JPH03234071A - ジョセフソン素子 - Google Patents

ジョセフソン素子

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JPH03234071A
JPH03234071A JP2030273A JP3027390A JPH03234071A JP H03234071 A JPH03234071 A JP H03234071A JP 2030273 A JP2030273 A JP 2030273A JP 3027390 A JP3027390 A JP 3027390A JP H03234071 A JPH03234071 A JP H03234071A
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superconducting film
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Masaya Osada
昌也 長田
Masayoshi Koba
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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〉 本発明は酸化物超電導膜を用いたブリッジ型ジョセフソ
ン素子のブリッジ部の膜厚を薄くして感度を高くしたジ
ョセフソン素子に関するものである。
〈従来の技術〉 最近、La 系、Y系で代表されるランタノイド(Ln
)系、更にBi  系やTl 系等の臨界温度(Tc)
の高い酸化物超電導体が注目されている。
これらの超電導体は、液体窒素による冷却で利用できる
ものもあり、実用化の上で有利な材料である。
一方、従来から提案されている超電導材料による代表的
なデバイスにジョセフソン素子があるが、その構造から
大別すると、トンネル型と弱結合型になる。
このトンネル型接合素子は2つの超電導体の間に、それ
らの超電導体のコヒーレンス長以下の極薄絶縁膜を介在
させた構成である。この極薄絶縁膜は、それを構成する
元素の組成比及び膜厚等の均一性などによって、その接
合の特性や信頼性などが大きく左右されていた。特に、
高温酸化物超均−性をもたせる必要があり、作製が極め
て困難なことから、酸化物超電導体を用いた良好なトン
ネル接合は得られていない。
一方、弱結合は、トンネル接合の代り((断面積を小さ
くした部分を設けるもので、一般的にはブリッジ型の構
成にしている。そして、このグリッジ型もブリッジ部の
断面積が使用した超電導体のコヒーレンス長に依存する
ので、酸化物超電導体のときは数十から数千Aにする必
要があり、均一な素子を作製することが難かしかった。
〈発明が解決しようとする課題〉 以上で説明したように、従来は超電導体特に酸化物超電
導体によってジョセフソン効果をもつ接合を作製すると
きトンネル型接合は均一な絶縁膜の作製とその信頼性に
問題があり、又5弱結合型接合はプIJ ’yジ部影形
成微細加工に問題が残っていた。
以上のような実状からTc が高くなった酸化物超電導
体の特徴を有効に生かすジョセフソン接合を形成して、
検出素子や演算素子に応用することが難かしかった。
本発明は、従来のジョセフソン接合における問題点を解
消するものであり、弱結合型接合のブリッジ部の膜厚を
両側のバンク部(電極形成部)の超電導膜より薄くして
ブリッジ部の断面積を減少させ良好な特性にしたジョセ
フソン素子を提供することを目的としている。
く課題を解決するための手段〉 本発明は前記の目的を達成するため、超電導膜で弱結合
を構成するブリッジ部とバンク部とは異なる結晶の配向
性をもたせ、その間のエツチングレートの差を利用して
ブリッジ部の微小断面積部を形成するものである。
例えば、超電導膜のバンク部ではC軸を基板面に垂直に
配向させ、ブリッジ部は無配向にしておくと第1図に示
したようにエツチングレートに差が出るため、同じエツ
チングを行っても残留膜j草シて差が生じる。この第1
図に於て、縦軸がエツチング速度で、横軸エッチャント
の濃度である。又それぞれの直線は、10が無配向の面
、IIが8面、11が0面の酸化物超電導体のエラチン
グレー トを示している。このエッチャントトシてl 
