JPH07193285A - Josephson junction element - Google Patents
Josephson junction elementInfo
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- JPH07193285A JPH07193285A JP5333678A JP33367893A JPH07193285A JP H07193285 A JPH07193285 A JP H07193285A JP 5333678 A JP5333678 A JP 5333678A JP 33367893 A JP33367893 A JP 33367893A JP H07193285 A JPH07193285 A JP H07193285A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ジョセフソン接合素子
に関し、より詳細には酸化物超伝導体層を用いたジョセ
フソン接合素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Josephson junction device, and more particularly to a Josephson junction device using an oxide superconductor layer.
【０００２】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
La系、Ｙを含むランタノイド系、Bi系、Tl系又はHg系等
の酸化物超電導体が注目されている。これらは、従来の
金属系や合金系超電導材料に比し、高い臨界温度を有し
ており、液体窒素で冷却できる利点を有し、実用面にお
いても極めて有益性の高い材料である。また、エレクト
ロニクス素子として、超電導のジョセフソン効果を用い
た磁気センサ、光センサ、マイクロ波素子、論理素子な
どが実現できれば、幅広い応用展開が期待される。2. Description of the Related Art In recent years,
La-based, Y-containing lanthanoid-based, Bi-based, Tl-based, and Hg-based oxide superconductors are receiving attention. These materials have a higher critical temperature than conventional metal-based or alloy-based superconducting materials, have the advantage of being cooled by liquid nitrogen, and are extremely useful materials in terms of practical use. Further, if it is possible to realize magnetic sensors, optical sensors, microwave elements, logic elements, etc. using the superconducting Josephson effect as electronic elements, wide application development is expected.
【０００３】ところで、従来提案されているジョセフソ
ン接合素子には、その構造を大別すると、超電導体−絶
縁体−超電導体接合素子（いわゆるＳ−Ｉ−Ｓ型接合素
子）、超電導体−常電導体−超電導体接合素子（いわゆ
るＳ−Ｎ−Ｓ型接合素子）がある。従来のＳ−Ｉ−Ｓ型
接合素子は、２つの超電導体の間に、超電導体が有して
いるコヒーレンス長以下の極薄絶縁膜を介在させた、い
わゆる積層型の構造であり、この極薄絶縁膜の元素の組
成比、その均一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数Å程度と短
いので、Ｓ−Ｉ−Ｓ型接合の特性を一定にするために、
作製する極薄絶縁膜をÅオーダーで均一にする必要があ
った。従って、その作製が困難であり、酸化物超電導体
で良好な接合特性が得られなかった。By the way, the structure of the conventionally proposed Josephson junction element is roughly divided into superconductor-insulator-superconductor junction element (so-called S-IS type junction element) and superconductor-normal element. There is a conductor-superconductor junction element (so-called SNS type junction element). The conventional S-I-S type junction element has a so-called laminated structure in which an ultrathin insulating film having a coherence length equal to or less than that of a superconductor is interposed between two superconductors. Depending on the composition ratio of elements of the thin insulating film, its uniformity, and the film thickness, the bonding characteristics, reliability, etc. may be greatly influenced. In particular, since the oxide superconductor has a short coherence length of about several Å, in order to keep the characteristics of the S-I-S type junction constant,
It was necessary to make the ultra-thin insulating film to be manufactured uniform on the Å order. Therefore, it was difficult to manufacture the oxide superconductor, and good bonding characteristics could not be obtained with the oxide superconductor.
【０００４】一方、Ｓ−Ｎ−Ｓ型接合素子には、主に積
層型とプレーナ型の２種類がある。Ｓ−Ｎ−Ｓ型接合
は、超電導体から超電導体間に介在した常電導体への、
超電導状態の波動関数のしみ出しを利用した近接効果型
接合であり、その接合特性は、常電導体層の特性、形成
方法に大きく左右される。しかしながら、常導電体層へ
の超電導状態の波動関数のしみ出し幅は、数百Å〜数千
Åあるため、Ｓ−Ｉ−Ｓ型接合よりも作製しやすいとい
える。特に、プレーナ型接合の場合、基本的に、常電導
体層と超電導体層との２層を形成するだけでよいため、
比較的作製しやすく、再現性も良好である。しかし、接
合部分の数百Å〜数千Åの幅の微細加工が困難であり、
接合部分をいかに細く加工するかが課題であった。On the other hand, there are mainly two types of S-N-S type junction devices, that is, a laminated type and a planar type. The S-N-S type junction is from a superconductor to a normal conductor interposed between the superconductors.
