JPH02260473A - ジョセフソン接合素子 - 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、マイクロ波から赤外光にかけての電磁波の検
出、発振等に使用されるジョセフソン接合、素子に関す
るものである。 を従来の技術】 ジョセフソン接合を用いた電磁波デバイスとしては、Ａ
Ｃジョセフソン効果を利用したジョセフソンミキサや準
粒子トンネリングを利用したＳｔＳ準粒子ミキサ等の検
出素子、ジョセフソン接合アレイを用いたジョセフソン
発振器等がある。いずれの場合も検出感度、発振効率を
向上させるためにジョセフソン接合アレイを作製し、各
ジョセフソン接合の位相を同期させる方法がとられる。 準粒子拡散を用いる場合は前記位相の同期化を達成する
ためにアレイを構成する各ジョセフソン接合間距離を短
くしなければならず、通常のフォトリソグラフィーによ
るバターニング（１μｍ）では作製が困難である。接合
間距離を大きくする方法にはマイクロストリップライン
上に接合を配列し、各接合をインダクタンスと容量で結
合する方法がある（米国特許第４３４４０５２号）。

【発明が解決しようとする課題Ｊ しかしながら、上記したように従来例では各ジョセフソ
ン接合の位相を同期させるのに構造が複雑となり、スト
リップライン長、容量計算、インダクタンス計算等設計
が困難となる。 一方、ジョセフソン接合の形態にはポイントコンタクト
型、ＳＩＳ積層型、準平面型を含めたマイクロブリッジ
型などがあるが、形態の単純さ、加工プロセスの容易さ
、集積度向上の可能性などからマイクロブリッジ型ジョ
セフソン接合が扱いやすく、各種金属超伝導体、Ｂ１Ｐ
ｂＢａＯ酸化物超伝導体等で検討がなされてきた。なか
でも近年発見されたセラミクス超伝導体（例えばＹＢａ
ａＣｕｓＯｔ−ｘ、Ｂｉｘ５ｒａＣむＣｕ５Ｏ＋＋等）
においてさまざまな形態のマイクロブリッジ型ジョセフ
ソン接合の作製が試みられているが、該セラミクス超伝
導体においては、基本的に結晶粒界によるジョセフソン
接合が形成され、粒界制御が困難であることから、特性
のそろったジョセフソン接合アレイを作製することはで
きなかった。 本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、電磁波
検出、発振等に使用される構造が比較的簡単で高感度、
高出力のマイクロブリッジ型ジョセフソン接合アレイを
提供するものである。 【課題を解決するための手段］ 本発明によれば、表面に１方向又は２方向に形成された
凹状の溝列な有する基板上に超伝導薄膜が設けられてお
り、該薄膜の前記溝列エツジ部で粒界ジョセフソン接合
アレイを形成させることによって、得られるジョセフソ
ン接合素子の応答周波数特性、臨界電流値、動作時の印
加電圧値等を向上させることができる。 本発明において、基板上に形成されている凹状の溝列と
は加工する前の基板表面に対し垂直に設けた凹溝列、７
字溝列、凹状穴溝の列等であり、又７字溝等では隣り合
う溝同士が連続して形成されていてもよい。第１図に溝
列の２つの態様な示す。 第１図（ａ）は基板１に垂直に設けられた凹溝列である
。該溝列の間隔及び深さは同程度であることが望ましく
、それぞれをｄとすると、ｄは基板上に形成される超伝
導体の結晶粒径程度の大きさであるとよく、通常０．５
〜１０μｌ、好ましくは０．５〜４μ島である。 第１図（ｂ）は７字溝列であり、隣り合う溝同士が連続
して形成されており、溝のエッチ部は角度θをなしてい
る。この場合、７字溝列の間隔ｄ。 （山と基の間隔）は第１図（ａ）のｄと同様に結晶粒径
程度でよく、通常０．５〜１０μｍ８好ましくは０．５
〜４鱗であり、又θは５０〜＋１０’程度でよい。 上記溝列は基板表面に１方向又は２方向に形成されてい
