JPH05335637A - ジョセフソン接合構造体 - Google Patents
ジョセフソン接合構造体Info
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- JPH05335637A JPH05335637A JP4164150A JP16415092A JPH05335637A JP H05335637 A JPH05335637 A JP H05335637A JP 4164150 A JP4164150 A JP 4164150A JP 16415092 A JP16415092 A JP 16415092A JP H05335637 A JPH05335637 A JP H05335637A
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 傾斜面33を有するMgＯ（１００）基板３上に
Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を成長させる。Ｙ1B
a2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１のMgＯ（１００）面31、
32上に成長した超電導領域11、12と、傾斜面33上に成長
した分離領域13とでは、結晶の方向が異なり、結晶粒界
41、42および分離領域13が障壁の超電導接合構造体にな
る。 【効果】 微細加工せずに弱結合型の超電導接合構造体
が容易に作製できる。
Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を成長させる。Ｙ1B
a2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１のMgＯ（１００）面31、
32上に成長した超電導領域11、12と、傾斜面33上に成長
した分離領域13とでは、結晶の方向が異なり、結晶粒界
41、42および分離領域13が障壁の超電導接合構造体にな
る。 【効果】 微細加工せずに弱結合型の超電導接合構造体
が容易に作製できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン接合構造
体に関する。より詳細には、酸化物超電導体を用いてお
り、作製が容易であるジョセフソン接合構造体に関す
る。
体に関する。より詳細には、酸化物超電導体を用いてお
り、作製が容易であるジョセフソン接合構造体に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ジョセフソン接合を実現する構成は各種
あって、最も好ましい構造は、一対の超電導体で薄い非
超電導体をはさんだトンネル型の接合である。しかしな
がら、点接触型、マイクロブリッジ型等一対の超電導体
を弱く結合した超電導接合も、特性は異なるもののジョ
セフソン効果を発揮する。一般に、このような超電導接
合は非常に微細な構成であり、上記の超電導体および非
超電導体は、いわゆる薄膜で構成されている。
あって、最も好ましい構造は、一対の超電導体で薄い非
超電導体をはさんだトンネル型の接合である。しかしな
がら、点接触型、マイクロブリッジ型等一対の超電導体
を弱く結合した超電導接合も、特性は異なるもののジョ
セフソン効果を発揮する。一般に、このような超電導接
合は非常に微細な構成であり、上記の超電導体および非
超電導体は、いわゆる薄膜で構成されている。
【０００３】例えば、超電導体に酸化物超電導体を使用
してトンネル型超電導接合を実現する場合には、基板上
に第１の酸化物超電導薄膜、非超電導体薄膜および第２
の酸化物超電導薄膜を順に積層する。
してトンネル型超電導接合を実現する場合には、基板上
に第１の酸化物超電導薄膜、非超電導体薄膜および第２
の酸化物超電導薄膜を順に積層する。
【０００４】非超電導体には、用途により例えばMgＯ等
の絶縁体、Si等の半導体、Au等の金属が使用され、それ
ぞれ異なる特性の超電導接合を構成する。
の絶縁体、Si等の半導体、Au等の金属が使用され、それ
ぞれ異なる特性の超電導接合を構成する。
【０００５】トンネル型超電導接合における非超電導体
層の厚さは、超電導体のコヒーレンス長によって決ま
る。酸化物超電導体は、コヒーレンス長が非常に短いた
め、酸化物超電導体を使用したトンネル型超電導接合に
おいては、非超電導体の厚さは数nm程度にしなければな
らない。
層の厚さは、超電導体のコヒーレンス長によって決ま
る。酸化物超電導体は、コヒーレンス長が非常に短いた
め、酸化物超電導体を使用したトンネル型超電導接合に
おいては、非超電導体の厚さは数nm程度にしなければな
らない。
【０００６】また、点接触型超電導接合、マイクロブリ
ッジ型超電導接合は、いずれも一対の超電導体の弱結合
が実現するような非常に微細な加工を必要とする。一
方、超電導接合の動作特性を考慮すると、超電導接合を
構成する各層の結晶性がよく、単結晶または単結晶にご
く近い配向性を有する多結晶でなければならない。
ッジ型超電導接合は、いずれも一対の超電導体の弱結合
