JPH0936449A - ジョセフソン素子 - Google Patents
ジョセフソン素子Info
- Publication number
- JPH0936449A JPH0936449A JP7209005A JP20900595A JPH0936449A JP H0936449 A JPH0936449 A JP H0936449A JP 7209005 A JP7209005 A JP 7209005A JP 20900595 A JP20900595 A JP 20900595A JP H0936449 A JPH0936449 A JP H0936449A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- thin film
- junction
- yba
- plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
- H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0912—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices
- H10N60/0941—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ジョセフソン素子の粒界接合は、結晶の貼り
合わせや、傷付けなどの処理により粒界を強制的に作り
出す。しかしこれらの処理は工程を増やし、再現性に乏
しいという難点がある。工程を増やさず再現性に優れた
粒界接合を与えるのが本発明の目的である。 【構成】 ｃ軸が面に垂直なＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 単
結晶基板の上にｃ軸が面に平行なＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x
薄膜を成長させる。基板と薄膜の境界に粒界接合が形成
される。薄膜と基板に電極を形成し、境界の粒界をジョ
セフソン接合とするジョセフソン素子が製造される。
合わせや、傷付けなどの処理により粒界を強制的に作り
出す。しかしこれらの処理は工程を増やし、再現性に乏
しいという難点がある。工程を増やさず再現性に優れた
粒界接合を与えるのが本発明の目的である。 【構成】 ｃ軸が面に垂直なＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 単
結晶基板の上にｃ軸が面に平行なＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x
薄膜を成長させる。基板と薄膜の境界に粒界接合が形成
される。薄膜と基板に電極を形成し、境界の粒界をジョ
セフソン接合とするジョセフソン素子が製造される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は高速の超電導回路や、高
感度の磁場センサに用いられるジョセフソン素子に関す
る。特にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ＹＢＣＯと略すことも
ある）単結晶を超電導体として用いたジョセフソン素子
の新規な粒界接合に関する。ここで酸素の７からの欠損
数ｘは０≦ｘ≦０．６である。この範囲においてＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏ7-x が超電導体になる。以後ｘについては同
じ範囲の限定が付されるが、簡単の為ｘの範囲の表示を
省く。
感度の磁場センサに用いられるジョセフソン素子に関す
る。特にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ＹＢＣＯと略すことも
ある）単結晶を超電導体として用いたジョセフソン素子
の新規な粒界接合に関する。ここで酸素の７からの欠損
数ｘは０≦ｘ≦０．６である。この範囲においてＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏ7-x が超電導体になる。以後ｘについては同
じ範囲の限定が付されるが、簡単の為ｘの範囲の表示を
省く。
【０００２】
【従来の技術】酸化物超電導体を用いたジョセフソン素
子は、既に数多くのものが提案され試作されている。大
きい超電導の単結晶が得られないから、これらの提案は
異種基板の上に酸化物超電導体の薄膜を形成し、その上
に必要な接合を形成している。例えば、酸化マグネシウ
ム（ＭｇＯ）の単結晶、チタン酸ストロンチウム（Ｓｒ
ＴｉＯ3 ）単結晶を基板として、この上に酸化物超電導
体の薄膜を堆積しさらに接合部を形成する。接合部と言
っても手法によっていくつかの違いがある。ジョセフソ
ン接合としてこれまで提案されているものは大略、粒界
接合、ブリッジ接合、エッジ接合、積層接合などに分類
する事ができる。
子は、既に数多くのものが提案され試作されている。大
きい超電導の単結晶が得られないから、これらの提案は
異種基板の上に酸化物超電導体の薄膜を形成し、その上
に必要な接合を形成している。例えば、酸化マグネシウ
ム（ＭｇＯ）の単結晶、チタン酸ストロンチウム（Ｓｒ
ＴｉＯ3 ）単結晶を基板として、この上に酸化物超電導
体の薄膜を堆積しさらに接合部を形成する。接合部と言
っても手法によっていくつかの違いがある。ジョセフソ
ン接合としてこれまで提案されているものは大略、粒界
接合、ブリッジ接合、エッジ接合、積層接合などに分類
する事ができる。
【０００３】この内、粒界接合は基板に段差や貼り合わ
せなどの加工を行った時にできる超電導体薄膜の結晶粒
界を利用する接合である。エッジ接合、積層接合は極め
て薄いバリア層を超電導体薄膜の間に形成するものであ
る。図１４〜図２１によってこれまでに提案されている
ジョセフソン接合について説明する。超電導体について
は簡単のため原子数の表示を省く。成分を表す事により
超電導体になる組成が分かる。
せなどの加工を行った時にできる超電導体薄膜の結晶粒
界を利用する接合である。エッジ接合、積層接合は極め
て薄いバリア層を超電導体薄膜の間に形成するものであ
る。図１４〜図２１によってこれまでに提案されている
ジョセフソン接合について説明する。超電導体について
は簡単のため原子数の表示を省く。成分を表す事により
超電導体になる組成が分かる。
【０００４】図１４は結晶方位の異なる２つの基板を端
面に於いて貼り合わせ熱処理し、その上に超電導体の薄
膜を形成したものである。貼り合わせ部分に粒界接合が
できる。これをジョセフソン接合とする。電流の向きは
面に平行になる。方位の異なる２つの結晶を利用するか
ら、バイクリスタル粒界接合と呼ぶ。基板にはＳｒＴｉ
Ｏ3 、ＭｇＯ、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）などが用いられる。
面に於いて貼り合わせ熱処理し、その上に超電導体の薄
膜を形成したものである。貼り合わせ部分に粒界接合が
できる。これをジョセフソン接合とする。電流の向きは
面に平行になる。方位の異なる２つの結晶を利用するか
ら、バイクリスタル粒界接合と呼ぶ。基板にはＳｒＴｉ
Ｏ3 、ＭｇＯ、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）などが用いられる。
【０００５】図１５は基板の一部にシード層を堆積さ
せ、全面に超電導体薄膜をエピタキシャル成長させるも
のである。シード層の端に沿って結晶配向の異なる部分
が発生する。これが粒界接合になる。アルミナ基板の上
にＭｇＯのシード層を作り、この上にＹＢＣＯを成長さ
せて接合を作ったという報告がなされている。２面の異
なるエピタキシャル膜を利用するので、バイエピタキシ
ャル接合と呼ぶこともある。
せ、全面に超電導体薄膜をエピタキシャル成長させるも
のである。シード層の端に沿って結晶配向の異なる部分
が発生する。これが粒界接合になる。アルミナ基板の上
にＭｇＯのシード層を作り、この上にＹＢＣＯを成長さ
せて接合を作ったという報告がなされている。２面の異
なるエピタキシャル膜を利用するので、バイエピタキシ
ャル接合と呼ぶこともある。
【０００６】図１６は基板の一部に段差（ステップエッ
ジ）を作り、その上に超電導体の薄膜をエピタキシャル
成長させるものである。段差の部分に結晶の方位の差異
が発生するからここに粒界接合ができる。例えば、T.Mi
tsuzuka, K. Yamaguchi, S.Yoshikawa, K. Hayashi, M.
Konishi and Y. Enomoto, "The microstructure and I
-V characteristics of step-edge Josephson junction
s in YBa2Cu3O7 films on MgO(100) steps", Physica C
218, p229-237(1993) に提案されている。段差の上と
下において結晶方位が曲がりそこで結晶粒界ができる。
ジ）を作り、その上に超電導体の薄膜をエピタキシャル
成長させるものである。段差の部分に結晶の方位の差異
が発生するからここに粒界接合ができる。例えば、T.Mi
tsuzuka, K. Yamaguchi, S.Yoshikawa, K. Hayashi, M.
