JPH04268774A - ジョセフソン接合 - Google Patents
ジョセフソン接合Info
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- JPH04268774A JPH04268774A JP3050093A JP5009391A JPH04268774A JP H04268774 A JPH04268774 A JP H04268774A JP 3050093 A JP3050093 A JP 3050093A JP 5009391 A JP5009391 A JP 5009391A JP H04268774 A JPH04268774 A JP H04268774A
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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
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超伝導体に関し
、さらに詳しくは、スクイド、ミクサー、ジョセフソン
FETなどを構成する場合のジョセフソン接合に関する
ものである。
、さらに詳しくは、スクイド、ミクサー、ジョセフソン
FETなどを構成する場合のジョセフソン接合に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】液体窒素温度以上で超伝導特性を示すY
系酸化物超伝導体(YBa2 Cu3 O7−y :以
下YBCO略す)は、スパッタ法や真空蒸着法、化学気
相析出法などの様々な方法によって薄膜作製技術の研究
が行われ、超伝導転移温度が90Kで、しかも、77K
での臨界電流密度が105 A/cm2 以上の値を有
する薄膜が形成されている。この超伝導特性に優れたY
BCO薄膜をスクイドやミクサー、ジョセフソンFET
などジョセフソン素子に適用させるためには、YBCO
のコヒーレント長が、従来材料の金属系超伝導体に比べ
て短いために、従来の超伝導体で用いられていた積層型
のトンネルバリアーや薄膜型の弱接合などのジョセフソ
ン接合の作製技術がそのまゝ応用できないのが現状であ
る。
系酸化物超伝導体(YBa2 Cu3 O7−y :以
下YBCO略す)は、スパッタ法や真空蒸着法、化学気
相析出法などの様々な方法によって薄膜作製技術の研究
が行われ、超伝導転移温度が90Kで、しかも、77K
での臨界電流密度が105 A/cm2 以上の値を有
する薄膜が形成されている。この超伝導特性に優れたY
BCO薄膜をスクイドやミクサー、ジョセフソンFET
などジョセフソン素子に適用させるためには、YBCO
のコヒーレント長が、従来材料の金属系超伝導体に比べ
て短いために、従来の超伝導体で用いられていた積層型
のトンネルバリアーや薄膜型の弱接合などのジョセフソ
ン接合の作製技術がそのまゝ応用できないのが現状であ
る。
【0003】現在までに、YBCO薄膜によるジョセフ
ソン接合でジョセフソン効果の観測が報告されている接
合の多くは、薄膜にブリッジを形成して、ブリッジ部に
存在する薄膜の結晶粒界を接合とした粒界接合型である
。粒界接合型のほとんどは、自然形成の結晶粒界を用い
たものであり、結晶粒界の分布がランダムであるため粒
界上にブリッジを形成することが困難であった。また、
成膜条件により結晶粒サイズや粒界の構造なども変化す
るために、特性の再現性や安定性に問題があった。 さらに、結晶粒界がブリッジ部以外にも存在するので、
粒界に磁束が補足され易く、77K動作では磁束の運動
により発生する雑音によってエネルギー分解能などの特
性が低下してしまうという問題があった。
ソン接合でジョセフソン効果の観測が報告されている接
合の多くは、薄膜にブリッジを形成して、ブリッジ部に
存在する薄膜の結晶粒界を接合とした粒界接合型である
。粒界接合型のほとんどは、自然形成の結晶粒界を用い
たものであり、結晶粒界の分布がランダムであるため粒
界上にブリッジを形成することが困難であった。また、
成膜条件により結晶粒サイズや粒界の構造なども変化す
るために、特性の再現性や安定性に問題があった。 さらに、結晶粒界がブリッジ部以外にも存在するので、
粒界に磁束が補足され易く、77K動作では磁束の運動
により発生する雑音によってエネルギー分解能などの特
性が低下してしまうという問題があった。
【0004】近年、結晶粒界を用いた接合の一つとして
人工的に結晶粒界を形成する研究がIBMのGross
ら(to be published Appl.P
hys.Lett)によって報告されている。Gros
s らは、SrTiO3 単結晶を用い、それぞれの基
板表面の面方位が(001)で、基板の接合部をはさむ
二つの結晶の〔100〕軸方向が20°異なるバイクリ
スタル基板を作製し、この基板上にYBCO薄膜を形成
している。それぞれの単結晶基板上のYBCO薄膜は、
エピタキシャル成長によって、結晶粒界は形成されない