が実現するような非常に微細な加工を必要とする。一
方、超電導接合の動作特性を考慮すると、超電導接合を
構成する各層の結晶性がよく、単結晶または単結晶にご
く近い配向性を有する多結晶でなければならない。
【０００７】さらに、dcＳＱＵＩＤのように、複数のジ
ョセフソン接合を有する素子では、各ジョセフソン接合
の特性が揃っていることが必要である。
ョセフソン接合を有する素子では、各ジョセフソン接合
の特性が揃っていることが必要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のトンネル型超電
導接合では、それぞれ結晶性のよい第１の酸化物超電導
薄膜、非超電導体の薄膜および第２の酸化物超電導薄膜
を積層しなければならない。酸化物超電導薄膜上にごく
薄く、且つ結晶性のよい非超電導体の薄膜を積層するこ
とは困難であり、この非超電導体薄膜のさらに上に結晶
性のよい酸化物超電導薄膜を形成するのは酸化物超電導
体の特性上非常に困難である。また、上記の積層構造が
実現しても、従来は酸化物超電導体と非超電導体との界
面の状態が良好でなく所望の特性が得られなかった。
導接合では、それぞれ結晶性のよい第１の酸化物超電導
薄膜、非超電導体の薄膜および第２の酸化物超電導薄膜
を積層しなければならない。酸化物超電導薄膜上にごく
薄く、且つ結晶性のよい非超電導体の薄膜を積層するこ
とは困難であり、この非超電導体薄膜のさらに上に結晶
性のよい酸化物超電導薄膜を形成するのは酸化物超電導
体の特性上非常に困難である。また、上記の積層構造が
実現しても、従来は酸化物超電導体と非超電導体との界
面の状態が良好でなく所望の特性が得られなかった。
【０００９】一方、点接触型超電導接合、マイクロブリ
ッジ型超電導接合を実現するような、微細な加工を酸化
物超電導薄膜に施すことも非常に困難であり、安定した
性能の超電導接合を再現性よく作製することができなか
った。従って、従来は、dcＳＱＵＩＤのように複数のジ
ョセフソン接合を有する素子で、複数のジョセフソン接
合の特性を揃えることは、ほとんど不可能であり、性能
の向上に限界があった。
ッジ型超電導接合を実現するような、微細な加工を酸化
物超電導薄膜に施すことも非常に困難であり、安定した
性能の超電導接合を再現性よく作製することができなか
った。従って、従来は、dcＳＱＵＩＤのように複数のジ
ョセフソン接合を有する素子で、複数のジョセフソン接
合の特性を揃えることは、ほとんど不可能であり、性能
の向上に限界があった。
【００１０】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
問題点を解決した、酸化物超電導体を用いたジョセフソ
ン接合構造体を提供することにある。
問題点を解決した、酸化物超電導体を用いたジョセフソ
ン接合構造体を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、一部に
緩い傾斜面を有する基板成膜面上に成膜され、前記傾斜
面上の部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向と、他
の部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向とが異なる
酸化物超電導薄膜で形成され、該酸化物超電導薄膜の前
記傾斜面上の部分と他の部分との間の結晶粒界が障壁と
なっていることを特徴とするジョセフソン接合構造体が
提供される。
緩い傾斜面を有する基板成膜面上に成膜され、前記傾斜
面上の部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向と、他
の部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向とが異なる
酸化物超電導薄膜で形成され、該酸化物超電導薄膜の前
記傾斜面上の部分と他の部分との間の結晶粒界が障壁と
なっていることを特徴とするジョセフソン接合構造体が
提供される。
【００１２】本発明のジョセフソン接合構造体では、前
記傾斜面の傾斜角が５〜30°であることが好ましい。ま
た、本発明では、一部に傾斜角が５〜30°である傾斜面
を有するMgＯ（１００）基板上に成膜され、前記傾斜面
上の部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向と、他の
部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向とが異なる酸
化物超電導薄膜で形成され、該酸化物超電導薄膜の前記
傾斜面上の部分と他の部分との間の結晶粒界が障壁とな
っていることを特徴とするジョセフソン接合構造体が提
供される。
記傾斜面の傾斜角が５〜30°であることが好ましい。ま
た、本発明では、一部に傾斜角が５〜30°である傾斜面
を有するMgＯ（１００）基板上に成膜され、前記傾斜面
上の部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向と、他の
