JPH05160448A - Abrupt josephson device - Google Patents
Abrupt josephson deviceInfo
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- JPH05160448A JPH05160448A JP3347844A JP34784491A JPH05160448A JP H05160448 A JPH05160448 A JP H05160448A JP 3347844 A JP3347844 A JP 3347844A JP 34784491 A JP34784491 A JP 34784491A JP H05160448 A JPH05160448 A JP H05160448A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、超電導素子に関する。
より詳細には、本発明は、酸化物超電導体により構成さ
れた階段型ジョセフソン素子の新規な構成に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting device.
More specifically, the present invention relates to a novel structure of a step type Josephson device composed of an oxide superconductor.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来知られていた超電導材料は一般にヘ
リウムの液化温度以下の極低温でしか超電導体にならな
かったので、これを実用的に利用できる分野は非常に限
られていた。しかしながら、1986年に[La,Ba]2CuＯ4 あ
るいは[La,Sr]2CuＯ4 等の複合酸化物焼結体が高い臨界
温度を有する超電導材料であることが報告されて以来、
Ｙ−Ba−Cu−Ｏ系あるいはBi−Ca−Sr−Cu−Ｏ系等の複
合酸化物が極めて高い温度範囲で超電導特性を示すこと
が次々に確認された。このような高い温度で超電導特性
を示す材料は廉価な液体窒素を冷却媒体として使用する
ことができるので、超電導技術の応用が俄かに現実的な
課題として検討されるようになってきている。2. Description of the Related Art Conventionally known superconducting materials generally become superconductors only at extremely low temperatures below the liquefying temperature of helium, so that the fields in which they can be practically used have been very limited. However, since it was reported in 1986 that a complex oxide sintered body such as [La, Ba] 2 CuO 4 or [La, Sr] 2 CuO 4 was a superconducting material having a high critical temperature,
It was successively confirmed that composite oxides such as Y-Ba-Cu-O type or Bi-Ca-Sr-Cu-O type exhibit superconducting properties in an extremely high temperature range. Since a material exhibiting superconducting properties at such a high temperature can use inexpensive liquid nitrogen as a cooling medium, the application of superconducting technology is being considered as a practical problem.
【０００３】超電導現象を利用した最も基本的な電子素
子のひとつとしてジョセフソン素子が知られている。ジ
ョセフソン素子は、所謂ジョセフソン接合を介した１対
の超電導電極により構成されており、クーパー対のトン
ネル効果であると言われている直流ジョセフソン効果
や、離散的な電圧／電流特性を示す交流ジョセフソン効
果等の独特の特性を有している。The Josephson device is known as one of the most basic electronic devices utilizing the superconducting phenomenon. The Josephson element is composed of a pair of superconducting electrodes via a so-called Josephson junction, and exhibits a direct-current Josephson effect which is said to be a tunnel effect of Cooper pairs and discrete voltage / current characteristics. It has unique characteristics such as the AC Josephson effect.
【０００４】ジョセフソン素子は、その構造によりマイ
クロブリッジ型、トンネル型、ポイントコンタクト型等
種々の構成が知られているが、何れの構造の場合にも、
良好な特性が得られるジョセフソン接合の形成は非常に
難しい。その理由は、有効なジョセフソン効果が現れる
ようなジョセフソン接合を形成するためには、超電導材
料のコヒーレンス長の数倍程度という極めて微細な加工
技術が必要になるからである。The Josephson element is known to have various structures such as a microbridge type, a tunnel type and a point contact type, depending on its structure.
It is very difficult to form a Josephson junction with good characteristics. The reason is that in order to form a Josephson junction in which an effective Josephson effect appears, an extremely fine processing technique of about several times the coherence length of a superconducting material is required.
【０００５】図２は、上述のようなジョセフソン素子の
典型的な構造のひとつである階段型の素子構造を示す断
面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a staircase type device structure which is one of the typical structures of the Josephson device as described above.
