JPH05251771A - 人工粒界型ジョセフソン接合素子およびその作製方法 - Google Patents
人工粒界型ジョセフソン接合素子およびその作製方法Info
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- JPH05251771A JPH05251771A JP4327399A JP32739992A JPH05251771A JP H05251771 A JPH05251771 A JP H05251771A JP 4327399 A JP4327399 A JP 4327399A JP 32739992 A JP32739992 A JP 32739992A JP H05251771 A JPH05251771 A JP H05251771A
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- Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
- Y10S505/917—Mechanically manufacturing superconductor
- Y10S505/922—Making josephson junction device
Abstract
(57)【要約】
【構成】 成膜面の一部の領域52をウェットエッチング
したMgＯ（１００）基板５上に、ｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3
Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を成長させる。Ｙ1Ba2 Cu3Ｏ
7-X 酸化物超電導薄膜１のウェットエッチングされてい
ない成膜面の領域51上に成長した部分11と、ウェットエ
ッチングされた成膜面の領域52に成長した部分12とで
は、結晶のａ軸、ｂ軸が互いに45°ずれ、結晶粒界３が
障壁の超電導接合になる。 【効果】 微細加工せずに弱結合型の超電導接合が容易
に作製できる。
したMgＯ（１００）基板５上に、ｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3
Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を成長させる。Ｙ1Ba2 Cu3Ｏ
7-X 酸化物超電導薄膜１のウェットエッチングされてい
ない成膜面の領域51上に成長した部分11と、ウェットエ
ッチングされた成膜面の領域52に成長した部分12とで
は、結晶のａ軸、ｂ軸が互いに45°ずれ、結晶粒界３が
障壁の超電導接合になる。 【効果】 微細加工せずに弱結合型の超電導接合が容易
に作製できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、人工粒界型ジョセフソ
ン接合素子およびその作製方法に関する。より詳細に
は、酸化物超電導体を用いており、作製が容易である新
規な人工粒界型ジョセフソン接合素子に関する。
ン接合素子およびその作製方法に関する。より詳細に
は、酸化物超電導体を用いており、作製が容易である新
規な人工粒界型ジョセフソン接合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ジョセフソン接合素子を実現する構成は
各種あって、最も好ましい構造は、一対の超電導体で薄
い絶縁体をはさんだトンネル型の接合素子である。しか
しながら、点接触型、マイクロブリッジ型等一対の超電
導体を弱く結合した弱結合型のジョセフソン接合素子
も、特性は異なるもののジョセフソン効果を発揮する。
一般に、このようなジョセフソン接合素子は非常に微細
な構成であり、上記の超電導体および絶縁体は、いわゆ
る薄膜で構成されている。
各種あって、最も好ましい構造は、一対の超電導体で薄
い絶縁体をはさんだトンネル型の接合素子である。しか
しながら、点接触型、マイクロブリッジ型等一対の超電
導体を弱く結合した弱結合型のジョセフソン接合素子
も、特性は異なるもののジョセフソン効果を発揮する。
一般に、このようなジョセフソン接合素子は非常に微細
な構成であり、上記の超電導体および絶縁体は、いわゆ
る薄膜で構成されている。
【０００３】例えば、超電導体に酸化物超電導体を使用
してトンネル型ジョセフソン接合素子を実現する場合に
は、基板上に第１の酸化物超電導薄膜、絶縁体薄膜およ
び第２の酸化物超電導薄膜を順に積層する。
してトンネル型ジョセフソン接合素子を実現する場合に
は、基板上に第１の酸化物超電導薄膜、絶縁体薄膜およ
び第２の酸化物超電導薄膜を順に積層する。
【０００４】トンネル型ジョセフソン接合素子における
絶縁体の厚さは、超電導体のコヒーレンス長によって決
まる。酸化物超電導体は、コヒーレンス長が非常に短い
ため、酸化物超電導体を使用したトンネル型ジョセフソ
ン接合素子においては、絶縁体の厚さは数nm程度にしな
ければならない。
絶縁体の厚さは、超電導体のコヒーレンス長によって決
まる。酸化物超電導体は、コヒーレンス長が非常に短い
ため、酸化物超電導体を使用したトンネル型ジョセフソ
ン接合素子においては、絶縁体の厚さは数nm程度にしな
ければならない。
【０００５】また、点接触型ジョセフソン接合素子、マ
イクロブリッジ型ジョセフソン接合素子は、いずれも一
対の超電導体の弱結合が実現するような非常に微細な加
工を必要とする。
イクロブリッジ型ジョセフソン接合素子は、いずれも一
対の超電導体の弱結合が実現するような非常に微細な加
工を必要とする。
【０００６】一方、ジョセフソン接合素子の動作特性を
考慮すると、ジョセフソン接合素子を構成する各層は、
結晶性がよく、単結晶または単結晶にごく近い配向性を
有する多結晶でなければならない。
考慮すると、ジョセフソン接合素子を構成する各層は、
結晶性がよく、単結晶または単結晶にごく近い配向性を
有する多結晶でなければならない。
【０００７】上記のトンネル型ジョセフソン接合素子で
は、それぞれ結晶性のよい第１の酸化物超電導薄膜、絶
縁体の薄膜および第２の酸化物超電導薄膜を積層しなけ
ればならない。酸化物超電導薄膜上にごく薄く、且つ結
晶性のよい絶縁体の薄膜を積層することは困難であり、
この絶縁体薄膜のさらに上に結晶性のよい酸化物超電導
薄膜を形成するのは酸化物超電導体の特性上非常に困難
である。また、上記の積層構造が実現しても、従来は酸
