この
ようにして形成した薄ｉン鯰雰≠＃辷辻ホトリソグラフ
ィと化学エツチングにより第１１図に示すように、２つ
の粒界２６２を利用したＳＱＵＩＤのパターンに加工し
た。 このＳＱＵＩＤにバイアス電流を流し、磁束の測定を７
６にでおこなった。その結果、第１３図に示すように、
量子磁束に対応する電圧が観測され、本発明で形成した
粒界利用の弱結合ジョセフソン接合が超電導素子に応用
できることが示された。 【発明の効果１ 本発明によれば、所定に位置に単一の結晶粒界が形成で
きるため、これを超電導弱結合ジョセフソン接合に利用
できる。また、膜厚、ドーズ量を選択することにより、
素子作製時のバイアス電流を制御できることも大きな特
長である。 なお、本発明における薄膜形成法はスパッタ法あるいは
積層蒸着法であったが、酸化物超電導薄膜はこの他、反
応性蒸着法でも形成可能であり、他の成膜法が適用可能
であることは言うまでもない。
第１図（ａ）〜第１図（Ｃ）、第２図（ａ）〜第２図（
ｂ）及び第３図は、いずれも所定の位置に結晶粒界を形
成する一方法を説明する図、第４図（ａ）〜第４図（ｃ
）は本発明の実施例１〜実施例９の製造工程を示す図、
第５図は実施例１〜実施例５より求めた弱結合ジョセフ
ソン接合が得られるドーズ量と膜厚の関係を示す図、第
６図は本発明の実施例１０で作製したＳＱＵＩＤの構造
を示す図、第７図（ａ）〜第７図（ｃ）は本発明の実施
例１１〜実施例１９の製造工程を示す図、第８図は実施
例１１〜実施例１５より求めた弱結合ジョセフソン接合
が得られるドーズ量と膜厚の関係を示す図、第９図は本
発明の実施例２０で作製したＳＱＵＩＤの構造を示す図
、第１０図（ａ）および第１０図（ｂ）は本発明の実施
例２１および実施例２２の製造工程を示す図、第１１図
は本発明の実施例２３で作製したＳＱＵＩＤの構造を示
す図、第１２図は本発明で得られた粒界のＩ−Ｖ特性を
示す図、第１３図はＳＱＵＩＤで測定した量子磁束に対
応する電圧の変化を示す図、第１４図はトンネル型ジョ
セフソン接合の断面図、第１５図は薄膜による弱結合ジ
ョセフソン接合の従来例の断面図である。 １０・・・超電導体セラミックスの棒、１１・・・超電
導体、２０，３０，１３０，２３０゜２４０．２６０・
・・基板、２１・・・段差、２２．３３，１３１，２４
３，２６１・・・超電導薄膜、３１，１３２，１４２．
・・・イオンビーム、３２・・・損傷、３４・・・イオ
ンビームにより加工された領域、３５・・・微結晶、 ３６．１３５，２３３・・・結晶粒界、４０．７０，１
４０．１７（１＝ｓｒＴｉｏ３単結晶基板、４ｌ−Ｇａ
、４２，１４３．、、各ドーズ量の８本の線、４３・・
・加工を施した基板、４４．７１，１４１，１７１−Ｅ
ｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜、４５，１．４５，２４４
・・・粒界、７２．１７２，２６２・・２つの粒界、１
３３・・・拡散領域、１．３４，１４４・・・加工され
た超電導薄膜領域、２３１，２４１・・・θ＝０度の基
板表面、２３２，２４２・・・角度θで傾斜した基板表
面。 （≧ Ｎ へ ＾）＜ト ”１ ｒ ’Ｓ ”５ ｒ−。 〜）（心 ＾） へ） 忰 図 ４θ’ Ｓｒ ７；Ｏａ Ｉ’料品Ｕ＆４１：θａ ４２ ：＄ドース°’ｆ（７）５）不（７１牟Ｗ４Ｊ
： カロ１’を方荷しｆく幕１に４４ ： ＥｒＢｔ
ｕｍθ７，１（鍵 ４５す立堺 第５ 第６ ７θ：、’：ｒ７；θ１（１１０ＩＩＨ。 図 ｍ ： ｕｘｉｕンｔ、：ゝｂ ＃−３； 釜）”−°ス゛讐の２２ト６り稈／１１？
： Ｉｆｌ工［沌り九蒲輝 ／り５：牡界 卒 ワ 図 １１１１１１図 ノｔ２ ２ｒ２： ２フｎＪ立訃 ￥ イＯ図 （α） Ｃｂ）
ｂ）及び第３図は、いずれも所定の位置に結晶粒界を形
成する一方法を説明する図、第４図（ａ）〜第４図（ｃ
）は本発明の実施例１〜実施例９の製造工程を示す図、
第５図は実施例１〜実施例５より求めた弱結合ジョセフ
ソン接合が得られるドーズ量と膜厚の関係を示す図、第
６図は本発明の実施例１０で作製したＳＱＵＩＤの構造
を示す図、第７図（ａ）〜第７図（ｃ）は本発明の実施
例１１〜実施例１９の製造工程を示す図、第８図は実施
例１１〜実施例１５より求めた弱結合ジョセフソン接合
が得られるドーズ量と膜厚の関係を示す図、第９図は本
発明の実施例２０で作製したＳＱＵＩＤの構造を示す図
、第１０図（ａ）および第１０図（ｂ）は本発明の実施
例２１および実施例２２の製造工程を示す図、第１１図
は本発明の実施例２３で作製したＳＱＵＩＤの構造を示
す図、第１２図は本発明で得られた粒界のＩ−Ｖ特性を
示す図、第１３図はＳＱＵＩＤで測定した量子磁束に対
応する電圧の変化を示す図、第１４図はトンネル型ジョ
セフソン接合の断面図、第１５図は薄膜による弱結合ジ
ョセフソン接合の従来例の断面図である。 １０・・・超電導体セラミックスの棒、１１・・・超電
導体、２０，３０，１３０，２３０゜２４０．２６０・
・・基板、２１・・・段差、２２．３３，１３１，２４
３，２６１・・・超電導薄膜、３１，１３２，１４２．
・・・イオンビーム、３２・・・損傷、３４・・・イオ
ンビームにより加工された領域、３５・・・微結晶、 ３６．１３５，２３３・・・結晶粒界、４０．７０，１
４０．１７（１＝ｓｒＴｉｏ３単結晶基板、４ｌ−Ｇａ
、４２，１４３．、、各ドーズ量の８本の線、４３・・
・加工を施した基板、４４．７１，１４１，１７１−Ｅ