【０００６】図２に示すジョセフソン素子は、階段型と
呼ばれる構造のもので、大きな段差１ａを形成された基
板１上に酸化物超電導薄膜２を堆積させることにより構
成されている。ここで、段差１ａ上の領域では、酸化物
超電導薄膜２の実効的な膜厚が非常に小さくなってお
り、この領域２ａをジョセフソン接合として利用するこ
とができる。The Josephson element shown in FIG. 2 has a structure called a step type, and is constructed by depositing an oxide superconducting thin film 2 on a substrate 1 having a large step 1a. Here, in the region on the step 1a, the effective film thickness of the oxide superconducting thin film 2 is very small, and this region 2a can be used as a Josephson junction.
【０００７】尚、酸化物超電導体は、一般にその結晶構
造により超電導特性に異方性を有することが知られてい
る。このため、図２に示したような素子では、超電導電
流の伝播方向に対して結晶のｃ軸が直角になるように配
向した酸化物超電導薄膜が使用される。It is known that oxide superconductors generally have anisotropy in superconducting properties due to their crystal structure. Therefore, in the device shown in FIG. 2, an oxide superconducting thin film is used in which the crystal c-axis is oriented at right angles to the propagation direction of the superconducting current.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上述のような構造の超
電導素子は、半導体製造技術として発達した微細加工技
術等を応用して基板を加工することにより、比較的確実
に所期の仕様を実現することができるものと考えられて
いる。ところが、実際に製作された超電導素子ではその
特性のばらつきが極めて大きく、実際に素子として機能
するものの歩留りは極めて低い。The superconducting element having the above-described structure achieves the intended specifications relatively reliably by processing the substrate by applying the fine processing technology developed as a semiconductor manufacturing technology. It is believed that you can. However, actually manufactured superconducting elements have extremely large variations in their characteristics, and although they actually function as elements, the yield is extremely low.
【０００９】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、所望の特性を再現性良く実現することができ
るような新規なジョセフソン素子を提供することをその
目的としている。Therefore, it is an object of the present invention to provide a novel Josephson device capable of solving the above-mentioned problems of the prior art and realizing desired characteristics with good reproducibility.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】即ち、本発明に従うと、
ジョセフソン接合領域に段差部を形成された基板と、該
基板上に堆積された酸化物超電導薄膜とを備えた階段型
のジョセフソン素子において、該段差部の傾斜部分が、
該基板の成膜面に対して40°〜45°の範囲内の角度をな
すように構成されていることを特徴とするジョセフソン
素子が提供される。That is, according to the present invention,
In a step type Josephson device including a substrate having a step formed in a Josephson junction region and an oxide superconducting thin film deposited on the substrate, an inclined part of the step is
There is provided a Josephson device, which is configured to form an angle within the range of 40 ° to 45 ° with respect to the film formation surface of the substrate.
【００１１】[0011]
【作用】本発明に係る超電導素子は、基板上の段差部に
おいて、その高さだけではなく傾斜部分の角度について
も最適化した点に主要な特徴がある。The superconducting element according to the present invention is characterized mainly in that not only the height of the stepped portion on the substrate but also the angle of the inclined portion is optimized.
【００１２】即ち、従来の階段型素子について詳細に検
討したところ、基板上に形成された段差部により物理的
に生じる膜厚の変化の他に、段差部の側面の傾斜部分で
結晶構造の連続性が乱れ、このために実効的な膜厚が変
化していることが判明した。また、甚だしい場合は、結
晶構造の完全な不連続が生じることもある。That is, a detailed study of the conventional staircase type device revealed that, in addition to the change in film thickness that physically occurs due to the step portion formed on the substrate, the crystal structure is continuous at the inclined portion on the side surface of the step portion. It was found that the film thickness was disturbed and the effective film thickness was changed accordingly. In addition, in extreme cases, complete discontinuity of crystal structure may occur.
