JP2690588B2 - Josephson junction element - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ジョセフソン接合素子に係り、特にブリッ
ジ型ジョセフソン接合素子に関する。本発明は、マイク
ロ波から赤外光にかけての電磁波検出、発振等に用いら
れるジョセフソン接合素子に好適に用いられるものであ
る。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a Josephson junction element, and more particularly to a bridge type Josephson junction element. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is preferably used for a Josephson junction element used for electromagnetic wave detection, oscillation, etc. from microwaves to infrared light.

［従来の技術］ ジョセフソン接合の形式としては、ポイントコンタク
ト型，サンドイッチ型（SIS型），準平面型，ブリッジ
型等さまざまな形態が提案されている。中でもブリッジ
型ジョセフソン接合素子は、素子形態が単純な構造であ
るために、各種の金属超伝導膜およびBiPbBaO超伝導膜
において、さまざまな形態の検討がなされてきている。
（Japn.J.Appl.Phys.,22,544（1983）、及び特開昭59−
210678）。[Prior Art] Various types of Josephson junctions such as a point contact type, a sandwich type (SIS type), a quasi-plane type, and a bridge type have been proposed. Among them, the bridge-type Josephson junction device has a simple structure, and therefore various forms of metal superconducting films and BiPbBaO superconducting films have been studied.
(Japn.J.Appl.Phys., 22,544 (1983) and JP-A-59-
210678).

これらのブリッジ型ジョセフソン接合素子は、基板全
面に超伝導膜を形成後、エッチング等によって所望のブ
リッジを形成するのが一般的であった。In these bridge type Josephson junction devices, it is common to form a desired bridge by etching or the like after forming a superconducting film on the entire surface of the substrate.

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、近年発見されたセラミクス超伝導膜、
例えばYBa₂Cu₃O₇−δ,ErBa₂Cu₃O₇−δ（０＜δ＜１）,B
iSrCaCuO系材料では、その材料組成が複雑なこともあ
り、エッチングにより、たとえばY,Ba,Cuなどのエッチ
ング速度が異なるため、超伝導体の組成がエッチングに
より変化しやすいという問題があった。このためエッチ
ングの状態により超伝導特性を示さなくなったり、パタ
ーンの結晶性，再現性，均一性も劣るという欠点があっ
た。[Problems to be Solved by the Invention] However, recently discovered ceramic superconducting film,
For example, YBa ₂ Cu ₃ O ₇ −δ, ErBa ₂ Cu ₃ O ₇ −δ (0 <δ <1), B
The iSrCaCuO-based material has a problem that the composition of the superconductor tends to change due to etching, because the material composition thereof may be complicated and the etching rate of Y, Ba, Cu, etc. may differ due to etching. For this reason, there are drawbacks that the superconductivity is no longer exhibited depending on the state of etching, and the crystallinity, reproducibility, and uniformity of the pattern are poor.

また、ブリッジ型粒界ジョセフソン接合のミリ波応答
性の検討はなされているものの（Japn.J.Appl.Phys.,2
7,L1110（1988））、電磁波検出器として感度向上を目
的とした素子形態の検討には、まだいたっていない。Although millimeter wave response of bridge type grain boundary Josephson junction has been studied (Japn.J.Appl.Phys., 2
7, L1110 (1988)), and no study has yet been made on an element configuration for improving sensitivity as an electromagnetic wave detector.

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、エッ
チング操作を必要とせず、成膜操作のみで形成すること
のできるジョセフソン接合素子を提供するものである。The present invention has been made in view of the above points, and provides a Josephson junction element that does not require an etching operation and can be formed only by a film forming operation.

［課題を解決するための手段］ 本発明のジョセフソン接合素子は、基体上の所望の位
置に行間隔と列間隔とを異にして行列状に生成された複
数の核の各々を中心にして、行方向または列方向につい
て結晶どうしが接するように結晶成長させて、行間また
は列間で周期的に幅の異なる間隙をもって形成された複
数の無機材料結晶膜と、該無機材料結晶膜上及び前記基
体上に形成された超伝導材料からなる薄膜と、を備え、 前記無機材料結晶膜上の前記薄膜は非超伝導性領域を
構成し、前記無機材料結晶膜間の前記薄膜は直列に接続
された複数のジョセフソン接合部を構成してなることを
特徴とする。[Means for Solving the Problem] The Josephson junction element of the present invention has each of a plurality of nuclei generated in a matrix at a desired position on the base body with different row intervals and column intervals. A plurality of inorganic material crystal films formed by crystal growth such that crystals contact each other in a row direction or a column direction and having a periodically different width between rows or columns; A thin film made of a superconducting material formed on a substrate, wherein the thin film on the inorganic material crystal film constitutes a non-superconducting region, and the thin films between the inorganic material crystal films are connected in series. It is characterized by comprising a plurality of Josephson junctions.