化物超電導体と絶縁体との界面の状態が良好でなく所望
の特性が得られなかった。
は、それぞれ結晶性のよい第１の酸化物超電導薄膜、絶
縁体の薄膜および第２の酸化物超電導薄膜を積層しなけ
ればならない。酸化物超電導薄膜上にごく薄く、且つ結
晶性のよい絶縁体の薄膜を積層することは困難であり、
この絶縁体薄膜のさらに上に結晶性のよい酸化物超電導
薄膜を形成するのは酸化物超電導体の特性上非常に困難
である。また、上記の積層構造が実現しても、従来は酸
化物超電導体と絶縁体との界面の状態が良好でなく所望
の特性が得られなかった。
【０００８】一方、点接触型ジョセフソン接合素子、マ
イクロブリッジ型ジョセフソン接合素子を実現するよう
な、微細な加工を酸化物超電導体に行うことが非常に困
難であり、酸化物超電導体を使用して安定した性能のジ
ョセフソン接合素子を再現性よく作製することができな
かった。
イクロブリッジ型ジョセフソン接合素子を実現するよう
な、微細な加工を酸化物超電導体に行うことが非常に困
難であり、酸化物超電導体を使用して安定した性能のジ
ョセフソン接合素子を再現性よく作製することができな
かった。
【０００９】上記の問題に対処して、酸化物超電導体の
微細加工をできるだけ避けるために、酸化物超電導体特
有の性質を利用したジョセフソン接合素子を作製する研
究が行われている。酸化物超電導体は、結晶方向により
超電導特性がかなり異なる。そのため、結晶方向の異な
る酸化物超電導体同士を接合すると、その接合界面の結
晶粒界が障壁となり、ジョセフソン接合が形成される。
このジョセフソン接合を利用したジョセフソン接合素子
は、人工粒界型ジョセフソン接合素子と呼ばれ、上記の
ような微細加工を行わずに作製できる。
微細加工をできるだけ避けるために、酸化物超電導体特
有の性質を利用したジョセフソン接合素子を作製する研
究が行われている。酸化物超電導体は、結晶方向により
超電導特性がかなり異なる。そのため、結晶方向の異な
る酸化物超電導体同士を接合すると、その接合界面の結
晶粒界が障壁となり、ジョセフソン接合が形成される。
このジョセフソン接合を利用したジョセフソン接合素子
は、人工粒界型ジョセフソン接合素子と呼ばれ、上記の
ような微細加工を行わずに作製できる。
【００１０】図４に、結晶方向の異なる酸化物超電導体
を接合して構成したジョセフソン接合素子の例を示す。
図４に示したジョセフソン接合素子は、基板５上に形成
されたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜１で構成されてい
る。図示したように酸化物超電導薄膜１はｃ軸配向の酸
化物超電導薄膜であり、ａ軸、ｂ軸の方向が互いに45°
ずれている２つの超電導領域11および12を有する。その
ため、超電導領域11および12の界面３が結晶粒界とな
り、それを障壁とするジョセフソン接合素子が構成され
る。
を接合して構成したジョセフソン接合素子の例を示す。
図４に示したジョセフソン接合素子は、基板５上に形成
されたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜１で構成されてい
る。図示したように酸化物超電導薄膜１はｃ軸配向の酸
化物超電導薄膜であり、ａ軸、ｂ軸の方向が互いに45°
ずれている２つの超電導領域11および12を有する。その
ため、超電導領域11および12の界面３が結晶粒界とな
り、それを障壁とするジョセフソン接合素子が構成され
る。
【００１１】上記の人工粒界型ジョセフソン接合素子を
作製する場合、従来は、結晶方向のみが異なる同一材料
の基板を接合し、その上に酸化物超電導薄膜を成膜して
左右で結晶方向が異なる酸化物超電導薄膜を形成した。
また、基板の成膜面の一部にその上に成長する酸化物超
電導薄膜の結晶方向が、基板成膜面上に直接成長する酸
化物超電導薄膜の結晶方向と異なる方向になるような材
料のバッファ層を形成し、その上に酸化物超電導薄膜を
成膜した。
作製する場合、従来は、結晶方向のみが異なる同一材料
の基板を接合し、その上に酸化物超電導薄膜を成膜して
左右で結晶方向が異なる酸化物超電導薄膜を形成した。
また、基板の成膜面の一部にその上に成長する酸化物超
電導薄膜の結晶方向が、基板成膜面上に直接成長する酸
化物超電導薄膜の結晶方向と異なる方向になるような材
料のバッファ層を形成し、その上に酸化物超電導薄膜を
成膜した。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
方法では、結晶方向の異なる基板を接合することが困難
であり、特に接合界面がシャープにならず、その結果ジ
ョセフソン接合の障壁もシャープに形成できなかった。
後者の方法では、このような性質を有し、且つ酸化物超
電導体に全く悪影響を与えない材料は極めて少ない。そ
こで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た、人工粒界型ジョセフソン接合素子およびその作製方
法を提供することにある。
方法では、結晶方向の異なる基板を接合することが困難
であり、特に接合界面がシャープにならず、その結果ジ
ョセフソン接合の障壁もシャープに形成できなかった。
後者の方法では、このような性質を有し、且つ酸化物超
電導体に全く悪影響を与えない材料は極めて少ない。そ
こで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し
た、人工粒界型ジョセフソン接合素子およびその作製方
法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、少なく
とも露出している結晶格子の格子間隔が互いに異なる第
１および第２の領域で構成された成膜面を有する基板
と、成膜面の第１および第２の領域上に連続して成膜さ
れたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜とを具備し、酸化物超
電導薄膜が、成膜面の第１および第２の領域にそれぞれ
対応した第１および第２の超電導領域を具備し、第１お
よび第２の超電導領域のそれぞれを構成する酸化物超電
導体結晶のａ軸同士およびｂ軸同士が、一定の角度をな
し、第１および第２の超電導領域の界面の結晶粒界が障
壁となっていることを特徴とする人工粒界型ジョセフソ
ン接合素子が提供される。
とも露出している結晶格子の格子間隔が互いに異なる第
１および第２の領域で構成された成膜面を有する基板