【００１３】図２に示した断面構造を参照して説明する
と、段差部１ａの傾斜部分１ｂ以外の領域では、酸化物
超電導薄膜２は、基板１表面の結晶構造を反映した特定
の配向性を形成する。ところが、段差部１ａの傾斜部分
１ｂの表面の結晶構造は他の領域とは異なるものになっ
ているので、傾斜部分１ｂの上に堆積された酸化物薄膜
２では、超電導特性を発揮する特定の結晶構造が形成さ
れなくなる。従って、基板上に堆積させる酸化物超電導
薄膜の膜厚が充分に大きくなれば連続した超電導薄膜が
形成されるが、段差部分における特性は必ずしも所望の
ものと一致するとは限らない。このように、従来は、傾
斜部分における実質的な膜厚の変化が把握されていなか
ったので超電導素子の特性に大きなばらつきが発生して
いた。Explaining with reference to the sectional structure shown in FIG. 2, the oxide superconducting thin film 2 has a specific orientation in which the crystal structure of the surface of the substrate 1 is reflected in regions other than the inclined portion 1b of the step portion 1a. Form. However, since the crystal structure of the surface of the inclined portion 1b of the step portion 1a is different from that of other regions, the oxide thin film 2 deposited on the inclined portion 1b has a specific superconducting property. No crystal structure is formed. Therefore, if the thickness of the oxide superconducting thin film deposited on the substrate is sufficiently large, a continuous superconducting thin film is formed, but the characteristics in the step portion do not always match those desired. As described above, conventionally, since the substantial change in the film thickness in the inclined portion has not been grasped, a large variation has occurred in the characteristics of the superconducting element.
【００１４】これに対して、本発明に係る超電導素子に
おいては、基板段差部の傾斜を規定しており、この部分
における結晶構造の乱れを加味して超電導素子を設計
し、また作製することを可能にしている。On the other hand, in the superconducting element according to the present invention, the inclination of the substrate step portion is defined, and the superconducting element should be designed and manufactured in consideration of the disorder of the crystal structure in this portion. It is possible.
【００１５】ここで、傾斜部分の基板に対する角度を40
°〜45°としたのは、以下のような理由による。即ち、
傾斜部分の基板対する角度が40°よりも小さい場合は、
段差の傾斜面上でもｃ軸配向膜が形成されるので、段差
による人工粒界接合が形成され難い。また、傾斜部分の
基板対する角度が45°よりも大きい場合は、傾斜部分上
に多結晶膜や非晶質膜が形成され、この部分での結晶の
連続性が完全に失われる。Here, the angle of the inclined portion with respect to the substrate is set to 40.
The reason why the angle is set to ° to 45 ° is as follows. That is,
If the angle of the inclined part with respect to the substrate is less than 40 °,
Since the c-axis alignment film is formed even on the inclined surface of the step, it is difficult to form the artificial grain boundary junction due to the step. When the angle of the inclined portion with respect to the substrate is larger than 45 °, a polycrystalline film or an amorphous film is formed on the inclined portion, and the crystal continuity in this portion is completely lost.
【００１６】上述のように、特定の角度で形成された傾
斜部分上に形成された酸化物超電導薄膜では、基板との
界面近傍に非超電導層が形成されるが、その厚さは均一
であり、予めその厚さを予想して素子を設計することに
より、所期の特性を再現性良く実現することができる。As described above, in the oxide superconducting thin film formed on the inclined portion formed at a specific angle, the non-superconducting layer is formed in the vicinity of the interface with the substrate, but its thickness is uniform. By designing the element by predicting its thickness in advance, the desired characteristics can be realized with good reproducibility.
【００１７】以上のような特徴を備えた本発明に係る超
電導素子において、その超電導薄膜を形成するために
は、結晶構造に異方性を有する全ての酸化物超電導体を
使用することができるが、特に好ましい材料として、Ｙ
1Ba2Cu3 Ｏ7-X 、Bi2Sr2Ca2Cu3Ｏx 、Tl2Ba2Ca2Cu3Ｏx
等を例示することができる。In the superconducting device according to the present invention having the above characteristics, all oxide superconductors having an anisotropic crystal structure can be used for forming the superconducting thin film. As a particularly preferable material, Y
1 Ba 2 Cu 3 O 7-X , Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x , Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x
Etc. can be illustrated.
【００１８】また、基板材料としては、MgＯ（１００）
基板、SrTiＯ3 （１１０）基板、ＹＳＺ基板等を有利な
ものとして例示することができるが、これに限定される
わけではなく、例えば、成膜面に適切なバッファ層を装
荷したSi基板等も使用することができる。The substrate material is MgO (100)
Substrates, SrTiO 3 (110) substrates, YSZ substrates and the like can be exemplified as advantageous ones, but the present invention is not limited to this, and, for example, a Si substrate or the like having a suitable buffer layer loaded on the deposition surface can also be used. Can be used.