Konishi and Y. Enomoto, "The microstructure and I
-V characteristics of step-edge Josephson junction
s in YBa2Cu3O7 films on MgO(100) steps", Physica C
218, p229-237(1993) に提案されている。段差の上と
下において結晶方位が曲がりそこで結晶粒界ができる。
【０００７】以上のものは粒界接合を作る提案である。
いずれも局所的な異方性を導入する事により結晶方位を
乱して粒界接合を作る。局所的な異方性を作り出すの
で、接合の位置が予め決まってしまう。接合の位置を自
在に与えることができない。電流の流れが面に平行であ
る。
いずれも局所的な異方性を導入する事により結晶方位を
乱して粒界接合を作る。局所的な異方性を作り出すの
で、接合の位置が予め決まってしまう。接合の位置を自
在に与えることができない。電流の流れが面に平行であ
る。
【０００８】ＹＢＣＯの薄膜に結晶方位の不連続を作り
その境界での電子輸送を測定したものもある。D. J. Le
w, Y. Suzuki, A. F. Marshall, T.H. Geballe, and M.
R.Beasley, "Transport through 90゜[010] basal-pla
ne-faced tilt and twist grain boundaries in YBa2Cu
3O7-d thin films", Appl. Phys. Lett. 65(12), p1584
(1994). これはこれらの結晶方位の不連続を膜の面内
に作っている。そしてこれらの粒界はジョセフソン素子
の接合には不適当であると結論している。
その境界での電子輸送を測定したものもある。D. J. Le
w, Y. Suzuki, A. F. Marshall, T.H. Geballe, and M.
R.Beasley, "Transport through 90゜[010] basal-pla
ne-faced tilt and twist grain boundaries in YBa2Cu
3O7-d thin films", Appl. Phys. Lett. 65(12), p1584
(1994). これはこれらの結晶方位の不連続を膜の面内
に作っている。そしてこれらの粒界はジョセフソン素子
の接合には不適当であると結論している。
【０００９】図１７は基板の上に超電導体の薄膜を作
り、収束イオンビ−ム（ＦＩＢ）によって超電導体に溝
を切り、溝を金（Ａｕ）層によって覆ったものである。
超電導体の間に常伝導金属があるからＳＮＳ接合にな
る。これはブリッジ接合と呼ぶことがある。
り、収束イオンビ−ム（ＦＩＢ）によって超電導体に溝
を切り、溝を金（Ａｕ）層によって覆ったものである。
超電導体の間に常伝導金属があるからＳＮＳ接合にな
る。これはブリッジ接合と呼ぶことがある。
【００１０】図１８は基板に段差を作り、この上に超電
導体の薄膜を成長させる事によってエッジを作製し、エ
ッジに金などの金属膜を形成している。急峻なエッジに
よって両側の超電導体を分離している。これもＳＮＳタ
イプの接合になる。エッジ接合の一種である。
導体の薄膜を成長させる事によってエッジを作製し、エ
ッジに金などの金属膜を形成している。急峻なエッジに
よって両側の超電導体を分離している。これもＳＮＳタ
イプの接合になる。エッジ接合の一種である。
【００１１】図１９は基板の上に半導体層（ＬａＢａＣ
ｕＯ、ＰｒＢａＣｕＯ）を堆積し、その上に超電導体層
（ＨｏＢａＣｕＯ）を形成し、超電導体に溝を切ったも
のである。半導体層がブリッジになった接合である。
ｕＯ、ＰｒＢａＣｕＯ）を堆積し、その上に超電導体層
（ＨｏＢａＣｕＯ）を形成し、超電導体に溝を切ったも
のである。半導体層がブリッジになった接合である。
【００１２】図２０は基板の上に超電導体の薄膜を作
り、その上に絶縁体膜を乗せ一部を除去し、バリア層、
超電導体層を設けたものである。超電導体はＹＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏ7-x を用いる。バリア層はＹＢＣＯ損傷層，Ｐｒ
ＢａＣｕＯ膜、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 などを用いる。
バリア層を介して、エッジにおいて超電導体が対向して
いる。エッジ接合の一種である。
り、その上に絶縁体膜を乗せ一部を除去し、バリア層、
超電導体層を設けたものである。超電導体はＹＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏ7-x を用いる。バリア層はＹＢＣＯ損傷層，Ｐｒ
ＢａＣｕＯ膜、ＮｂドープＳｒＴｉＯ3 などを用いる。
バリア層を介して、エッジにおいて超電導体が対向して
いる。エッジ接合の一種である。
【００１３】図２１は積層接合の例を示す。積層接合
は、ＳＩＳ、ＳＮＳ型の構造を面と直角の方向に形成す
るものである。ＳｒＴｉＯ3 などをバリア層にする。超
電導体の膜を形成し、バリア層を作り、さらに超電導体
層を形成する。超電導体がＹＢＣＯである場合はバリア
層としてＰｒＢａＣｕＯ膜を採用する。超電導体に応じ
てバリア層の材料が変わる。積層接合は全面に接合がで
きる。電流の向きは基板面に直角である。しかしジョセ
フソン臨界電流が低いという難点がある。またバリアの
膜厚変動により特性がばらつくという欠点がある。
は、ＳＩＳ、ＳＮＳ型の構造を面と直角の方向に形成す
るものである。ＳｒＴｉＯ3 などをバリア層にする。超
電導体の膜を形成し、バリア層を作り、さらに超電導体
層を形成する。超電導体がＹＢＣＯである場合はバリア
層としてＰｒＢａＣｕＯ膜を採用する。超電導体に応じ
てバリア層の材料が変わる。積層接合は全面に接合がで
きる。電流の向きは基板面に直角である。しかしジョセ
フソン臨界電流が低いという難点がある。またバリアの
膜厚変動により特性がばらつくという欠点がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】これらの接合にはそれ
ぞれ長所もあれば欠点もある。粒界接合を利用するもの
は、素子の配置に合わせて予め基板表面に段差や微細な
傷を付けるなどの加工が必要である。ところがこのよう
な加工を再現性良く行うのは難しい。同じ段差、同じ傷
をすべての素子に賦与するには多大の手間が掛かる。
ぞれ長所もあれば欠点もある。粒界接合を利用するもの
は、素子の配置に合わせて予め基板表面に段差や微細な
傷を付けるなどの加工が必要である。ところがこのよう
な加工を再現性良く行うのは難しい。同じ段差、同じ傷
をすべての素子に賦与するには多大の手間が掛かる。
【００１５】エッジ接合や、積層接合の場合は、下部超
電導体層、バリア層、上部超電導体層の少なくとも３層
の薄膜を基板の上に堆積しなければならない。薄膜層の
数が多すぎるという欠点がある。さらに極薄いバリア層
を均一に再現性良く作製する事は難しいなどの問題があ
った。
電導体層、バリア層、上部超電導体層の少なくとも３層
の薄膜を基板の上に堆積しなければならない。薄膜層の
数が多すぎるという欠点がある。さらに極薄いバリア層
を均一に再現性良く作製する事は難しいなどの問題があ
った。
【００１６】本発明はＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x を用いてジ
ョセフソン素子を作る際に於ける、粒界接合の改良に関
する。ここでｘは０≦ｘ≦０．６である。これが超電導
体となる範囲である。
ョセフソン素子を作る際に於ける、粒界接合の改良に関
する。ここでｘは０≦ｘ≦０．６である。これが超電導
体となる範囲である。
【００１７】従来の粒界接合は、何らかの傷や段差を前
処理によって形成する必要があり、この作業が再現性の
ないものであったから問題であったのである。段差や傷
つけなどの前処理が不要な粒界接合形成方法を提供する
事が本発明の第１の目的である。多くの薄膜層を必要と
せず、少ない工程によって粒界接合を形成できる方法を
提供する事が本発明の第２の目的である。素子特性の安
定したジョセフソン素子を提供する事が本発明の第３の
目的である。前処理によって拘束されず薄膜上の任意の
位置にジョセフソン素子を作製する事のできる方法を提
供する事が本発明の第４の目的である。薄膜厚みのばら
つきの影響を受けないジョセフソン素子の作製方法を提
供することが本発明の第５の目的である。
処理によって形成する必要があり、この作業が再現性の
ないものであったから問題であったのである。段差や傷
つけなどの前処理が不要な粒界接合形成方法を提供する
事が本発明の第１の目的である。多くの薄膜層を必要と
せず、少ない工程によって粒界接合を形成できる方法を
提供する事が本発明の第２の目的である。素子特性の安
定したジョセフソン素子を提供する事が本発明の第３の
目的である。前処理によって拘束されず薄膜上の任意の
位置にジョセフソン素子を作製する事のできる方法を提
供する事が本発明の第４の目的である。薄膜厚みのばら
つきの影響を受けないジョセフソン素子の作製方法を提
供することが本発明の第５の目的である。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明は粒界接合のカテ
ゴリーに属するジョセフソン素子を提案する。従来の粒
界接合法は、前処理により基板に段差や傷を付けて薄膜