ここで、「核」とは次に説明する意味である。 Here, “nucleus” has the meaning described below.

体積面が飛来する原子と異なる種類の材料、特に非晶
質材料である場合、飛来する原子は基板表面を自由に拡
散し、又は再蒸発（脱離）する。そして原子同志の衝突
の末、核が形成され、その自由エネルギＧが最大となる
ような核（臨界核）の大きさrc（＝−２σ_o/gv）以上に
なると、Ｇは減少し、核は安定に三次元的に成長を続
け、島状となる。rcを越えた大きさの核を「安定核」と
呼び、本発明の説明において、「核」と記した場合は、
この「安定核」を示すものとする。When the volume surface is a different kind of material from the flying atoms, especially an amorphous material, the flying atoms freely diffuse or re-evaporate (desorb) on the substrate surface. After the collision between the atoms, a nucleus is formed, and when the size of the nucleus (critical nucleus) is rc (= -2σ _o / gv) at which the free energy G becomes maximum, G decreases, and the nucleus decreases. Grows stably three-dimensionally and becomes island-shaped. A nucleus having a size exceeding rc is called a “stable nucleus”, and in the description of the present invention, “nucleus” indicates that
This "stable nucleus" shall be indicated.

核を形成することによって生ずる自由エネルギＧは、 Ｇ＝４πｆ（θ）（σ_or²＋1/3・gv・r³） ｆ（θ）＝1/4（２−3cosθ＋cos²θ） ただし、r :核の曲率半径 θ :核の接触角 gv :単位堆積当りの自由エネルギ σ_o:核と真空間の表面エネルギ と表わされる。Ｇの変化の様子を第７図に示す。同図に
おいて、Ｇが最大値であるときの安定核の曲率半径がrc
である。Free energy G generated by forming a nucleus is G = 4πf (θ) (σ _o r ² + 1/3 · gv · r ³ ) f (θ) = 1/4 (2−3 cosθ + cos ² θ) where r : Radius of curvature of nucleus θ: Contact angle of nucleus gv: Free energy per unit deposition σ _o : Surface energy between nucleus and vacuum. FIG. 7 shows how G changes. In the figure, the radius of curvature of the stable nucleus when G is the maximum value is rc.
It is.

本発明において、基体上の所望の位置に核を生成する
方法としては、Si,サファイア等の基体上にエッチング
ライン等の凹部を形成し、この凹部に核を生成させる方
法があり、例えばダイヤモンドをエピタキシャル成長さ
せる場合には、Si基板上にエッチングラインを縦横に形
成して凹部を形成すると、この凹部に選択的にダイヤモ
ンドの核を生起させることができる（Appl.Phys.Lett.5
3（19）7 November1988）。In the present invention, as a method of generating nuclei at a desired position on a substrate, there is a method of forming a recess such as an etching line on a substrate such as Si or sapphire and generating a nucleus in this recess. In the case of epitaxial growth, if etching lines are formed vertically and horizontally on a Si substrate to form recesses, diamond nuclei can be selectively generated in these recesses (Appl.Phys.Lett.5).
3 (19) 7 November 1988).

また、MgO,SiO₂等の基体面に核形成密度の小さい非核
形成面と、非晶質材料で構成され結晶成長して単結晶と
なる核が唯一形成し得るに充分小さい面積を有し、前記
非核形成面の核形成密度より大きい核形成密度を有する
核形成面とを隣接した基体に結晶成長処理を施し、該核
形成面に結晶を生成させる方法があり、例えば、Siを成
長させる場合には、非核形成面となるSiO₂基体上に予め
結晶成長して単結晶となる核が唯一形成し得るに充分小
さい非晶質材料からなる核形成面を形成すると、この非
晶質窒化シリコン膜にSiの核を生起させることができる
（特開昭63−107016号公報）。なお、非核形成面の構成
材料の種類、形状等は、基体上に選択的に成長させる無
機物の種類及び成長法により適宜設定すればよい。In addition, MgO, a non-nucleation surface with a small nucleation density on the surface of the substrate such as SiO ₂ and an area sufficiently small to form a single crystal that grows into a single crystal by crystal growth made of an amorphous material, There is a method of performing crystal growth treatment on a substrate adjacent to a nucleation surface having a nucleation density higher than the nucleation density of the non-nucleation surface to generate crystals on the nucleation surface, for example, in the case of growing Si. Is formed by forming a nucleation surface made of an amorphous material that is small enough so that only single nuclei can be formed by single crystal growth on a SiO ₂ substrate that becomes a non-nucleation surface. Si nuclei can be generated in the film (Japanese Patent Laid-Open No. 63-107016). The type and shape of the constituent material of the non-nucleation surface may be appropriately set according to the type and growth method of the inorganic substance selectively grown on the substrate.