る。１方向とは溝列がそれぞれ平行に設けられているも
のであり、２方向とは溝列がクロスしているもので格子
状等に設けられているもの、あるいは凹状の穴を並べた
もの等である。溝列の配置は設定するジョセフソン接合
素子の機能等により適宜設定すればよい。又溝列の数も
所望により設定する。 基板上に形成される超伝導薄膜としては、粒界ジョセフ
ソン接合を形成しつる超伝導体であればよく、Ｎｂ−Ｔ
ｉ等の合金系超伝導体等を用いることもできるが、セラ
ミックス超伝導体による多結晶薄膜が好ましい、結晶成
長させる超伝導体薄膜の成膜時の厚みは３０００〜８０
００人程度である。結程度成長方向は成膜面に垂直な方
向であればよく、基板の結晶系とは直接関係せず行なえ
ばよい。 上述の構成によって溝列のエッチ部で粒界ジョセフソン
接合アレイが形成される。すなわち、基板表面にセラミ
ックス超伝導体の結晶粒径程度（０，５〜２μｍ）の間
隔及び深さで溝列を形成し、該基板面上にセラミックス
超伝導体を成膜し、該セラミックス超伝導体の結晶が該
基板面に垂直な方向に配向して成長させることにより、
該基板上の前記溝列のエツジ部で結晶の不整合がおこり
、そこが結晶粒界となりジョセフソン接合アレイを形成
することができる。さらに、前記溝列の間隔ＧｉＥＢ露
光バターニング等により、１μｍ以下にできるので、各
ジョセフソン接合間距離を掻めて小さくすることができ
、接合数を大きくすることが可能で、電磁波検出器とし
て高感度、発振器として高出力のものを得ることが可能
である。また、ジョセフソン接合アレイにすることによ
ってノーマル抵抗値ＲＮ、および超伝導臨界電流値Ｉｃ
が大きくなり、素子に印加できる電圧■＝ＩＣＲＮを上
げることができ、電磁波の応答周波数ｆｃｚＷを上げる
ことが可能となる。 また、基板上に成膜される超伝導薄膜としては、超伝導
体薄膜を構成する超伝導体の組成をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄと表
わす時、ＡはＬａ％Ｃｅ。 Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ％Ｇｄ、Ｔｂ。 Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅ　ｒ　ｓ　Ｔ　ｍ　、Ｙ　ｂ　％　Ｌ　
ｕ　ｙ　Ｓ　ｃ、Ｙ　ｓ　Ｂ　ｉｂ　Ｔ　１から成る群
より選ばれた一種以上の元素、ＢはＣａ、　Ｓｒ、Ｂａ
、Ｐｂから成る群より選ばれた一種以上の元素、ＣはＶ
、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎｂ　Ｆｅ、Ｎｉ％Ｃｏ、Ａｇ％Ｃｄ
。 Ｃｕ、Ｚｎ、８ｇ％Ｒｕから成る群より選ばれた一種以
上の元素、Ｄはす、Ｓから成る群より選ばれた一種以上
の元素であるような組成を有するセラミックス超伝導体
による多結晶薄膜において最も有効に本発明のジョセフ
ソン接合素子を形成することができる。 次に図面を参照して本発明をさらに説明する。 第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の特徴を表わすジョセ
フソン接合の横断面概念図である。１は基板、２は超伝
導薄膜を形成する超伝導体結晶粒、溝のエツジ部に生じ
る３は結晶粒界であり、矢印は膜の配向の方向を示す、
ｄは凹溝列の幅及び深さ、ｄｏはＶ字溝列における幅、
θはＶ字溝列凸部のなす角である。セラミックス超伝導
体では、薄膜堆積後５００℃〜９５０℃という高温で熱
処理を行い結晶が成長するが、第１図に示したような構
造によれば、その際基板の面方位（例えば（１００）。 （１１１）など）とは関係なく、基板面の法線方向に配
向した膜が得られる。 従って、使用する基板としては、超伝導体と格子定数が