This is a proximity effect type junction that uses the bleeding out of the wave function in the superconducting state, and its junction characteristics are greatly affected by the characteristics and forming method of the normal conductor layer. However, since the width of the wave function in the superconducting state extruded into the normal conductor layer is several hundred Å to several thousand Å, it can be said that it is easier to manufacture than the S-I-S type junction. In particular, in the case of a planar type junction, basically, only two layers of a normal conductor layer and a superconductor layer need to be formed,
Relatively easy to manufacture and good reproducibility. However, it is difficult to perform microfabrication with a width of several hundred Å to several thousand Å at the joint,
The issue was how to make the joints thinner.
【０００５】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、酸化物超電導体を用いたＳ−Ｎ−Ｓ型接合におい
て、良好な素子特性を得ることができるジョセフソン接
合素子を提供することを目的としている。The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a Josephson junction device capable of obtaining good device characteristics in an S-N-S type junction using an oxide superconductor. Has an aim.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明のジョセフソン接
合素子によれば、半導体特性を有し、単数又は複数の段
差部を有する基板上に超電導体層が形成されており、前
記段差部の側壁上の一部において前記超電導体層が分離
されて超電導体−常電導体−超電導体の接合が形成され
ているジョセフソン接合素子が提供される。According to the Josephson junction element of the present invention, a superconducting layer is formed on a substrate having semiconductor characteristics and having one or a plurality of step portions. There is provided a Josephson junction element in which the superconductor layer is separated in a part on the side wall to form a superconductor-normal conductor-superconductor junction.
【０００７】つまり、本発明のジョセフソン接合素子に
おいては、半導体特性を有するとともに、段差部を有す
る基板上に、超電導体層が形成されており、段差部の側
壁上の一部において超電導体層が分離されているので、
この段差部部分の超電導体層の分離部分の基板をＮ層と
して用いることにより、超電導体−常電導体−超電導体
の接合を形成することを特徴としている。That is, in the Josephson junction element of the present invention, the superconductor layer is formed on the substrate having the semiconductor characteristics and the step portion, and the superconductor layer is formed on a part of the side wall of the step portion. Are separated,
By using the substrate of the separated portion of the superconductor layer in the step portion as the N layer, the superconductor-normal conductor-superconductor junction is formed.
【０００８】本発明のジョセフソン接合素子において用
いる基板としては、チタン酸ストロンチウムが好まし
い。基板としてチタン酸ストロンチウムを用いる場合に
は、ニオブあるいはランタンをドープすることで半導体
的特性を示すことが知られており、そのドープ量によっ
て、キャリアの濃度と移動度とが決定される。つまり、
図１２に示したように、チタン酸ストロンチウムにニオ
ブのドープ量により、キャリア濃度が決定される。本発
明においては、基板がチタン酸ストロンチウムの場合に
は、基板中にドープされるニオブ又はランタンが、キャ
リア濃度として１×１０18〜１０21cm-3の範囲であるこ
とが好ましい。As the substrate used in the Josephson junction device of the present invention, strontium titanate is preferable. When strontium titanate is used as the substrate, it is known that doping with niobium or lanthanum exhibits semiconductor characteristics, and the doping amount determines carrier concentration and mobility. That is,
As shown in FIG. 12, the carrier concentration is determined by the doping amount of niobium in strontium titanate. In the present invention, when the substrate is strontium titanate, niobium or lanthanum doped in the substrate preferably has a carrier concentration in the range of 1 × 10 18 to 10 21 cm −3 .
