JPH0580160B2 - - Google Patents
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- JPH0580160B2 JPH0580160B2 JP1002800A JP280089A JPH0580160B2 JP H0580160 B2 JPH0580160 B2 JP H0580160B2 JP 1002800 A JP1002800 A JP 1002800A JP 280089 A JP280089 A JP 280089A JP H0580160 B2 JPH0580160 B2 JP H0580160B2
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Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は高速、低消費電力でスイツチング動作
を行う超電導スイツチング装置等の超電導エレク
トロニクスの分野に係り、特に液体窒素温度以上
で動作可能な酸化物系超電導弱結合素子の製造方
法に関するものである。
を行う超電導スイツチング装置等の超電導エレク
トロニクスの分野に係り、特に液体窒素温度以上
で動作可能な酸化物系超電導弱結合素子の製造方
法に関するものである。
Ｙ−Ba−Cu酸化物あるいはBi−Ca−Sr−Cu
酸化物等の酸化物系超電導材料は臨界温度が90K
以上であり、液体窒素温度において完全な超電導
性を示すものである。これらＹ−Ba−Cu酸化物
等の超電導材料をエレクトロニクスの分野に応用
するためには基本的な超電導素子である超電導弱
結合素子を得る必要がある。
酸化物等の酸化物系超電導材料は臨界温度が90K
以上であり、液体窒素温度において完全な超電導
性を示すものである。これらＹ−Ba−Cu酸化物
等の超電導材料をエレクトロニクスの分野に応用
するためには基本的な超電導素子である超電導弱
結合素子を得る必要がある。
Ｙ−Ba−Cu酸化物あるいはBi−Ca−Sr−Cu
酸化物を用いた超電弱結合素子としては、同一平
面上に２個の酸化物超電導電極を近接させて配
し、二枚の電極間をAuで橋渡しした構造の素子
が作製されている。この例はイクステンデイド・
アブストラクツ・オブ・フイフス・インターナシ
ヨナル・ワークシヨツプ・オン・フユーチヤ・エ
レクトロン・デバイシズの第157頁から第160頁、
1988年 （Extended Abstracts of 5th International
Workshop on Future Electron Devices、
pp.157−160、1988）に記載されている。
酸化物を用いた超電弱結合素子としては、同一平
面上に２個の酸化物超電導電極を近接させて配
し、二枚の電極間をAuで橋渡しした構造の素子
が作製されている。この例はイクステンデイド・
アブストラクツ・オブ・フイフス・インターナシ
ヨナル・ワークシヨツプ・オン・フユーチヤ・エ
レクトロン・デバイシズの第157頁から第160頁、
1988年 （Extended Abstracts of 5th International
Workshop on Future Electron Devices、
pp.157−160、1988）に記載されている。
上記Ｙ−Ba−Cu酸化物を電極とし、常電導金
属であるAuをカツプリング材とした超電弱結合
素子は以下の問題のような問題点を有している。
属であるAuをカツプリング材とした超電弱結合
素子は以下の問題のような問題点を有している。
すなわちこのような超電導弱結合素子の構造に
おいては二枚の超電導電極間距離によつて特性が
決定づけられる。すなわち、液体窒素温度におい
て動作させるために望ましい電極間距離は100n
ｍから10nｍの間である。この理由は超電導電極
から超電導素子がしみ出して互に常電導体内部で
重なり合い、ジヨセフソン効果を発揮させるため
には常電導体中のコヒーレンス長さ、すなわち数
十ｎｍの寸法に常電導体の長さを揃える必要があ
るからである。
おいては二枚の超電導電極間距離によつて特性が
決定づけられる。すなわち、液体窒素温度におい
て動作させるために望ましい電極間距離は100n
ｍから10nｍの間である。この理由は超電導電極
から超電導素子がしみ出して互に常電導体内部で
重なり合い、ジヨセフソン効果を発揮させるため
には常電導体中のコヒーレンス長さ、すなわち数
十ｎｍの寸法に常電導体の長さを揃える必要があ
るからである。
しかるに超電導電極間の距離をこのような短い
値に保つのはきわめて困難なことである。実際、
上記超電導弱結合素子においては超電導電極間距
離として1μｍを与えている。逆に望ましい超電
導電極間距離10〜100nｍが得られたとして、必