あっている必要はなく、高温で超伝導体との相互拡散が
小さいものであればよく、ＭｇＯ１＾１．Ｏｓ、　５ｒ
ＴｉＯｓ等を用いることができる。この点に関し、本発
明はＢ１ＰｂＢａＯ超伝導体において基板の異なった面
方位にエピタキシャル成長させ粒界ジョセフソン接合を
形成する方法（特開昭６Ｏ−６５５８３）とは基本的に
異なり、第１図（ａ）では溝の幅及び深さｄを結晶粒の
大きさに合わせることで溝列上に連なった粒界ジョセフ
ソン接合列を得るものである。また、第１図（ｂ）では
θを変化させることにより、粒界の結合の度合を変化さ
せることが可能である。 すなわち、ｄ、ｄ’　、θは基板面に垂直な方向に超伝
導体結晶粒を成長させた際ｄ、ｄ’　、θによって特定
される溝列のエツジ部で結晶不整合が生じ結晶粒界が形
成されるように、用いる超伝導体材料、結晶成長方法等
により適宜設定することにより、所望の粒界結合度合等
を得ることができる０通常ｄ　＝０．５〜ＩＯμｍ　、
好ましくは０．５〜４μ、θ＝５θ〜１１０＠程度でよ
いが、上記範囲外であれば、結晶粒界の制御が困難とな
り、素子特性の再現性が悪くなる。一方、結晶成長させ
る超伝導薄膜の成膜時の厚さは、結晶成長後上記溝列の
エッチ部で結晶粒界が生じる程度である必要があり、通
常３０００〜８０００人で成膜すると０．５〜２μｍ程
度の結晶粒界を得ることができる。 尚、バターニング、ミリング、成膜及び結晶成長等は常
法に基づいて行なうことができるが、各ジョセフソン接
合間距離を小さくするためにはバターニングとしてＥＢ
露光により行なうのが好ましい。 【実施例】 以下、具体的な実施例を用いてさらに詳細に説明する。 実施例１ Ｍｇ０（１００）基板上に、第１図（ａ）のような溝列
２０本をＥＢ露光によるフォトリソグラフィーとアルゴ
ンイオンミリング法を用いて作製した。この際ｄ＝０．
５〜２μ論と変化させた。続いて、このようにして作製
した基板上に、クラスターイオンビーム蒸着装置を用い
、ＹＢａａＣｕｓＯｔ−ｍなる組成のセラミックスを４
０００人の厚さだけ蒸着した。その後酸素雰囲気中で９
４０℃で１時間熱処理を行い、Ｔｃ　＝６８になる超伝
導薄膜を形成した。この薄膜は結晶粒０．５〜１μｍの
多結晶膜である。その後、前記溝列に垂直方向に２Ｂｍ
幅に１０本のラインにパターニングし最終的に２０Ｘ　
１０の粒界ジョセフソン接合アレイを作製した。第２図
に、この素子の形態図（断面図（ａ）、平面図（ｂ））
を示す０表１に、ｄの変化による特性の変化を示す。 表１ 一方、２μｍＸ２μｍのブリッジ部１個をもつ従来の粒
界ジョセフソン接合で同様の測定を行なったところ−１
ｃ　”０−２ｍＡ　ｂ　Ｒｓ　＝Ｑ−９Ωで、ｌ　ｃＲ
，＝Ｏ，１８ｍＶであり、本発明の構成によるジョセフ
ソン接合は応答周波数特性に優れたものであった。 実施例２ ＳｒＴｉＯｓ　（１００）基板上に、第１図（ｂ）のよ
うな溝列２０本を、Ｕｖ露光によるフォトリソグラフィ
ーとアルゴンイオンミリング法を用いて作製した。 この際、ｄｏ　＝４μｍとし、ミリング角を変化させる
ことによって、θ＝　５０’〜１１０’と変化させた。 続いてこのように１ノて作製した基板上に、マグネトロ
ンスパッタ装置を用い、Ｂ１２Ｓｒ　ｚｃａｚｃ＋ｇＯ
３なる組成のセラミックスを４０００人堆積した。その
後酸素雰囲気中で８５０℃で３時間熱処理を行い、Ｔｃ
”８３になる超伝導薄膜を形成した。この薄膜は結晶粒
２．５〜４μｍの多結晶膜である。その後、前記溝列に
垂直方向に３μｍ幅に１０本のラインにバターニングし
、最終的に２０Ｘ　１０の粒界ジョセフソン接合アレイ
を作製した。第３図に、この素子の形態図（断面図（ａ
）、平面図（ｂ））を示す。 表２にθの変化による特性の変化を示す。実施例１と同
