JPH0380577A - 超伝導素子 - Google Patents

超伝導素子

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JPH0380577A
JPH0380577A JP2121636A JP12163690A JPH0380577A JP H0380577 A JPH0380577 A JP H0380577A JP 2121636 A JP2121636 A JP 2121636A JP 12163690 A JP12163690 A JP 12163690A JP H0380577 A JPH0380577 A JP H0380577A
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oxide
film
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秀隆 東野
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紘一 水野
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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 本発明は超伝導応用技術であム 臨界電流が制御可能な
超伝導素子およびその製造方法に関するものであも 従来の技術 従来 超伝導素子を製造する超伝導体として(友鉛(P
 b)あるいはニオブ(Nb)等の金属超伝導体 また
は窒化ニオブ(NbN)、ニオブ3ゲルマニウム(N 
bs G e)、シェプレル(PbMoe、aSs)な
どの金属化合懺 あるいは金属酸化物のBPBO(Ba
−Pb−Bi−〇)に限らしCイf、、  *t=最近
でit  BKBO(Ba−に−Bi−0)の金属酸化
物も超伝導体であることが発見され1.  これらの超
伝導体において、その超伝導遷移温度(Tc)(i  
合金系では最高でもNb5Geの23.6にであり、B
PBα BKBO等の金属酸化物でも30ケルビン程度
であり超伝導素子として動作させるためには冷却材とし
て高価玄 取扱いのむずかしい液体ヘリウム(沸点4.
2K)を用いなくてはならなかっt4  これに対し近
年発見されたCuを含む酸化物超伝導体の中にはTcが
100Kを越えるものがあり、それら超伝導体は安価で
取扱いの容易な液体窒素(沸点77.3K)で冷却する
だけで超伝導状態に遷移すも このCuを含む酸化物超
伝導体を用い超伝導素子を製造すると、冷却材として液
体ヘリウムに変わり、安価な液体窒素で動作可能な超伝
導素子が可能となり、応用範囲の拡大がはかられも また 超伝導電流を制御できる超伝導素子としてtt、
Nb等の金属系超伝導体を流れる超電導電流とほぼ直交
する方向の超伝導体の全面に接触して単一の金属電極を
設けた超伝導トライオードがあも これ(上 金属電極
から超伝導薄膜中に準粒子を注入することにより非平衡
超伝導領域を形成して超伝導状態を弱めて超伝導電流を
制御するものであも 発明が解決しようとする課題 しかしなが転 従来の超伝導トライオードは準粒子の全
面注入により非平衡超伝導領域が形成されて超伝導電流
は制御できるものQ 超伝導電流路の幅は制御できず 
超伝導薄膜のコヒーレンス長よりもはるかに幅の広い超
伝導薄膜を用いたものでは弱結合ブリッジとして動作せ
ず、交流ジョセフソン効果は得られなかった さらに 酸化物超伝導体&よ その超伝導状態の発現機
構さえ明確になっておら負 その非平衡超伝導状態が如
何なる物となるか(よ 超伝導材料に強く依存しており
、現在まで不明のままであっ1゜また 酸化物超伝導体
1上 一般に大気中の水分負 製造過程で用いられる水
溶嵐 酸性や塩基性溶剤等により一部溶解し その超伝
導性と、さらには酸化物超伝導体自体をも著しく損なう
という問題があり、そのため不適当な製造方法において
ζよ 酸化物超伝導薄膜の表面が劣化して制御電極と超
伝導薄膜とで形成される接合の抵抗値が異常に大きくな
り、特性の良好なものが得られ難く、その製造の歩留ま
りも低いという問題点かあっtう例えば Cuを含む酸
化物超伝導体等(よ 現像液として有機アルカリ溶液を
用いるジアゾ系ポジ型フォトレジストを用いることがで
き哄 従ってそれを用いたリフト・オフ法も不可能であ
っtも  特に Y系の酸化物超伝導体は酸素欠損に弱
く、金属との積層化により特性が不安定となり、経時変
化も大きく、問題となっていtう 以上のように 超伝導電流が制御可能であり、良好で安
定な特性を有し かス 製造の容易な超伝導素子は従来
無かった 本発明ζ九 制御電極からの電流軸と直交する方向に密
度分布した準粒子の注入により、超伝導ブリッジ内の超
伝導キャリアを部分的に破壊して、超伝導電流値のみな
らず超伝導電流路の幅までも制御可能な超伝導素子と、
この超伝導素子を良好な特性を有してかつ容易に製造す
る製造方法とを提供することを目的とすも 課題を解決するための手段 超伝導薄膜と、この超伝導薄膜面に積層し超伝導薄膜に
流れる超伝導電流の流れを阻止する電極とを備え この
電極力t 電極と超伝導薄膜との間に電流を遮断した時
に比べ電流を通電した時に超伝導電流の流れる幅が狭く
なる制御電極である超伝導素子内 係る従来の課題を解
決したものであも 作用 本発明の超伝導素子は 超伝導薄膜面に設けた制御電極
に電流を流すことにより、準粒子が超伝導薄膜に注入さ
れ超伝導状態が一部破壊され非平衡超伝導領域が生じる