要な超電導電流を得るために距離を10nｍ以下の
精度で調節するのはきわめて困難なことである。
値に保つのはきわめて困難なことである。実際、
上記超電導弱結合素子においては超電導電極間距
離として1μｍを与えている。逆に望ましい超電
導電極間距離10〜100nｍが得られたとして、必
要な超電導電流を得るために距離を10nｍ以下の
精度で調節するのはきわめて困難なことである。
本発明の目的は、Ｙ−Ba−Cu酸化物あるいは
Bi−Ca−Sr−Cu酸化物等の酸化物系超電導材料
を電極として用いたジヨセフソン接合装置に関し
て、電極間距離がジヨセフソン効果を示すのに必
要とされる10〜100nｍの範囲に保たれ、この間
にAu等の常電導金属をカツプリング材として挿
入し得る超電導弱結合素子の製造方法構造を提供
することにある。
Bi−Ca−Sr−Cu酸化物等の酸化物系超電導材料
を電極として用いたジヨセフソン接合装置に関し
て、電極間距離がジヨセフソン効果を示すのに必
要とされる10〜100nｍの範囲に保たれ、この間
にAu等の常電導金属をカツプリング材として挿
入し得る超電導弱結合素子の製造方法構造を提供
することにある。
上記目的を達成するために、超電導弱結合素子
の構造に関して以下の手段を用いた。
の構造に関して以下の手段を用いた。
Ｙ−Ba−Cu酸化物あるいはBi−Sr−Ca−Cu
酸化物等の酸化物系超電導材を電極として用い、
超電導カツプリング材としてAu、Ag、Pt等を用
いる。超電導弱結合素子において、弱結合部が基
板の段差上に形成されるようにする。基板の段差
部において酸化物超電導電極が二分され、かつこ
の二分された酸化物超電導電極はAu、Ag、Pt等
の金属材料によつて互に電気的に接続されるよう
にする。Au、Ag、あるいはPt等の超電導カツプ
リング材は酸化物超電導電極の上部でも、あるい
は下部に配しても構わない。
酸化物等の酸化物系超電導材を電極として用い、
超電導カツプリング材としてAu、Ag、Pt等を用
いる。超電導弱結合素子において、弱結合部が基
板の段差上に形成されるようにする。基板の段差
部において酸化物超電導電極が二分され、かつこ
の二分された酸化物超電導電極はAu、Ag、Pt等
の金属材料によつて互に電気的に接続されるよう
にする。Au、Ag、あるいはPt等の超電導カツプ
リング材は酸化物超電導電極の上部でも、あるい
は下部に配しても構わない。
このような超電導弱結合素子の製造方法は概ね
以下の通りである。ドライエツチング等の方法に
よつて段差を設けた基板上にＹ−Ba−Cu酸化物
あるいはBa−Sr−Ca−Cu酸化物等の酸化物超電
導薄膜を形成する。つぎに酸素雰囲気中で熱処理
を施すことにより段差部において酸化物超電導結
膜を不連続化する。この段差部を中心とした領域
にAu、PtあるいはAg等を形成することにより、
分かれた酸化物超電導薄膜どうしを接続し、超電
導弱結合素子とする。
以下の通りである。ドライエツチング等の方法に
よつて段差を設けた基板上にＹ−Ba−Cu酸化物
あるいはBa−Sr−Ca−Cu酸化物等の酸化物超電
導薄膜を形成する。つぎに酸素雰囲気中で熱処理
を施すことにより段差部において酸化物超電導結
膜を不連続化する。この段差部を中心とした領域
にAu、PtあるいはAg等を形成することにより、
分かれた酸化物超電導薄膜どうしを接続し、超電
導弱結合素子とする。
本発明にかかる超電導弱結合素子の製造方法は
以下の理由により従来の酸化物系超電導弱結合素
子の問題点を克服するものである。
以下の理由により従来の酸化物系超電導弱結合素
子の問題点を克服するものである。
Ｙ−Ba−Cu酸化物あるいはBa−Sr−Ca−Cu
酸化物等の酸化物超電導材料はスパツタリング等
の方法により成膜を行つた段階においては、下地
基板の平坦な部分、あるいは段差部分にかかわら
ず比較的均一な膜厚で形成される。しかるに膜形
成後の熱処理を施した場合、段差部分におけるＹ
−Ba−Cu酸化物は原子拡散によつて膜厚が薄く
なり、基板の平坦な部分に移動する。熱処理をＹ
−Ba−Cu酸化物等の結晶化に必要な温度、すな
わち約800℃以上で行つた場合、このような原子
移動は時間とともに促進され、段差部におけるＹ
−Ba−Cu酸化物薄膜には割れが生じ、ついには
段差の上面と下面に二分されてしまう。このよう
な熱処理に対する薄膜の挙動はＹ−Ba−Cu酸化
物薄膜以外にBa−Sr−Ca−Cu酸化物や他の酸化
物系超電導薄膜においても見られる現象である。
下地に段差の存在する部分でこのような原子拡散
が生じる原因としては、原子の拡散係数が大きく
原子の移動が容易である温度条件では、薄膜が表
面積を小さくすることにより内部エネルギーある
いは結合エネルギーの低い状態に移行しようとす
ることによるものである。
酸化物等の酸化物超電導材料はスパツタリング等