なお、無機材料結晶は上述した方法を用いて形成され
るが、結晶成長は核を中心として成長した結晶同志が接
するまで行われる。結晶同志は直径の1/5〜1/2程度まで
接することが望ましい。The inorganic material crystal is formed by using the method described above, but the crystal growth is performed until the crystals grown centering on the nucleus come into contact with each other. It is desirable that the crystals are in contact with each other up to about 1/5 to 1/2 of the diameter.

なお、選択的に結晶を形成させる方法は、上述したも
のに限定されるものではなく、例えば選択デポジション
法、SEG（Selective Epitaxial Growth）法等を用いる
ことができる。The method for selectively forming crystals is not limited to the above-mentioned one, and for example, a selective deposition method, a SEG (Selective Epitaxial Growth) method, or the like can be used.

本発明に用いる無機材料は、その上に超伝導材料を堆
積した場合、該堆積膜は超伝導性を示さなくなるような
無機材料であり、例えば、ダイヤモンドSi,W,Ga,As,InP
等である。The inorganic material used in the present invention is an inorganic material such that, when a superconducting material is deposited thereon, the deposited film does not exhibit superconductivity, and for example, diamond Si, W, Ga, As, InP.
And so on.

本発明に用いる基体材料としては、その上に超伝導材
料を堆積した場合、該堆積膜が超伝導性を示すような基
体材料であり、例えば、MgO,サファイア、SrTiO₃,YSZ,L
aGaO等である。なお、後述する実施例においては基体材
料の面方位を規定しているが（実施例１ではサファイア
（100）面、実施例２ではMgO（100）面を用いてい
る）、かかる面方位以外のものも用いることができる。The base material used in the present invention is a base material such that the deposited film exhibits superconductivity when a superconducting material is deposited on the base material. For example, MgO, sapphire, SrTiO ₃ , YSZ, L
such as aGaO. In the examples described later, the plane orientation of the substrate material is specified (in the example 1, the sapphire (100) plane is used, and in the example 2, the MgO (100) plane is used). Things can also be used.

また成膜する超伝導膜は、粒界ジョセフソン接合を形
成しうる超伝導物質の薄膜であればいずれも用いること
ができるが、その化合物組成をＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄと表わす
とき、ＡがLa,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Sc,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,T
m,Yb,Lu,Bi,TlおよびＹよりなる群より選ばれた一種以
上の元素;BがBa,Ca,SrおよびPbよりなる群から選ばれた
一種以上の元素;CがV,Ti,Cr,Mn,Fe,Ni,Co,Ag,CdおよびC
uよりなる群から選ばれた一種以上の元素;DがＳおよび
Ｏよりなる群から選ばれた一種以上の元素である超伝導
体が好ましく、これを用いた超伝導膜は選択的結晶成長
された無機材料上で良好に形成される。As the superconducting film to be formed, any thin film of a superconducting substance capable of forming a grain boundary Josephson junction can be used. When the compound composition is represented by ABCD, Is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Sc, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, T
m, Yb, Lu, Bi, Tl and at least one element selected from the group consisting of Y; B is Ba, Ca, one or more elements selected from the group consisting of Sr and Pb; C is V, Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Ag, Cd and C
A superconductor in which one or more elements selected from the group consisting of u; D is one or more elements selected from the group consisting of S and O is preferable, and the superconducting film using this is subjected to selective crystal growth. Well formed on the inorganic material.