に粒界を形成していた。本発明はそのような基板の加工
をしない。基板加工によってではなく、基板と薄膜の界
面に粒界を形成する。どうして結晶粒界を生成する事が
できるのか？これが問題である。
ゴリーに属するジョセフソン素子を提案する。従来の粒
界接合法は、前処理により基板に段差や傷を付けて薄膜
に粒界を形成していた。本発明はそのような基板の加工
をしない。基板加工によってではなく、基板と薄膜の界
面に粒界を形成する。どうして結晶粒界を生成する事が
できるのか？これが問題である。
【００１９】その条件は、（００１）面のＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x の基板温度を５００℃〜６８０℃にしてｒｆマ
グネトロンスパッタリング法によってＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x基板の上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を堆積するこ
とである。こうすると、基板のｃ軸と、薄膜のｃ軸が直
角になり、方位の不整合によって境界に粒界が発生する
のである。これによって、酸化物超電導体の基板と酸化
物超電導体の薄膜の境界に粒界を発生させこれを接合に
利用する。
3 Ｏ7-x の基板温度を５００℃〜６８０℃にしてｒｆマ
グネトロンスパッタリング法によってＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x基板の上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を堆積するこ
とである。こうすると、基板のｃ軸と、薄膜のｃ軸が直
角になり、方位の不整合によって境界に粒界が発生する
のである。これによって、酸化物超電導体の基板と酸化
物超電導体の薄膜の境界に粒界を発生させこれを接合に
利用する。
【００２０】図１は本発明のジョセフソン素子の原理を
説明するための基板と薄膜の関係を示す一部縦断斜視図
である。ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 基板１は単結晶であっ
て、そのｃ軸は表面に垂直である。基板１の上面にはＹ
Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x の薄膜２が形成されている。薄膜の
ｃ軸は面に平行になっている。つまり基板のｃ軸と、薄
膜のｃ軸が直交している。界面３には、結晶方位の相違
に基づいて多数の結晶粒界が発生する。本発明はこの粒
界を接合に利用する。本発明は、基板と薄膜の結晶方位
を食い違わせる事によって境界に粒界を生成させ、これ
を接合として巧みに利用しジョセフソン素子を作製す
る。
説明するための基板と薄膜の関係を示す一部縦断斜視図
である。ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 基板１は単結晶であっ
て、そのｃ軸は表面に垂直である。基板１の上面にはＹ
Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x の薄膜２が形成されている。薄膜の
ｃ軸は面に平行になっている。つまり基板のｃ軸と、薄
膜のｃ軸が直交している。界面３には、結晶方位の相違
に基づいて多数の結晶粒界が発生する。本発明はこの粒
界を接合に利用する。本発明は、基板と薄膜の結晶方位
を食い違わせる事によって境界に粒界を生成させ、これ
を接合として巧みに利用しジョセフソン素子を作製す
る。
【００２１】酸化物超電導体の大型の単結晶を製造する
事は難しい。前述のようにジョセフソン素子はＭｇＯ単
結晶、ＳｒＴｉＯ3 単結晶などの異種基板の上に酸化物
超電導体薄膜を形成している。しかし極最近になって、
かなり広い面積の酸化物超電導体基板を成長させる事が
できるようになってきた。従って超電導体自体を基板と
して利用できるようになってきたのである。これ自体大
きな進歩である。
事は難しい。前述のようにジョセフソン素子はＭｇＯ単
結晶、ＳｒＴｉＯ3 単結晶などの異種基板の上に酸化物
超電導体薄膜を形成している。しかし極最近になって、
かなり広い面積の酸化物超電導体基板を成長させる事が
できるようになってきた。従って超電導体自体を基板と
して利用できるようになってきたのである。これ自体大
きな進歩である。
【００２２】基板に単結晶を用いるのは、一般にこれに
対してエピタキシャルになるように薄膜を生成したいか
らである。エピタキシャルというのは、基板と薄膜にお
いて結晶方位が一致しており結晶軸のズレがないという
事である。単結晶基板と薄膜が同じものであればこの上
に形成したものはエピタキシャルになることが多い。し
かし、異種基板と薄膜の組み合わせでも格子定数が近接
している場合はエピタキシャル成長することがある。基
板によって薄膜の結晶方位を規定したいが為に単結晶基
板を使い、条件を工夫してエピタキシャル成長させるの
が通常である。
対してエピタキシャルになるように薄膜を生成したいか
らである。エピタキシャルというのは、基板と薄膜にお
いて結晶方位が一致しており結晶軸のズレがないという
事である。単結晶基板と薄膜が同じものであればこの上
に形成したものはエピタキシャルになることが多い。し
かし、異種基板と薄膜の組み合わせでも格子定数が近接
している場合はエピタキシャル成長することがある。基
板によって薄膜の結晶方位を規定したいが為に単結晶基
板を使い、条件を工夫してエピタキシャル成長させるの
が通常である。
【００２３】超電導体についても、もしも超電導体の単
結晶を基板にして同じ超電導体の薄膜をこの上に成長さ
せれば、当然エピタキシャル成長するものと期待され
る。広い超電導体の基板ができない時は、これは期待さ
れているだけで実際には証明できなかった。しかし比較
的広い超電導体単結晶基板ができるようになると、基板
と薄膜の間の結晶方位の関係を実際に調べることができ
る。実験を行ってみると、超電導体単結晶基板の上に
は、多くの場合、期待された通り基板と共通の結晶方位
の薄膜が成長する。つまりエピタキシャル成長が起こる
のである。この場合、境界には粒界が発生しない。きれ
いな境界になる。
結晶を基板にして同じ超電導体の薄膜をこの上に成長さ
せれば、当然エピタキシャル成長するものと期待され
る。広い超電導体の基板ができない時は、これは期待さ
れているだけで実際には証明できなかった。しかし比較
的広い超電導体単結晶基板ができるようになると、基板
と薄膜の間の結晶方位の関係を実際に調べることができ
る。実験を行ってみると、超電導体単結晶基板の上に
は、多くの場合、期待された通り基板と共通の結晶方位
の薄膜が成長する。つまりエピタキシャル成長が起こる
のである。この場合、境界には粒界が発生しない。きれ
いな境界になる。
【００２４】本発明者はこのような常識を覆すような試
みをした。同種材料の単結晶を基板にし、薄膜を非エピ
タキシャル成長させる試みである。すると境界で結晶方
位が食い違うので、ここに粒界が発生するであろう。但
し基板と薄膜が単に不整合であるというのではいけな
い。薄膜が多結晶になるというのでもいけない。もしこ
うなると薄膜の全体に数多くの粒界が発生してしまうか
らである。そうではなくて、薄膜自体の内部には粒界が
存せず、薄膜が単結晶であり、境界のみに粒界ができる
ことが本発明の目指すものである。つまり基板は単結晶
であり薄膜も単結晶であるが、その方位が異なるもの、
これが本発明の目指すものである。
みをした。同種材料の単結晶を基板にし、薄膜を非エピ
タキシャル成長させる試みである。すると境界で結晶方
位が食い違うので、ここに粒界が発生するであろう。但
し基板と薄膜が単に不整合であるというのではいけな
い。薄膜が多結晶になるというのでもいけない。もしこ
うなると薄膜の全体に数多くの粒界が発生してしまうか
らである。そうではなくて、薄膜自体の内部には粒界が
存せず、薄膜が単結晶であり、境界のみに粒界ができる
ことが本発明の目指すものである。つまり基板は単結晶
であり薄膜も単結晶であるが、その方位が異なるもの、
これが本発明の目指すものである。
【００２５】このような事はかって試みられた事はない
であろう。単結晶基板の上には結晶方位の揃った薄膜が
エピタキシャル成長するのが理想であると思われている
からである。本発明者は何らかの方法によって、単結晶
基板の上に異なる方位の薄膜を非エピタキシャル成長さ
せる事ができるのではないかと考えて、様々の試みをし
た。
であろう。単結晶基板の上には結晶方位の揃った薄膜が
エピタキシャル成長するのが理想であると思われている
からである。本発明者は何らかの方法によって、単結晶
基板の上に異なる方位の薄膜を非エピタキシャル成長さ
せる事ができるのではないかと考えて、様々の試みをし
た。
【００２６】ＲＦマグネトロンスパッタリング法によっ
て、多様な条件で、ＹＢａ2 Ｃｕ3Ｏ7-x 単結晶の上
に、同じＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長させた。多く
の場合、薄膜は基板と同じ方位に沿って成長する。しか
し限られた条件範囲において、発明者の期待通りに非エ
ピタキシャル成長をすることが分かった。
て、多様な条件で、ＹＢａ2 Ｃｕ3Ｏ7-x 単結晶の上
に、同じＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長させた。多く
の場合、薄膜は基板と同じ方位に沿って成長する。しか