の方法により成膜を行つた段階においては、下地
基板の平坦な部分、あるいは段差部分にかかわら
ず比較的均一な膜厚で形成される。しかるに膜形
成後の熱処理を施した場合、段差部分におけるＹ
−Ba−Cu酸化物は原子拡散によつて膜厚が薄く
なり、基板の平坦な部分に移動する。熱処理をＹ
−Ba−Cu酸化物等の結晶化に必要な温度、すな
わち約800℃以上で行つた場合、このような原子
移動は時間とともに促進され、段差部におけるＹ
−Ba−Cu酸化物薄膜には割れが生じ、ついには
段差の上面と下面に二分されてしまう。このよう
な熱処理に対する薄膜の挙動はＹ−Ba−Cu酸化
物薄膜以外にBa−Sr−Ca−Cu酸化物や他の酸化
物系超電導薄膜においても見られる現象である。
下地に段差の存在する部分でこのような原子拡散
が生じる原因としては、原子の拡散係数が大きく
原子の移動が容易である温度条件では、薄膜が表
面積を小さくすることにより内部エネルギーある
いは結合エネルギーの低い状態に移行しようとす
ることによるものである。
以上のような現象を利用することによつて、連
続膜であつた状態から熱処理によりＹ−Ba−Cu
酸化物超電導膜を二つに分つ方法を用いれば、サ
ブミクロンの超電導電極間距離を得ことができ
る。しかも、超電導電極間距離はＹ−Ba−Cu酸
化物薄膜に対する熱処理条件、すなわち温度およ
び時間、あるいは段差の高さ等によつて所望する
任意の値に決定することができる。しかもこれら
の条件を設定することにより数十ｎｍの精度で超
電導電極間距離を決定することができる。
続膜であつた状態から熱処理によりＹ−Ba−Cu
酸化物超電導膜を二つに分つ方法を用いれば、サ
ブミクロンの超電導電極間距離を得ことができ
る。しかも、超電導電極間距離はＹ−Ba−Cu酸
化物薄膜に対する熱処理条件、すなわち温度およ
び時間、あるいは段差の高さ等によつて所望する
任意の値に決定することができる。しかもこれら
の条件を設定することにより数十ｎｍの精度で超
電導電極間距離を決定することができる。
以下、本発明を以下に述べる実施例にもとづい
て説明する。
て説明する。
超電導弱結合素子は以下の工程により作製を行
う。すなわち、第１図ａに示すごとく、１００面
方位を有するMgO単結晶１を基板として用いる。
基板上の全面にNb膜を1μｍの厚さに形成する。
この上に基板の面積半分を覆うようにレジストパ
タンを形成する。CF4ガスを用いた反応性イオン
エツチング法によりレジストに覆われていない
Nb膜部分を除去する。次にレジストを除去し、
Arと酸素を用いた高周波スパツタリングあるい
はイオンビームスパツタリング法によ厘MgO基
板のエツチングを行う。1.7W／cm2の高周波電力
密度でスパツタリングを行つた場合、Nb膜のエ
ツチング割合が70nｍ／hrであるのに対して、
MgO基板のエツチング割合は300nｍ／hrであつ
た。MgO基板のエツチングを終了した後、マス
ク材としてのNb膜を再び反応性イオンエツチン
グによつて除去する。以上の工程によりMgO基
板の段差６を人工的に形成する。段差は1.2μｍと
する。
う。すなわち、第１図ａに示すごとく、１００面
方位を有するMgO単結晶１を基板として用いる。
基板上の全面にNb膜を1μｍの厚さに形成する。
この上に基板の面積半分を覆うようにレジストパ
タンを形成する。CF4ガスを用いた反応性イオン
エツチング法によりレジストに覆われていない
Nb膜部分を除去する。次にレジストを除去し、
Arと酸素を用いた高周波スパツタリングあるい
はイオンビームスパツタリング法によ厘MgO基
板のエツチングを行う。1.7W／cm2の高周波電力
密度でスパツタリングを行つた場合、Nb膜のエ
ツチング割合が70nｍ／hrであるのに対して、
MgO基板のエツチング割合は300nｍ／hrであつ
た。MgO基板のエツチングを終了した後、マス
ク材としてのNb膜を再び反応性イオンエツチン
グによつて除去する。以上の工程によりMgO基
板の段差６を人工的に形成する。段差は1.2μｍと
する。
つぎにＹ−Ba−Cu酸化物薄膜２を形成する。
Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜２はあらかじめＹとGaと
CUを１：２：4.5の組成比に焼成した焼結体をタ
ーゲツトとして用い、高周波マグネトロンスパツ
タ法により、Arと酸素の雰囲気中で形成する。
膜形成時の基板温度は700℃とする。膜厚は0.5μ
ｍとする。膜形成の段階でＹ−Ba−Cu酸化物薄
膜２は正方晶のペロブスカイト結晶であり、下地
段差部において連続的である。膜形成後Ｙ−Ba
−Cu酸化物薄膜２に900℃、２時間の熱処理を施
す。この熱処理により、斜方晶結晶構造で80K以
上の臨界温度を有する超電導膜を得る。さらに第