基体上への超伝導膜の成膜方法としては、通常のスパ
ッタ法，電子ビーム加熱法，抵抗加熱法,MEB法,CVD法，
イオンビーム法などが適用できる。又該超伝導膜の厚さ
は適宜所望により設定すればよい。As a method of forming a superconducting film on a substrate, a usual sputtering method, an electron beam heating method, a resistance heating method, a MEB method, a CVD method,
An ion beam method or the like can be applied. The thickness of the superconducting film may be set as desired.

この様にして作成された超伝導膜は、必要に応じて熱
処理されるが、単結晶基板は超伝導膜との熱膨張係数の
近いものを選ぶことでさらにその耐久性を向上させるこ
ともできる。The superconducting film thus produced is heat-treated as necessary, but the durability can be further improved by selecting a single crystal substrate having a coefficient of thermal expansion close to that of the superconducting film. .

［作用］ 本発明は、基体上の所望の位置に核を生成させ、この
核を中心として、その上に超伝導材料を堆積した場合に
その堆積膜が超伝導性を示さなくなるような無機材料の
結晶を成長させ、この無機材料の結晶を有する前記基体
上に超伝導材料を堆積することで、無機材料の結晶の形
成されない基体上のみに超伝導性を示す超伝導膜を形成
するものである。[Operation] The present invention is an inorganic material in which a nucleus is generated at a desired position on a substrate, and when the superconducting material is deposited around this nucleus, the deposited film does not exhibit superconductivity. Is grown and a superconducting material is deposited on the substrate having crystals of the inorganic material to form a superconducting film exhibiting superconductivity only on the substrate on which crystals of the inorganic material are not formed. is there.

基体上に結晶化された無機材料のパターンは超伝導膜
のパターンのネガパターンとなり、無機材料のパターン
が所望の位置に生起させた核を中心として無機材料の結
晶を成長させることで任意の位置に形成可能なため、超
伝導膜のパターンも任意の位置に形成可能となる。従っ
て、たて，横の巾を変えてマス目状に凹部を形成する方
法，たて，横の巾を変えて核形成面を配列させて形成す
る方法等により選択的に核を生起させ、この核を中心と
して結晶を成長させることで、無機材料のネガパターン
を形成し、次に超伝導薄膜を形成することで、簡単にジ
ョセフソン接合アレイを形成することができる。このよ
うに、ジョセフソン接合アレイにすることによってノー
マル抵抗R_N、および超伝導臨界電流値I_Cが大きくなり、
素子に印加できる電圧Ｖ＝I_CR_Nを上げることができ、電
磁波の応答周波数 を上げることが可能となる。The pattern of the inorganic material crystallized on the substrate becomes a negative pattern of the pattern of the superconducting film, and the pattern of the inorganic material grows the crystal of the inorganic material around the nucleus generated at the desired position to grow the crystal at the arbitrary position. Since it can be formed at any position, the pattern of the superconducting film can be formed at any position. Therefore, nuclei are selectively generated by a method of forming concaves in a grid shape by changing the horizontal width, a method of forming nucleation surfaces by arranging the horizontal width, and the like. By growing a crystal around this nucleus to form a negative pattern of an inorganic material and then forming a superconducting thin film, a Josephson junction array can be easily formed. In this way, the Josephson junction array increases the normal resistance R _N and the superconducting critical current value I _C ,
The voltage V = I _C R _N that can be applied to the device can be increased, and the response frequency of electromagnetic waves can be increased. Can be raised.

また、前述した基体状の凹部及び核形成面は、EB露光
パターニング等により１μｍ以下のパターニングが可能
であるので各ジョセフソン接合間距離を極めて小さくす
ることができ接合数を大きくすることが可能で、電磁波
検出器として高感度発振器として高出力のものを得るこ
とが可能である。Further, since the above-mentioned base-shaped recess and nucleation surface can be patterned to 1 μm or less by EB exposure patterning or the like, the distance between each Josephson junction can be made extremely small and the number of junctions can be increased. It is possible to obtain a high output as a high sensitivity oscillator as an electromagnetic wave detector.

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を用いて、より具
体的に説明する。なお、以下に説明する実施例はジョセ
フソン接合をアレイ状に形成したものである。[Examples] Examples of the present invention will be described below more specifically with reference to the drawings. In the examples described below, Josephson junctions are formed in an array.

（実施例１） 第１図（Ａ）〜（Ｃ），第２図に示す各工程によって
ジョセフソン接合素子を形成した。ここで、第１図
（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例１の製造工程を説明す
るための工程図であり、第２図はジョセフソン接合素子
の縦断面図である。Example 1 A Josephson junction element was formed by the steps shown in FIGS. 1A to 1C and 2. Here, FIGS. 1A to 1C are process drawings for explaining the manufacturing process of the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the Josephson junction element.

まず第１図（Ａ）に示すように、サファイア（100）
基体１上にエッチング等によって、たて13μｍピッチ、
横10μｍピッチでエッチングライン２をひいた。次に、
第１図（Ｂ）に示すように、基体１上にダイヤモンドを
エピタキシャル成長させラインの交点上に半球上のダイ
ヤモンド３を形成する。First, as shown in FIG. 1 (A), sapphire (100)
By etching etc. on the base 1, a vertical pitch of 13 μm,
The etching line 2 was drawn at a horizontal pitch of 10 μm. next,
As shown in FIG. 1 (B), diamond is epitaxially grown on the substrate 1 to form hemispherical diamonds 3 on the intersections of the lines.

次に第１図（１）に示すように、この基体１上にＹ−
Ba−Cu−ＯをICB法（クラスターイオンビーム法）で成
膜した。この時の成膜条件は、基板温度400℃，酸素分
圧３×10^-4Torrで行い、蒸着材料としてY,BaO,Cuをそれ
ぞれ独立のクラスターイオンガンにより、基板上の組成
が、Y:Ba:Cu＝1:2:3になるように堆積速度を調節した。
なお、Ｙ用のクラスターイオンガンの加速電圧は1kv,イ
オン化電流は50mAとし、BaO用のクラスターイオンガン
の加速電圧は、0.5kV,イオン化電流は30mAとし、Cu用の
加速電圧は4kV,イオン化電流は200mAとした。なお堆積
速度は200Å/minで、膜厚は5000Åだった。さらにこの
基板を酸素雰囲気中で940℃,1時間の熱処理を行い超伝
導膜たるＹ−Ba−Cu−Ｏ膜を作成した。Next, as shown in FIG. 1 (1), Y-
Ba-Cu-O was deposited by the ICB method (cluster ion beam method). The film forming conditions at this time are as follows: substrate temperature is 400 ° C., oxygen partial pressure is 3 × 10 ⁻⁴ Torr, and Y, BaO, and Cu are used as vapor deposition materials by independent cluster ion guns, and the composition on the substrate is Y: Ba. The deposition rate was adjusted so that: Cu = 1: 2: 3.
The acceleration voltage of the cluster ion gun for Y is 1kv and the ionization current is 50mA, the acceleration voltage of the cluster ion gun for BaO is 0.5kV and the ionization current is 30mA, the acceleration voltage for Cu is 4kV and the ionization current is 200mA. And The deposition rate was 200Å / min and the film thickness was 5000Å. Further, this substrate was heat-treated in an oxygen atmosphere at 940 ° C. for 1 hour to form a Y-Ba-Cu-O film as a superconducting film.

このようにして作成したＹ−Ba−Cu−Ｏ膜にAu電極を
つけて液体Heを用いて抵抗を測定したところサファイア
上のＹ−Ba−Cu−Ｏ膜4aは、70kで抵抗Ｏとなり超伝導
性を示したが、ダイヤモンド３上のＹ−Ba−Cu−Ｏ膜4b
は4kでも抵抗０にならず、超伝導性を示さなかった。す
なわち本発明の方法により、粒界ジョセフソン接合が得
られたことになる。When the resistance was measured using liquid He with the Au electrode attached to the Y-Ba-Cu-O film formed in this way, the Y-Ba-Cu-O film 4a on sapphire became a resistance O at 70k and was super It showed conductivity, but the Y-Ba-Cu-O film 4b on the diamond 3
Has a resistance of 0 even at 4 k and does not exhibit superconductivity. That is, the grain boundary Josephson junction was obtained by the method of the present invention.

なお、Ｙ−Ba−Cu−Ｏ膜4aで、ダイヤモンドが近づく
ことで巾がせまくなっている部分、例えば第１図（Ｃ）
中、12（破線で図示）がジョセフソン接合部である。In the Y-Ba-Cu-O film 4a, the width of the Y-Ba-Cu-O film 4a becomes narrower as diamond approaches, for example, FIG. 1 (C).
Among them, 12 (shown by a broken line) is a Josephson junction.

（実施例２） 第３図（Ａ）〜（Ｃ），第４図に示す各工程によって
ジョセフソン接合素子を形成した。Example 2 A Josephson junction element was formed by the steps shown in FIGS. 3A to 3C and FIG.

ここで、第３図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例２の
製造工程を説明するための工程図であり、第４図はジョ
セフソン接合素子の縦断面図である。Here, FIGS. 3A to 3C are process drawings for explaining the manufacturing process of the second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a vertical sectional view of the Josephson junction element.

まず第３図（Ａ）に示すように、MgO（100）基体８上
にマスクを利用したRSスパッタ法で無機材料結晶を形成
するための核形成面となる非晶質のSi₃N₄膜５を20行20
列作成した。その際、Si₃N₄膜５の大きさは１μｍφと
し、行間距離Ａを８μｍに固定し、列間距離Ｂを10〜13
μｍと変化させた。First, as shown in FIG. 3 (A), an amorphous Si ₃ N ₄ film to be a nucleation surface for forming an inorganic material crystal on the MgO (100) substrate 8 by the RS sputtering method using a mask. 5 to 20 lines 20
Created a column. At that time, the size of the Si ₃ N ₄ film 5 is set to 1 μmφ, the inter-row distance A is fixed to 8 μm, and the inter-column distance B is set to 10 to 13 μm.
μm.

この基体上にCVD法でSiをエピタキシャル成長させた
ところ核５を中心にSi6が成長した。たて方向にある程
度（直径の1/5〜1/2程度）接するまで成長させた。この
時の成膜条件は、原料ガスとしてHLCとH₂とSiH₂Cl₂,SiC
l₄,SiHCl₃,SiF₄もしくはSiH₄との混合ガスを用いて、基
体温度700〜1100℃，圧力は約100Torrとした。When Si was epitaxially grown on this substrate by the CVD method, Si6 was grown around the nucleus 5. It was grown until it touched to some extent in the vertical direction (about 1/5 to 1/2 of the diameter). The film forming conditions at this time were HLC, H ₂ , SiH ₂ Cl ₂ and SiC as source gases.
Using a mixed gas of l ₄ , SiHCl ₃ , SiF ₄ or SiH ₄ , the substrate temperature was 700 to 1100 ° C. and the pressure was about 100 Torr.

この様にして作成した基体上にBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ焼
結体ターゲットを用いてRFスパッタ法で成膜したところ
Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ膜が形成された。この時の成膜条件
は、基体温度100℃以下,Arガス圧力0.50a,スパッタパワ
ー100Wで、堆積速度50Å/min,膜厚は4000Åであった。
さらにこの基体を酸素雰囲気中で850℃１時間の熱処理
を行い、Tc＝70kとなる超伝導薄膜たるBi−Sr−Ca−Cu
−Ｏ膜を作製した。When a film was formed on the thus-prepared substrate by a RF sputtering method using a Bi-Sr-Ca-Cu-O sintered body target.
A Bi-Sr-Ca-Cu-O film was formed. The film forming conditions at this time were a substrate temperature of 100 ° C. or lower, an Ar gas pressure of 0.50a, a sputtering power of 100 W, a deposition rate of 50 Å / min, and a film thickness of 4000 Å.
Further, this substrate is heat-treated in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 1 hour to obtain a superconducting thin film of Bi-Sr-Ca-Cu with Tc = 70k.
An -O film was produced.

このようにして作製したBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ膜は実施
例１と同様にMgO基体上のBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ膜7aは超
伝導性を示したが、Si単結晶６上のBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ
膜7bは超伝導性を示さなかった。The Bi-Sr-Ca-Cu-O film produced in this manner was superconducting as in Example 1, but the Bi-Sr-Ca-Cu-O film 7a on the MgO substrate showed superconductivity. Bi-Sr-Ca-Cu-O on 6
Membrane 7b did not exhibit superconductivity.

表１に得られた粒界ジョセフソン接合における列間距
離Ｂの変化による各特性の変化を示す。本発明の方法に
より得られたジョセフソン接合は特にIcが大きく、I_CR_N
積が大きいものであった。Table 1 shows a change in each characteristic due to a change in the inter-row distance B in the obtained grain boundary Josephson junction. The Josephson junction obtained by the method of the present invention has a particularly large Ic, and I _C R _N
It was a big product.

なお、測定はMgO上のBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ膜7aの端
（第３図（Ｃ）の上部と下部）に電極をつけ、４端子法
で測定した。The measurement was carried out by a four-terminal method with electrodes attached to the ends of the Bi-Sr-Ca-Cu-O film 7a on MgO (upper and lower parts in FIG. 3C).