し限られた条件範囲において、発明者の期待通りに非エ
ピタキシャル成長をすることが分かった。
【００２７】基板として（００１）面ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ
7-x を使い、基板の温度を５００℃〜６８０℃に保ち、
マグネトロンスパッタリングにより、この上にＹＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を形成する。すると何とｃ軸が面に平
行になるような薄膜が成長するのである。これは驚くべ
きことである。酸化物超電導体である物質は多くの場
合、立方晶系（ａ＝ｂ＝ｃ，α＝β＝γ＝９０度：ｃｕ
ｂｉｃ）ではない。ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x も、勿論そう
でない。ａ軸とｂ軸は近いが、ｃ軸はこれらよりも長く
元素の配置も異なる。斜方晶系（ａ≒ｂ≠ｃ，α＝β＝
γ＝９０度：ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ）である。ａ軸
とｂ軸は区別せず単にａ軸と言う事が多い。ｃ軸は異方
性軸である。基板がｃ面を持つ単結晶であるから、この
上に薄膜を成長させた場合、やはりｃ軸方向に成長する
筈である。
7-x を使い、基板の温度を５００℃〜６８０℃に保ち、
マグネトロンスパッタリングにより、この上にＹＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を形成する。すると何とｃ軸が面に平
行になるような薄膜が成長するのである。これは驚くべ
きことである。酸化物超電導体である物質は多くの場
合、立方晶系（ａ＝ｂ＝ｃ，α＝β＝γ＝９０度：ｃｕ
ｂｉｃ）ではない。ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x も、勿論そう
でない。ａ軸とｂ軸は近いが、ｃ軸はこれらよりも長く
元素の配置も異なる。斜方晶系（ａ≒ｂ≠ｃ，α＝β＝
γ＝９０度：ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ）である。ａ軸
とｂ軸は区別せず単にａ軸と言う事が多い。ｃ軸は異方
性軸である。基板がｃ面を持つ単結晶であるから、この
上に薄膜を成長させた場合、やはりｃ軸方向に成長する
筈である。
【００２８】ところがマグネトロンスパッタリングによ
ってある限られた基板温度の範囲において、（００１）
面の上に（１００）面を持つ薄膜が成長するのである。
水平方向の格子定数はもちろん相違する。さらに薄膜が
ａ軸を法線とする単結晶であるという事に注意すべきで
ある。このような常識を越えて、ある条件で、（００
１）面のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 単結晶の上に、（１０
０）面のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜単結晶が生成する。
ってある限られた基板温度の範囲において、（００１）
面の上に（１００）面を持つ薄膜が成長するのである。
水平方向の格子定数はもちろん相違する。さらに薄膜が
ａ軸を法線とする単結晶であるという事に注意すべきで
ある。このような常識を越えて、ある条件で、（００
１）面のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 単結晶の上に、（１０
０）面のＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜単結晶が生成する。
【００２９】すると、基板と薄膜の境界において結晶格
子が不連続となるため結晶粒界が形成される。粒界の部
分の超電導性は、他の部分に比べて弱くなっている。本
発明は、境界に生じた結晶粒界による超電導性の弱い部
分を利用したジョセフソン素子である。
子が不連続となるため結晶粒界が形成される。粒界の部
分の超電導性は、他の部分に比べて弱くなっている。本
発明は、境界に生じた結晶粒界による超電導性の弱い部
分を利用したジョセフソン素子である。
【００３０】先にジョセフソン接合として、粒界接合、
エッジ接合、積層接合の三種類の接合が利用されると述
べた。エッジ接合や積層接合は薄いバリア層を基板と薄
膜の中間に挟むものである。これはバリア層を作製する
工程が余分に必要である。また薄いバリア層を均一に設
ける事は難しい。またバリア層の上の薄膜が単結晶にな
り難いなど問題がある。本発明は単に基板の上に薄膜を
形成するだけである。バリア層などは不要である。工程
がより簡略化される。再現性も向上する。
エッジ接合、積層接合の三種類の接合が利用されると述
べた。エッジ接合や積層接合は薄いバリア層を基板と薄
膜の中間に挟むものである。これはバリア層を作製する
工程が余分に必要である。また薄いバリア層を均一に設
ける事は難しい。またバリア層の上の薄膜が単結晶にな
り難いなど問題がある。本発明は単に基板の上に薄膜を
形成するだけである。バリア層などは不要である。工程
がより簡略化される。再現性も向上する。
【００３１】従来の粒界接合は、基板に段差や傷を付け
る工程が必要であった。この加工自体が手間の掛かる作
業である。それに傷つけや段差形成の工程を再現性良く
行う事は難しい。本発明は基板に段差、傷付けなどをし
ないで、結晶の異方性接合を利用して粒界を発生させ
る。従来の粒界接合に比較しても、本発明は傷つけ工程
が省かれ、再現性においても優れている。
る工程が必要であった。この加工自体が手間の掛かる作
業である。それに傷つけや段差形成の工程を再現性良く
行う事は難しい。本発明は基板に段差、傷付けなどをし
ないで、結晶の異方性接合を利用して粒界を発生させ
る。従来の粒界接合に比較しても、本発明は傷つけ工程
が省かれ、再現性においても優れている。
【００３２】
【発明の実施の形態】図２に本発明の実施例に係るジョ
セフソン素子の概略断面を示す。基板１はＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x の（００１）面の単結晶である。中央部には、
結晶方位が、基板と直交するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜
単結晶２が形成されている。先述のように単結晶同士の
格子不整合のために粒界が界面３に発生する。これをジ
ョセフソン接合として積極的に利用する。
セフソン素子の概略断面を示す。基板１はＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x の（００１）面の単結晶である。中央部には、
結晶方位が、基板と直交するＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜
単結晶２が形成されている。先述のように単結晶同士の
格子不整合のために粒界が界面３に発生する。これをジ
ョセフソン接合として積極的に利用する。
【００３３】薄膜単結晶２の周囲には、絶縁膜５があっ
て基板１を被覆している。絶縁膜５の上とＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x 薄膜２の上の一部にかけて金電極４が作製され
ている。これは薄膜２にオーミック接触する。素子周縁
部の絶縁膜５の一部が除去され、基板に接触するように
別の金電極６が形成されている。薄膜電極４には電圧測
定用端子７、電流導入用端子９がボンディングされる。
基板電極６には、電圧測定用端子８、電流導入用端子１
０がボンドされている。このようなジョセフソン素子を
次の手順によって作製した。
て基板１を被覆している。絶縁膜５の上とＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x 薄膜２の上の一部にかけて金電極４が作製され
ている。これは薄膜２にオーミック接触する。素子周縁
部の絶縁膜５の一部が除去され、基板に接触するように
別の金電極６が形成されている。薄膜電極４には電圧測
定用端子７、電流導入用端子９がボンディングされる。
基板電極６には、電圧測定用端子８、電流導入用端子１
０がボンドされている。このようなジョセフソン素子を
次の手順によって作製した。
【００３４】厚みが０．５ｍｍのＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x
（００１）面単結晶基板を用意した。基板温度を６３０
℃とし、マグネトロンスパッタリング法によって、基板
の上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を２００ｎｍの厚みに
堆積させた。これが図３に示す状態である。
（００１）面単結晶基板を用意した。基板温度を６３０
℃とし、マグネトロンスパッタリング法によって、基板
の上にＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を２００ｎｍの厚みに
堆積させた。これが図３に示す状態である。
【００３５】次に、通常のフォトリソグラフィ及びエッ
チングによって、４０μｍ角の部分を残して、薄膜及び
基板の表面を部分的に除去した。残した部分が薄膜と基
板の接合部分になる。図４はこれを示す。この後絶縁膜
５を形成し、部分的にこれを除いて、金電極４、６を薄
膜２と基板１の上に形成する。さらに金電極にワイヤを