また流す電流を制御することにより、制御電極近傍の超
伝導電流値と超伝導電流の流れ(以下超伝導電流路と称
す)の幅とが制御でき、弱結合ブリッジを超伝導素子内
で形成できも 実施例 本発明の超伝導素子は 超伝導薄膜と超伝導薄膜面に設
けた制御電極を含へ 超伝導薄膜を流れる超伝導電流路
の411W八 制御電極と超伝導薄膜との間に流す制御
電流の有無により、超伝導薄膜内の超伝導キャリアを部
分的に破壊して、超伝導電流値のみならず超伝導電流路
の幅までも制御しようとするものであも 本発明の超伝導素子の構成(友 超伝導薄膜の一方の面
に制御電極を1つ以上設けた構造でL また超伝導薄膜
の両面に制御電極が2つ以上設けた構造でもよく、基本
的には制御電極と超伝導薄膜との間に流した制御電流の
有無によって超伝導薄膜に流れる超伝導電流の幅が変化
する構成であればよ(1 このような構成として(よ 超伝導薄膜面の一方に制御
電極を有する場合、第2図(a)または同図(C)に示
したように 少なくとも超伝導薄膜2の面に制御電極3
a、3b及び23が積層されていない部分を有する構成
力\ または第4図に示したように制御電極33a及び
33bに制御電極33cのような幅の分布を設けた構成
がある。また超伝導面の両面に制御電極を有する場合、
第2図(b)に示したように超伝導薄膜2面を介して制
御電極13aと13bとの超伝導薄膜2面への投影面が
重なりを持たない構成であればよ(1なお第1図 第2
図及び第4図で示した本発明の超伝導素子の構atよ 
端に本発明の一実施例であり、超伝導薄膜及び制#電極
の形状等で本発明に不要な限定を加えないこと勿論であ
る。
また 本明細書中で記載した図では制御電極の数は1つ
及び2つだけであるが、 前述した本発明の基本思想が
適応される場合制御電極の数に付いても特に限定される
ものではな鶏 超伝導薄膜の材料としては 例えばNbまた(上Pbも
しくはこれらの金属を含む合金または化合物超伝導体で
も酸化物超伝導体でもよく、超伝導体の種類は特に限定
されるものではな鶏 また酸化物超伝導体としては例え
i!−、B1−Sr−Ca −Cu−○等のCuを含む
酸化物超伝導体あるい(よりPB○(Ba−Pb−Bi
−〇)また+&BKBO(Ba−に−Bi−〇)等の酸
化物超伝導体を用いた物にも適用できる。
制御電極の材料として(よ 通常の金属材料や比抵抗が
数十Ωcm程度以下の半導体材料が適応できも さらに 制御電極材料として、少なくともアルミニュー
ム(Al)を含む金属からなる材料を用いるかまたは、
 酸化物超伝導薄膜に近い側にAlを含む金属を配した
積層構造金属薄膜等のようなAl系金金属材料用いると
、アルミニュームが酸化物超伝導薄膜の還元剤としての
寄与も果たし制御電極に接している酸化物超伝導体薄膜
の超伝導特性を劣らせ、酸化物超伝導体薄膜と制御電極
との界面に絶縁性皮膜を生じさせ、この絶縁性皮膜によ
り制御電極と超伝導薄膜との間に印加する電圧を高めら
れ高エネルギを有する準粒子を超伝導薄膜に注入でき、
注入準粒子1個当りの超伝導電子対(クーパーペアー)
の破壊効率が高まるので好まししも なお本発明の超伝導素子の超伝導薄膜に酸化物超伝導体
を用いる場合、素子の製造方法として次のような方法に
よると、出来上がった素子の特性が安定でかつ容易に製
造できるため好ましL〜第一の製造方法(友 制御電極
形成工程でフォトレジストの現像液に対する耐性に富む
樹脂薄膜を堆積後、その上に前記フォトレジストを塗布
し露光・現像により制御電極相当部分の前記フォトレジ
ストを除去した後、酸素プラズマ中にさらし金属薄膜ま
たは半導体薄膜を堆積させた後にリフト・オフを行い制
御電極を形成する製造方法である。
ま′F、第二の製造方法(よ 基板上に酸化物超伝導薄
膜堆積後前記酸化物超伝導薄膜上に高抵抗膜もしくは絶
縁膜を堆積後に または基板上に酸化物超伝導体薄膜堆
積後に 続けて金属薄膜または半導体薄膜の制御電極材
料を堆積後、不活性ガスを用いたイオンエツチング技術
による微細加工を行なって前記酸化物超伝導薄膜および
前記金属薄膜または半導体薄膜の積層構造のブリッジを
形成し かス 前記ブリッジ上の制御電極相当部分の前
記金属薄膜または半導体薄膜を残して制御電極を形成し
た後、前記制御電極上に接して引出し電極を形成して超
伝導素子を製造する方法であ“る。
なお基板上に酸化物超伝導体薄膜の堆積工種高抵抗膜も
しくは絶縁膜の堆積工程及び制御電極材料となる薄膜の
堆積工程の3工毘 または基板上に酸化物超伝導体薄膜
の堆積工程及び制御電極材料となる薄膜の堆積工程の2
工程を、同一真空槽中で真空の雰囲気を破らずに行うと
、超伝導薄膜の特性を損なわず 超伝導薄膜の界面に不
要な不純物層の付着が防がれ また製造工程が簡便かつ
容易に行えるため好ましし1 ここで、引出し電極の形成方法にζ友 制御電極に接し
て引出し電極用薄膜を堆積後、不活性ガスを用いたイオ
ンエツチング技術による微細加工を行ない不要部のみを
除去して行なう方法a 親油性有機溶剤を現像液とする
レジストを用いたフォトリソグラフィーにより引出し電
極形成用のリフトオフ・マスクを形成し 一部を露出さ
せた制御電極表面に接して引出し電極用薄膜を堆積後、
リフトオフを行なって前記引出し電極を形成する方法 
さらにC−t  制御電極を含む酸化物超伝導薄膜の上
に フォトレジストの現像液に対する耐性に富む樹脂薄
膜を堆積後、その上に前記フォトレジストを塗布し 露
光・現像により引出し電極相当部分の前記フォトレジス
トを除去して露出させた前記樹脂薄膜を酸素プラズマ中