なお、第５図に示すような２μｍ×２μｍのウィーク
ジャンクション部１個を持つ粒界ジョセフソン接合で
は、I_C＝0.2mA,R_N＝0.9ΩでI_CR_N＝0.18mVであった。 In the grain boundary Josephson junction having one weak junction portion of 2 μm × 2 μm as shown in FIG. 5, I _C = 0.2 mA, R _N = 0.9Ω and I _C R _N = 0.18 mV.

第５図中、13はBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ膜、15は基体、14
（図中、破線で図示）はウィークジャンクション部であ
る。In FIG. 5, 13 is a Bi-Sr-Ca-Cu-O film, 15 is a substrate, and 14 is
(Indicated by a broken line in the figure) is a weak junction portion.

（実施例３） 実施例２と同様の工程でジョセフソン接合素子を形成
した。ただし、S₃N₄膜５を３行３列とし、行間距離を８
μm,列間距離を11μｍとした。Example 3 A Josephson junction element was formed in the same process as in Example 2. However, the S ₃ N ₄ film 5 is arranged in 3 rows and 3 columns, and the line spacing is 8
μm, and the distance between rows was 11 μm.

さらに、第６図に示すように、電極９としてCr−Auを
抵抗加熱法で蒸着した。電磁波検出用電圧計10、電源11
を取りつけ、電磁波検出器を作製した。Further, as shown in FIG. 6, Cr-Au was vapor-deposited as the electrode 9 by a resistance heating method. Electromagnetic wave detection voltmeter 10, power supply 11
Was attached to prepare an electromagnetic wave detector.

本実施例の電磁波検出器は、ジョセフソン接合間距離
を極めて小さくすることができ接合数を大きくすること
が可能で、電磁波検出器として高感度発振器であって、
高出力のものを得ることが可能であった。The electromagnetic wave detector of the present embodiment, the Josephson junction distance can be extremely small, it is possible to increase the number of junctions, a high-sensitivity oscillator as an electromagnetic wave detector,
It was possible to obtain a high output.

［発明の効果］ 以上、説明したように、本発明のジョセフソン接合素
子によれば、無機材料結晶のパターンを制御することで
超伝導膜のパターンを制御することが可能となり、粒界
ジョセフソン素子アレイを製作した場合、I_CR_N積を大き
くすることができ、電磁波デバイスとしての周波数上限
を高くできる。[Effects of the Invention] As described above, according to the Josephson junction element of the present invention, it becomes possible to control the pattern of the superconducting film by controlling the pattern of the inorganic material crystal, and the grain boundary Josephson When an element array is manufactured, the I _C R _N product can be increased, and the upper frequency limit of the electromagnetic wave device can be increased.