と、成膜面の第１および第２の領域上に連続して成膜さ
れたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜とを具備し、酸化物超
電導薄膜が、成膜面の第１および第２の領域にそれぞれ
対応した第１および第２の超電導領域を具備し、第１お
よび第２の超電導領域のそれぞれを構成する酸化物超電
導体結晶のａ軸同士およびｂ軸同士が、一定の角度をな
し、第１および第２の超電導領域の界面の結晶粒界が障
壁となっていることを特徴とする人工粒界型ジョセフソ
ン接合素子が提供される。
【００１４】上記本発明の人工粒界型ジョセフソン接合
素子は、基板成膜面に段差が設けられており、成膜面の
第１および第２の領域が、段差の上側および下側である
構成であってもよい。また、基板成膜面の第１および第
２の領域の少なくとも一方が、MgＯで構成されていても
よい。
素子は、基板成膜面に段差が設けられており、成膜面の
第１および第２の領域が、段差の上側および下側である
構成であってもよい。また、基板成膜面の第１および第
２の領域の少なくとも一方が、MgＯで構成されていても
よい。
【００１５】本発明では、上記本発明の人工粒界型ジョ
セフソン接合素子を作製する方法として、単結晶基板の
成膜面の少なくとも一部をウェットエッチングする工程
と、該ウェットエッチングされた領域を含む該成膜面上
に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを含むことを特徴
とする人工粒界型ジョセフソン接合素子の作製方法が提
供される。
セフソン接合素子を作製する方法として、単結晶基板の
成膜面の少なくとも一部をウェットエッチングする工程
と、該ウェットエッチングされた領域を含む該成膜面上
に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを含むことを特徴
とする人工粒界型ジョセフソン接合素子の作製方法が提
供される。
【００１６】本発明の方法は、単結晶基板の成膜面の一
部をウェットエッチングして段差を設ける工程と、該基
板成膜面上に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを含む
ことを特徴とする方法であってもよい。また、単結晶基
板の成膜面をウェットエッチングする工程と、該ウェッ
トエッチング処理された成膜面の一部をドライエッチン
グし、表面近傍を除去し、該成膜面上に酸化物超電導薄
膜を成膜する工程とを含むことを特徴とする方法でもよ
い。さらに、本発明の方法は、単結晶基板の成膜面の一
部をエッチングして該基板成膜面上に段差を形成する工
程と、該段差の下側のみに酸化物超電導薄膜の下地とな
り得るMgＯ以外の材料の層を形成し、前記成膜面を実質
的に平坦にする工程と、該基板の成膜面をウェットエッ
チングにより処理する工程と、該ウェットエッチング処
理後の成膜面上に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを
含むことを特徴とする方法にすることもできる。
部をウェットエッチングして段差を設ける工程と、該基
板成膜面上に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを含む
ことを特徴とする方法であってもよい。また、単結晶基
板の成膜面をウェットエッチングする工程と、該ウェッ
トエッチング処理された成膜面の一部をドライエッチン
グし、表面近傍を除去し、該成膜面上に酸化物超電導薄
膜を成膜する工程とを含むことを特徴とする方法でもよ
い。さらに、本発明の方法は、単結晶基板の成膜面の一
部をエッチングして該基板成膜面上に段差を形成する工
程と、該段差の下側のみに酸化物超電導薄膜の下地とな
り得るMgＯ以外の材料の層を形成し、前記成膜面を実質
的に平坦にする工程と、該基板の成膜面をウェットエッ
チングにより処理する工程と、該ウェットエッチング処
理後の成膜面上に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを
含むことを特徴とする方法にすることもできる。
【００１７】
【作用】本発明の人工粒界型ジョセフソン接合素子は、
少なくとも露出している結晶格子の格子間隔が互いに異
なる第１および第２の領域で構成された基板成膜面の第
１および第２の領域にそれぞれ形成された第１および第
２の超電導領域が一体のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で
構成されており、第１および第２の超電導領域をそれぞ
れ構成する酸化物超電導体結晶は、結晶方向が一定の角
度だけ異なる。そして、この結晶粒界がジョセフソン接
合の接合面になっている。本発明のジョセフソン接合素
子では、単結晶の酸化物超電導体結晶間の結晶粒界が障
壁になっているので、障壁が非常にシャープであり、ジ
ョセフソン接合素子としての特性が優れている。
少なくとも露出している結晶格子の格子間隔が互いに異
なる第１および第２の領域で構成された基板成膜面の第
１および第２の領域にそれぞれ形成された第１および第
２の超電導領域が一体のｃ軸配向の酸化物超電導薄膜で
構成されており、第１および第２の超電導領域をそれぞ
れ構成する酸化物超電導体結晶は、結晶方向が一定の角
度だけ異なる。そして、この結晶粒界がジョセフソン接
合の接合面になっている。本発明のジョセフソン接合素
子では、単結晶の酸化物超電導体結晶間の結晶粒界が障
壁になっているので、障壁が非常にシャープであり、ジ
ョセフソン接合素子としての特性が優れている。
【００１８】本発明の人工粒界型ジョセフソン接合素子
は、基板成膜面に段差が設けられており、成膜面の第１
および第２の領域が、段差の上側および下側に配置さ
れ、段差部分にジョセフソン接合の接合面が配置されて
いる構成であってもよい。即ち、いわゆる段差型のジョ
セフソン接合素子と外観上同様な構成とすることができ
る。また、基板成膜面の第１および第２の領域の少なく
とも一方が、MgＯで構成されていてもよい。
は、基板成膜面に段差が設けられており、成膜面の第１
および第２の領域が、段差の上側および下側に配置さ
れ、段差部分にジョセフソン接合の接合面が配置されて
いる構成であってもよい。即ち、いわゆる段差型のジョ
セフソン接合素子と外観上同様な構成とすることができ
る。また、基板成膜面の第１および第２の領域の少なく
とも一方が、MgＯで構成されていてもよい。