１図ｂに示すごとくＹ−Ba−Cu酸化物薄膜は段
差部においてクラツク５を生じ、約0.05μｍの間
隔をもつて段差上部と段差下部の二つの領域に分
かれれる。
Ｙ−Ba−Cu酸化物薄膜２はあらかじめＹとGaと
CUを１：２：4.5の組成比に焼成した焼結体をタ
ーゲツトとして用い、高周波マグネトロンスパツ
タ法により、Arと酸素の雰囲気中で形成する。
膜形成時の基板温度は700℃とする。膜厚は0.5μ
ｍとする。膜形成の段階でＹ−Ba−Cu酸化物薄
膜２は正方晶のペロブスカイト結晶であり、下地
段差部において連続的である。膜形成後Ｙ−Ba
−Cu酸化物薄膜２に900℃、２時間の熱処理を施
す。この熱処理により、斜方晶結晶構造で80K以
上の臨界温度を有する超電導膜を得る。さらに第
１図ｂに示すごとくＹ−Ba−Cu酸化物薄膜は段
差部においてクラツク５を生じ、約0.05μｍの間
隔をもつて段差上部と段差下部の二つの領域に分
かれれる。
つぎにＹ−Ba−Cu酸化物薄膜２表面にArと酸
素の雰囲気中で高周波スパツタリングを施すこと
により表面汚染層を除去する。さらに純酸素の雰
囲気中で高周波放電を行うことにより、超電導膜
表面の欠落した酸素を補う。この上に第１図ｃに
示すごとく膜厚300nｍのAu膜３を形成する。Ｙ
−Ba−Cu酸化物薄膜２に対して熱処理を施す工
程とAu膜を堆積する工程を同一の装置で行う場
合、熱処理時のクラツク発生過程においてＹ−
Ba−Cu酸化物２の新しい面が表れ、この新鮮な
表面上にAu膜３を形成するので、Ｙ−BA−Cu
酸化物薄膜２に対する表面クリーニングの必要性
は無い。以上のごとく形成したAu膜３に対して
カツプリング部およびこの周辺以外の膜部分をエ
ツチング除去することにより、超電導弱結合素子
の完成を見る。
素の雰囲気中で高周波スパツタリングを施すこと
により表面汚染層を除去する。さらに純酸素の雰
囲気中で高周波放電を行うことにより、超電導膜
表面の欠落した酸素を補う。この上に第１図ｃに
示すごとく膜厚300nｍのAu膜３を形成する。Ｙ
−Ba−Cu酸化物薄膜２に対して熱処理を施す工
程とAu膜を堆積する工程を同一の装置で行う場
合、熱処理時のクラツク発生過程においてＹ−
Ba−Cu酸化物２の新しい面が表れ、この新鮮な
表面上にAu膜３を形成するので、Ｙ−BA−Cu
酸化物薄膜２に対する表面クリーニングの必要性
は無い。以上のごとく形成したAu膜３に対して
カツプリング部およびこの周辺以外の膜部分をエ
ツチング除去することにより、超電導弱結合素子
の完成を見る。
超電導弱結合素子の電圧−電流特性６は第２図
に示すごとくになる。すなわち約200μAの超電導
電流が流れる。超電導電流は0.5Gaussの磁束密
度に相当する外部磁場を印加することによつて半
分以下の値７にすることができる。このことは超
電導弱結合素子がジヨセフソン効果を有している
ことを意味する。しかもこの印加磁束密度は単一
の超電導弱結合素子に対応する値である。
に示すごとくになる。すなわち約200μAの超電導
電流が流れる。超電導電流は0.5Gaussの磁束密
度に相当する外部磁場を印加することによつて半
分以下の値７にすることができる。このことは超
電導弱結合素子がジヨセフソン効果を有している
ことを意味する。しかもこの印加磁束密度は単一
の超電導弱結合素子に対応する値である。
以上の作製工程にかかる超電導弱結合素子はカ
ツプリング材としてAu以外にAgあるいはPt等を
用いて同様な特性を示す。さらに超電導電極膜と
してＹ−Ba−Cu酸化物以外にＹをYbやEr等で
置換した斜方晶酸化物あるいはBi−Sr−Ca−Cu
酸化物等を用いた場合にも同様の超電導弱結合素
子を構成し、ジヨセフソン効果を示す。
ツプリング材としてAu以外にAgあるいはPt等を
用いて同様な特性を示す。さらに超電導電極膜と
してＹ−Ba−Cu酸化物以外にＹをYbやEr等で
置換した斜方晶酸化物あるいはBi−Sr−Ca−Cu
酸化物等を用いた場合にも同様の超電導弱結合素
子を構成し、ジヨセフソン効果を示す。
カツプリング材を酸化物超電導薄膜の下部に敷
いた場合も同様の効果を示す。
いた場合も同様の効果を示す。
超電導弱結合素子の超電導電流は常電導薄膜の
膜厚、酸化物超電導電極の膜厚と段差の相対比、
および酸化物超電導電極の熱処理条件等を調節し
て任意の値を得る。
膜厚、酸化物超電導電極の膜厚と段差の相対比、
および酸化物超電導電極の熱処理条件等を調節し
て任意の値を得る。
以上述べたごとく、本発明にかかる超電導弱結
合素子の製造方法は以下の効果を有する。
合素子の製造方法は以下の効果を有する。
(1) 微細パタニングおよび加工技術を用いること
なく、100nｍ以下の長さの常電導カツプリン
グ長を得ることができる。これにより、液体窒
素温度で動作可能な超電導電流を有する超電導