ボンディングする。これは４端子法によって電圧電流特
性を測定するためのものである。図２はそういう素子の
構造を示す。
チングによって、４０μｍ角の部分を残して、薄膜及び
基板の表面を部分的に除去した。残した部分が薄膜と基
板の接合部分になる。図４はこれを示す。この後絶縁膜
５を形成し、部分的にこれを除いて、金電極４、６を薄
膜２と基板１の上に形成する。さらに金電極にワイヤを
ボンディングする。これは４端子法によって電圧電流特
性を測定するためのものである。図２はそういう素子の
構造を示す。
【００３６】図３の状態において、Ｘ線回折法によって
薄膜の結晶性と結晶方位を調べた。すると次のような事
が分かった。 基板温度を６８０℃以上にしてマグネトロンスパッ
タリングによってＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長させ
ると、薄膜は（００１）面配向となる。 基板温度が５００℃以下で成長させると、ＹＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜は結晶化しない。
薄膜の結晶性と結晶方位を調べた。すると次のような事
が分かった。 基板温度を６８０℃以上にしてマグネトロンスパッ
タリングによってＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長させ
ると、薄膜は（００１）面配向となる。 基板温度が５００℃以下で成長させると、ＹＢａ2
Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜は結晶化しない。
【００３７】 これらの中間温度である５００℃〜６
８０℃に基板を保持して、マグネトロンスパッタリング
法によって成長させると、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜は
ｃ軸が基板面に平行になるように成長する。つまり基板
と薄膜でｃ軸方向が９０゜相違する。
８０℃に基板を保持して、マグネトロンスパッタリング
法によって成長させると、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜は
ｃ軸が基板面に平行になるように成長する。つまり基板
と薄膜でｃ軸方向が９０゜相違する。
【００３８】このように基板温度によって、、、
の場合がある。の場合、温度が低すぎて薄膜が結晶に
ならない。これは薄膜表面のＲＨＥＥＤ観察によって分
かった。解析パターンが表れないからである。
の場合がある。の場合、温度が低すぎて薄膜が結晶に
ならない。これは薄膜表面のＲＨＥＥＤ観察によって分
かった。解析パターンが表れないからである。
【００３９】に付いてもＸ線回折によって分かる。図
５は基板温度を７６０℃にしてマグネトロンスパッタリ
ングによってＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長させ、Ｘ
線回折によって薄膜の（１０２）面の信号強度を測定し
た結果を示すグラフである。Ｘ線入射面に対して試料を
傾けて（１０２）面からの回折を測定したものである。
χ＝３３．７゜において回折Ｘ線がない。χ＝５６．３
゜に回折Ｘ線が出てくる。その意味は次のようである。
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 結晶において、（１０２）面は、
（００１）面に対して５６．３゜の角度をなす。ＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏ7-xは斜方晶でありａ軸とｃ軸の長さが違
い、立方晶のように６４゜にはならない。
５は基板温度を７６０℃にしてマグネトロンスパッタリ
ングによってＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長させ、Ｘ
線回折によって薄膜の（１０２）面の信号強度を測定し
た結果を示すグラフである。Ｘ線入射面に対して試料を
傾けて（１０２）面からの回折を測定したものである。
χ＝３３．７゜において回折Ｘ線がない。χ＝５６．３
゜に回折Ｘ線が出てくる。その意味は次のようである。
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 結晶において、（１０２）面は、
（００１）面に対して５６．３゜の角度をなす。ＹＢａ
2 Ｃｕ3 Ｏ7-xは斜方晶でありａ軸とｃ軸の長さが違
い、立方晶のように６４゜にはならない。
【００４０】もしも薄膜のｃ軸が基板面に対して直交す
るとすれば、（１０２）面は図７のような平行面によっ
て表現される。Ｆは薄膜の表面、Ｓは単位格子、Ｑは
（１０２）面群である。χはＸ線の面に対する入射角で
ある。ｃ軸が面Ｆに直角であると、単位格子Ｓは表面に
対して直角になる（ｃ軸が長いから）。この時（１０
２）面は基板面（試料面）に対して５６．３゜の角度を
なす。その場合、基板をＸ線に対して５６．３゜傾けた
時に、２θ＝２８゜の方向に回折Ｘ線が出てくるはずで
ある。
るとすれば、（１０２）面は図７のような平行面によっ
て表現される。Ｆは薄膜の表面、Ｓは単位格子、Ｑは
（１０２）面群である。χはＸ線の面に対する入射角で
ある。ｃ軸が面Ｆに直角であると、単位格子Ｓは表面に
対して直角になる（ｃ軸が長いから）。この時（１０
２）面は基板面（試料面）に対して５６．３゜の角度を
なす。その場合、基板をＸ線に対して５６．３゜傾けた
時に、２θ＝２８゜の方向に回折Ｘ線が出てくるはずで
ある。
【００４１】そうではなくて、もしも薄膜のｃ軸が基板
面に対して平行であれば、図８のように、薄膜の単位格
子は薄膜面に平行になる。（１０２）面は薄膜の表面に
対して３３．７゜の角度をなす。この場合は、試料をＸ
線の入射方向に対して３３．７゜傾けた時に２θ＝２８
゜の回折ピークが現れる。
面に対して平行であれば、図８のように、薄膜の単位格
子は薄膜面に平行になる。（１０２）面は薄膜の表面に
対して３３．７゜の角度をなす。この場合は、試料をＸ
線の入射方向に対して３３．７゜傾けた時に２θ＝２８
゜の回折ピークが現れる。
【００４２】そこでχ＝５６．３゜とχ＝３３．７゜に
おいて、Ｘ線を試料に入射し回折角２θをパラメータと
してＸ線の回折強度を測定した。２θ＝２８゜というの
は、（１０２）面の面間隔ｄがＸ線に対してブラッグの
条件を満たす方向である。だから２θ＝２８゜は、（１
０２）回折である事を意味する。これに対してχは、
（１０２）面と試料表面の交差する角度である。入射Ｘ
線が（１０２）面群によって回折されたとき入射Ｘ線と
回折Ｘ線の二等分線がこの面群に直交する。従って試料
面とＸ線の入射方向はχによって指定する事ができる。
おいて、Ｘ線を試料に入射し回折角２θをパラメータと
してＸ線の回折強度を測定した。２θ＝２８゜というの
は、（１０２）面の面間隔ｄがＸ線に対してブラッグの
条件を満たす方向である。だから２θ＝２８゜は、（１
０２）回折である事を意味する。これに対してχは、
（１０２）面と試料表面の交差する角度である。入射Ｘ
線が（１０２）面群によって回折されたとき入射Ｘ線と
回折Ｘ線の二等分線がこの面群に直交する。従って試料
面とＸ線の入射方向はχによって指定する事ができる。
【００４３】χ＝５６．３゜においてＸ線が２θ＝２８
゜の方向に回折された場合、これは図７のようにｃ軸が
面に直交するような結晶粒子からの回折である。χ＝３
３．７゜においてＸ線が２θ＝２８゜の方向に回折され
るという事は、図８のようにｃ軸が面に平行な結晶から
の回折である。
゜の方向に回折された場合、これは図７のようにｃ軸が
面に直交するような結晶粒子からの回折である。χ＝３
３．７゜においてＸ線が２θ＝２８゜の方向に回折され
るという事は、図８のようにｃ軸が面に平行な結晶から
の回折である。
【００４４】基板温度が７６０℃で薄膜成長させたもの
の回折Ｘ線は図５に示すようにχ＝３３．７゜での回折
はない。χ＝５６．３゜の回折のみ存在する。薄膜の結
晶はｃ軸が面に直交しているということである。つまり
基板と薄膜はエピタキシャルの関係にある。
の回折Ｘ線は図５に示すようにχ＝３３．７゜での回折
はない。χ＝５６．３゜の回折のみ存在する。薄膜の結
晶はｃ軸が面に直交しているということである。つまり
基板と薄膜はエピタキシャルの関係にある。
【００４５】本発明はの場合を利用する。基板と薄膜
において結晶の方位が相違する。結晶方位の相違に基づ
いて、結晶格子の不連続が多数生ずる。ために境界に粒
界ができる。本発明はこれをジョセフソン接合として利
用する。
において結晶の方位が相違する。結晶方位の相違に基づ
いて、結晶格子の不連続が多数生ずる。ために境界に粒
界ができる。本発明はこれをジョセフソン接合として利
用する。
【００４６】図１１は基板温度を５８０℃にしてマグネ
トロンスパッタリング法によって製作したＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x 結晶の界面の断面のＴＥＭ写真である。基板側
には横方向の縞が多数観察される。薄膜側には縦方向の
縞が多数存在する。境界において縞が直角になっている
事が分かる。この境界が粒界を形成している。
トロンスパッタリング法によって製作したＹＢａ2 Ｃｕ
3 Ｏ7-x 結晶の界面の断面のＴＥＭ写真である。基板側
には横方向の縞が多数観察される。薄膜側には縦方向の
縞が多数存在する。境界において縞が直角になっている
事が分かる。この境界が粒界を形成している。
