JPH02264486A - 超電導膜弱結合素子 - Google Patents

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、結晶軸の方向が無秩序に配向した微結晶の粒
界の弱結合を用いた高速で、出力の大きい超電導素子に
関するものである。

〈従来の技術〉 最近、Ｌａ系、Ｙを含むランタンイド系、Ｂｉ系又はＴ
ノ系等で臨界温度Ｔｃが高い超電導材料が開発され、従
来の金属系や合金系超電導材料に比し、液体窒素で冷却
できる利点がでて、実用化が期待されている。

一方、従来から超電導特性を用いた素子にはジョセフソ
ン効果が利用され、この効果をもつトンネル型と弱結合
型の構造が用いられた。トンネル型接合は、２つの超電
導体の間に、超電導電子のコヒーレンス長以下の極薄絶
縁膜を介在させた構成であるが、この極薄絶縁膜の元素
の組成比、その均−性及び膜厚によってその接合の特性
や、信頼性などが大きく左右されることがあった。特に
酸化物超電導体は、そのコヒーレンス長が短かぐ数λ程
度であるため１作製する絶縁膜をこの人オーダーで均一
にする必要があるため作製が困難であり、酸化物超電導
体で良好なトンネル接合が得られなかった。

一方、弱結合の接合は素子の超電導体をその電極間で一
部断面積を小さくし、プリフジ型の構戊である。そして
、このブリッジ部の断面積も、使用した超電導体のコヒ
ーレンス長に依存するので酸化物超電導体で良好な動作
をする接合を得るには数十から数千人という微細加工が
必要になった。

〈発明が解決しようとする問題点〉 以上で説明したように、従来は超電導体でジョセフリン
効果をもつ接合を作製するとき、トンネル型接合は絶縁
膜の均一な作製と信頼性に問題があり１弱結合型接合は
ブリフジ部の微細加工に問題があり、Ｔｃが高くなった
酸化物超電導を有効に生かした検出素子を得ることがで
きなかった。

本発明は、従来のジョセフリン接合がもつ問題点を解消
し、特別な微細加工を必要としない超電導の弱結合によ
る高速スイッチング動作と、従来より高い出力をもち取
扱いが容易な超電導膜弱結合素子を提供することを目的
としている。

く問題点を解決するための手段〉 本発明の目的を達成するため、弱結合を構成する超電導
体のブリフジ部を微細な粒子から構成され、その粒子の
結晶軸が無秩序配向の電導膜で形成した超電導素子にし
た。

以上の無秩序配向微粒子からなる超電導膜の形成は、基
板の結晶性や熱膨張係数及び熱伝導率の選定、又は、そ
の超電導膜作製の成長速度や温度などを制御することで
得られる。

〈作　用〉 本発明の無秩序に構成微粒子の結晶軸が配向した超電導
体でブリフジ部を形成した弱結合部は、従来の結晶軸が
配向した粒子からなる超電導体のブリフジ部からなる弱
接合に比し、臨界電流が小さく、出力電圧も大きくなる
ので、本発明により超電導弱接合のブリフジ部の微細加
工条件が緩和され、また取扱いが容易になる。

本発明の効果は、酸化物超電導膜を多結晶の金属基板上
へ、比較的低温で成長させた超電導膜を用いたとき効果
を得ることができる。この効果は隣接した構成超電導粒
子の結晶軸の方向が異なると、その粒界の層によって臨
界電流密度を下げ、出力電圧を大きくするなどの効果を
生じ、更に、基板に用いた金属膜へのしみ出しか準粒子
になシ超電導体のブリフジ部の超電導電子対（クーパー
対）の減少をもたらし、そのブリコシ部の臨界電流密度
を下げる効果もあると考えられる。

〈実施例〉 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例は１組成比がＹ１’Ｂａ２Ｃｕ３０ｙ−ａの酸化
物超電導体を使用した。作製する超電導体のブリ・フジ
部は耐熱・耐酸化性の白金（Ｐｔ　）を基板上に成膜時
の温度を４５０℃以下（好しくは２００℃以下）にし、
結晶軸が無秩序配向の微粒子からなる膜を形成した。

以上の成膜条件を変えて基板温度を４５０℃以上にする
と粒子の結晶軸が配向した膜になる。

例えば、基板をＭｇＯの単結晶にしても、その基板温度
を２００℃にしてもｐｔの成膜をするとほぼ非晶質のＰ
ｔ薄膜になる。このＰｔ薄膜の基板を６００℃に保って
、前記のＹ系などの酸化物超電導体の成膜をすると無秩
序に結晶軸を配向し九粒径０．１〜１μ鴫程度の微粒子
からなるＹ系の超電導膜になるが、ＭｇＯ基板上に直接
成膜すると、Ｙ系超電導膜のＣ軸がＭｇＯ基板に垂直に
配向する。

以上の作成したＹ系のＰｔ膜上の膜から作った弱結合素
子の特性８１と、そのＭｇＯ基板上の・膜から作った弱
結合素子の特性を示したのが第６図である。この第６図
は縦軸が超電導弱接合をもつ素子に印加したバイアス電
流を、電流密度（Ａ／ｃ♂）に換算してあシ、横軸はそ
の素子に発生した電圧（ｍＶ）を示しである。

この第６図が示している。ようにＭｇＯ上の膜８１が、
Ｐｔ上の膜８２に比べ臨界電流密度が大きく１本発明の
結晶軸が無秩序に配向した粒子からなる膜８１の素子が
同じバイアス電流では高い出力電圧を発生し検出素子と
しての感度が向上して、取扱いが容易なことを示してい
る。

第１実施例 第１図に１本発明の第１実施例の構成を示した。

この図の（ａｌは正面図で、（ｂ）は［ａｌのｘ−ｘ’
断面図である。

この第１図ｆａｔは、基板１の上に部分的に金属のｐｔ
膜２を積層し、かつ、そのＰｔ膜上に超電導のブリッジ
部４と、その両側のＭｇＯ基板上の電極取付用超電導膜
８を形成した。続いて、超電導体膜３に、この素子のバ
イアス電流電極５，５′及び、素子が発生した電圧を検
出する電圧電極６゜６′をＴｉの真空蒸着で作製した。

第１図［ｂ）は、この［ａ）のｘ−ｘ’断面図であり、
作製した超電導膜はＭｇＯ基板１上の膜ａが基板１に垂
直な方向にＣ軸が配向し、Ｐｔ膜膜上上膜４は無秩序に
配向した微粒子からなる膜になっていた。

この第１図の素子の作製工程を斜視図で示したのが第２
図である。第２図の［ａｌは、マグネシア（ＭｇＯ）で
（１００）面単結晶基板１を２００℃に加熱しリフトオ
フ法を用いた電子ビーム蒸着で幅Ｗ工が５００μ溝で膜
厚αｌが０．２μ精のｐｔ膜２を形成した状態である。

その基板１を。

６００℃に加熱し、かつその基板１の近傍は５ｍＴＯｒ
ｒの酸素雰囲気に保ち、Ｙ、Ｂａ及びＣｕの各元素がＹ
：Ｂａ：Ｃｕ＝１：２：８の組成比の蒸着膜になるよう
制御した電子ビーム蒸着によシ厚さ０．５μｍの超電導
薄膜３．４を作製した。作製した超電導膜の臨界温度Ｔ
Ｃは８５にで７７にの臨界電流Ｊｃは基板上の膜３が２
×１０５Ａ／１２．Ｐｔ膜上の膜４が２Ｘ１０３Ａ／Ｊ
’の第６図の特性をもっていた。この第６図の縦軸は超
電導膜に印加したバイアス電流密度で、横軸はその膜が
発生した電圧である。図の点線の曲線８１はＰｔ膜上の
無秩序な結晶軸配向の微粒子からなる超電導膜４１．実
線の曲線３２はＭｇＯ基板上でＣ軸方向に成長した超電
導膜８の特性を示したものである。