弱結合素子を得ることができる。
なく、100nｍ以下の長さの常電導カツプリン
グ長を得ることができる。これにより、液体窒
素温度で動作可能な超電導電流を有する超電導
弱結合素子を得ることができる。
(2) 100nｍ以下の長さで常電導カツプリング部
の流さを調節することができる。これにより、
超電導弱結合素子に対して任意の超電導電流を
与えることができる。
の流さを調節することができる。これにより、
超電導弱結合素子に対して任意の超電導電流を
与えることができる。
第１図は本発明の一実施例である超電導弱結合
素子の製造工程を示す図、第２図は本発明にかか
る超電導弱結合素子の電圧−電流特性を示す図で
ある。 １……MgO基板、２……Ｙ−Ba−Cu酸化物薄
膜、３……Au薄膜、４……段差、５……クラツ
ク部、６……印加磁場零特性、７……磁場印加時
特性。
素子の製造工程を示す図、第２図は本発明にかか
る超電導弱結合素子の電圧−電流特性を示す図で
ある。 １……MgO基板、２……Ｙ−Ba−Cu酸化物薄
膜、３……Au薄膜、４……段差、５……クラツ
ク部、６……印加磁場零特性、７……磁場印加時
特性。
Claims (1)
- １ 段差を有する基板上に酸化物超電導薄膜を形
成する工程と、上記酸化物超電導薄膜を形成した
基板に熱処理を施すことにより上記基板の段差部
分における上記酸化物超電導薄膜にクラツクを形
成する工程と、上記クラツクにAu、Ag、Pt等の
貴金属材料から成るカツプリング材を形成する工
程とを有することを特徴とする超電導弱結合素子
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1002800A JPH02184087A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | 超電導弱結合素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1002800A JPH02184087A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | 超電導弱結合素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02184087A JPH02184087A (ja) | 1990-07-18 |
| JPH0580160B2 true JPH0580160B2 (ja) | 1993-11-08 |
Family
ID=11539450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1002800A Granted JPH02184087A (ja) | 1989-01-11 | 1989-01-11 | 超電導弱結合素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02184087A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5134117A (en) * | 1991-01-22 | 1992-07-28 | Biomagnetic Technologies, Inc. | High tc microbridge superconductor device utilizing stepped edge-to-edge sns junction |
| US5157466A (en) * | 1991-03-19 | 1992-10-20 | Conductus, Inc. | Grain boundary junctions in high temperature superconductor films |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63245972A (ja) * | 1987-04-01 | 1988-10-13 | Hitachi Ltd | 弱結合型ジヨセフソン素子 |
-
1989
- 1989-01-11 JP JP1002800A patent/JPH02184087A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63245972A (ja) * | 1987-04-01 | 1988-10-13 | Hitachi Ltd | 弱結合型ジヨセフソン素子 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02184087A (ja) | 1990-07-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |