JPS62248272A

JPS62248272A - 超伝導マイクロブリツジ

Info

Publication number: JPS62248272A
Application number: JP61090067A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Asano; 秀文浅野; Keiichi Tanabe; 圭一田辺; Yujiro Kato; 加藤　雄二郎; Osamu Michigami; 修道上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-04-21
Filing date: 1986-04-21
Publication date: 1987-10-29

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、ＩＯＫ以上の温度において便用がｏＪ叱で、
ミリ波−サブミリ波の高感度検出がｌ’Ｊ’　Ｈ目な超
伝導素子に関するものである。

（従来技術および発明が解決しようとする問題点）超伝
導マイクロブリッジは％衛星通信や電波天文学の分野に
おけるミリ波−サブミリ波の篩感度検波素子として実用
化が期待されている。

その基本構成は、２つの超伝尋体をブリッジ部（弱結合
部プで電気的に弱く結合させたもので、構造、ブリッジ
部の種類にエリ、第２図の工うに分類される。即ち、絶
縁体基板４上に２つの超伝導側１，２が数μｍ以下の幅
、長さのくびれ（ブリッジ部３）を介して結合されたも
の（第２図ａ）、絶縁体基板９上の超伝導電極６と７が
数μｍ以下の距離で離れており、その間に幅数μｍ以下
のブリッジ部８を形成し友もの（第２図ｂ）、絶縁体基
板１４上の超伝導電極ｌＯと、絶縁体のスペーサ１２の
上に積層さｎた超伝導電極１１との上に、幅数μｍ以下
のブリッジ部１３ｉ槓層しｔもの（第２図Ｃ）等があり
、これらは、いずれも絶縁体基板４，９．１４の上に作
製される。

従来この工うなマイクロブリッジの超伝導電極に１１、
Ｔｃの尚いＮｂ３Ｇｅ　、　ＮｔｇＳｎ　、　Ｎｂ３Ａ
ｔ等のめ化合物、Ｖ３Ｇａ　、　Ｖ３Ｓｉ等のＶ化合物
等を用い、絶縁体基板、絶縁体スペーサとしては、熱酸
化シリコン（５ｉＯｚ）＋サファイア（Ａｔ＊Ｏｓ）等
を用いていたｏしかし、従来のマイクロブリッジでは、
以下の工うな問題点が存在し九〇即ち、いずれのマイクロプリクジでも、熱酸化シリコン
、サファイア等からなる絶Ｍ体の上に、　Ｎｂ化合物、
■化合物からなる超伝導薄膜が積層した構造となってい
る几めに、冷化合物。

■化合物等からなる超伝導薄膜の超伏４特性の劣化が生
じ、十分な性ＯＦ＝　ｋ有するマイクロブリッジを得る
ことが困難でめつ之。例えば、既知物質中最高超伝導臨
界温度のＴｃ（〜２３Ｋ）を示すＡ　１５型結晶構遺を
有するＮｂ３Ｇｅ薄膜をサファイア基板上に形成した場
合、膜厚方向でＴｃが不均一な薄膜となってし１う。丁
なわち、博模の堆積初期には、Ａ　１５　Ｎｂ１Ｇｅと
サファイア基板との結晶横這の違い、格子定数ａ０の不
一致等に工りａ。が本来の値（〜５．１４Ａ）からずれ
るため、ＴｃがＩＯＫ以下と低い層が成長する。堆積初
期層の上に堆積する層では、厚さの増加とともに順次ａ
。は本末の値に近づき、Ｔｃは増加して行き、膜厚が約
１５００　Ａ以上では、ａｏが本来の値５．１４Ａとな
り、Ｔｃが２０〜２３　Ｋの高Ｔｃ映となる。従って、
サファイア基板上に積Ｊ１＃されｆｃ　Ｎｂ５Ｇｅ薄膜
は、サファイア基板界面から約１５０ＯＡの厚さま、で
低Ｔｃの層が存在し、その上に高Ｔｃ０層が存在した、
膜厚方向でのＴｃの不均一性を有する。Ｎｂ３Ｇｅに限
らず、はとんどのＮｂ化合物、■化合物等の高Ｔｃ化合
物を、従来の絶縁体基板上に積層し′ｆｃ場合この工つ
な膜厚方向でのＴｃの不均一性が観測される。これらの
ＴＣの低い層が存在する不均一な薄ｌｌａをｉ！極とし
て用いても高性能なマイクロブリッジは得ることは困難
であ′）九。−万、第２図（ａ）のブリッジの１つであ
る弱結合部の厚さを電極部エリも薄（Ｌ７ｔブリッジ（
Ｖａｒｉａｂｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｂｒｉｄｇｅ　
）では、＠結合部の初期堆積層のＴｃが低いことを利用
するのであるが、その弱結合部の電気的性質全制御する
ことは困難であり、−？はり、高い超伝導性の層を形成
し几後に加工に二って劣化させる方が制御性に優れてい
る。

（問題点を解決するための手段）本発明の目的は、高Ｔｃ化合物薄膜を電極とし次超伝導
マイクロブリッジにおいて、超伝導性の劣化しｔ層を有
する薄膜電極が、絶縁体の上に積層されるという従来技
術の欠点’ＩｋＭ決し、動作温度、性能を大幅に向上し
文超伝導マイクロブリッジ全提供することにある。

上記の目的全達成するため、本発明は絶縁体基板と、前
記絶縁体基板上に形成さｎ友り化合物あるいはＶ化合物
からなる高Ｔｃ薄１ｌｌｉ！′ｗＬ極と、前記′ｄＬ極
間を結合する常伝導金属ブリッジ部とを具備する超伝導
マイクロブリッジにおいて、前記絶縁体基板が２櫨類の
高融点の複合酸化物（ＭＩＯＸ、）ｍ（Ｍ２ＯＹ）１−
ｍ（０＜　ｍ　＜　１　）エリなる単結晶で形成されｈ
　ＭＩＯＸ　−Ｍ２ＯＹとしてＭｇＯ１Ｙ２０．。

Ｚｒ　（）ｓｏ　ＥｒｔＯｍｅ　ＹｂｔＯｓの中のいず
れか、一つが選ばれ次こと全特徴とする超伝導マイクロ
ブリッジを発明の要旨とするものである。

さらに本発明は一方の電極は絶縁体基板上に形成され、
他方の電極に前記絶縁体基板上に設けられ九絶縁体スペ
ーサ上に形成され、前記両電極を結合する常伝導金縞ブ
リッジ部とを具備する超伝導マイクロブリッジにおいて
、前記絶縁体基板及び絶縁体スペーサが夫々２攬類の高
融点の複合酸化物（１１１ＬＯ１）ｙｎ　（Ｍ宣Ｏｙ）
１−ｍ（０＜ｍく１）工りなる単結晶で形成され、Ｍ、
ＯＸ　、　Ｍ２ＯＹとしてＭｇＯ＋　Ｙ＊Ｏｓｅ　Ｚｒ
Ｏ＊、　Ｅｒ１０３．　ＹｂｔＯｓの中のいずれか、一
つが選ばれ友ことを特徴とする特許導マイクロブリッジ
全発明の賢旨とするものであるＯ本発明は、超伝導マイクロブリッジにおける絶縁体とし
て、高Ｔｃ化合物からなる電他薄映に対して、結晶系、
格子に数が整合した複合酸化物（ＭＩＯＸＪＩ　−ｍ　
（Ｍ２０ｙ）ｍからなる準結晶を選び、＃ｉＴｃ化合物
からなる屯億＃映ｔエピタキシャル成員させることによ
り、高Ｔｃ化合物からなる電極薄狭の超伝導性を改善し
、超伝導マイクロブリッジの性能を向上さぜることｔ最
も主要な特徴とする。

本発明では、超伝導マイクロブリッジにおける絶縁体と
して複合酸化物（ＭｌＯｘ）ｍ（Ｍ暑ＯＹ）１−ｍ力）
らなる準結晶を用いるが、その上に高Ｔｃ化合物からな
る逼極薄膜ケ堆積する過程で必要な５００−１（７００
℃とい９尚温に耐えられるようにする九め、ＭＩＯＸ　
９Ｍ２ＯＹとしては、融点は〜２０００Ｃ以上と＾い、
ＭｇＯ，ＹｔＯａｅ　Ｚｒ０ｔ＊　Ｅｒ４０ａ、　ｙｂ
、ｏ。