−ヒドロキシエタン−1,1−ジホスホン酸水溶液を用
いている。
以上から、超電導膜を、バンク部では基板面に垂直にC
軸を配向させ、ブリッジ部は無配向にしておけば、同じ
エツチングを行っても、ブリッジ部のはうが膜厚が薄く
なるので従来と同じ印加電流によっても電流密度が高く
なり、臨界電流(Jc )電導(5−N−8)型接合に
なって抵抗をもつブリッジ型のジぢセフソン接合が形成
される。これは、いわゆるV T B (Variab
le ThicknessBridge )のジロセフ
ソン素子である。更に、以上で説明したブリッジ部の膜
の配向性を変えてエツチングレートを制御することによ
って、用途に適した特性のジロセフソン素子に形成する
こともできる。
く作 用〉 本発明によるグリッジ型ジジセフソン素子は、そのブリ
ッジ部の膜厚を、酸化物超電導膜の配向性によって異な
るエツチングレートを利用して制御するものであり、V
TB型で特性の良好なジョセフソン素子にすることがで
きる。
〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
本実施例で作製したブリッジ型ジロセフソン素子構成の
平面図を第2図(a)に、又そのx−x’断面図を第2
図(b)に示した。
第2図から、本実施例のジョセフソン素子は基板上に2
種のpt膜である26及び27.2’T’が形成され、
更にその表面にそれぞれ超電導膜のブリッジ部22とバ
ンク部23.23’が形成されている。ここでpt膜の
26と27.27’は膜の配向性を変えているので、そ
の上に成膜したブリッジ部22とバンク部23,281
は下地に影響されて、その配向性が異っていることを示
しており、ここではブリッジ部22の膜厚がバンク部2
3.28’に比べ薄くなっていることを示している。更
に、バンク部23.23’にはバイアス電流印加用電極
24.24’ と素子が発生した″直圧検出用型F@2
5.25’が設けられている。
続いて、第3図によって、本発明のブリッジ型ジgセフ
ソン素子の一実施例の製造工程について説明する。
第3図(a)に示したのは(100)面のMgO単結晶
基板21上に電子ビーム蒸着でA7?  を厚さ1μm
堆積し、フォトリソ加工により幅w1が500μmのブ
リッジ部での線状膜を形成する。
次に、以上の基板を550℃に加熱して電子ビーム蒸着
で膜厚dlが0.5 p mのpt膜27.27’を形
成したが、このpt膜は、基板21と蒸着温度の550
℃の条件で配向膜になった。次にNaOH水溶液によっ
て前記A/?膜を除去すると共にそのl’ 膜上のpt
膜もリフトオフ法によって除去した状態を示したのが第
3図(b)である。更に、第3図(c)では基板温度を
200℃に加熱して電子ビーム蒸着により、ブリッジ部
26に膜厚d2が0.5μmの無配向pt膜26を形成
した状態を示している。
なお、Mg0(100)単結晶基板にptの成膜をした
とき、基板温度が4oo℃以下のときpt膜は配向せず
、400℃以上のときはpt膜は基板面に垂直にC軸配
向することが知られている。
このC軸配向したpt膜上に一定基板温度以」二で酸化
物超電導膜を形成するとその超電導膜も同じようにC軸
配向し、無配向のpt 膜上では超電導膜も無配向にな
る。次の第3図(d)に示したのは、前記の基板21を
600℃に加熱し、その基板の近傍のみ約5mTorr
の高い酸素雰囲気に保って、Y、Ba、Cuの各元素を
電子ビーム蒸着で、組成比がY:Ba:Cu=1 :2
 :3で均一にした蒸着によp超電導膜を形成した。成
膜した超電4膜31のTc は85にで、その27.2
7’の部分のJelj77にで2X]OA/am  、
26の部分は同じ条件でJc が2XIOA/cm  
であった。
続いて、第3図(e)に示したように精密なフォ) I
Jソゲラフイーと、塩素ガスを用いた反応性スパッタリ
ングにより、幅w2が5μm、膜厚d3が0.5.□□
のブリッジ部22をもつブリッジ型ジョセフソン素子の
形状にしたものである。こ\でバンク部23.23’は
前記で説明したようにC軸配向し、ブリッジ部22は無
配向になっていた。
続いて、第3図(f)に示したのは、以上の超電導膜2
2及び23.23’を水で1000倍に希釈したl−ヒ
ドロキシエタン−1,1ノホスホン酸水溶液に30秒浸
漬した後の状態で、バンク部23.23’の膜厚d4が