【０００９】また、本発明のジョセフソン接合素子にお
ける基板には、物理的あるいは化学的なエッチング方法
により、単数又は複数の段差部が形成されている。段差
部の形状は特に限定されるものではなく、基板上に複数
の段差部が形成されている場合には、断面形状凸凹形状
で複数個段差部が形成されていてもよいし、階段状に形
成されていてもよい。Further, the substrate in the Josephson junction device of the present invention has a single or a plurality of stepped portions formed by a physical or chemical etching method. The shape of the stepped portion is not particularly limited, and when a plurality of stepped portions are formed on the substrate, a plurality of stepped portions may be formed in an uneven sectional shape, or in a stepped shape. It may be formed.
【００１０】さらに、基板上に形成されている超電導体
層としては、超電導体としての性質を有するものであれ
ば特に限定されるものではなく、酸化物超電導体が好ま
しい。酸化物超電導体としては、YBa2Cu3O7-X、(La1-XM
X)2CuO4(M=Ba,Sr,Ca)、Ln1Ba 2Cu3O7-X 、Ln5Ba6Cu11O
X(Ln=Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb)、Bi2Sr2Ca2Cu3O
10 、Bi2Sr2Ca1Cu2OX、Bi1.7Pb0.2Sb0.1Ca2.0Sr2.0Cu
2.8OX、(Bi0.7Pb0.3)2Sr2Ca2Cu3O10 、Tl2Ba2Ca2Cu3O
10 、Ba1-XKXBiO3、Nd2-XCeXCuO4-y 、HgBa2Can-1CunOy
(n=1-4) 等が挙げられ、なかでもYBa2Cu3O7-Xが好まし
い。これら超電導体は、公知の方法、例えば反応性蒸着
法、スパッタ法、レーザ蒸着法、イオンクラスタビーム
法、ＣＶＤ法等により形成することができる。これら超
導電体層は、基板の段差部の側壁上の一部において分離
されるように、法線方向から段差の高い方へ３０〜８０
度、このましくは４５度から傾いた方向から、基板に対
して上記蒸着やスパッタ等を行って形成することが好ま
しい。従って、これら超導電体層は、基板の段差部上の
一部において分離されることとなり、基板を常電導層
（Ｎ層）として用いる超電導体−常電導体−超電導体の
接合が形成される。Further, a superconductor formed on the substrate
The layer should be one that has the properties of a superconductor.
However, it is not particularly limited, and oxide superconductors are preferred.
Good As an oxide superconductor, YBa2Cu3O7-X, (La1-XM
X)2CuOFour(M = Ba, Sr, Ca), Ln1Ba 2Cu3O7-X, LnFiveBa6Cu11O
X(Ln = Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb), Bi2Sr2Ca2Cu3O
Ten, Bi2Sr2Ca1Cu2OX, Bi1.7Pb0.2Sb0.1Ca2.0Sr2.0Cu
2.8OX, (Bi0.7Pb0.3)2Sr2Ca2Cu3OTen, Tl2Ba2Ca2Cu3O
Ten, Ba1-XKXBiO3, Nd2-XCeXCuO4-y, HgBa2Can-1CunOy
(n = 1-4), etc., among which YBa2Cu3O7-XIs preferred
Yes. These superconductors can be formed by known methods such as reactive vapor deposition.
Method, sputtering method, laser deposition method, ion cluster beam
Method, a CVD method, or the like. These super
The conductor layer is separated on a part of the side wall of the stepped portion of the substrate.
30-80 from the normal direction to the higher step
From the direction that is inclined from 45 degrees, preferably 45 degrees.
Then, it is preferable to form it by performing the above-mentioned vapor deposition or sputtering.
Good Therefore, these superconductor layers are formed on the stepped portion of the substrate.
It will be separated in part, and the substrate will be the normal conductive layer.
Superconductor used as (N layer) -normal conductor-superconductor
A bond is formed.