が、基板の接合界面上には基板と同じ角度の面内ローテ
イションを持った結晶粒界(傾角粒界)が形成される。 この人工的な傾角粒界をジョセフソン接合として、dc
−SQUIDを作製して特性の再現性と雑音特性の向上
を得ている。
人工的に結晶粒界を形成する研究がIBMのGross
ら(to be published Appl.P
hys.Lett)によって報告されている。Gros
s らは、SrTiO3 単結晶を用い、それぞれの基
板表面の面方位が(001)で、基板の接合部をはさむ
二つの結晶の〔100〕軸方向が20°異なるバイクリ
スタル基板を作製し、この基板上にYBCO薄膜を形成
している。それぞれの単結晶基板上のYBCO薄膜は、
エピタキシャル成長によって、結晶粒界は形成されない
が、基板の接合界面上には基板と同じ角度の面内ローテ
イションを持った結晶粒界(傾角粒界)が形成される。 この人工的な傾角粒界をジョセフソン接合として、dc
−SQUIDを作製して特性の再現性と雑音特性の向上
を得ている。
【0005】しかし、SrTiO3 をバイクリスタル
基板の材料として用いた場合、ミクサーや電圧標準など
のマイクロ波応用では、SrTiO3 の高い誘電率(
80Kで1875)と損失正接(80K、1GHzで1
00)のために、誘電損失が大きく実用的でなく、さら
に基板が限定されるために、現在非常に高度に発展して
いる半導体技術を駆使して、酸化物超伝導体によるジョ
セフソン接合と半導体とを一体化したデバイスの構築が
難しいという問題があった。
基板の材料として用いた場合、ミクサーや電圧標準など
のマイクロ波応用では、SrTiO3 の高い誘電率(
80Kで1875)と損失正接(80K、1GHzで1
00)のために、誘電損失が大きく実用的でなく、さら
に基板が限定されるために、現在非常に高度に発展して
いる半導体技術を駆使して、酸化物超伝導体によるジョ
セフソン接合と半導体とを一体化したデバイスの構築が
難しいという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記した従
来技術の問題点に着目してなされたもので、雑音が少な
く、特性の再現性や安定性に優れ、ミクサーや電圧標準
などのマイクロ波応用に適したジョセフソン接合で、さ
らに半導体と一体化可能なジョセフソン接合を提供する
ことを目的としている。
来技術の問題点に着目してなされたもので、雑音が少な
く、特性の再現性や安定性に優れ、ミクサーや電圧標準
などのマイクロ波応用に適したジョセフソン接合で、さ
らに半導体と一体化可能なジョセフソン接合を提供する
ことを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記した課題
を解決するため、少なくとも2個以上のSi単結晶から
なるバイクリスタル基板、さらには基板のそれぞれのS
i単結晶上にエピタキシャル成長あるいは一定の配向し
た第二相を有するバイクリスタル基板のYBCO薄膜か
らなるジョセフソン接合であり、バイクリスタル基板の
接合界面上に形成されるYBCO薄膜の結晶粒界を弱接
合とするジョセフソン接合である。
を解決するため、少なくとも2個以上のSi単結晶から
なるバイクリスタル基板、さらには基板のそれぞれのS
i単結晶上にエピタキシャル成長あるいは一定の配向し
た第二相を有するバイクリスタル基板のYBCO薄膜か
らなるジョセフソン接合であり、バイクリスタル基板の
接合界面上に形成されるYBCO薄膜の結晶粒界を弱接
合とするジョセフソン接合である。
【0008】より具体的な本発明のジョセフソン接合は
、Siの単結晶を基板材料として採用し、少なくとも2
個以上のSi単結晶を接合して基板表面上のいずれかに
接合界部を有するバイクリスタル基板とする。バイクリ
スタル基板におけるそれぞれの単結晶の方位は、1つの
結晶軸を整合させ、他の結晶軸は任意の角度で回転して
いる。整合させるそれぞれの単結晶の結晶軸は、それぞ
れのSi単結晶で必要とされるYBCO薄膜の結晶方位
やSi単結晶上に形成される半導体デバイスで必要とさ
れる結晶方位に合わせた任意の結晶軸であるが、基板面
にc軸が垂直なc軸配向した酸化物超伝導薄膜やエピタ
キシャル成長した酸化物超伝導薄膜をバイクリスタル基
板上に形成するには、基板表面を(001)面とするか
、あるいは(001)面に垂直な〔001〕軸の方位の
ずれを数度以内とし、〔100〕軸および〔010〕軸
の方位は任意の角度とするのが好ましい。基板材料であ
るSiは、室温、1MHzでの誘電率が約12でMgO
の同程度の値を有することから、基板に起因する誘電損
失を小さくすることができる。
、Siの単結晶を基板材料として採用し、少なくとも2
個以上のSi単結晶を接合して基板表面上のいずれかに
接合界部を有するバイクリスタル基板とする。バイクリ
スタル基板におけるそれぞれの単結晶の方位は、1つの
結晶軸を整合させ、他の結晶軸は任意の角度で回転して