【００４７】ではどうして、ｃ軸方向の異なる薄膜が、
（００１）面基板の上に成長するのであろうか？基板と
薄膜の材料が同一なのであるから、エピタキシャル成長
するように思われる。しかし前述のようにある範囲の基
板温度において、ｃ軸方位の違う薄膜が成長するのであ
る。これはＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 結晶格子のｃ軸の長さ
がａ軸の長さの約３倍であって、単位格子においてＢ
ａ、Ｙ、Ｃｕ原子などが対称に分布していることによる
ものと推測される。
（００１）面基板の上に成長するのであろうか？基板と
薄膜の材料が同一なのであるから、エピタキシャル成長
するように思われる。しかし前述のようにある範囲の基
板温度において、ｃ軸方位の違う薄膜が成長するのであ
る。これはＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 結晶格子のｃ軸の長さ
がａ軸の長さの約３倍であって、単位格子においてＢ
ａ、Ｙ、Ｃｕ原子などが対称に分布していることによる
ものと推測される。
【００４８】図１２はＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x の単位格子
を示す。●はＣｕ、◎はＢａ、○はＹを示す。酸素原子
は図示していない。ｃ軸方向に長くてａ軸方向の約３倍
の長さを持ち、Ｃｕによって形成される空間にＢａ、
Ｙ、Ｂａ原子が存在する。単位格子は縦長の四角柱の形
状をしている。
を示す。●はＣｕ、◎はＢａ、○はＹを示す。酸素原子
は図示していない。ｃ軸方向に長くてａ軸方向の約３倍
の長さを持ち、Ｃｕによって形成される空間にＢａ、
Ｙ、Ｂａ原子が存在する。単位格子は縦長の四角柱の形
状をしている。
【００４９】図１３は基板の上に薄膜が成長を開始する
時の状況を略示する。基板の上ではｃ軸が縦になった単
結晶が存在している。実線が基板の単位の格子を示す。
基板の表面には段差（エッジ）がある。薄膜の成長はエ
ッジを埋める事から始まる。破線によって示すのが薄膜
の単位格子である。これは横向きに基板の上に付き、以
後も横向きにＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 格子が成長してゆ
く。１分子で３つの基板格子の上面を埋める。このよう
な成長によって、ｃ軸方向の異なる薄膜が形成されてゆ
く。このような事が可能なのはＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 結
晶の特殊な性質によるものであろう。
時の状況を略示する。基板の上ではｃ軸が縦になった単
結晶が存在している。実線が基板の単位の格子を示す。
基板の表面には段差（エッジ）がある。薄膜の成長はエ
ッジを埋める事から始まる。破線によって示すのが薄膜
の単位格子である。これは横向きに基板の上に付き、以
後も横向きにＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 格子が成長してゆ
く。１分子で３つの基板格子の上面を埋める。このよう
な成長によって、ｃ軸方向の異なる薄膜が形成されてゆ
く。このような事が可能なのはＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 結
晶の特殊な性質によるものであろう。
【００５０】
【実施例】基板温度を６３０℃に設定して、ＹＢａ2 Ｃ
ｕ3 Ｏ7-x 基板に、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長さ
せた。Ｘ線回折によって結晶方位を調べた。χ＝５６．
３゜において２θ＝２８゜でピークがある。しかしその
ピークは図５におけるものよりも低い。しかもχ＝３
３．７゜にも２θ＝２８゜にピークを持つ。χ＝３３．
７゜の方向に回折Ｘ線を与えるという事は、図８に示す
ように、薄膜の結晶のｃ軸が面に平行であるという事で
ある。χ＝５６．３゜のピークは基板からの回折線によ
るものである。薄膜は単結晶であり、ｃ軸が面に平行に
なっている。このような基板と薄膜の上に電極を付けて
図２に示すようなジョセフソン素子を作製した。これに
電圧をかけ、接合に流れる電流を測定した。
ｕ3 Ｏ7-x 基板に、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 薄膜を成長さ
せた。Ｘ線回折によって結晶方位を調べた。χ＝５６．
３゜において２θ＝２８゜でピークがある。しかしその
ピークは図５におけるものよりも低い。しかもχ＝３
３．７゜にも２θ＝２８゜にピークを持つ。χ＝３３．
７゜の方向に回折Ｘ線を与えるという事は、図８に示す
ように、薄膜の結晶のｃ軸が面に平行であるという事で
ある。χ＝５６．３゜のピークは基板からの回折線によ
るものである。薄膜は単結晶であり、ｃ軸が面に平行に
なっている。このような基板と薄膜の上に電極を付けて
図２に示すようなジョセフソン素子を作製した。これに
電圧をかけ、接合に流れる電流を測定した。
【００５１】図９は磁場をかけない時の５２Ｋに於ける
電圧電流特性の測定結果を示す。電圧のかからない状態
で３ｍＡの電流が流れる。つまり接合を介して超電導電
流が流れるということである。これ以上の電流になると
電圧が出てくるので、接合が超電導ではなくなる。理想
的なジョセフソン素子の場合、図２２（１）のような電
圧電流特性になる。つまり臨界電流Ｉｃを越えると電圧
が急に増加する。本発明のジョセフソン接合の場合は３
ｍＡを越えた後ゆっくりと電圧が増大する。これは接合
の不均一性に起因するものと思われる。
電圧電流特性の測定結果を示す。電圧のかからない状態
で３ｍＡの電流が流れる。つまり接合を介して超電導電
流が流れるということである。これ以上の電流になると
電圧が出てくるので、接合が超電導ではなくなる。理想
的なジョセフソン素子の場合、図２２（１）のような電
圧電流特性になる。つまり臨界電流Ｉｃを越えると電圧
が急に増加する。本発明のジョセフソン接合の場合は３
ｍＡを越えた後ゆっくりと電圧が増大する。これは接合
の不均一性に起因するものと思われる。
【００５２】図２２（２）はマイクロ波をかけた時の理
想的なジョセフソン接合の電圧電流特性である。マイク
ロ波のために超電導電流が減少する。また一定電圧の増
加に対応して一定電流が増加する。階段状に電流電圧が
増加する。シャピロステップという。１段の電圧ＶはＶ
＝ｈｆ／２ｅ＝２．０７×１０-15 ｆによって与えられ
る。ｈはプランク定数、ｅは電荷素量、ｆはマイクロ波
の周波数である。接合がジョセフソン接合になっている
かどうかということは電圧電流特性においてシャピロス
テップが出ているかどうかによって確かめられる。
想的なジョセフソン接合の電圧電流特性である。マイク
ロ波のために超電導電流が減少する。また一定電圧の増
加に対応して一定電流が増加する。階段状に電流電圧が
増加する。シャピロステップという。１段の電圧ＶはＶ
＝ｈｆ／２ｅ＝２．０７×１０-15 ｆによって与えられ
る。ｈはプランク定数、ｅは電荷素量、ｆはマイクロ波
の周波数である。接合がジョセフソン接合になっている
かどうかということは電圧電流特性においてシャピロス
テップが出ているかどうかによって確かめられる。
【００５３】図１０は本発明の実施例に係る素子に、
６．０１１ＧＨｚのマイクロ波を印加して電圧電流特性
を測定したものである。超電導電流が０．６ｍＡ程度に
減少している。電圧と電流がこれ以後比例して増加す
る。しかし１３μＶ程度のところで段差が現れている。
先程のＶの式によってｆ＝６．０１１ＧＨｚではＶ＝１
２．５μＶと計算される。この値は実測値のグラフに現
れた段差の電圧に一致するから、これはシャピロステッ
プである。つまりこれはジョセフソン接合を形成してい
るということである。ステップの間で電流が増加するの
は接合の不均一によるものであろう。
６．０１１ＧＨｚのマイクロ波を印加して電圧電流特性
を測定したものである。超電導電流が０．６ｍＡ程度に
減少している。電圧と電流がこれ以後比例して増加す
る。しかし１３μＶ程度のところで段差が現れている。
先程のＶの式によってｆ＝６．０１１ＧＨｚではＶ＝１
２．５μＶと計算される。この値は実測値のグラフに現
れた段差の電圧に一致するから、これはシャピロステッ
プである。つまりこれはジョセフソン接合を形成してい
るということである。ステップの間で電流が増加するの
は接合の不均一によるものであろう。
【００５４】
【発明の効果】ジョセフソン素子は超電導体の間に絶縁
体、常伝導体などの接合が必要である。この接合は超電
導体間に粒界を導入する事によってもなされる。従来粒
界接合は基板の傷つけや段差形成によって導入されてき
た。これらは再現性に乏しかった。本発明は基板と薄膜
の結晶方位を異ならせる事によって境界に粒界接合を形
成する。このために、基板上に予め素子の位置に合わせ
た傷つけ、段差形成などの加工を行う必要がなくなる。
接合は全面に形成されるので局所的な加工は全く不要に
なるからである。
体、常伝導体などの接合が必要である。この接合は超電
導体間に粒界を導入する事によってもなされる。従来粒
界接合は基板の傷つけや段差形成によって導入されてき
た。これらは再現性に乏しかった。本発明は基板と薄膜
の結晶方位を異ならせる事によって境界に粒界接合を形
成する。このために、基板上に予め素子の位置に合わせ
た傷つけ、段差形成などの加工を行う必要がなくなる。
接合は全面に形成されるので局所的な加工は全く不要に