部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向とが異なる酸
化物超電導薄膜で形成され、該酸化物超電導薄膜の前記
傾斜面上の部分と他の部分との間の結晶粒界が障壁とな
っていることを特徴とするジョセフソン接合構造体が提
供される。
【００１３】
【作用】本発明のジョセフソン接合構造体は、一部に緩
い傾斜面を有する基板成膜面上に成膜された酸化物超電
導薄膜で構成されている。この酸化物超電導薄膜の基板
成膜面の傾斜面上の部分は、他の部分と結晶方向が異な
る酸化物超電導体結晶で構成されていて、この傾斜面上
の部分と他の部分との間の結晶粒界がジョセフソン接合
の障壁となっている。本発明のジョセフソン接合構造体
では、酸化物超電導体結晶の結晶粒界が障壁になってい
るので、障壁が非常にシャープであり、ジョセフソン接
合としての特性が優れている。
い傾斜面を有する基板成膜面上に成膜された酸化物超電
導薄膜で構成されている。この酸化物超電導薄膜の基板
成膜面の傾斜面上の部分は、他の部分と結晶方向が異な
る酸化物超電導体結晶で構成されていて、この傾斜面上
の部分と他の部分との間の結晶粒界がジョセフソン接合
の障壁となっている。本発明のジョセフソン接合構造体
では、酸化物超電導体結晶の結晶粒界が障壁になってい
るので、障壁が非常にシャープであり、ジョセフソン接
合としての特性が優れている。
【００１４】本発明のジョセフソン接合構造体では、上
記の傾斜面の傾斜角は５〜30°であることが好ましい。
緩い傾斜面を有する成膜面上に形成された酸化物超電導
薄膜で構成されている本発明のジョセフソン接合構造体
は、上面を平坦にすることが容易であり、素子を作製す
る場合に有利である。
記の傾斜面の傾斜角は５〜30°であることが好ましい。
緩い傾斜面を有する成膜面上に形成された酸化物超電導
薄膜で構成されている本発明のジョセフソン接合構造体
は、上面を平坦にすることが容易であり、素子を作製す
る場合に有利である。
【００１５】本発明のジョセフソン接合構造体のより具
体的な構成としては、基板にMgＯ（１００）基板を使用
することが好ましく、また、酸化物超電導体としては、
Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X、を使用することが好ましい。MgＯ（１
００）基板上に成長するＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄
膜は、５〜30°の緩い傾斜面上でも結晶方向が変わり、
他の部分との間に結晶粒界を生ずるからである。
体的な構成としては、基板にMgＯ（１００）基板を使用
することが好ましく、また、酸化物超電導体としては、
Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X、を使用することが好ましい。MgＯ（１
００）基板上に成長するＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄
膜は、５〜30°の緩い傾斜面上でも結晶方向が変わり、
他の部分との間に結晶粒界を生ずるからである。
【００１６】上記本発明のジョセフソン接合構造体は、
複数のジョセフソン接合を有する超電導素子とすること
も可能である。すなわち、上記酸化物超電導薄膜の複数
の箇所が上記の傾斜面にある形状にすると、傾斜面上の
それぞれの位置にジョセフソン接合が形成される。これ
らのジョセフソン接合は、いずれも上述の結晶粒界を障
壁としているので特性が揃っている。
複数のジョセフソン接合を有する超電導素子とすること
も可能である。すなわち、上記酸化物超電導薄膜の複数
の箇所が上記の傾斜面にある形状にすると、傾斜面上の
それぞれの位置にジョセフソン接合が形成される。これ
らのジョセフソン接合は、いずれも上述の結晶粒界を障
壁としているので特性が揃っている。
【００１７】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
【００１８】
【実施例】図１に本発明のジョセフソン接合構造体の一
例を示す。図１(a)は、本発明のジョセフソン接合構造
体に共通な構成の断面図であり、図１(b)および(c)はそ
れぞれ本発明のジョセフソン接合構造体の異なる例の平
面図である。
例を示す。図１(a)は、本発明のジョセフソン接合構造
体に共通な構成の断面図であり、図１(b)および(c)はそ
れぞれ本発明のジョセフソン接合構造体の異なる例の平
面図である。
【００１９】図１(a)を参照して本発明のジョセフソン
接合構造体の実施例の断面構造を説明する。図１(a)に
示した本発明のジョセフソン接合構造体は、MgＯ基板３
上に成膜されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１で主
に構成されている。MgＯ基板３は、成膜面としてそれぞ
れ高さの異なる（１００）面31および32と、（１００）
面31および32間の傾斜面33を具備する。本実施例のジョ
セフソン接合構造体では、傾斜面33の傾斜角は20°であ