【００１９】本発明の方法では、以下の方法で上記本発
明の人工粒界型ジョセフソン接合素子を作製する。MgＯ
単結晶基板成膜面の少なくとも一部を、Ｈ3ＰＯ4、ＨCl
等でウェットエッチングする。ウェットエッチング処理
を行ったMgＯ基板成膜面の上に酸化物超電導薄膜を成膜
する。この酸化物超電導薄膜のMgＯ基板成膜面のウェッ
トエッチングされた領域上の部分は、ウェットエッチン
グされていない領域上の部分に対し、対応する結晶軸が
基板に対して水平な方向に45°回転しており、酸化物超
電導薄膜のこれらの部分の間には結晶粒界が生ずる。必
要に応じ、この酸化物超電導薄膜を適当な形状に加工し
たり、電極等を設け、結晶粒界部分をジョセフソン接合
の障壁とするように構成して本発明の人工粒界型ジョセ
フソン接合素子が完成する。
明の人工粒界型ジョセフソン接合素子を作製する。MgＯ
単結晶基板成膜面の少なくとも一部を、Ｈ3ＰＯ4、ＨCl
等でウェットエッチングする。ウェットエッチング処理
を行ったMgＯ基板成膜面の上に酸化物超電導薄膜を成膜
する。この酸化物超電導薄膜のMgＯ基板成膜面のウェッ
トエッチングされた領域上の部分は、ウェットエッチン
グされていない領域上の部分に対し、対応する結晶軸が
基板に対して水平な方向に45°回転しており、酸化物超
電導薄膜のこれらの部分の間には結晶粒界が生ずる。必
要に応じ、この酸化物超電導薄膜を適当な形状に加工し
たり、電極等を設け、結晶粒界部分をジョセフソン接合
の障壁とするように構成して本発明の人工粒界型ジョセ
フソン接合素子が完成する。
【００２０】上記本発明の方法で、上記本発明の人工粒
界型ジョセフソン接合素子が作製可能である理由は、以
下の通りである。MgＯはＨ3ＰＯ4、ＨCl等でウェットエ
ッチングされるとウェットエッチングされた面に露出し
ている結晶格子の間隔が、異なる結晶方位の薄膜がその
上に成長することを許容するように変化する。従って、
一部をウェットエッチング処理されたMgＯ基板では、成
膜面に露出しているMgＯ結晶の格子定数と、酸化物超電
導体結晶の格子定数との関係が、ウェットエッチングさ
れた領域とそうでない領域とで異なってくる。一般に酸
化物超電導薄膜は、MgＯ単結晶基板上にエピタキシャル
成長するが、その際、MgＯ基板の成膜面のウェットエッ
チングされた領域上に成長する酸化物超電導薄膜は、そ
うでない領域上に成長する酸化物超電導薄膜と結晶方向
が、異なることになる。
界型ジョセフソン接合素子が作製可能である理由は、以
下の通りである。MgＯはＨ3ＰＯ4、ＨCl等でウェットエ
ッチングされるとウェットエッチングされた面に露出し
ている結晶格子の間隔が、異なる結晶方位の薄膜がその
上に成長することを許容するように変化する。従って、
一部をウェットエッチング処理されたMgＯ基板では、成
膜面に露出しているMgＯ結晶の格子定数と、酸化物超電
導体結晶の格子定数との関係が、ウェットエッチングさ
れた領域とそうでない領域とで異なってくる。一般に酸
化物超電導薄膜は、MgＯ単結晶基板上にエピタキシャル
成長するが、その際、MgＯ基板の成膜面のウェットエッ
チングされた領域上に成長する酸化物超電導薄膜は、そ
うでない領域上に成長する酸化物超電導薄膜と結晶方向
が、異なることになる。
【００２１】従って、上記本発明の方法によれば、互い
に異なる２方向の結晶方向をそれぞれ有する単結晶の酸
化物超電導体結晶が同時に成長し、１枚の酸化物超電導
薄膜を形成し、本発明の人工粒界型ジョセフソン接合素
子が作製できる。上記本発明の方法では、成膜方法とし
てスパッタリング法、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使用することができる。
に異なる２方向の結晶方向をそれぞれ有する単結晶の酸
化物超電導体結晶が同時に成長し、１枚の酸化物超電導
薄膜を形成し、本発明の人工粒界型ジョセフソン接合素
子が作製できる。上記本発明の方法では、成膜方法とし
てスパッタリング法、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使用することができる。
【００２２】上記本発明の方法では、上記の基板成膜面
をウェットエッチングにより処理する際に、基板成膜面
に段差を設けてもよい。即ち、基板成膜面の一部をウェ
ットエッチングして段差を設け、酸化物超電導薄膜を成
膜することも好ましい。また、基板成膜面全体をウェッ
トエッチングし、一部をドライエッチングして表面近傍
を除去することも好ましい。さらに、基板成膜面の一部
をエッチングして段差を設け、段差の下側の部分に酸化
物超電導薄膜の下地となり得るMgＯ以外の材料の層を形
成し、実質的に基板成膜面を平坦にした後、基板成膜面
全体をウェットエッチングすることも好ましい。
をウェットエッチングにより処理する際に、基板成膜面
に段差を設けてもよい。即ち、基板成膜面の一部をウェ
ットエッチングして段差を設け、酸化物超電導薄膜を成
膜することも好ましい。また、基板成膜面全体をウェッ
トエッチングし、一部をドライエッチングして表面近傍
を除去することも好ましい。さらに、基板成膜面の一部
をエッチングして段差を設け、段差の下側の部分に酸化
物超電導薄膜の下地となり得るMgＯ以外の材料の層を形
成し、実質的に基板成膜面を平坦にした後、基板成膜面
全体をウェットエッチングすることも好ましい。
【００２３】このように作製された本発明の人工粒界型
ジョセフソン接合素子は、第１および第２の超電導領域
が同時に形成され、結晶方向以外は全て等しい酸化物超
電導体で構成されている。また、微細加工が不必要であ
り、自然に成長した結晶方向の異なる単結晶の結晶粒界
が障壁となっているので、特性が単に優れているだけで
なく、再現性よく作製できる。
ジョセフソン接合素子は、第１および第２の超電導領域
が同時に形成され、結晶方向以外は全て等しい酸化物超
電導体で構成されている。また、微細加工が不必要であ
り、自然に成長した結晶方向の異なる単結晶の結晶粒界
が障壁となっているので、特性が単に優れているだけで
なく、再現性よく作製できる。
【００２４】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
【００２５】
【実施例】実施例１ 本発明の方法で本発明の人工粒界型ジョセフソン接合素
子を作製した。図１を参照して、その工程を説明する。
まず、図１(a)に示すようMgＯ（１００）基板５の成膜