いる。整合させるそれぞれの単結晶の結晶軸は、それぞ
れのSi単結晶で必要とされるYBCO薄膜の結晶方位
やSi単結晶上に形成される半導体デバイスで必要とさ
れる結晶方位に合わせた任意の結晶軸であるが、基板面
にc軸が垂直なc軸配向した酸化物超伝導薄膜やエピタ
キシャル成長した酸化物超伝導薄膜をバイクリスタル基
板上に形成するには、基板表面を(001)面とするか
、あるいは(001)面に垂直な〔001〕軸の方位の
ずれを数度以内とし、〔100〕軸および〔010〕軸
の方位は任意の角度とするのが好ましい。基板材料であ
るSiは、室温、1MHzでの誘電率が約12でMgO
の同程度の値を有することから、基板に起因する誘電損
失を小さくすることができる。
【0009】バイクリスタル基板上に形成する第二相は
、ジルコニアあるいはイットリアやカルシアなどで安定
化されたジルコニアであり、少なくともそれぞれのSi
単結晶基板上にエピタキシャル成長あるいは一定の面内
配向を有するように形成する。第二相を設けることによ
り基板とYBCO膜との相互拡散を防止するとともにバ
イクリスタル基板とYBCO薄膜との熱膨張係数の違い
に起因する応力を緩和することができる。また基板とY
BCO薄膜とを絶縁する働きがある。また、さらに第二
相としてジルコニアあるいは安定化ジルコニア上にさら
にイットリアを形成する。イットリアもジルコニアや安
定化ジルコニアと同様にそれぞれのSi単結晶基板上に
エピタキシャル成長あるいは一定の面内配向を有するよ
うに形成する。イットリアを形成することにより、Si
単結晶基板とYBCO薄膜との格子定数の整合性が改善
されYBCO薄膜がエピタキシャル成長を促進する。
、ジルコニアあるいはイットリアやカルシアなどで安定
化されたジルコニアであり、少なくともそれぞれのSi
単結晶基板上にエピタキシャル成長あるいは一定の面内
配向を有するように形成する。第二相を設けることによ
り基板とYBCO膜との相互拡散を防止するとともにバ
イクリスタル基板とYBCO薄膜との熱膨張係数の違い
に起因する応力を緩和することができる。また基板とY
BCO薄膜とを絶縁する働きがある。また、さらに第二
相としてジルコニアあるいは安定化ジルコニア上にさら
にイットリアを形成する。イットリアもジルコニアや安
定化ジルコニアと同様にそれぞれのSi単結晶基板上に
エピタキシャル成長あるいは一定の面内配向を有するよ
うに形成する。イットリアを形成することにより、Si
単結晶基板とYBCO薄膜との格子定数の整合性が改善
されYBCO薄膜がエピタキシャル成長を促進する。
【0010】上記のバイクリスタル基板上に、少なくと
もそれぞれのSi単結晶基板上にエピタキシャル成長あ
るいは一定の面内配向を有するようにYBCO薄膜を形
成し、さらにブリッジ形状にパターンニングする。ここ
でブリッジは、バイクリスタル基板の接合界面上に形成
されるYBCO薄膜の結晶粒界が弱接合となるように形
成しなければならず、粒界に直交するように形成するの
が望ましい。またブリッジ部のサイズは、目的とするジ
ョセフソン接合をもちいたデバイスで必要とされる接合
電流や接合抵抗の値となるようにすればよく、幅10μ
m以下、長さ10μm以下、厚さ1μm以下とすること
が好ましい。本発明による酸化物超伝導体はYBCOで
あるが、YBCOよりも臨界温度の高いBi系やTI系
酸化物超伝導体においてもエピタキシャル成長あるいは
一定の配向を有する薄膜をそれぞれのSi単結晶上に形
成することによってYBCO薄膜と同様なジョセフソン
接合とすることが可能である。
もそれぞれのSi単結晶基板上にエピタキシャル成長あ
るいは一定の面内配向を有するようにYBCO薄膜を形
成し、さらにブリッジ形状にパターンニングする。ここ
でブリッジは、バイクリスタル基板の接合界面上に形成
されるYBCO薄膜の結晶粒界が弱接合となるように形
成しなければならず、粒界に直交するように形成するの
が望ましい。またブリッジ部のサイズは、目的とするジ
ョセフソン接合をもちいたデバイスで必要とされる接合
電流や接合抵抗の値となるようにすればよく、幅10μ
m以下、長さ10μm以下、厚さ1μm以下とすること
が好ましい。本発明による酸化物超伝導体はYBCOで
あるが、YBCOよりも臨界温度の高いBi系やTI系
酸化物超伝導体においてもエピタキシャル成長あるいは
一定の配向を有する薄膜をそれぞれのSi単結晶上に形
成することによってYBCO薄膜と同様なジョセフソン
接合とすることが可能である。
【0011】
【作用】以上のようなジョセフソン接合によれば、Si
によるバイクリスタル基板の接合界面上に形成されるY
BCO薄膜の結晶粒界を弱接合とすることから、特性の
再現性や安定性に優れ、基板による誘電損失が少さいジ
ョセフソン接合を提供できる。
によるバイクリスタル基板の接合界面上に形成されるY
BCO薄膜の結晶粒界を弱接合とすることから、特性の
再現性や安定性に優れ、基板による誘電損失が少さいジ
ョセフソン接合を提供できる。
【0012】