【００１１】本発明のジョセフソン接合素子における基
板に形成された段差部の高さ、超電導体層の膜厚は特に
限定されるものではないが、５００〜３０００Å程度の
高さ、５００〜４０００Å程度の膜厚が好ましく、段差
部の高さと膜厚との比が、０．５〜２．５の範囲である
ことが好ましい。本発明のように、半導体特性を有する
基板の一部を超電導体層の間に挟んだ、いわゆるＳＮＳ
（超電導体−常電導体−超電導体）ジョセフソン接合素
子においては、Ｎ層のコヒーレンス長（ξN ）は、以下
の式で表される(J.Seto and T. Van Duzer,in Low Temp
erature Physics,LT-13,Vol.3,p.328)。The height of the step formed on the substrate and the film thickness of the superconductor layer in the Josephson junction device of the present invention are not particularly limited, but the height is about 500 to 3000 Å, and about 500 to 4000 Å. Is preferable, and the ratio of the height of the step portion to the film thickness is preferably in the range of 0.5 to 2.5. As in the present invention, a so-called SNS in which a part of a substrate having semiconductor characteristics is sandwiched between superconductor layers
(Superconductor-Normal conductor-Superconductor) In the Josephson junction element, the coherence length (ξ N ) of the N layer is expressed by the following equation (J. Seto and T. Van Duzer, in Low Temp.
erature Physics, LT-13, Vol.3, p.328).
【００１２】[0012]
【数１】 マン定数、ｅは電子の電荷、m*は有効質量、ｎは半導体
層のキャリア濃度、Ｔは測定温度である。上記式で、Ｎ
層のコヒーレンス長（ξN ）を決定するパラメータとな
るのは、半導体層のキャリアの移動度（μ）、半導体層
のキャリア濃度（ｎ）及び測定温度（Ｔ）である。すな
わち、ある一定の測定（動作）温度条件下においては、
チタン酸ストロンチウムへの金属のドープ量を制御する
ことによりμとｎを制御でき、それによりξNを制御す
ることができる。ξNは超電導のジョセフソンカップリ
ングの重要なファクターであり、ξNを制御すること
で、ＳＮＳジョセフソン接合素子の接合特性を決定する
ことができる。従って、本発明においては、上記式に基
づいて、基板にキャリアとなる金属をドープし、一定条
件下で、所望のコヒーレンス長（ξN ）を有するＳＮＳ
ジョセフソン接合素子を得ることができる。[Equation 1] Mann's constant, e is the electron charge, m * is the effective mass, n is the carrier concentration of the semiconductor layer, and T is the measurement temperature. In the above formula, N
The parameters that determine the coherence length (ξ N ) of the layer are the carrier mobility (μ) of the semiconductor layer, the carrier concentration (n) of the semiconductor layer, and the measurement temperature (T). That is, under a certain measurement (operating) temperature condition,
By controlling the doping amount of metal into strontium titanate, μ and n can be controlled, and thus ξ N can be controlled. ξ N is an important factor of Josephson coupling in superconductivity, and by controlling ξ N , the junction characteristics of the SNS Josephson junction element can be determined. Therefore, in the present invention, the SNS having a desired coherence length (ξ N ) is doped on the substrate with a metal serving as a carrier based on the above equation, and under a certain condition.
A Josephson junction device can be obtained.
【００１３】また、本発明において、単数個の段差部が
形成された基板を用いる場合には、１つのＳＮＳ接合が
形成されるか、あるいは複数個のＳＮＳ接合が並列的に
形成されることとなり、複数個の段差部が形成された基
板を用いる場合には、ＳＮＳ接合が直列的に形成される
ことなる。本発明のように、ＳＮＳ接合を有するジョセ
フソン接合素子におけるＳＮＳ接合部が、段差部に配設
されており、Ｎ層として基板自体を用いることにより弱
結合が形成されることとなる。このような弱結合部を並
列した例が、アプライド・フィジックス・レターズvol.
59, 3330(1991)で提案されている。例えば、２個のＳＮ
Ｓ接合を並列に接続した超電導素子(SQUID)の場合及び
Ｎ個のＳＮＳ接合を並列に接続した場合の臨界電流Icを
以下にそれぞれ示す。Further, in the present invention, when a substrate having a single step is formed, one SNS junction is formed or a plurality of SNS junctions are formed in parallel. When a substrate having a plurality of step portions is used, the SNS junction will be formed in series. As in the present invention, the SNS junction portion in the Josephson junction element having the SNS junction is arranged in the step portion, and the weak coupling is formed by using the substrate itself as the N layer. An example of paralleling such weakly connected parts is Applied Physics Letters vol.
59, 3330 (1991). For example, 2 SNs
The critical currents Ic in the case of a superconducting device (SQUID) in which S junctions are connected in parallel and in the case of connecting N SNS junctions in parallel are shown below.