の中から選ぶ。さらに、その複合液化物上への、高Ｔｃ
化合物薄膜の堆積に２いてエピタキシャル成長を生ぜし
めるため、尚Ｔｃ化合物と格子定数が一致するように、
ＭＩＯＸ　、　ＭｔＯｌの組み合わせ、組成ｍ會選ぶ。

第１表に高Ｔｃ化合物の格子定数ａ。を、第２表にＭＩ
ＯＸ　９Ｍ２０ｙとして選ぶ酸化物の拍子定数全示す。

第１表　　　　　　　第２表例えば、高Ｔｃ化合物として、Ｎｂ５ＡＬ　（ａａ　＝
　５−１８λンを用いる場合、Ｙｘ　Ｏｘ　（ａｏ−５
，３０＾プとＥｒｔＯｓ（ａｏ＝５．０３Ａ）ｔ−運び
、ＥｒｔＯｓの組成ｋｍと丁れば、複合酸化物（ＹｔＯ
ｓ）１−ｍ（Ｅｒｔ０３　）ｍＶ）格子定数ａ０は。

その組成平均からｓ　ａ６＝　５．３　Ｘ　（１−ｍ）
＋５．０３　Ｘ　ｍとなる。こｆｉ’ｔ＝、Ｎｂ、Ａ／
：のａ０＝　ｓ、ｉｓλと一致きせるため、ａ（１＝　
５．３　Ｘ　（１−ｍ　、）＋５．０３λｍ　＝　５．
１８＾から、ｍ＝０．４４とする。この工うにして選ば
れ７ｊ　（ＹｘＯｓ　）ｏｏｗｓ　（ＥｒｔＯｓ　）ｏ
、＋＋は、　ａｏが５．１８１で、Ｎｂ、Ａｔのａｏと
一致する。以上の工うにすれば、第１表に上げ九すべて
の高Ｔｅ化合物に対して。

ａ（１の一致した複合酸化物を選択することが可能であ
る。

本発明は、上記のようにして、高Ｔｃ化合物とａｏが一
致し、耐熱性を有する絶縁体の複合酸化物からなる単結
晶を選び、その単結晶の上にエピタキシャル成長させた
高Ｔｃ化合ｉ薄映を積層した＃ＩＩｍとするため、絶縁
体との界面においてＴｃの劣化層が存在せず、マイクロ
ブリッジの高性能化が可能である点が従来技術と異なる
。

次に本発明の詳細な説明する。

なお実施例は一つの例示であって、不発明の精神を逸脱
しない範囲で揮々の変更あるいは改良を行いうろことは
言うまでもない。

〔実施例１〕（ＹｔＯｇ　）ｏ、ｉｓ　（ＹｂｔＯｓ　）ｏ、ｔｎ　
（ａ６　＝　５．１４λ）からなる単結晶基板（（１０
０）面、厚さ０．５ｍ）ｉ用意し、ｄＣマグネトロンス
パッタ法にニジ厚さ２０００　又のＮｂ３Ｇｅ薄膜を堆
積した。これを、電子ビームリソグラフィーを用いて加
ニレ％　ｆ−〇、５μｍ、長さ０．２μｍの弱結合部を
持つマイクロブリッジを作製し友。比較のため、従来技
術、すなわちサファイア基板（ランダム配向）に堆積し
たＮｂ、Ｇｅ薄映を用いて、同様なマイクロブリッジを
作製し九〇これらのマイクロブリッジの電流−電圧特性
を測定し友結果を第３表に示す。表中において％　Ｖ、
は４．２Ｋにおける最大ジョセフソン電流（Ｉｃ）と常
伝導抵抗（ＲＮ）の積、Ｔｍユはジョセフソン電流が観
測される温度の上限である。