【実施例】以下、図1から図6を参照して本発明を説明
する。
する。
【0013】本発明におけるSiの単結晶からなるバイ
クリスタル基板を図1に示す。それぞれのSi単結晶1
および2の基板面は、(001)面であり、面内での〔
100〕軸、〔010〕軸は24°の角度に回転してい
る。このバイクリスタル基板上に第二相となる9moI
%のY2 O3 で安定化したZrO2 (YSZ)3
と、さらに第三相となるY2 O3 層4を電子ビーム
蒸着法によりそれぞれ80nm、20nmの厚さで形成
した。この基板上にrf−スパッタ法によってYBCO
薄膜を100nm形成した。
クリスタル基板を図1に示す。それぞれのSi単結晶1
および2の基板面は、(001)面であり、面内での〔
100〕軸、〔010〕軸は24°の角度に回転してい
る。このバイクリスタル基板上に第二相となる9moI
%のY2 O3 で安定化したZrO2 (YSZ)3
と、さらに第三相となるY2 O3 層4を電子ビーム
蒸着法によりそれぞれ80nm、20nmの厚さで形成
した。この基板上にrf−スパッタ法によってYBCO
薄膜を100nm形成した。
【0014】YBCO薄膜を2θ−θ法によって測定し
たX線回折図形を図2に示す。図2からYBCO薄膜は
基板面にc軸が垂直に配向していることがわかる。図3
および図4にSiの(111)ピークおよびYBCOの
(113)ピークについてSchulzの反射法により
測定したX線回折図形を示す。YBCO薄膜は、面内に
おいてSi単結晶の面内配向と45°ローテーションし
た方向に方位が揃っている。またYBCO薄膜にもバイ
クリスタル基板と同様な角度の傾角粒界が形成されてい
る。
たX線回折図形を図2に示す。図2からYBCO薄膜は
基板面にc軸が垂直に配向していることがわかる。図3
および図4にSiの(111)ピークおよびYBCOの
(113)ピークについてSchulzの反射法により
測定したX線回折図形を示す。YBCO薄膜は、面内に
おいてSi単結晶の面内配向と45°ローテーションし
た方向に方位が揃っている。またYBCO薄膜にもバイ
クリスタル基板と同様な角度の傾角粒界が形成されてい
る。
【0015】上記実施例と同様な方法により面内で〔1
00〕軸、〔010〕軸9°の角度に回転しているSi
のバイクリスタル基板上にYSZ、Y2 O3 を形成
し、さらにYBCO薄膜を形成した。このYBCO薄膜
をレーザーエッチング法によって幅10μm、長さ10
μmのブリッジを形成してジョセフソン接合とした。図
5に概略図を示す。本実施例のジョセフソン接合による
電磁波応答特性を図6に示す。ジョセフソン接合は、7
7Kで9.6 GHzのマイクロ波照射に応答し、明瞭
なシャピロステップを示した。
00〕軸、〔010〕軸9°の角度に回転しているSi
のバイクリスタル基板上にYSZ、Y2 O3 を形成
し、さらにYBCO薄膜を形成した。このYBCO薄膜
をレーザーエッチング法によって幅10μm、長さ10
μmのブリッジを形成してジョセフソン接合とした。図
5に概略図を示す。本実施例のジョセフソン接合による
電磁波応答特性を図6に示す。ジョセフソン接合は、7
7Kで9.6 GHzのマイクロ波照射に応答し、明瞭
なシャピロステップを示した。
【0016】
【発明の効果】本発明のジョセフソン接合は、基板に誘
電損失の小さいSiによるバイクリスタル基板を用いて
いることからSQUIDだけでなく、ミクサー、電圧標
準などのマイクロ波分野での素子や様々なジョセフソン
デバイスに適用することができるジョセフソン接合であ
り、さらにSi単結晶上のジョセフソン接合であること
から半導体と一体化したデバイスの構築が可能となる。
電損失の小さいSiによるバイクリスタル基板を用いて
いることからSQUIDだけでなく、ミクサー、電圧標
準などのマイクロ波分野での素子や様々なジョセフソン
デバイスに適用することができるジョセフソン接合であ
り、さらにSi単結晶上のジョセフソン接合であること
から半導体と一体化したデバイスの構築が可能となる。
【図1】Si単結晶からなるバイクリスタル基板の略図
である。
である。
【図2】YBCO薄膜のX線回折図形の図である。
【図3】Si単結晶からなるバイクリスタル基板のSc
hulz法によるX線回折図である。
hulz法によるX線回折図である。
【図4】YBCO薄膜のSchulz法によるX線回折
図形の図である。
図形の図である。
【図5】本発明によるジョセフソン接合の概略図である
。
。
【図6】本発明によるジョセフソン接合の電磁波応答特
性を示す電流−電圧特性の図である。
性を示す電流−電圧特性の図である。
1,2 Si単結晶
3 YSZ
4 Y2 O3
5 YBCO薄膜
Claims (4)
- 【請求項1】 少なくとも2個以上のSi単結晶から
なり、それぞれの単結晶が1つの結晶軸を整合させ、整
合させた結晶軸を中心に他の結晶軸が任意の角度で回転
している基板のそれぞれのSi単結晶基板表面上にエピ
タキシャル成長あるいは一定の配向した第二相を有する