面の左半分をＨ3ＰＯ4によりウェットエッチングし、図
１(b)に示すよう、段差53を設けた。段差53は、50nm以
上の高さに形成されている。この処理により、MgＯ（１
００）基板５の成膜面のウェットエッチングされた領域
52は、そうでない領域51と比較したときに表面に露出し
ているMgＯ結晶の結晶格子の間隔が異なる結晶方位の薄
膜がその上に成長することを許容するように変化してい
た。
子を作製した。図１を参照して、その工程を説明する。
まず、図１(a)に示すようMgＯ（１００）基板５の成膜
面の左半分をＨ3ＰＯ4によりウェットエッチングし、図
１(b)に示すよう、段差53を設けた。段差53は、50nm以
上の高さに形成されている。この処理により、MgＯ（１
００）基板５の成膜面のウェットエッチングされた領域
52は、そうでない領域51と比較したときに表面に露出し
ているMgＯ結晶の結晶格子の間隔が異なる結晶方位の薄
膜がその上に成長することを許容するように変化してい
た。
【００２６】次に、図１(c)に示すよう、左半分をウェ
ットエッチングした上記のMgＯ基板５に、成膜面のウェ
ットエッチングされていない領域51の側からできるだけ
浅い角度で斜め方向からArイオンを照射して、領域51に
パターニングの際に付着した汚れを除去する。この際、
領域52の表面がエッチングされないようにする。次い
で、１×10-9Torr以下の高真空中で350〜400℃に加熱す
る熱処理を行って、MgＯ基板５の成膜面の各領域51、52
を清浄にした後、図１(d)に示すよう、MgＯ基板５の成
膜面の領域51、52上にわたるＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導薄膜１をスパッタリング法で成膜する。成膜条件を以
下に示す。 基板温度 700℃ スパッタリングガス Ar 90％ Ｏ2 10％ 圧力 7.5×10-2Torr 膜厚 300nm このＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１は、図１(d)に
示すよう、MgＯ基板５の成膜面のウェットエッチングさ
れていない領域51上に成長した部分11と、ウェットエッ
チングされた領域52上に成長した部分12とで、結晶のａ
軸、ｂ軸が互いに45°ずれていた。また、結晶粒界３が
障壁になっている。
ットエッチングした上記のMgＯ基板５に、成膜面のウェ
ットエッチングされていない領域51の側からできるだけ
浅い角度で斜め方向からArイオンを照射して、領域51に
パターニングの際に付着した汚れを除去する。この際、
領域52の表面がエッチングされないようにする。次い
で、１×10-9Torr以下の高真空中で350〜400℃に加熱す
る熱処理を行って、MgＯ基板５の成膜面の各領域51、52
を清浄にした後、図１(d)に示すよう、MgＯ基板５の成
膜面の領域51、52上にわたるＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電
導薄膜１をスパッタリング法で成膜する。成膜条件を以
下に示す。 基板温度 700℃ スパッタリングガス Ar 90％ Ｏ2 10％ 圧力 7.5×10-2Torr 膜厚 300nm このＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１は、図１(d)に
示すよう、MgＯ基板５の成膜面のウェットエッチングさ
れていない領域51上に成長した部分11と、ウェットエッ
チングされた領域52上に成長した部分12とで、結晶のａ
軸、ｂ軸が互いに45°ずれていた。また、結晶粒界３が
障壁になっている。
【００２７】上記のように本発明の方法により作製した
本発明の人工粒界型ジョセフソン接合素子の特性を測定
した。85Ｋに冷却し、マイクロ波を印加したところ、シ
ャピロステップが観測され、ジョセフソン接合が実現し
ていることが確認された。
本発明の人工粒界型ジョセフソン接合素子の特性を測定
した。85Ｋに冷却し、マイクロ波を印加したところ、シ
ャピロステップが観測され、ジョセフソン接合が実現し
ていることが確認された。
【００２８】実施例２ 本発明の他の方法で、本発明の他の人工粒界型ジョセフ
ソン接合素子を作製した。図２を参照してその工程を説
明する。図２(a)に示すよう、実施例１と同様な15mm×
８mm、厚さ 0.5mmのMgＯ（１００）基板５を用意し、図
２(b)に示すように、このMgＯ基板５上に、充分に厚
い、例えば膜厚 750〜1500nm程度のマスク層８をPr1Ba2
Cu3Ｏ7-yを用い、スパッタリング法により形成した。成
膜条件を以下に示す。 基板温度 750 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM Ｏ2 １ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 800 nm
ソン接合素子を作製した。図２を参照してその工程を説
明する。図２(a)に示すよう、実施例１と同様な15mm×
８mm、厚さ 0.5mmのMgＯ（１００）基板５を用意し、図
２(b)に示すように、このMgＯ基板５上に、充分に厚
い、例えば膜厚 750〜1500nm程度のマスク層８をPr1Ba2
Cu3Ｏ7-yを用い、スパッタリング法により形成した。成
膜条件を以下に示す。 基板温度 750 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM Ｏ2 １ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 800 nm
【００２９】マスク層８の材料には、イオンビームエッ
チングに対する有効なマスクとして機能するものであれ
ば任意のものが使用可能であり、特に好ましい材料とし
て、Pr1Ba2Cu3Ｏ7-yの他、Nb等を例示することができ
る。
チングに対する有効なマスクとして機能するものであれ
ば任意のものが使用可能であり、特に好ましい材料とし
て、Pr1Ba2Cu3Ｏ7-yの他、Nb等を例示することができ
る。
【００３０】続いて、図２(c)に示すように、Arガスを
使用したイオンミリング法によりPr1Ba2Cu3Ｏ7-yマスク
層８の一部を除去して、MgＯ基板５の中央部付近に幅
3.0μｍにわたり成膜面50を露出させた。マスク層８の
残りの部分81および82は、後述するようマスク層として