第３表第３表から明らかなように、本発明の（Ｙ２Ｏ２゜、。

（Ｚｒ０ｔ　）ｏ、ｓｑ　／　Ｎｂ５Ｇｅ　マイクロブ
リッジは、従来品に比べ、ｆＥ１０倍大きなり１とＩＯ
Ｋ以上高いＴ□ａｘ１−示し、高性能なマイクロブリッ
ジであることが分った。

〔実施例２〕Ｖ、Ｓｉ薄暎を電極、Ｃｕを弱結合部とするＳＮＳ型マ
イクロブリッジを、第１図（ｅ）に示す工うに絶縁体基
板Ｓ？工び層間絶縁ＪｆＩｊＩ（スペーサ）に（Ｚｒ０
ｔＪｏ、ｓ　（ＭｇＯ）ｏ、４ｏ　（ａ６＝　４．７２
　Ａ　）あるいは、Ｓ田艙用いて作製した。

作製の順序は第１図に示す工うである０（イ）（Ｚｒ０
２）ｏ、ａ　（Ｍｇ０）ｏ、ａ　Ｌ　り　’ｌ　ル絶縁
体基板１５上に、同じ材質の絶縁体スペーサ１６　’ｋ
　１５００　Ａ厚に堆積する（ａ図参照）０（ロ）次にフォトリングラフイーと反応性イオンエツチ
ングを用い、ステップに加工する（ｂ図参照う。

（ハ）ついで斜め方向からＶａｓｔ薄膜を共蒸着法を用
い、１０００＾厚に堆積し、超伝導電極１７．１８’ｉ
、　形成する（０図参照）。

に）次に逆の斜め方向から、Ｃｕを１００ＯＡ厚Ｖこ堆
積し、ブリッジ部１９ヲ形成する（ｄ図参照）。

（ホ）ついで電子ビームリソグラフィーと反応性イオン
エツチング全知い、弱結合部の幅ｋ　０．５μｍに加工
して、作製全終了する。

（ｅ１図において、２３は絶縁体基板、２２は絶縁体ス
ペーサ、２０．２０’は電極、２１はブリッジ部金示す
Ｏ第４表に作製した４檎類のマイクロブリッジのＶ、とＴ
ｍａｌＫ”示す０第４表第４表から分るように、従来のマイクロブリッジＡｆｌ
、ｖ、ｌ　Ｔｍａｘとも低い値を示しているのに対し、
絶縁体基板、絶縁体スペーサのうちのＭ　Ｋ　（Ｚｒ０
ｔ）ｏ、ｓ　（ＭｇＯ）ｏ、４に用いたマイクロブリッ
ジＢ、Ｃは、Ａに比べＶ、は約１０倍に、Ｔｍ＆ＩＣは
ＩＫ〜２に増加した。さらに、基板、スペーサｋ　（Ｚ
ｒ０Ｊｏ、ｓ　＜、Ｍｇ０）ｏ、４（！：　シｆＣマイ
クロブリッジＤハ、Ｔｍａｘ、■、とも大幅に向上した
。

〔実施例３〕（ＹｚＯｓ）ｏ、＋＋ｓ（ＥｒｔＯｓ）ｏ、＋＋率結晶
（（１１０）面うお工び熱酸化シリコンの上に化学気相
蒸看法にエフ形成Ｌ　７？：、　３０００＾厚ｏ　Ｎｂ
１Ａｔｔ−用イテ、第２図（ｂ）の平面型マイクロブリ
ッジを作製し九〇電極間の距離は１μｍ１弱結合部上Ｂ
ｉで、その厚さ１０００＾１幅は帆５μｍである。これ
らのマイクロブリッジに、　　９．７５　ＧＨｚのマイ
クロ波を照射し、応答を調べた結果、本発明の（ＹｚＯ
ｎ）ｏ、ｓｅ　（ＥｒｔＯｓ）ｏ、４ａ／　Ｎｂ、Ａｔ
マイクロブリッジでは、３００μＶの電圧まで応答が認
められたが、従来のＳｉＯｘ／　ＮｂＢＡ１マイクロブ
リッジでは応答が見られなかつ７ｔ。