0.3μm、ブリッジ部の膜厚d5が0.1μmになっ
た。最後に、第3図(g)に示したようにバンク部28
.28’上にバイアス電流電極24.24’ と電圧電
極25.25’を、メタルマスクを用いた電子ビーム蒸
着により、膜厚0.5μmのTi  で形成しブリッジ
型ジョセフソン素子を完成させた。
以上のように作製したジョセフソン素子の電圧−電流特
性を液体窒素温度(77K)で測定したのが第4図であ
る。この第4図は典型的なブリッジ型ジョセフソン素子
の特性を示している。
以上のジョセフソン素子を77Kに冷却した状態で、そ
のブリッジ部22にIo、8GHzのマイクロ波を照射
して、電圧−電流特性に約20.αVのシャピロステッ
プが発生しているのを観測できた。
以上の測定から、本実施例の素子はそのブリッジ部22
にジョセフソン接合が形成されていると考えることがで
きる。
なお、実施例の説明には、超電導膜にYIBa2Cuz
O□−エの酸化物超電導薄膜を用いたが、本発明はこれ
に限定されず、次に記載するものを含む酸化物超電導体
のN膜も用いることができる。
(La 、−xMx)z CuO4(Mf′iBa、S
r+ Ca等 L  Ln+Ba2 Cu30.−xと
 Ln5 Cun0x(以上でLnHNd、Pm+ S
mt Eu+ Gd+ Dy。
Hot Ery Tm+ yb  等である。)、更に
、Bi25rz Ca2 Cu30+o + Bit・
y Pbo 2 Sbo lCa2o 5rzo Cu
25Ox+ CBio 7 Pbo 3 )2SrzC
aw Cu30x+ T12 Bat Ca2Cu30
10 +Ba1−xKxBiO3及びNd   Ce 
 CL!04−y−KX 等及びこれらに類似した酸化物超電導体基板も実施例の
Mg0(100)単結晶基板に限定されず、同じ効果が
得られるSrTiO3の(100)  又は(110)
単結晶基板、YSZ(イツトリウム安定化ジルコニア)
多結晶基板、又は、Si単結晶基板等を用いることがで
きる。
更に、超電導膜の作製も実施例の電子ビーム蒸着法に限
定されずレーザ蒸着法、イオンクラスタビーム法9反応
性蒸着法、CVD法、スパッタ法などを用いることがで
きる。
実施例においてはブリッジ型ジョセフソン素子の主要部
であるブリッジ部の幅を5μmにしたが、これに関連し
た実験に於てはその幅を0.5μmから100μmの範
囲で変えてもマイクロ波照射によるシャピロステップが
確認でき、ジョセフソン接合が形成されることが分った
〈発明の効果〉 以上で説明したように本発明のジョセフソン素子はブリ
ッジ部とバンク部の超電導膜の結晶の配向性を変え、そ
の配向性の差異によるエフチングレートの違いを利用し
てブリッジ部とバンク部の膜厚差を設けることでブリッ
ジ部の臨界電流を低くするものであり、比較的簡単なV
TB法で特性の良いジョセフソン素子にすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の超電導膜の配向性によるエツ
チングレートの相違を示す図、第2図は実施例のジョセ
フソン素子の構成図、第3図は本発明の実施例のジョセ
フソン素子製造工程の斜視図、第4図は実施例のジョセ
フソン素子の電圧−電流特性図である。 2ト・・基板、  22・・・ブリッジ部、  23゜
23′ ・・・バンク部、   24.24’ ・・・
電流電極。 25.25’・・・電圧電極、  26.27.27’
・・・pt膜、  3】・・・超電導膜。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、基板上に堆積した酸化物超電導膜から形成するブリ
    ッジ型ジョセフソン素子に於て、前記ジョセフソン素子
    のブリッジ部になる酸化物超電導膜の結晶は配向性を変
    えておき、配向性の違いによるエッチング速度の差によ
    りブリッジ部の超電導膜を薄くしていることを特徴とす
    るジョセフソン素子。 2、前記ジョセフソン素子に於て、ブリッジ部の超電導
    膜を無配向にし、バンク部の超電導膜のc軸を基板に垂
    直に配向させたことを特徴とする請求項1記載のジョセ
    フソン素子。
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