に曝すことにより除去して前記制御電極の一部を露出さ
せた夜 引出し電極用薄膜を堆積後、 リフトオフを行
い引出し電極を形成する方法等が適していも以下に具体
的な実施例を挙げて説明すも第1図は本発明の一実施例
における超伝導素子の槽底を示す斜視図であも また第
2図(a)〜(C)には前記超伝導素子において異なる
様々な実施例を示し 超電導電流の流れる方向にほぼ直
交する方向の断面図を示す。
第1図において、基板1上に形成した超伝導薄膜2のブ
リッジ上に接して二つに分離された制御電極31.3k
が設けられていも このような形態の超伝導素子の断面
図ζ上 第2図(a)に見られる通りであん なお超伝
導薄膜2と制御電極3a、及び超伝導薄膜2と制御電極
3bとの界面に 高抵抗膜もしくは絶縁膜を設けた構造
でもよ(1本発明で言う高抵抗膜と(上 半導体と絶縁
体との間の電気抵抗を示す材料のことであり、比抵抗で
10’Ωcm以上の電気物性を有し 高抵抗膜の厚みは
数千へ程度以下であればよ〜 また本発明で言う絶縁膜と(よ 電流を全く通さない材
料であり、絶縁膜の厚みは数百A程度以下であればよL
〜 このような高抵抗膜もしくは絶縁膜を超伝導薄膜2と制
御電極3aもしくは3bとの間に介在させると、介在さ
せていない場合と注入電流は同じで転 制御電極3aも
しくは3bと超伝導薄膜2との間に印加する電圧を高め
られるためより高エネルギを有する準粒子を超伝導薄膜
2に注入でき、注入準粒子1個当りの超伝導電子対(ク
ーパーペアー)の破壊効率が高められ好まし残 また 本発明の超伝導素子は第1図のような形態以外に
k 第2図(b)また(友 同図(c)に示すような構
造で転 本質的には同一の効果があも すなわち第2図(b)でζ上 制御電極13a上に超伝
導薄膜2が形成され 超伝導薄膜2を挟むように制御電
極13bが超伝導薄膜2の上から形成されており、制御
電極13aと13bとで準粒子を超伝導薄膜2中に注入
して超伝導電流路を制御すも また第2図(c)で(よ 制御電極23が超伝導薄膜2
の超電導電流の流れる方向にほぼ直交する方向の表面の
一部を残して覆うように形成したものであん この場合
に1よ 制御電極23と超伝導薄膜2との間に制御電流
を流(−準粒子を超伝導薄膜2に注入すも 注入された
準粒子は拡散により超伝導薄膜中に広がり、超伝導薄膜
2の超伝導電流路を制限して、弱結合ブリッジを形威す
もなお制御電極13a、 13b、 23と超伝導薄1
1!2との界面に 高抵抗膜もしくは絶縁膜を設けた構
造でもよいのは第2図(a)と同様であもこの様な分離
した制御電極構造とすることにより、超伝導薄膜2の一
部に準粒子の注入されない領域を実現することが出来も 本発明の超伝導素子の動作の概略を第3図を用いて説明
すも ま哄 BO2(バーディーン・クーパー・シュリーファ
−)理論に従う超伝導体で説明を行なう。
第3図(a)は断面図を示し 同図(b)と(C)と1
よ 制御電極3aと3bに制御電流Igを流さないとき
く第3図(b)〉と、流したとき(第3図(C) ) 
(7)、  超伝導秩序パラメータ甲と準粒子波動関数
ψnを示も 第3図(b)で(上 制御電極3a及び3bと超伝導薄
M2との界面付近を除くと、超伝導薄膜2中に超伝導秩
序パラメータ甲が広がっていも ここで1マI11が超
伝導電流のキャリア密度に対応するの玄 超伝導電流は
超電導薄膜2中をほぼ一様に流れていることが判も 一方Igを流したとき(第3図(C))には制御電極3
aおよび3bか転 それぞれホールと電子よりなる準粒
子が超伝導薄膜2に注入されて超伝導状態が一部破壊さ
れ 非平衡超伝導領域が生じも 即ち準粒子波動関数ψnがx2<x及びX<X3を満足
するXの領域にまで広がり、超伝導秩序パラメータ甲が
X2とX3との間の領域まで狭められも 注入準粒子量が多くなると、超伝導秩序パラメータ甲の
広がり幅は狭くなる。
また超伝導電流路の幅(よ 超伝導秩序パラメータ1v
12の広がりの程度であるので、制御電流を増やすこと
により狭くすることができ、弱結合ブリッジを形成する
ことが可能となる。
この点力t 本発明の超伝導素子において重要な作用を
生じる。
なお酸化物超伝導体を用いた場合ζ上 上記のような非
平衡超伝導現象によると考えられる作用が明らかになっ
てはいないが、 その特性からみて、上記と同様な作用
があるものと思われも以上のことを本発明者ら+i  
Nb、  Pbの金属超伝導体 Nb5Ge、Nb5S
nもしくはNb−Ti等の合金系超伝導&  NbN等
の化合物系超伝導体またはB i2s rzcaacu
s○x、Bi25rzc arc uiQxもしくはB
 iaS rzc atc uzO,1等のB i−S
r−Ca−Cu−〇酸化物超伝導E  B a P b
@、yB i s、sos等のBPBO系酸化物超伝導
体もしくはB a i@Kll B i○3等のBKB
O系酸化物超伝導体等の含銅酸化物超伝導体によるいく
つかの実験を行い見出しf。
第4図(よ 本発明の他の実施例の超伝導素子の構成を
示す。
すなわち第4図で(よ 超伝導薄膜2の上の制御電極3
3aと33bとの2つの部分バ 接続部33cにおいて
接続されていも しか板 、接続部33cの超伝導電流
の流れる軸方向に測った幅へ制御電極33a及び33b
のそれよりも狭いという構造となっている。
この構造において(よ 第1図及び第2図とは異なり、
注入される準粒子密度が超伝導薄膜2面内の電流軸と直
交する軸方向に連続であるバ 電流軸方向に測った幅が
極小値を取るところの接続部33cにおいて注入される