なるからである。
【００５５】本発明は、薄膜を１層堆積するだけでジョ
セフソン接合を形成する事ができる。簡単な工程によっ
てジョセフソン接合を作製できるので従来の粒界接合よ
りも工程が少なくなる。さらに本発明においては基板と
薄膜の界面が粒界となるので、素子特性が薄膜の厚みに
よるばらつきの影響を受けない。再現性良くジョセフソ
ン素子が作製できる。
セフソン接合を形成する事ができる。簡単な工程によっ
てジョセフソン接合を作製できるので従来の粒界接合よ
りも工程が少なくなる。さらに本発明においては基板と
薄膜の界面が粒界となるので、素子特性が薄膜の厚みに
よるばらつきの影響を受けない。再現性良くジョセフソ
ン素子が作製できる。
【図１】本発明のジョセフソン素子の基板と薄膜の結晶
方位を示す概略の斜視図。
方位を示す概略の斜視図。
【図２】本発明の実施例に係るジョセフソン素子の概略
の断面図。
の断面図。
【図３】（００１）面を持つＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 単結
晶基板の上に、ｃ軸が面に平行なＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x
単結晶薄膜をマグネトロンスパッタリング法によって成
長させた状態を示す断面図。
晶基板の上に、ｃ軸が面に平行なＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x
単結晶薄膜をマグネトロンスパッタリング法によって成
長させた状態を示す断面図。
【図４】４０μｍ角の部分を残し、薄膜と基板の上部を
エッチングによって除去した状態の基板と薄膜の断面
図。
エッチングによって除去した状態の基板と薄膜の断面
図。
【図５】基板温度を７６０℃にして薄膜形成した試料に
おいて、Ｘ線の入射方向をχ＝５６．３度と、χ＝３
３．８度にしたときの回折Ｘ線の２θ方向への回折強度
を表すグラフ。
おいて、Ｘ線の入射方向をχ＝５６．３度と、χ＝３
３．８度にしたときの回折Ｘ線の２θ方向への回折強度
を表すグラフ。
【図６】基板温度を６３０℃にして薄膜形成した試料に
おいて、Ｘ線の入射方向をχ＝５６．３度と、χ＝３
３．８度にしたときの回折Ｘ線の２θ方向への回折強度
を表すグラフ。
おいて、Ｘ線の入射方向をχ＝５６．３度と、χ＝３
３．８度にしたときの回折Ｘ線の２θ方向への回折強度
を表すグラフ。
【図７】薄膜の面に直角にｃ軸がある場合、（１０２）
面が表面に対して５６．３゜の角度をなす事を説明する
概略断面図。
面が表面に対して５６．３゜の角度をなす事を説明する
概略断面図。
【図８】薄膜の面に平行にｃ軸がある場合、（１０２）
面が表面に対して３３．７゜の角度をなす事を説明する
概略断面図。
面が表面に対して３３．７゜の角度をなす事を説明する
概略断面図。
【図９】本発明の実施例に係るジョセフソン素子におけ
る電圧電流特性を示すグラフ。横軸は電圧（μＶ）、縦
軸は電流（ｍＡ）。
る電圧電流特性を示すグラフ。横軸は電圧（μＶ）、縦
軸は電流（ｍＡ）。
【図１０】本発明の実施例に係るジョセフソン素子にお
いてマイクロ波を照射した場合の電圧電流特性を示すグ
ラフ。横軸は電圧（μＶ）、縦軸は電流（ｍＡ）。シャ
ピロステップが出現している。
いてマイクロ波を照射した場合の電圧電流特性を示すグ
ラフ。横軸は電圧（μＶ）、縦軸は電流（ｍＡ）。シャ
ピロステップが出現している。
【図１１】本発明の実施例に係るジョセフソン素子の接
合部のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真。
合部のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真。
【図１２】ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 結晶の単位格子の概略
図。●はＣｕ原子、◎はＢａ原子、○はＹ原子を示す。
長手方向がｃ軸である。
図。●はＣｕ原子、◎はＢａ原子、○はＹ原子を示す。
長手方向がｃ軸である。
【図１３】ｃ軸が面に対して垂直である基板の上に、ｃ
軸が面に対して平行になるように成長する有り様を説明
する境界近傍の概略断面図。
軸が面に対して平行になるように成長する有り様を説明
する境界近傍の概略断面図。
【図１４】２枚の基板を貼り合わせその上に超電導薄膜
を成長させることによって粒界接合を形成する方法を示
す説明図。
を成長させることによって粒界接合を形成する方法を示
す説明図。
【図１５】基板の一部にシード層を設け基板の上全体に
超電導薄膜を成長させることによってシード層の端にお
いて粒界接合を形成するようにした方法を示す説明図。
超電導薄膜を成長させることによってシード層の端にお
いて粒界接合を形成するようにした方法を示す説明図。
【図１６】段差を基板表面に設け基板全体の上に超電導
薄膜を形成し、段差において粒界接合を形成する方法を
示す説明図。
薄膜を形成し、段差において粒界接合を形成する方法を
示す説明図。
【図１７】基板の上に超電導薄膜を作り一部を切断しそ
の上に常伝導金属を付けてエッジ接合を形成する方法を
示す説明図。
の上に常伝導金属を付けてエッジ接合を形成する方法を
示す説明図。
【図１８】段差のある基板の上に超電導体の薄膜を形成
し段差の部分を常伝導金属によって覆う事によりエッジ
接合を形成する方法を説明する説明図。
し段差の部分を常伝導金属によって覆う事によりエッジ
接合を形成する方法を説明する説明図。
【図１９】基板の上に半導体の層を形成しさらに超電導
体膜を成長させ、一部を切りとってエッジ接合とする方
法を示す説明図。
体膜を成長させ、一部を切りとってエッジ接合とする方
法を示す説明図。
【図２０】基板の上に超電導体薄膜、絶縁膜を成長さ
せ、一部を除去してさらにバリア層を形成しそのうえに
超電導体薄膜を設ける事によってエッジ接合を製作する
方法を示す説明図。
せ、一部を除去してさらにバリア層を形成しそのうえに
超電導体薄膜を設ける事によってエッジ接合を製作する
方法を示す説明図。
【図２１】基板の上に超電導体薄膜を形成しさらにバリ
ア層を設け、バリア層の上に超電導体薄膜を形成し積層
接合を形成する方法を示す説明図。
ア層を設け、バリア層の上に超電導体薄膜を形成し積層
接合を形成する方法を示す説明図。
【図２２】理想的なジョセフソン接合を持つジョセフソ
ン素子の電圧電流特性を示すグラフ。（１）がマイクロ
波を照射しない場合の電圧電流特性、（２）がマイクロ
波を照射した場合の電圧電流特性である。
ン素子の電圧電流特性を示すグラフ。（１）がマイクロ
波を照射しない場合の電圧電流特性、（２）がマイクロ
波を照射した場合の電圧電流特性である。
１ ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x の（００１）基板 ２ （００１）基板の上に形成した面平行にｃ軸を持つ
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x の薄膜 ３ 薄膜と基板の界面 ４ 薄膜の上に形成した金電極 ５ 絶縁膜 ６ 基板の上に付けた金電極 ７ 電圧測定用端子 ８ 電圧測定用端子 ９ 電流導入用端子 １０ 電流導入用端子
ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x の薄膜 ３ 薄膜と基板の界面 ４ 薄膜の上に形成した金電極 ５ 絶縁膜 ６ 基板の上に付けた金電極 ７ 電圧測定用端子 ８ 電圧測定用端子 ９ 電流導入用端子 １０ 電流導入用端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小西 昌也 東京都江東区東雲一丁目14番３号財団法人 国際超電導産業技術研究センター超電導工 学研究所内 (72)発明者 松永 佳典 東京都江東区東雲一丁目14番３号財団法人 国際超電導産業技術研究センター超電導工 学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲一丁目14番３号財団法人 国際超電導産業技術研究センター超電導工 学研究所内 (72)発明者 田中 昭二 東京都江東区東雲一丁目14番３号財団法人 国際超電導産業技術研究センター超電導工 学研究所内
Claims (1)
- 【請求項１】 ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （０≦ｘ≦０．
６）の（００１）面を持つ単結晶基板と、その（００
１）面上に堆積されたｃ軸の方向が基板の（００１）面
に対して平行なＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 単結晶薄膜（０≦
ｘ≦０．６）と、基板と薄膜の界面に生ずる粒界接合
と、基板に設けられた下部電極と、薄膜に設けられた上
部電極とを含み、ＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x 以外の異種基板
を持たない事を特徴とするジョセフソン素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7209005A JPH0936449A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | ジョセフソン素子 |