【００１４】[0014]
【数２】 ここで、Фextは外部印加磁束、Ф0は磁束量子(=2.07×
10-15weber) である。上記式を図１３に示す。２個のＳ
ＮＳ接合の場合を実線で、Ｎ個のＳＮＳ接合の場合を破
線で示した。２個のＳＮＳ接合の場合には、磁束量子Ф
0の周期を持っているのに対し、Ｎ個のＳＮＳ接合の場
合には、磁束量子に対して１／Ｎの周期になることがわ
かる。この様に、弱結合を多数個並列に接続することに
より、より大きな超電導量子干渉効果が期待できる。[Equation 2] Where Φ ext is the externally applied magnetic flux and Φ 0 is the magnetic flux quantum (= 2.07 ×
10 -15 weber). The above equation is shown in FIG. Two S
The solid line shows the case of NS junction, and the broken line shows the case of N SNS junctions. In the case of two SNS junctions, the magnetic flux quantum Φ
While it has a period of 0 , it can be seen that in the case of N SNS junctions, the period is 1 / N with respect to the flux quantum. In this way, a larger superconducting quantum interference effect can be expected by connecting many weak couplings in parallel.
【００１５】[0015]
【作用】本発明によるジョセフソン接合素子は、半導体
特性を有し、単数又は複数の段差部を有する基板上に超
電導体層が形成されており、前記段差部の側壁上の一部
において前記超電導体層が分離されて超電導体−常電導
体−超電導体の接合が形成されていることから、基板の
段差部がＳＮＳ接合の接合部として用いられることとな
るので、特別なＮ層の製造工程を付加する必要がなく、
基板自体がＮ層として用いられる。従って、基板へのキ
ャリアとしての金属のドープ量と、段差部の高さによ
り、そのジョセフソンカップリングの変調が制御される
こととなる。In the Josephson junction element according to the present invention, the superconducting layer is formed on the substrate having semiconductor characteristics and having one or a plurality of steps, and the superconducting layer is formed on a part of the side wall of the steps. Since the body layer is separated and the superconductor-normal conductor-superconductor joint is formed, the stepped portion of the substrate is used as the joint portion of the SNS joint, and therefore a special N layer manufacturing process. Need not be added,
The substrate itself is used as the N layer. Therefore, the modulation of the Josephson coupling is controlled by the doping amount of metal as a carrier to the substrate and the height of the step.
【００１６】[0016]
【実施例】本発明に係るジョセフソン接合素子の実施例
を図面に基づいて説明する。 実施例１ 図１に、本発明の実施例１のジョセフソン接合素子の基
本構造を示す。略中央に段差部１０ａが設けられ、ニオ
ブがドープされたチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）基
板１０上に、略中央部分に凹部１１ａが形成された平面
形状を有する超電導層１１が形成されている。超電導層
１１の略中央部分は、基板１０の段差部１０ａによって
切断されており、弱結合部１１ｂが形成されている。弱
結合部１１ｂの超電導層１１と超電導層１１との間は常
導電体であるため、いわゆるＳ−Ｎ−Ｓジョセフソン接
合素子が形成されており、超導電層１１の上には電圧電
極１２、電流電極１３がそれぞれ形成されている。Embodiments of the Josephson junction element according to the present invention will be described with reference to the drawings. Example 1 FIG. 1 shows a basic structure of a Josephson junction device of Example 1 of the present invention. A step portion 10a is provided substantially at the center, and a superconducting layer 11 having a planar shape with a recess 11a formed at the substantially central portion is formed on a niobium-doped strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate 10. The approximately central portion of the superconducting layer 11 is cut by the step portion 10a of the substrate 10 to form the weak coupling portion 11b. A so-called S-N-S Josephson junction element is formed between the superconducting layer 11 and the superconducting layer 11 of the weak coupling portion 11b, so that a so-called S-N-S Josephson junction element is formed, and the voltage electrode 12 is formed on the superconducting layer 11. , And current electrodes 13 are formed.