なお、一般に超伝導マイクロブリッジにおいては、性能
上ブリッジ部の長さが短かいことが要請される。しかる
に平面型の超伝導マイクロブリッジにおいては、ブリッ
ジ部の長さｔ短かくすることは加工上困難である。この
魚肥縁体スペーサを使用し友ものにおいては、ブリッジ
部の長さは、絶縁体スペーサの膜厚で定められる几め、
製作上有利である。しかしながら、本発明においては、
絶縁体スペーサを用いる超伝導マイクロブリッジの外に
、平面型のものに対しても適用しうるものである。

（発明の効果）叙上の工うに本発明に工れば、超伝導マイクロブリッジ
における絶縁体として、高Ｔｃ化合物からなる電極薄膜
に対して結晶系、格子定数が整合Ｌ７ｔ、複合酸化物（
Ｍ、ＯＸ）１−ｍ　（Ｍ２ＯＹ）ｙｙｌからなる準結晶
を選び、高Ｔｃ化合物からなる電極薄膜をエピタキシャ
ル成長させることにエフ、励化合物薄映ｋｉｄ、極とす
るマイクロブリッジの動作温度、性能を大幅に向上でき
るのであるから、小型冷凍機の適用が可能となり、シス
テム全体を小型化、低コスト化を図ることができる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

４１図は不発明の超伝導マイクロブリッジの作製工程、
第２図は榎々のマイクロブリッジの概念図を示す。１、２．６．７．１０．１１・・・超伏４を極３．８．
１３・・・・・・・・・・・・ブリッジ部４．９．１４
・・・・・・・・・・・・絶縁体基板１２・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・絶縁体スペーサ
１５．２３・・・・・・・・・・・・・・・・・・（Ｚ
ｒＯｌ）。、ｓ　＜Ｍｇ０）ｏＡ率結晶からなる基板１６．２２・・・・・・・・・・・・・・・・・・（Ｚ
ｒＯ−０，ｓ　（ＭｇＯふ、、単結晶からなるスペーサ１７．１８．２０・・・・・・・・・・・・Ｖａｓｔ薄
膜からなる超伝導電極１９．２１・・・・・・・・・・・・・・・・・・Ａｕ
からなるブリッジ部第１図２３−紀！！嚇ス

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁体基板と、前記絶縁体基板上に形成されたＮ
ｂ化合物あるいはＶ化合物からなる高Ｔｃ薄膜電極と、
前記電極間を結合する常伝導金属ブリッジ部とを具備す
る超伝導マイクロブリッジにおいて、前記絶縁体基板が
２種類の高融点の複合酸化物（Ｍ＿１ＯＸ）＿ｍ（Ｍ＿
２Ｏ＿Ｙ）＿１＿−＿ｍ（０＜ｍ＜１）よりなる単結晶
で形成され、Ｍ＿１Ｏ＿Ｘ、Ｍ＿２Ｏ＿ＹとしてＭｇＯ
、Ｙ＿２Ｏ＿３、ＺｒＯ＿２、Ｅｒ＿２Ｏ＿３、Ｙｂ＿
２Ｏ＿３の中のいずれか、一つが選ばれたことを特徴と
する超伝導マイクロブリッジ。
（２）一方の電極は絶縁体基板上に形成され、他方の電
極は前記絶縁体基板上に設けられた絶縁体スペーサ上に
形成され、前記両電極を結合する常伝導金属ブリッジ部
とを具備する超伝導マイクロブリッジにおいて、前記絶
縁体基板及び絶縁体スペーサが夫々２種類の高融点の複
合酸化物（Ｍ＿１Ｏ＿Ｘ）＿ｍ（Ｍ＿２Ｏ＿Ｙ）＿１＿
−＿ｍ（０＜ｍ＜１）よりなる単結晶で形成され、Ｍ＿
１Ｏ＿Ｘ、Ｍ＿２Ｏ＿ＹとしてＭｇＯ、Ｙ＿２Ｏ＿３、
ＺｒＯ＿２、Ｅｒ＿２Ｏ＿３、Ｙｂ＿２Ｏ＿３の中のい
ずれか、一つが選ばれたことを特徴とする超伝導マイク
ロブリッジ。