バイクリスタル基板上のYBa2 Cu3 O7−y
超伝導膜からなるジョセフソン接合であり、結合界面上
のYBa2 Cu3 O7−y 超伝導膜の結晶粒界を
弱結合としたことを特徴とするジョセフソン接合。 - 【請求項2】 整合させるそれぞれのSi単結晶の1
つの結晶軸が〔001〕軸である請求項(1)記載のジ
ョセフソン接合。 - 【請求項3】 第二相がジルコニアあるいは安定化ジ
ルコニアからなる請求項(1)記載のジョセフソン接合
。 - 【請求項4】 第二相がジルコニアあるいは安定化ジ
ルコニアとイットリアからなり、それぞれを基板上に順
次積層した請求項(1)記載のジョセフソン接合。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3050093A JPH04268774A (ja) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | ジョセフソン接合 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3050093A JPH04268774A (ja) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | ジョセフソン接合 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04268774A true JPH04268774A (ja) | 1992-09-24 |
Family
ID=12849442
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3050093A Pending JPH04268774A (ja) | 1991-02-25 | 1991-02-25 | ジョセフソン接合 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04268774A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06500669A (ja) * | 1991-03-19 | 1994-01-20 | コンダクタス インコーポレイテッド | 高温超伝導体膜の結晶粒界結合 |
EP0618626A1 (en) * | 1993-03-31 | 1994-10-05 | Sumitomo Electric Industries, Limited | Josephson junction device of oxide superconductor having low noise level at liquid nitrogen temperature |
US5543630A (en) * | 1995-01-31 | 1996-08-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | High Tc superconducting devices on bi-crystal substrates |
US5821200A (en) * | 1992-07-28 | 1998-10-13 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Lattice matching device and method for fabricating the same |
-
1991
- 1991-02-25 JP JP3050093A patent/JPH04268774A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06500669A (ja) * | 1991-03-19 | 1994-01-20 | コンダクタス インコーポレイテッド | 高温超伝導体膜の結晶粒界結合 |
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US5856205A (en) * | 1993-03-31 | 1999-01-05 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Josephson junction device of oxide superconductor having low noise level at liquid nitrogen temperature |
US5543630A (en) * | 1995-01-31 | 1996-08-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | High Tc superconducting devices on bi-crystal substrates |
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