| EP96305357A EP0756335B1 (en) | 1995-07-24 | 1996-07-22 | Josephson device |
| DE69607700T DE69607700T2 (de) | 1995-07-24 | 1996-07-22 | Josephson-Anordnung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7209005A JPH0936449A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | ジョセフソン素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0936449A true JPH0936449A (ja) | 1997-02-07 |
Family
ID=16565725
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7209005A Pending JPH0936449A (ja) | 1995-07-24 | 1995-07-24 | ジョセフソン素子 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0756335B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0936449A (ja) |
| DE (1) | DE69607700T2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030102470A1 (en) * | 2001-08-30 | 2003-06-05 | Evgeni Il'ichev | Oxygen doping of josephson junctions |
| JP6326379B2 (ja) | 2012-03-08 | 2018-05-16 | ディー−ウェイブ システムズ，インコーポレイテッド | 超伝導集積回路の製作のためのシステムおよび方法 |
| WO2018144601A1 (en) | 2017-02-01 | 2018-08-09 | D-Wave Systems Inc. | Systems and methods for fabrication of superconducting integrated circuits |
| US20200152851A1 (en) | 2018-11-13 | 2020-05-14 | D-Wave Systems Inc. | Systems and methods for fabricating superconducting integrated circuits |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04318983A (ja) * | 1991-04-17 | 1992-11-10 | Riken Corp | ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
| JPH04318984A (ja) * | 1991-04-17 | 1992-11-10 | Riken Corp | ジョセフソン接合素子およびその製造方法 |
| JPH05110151A (ja) * | 1991-10-18 | 1993-04-30 | Nippondenso Co Ltd | ジヨセフソン接合素子およびその製造方法 |
| CA2084556C (en) * | 1991-12-06 | 1996-12-24 | So Tanaka | Method for manufacturing an artificial grain boundary type josephson junction device |
| EP0557207B1 (en) * | 1992-02-19 | 2000-05-03 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Josephson junction device of oxide superconductor and process for preparing the same |
-
1995
- 1995-07-24 JP JP7209005A patent/JPH0936449A/ja active Pending
-
1996
- 1996-07-22 DE DE69607700T patent/DE69607700T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1996-07-22 EP EP96305357A patent/EP0756335B1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0756335A1 (en) | 1997-01-29 |
| DE69607700T2 (de) | 2000-09-07 |
| EP0756335B1 (en) | 2000-04-12 |
| DE69607700D1 (de) | 2000-05-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0660968A1 (en) | Improved barrier layers for oxide superconductor devices and circuits | |
| US5378683A (en) | Josephson junction structure | |
| US5750474A (en) | Method for manufacturing a superconductor-insulator-superconductor Josephson tunnel junction | |
| US5446016A (en) | Method for forming a patterned oxide superconductor thin film | |
| JPH0936449A (ja) | ジョセフソン素子 | |
| US6016433A (en) | Oxide superconductor Josephson junction element and process for producing same | |
| JP3189403B2 (ja) | 超電導接合を有する素子およびその作製方法 | |
| US5721196A (en) | Stacked tunneling and stepped grain boundary Josephson junction | |
| EP0476687A2 (en) | Superconductor junction structure and process for fabricating the same | |
| US5856204A (en) | Tunnel-type Josephson element and method for manufacturing the same | |
| EP0545815B1 (en) | Josephson junction device formed of oxide superconductor material and process for preparing the same | |
| JP2000517106A (ja) | 一連の層およびそれを含むディバイス | |
| JPH1174573A (ja) | 超伝導素子回路とその製造方法および超伝導デバイス | |
| Zandbergenl et al. | HREM on grain boundaries in oxide superconductors | |
| EP0476617A2 (en) | Superconductor junction structure and process for fabricating the same | |
| JP2708671B2 (ja) | 超伝導薄膜粒界接合素子の製造方法。 | |
| EP0681337B1 (en) | Device and method providing weak links in a superconducting film and device comprising weak links | |
| JP2698858B2 (ja) | 酸化物超伝導体の成膜方法 | |
| US6147360A (en) | Superconducting device and a method of manufacturing the same | |
| JPH04334074A (ja) | 超電導素子及び超電導回路 | |
| EP0471292B1 (en) | Substrate for superconducting devices | |
| JPH05251773A (ja) | ジョセフソン素子とその作製方法 | |
| KR0172907B1 (ko) | 고온 초전도체 조셉슨 접합소자의 제조방법 | |
| US5770470A (en) | High temperature superconducting electric field effect device and a method for fabricating the same | |
| JPH05243631A (ja) | 人工粒界型ジョセフソン接合素子の作製方法 |