準粒子密度が、 拡散により極小となる。従って、接続
部33cの相当部分の超伝導薄膜2の超伝導キャリア濃
度分布戟電流軸と直交する軸方向には極大となり、か1
電流軸方向には極小となり、いわゆる弱結合型の超伝導
ブリッジが出現することになん 接続部33cの幅が十
分短いと、第1図及び第2図に示した超伝導素子によく
似た特性の素子が実現できもなお第4図は制御電極33
aと33bとの間に連続した制御電極接合部33cを設
けた構成である力t 本発明の超伝導素子の制御電極形
状は第4図に限定されるものではなく、例えば制御電極
が超伝導薄膜を連続して分割し しかも制御電極と超伝
導薄膜の端面との境界線の互いに相対する長さが異なる
構成でも良いこと勿論である。すなわち本発明の超伝導
素子の構成(上 前述したように制御電極と超伝導薄膜
との間に制御電流を流した場合、制御電流を遮断したと
きに比べ超伝導薄膜に流れる超伝導電流路の幅が変化す
る。領域が少なくとも1つ存在すればよく、制御電極の
構成及び形状には依存するものではなL〜 ただし超伝導薄膜の対向する縁に跨って制御電極が連続
して形成された場合に(戴 超伝導電流路の幅が変化す
る点(例えば第4図では接合部33Cに相当)Q 超伝
導電流の方向に計測した制御電極の幅(よ 一般に 他
の部分の制御電極直下にある超伝導薄膜が超伝導特性を
失ったとして転この点だけは超伝導特性を有するだけの
幅であることが必要である。
この制御電流の注入の際に 超伝導薄膜と制御電極との
間に絶縁膜を設けた構造ではトンネル接合を形成して両
者の間の電圧を高くする事が出来注入する電流の準粒子
エネルギニを高くして、より効率の高い制御が可能とな
ん また超伝導薄膜の材料として酸化物超伝導体を用へ 制
御電極の材料として少なくともアルミニューム(Al)
を含む金属からなる材料を用いるかまた(上 酸化物超
伝導薄膜に接する側にAlを含む金属を配した積層構造
金属薄膜を用いることにより、絶縁膜を間に挟んだかの
ような特性を示すことを見出しtも これi、t、Al原子が酸化物超伝導体から酸素原子を
奪って自然酸化物となり両者の界面に絶縁膜を形成する
ためであると考えられも 以上説明したように 本発明の超伝導素子は制御電極か
ら注入する電流により高速で超伝導電流値を制御できる
また この超伝導素子は電流信号入力の変調素子とみる
ことができ、 トランジスタと同様な双方向性の増幅素
子、またはスイッチング素子として動作すも 更に 現在超伝導応用の一つとして、ジョセフソン素子
を構成要素とする超伝導量子干渉計(SQU I D)
が実用化されている爪 本発明の超伝導素子は制御電流
を調整することにより臨界電流が可変の弱結合ブリッジ
型ジョセフソン素子として動作し これを用いると特性
の調整可能な超伝導量子干渉計を構成できも また 特性の調整可能服 マイクロ波、 ミリ波、遠赤
外光や赤外光の検出器およびミキサー等としても利用で
きる。
これらの点で本発明の超伝導素子は 計算機心尽 電子
機器・計測器応用などにたいする実用的効果は大であも 次に 第5図に基づき本発明の超伝導素子の第1の製造
方法の実施例について述べも 基板1に:上 MgO単結晶(100)面を用いBit
s racatcusO+等のB i −S r −C
a −Cu −O酸化物超伝導体からなる超伝導薄膜2
を200nm形威すも 超伝導薄膜2の形成方法にLrfLr−ナー・マグネト
ロン・スパッタリング法を用いt4基板温度は670℃
′″C,□Arと02雰囲気中で5mT o r rの
圧力で行ツF。
その後、02雰囲気中1気玉 845℃で10時間熱処
理を行った(第5図’(a)”)。
こうして得た超伝導遷移温度は86にであったこの超伝
導薄膜2に ネガ型フォトレジスト4を用いてパターン
化して、Arイオン5を用いたイオンミリングによりエ
ツチングを行った(第5図(b))。
制御電極3a及び3bと交差する超伝導薄膜2の幅(上
 おおよそ10μm程度であも次に超伝導薄膜2上に有
機アルカリ溶液に対して耐性に富む樹脂薄膜6として、
ネガ型フォトレジストを70nm塗布し 続いてポジ型
フォトレジスト7を800 nm塗布した抵 フォトリ
ソグラフィー技術により制御電極3a及び3b相当部分
のポジ型レジストを除去した(第5図(C))。
このときポジ型レジストの現像液には有機アルカリ水溶
液が用いられる力丈 樹脂薄膜6が酸化物超伝導薄膜2
の表面を覆っているため有機アルカリ水溶液に接触する
ことはなく、超伝導特性の劣化は起こらな(〜 この状態のまま、酸素プラズマにさらすと、露出した樹
脂薄膜6は除去されも その後、金属薄膜8としてAl(アルミニューム)を真
空蒸着により1100n堆積して(第5図(d))、ア
セトン中に浸しリフト・オフを行うことによりレジスト
7を除去り、1・l・1トリクロロエタン中に浸して樹
脂薄膜6を除去して金属制御電極3a及び3bを形成し
 超伝導素子を作製しtら 制御電極3aと3bとの間隔ζ上 約2μm程嵐幅は5
μmとし 超伝導薄膜2に対しほぼ直角に交わるように
形成し九 作製した素子で(上Alの制御電極3a及び3bと酸化
物超伝導薄膜2との界面に(よ 酸化アルミニュウムの
絶縁膜が形成され 制御電極3a及び3bと酸化物超伝
導薄膜2との間にはトンネル接合が形成されてい九 まr、Al以外の酸化容易な金属を用いた場合にも界面
に絶縁物が形成されてい1゜ 他に 制御電極3a及び3bの材料としてPL。
Au等の貴金属を用いた場合に(上 界面には絶縁物が
形成されておらす 制御電極3a及び3bと酸化物超伝
導薄膜2との間の抵抗は低い値を示す。
この場合ににLMgO等の様な絶縁膜でIonm程の厚
さのものを酸化物超伝導薄膜2と制御電極3a及び3b
の間に設けると、Alを用いたものと同様な特性の素子
が得られも このようにいずれの素子の場合にも同様な素子動作が得
られも また高抵抗膜もしくは絶縁膜が酸化物超伝導薄膜上に形
成されている場合でL 高抵抗膜もしくは絶縁膜を厚く
出来ないの玄 溶液が絶縁膜中のピンホールを通って侵
入するた吹 酸化物超伝導薄膜の劣化を防止するために
ζ上 本実施例に示すような製造方法を用いることが有
効である。
以上述べた様に 本発明の超伝導素子の第1の製造方法
において、フォトレジストの現像液に対する耐性に富む
樹脂薄膜力t 酸化物超伝導薄膜の直接現像液に触れる
ことを防ぎ、酸化物超伝導薄膜の劣化を防止すも その結果 酸化物超伝導体の超伝導性を損なうことなく
、すなわち液体窒素温度でも動作可能な超伝導素子を製
造できも また 酸化物超伝導薄膜形成工程と、制御電極形成工程
とが独立しているた△ それぞれ単独に最適形成条件を
設定することが出来 特性向上衣歩留まりの向上が図れ
も また 本発明の製造方法でζ上 酸化物超伝導薄膜の形
成方法として、ボストアニール等の方法モ組み込める利
点がある。
以上のように作製した本発明の超伝導素子の動作例を以
下に説明する。
素子(上 液体窒素中で77.3Kに保たれ そのとき
の電流電圧特性を観測すると、超伝導臨界電流値は0.
78mAであ゛っtも つぎに制御電極3a3b間に Oから1.5mAの電流
を注入すると、それにともない超伝導薄膜2を流れる超
伝導臨界電流値1上0. 78mAから80μAに変化
しtも この間の制御電流Igをパラメータにとった電流電圧特
性の一例を第6図に示しtう この変化(上 制御電極3a及び3bに注入する電流に
対し連続的であり、また可逆的であっ九次に この状態
T:、  f=10GHzのマイクロ波を超電導素子に
照射したとこ/3hIgが小さい条件では ACジタセ
フソン効果は観測されなかった力<、  Igが1.2
mA以上では第7図に見られるようにhf/2e=2.
 068xf (μV)の整数倍の電圧(hはブランク
の定数で、 6.626X10す’ J ’ S、eは
素電荷で1.602xio−”C,rの単位はGHz)
で電流ステップ(シャピロステップ)が観測さh  A
Cジョセフソン効果を生じることを確認した このことl上 Igが1.2mA以上で弱結合ブリッジ
が形成されていることを示すものである。
また 第4図に示すような構造の制御電極を有する素子
も作成した爪 値の大小はあるものα第6図と同様な制
御特性および、第7図と同様なACジタセフソン特性を
示しf。
以上のように本発明の超電導素子において、制御電流の
注入により超電導電流の高速制御が可能であること、か
ス 弱結合ブリッジ動作領域を制御電流値を調整するこ
とにより実現することが出来ることを、確認した 次に 本発明の超伝導素子の第2の製造方法の実施例に
ついて説明する。
第8図は本発明における一実施例を示す製造行程図であ
も また第9図には本実施例の内Q  弓出し電極形成
行程の一実施例を示す部分行程図を示も これらの図面
を用いて以下の実施例について説明すも 第8図において、例えばMg0(001)面単結晶のよ
うな基板1上に 例えばB1−3r−Ca−Cu−○等
の銅(Cu)を含む酸化物超伝導薄膜を、例えばrfマ
グネトロンスパッタ法等の方法により約200nm厚さ
に堆積し 酸化物超伝導薄膜12とすも この時の基板
温度は670℃程度重 アルゴン(Ar)  ・酸素雰
囲気中で行った その後、基板を室温程度まで冷却した後、真空を破らず
に アルミニュウム(Al)をAr雰囲気中でrfマグ
ネトロンスパッタ法を用いて約1100n厚さに堆積し
 さらにその上に金(A u)を50nm厚さに堆積し
て金属薄膜8を形成する(第8図(a))。
ただしAuはその後の酸素プラズマによるレジスト除去
の際の金属薄膜8の表面酸化を防ぐために設けたもので
、基本的にはなくてもよ(1な耘 金属薄膜8を形成す
る前に 酸化物超伝導薄膜上にMgO等のような絶縁膜
もしくは不純物をドープして比抵抗を制御した高抵抗膜
を堆積することも有効であも 次に 基板lを真空装置から取り出して、 1μm厚の
環化ゴム系ネガ型レジストを用いたフォトリソグラフィ
と、Arガスを用いたイオンエツチング技術とを用いて
酸化物超伝導薄膜12および金属薄膜8の面内方向の幅
をlOμm程度重 長さを20μm程度に細長く加工し
て、ブリッジ9を形成すも この時のガス圧は約1x2
0−’T。
r r F、  イオン加速、電圧は550v程度であ
る(第8図(b))。
さらに 酸素プラズマによりレジスト除去を行なった後
、ブリッジ形成と同様の方法により、ブリッジ9上の金
属薄膜8を一部除去して制御電極3a及び3bを形成す
る(第8図(C))。ただし第3図(C)では 2つに
分割された制御電極の場合を示していも この実施例で
の電極幅は10μm程度で、酸化物超伝導薄膜12上の
制御電極3a及び3bの間隙は約2μmであもこのレジ
スト除去の抵 引出し電極を形成する。
な抵 第8図(b)と第8図(C)におけ瓜ブリッジ形
成と制御電極形成の順序が前後してもかまわなl、% 次に 引出し電極を形成する一実施例として(友露出し
た制御電極3a及び3bの表面上に 引出し電極用薄膜
としてAlをrfマグネトロンスパッタ法を用いて約2
00nm厚さに堆積し フォトリソグラフィと、Arガ
スを用いたイオンエツチング技術とを用いて不要部のみ