機能する。
使用したイオンミリング法によりPr1Ba2Cu3Ｏ7-yマスク
層８の一部を除去して、MgＯ基板５の中央部付近に幅
3.0μｍにわたり成膜面50を露出させた。マスク層８の
残りの部分81および82は、後述するようマスク層として
機能する。
【００３１】次に、図２(d)に示すように、露出してい
る成膜面50をＨ3ＰＯ4によりウェットエッチングした。
このウェットエッチング処理は、基板の表面から約50nm
の深さまで行った。
る成膜面50をＨ3ＰＯ4によりウェットエッチングした。
このウェットエッチング処理は、基板の表面から約50nm
の深さまで行った。
【００３２】続いて、図２(e)に示すように、Arイオン
ビームによるドライエッチングを、成膜面の斜め上方か
ら行った。イオンビームが基板の成膜面に対してなす角
度θは30°とした。このドライエッチングにより、成膜
面50の一部の領域51の表面近傍のみを除去する。尚、イ
オンビームの傾斜角度θは、形成されたマスク層８の膜
厚、および領域51および52の面積に応じて適宜決定する
ことが好ましい。
ビームによるドライエッチングを、成膜面の斜め上方か
ら行った。イオンビームが基板の成膜面に対してなす角
度θは30°とした。このドライエッチングにより、成膜
面50の一部の領域51の表面近傍のみを除去する。尚、イ
オンビームの傾斜角度θは、形成されたマスク層８の膜
厚、および領域51および52の面積に応じて適宜決定する
ことが好ましい。
【００３３】以上のような加工を行った基板に対して、
１×10-10 Torr程度の超高真空中で基板を 350〜400 ℃
程度に１時間保持する清浄化処理を行った後、Ｙ1Ba2Cu
3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を成膜した。成膜条件を以下に
示す。 基板温度 700 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM Ｏ2 １ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 250 nm
１×10-10 Torr程度の超高真空中で基板を 350〜400 ℃
程度に１時間保持する清浄化処理を行った後、Ｙ1Ba2Cu
3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜を成膜した。成膜条件を以下に
示す。 基板温度 700 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM Ｏ2 １ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 250 nm
【００３４】以上のようにして作製したジョセフソン接
合素子においては、図２(f)に示すように、成膜面50の
ドライエッチング処理により表面を除去された領域51で
は、酸化物超電導薄膜１の領域11は、MgＯ基板５の結晶
構造が直接反映された結晶構造の酸化物超電導体で構成
されている。これに対して、ウェットエッチング処理さ
れた表面を残した領域52では、酸化物超電導薄膜１の領
域12を構成している酸化物超電導体結晶の結晶格子は成
膜面に平行に45°回転している。従って、両者の界面に
はジョセフソン接合として機能する結晶粒界が形成され
る。以上のようにして作製した人工粒界型ジョセフソン
素子を液体窒素により冷却下してマイクロ波を印加した
ところ、交流ジョセフソン効果を確認することができ
た。
合素子においては、図２(f)に示すように、成膜面50の
ドライエッチング処理により表面を除去された領域51で
は、酸化物超電導薄膜１の領域11は、MgＯ基板５の結晶
構造が直接反映された結晶構造の酸化物超電導体で構成
されている。これに対して、ウェットエッチング処理さ
れた表面を残した領域52では、酸化物超電導薄膜１の領
域12を構成している酸化物超電導体結晶の結晶格子は成
膜面に平行に45°回転している。従って、両者の界面に
はジョセフソン接合として機能する結晶粒界が形成され
る。以上のようにして作製した人工粒界型ジョセフソン
素子を液体窒素により冷却下してマイクロ波を印加した
ところ、交流ジョセフソン効果を確認することができ
た。
【００３５】実施例３ 本発明のさらに他の方法で、本発明のさらに他の人工粒
界型ジョセフソン接合素子を作製した。図３を参照して
その工程を説明する。まず、図３(a)に示すように、基
板として実施例１、２と同様な15mm×８mm、厚さ 0.5mm
のMgＯ（１００）基板５を用意する。次に、図３(b)に
示すように、基板５の一部をフォトレジスト７によって
被覆した後、イオンミリング法でエッチング処理を行っ
て高さ200nm の段差を形成した。尚、このエッチング処
理は、ウェットエッチング法でもドライエッチング法で
も、いずれの方法でも使用可能である。
界型ジョセフソン接合素子を作製した。図３を参照して
その工程を説明する。まず、図３(a)に示すように、基
板として実施例１、２と同様な15mm×８mm、厚さ 0.5mm
のMgＯ（１００）基板５を用意する。次に、図３(b)に
示すように、基板５の一部をフォトレジスト７によって
被覆した後、イオンミリング法でエッチング処理を行っ
て高さ200nm の段差を形成した。尚、このエッチング処
理は、ウェットエッチング法でもドライエッチング法で
も、いずれの方法でも使用可能である。
【００３６】続いて、図３(c)に示すように、フォトレ
ジスト３を除去した後の基板１を真空装置内に導入して
逆スパッタ処理により清浄化した後、スパッタリング法
により全体にSrTiＯ3薄膜４を堆積させる。成膜条件を
以下に示す。 基板温度 350 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 300 nm
ジスト３を除去した後の基板１を真空装置内に導入して
逆スパッタ処理により清浄化した後、スパッタリング法
により全体にSrTiＯ3薄膜４を堆積させる。成膜条件を
以下に示す。 基板温度 350 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 300 nm
【００３７】このとき、SrTiＯ3薄膜４は、MgＯの結晶
構造を反映した結晶構造を形成する。この後、図３(d)
に示すように、イオンミリング法により表面全体をエッ
チバック処理して平坦化する。この状態では、MgＯ（１