るが、この角度は５〜30°の範囲であれば任意に選択す
ることができる。
接合構造体の実施例の断面構造を説明する。図１(a)に
示した本発明のジョセフソン接合構造体は、MgＯ基板３
上に成膜されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１で主
に構成されている。MgＯ基板３は、成膜面としてそれぞ
れ高さの異なる（１００）面31および32と、（１００）
面31および32間の傾斜面33を具備する。本実施例のジョ
セフソン接合構造体では、傾斜面33の傾斜角は20°であ
るが、この角度は５〜30°の範囲であれば任意に選択す
ることができる。
【００２０】Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１は、厚
さ約300nmであり、分離領域13により超電導領域11およ
び12に分離されている。分離領域13は、MgＯ基板の傾斜
面33の影響により、傾斜面33上に形成される。即ち、Mg
Ｏ基板は、その上に成長するＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導体結晶の結晶方向に影響を大きく与える。例えば、Mg
Ｏ（１００）基板の場合、（１００）面に対して僅かに
傾斜している部分があると、その部分に成長するＹ1Ba2
Cu3Ｏ7-X結晶の結晶方向は、（１００）面上に成長する
Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X結晶の結晶方向と異なる。従って、超電
導領域11および12と分離領域13との間には結晶粒界41、
42が生じて、障壁となる。分離領域13の幅を適正にする
ことにより、分離領域13および結晶粒界41、42が単一の
障壁となり、超電導領域11および12によるジョセフソン
接合構造体が形成される。
さ約300nmであり、分離領域13により超電導領域11およ
び12に分離されている。分離領域13は、MgＯ基板の傾斜
面33の影響により、傾斜面33上に形成される。即ち、Mg
Ｏ基板は、その上に成長するＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導体結晶の結晶方向に影響を大きく与える。例えば、Mg
Ｏ（１００）基板の場合、（１００）面に対して僅かに
傾斜している部分があると、その部分に成長するＹ1Ba2
Cu3Ｏ7-X結晶の結晶方向は、（１００）面上に成長する
Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X結晶の結晶方向と異なる。従って、超電
導領域11および12と分離領域13との間には結晶粒界41、
42が生じて、障壁となる。分離領域13の幅を適正にする
ことにより、分離領域13および結晶粒界41、42が単一の
障壁となり、超電導領域11および12によるジョセフソン
接合構造体が形成される。
【００２１】図１(b)に本発明のジョセフソン接合構造
体の一例の平面図を示す。図１(b)のジョセフソン接合
構造体は、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１が傾斜面
33を１か所で横切る形状に形成されており、傾斜面33上
の分離領域13が障壁となったジョセフソン接合を構成し
ていて、ジョセフソン素子に適した形状になっている。
図１(b)に示した形状の本発明のジョセフソン接合構造
体を作製する場合には、傾斜面33を有するMgＯ（１０
０）基板３上にＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を成膜
し、反応性イオンエッチング、Arイオンミリング等の方
法によりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を加工する。
本実施例では図１(b)のくびれた部分は長さ10μｍ、幅
５μｍとした。
体の一例の平面図を示す。図１(b)のジョセフソン接合
構造体は、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１が傾斜面
33を１か所で横切る形状に形成されており、傾斜面33上
の分離領域13が障壁となったジョセフソン接合を構成し
ていて、ジョセフソン素子に適した形状になっている。
図１(b)に示した形状の本発明のジョセフソン接合構造
体を作製する場合には、傾斜面33を有するMgＯ（１０
０）基板３上にＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を成膜
し、反応性イオンエッチング、Arイオンミリング等の方
法によりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を加工する。
本実施例では図１(b)のくびれた部分は長さ10μｍ、幅
５μｍとした。
【００２２】また、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜
は、高周波マグネトロンスパッタリング法に成膜を行っ
たが、成膜条件は以下の通りである。 基板温度 650℃ スパッタリングガス Ar ８SCCM Ｏ2 ４SCCM 圧力 ５×10-2Torr 膜厚 300nm
は、高周波マグネトロンスパッタリング法に成膜を行っ
たが、成膜条件は以下の通りである。 基板温度 650℃ スパッタリングガス Ar ８SCCM Ｏ2 ４SCCM 圧力 ５×10-2Torr 膜厚 300nm
【００２３】上記本発明の超電導接合構造体を使用した
ジョセフソン素子の特性を測定した。85Ｋに冷却し、周
波数15ＧHz、出力0.2 ｍＷのマイクロ波を印加したとこ
ろ、31μＶの倍数の電圧点でシャピロステップが観測さ
れ、ジョセフソン結合が実現していることが確認され
た。
ジョセフソン素子の特性を測定した。85Ｋに冷却し、周
波数15ＧHz、出力0.2 ｍＷのマイクロ波を印加したとこ
ろ、31μＶの倍数の電圧点でシャピロステップが観測さ
れ、ジョセフソン結合が実現していることが確認され
た。
【００２４】図１(c)に、本発明の超電導接合構造体の
他の一例の概略平面図を示す。図１(c)の超電導素子
は、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１が傾斜面33を２
か所で横切る形状に形成されており、傾斜面33上の２か
所の分離領域13がそれぞれ障壁となった２個のジョセフ
ソン接合を構成している。図１(c)に示した形状の本発
明のジョセフソン接合構造体を作製する場合には、傾斜
面33を有するMgＯ（１００）基板３上にSi板のマスクを
配置して、図１(c)に示した形状になるようＹ1Ba2Cu3Ｏ
7-X酸化物超電導薄膜１を成膜すればよい。
他の一例の概略平面図を示す。図１(c)の超電導素子
は、Ｙ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１が傾斜面33を２
か所で横切る形状に形成されており、傾斜面33上の２か
所の分離領域13がそれぞれ障壁となった２個のジョセフ
ソン接合を構成している。図１(c)に示した形状の本発
明のジョセフソン接合構造体を作製する場合には、傾斜
面33を有するMgＯ（１００）基板３上にSi板のマスクを
配置して、図１(c)に示した形状になるようＹ1Ba2Cu3Ｏ
7-X酸化物超電導薄膜１を成膜すればよい。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従うと、
新規な構成の超電導接合構造体を酸化物超電導体により
実現できる。本発明の超電導接合構造体は、実質的に１
枚の酸化物超電導薄膜で形成されており、酸化物超電導
体結晶の結晶粒界が障壁となって構成されている。ま
た、本発明の超電導接合構造体は、微細加工を行うこと
なく容易に作製することが可能である。さらに、本発明
の超電導接合構造体は、特性の揃った複数の超電導接合
を備える構成にすることも可能である。本発明により、
超電導技術の電子デバイスへの応用がさらに促進され
る。
新規な構成の超電導接合構造体を酸化物超電導体により
実現できる。本発明の超電導接合構造体は、実質的に１
枚の酸化物超電導薄膜で形成されており、酸化物超電導
体結晶の結晶粒界が障壁となって構成されている。ま
た、本発明の超電導接合構造体は、微細加工を行うこと
なく容易に作製することが可能である。さらに、本発明
の超電導接合構造体は、特性の揃った複数の超電導接合
を備える構成にすることも可能である。本発明により、
超電導技術の電子デバイスへの応用がさらに促進され
る。
【図１】(a)は、本発明の超電導接合構造体の一例の断
面概略図であり、(b)および(c)は、本発明の超電導接合
構造体のそれぞれ異なる例の平面図である。
面概略図であり、(b)および(c)は、本発明の超電導接合
構造体のそれぞれ異なる例の平面図である。
１ 酸化物超電導薄膜 ３ 基板 41、42 結晶粒界
Claims (3)
- 【請求項１】 一部に緩い傾斜面を有する基板成膜面上
に成膜され、前記傾斜面上の部分を構成する酸化物超電
導体の結晶方向と、他の部分を構成する酸化物超電導体
の結晶方向とが異なる酸化物超電導薄膜で形成され、該
酸化物超電導薄膜の前記傾斜面上の部分と他の部分との
間の結晶粒界が障壁となっていることを特徴とするジョ
セフソン接合構造体。 - 【請求項２】 前記傾斜面の傾斜角が５〜30°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構造
体。 - 【請求項３】 一部に傾斜角が５〜30°である傾斜面を
有するMgＯ（１００）基板上に成膜され、前記傾斜面上
の部分を構成する酸化物超電導体の結晶方向と、他の部
分を構成する酸化物超電導体の結晶方向とが異なる酸化
物超電導薄膜で形成され、該酸化物超電導薄膜の前記傾
斜面上の部分と他の部分との間の結晶粒界が障壁となっ
ていることを特徴とするジョセフソン接合構造体。
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