様、優れた応答周波数特性を示していた。 特にθ＝９０１において顕著であった。 表２ 実施例１３ Ｍｇ０　（１００）基板上に第４図のような２次元溝列
２０Ｘ２０をＥＢ露光によるフォトリソグラフィーとア
ルゴンイオンミリング法により作製した。続いて実施例
２ど同様の方法で旧ＪｒｉＣａｌＣＩＪｓＯｍ薄膜を成
膜、熱処理することにより、結局４０Ｘ４０の粒界ジョ
セフソン接合アレイを形成した。この素子においては、
ｌ、＝　３．４ｍ＾、ＲＮ　＝０．９Ω、ＮｃＲｓ＝　
３．１ｍＶとなり、応答周波数特性の優れたものであっ
た。 〔発明の効果〕 以上説明したように、基板に１方向あるいは２方向に溝
列を形成し、その溝幅、深さを超伝導体の結晶粒径程度
にすること、また基板の満面のなす角を制御することに
よって、粒界ジョセフソン接合素子アレイのＩＣＲ１１
積を大きくすることができ、電磁波デバイスとしての周
波数上限を高くすること、ができる。 また、上記の構成によれば１μｍ程度以下のジョセフソ
ン接合間距離で容易に形成することが可能となる結果、
ジョセフソン・アレイの臨界電流値、印加電圧値を向上
させることかできるため、電磁波の検出、発振等に用い
られるジョセフソン接合素子として優れて有用なもので
ある。 さらに上記の構成によるジョセフソン接合素子は構造が
簡単であるため複雑な設計計算が容易となる効果もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明のジョセフソ
ン接合素子の態様を示す横断面概念図、第２図（ａ）及
び（ｂ）はそれぞれ実施例１で得られたジョセフソン接
合素子のＡ−Ａ’断面模式図及び平面模式図（一部省略
）、 第３図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ実施例２で得られた
ジョセフソン接合素子のＡ−Ａ’断面模式図及び平面模
式図（一部省略）、 第４図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ実施例３で用いたジ
ョセフソン接合素子作製用基板の平面模式図及びＡ−Ａ
’断面図（一部省略）である。 １・・・基板 ２・・・超伝導体結晶粒 ３・・・結晶粒界 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に１方向又は２方向に形成された凹状の溝列
   を有する基板上に超伝導薄膜が設けられており、該薄膜
   の前記溝列エッジ部で粒界ジョセフソン接合アレイが形
   成されていることを特徴とするジョセフソン接合素子。
2. （２）前記超伝導薄膜の組成をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄとした時
   、ＡはＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇ
   ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃ
   、Ｙ、Ｂｉ、Ｔｌより成る群より選ばれた一種以上の元
   素、ＢはＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｐｂより成る群より選ばれ
   た一種以上の元素、ＣはＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、
   Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｈｇ、Ｒｕより
   成る群より選ばれた一種以上の元素、ＤはＯ、Ｓから成
   る群より選ばれた一種以上の元素であることを特徴とす
   る請求項１に記載のジョセフソン接合素子。