以上のように作製した超電導膜をＰｔ上の中央部が細な
る形状に電子線のホトリソグラフと塩素（Ｃ））ガスを
用いた反応性スパッタにより、中央部の幅Ｗ、が５μｍ
のブリフジをもつ第２図ｆｂｌの形状にした。続いて、
メタルマスクを用いた電子ビーム蒸着のＴｉで膜厚０．
５μｍの′電流電極５゜５′及び電圧電極６．６′を作
製した。

以上のように作製した素子を７７Ｋに冷却し、バイアス
電流と１発生電圧の関係をグラフにし念のが第８図であ
る。この図の縦軸は素子の電流電極５．５′へ印加した
バイアス電流値、横軸は電圧電極６．６′で測定した発
生電圧である。

この第３図の測定の状態で素子のブリフジ部４に１０．
８ＧＨｚのマイクロ波を照射すると、その電圧−電流曲
線に約２０μＶ毎のシャピロステップが観測され、この
ブリッジ部がジョセフソン接合効果をもつことを示した
。

第２実施例 第４図、は、本発明の第２の実施例を示した正面図であ
る。この第２実施例で、第１の実施例と異なるのは超電
導粒子の配向性を制御する基板構成である。第４図は、
ブリフジ部の超電導膜４が、無配向金属膜２上に堆積さ
れ、電属部になる超電導膜３が結晶化金属膜２１．２２
上に堆積された構成を示している。

以上の第２の実施例の素子の作製工程を第５図を参照し
て説明する。

第５図の［ａｌは、表面が（１００）面のＳｉ単結晶基
板１に、図示していないが、１μｍのＡｉ膜を真空蒸着
で作り、フォトリングラフにより、素子のブリフジ部４
の部分のみ帯状の幅Ｗ１だけ残しておく。続いて、この
基板を５５０℃に加熱して、電子ビーム蒸着法により膜
厚α１が０．５μｍのＰｔ膜を形成した。形成したＰｔ
膜で少なくとも基板１上の膜２１．２２は結晶化して配
向していた。

以上の状態で、前の工程で形成した帯状のＡノ膜をＨａ
ＯＨ溶液で溶解し除却すれば、そのＡノ膜上のＰｔ膜も
同時に除却されるリフトオフ法になり第５図（ａｌの構
成になる。次に、この基板１を２００℃に加熱してＰｔ
膜が形成されていないブリフジ部に無配向で膜厚が０．
５μｍのＰｔ膜２を形成し第５図［ｂｌの形状にした。

以上の後は第１実施例と同じように、前記の構成の基板
１を６００℃に加熱し、その周囲を約５ｍＴｏｒｒの酸
化雰囲気に保って、蒸発源のＹ。

Ｂａ及びＣｕの各元素がＹ：Ｂａ　：Ｃｕ＝１　：２：
８の比になるよう蒸着し、超電導膜３．４を形成した。

以上のＰｔ膜上に成膜したＹ系酸化物超電導膜は、Ｐｔ
膜膜上上無秩序配向粒子の膜４になり、Ｐｔ膜２１．２
２上は、Ｃ軸が基板１面に垂直に配向した膜になまた。

続いてＣノガスによる反応性スパッタリングでこの図の
（Ｃ）に示した形状にした。このブリフジ部はその幅Ｗ
２を５μｍにした。

最後に１図の（ｄｌに示した電流電［５，５’と電圧電
極６．６′を、メタルマスクを用いた電子ビーム蒸着法
により膜厚０．５μｍのＴｉ薄膜で形成した。

以上の第２実施例２で作製した素子も第１実施例と同様
な測定により、同じようなバイアス電流値に対する発生
電圧の関係を示し、更にマイクロ波の照射に対してシャ
ピロステップが発生していることが観測され、更に波長
が短い赤外光照射によっても、照射光の波長に対応する
シャピロステップの発生が観測された。又、この素子は
、磁界に対しても超電導体の弱接合集合素子としての磁
気抵抗効果を示した。