ｒＢａ２Ｃｕ３０７−ａ薄膜、４５，１．４５，２４４
・・・粒界、７２．１７２，２６２・・２つの粒界、１
３３・・・拡散領域、１．３４，１４４・・・加工され
た超電導薄膜領域、２３１，２４１・・・θ＝０度の基
板表面、２３２，２４２・・・角度θで傾斜した基板表
面。 （≧ Ｎ へ ＾）＜ト ”１ ｒ ’Ｓ ”５ ｒ−。 〜）（心 ＾） へ） 忰 図 ４θ’ Ｓｒ ７；Ｏａ Ｉ’料品Ｕ＆４１：θａ ４２ ：＄ドース°’ｆ（７）５）不（７１牟Ｗ４Ｊ
： カロ１’を方荷しｆく幕１に４４ ： ＥｒＢｔ
ｕｍθ７，１（鍵 ４５す立堺 第５ 第６ ７θ：、’：ｒ７；θ１（１１０ＩＩＨ。 図 ｍ ： ｕｘｉｕンｔ、：ゝｂ ＃−３； 釜）”−°ス゛讐の２２ト６り稈／１１？
： Ｉｆｌ工［沌り九蒲輝 ／り５：牡界 卒 ワ 図 １１１１１１図 ノｔ２ ２ｒ２： ２フｎＪ立訃 ￥ イＯ図 （α） Ｃｂ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、基板に物質を照射し、該物質を該基板表面に線状に
堆積するか、もしくは該物質によって、該基板表面に線
状の損傷を与える加工をしたのち、前記、線状の加工を
施した基板上に酸化物超電導体の薄膜をエピタキシャル
成長させることにより、前記の線状の加工を施した位置
に結晶粒界を形成し、該結晶粒界を弱結合ジョセフソン
接合と成すことを特徴とする弱結合ジョセフソン接合の
形成法。 ２、上記加工は収束イオンビームによってなされる、特
許請求の範囲第１項記載の弱結合ジョセフソン接合の形
成法。 ３、上記収束イオンビームのドーズ量は ５×１０＾１＾１〜５×１０＾１＾８である、特許請求
の範囲第２項記載の弱結合ジョセフソン接合の形成法。 ４、基板上に形成したエピタキシャル成長した酸化物超
電導薄膜に臨界電流密度を減少させる物質を照射し、該
物質を上記酸化物超電導薄膜の内部に線状に拡散させる
か、もしくは該物質によって、上記酸化物超電導薄膜に
線状に損傷を与える加工をしたのち、熱処理をすること
により、前記の線状の加工を施した位置に結晶粒界を形
成し、該結晶粒界を弱結合ジョセフソン接合に利用する
ことを特徴とする弱結合ジョセフソン接合の形成法。 ５、前記の照射は収束イオンビームによってなされる特
許請求の範囲第４項記載の弱結合ジョセフソン接合の形
成法。 ６、前記収束イオンビームのドーズ量は ５×１０＾１＾１〜５×１０＾１＾８である特許請求の
範囲第５項記載の弱結合ジョセフソン接合の形成法。 ７、結晶面方位の異なる部分を設けた基板上に酸化物超
電導薄膜をエピタキシャル成長して、該基板上の結晶面
方位の異なる部分の境界に結晶粒界を形成し、該結晶粒
界を弱結合ジョセフソン接合と成すことを特徴とする弱
結合ジョセフソン接合の形成法。 ８、特許請求の範囲第１項、第４項または第７項記載の
弱結合ジョセフソン接合を用いたことを特徴とする超電
導素子。 ９、特許請求の範囲第４項記載の超電導素子は薄膜ＳＱ
ＵＩＤ（超電導量子干渉素子）であることを特徴とする
超電導素子。
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| JP22868788 | 1988-09-14 | ||
| JP22868688 | 1988-09-14 | ||
| JP63-228687 | 1988-09-14 | ||
| JP26149288 | 1988-10-19 | ||
| JP63-261492 | 1988-10-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02186683A true JPH02186683A (ja) | 1990-07-20 |
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|---|---|---|---|
| JP01235648A Expired - Fee Related JP3064306B2 (ja) | 1988-09-14 | 1989-09-13 | 弱結合ジョセフソン接合の形成法及びこれを用いた超電導素子 |
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| Country | Link |
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| EP (1) | EP0364101B1 (ja) |
| JP (1) | JP3064306B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0675553A1 (en) * | 1994-04-01 | 1995-10-04 | Superconductivity Research Laboratory | Superconductor junction material and process of preparing same |
| WO1999017382A1 (fr) * | 1997-09-30 | 1999-04-08 | Yoichi Okabe | Procede de fabrication d'un dispositif a effet josephson coplanaire |
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