を加工除去して引出し電極10を形成し 制御電極3a
及び3bと引出し電極10とを電気的に接続して、超伝
導素子を完成させる(第8図(d))。
また 引出し電極10を形成する他の実施例としては 
例えばケトンの様な親油性有機溶剤を現像液とするPM
MA系電子ビームレジスト等のレジストを用いたフォト
リソグラフィーにより、コンタクトのために制御電極の
一部を露出させた引出し電極用のリフトオフマスクを形
成した後、引出し電極用薄膜を堆積し アセトン等に浸
たしてリフトオフを行ない引出し電極を形成する方法も
可能であも さらに もう一つの実施例を、第9図の部分行程図によ
って説明すも ま哄 ブリッジ9の酸化物超伝導薄膜12上に制御電極
3を加工した後(第9図(a))、パターン形成用のフ
ォトレジスト17の現像液に対して、耐性に富む樹脂薄
膜6、例えばクレゾールノボラック・ナフトキノンジア
ジド系ポジ型レジスト、を700nm厚さにスピンコー
ドした後、その上に パターン形成用のフォトレジスト
17として、例えば 環化ゴム系ネガ型レジストを1μ
m厚さにスピンコードヒ 露光・現像する(第9図(b
))。この場合の現像液(よ キシレンであるた取 ポ
ジ型フォトレジストは溶解しな鶏次に この基板を酸素
プラズマ中に曝す力\ あるいζL  Arイオンミリ
ングにより、引出し電極相当部分のポジ型フォトレジス
ト(樹脂薄膜6)を除去して制御電極の一部を露出させ
た後、引出し電極用金属薄膜9を堆積する(第9図(C
))。
これを、例えば アセトン等の有機溶剤中に浸して樹脂
薄膜6あるいはレジスト17の少なくともどちらか−1
この例ではポジ型フォトレジストを膨潤・溶解させてリ
フトオフを行い、 引出し電極を形成する(3119図
(d)〉。
この様な超伝導素子製造過程における酸化物超伝導薄M
12の特性劣化を精確に評価することtut。
金属薄M8が積層されているために困難である力を同様
な条件で金属薄膜8を積層せずに堆積した酸化物超伝導
薄膜と比較することにより推定することが出来も これによれば 両者ともほぼ同じ程度の臨界温度と、臨
界電流密度が得られるた吹 超伝導素子製造時の酸化物
超伝導薄膜12の特性劣化は最小限度に抑えられている
ものと思われも また 製造した超伝導素子の制御電極3aもしくは3b
の何れかと酸化物超伝導薄膜12との間の電流・電圧特
性評価からζよ ヒステリシス負揺らぎ、 ドリフト等
のない良好なトンネルバリアが形成されていることが示
されtも さらに 制御電極3と酸化物超伝導薄膜12との間に電
流を流した隊 ブリッジ9を挾む酸化物超伝導薄膜12
中に流れる超伝導電流は抑制されその制御電流に対する
超伝導電流の抑制比は約lO程度の値が得られ 良好な
素子特性が得られることが判っtら 以上の様にして本発明の超伝導素子の第二の製造方法に
よって製造した超伝導素子1よ 第一の製造方法により
製造した素子に比べて、特性が一般的により良好であり
、より安定していも また製造歩留まりも本発明の超伝
導素子の第二の製造方法の方が良賎 な叙 本実施例では 基板ti::MgOを用(\超伝
導薄膜2、および酸化物超伝導薄膜12にB i −3
r−Ca−Cu−○の酸化物超伝導薄膜を用いた例で説
明した力t これに限定するわけではなく、Cuを含む
酸化物超伝導薄膜および、BPBO(Ba−P b−B
 1−0)また+;l、BKBO(Ba −に−B 1
−0)等の酸化物超伝導薄膜等を用いても同様な効果が
得られ 基板もそれに応じて選択すれば良(℃ 更に 超伝導薄膜の材料としてNbまた1iPbを含む
合金または、 金属化合物を用いた場合でも同様に有効
である。
また 酸化物超伝導薄膜12の堆積方法をrfマグネト
ロンスパッタ法を用いて説明した力1 他の反応性真空
蒸着法負 レーザー蒸着法等の方法でも本発明の実施が
可能であム さらに 金属薄膜8としてAl薄膜や、AlとAuの二
層積層膜を用いた例を示した力<、Alを含む金属から
なる合金材料を用いる力\ または酸化物超伝導薄膜1
2側にAlを含む金属を堆積しさらにその上に他の金属
材料 例えばA u、  銀(Ag)や白金(Pt)等
の金属薄膜 あるいは合金薄膜を堆積して積層構造とし
た金属薄膜8を用いても同様な効果が得られる。さらに
 Sl等の様な半導体薄膜等でも同様な効果が得られる
また 制御電極の堆積方法Lrfマグネトロンスパッタ
法を用いて説明した力曵 同一真空槽中にて真空を破ら
ずに行なう方法型 酸化物超伝導薄膜12の形成方法と
両立する方法であれ(L 他の真空蒸着法玄 電子ビー
ム蒸着法 イオンビーム蒸着法 レーザー蒸着法等の方
法によっても可能であも なお超伝導薄膜を堆積する工程と制御電極を堆積する工
程とを同一真空槽中にて真空を破らずに行うこと(戴 
超伝導薄膜の表面に不純物の吸着防止等の効果はある力
丈 製造工程上の簡便性により本発明は同一真空雰囲気
中で行うことは必須要件ではなも1 さらに 引出し電極10の材料についても同様に Al
を用いたh文 これに限定するわけではなく、他の金属
や合金 半導体あるい(よ 超伝導体であって転 制御
電極3とオーミック接続できるものであれば 何でも食
鶏 更に 本実施例では耐有機アルカリ性樹脂薄膜6として
ネガレジストを用いて説明した力t これに限定するわ
けではなく、例えばポリイミド樹脂ヤコム樹脈 PMM
A樹脂等の材料で、その上のフォトレジストの現像液に
対して耐性のある樹脂薄膜であれば何でも良いのは言う
までもな鶏以上の様に 本発明の超伝導素子の第二の製
造方法において(戴 基板上に酸化物超伝導薄膜と、そ