以上は、本発明の実施例を示したもので、この超電導膜
検出素子のブリフジ部の膜厚や幅、長さなどを変えて素
子の感度を変えることもでき、微細加工の応用で小型化
も可能である。

本実施例１及び２では、超電導体のブリフジ部の幅を６
μ鴎にしたが、本発明者が、このブリフジ部の幅を０．
５μｍから１００μ溝の範囲で変化させて実験した結果
、実施例と同じようなバイアス電流−発生電圧の関係と
、マイクロ波照射によ虐 るシャピロステップの発生を確認され、測定電幌波の波
長に対応させた膜厚にして感度の制御が可能なことも分
った。

更に、実施例では超電導膜にＹＩＢ　ａ２　Ｃｕ３０）
−Ｘの組成の酸化物超電導体を用いたが、この組成に限
定されず、他の酸化物超電導体である（Ｌａ１−ｘＭＸ
）２ＣｕＯａ−ｘ（Ｍは、Ｂａ、Ｓｒ又はＣａなどＬ　
ＬｎＢａ２Ｃｕ３０７−Ｘ’　（Ｌｎは、Ｎｄ。

Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ又は
ｙｂなど）、Ｂｉ２５ｒ２Ｃａ２Ｃｕ３０１ｏ又はこの
Ｂｉの一部をＰｂで置換した例えば （Ｂｉｏｙ　Ｐｂｏ３）ｚ　　５ｒｚＣａｘＣｕ３０１
６など・Ｔｉ２Ｂ　ａ３　Ｃａ２　Ｃｕ３ｏｉ０１又は
、Ｂａ１−ｘＫｘＢｉ０３−８　等を用いても、実施例
の説明と同じ特性をもたせた素子を作製することが可能
である。

更に、本発明の素子を構成する超電導膜の作製も、実施
例の酸素ガス雰囲気を作っての電子ビーム蒸着法に限定
されることなく、他のスパッタ法。

ＣＶＤ法又はレーザ蒸着法などで作製してもよい。

〈発明の効果〉 本発明は、検出部になる超電導膜を、結晶軸を無秩序に
配向させた微粒子で構成して、その粒界効果で臨界電流
密度や臨界磁界を下げ、電磁波や磁界に対する感度を向
上させ、かつ、出力電圧の大きい超電導膜弱結合素子を
構成するものである。

以上の、弱結合素子は、検出部を構成する超電導粒子の
粒界に於て、両側の粒子の結晶軸の方向が異なる面で接
する粒界構成による特性と考えられる。

従って、弱結合素子のブリフジ部に特別な微細加工技術
を必要とせず、構造が簡単で高精度、高速の特性をもっ
た超電導膜の作製ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の［ａ）正面図と（ｂ）断
面図、第２図は第１実施例の素子の工程斜視図。 第３図は第１実施例の素子の電気的特性図、第４図は本
発明の第２実施例の正面図、第５図は第２実施例の素子
の工程斜視図、第６図は超電導膜の構成による電気特性
の相違を示した図である。 １は基板、２はＰｔ膜、３は電極部超電導膜、４は検出
部超電導膜、５と５′は電流電極、６と６′は電圧電極
。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）（Ｑ） 第 図 第 図 （α） Ｃｂ） 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導膜の弱結合を用いる素子において、前記超電
   導膜の少なくとも作動部に、結晶軸が無秩序に配向した
   微粒子からなる超電導膜を用いたことを特徴とする超電
   導膜弱結合素子。 ２、前記超電導膜が酸化物超電導体であることを特徴と
   する請求項１記載の超電導膜弱結合素子。 ３、前記結晶軸が無秩序に配向した微粒子からなる超電
   導膜は、耐熱性金属基板上に堆積した膜であることを特
   徴とする請求項１、又は、２記載の超電導膜弱結合素子
   。