また、超伝導膜成形後のエッチング工程を必要としな
いため素子の再現性，結晶性，均一性を向上させること
ができ、品質の良い素子にすることができる。Further, since the etching process after forming the superconducting film is not required, the reproducibility, crystallinity, and uniformity of the device can be improved, and the device can be made of high quality.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明のジョセフソン接合素
子の実施例１の製造工程を説明するための工程図であ
る。 第２図は上記実施例１のジョセフソン接合素子の縦断面
図である。 第３図（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明のジョセフソン接合素
子の実施例２の製造工程を説明するための工程図であ
る。 第４図は上記実施例２のジョセフソン接合素子の縦断面
図である。 第５図はウィークジャンクションをもつ粒界ジョセフソ
ン接合素子を示す概略的説明図である。 第６図は本発明のジョセフソン接合素子を用いた電磁波
検出器の概略的説明図である。 第７図は核の自由エネルギーＧと曲率半径γとの関係を
示す特性図である。 1,8:基体、3:エッチングライン、3:ダイヤモンド、4a:
サファイア上のＹ−Ba−Cu−Ｏ薄膜、4b:ダイヤモンド
上のＹ−Ba−Cu−Ｏ薄膜、5:Si₃N₄膜、6:Si、7a:MgO上
のBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ膜、7b:Si上のBi−Sr−Ca−Cu−
Ｏ膜、9:電極、10:電磁波検出用電圧計、11:電源、12:
ジョセフソン接合部、13:Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ膜、14:ウ
ィークジャンクション部、15:基体。1 (A) to 1 (C) are process drawings for explaining the manufacturing process of the first embodiment of the Josephson junction element of the present invention. FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the Josephson junction device according to the first embodiment. FIGS. 3A to 3C are process drawings for explaining the manufacturing process of the second embodiment of the Josephson junction element of the present invention. FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the Josephson junction device according to the second embodiment. FIG. 5 is a schematic explanatory view showing a grain boundary Josephson junction device having a weak junction. FIG. 6 is a schematic explanatory view of an electromagnetic wave detector using the Josephson junction element of the present invention. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the free energy G of the nucleus and the radius of curvature γ. 1,8: Substrate, 3: Etching line, 3: Diamond, 4a:
Y-Ba-Cu-O thin film on sapphire, 4b: Y-Ba-Cu-O thin film on a diamond, 5: Si ₃ N ₄ film, 6: Si, 7a: on MgO Bi-Sr-Ca-Cu -O film, 7b: Bi-Sr-Ca-Cu- on Si
O film, 9: Electrode, 10: Electromagnetic wave detection voltmeter, 11: Power supply, 12:
Josephson junction, 13: Bi-Sr-Ca-Cu-O film, 14: weak junction, 15: substrate.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−14977（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−203293（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−44786（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−208981（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (56) References JP-A 64-14977 (JP, A) JP-A 1-203293 (JP, A) JP-A 2-44786 (JP, A) JP-A 2- 208981 (JP, A)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】基体上の所望の位置に行間隔と列間隔とを
異にして行列状に生成された複数の核の各々を中心にし
て、行方向または列方向について結晶どうしが接するよ
うに結晶成長させて、行間または列間で周期的に幅の異
なる間隙をもって形成された複数の無機材料結晶膜と、
該無機材料結晶膜上及び前記基体上に形成された超伝導
材料からなる薄膜と、を備え、 前記無機材料結晶膜上の前記薄膜は非超伝導性領域を構
成し、前記無機材料結晶膜間の前記薄膜は直列に接続さ
れた複数のジョセフソン接合部を構成してなるジョセフ
ソン接合素子。1. A crystal is contacted in a row direction or a column direction centering on each of a plurality of nuclei formed in a matrix at a desired position on a substrate with different row and column intervals. A plurality of inorganic material crystal films formed by crystal growth and formed with gaps of different width periodically between rows or columns,
A thin film made of a superconducting material formed on the inorganic material crystal film and the substrate, wherein the thin film on the inorganic material crystal film constitutes a non-superconducting region, and Said thin film comprises a plurality of Josephson junctions connected in series. 【請求項２】基体面上の所望の位置に凹部を形成し、こ
の凹部に前記核を生成させた請求項１記載のジョセフソ
ン接合素子。2. The Josephson junction device according to claim 1, wherein a recess is formed at a desired position on the surface of the base, and the nucleus is generated in the recess. 【請求項３】前記基体が、隣接して配された、核形成密
度の小さい非核形成面と、単一核のみより結晶成長する
に充分小さい面積を有し、前記非核形成面の核形成密度
より大きい核形成密度を有する核形成面とを有し、この
核形成面に前記核を生成させた請求項１記載のジョセフ
ソン接合素子。3. The nucleation density of the non-nucleation surface, wherein the substrate has a non-nucleation surface having a small nucleation density, which is arranged adjacent to each other, and an area small enough to grow crystals than only a single nucleus. The Josephson junction element according to claim 1, further comprising a nucleation surface having a higher nucleation density, and the nucleation surface is formed on the nucleation surface. 【請求項４】前記超伝導膜の化合物組成をＡ−Ｂ−Ｃ−
Ｄと表わすとき、ＡがLa,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Sc,Eu,Gd,Tb,
Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Bi,TlおよびＹよりなる群より選ば
れた一種以上の元素;BがBa,Ca,SrおよびPbよりなる群か
ら選ばれた一種以上の元素;CがV,Ti,Cr,Mn,Fe,Ni,Co,A
g,CdおよびCuよりなる群から選ばれた一種以上の元素;D
がＳおよびＯよりなる群から選ばれた一種以上の元素で
ある請求項１記載のジョセフソン接合素子。4. The compound composition of the superconducting film is ABCC-
When represented as D, A is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Sc, Eu, Gd, Tb,
One or more elements selected from the group consisting of Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Bi, Tl and Y; one or more elements selected from the group consisting of B, Ba, Ca, Sr and Pb; C is V, Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, A
one or more elements selected from the group consisting of g, Cd and Cu; D
2. The Josephson junction element according to claim 1, wherein is one or more elements selected from the group consisting of S and O.