００）が直接露出した領域と、SrTiＯ3 薄膜40によって
覆われた領域との２つの領域が基板５の表面に形成され
る。また、これら２つの領域では、同じ連続した結晶構
造が形成されている。
構造を反映した結晶構造を形成する。この後、図３(d)
に示すように、イオンミリング法により表面全体をエッ
チバック処理して平坦化する。この状態では、MgＯ（１
００）が直接露出した領域と、SrTiＯ3 薄膜40によって
覆われた領域との２つの領域が基板５の表面に形成され
る。また、これら２つの領域では、同じ連続した結晶構
造が形成されている。
【００３８】次に、図３(e)に示すように、基板５およ
びSrTiＯ3 薄膜40の全体をＨ3ＰＯ4りウェットエッチン
グ処理する。このエッチング処理はウェットエッチング
法に限定される。また、エッチング量は、50nm以上であ
れば任意の値を選択することができる。このエッチング
処理により、MgＯ基板５の成膜面52に露出している結晶
格子の格子間隔は異なる結晶方位の薄膜がその上に成長
することを許容するように変化する。
びSrTiＯ3 薄膜40の全体をＨ3ＰＯ4りウェットエッチン
グ処理する。このエッチング処理はウェットエッチング
法に限定される。また、エッチング量は、50nm以上であ
れば任意の値を選択することができる。このエッチング
処理により、MgＯ基板５の成膜面52に露出している結晶
格子の格子間隔は異なる結晶方位の薄膜がその上に成長
することを許容するように変化する。
【００３９】最後に、図３(f)に示すように、上記の加
工ならびに処理を行った基板５上にスパッタリング法に
よりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を成膜する。成
膜条件を以下に示す。 基板温度 700 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM Ｏ2 １ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 300 nm
工ならびに処理を行った基板５上にスパッタリング法に
よりＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１を成膜する。成
膜条件を以下に示す。 基板温度 700 ℃ スパッタリングガス Ar ９ SCCM Ｏ2 １ SCCM 圧力 ５×10-2 Torr 膜厚 300 nm
【００４０】酸化物超電導薄膜１のSrTiＯ3薄膜40上の
領域11は、元のMgＯ（１００）基板５の結晶構造を反映
した結晶構造を形成する。一方、酸化物超電導薄膜１の
MgＯ基板５の成膜面52上の領域12は、領域11を構成する
酸化物超電導体結晶に対して対応する結晶格子が水平に
45°回転している酸化物超電導体結晶で構成されてい
る。従って、領域11および12間には結晶粒界３が形成さ
れ、ジョセフソン接合の障壁として機能する。
領域11は、元のMgＯ（１００）基板５の結晶構造を反映
した結晶構造を形成する。一方、酸化物超電導薄膜１の
MgＯ基板５の成膜面52上の領域12は、領域11を構成する
酸化物超電導体結晶に対して対応する結晶格子が水平に
45°回転している酸化物超電導体結晶で構成されてい
る。従って、領域11および12間には結晶粒界３が形成さ
れ、ジョセフソン接合の障壁として機能する。
【００４１】以上のようにして作製した人工粒界型ジョ
セフソン接合素子を、液体窒素で冷却したところ、Ｙ1B
a2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１のMgＯ基板５の成膜面52
上に直接形成された領域11にも、SrTiＯ3 薄膜40上に形
成された領域12にも、いずれにも超電導電流が流れた。
さらに、マイクロ波を印加して交流ジョセフソン効果を
確認した。
セフソン接合素子を、液体窒素で冷却したところ、Ｙ1B
a2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜１のMgＯ基板５の成膜面52
上に直接形成された領域11にも、SrTiＯ3 薄膜40上に形
成された領域12にも、いずれにも超電導電流が流れた。
さらに、マイクロ波を印加して交流ジョセフソン効果を
確認した。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に従うと、
酸化物超電導体を用いた人工粒界型ジョセフソン接合を
容易に作製することができる。本発明のジョセフソン接
合は、同時に成長し、１枚の酸化物超電導薄膜を形成す
る互いに45°異なる結晶方向をそれぞれ有する単結晶の
酸化物超電導体結晶がそれぞれ第１および第２の超電導
領域となって構成されている。本発明により、超電導技
術の電子デバイスへの応用がさらに促進される。
酸化物超電導体を用いた人工粒界型ジョセフソン接合を
容易に作製することができる。本発明のジョセフソン接
合は、同時に成長し、１枚の酸化物超電導薄膜を形成す
る互いに45°異なる結晶方向をそれぞれ有する単結晶の
酸化物超電導体結晶がそれぞれ第１および第２の超電導
領域となって構成されている。本発明により、超電導技
術の電子デバイスへの応用がさらに促進される。
【図１】本発明の方法により、本発明の人工粒界型ジョ
セフソン接合素子の一例を作製する工程を説明する図で
ある。
セフソン接合素子の一例を作製する工程を説明する図で
ある。
【図２】本発明の他の方法により、本発明の人工粒界型
ジョセフソン接合素子の他の例を作製する工程を説明す
る図である。
ジョセフソン接合素子の他の例を作製する工程を説明す
る図である。
【図３】本発明のさらに他の方法により、本発明の人工
粒界型ジョセフソン接合素子のさらに他の例を作製する
工程を説明する図である。
粒界型ジョセフソン接合素子のさらに他の例を作製する
工程を説明する図である。
【図４】人工粒界型ジョセフソン接合の概念図である。
１ 酸化物超電導薄膜 ３ 結晶粒界 ５ 基板
Claims (7)
- 【請求項１】 少なくとも露出している結晶格子の格子
間隔が互いに異なる第１および第２の領域で構成された
成膜面を有する基板と、該成膜面の第１および第２の領
域上に連続して成膜されたｃ軸配向の酸化物超電導薄膜
とを具備し、該酸化物超電導薄膜が、前記成膜面の第１
および第２の領域にそれぞれ対応した第１および第２の
超電導領域を具備し、前記第１および第２の超電導領域
のそれぞれを構成する酸化物超電導体結晶のａ軸同士お
よびｂ軸同士が、一定の角度をなし、前記第１および第
２の超電導領域の界面の結晶粒界が障壁となっているこ
とを特徴とする人工粒界型ジョセフソン接合素子。 - 【請求項２】 前記基板成膜面に段差が設けられてお
り、前記成膜面の第１および第２の領域が、該段差の上
側および下側であることを特徴とする請求項１に記載の
人工粒界型ジョセフソン接合素子。 - 【請求項３】 前記基板成膜面の第１および第２の領域
の少なくとも一方が、MgＯで構成されていることを特徴
とする請求項１に記載の人工粒界型ジョセフソン接合素
子。 - 【請求項４】 請求項１に記載の人工粒界型ジョセフソ
ン接合素子を作製する方法において、単結晶基板の成膜
面の少なくとも一部をウェットエッチングする工程と、
前記単結晶基板の成膜面のウェットエッチングされた領
域と、ウェットエッチングの影響を受けていない領域と
にわたる酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを含むこと
を特徴とする人工粒界型ジョセフソン接合素子の作製方
法。 - 【請求項５】 単結晶基板の成膜面の一部をウェットエ
ッチングして段差を設ける工程と、該基板成膜面上に酸
化物超電導薄膜を成膜する工程とを含むことを特徴とす
る請求項４に記載の人工粒界型ジョセフソン接合素子の
作製方法。 - 【請求項６】 単結晶基板の成膜面をウェットエッチン
グする工程と、該ウェットエッチング処理された成膜面
の一部をドライエッチングし、表面近傍を除去し、該成
膜面上に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを含むこと
を特徴とする請求項４に記載の人工粒界型ジョセフソン
接合素子の作製方法。 - 【請求項７】 単結晶基板の成膜面の一部をエッチング
して該基板成膜面上に段差を形成する工程と、該段差の
下側のみに酸化物超電導薄膜の下地となり得るMgＯ以外
の材料の層を形成し、前記成膜面を実質的に平坦にする
工程と、該基板の成膜面をウェットエッチングにより処
理する工程と、該ウェットエッチング処理後の成膜面上
に酸化物超電導薄膜を成膜する工程とを含むことを特徴
とする請求項４に記載の人工粒界型ジョセフソン接合素
子の作製方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4327399A JPH05251771A (ja) | 1991-12-02 | 1992-11-12 | 人工粒界型ジョセフソン接合素子およびその作製方法 |
| CA002084272A CA2084272C (en) | 1991-12-02 | 1992-12-01 | Method for manufacturing a josephson junction device having weak link of artificial grain boundary |
| EP92403258A EP0545816B1 (en) | 1991-12-02 | 1992-12-02 | Method for manufacturing a Josephson junction device having weak link of artificial grain boundary |
| DE69218896T DE69218896T2 (de) | 1991-12-02 | 1992-12-02 | Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Übergangselements mit Schwach-Kopplung aus künstlichen Korngrenzen |
| US08/337,413 US5439875A (en) | 1991-12-02 | 1994-11-07 | Process for preparing Josephson junction device having weak link of artificial grain boundary |
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34394191 | 1991-12-02 | ||
| JP34896991 | 1991-12-06 | ||
| JP3-348969 | 1991-12-09 | ||
| JP3-350303 | 1991-12-09 | ||
| JP35030391 | 1991-12-09 | ||
| JP3-343941 | 1991-12-09 | ||
| JP4327399A JPH05251771A (ja) | 1991-12-02 | 1992-11-12 | 人工粒界型ジョセフソン接合素子およびその作製方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05251771A true JPH05251771A (ja) | 1993-09-28 |
Family
ID=27480391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4327399A Pending JPH05251771A (ja) | 1991-12-02 | 1992-11-12 | 人工粒界型ジョセフソン接合素子およびその作製方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5439875A (ja) |
| EP (1) | EP0545816B1 (ja) |
| JP (1) | JPH05251771A (ja) |
| CA (1) | CA2084272C (ja) |
| DE (1) | DE69218896T2 (ja) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69333799T2 (de) * | 1992-07-28 | 2006-01-19 | Nippon Telegraph And Telephone Corp. | Bauelement mit Gitteranpassung und Verfahren zu seiner Herstellung |
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