の上に金属薄膜または半導体薄膜を堆積することにより
、酸化物超伝導薄膜と金属薄膜または半導体薄膜との良
好な界面を形成することができ、その後の加工行程にお
いてk +の界面が汚染されること無く良好な状態のま
ま保たれ 良好な特性の素子の高歩留まりでの製造を可
能とする。
さらに 金属薄膜として、少なくともアルミニューム(
A1)を含む金属からなる材料を用いるかまたは、 酸
化物超伝導薄膜に接する側にAlを含む金属を配した積
層構造金属薄膜材料を用いて、酸化物超伝導薄膜に接し
て同一真空槽中にて真空を破らずに形成することにより
、金属薄膜と酸化物超伝導薄膜との界面において、A1
が酸化物超伝導薄膜の酸素を奪ってA1の自然酸化膜を
形成し これ力丈 制御電極と酸化物超伝導薄膜との間
の安定で良好なトンネルバリアとして利用できることを
発明者らは見出した その後、不活性ガスを用いたイオンエツチング技術を用
いてブリッジ加工および制御電極加工を行なうことによ
り、酸化物超伝導薄膜の表面の一部がエツチングされる
けれど転 エツチングガスイオンが不活性であるため加
工した酸化物超伝導薄膜の特性劣化を最小限度に抑える
ことができる。
また 本製造工程において、その一部が後に制御電極と
なるべき金属薄膜力文 大気中およびフォトリソグラフ
ィ行程中における保護膜の役割をしか1 制御電極加工
後のプロセスにおいて高温の熱処理を行なわない方法を
用いるた吹 酸化物超伝導薄膜と制御電極との界面にお
いて自然に形成されるトンネルバリアが従来の様に乱さ
れることなく良好な状態を保存したまま超伝導素子を製
造することができる。
超伝導薄膜用材料としてB i−Sr−Ca−CU−〇
、Y−Ba−Cu−0等の銅(Cu)を含む酸化物超伝
導体 あるいζL   BPBO(Ba−Pb−Bi−
0)また+1BKB○(Ba−に−Bi−0)酸化物超
伝導体を酸化物超伝導薄膜の材料として用いることによ
り、Nb等の低温超伝導体以上の温度での素子動作が可
能となん制御電極形成後に引出し電極を形成することに
より、両者1よ 金属−金属接合、あるい(友 金属−
自然酸化均一金属接合を通して電気的にオーミックに接
続されるの玄 制御電極のトンネルバリア形成行程と配
線加工行程とを分離することができ、プロセス条件の最
適化が容易となんまた 引出し電極の形成に用いられる
プロセスにおいて、堆積した引出し電極用薄凰 または
フォトレジストの現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜が
フォトプロセス中の保護膜としての機能を果たし 露出
した酸化物超伝導薄膜表面が水あるいは酸性や塩基性の
水溶液や有機溶剤に直接触れることを妨ぎ、酸化物超伝
導薄膜の劣化を最小限度に抑えることが出来も あるい(友 親油性有機溶剤を現像液とするレジストを
用いることにより、現像後に露出する酸化物超伝導薄膜
が現像液中に溶出することがなく、酸化物超伝導薄膜の
特性劣化を最小限度に抑えることが出来も これにより、酸化物超伝導体の超伝導性を損なわずに 
安定で良好な特性を有する超伝導素子が再現性良く製造
でき、歩留まりが向上し 従って、低コスト化が可能と
なん また 同一真空槽中にて真空を破らずに連続形成を行な
うと、制御電極・酸化物超伝導薄膜の界面が清浄なまま
保たれ 界面準位の発生の割合も少なく、効率の良L\
 安定な特性の超伝導素子が製造できも 発明の効果 本発明(よ 超伝導薄膜と制御型、極とを備え 超伝導
薄膜と制御電極との間に流す制御電流遮断時と通電時と
を比べると、後者の方が超伝導薄膜に流れる超伝導電流
の幅が狭くなる超伝導素子であるた吹 制御電極と超伝
導薄膜との間に流れる制御電流の注−人により、超伝導
薄膜中の準粒子領域を制御でき、超伝導電流値と超伝導
電流の幅とを制御可能であるた△ ACジョセフソン特
性等の超伝導素子独自の特性を示す効果があるまた本発
明の超伝導素子で超伝導薄膜材料として酸化物超伝導体
を用いる場合に(友 主に2つの製造法があも その第一の方法ζ友 超伝導薄膜上にフォトレジストの
現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜を堆積し その樹脂
薄膜上にフォトレジストを塗布しパターン露光後現像し
 酸素プラズマ中に曝し樹脂薄膜を除去し 制御電極材
料を堆積後リフトオフを行い制御電極を形成する手法で
あり、超伝導薄膜の表層部分の酸素欠乏に起因する超伝
導体の劣化酸 酸素プラズマを用いるため回復でき、特
性が安定した超伝導素子を製造できる効果がある。
また第二の製造方法は 超伝導薄膜の堆積工程径制御電
極材料を堆積し 不活性ガスを用いたイオンエツチング
で制御電極形状に制御電極材料をエツチングする手法で
あり、不活性ガスエツチングを用いるため超伝導薄膜表
面に劣化を誘引することが無いの玄 特性が安定した超
伝導素子を製造できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は氷菓−の発明の超伝導素子の一実施例の構成を
示す要部斜視は 第2図(a)、  (b)及び(c)
は本発明の超伝導素子の制御電極の構成の実施例を示す
制御電極方向の要部断面は 第3図(a)は本発明の一
実施例の制御電極方向の要部断面& 第3図(b)と(
c)はそれぞれ制御電流Igを流さない時と流した時の
超伝導秩序パラメータマ及び準粒子波動関数ψnとの関
係をは本発明の超伝導素子の製造方法の一実施例を示す
要部断面行程諷 第6図は本発明の超伝導素子の制御電