【００１９】更に、基板に段差部を形成する方法として
は公知の加工技術をいずれも適用することができる。ま
た、酸化物超電導薄膜の成膜方法としては、スパッタリ
ング法、ＭＢＥ法、真空蒸着法、レーザアブレーション
法等任意の方法を選択することができる。Further, as a method of forming the step portion on the substrate, any known processing technique can be applied. As a method for forming the oxide superconducting thin film, any method such as a sputtering method, an MBE method, a vacuum vapor deposition method, a laser ablation method can be selected.
【００２０】以下、本発明をより具体的に説明するが、
以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術
的範囲を何ら限定するものではない。The present invention will be described in more detail below.
The following disclosure is only one example of the present invention and does not limit the technical scope of the present invention.
【００２１】[0021]
【実施例】図１は、基板上に形成する段差部の傾斜部分
の角度を変えて作製した複数の試料における酸化物超電
導薄膜の結晶構造を模式的に示す図である。EXAMPLE FIG. 1 is a diagram schematically showing the crystal structure of an oxide superconducting thin film in a plurality of samples produced by changing the angle of the inclined portion of the step formed on the substrate.
【００２２】MgＯ（１００）基板とＹ1Ba2Cu3Ｏ7-x 薄
膜とにより、本発明に従うジョセフソン素子を作製し
た。A Josephson device according to the present invention was produced from a MgO (100) substrate and a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x thin film.
【００２３】まず、15mm×８mm、厚さ 0.5mmのMgＯ（１
００）基板の表面を、リン酸によるウェットエッチング
法で加工することにより、高さ 0.3μｍの段差部を形成
した。このとき、段差部の傾斜部分は、基板の成膜面に
対して40°の角度をなすように形成した。尚、傾斜部分
の傾斜角度は、エッチ剤の浸み込みによるサイドエッチ
ングを利用しエッチング速度を適切に設定することによ
り任意に設定できる。また、イオンミリング法による斜
めエッチングでも、所望の角度の傾斜部分を形成するこ
とができる。また、この処理の後に、必要に応じて超高
真空中で 350℃〜400 ℃のアニール処理を行うことも好
ましい。First, a 15 mm × 8 mm, 0.5 mm thick MgO (1
00) The surface of the substrate was processed by a wet etching method using phosphoric acid to form a step portion having a height of 0.3 μm. At this time, the inclined portion of the step portion was formed so as to form an angle of 40 ° with the film formation surface of the substrate. The inclination angle of the inclined portion can be arbitrarily set by appropriately setting the etching rate by utilizing side etching due to the penetration of the etchant. Further, even by oblique etching by the ion milling method, the inclined portion having a desired angle can be formed. Further, after this treatment, it is also preferable to perform an annealing treatment at 350 ° C. to 400 ° C. in an ultrahigh vacuum, if necessary.
【００２４】次に、この段差部を含む基板上に、スパッ
タリング法によりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-x 薄膜を成膜した。成
膜条件は下記の表１に示す通りである。Then, a Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x thin film was formed on the substrate including the step portion by a sputtering method. The film forming conditions are as shown in Table 1 below.
【００２５】[0025]
【表１】 [Table 1]
【００２６】図１(a) は、上述のようにして作製した試
料の断面構造を模式的に示す図である。同図に示すよう
に、傾斜部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２中
にはａ軸配向した超電導領域２ｃが形成されており、傾
斜部分２ｂの上方には、ｃ軸配向膜−ａ軸配向膜−ｃ軸
配向膜という組合せの人工粒界が形成されており、この
部分が所期の特性を発揮するジョセフソン接合を形成し
ていた。FIG. 1 (a) is a diagram schematically showing the cross-sectional structure of the sample manufactured as described above. As shown in the figure, an a-axis oriented superconducting region 2c is formed in the oxide superconducting thin film 2 formed on the inclined portion 1b, and a c-axis oriented film -a is formed above the inclined portion 2b. An artificial grain boundary of a combination of an axial alignment film and a c-axis alignment film was formed, and this portion formed a Josephson junction exhibiting desired characteristics.
【００２７】〔比較例１〕図１(b) は、段差部１ａの傾
斜部分の角度を約30°としたこと以外は、実施例と全く
同じ材料および条件で作製した試料における配向性の分
布を模式的に示す図である。[Comparative Example 1] FIG. 1 (b) shows the distribution of orientation in samples prepared by using exactly the same materials and conditions as in Example except that the angle of the inclined portion of the stepped portion 1a was about 30 °. It is a figure which shows typically.