流をパラメータとした電圧・電流特性の一例を示すグラ
フ、第7図は本発明の超伝導素子にマイクロ波を照射し
たときの電圧・電流特性の一例を示すグラフ、第8図(
a)は本発明の超伝導素子の製造方法の他の実施例の要
部断面−行程の引出し電極形成工程の一実施例を示す要
部断面部分行程図であも l・・・基板 2.12・・・超伝導薄風 3a、3b
。 13 a、  13 b、  23. 33 a、  
33 b −制御型133c・・・接続臥 6・・・樹
脂薄風 8・・・金属薄[10・・・引出し電極 17
・・・フォトレジスト。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)超伝導薄膜と、前記超伝導薄膜面に積層し前記超
    伝導薄膜に流れる超伝導電流の流れを阻止する制御電極
    とを備え、前記制御電極と前記超伝導薄膜との間に電流
    通電時の前記超伝導電流の幅が、遮断時に比べ狭くなる
    ことを特徴とする超伝導素子。
  2. (2)制御電極が、二つ以上あることことを特徴とする
    、請求項1記載の超伝導素子。
  3. (3)超伝導薄膜と制御電極との間に、高抵抗膜もしく
    は絶縁膜の何れかを設けたことを特徴とする、請求項1
    または2何れかに記載の超伝導素子。
  4. (4)超伝導薄膜が、ニオブ(Nb)または鉛(Pb)
    もしくはNbまたはPbを含む合金または化合物超伝導
    体であることを特徴とする、請求項1〜3何れかに記載
    の超伝導素子。
  5. (5)超伝導薄膜が、酸化物超伝導体であることを特徴
    とする、請求項1〜3何れかに記載の超伝導素子。
  6. (6)酸化物超伝導体が、銅(Cu)を含む酸化物超伝
    導体であることを特徴とする、請求項5記載の超伝導素
    子。
  7. (7)Cuを含む酸化物超伝導体が、Bi−Sr−Ca
    −Cu−O系酸化物超伝導体であることを特徴とする、
    請求項6記載の超伝導素子。
  8. (8)酸化物超伝導薄膜が、BPBO(Ba−Pb−B
    i−O)系または、BKBO(Ba−K−Bi−O)系
    の何れかの酸化物超伝導体であることを特徴とする、請
    求項5記載の超伝導素子。
  9. (9)超伝導薄膜が酸化物超伝導薄膜であり、制御電極
    が、少なくともアルミニューム(Al)を含む金属か、
    または、酸化物超伝導薄膜に近い側にAlを含む金属を
    配した積層構造金属薄膜であることを特徴とする、請求
    項5記載の超伝導素子。
  10. (10)酸化物超伝導薄膜または、前記酸化物超伝導薄
    膜と高抵抗膜もしくは絶縁膜から成る超伝導薄膜上に、
    フォトレジストの現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜を
    堆積後、その上に前記フォトレジストを塗布し、露光・
    現像により制御電極相当部分の前記フォトレジストを除
    去し、露出した前記樹脂薄膜を酸素プラズマ中に曝すこ
    とにより除去した後、金属薄膜または半導体薄膜を堆積
    させてリフトオフを行い前記制御電極を形成して製造す
    ることを特徴とする超伝導素子の製造方法。
  11. (11)基板上に酸化物超伝導薄膜を堆積後前記酸化物
    超伝導薄膜上に高抵抗膜もしくは絶縁膜を堆積後に、ま
    たは基板上に酸化物超伝導薄膜堆積後に、続けて制御電
    極材料となる金属薄膜または半導体薄膜を堆積後、前記
    酸化物超伝導薄膜上の制御電極相当部分を残して不活性
    ガスを用いたイオンエッチングにより前記金属薄膜また
    は半導体薄膜を除去することを特徴とする超伝導素子の
    製造方法。
  12. (12)制御電極を形成した後、前記制御電極上に接し
    て引出し電極を製造することを特徴とする、請求項10
    もしくは11何れかに記載の超伝導素子の製造方法。
  13. (13)制御電極の一部を露出させて前記制御電極表面
    に接して引出し電極用薄膜を堆積後、不活性ガスを用い
    たイオンエッチングにより不要部のみを除去し、前記引
    出し電極を形成して製造することを特徴とする、請求項
    12記載の超伝導素子の製造方法。
  14. (14)制御電極の一部を露出させて前記制御電極表面
    に接して行う引出し電極用薄膜の堆積が、フォトリソグ
    ラフィーにより前記引出し電極形成用のリフトオフ・マ
    スクを形成後に行い、前記堆積後リフトオフを行なって
    前記引出し電極を形成して製造することを特徴とする、
    請求項12記載の超伝導素子の製造方法。
  15. (15)制御電極を含む酸化物超伝導薄膜の上に、フォ
    トレジストの現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜を堆積
    後、その上に前記フォトレジストを塗布し、露光・現像
    により引出し電極相当部分の前記フォトレジストを除去
    し、露出した部分の前記樹脂薄膜を酸素プラズマ中に曝
    すことにより除去して前記制御電極の一部を露出させた
    後、引出し電極用薄膜を堆積し、リフトオフを行い前記
    引出し電極を形成して製造することを特徴とする、請求
    項12記載の超伝導素子の製造方法。
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