【００２８】同図に示すように、この試料において傾斜
部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２は全体がｃ
軸配向しており、図示した範囲だけでジョセフソン素子
を構成することはできなかった。As shown in the figure, the oxide superconducting thin film 2 formed on the inclined portion 1b in this sample is entirely c.
Because of the axial orientation, it was not possible to construct a Josephson device within the range shown.
【００２９】〔比較例２〕図１(c) は、段差部１ａの傾
斜部分の角度を約60°としたこと以外は、実施例と全く
同じ材料および条件で作製した試料における配向性の分
布を模式的に示す図である。[Comparative Example 2] FIG. 1 (c) shows the orientation distribution in a sample prepared by using the same materials and conditions as in Example except that the angle of the inclined portion of the step portion 1a was set to about 60 °. It is a figure which shows typically.
【００３０】同図に示すように、この試料において傾斜
部分１ｂ上に形成された酸化物超電導薄膜２中では、酸
化物超電導体が多結晶または非晶質となっており、この
領域で超電導体の結晶の連続が絶たれていた。As shown in the figure, in the oxide superconducting thin film 2 formed on the inclined portion 1b in this sample, the oxide superconductor is polycrystalline or amorphous, and the superconductor is present in this region. The crystal sequence was broken.
【００３１】[0031]
【発明の効果】以上詳述の如く、本発明に従って構成さ
れた超電導素子は、そのジョセフソン接合部において所
望の特性を再現性良く出現させることができる。As described above in detail, the superconducting device constructed according to the present invention can exhibit desired characteristics with good reproducibility in its Josephson junction.
【図１】実施例における酸化物超電導薄膜の配向性の分
布を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing the orientation distribution of an oxide superconducting thin film in Examples.
【図２】階段型のジョセフソン素子の典型的な構成を示
す図である。FIG. 2 is a diagram showing a typical configuration of a step-type Josephson element.
【符号の説明】 １ 基板、 １ａ 段差部、 １ｂ 傾斜部分、 ２ 酸化物超電導薄膜（ｃ軸配向膜）、 ２ａ ジョセフソン接合領域、 ２ｂ 非超電導領域 ２ｃ 酸化物超電導薄膜（ａ軸配向膜）[Explanation of reference numerals] 1 substrate, 1a stepped portion, 1b inclined portion, 2 oxide superconducting thin film (c-axis oriented film), 2a Josephson junction region, 2b non-superconducting region 2c oxide superconducting thin film (a-axis oriented film)
Claims (1)
た基板と、該基板上に堆積された酸化物超電導薄膜とを
備えた階段型のジョセフソン素子において、 該段差部の傾斜部分が、該基板の成膜面に対して40°〜
45°の範囲内の角度をなすように構成されていることを
特徴とするジョセフソン素子。1. A step type Josephson device comprising a substrate having a step portion formed in a Josephson junction region and an oxide superconducting thin film deposited on the substrate, wherein an inclined portion of the step portion is 40 ° to the film forming surface of the substrate
Josephson device characterized by being configured to form an angle within the range of 45 °.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3347844A JPH05160448A (en) | 1991-12-03 | 1991-12-03 | Abrupt josephson device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3347844A JPH05160448A (en) | 1991-12-03 | 1991-12-03 | Abrupt josephson device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05160448A true JPH05160448A (en) | 1993-06-25 |
Family
ID=18392994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3347844A Withdrawn JPH05160448A (en) | 1991-12-03 | 1991-12-03 | Abrupt josephson device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05160448A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08162681A (en) * | 1994-12-07 | 1996-06-21 | Hitachi Ltd | Superconducting circuit |
| JP2015514322A (en) * | 2012-04-04 | 2015-05-18 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | Reproducible step edge type Josephson junction |
-
1991
- 1991-12-03 JP JP3347844A patent/JPH05160448A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08162681A (en) * | 1994-12-07 | 1996-06-21 | Hitachi Ltd | Superconducting circuit |
| JP2015514322A (en) * | 2012-04-04 | 2015-05-18 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | Reproducible step edge type Josephson junction |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19990311 |