【００１７】以下に、上記ジョセフソン接合素子の製造
方法について説明する。図２（ａ）に示したように、ニ
オブを0.5wt％ドープしたSrTiO3(100) 単結晶基板１０
上に、レジスト２１を約１μｍ塗布し、通常のフォトリ
ソグラフィーにより、片側のレジスト２１を除去した。
次いで、図２（ｂ）に示したように、レジスト２１を含
む基板１０上に、真空蒸着法により、ニオブ２２を2500
Å蒸着した。そして、図２（ｃ）に示したように、リフ
トオフ法によりレジスト２１と共にそのレジスト２１上
のニオブ膜２２のみを除去した。A method of manufacturing the above Josephson junction element will be described below. As shown in FIG. 2A, the SrTiO 3 (100) single crystal substrate 10 doped with 0.5 wt% of niobium is used.
A resist 21 was applied on the upper surface of about 1 μm, and the resist 21 on one side was removed by ordinary photolithography.
Then, as shown in FIG. 2B, 2500 niobium 22 is deposited on the substrate 10 including the resist 21 by a vacuum deposition method.
Å It was vapor-deposited. Then, as shown in FIG. 2C, the resist 21 and only the niobium film 22 on the resist 21 were removed by a lift-off method.
【００１８】次いで、図２（ｄ）に示したように、アル
ゴンのイオンミリングにより、基板１０と基板上のニオ
ブ膜２２をエッチングし、図２（ｅ）に示したように、
基板１０上からニオブ膜２２を完全に除去することによ
り、約１５００Åの段差部１０ａを形成した。続いて、
図２（ｆ）に示したように、段差部１０ａを有するNb-S
rTiO3(100)基板１０上に、反応性蒸着法により、超電導
膜としてYBa2Cu3O7-X膜１１を、その組成比がY:Ba:Cu=
1:2:3となるように1000Å形成した。その際、基板１０
の段差部１０ａに、YBa2Cu3O7-X膜１１が蒸着しないよ
うに、法線方向から段差部の高い方に４５度ど傾いた方
向から蒸発源での蒸着を行った。なお、形成されたYBa2
Cu3O7-X膜１１が充分に酸化されるように、基板付近
に、オゾンを重量比で10％含んだ酸素ガスを導入し、RF
プラズマを発生させながら、蒸着した。また、蒸着時の
基板温度を650℃、チャンバ内の真空度を２×１０-4Tor
rで行った。その後、基板温度を一旦500℃に下げて、酸
素をチャンバ内に300Torr導入し、１時間保持してYBa2C
u3O7-X膜１１を充分に酸化させた。そして、基板を自然
冷却させた後、チャンバから取り出し、フォトリソグラ
フィーとドライエッチングにより、図１に示すように、
段差部１０ａにおいて、YBa2Cu3O7-X膜１１が、凹部１
１ａと弱結合部１１ｂとを有するブリッジ形状となるよ
うにパターニングした。その際、段差部１０ａには超電
導膜１１が完全には着膜されず、段差部上段と下段で超
電導膜が切断された形となっている。ブリッジの幅は10
μｍ、長さは100μｍであった。Then, as shown in FIG. 2D, the substrate 10 and the niobium film 22 on the substrate are etched by ion milling with argon, and as shown in FIG.
By completely removing the niobium film 22 from the substrate 10, a step portion 10a having a size of about 1500 Å was formed. continue,
As shown in FIG. 2F, the Nb-S having the step portion 10a
A YBa 2 Cu 3 O 7-X film 11 as a superconducting film having a composition ratio of Y: Ba: Cu = was formed on the rTiO 3 (100) substrate 10 by a reactive evaporation method.
1000 Å was formed to be 1: 2: 3. At that time, the substrate 10
In order to prevent the YBa 2 Cu 3 O 7-X film 11 from being vapor-deposited on the stepped portion 10 a, vapor deposition was performed from the evaporation source from a direction inclined by 45 degrees to the higher stepped portion from the normal direction. The formed YBa 2
In order to sufficiently oxidize the Cu 3 O 7-X film 11, oxygen gas containing 10% by weight of ozone was introduced near the substrate, and RF was applied.
Deposition was performed while generating plasma. The substrate temperature during vapor deposition is 650 ° C., and the degree of vacuum in the chamber is 2 × 10 −4 Tor.
I went with r. After that, the substrate temperature was once lowered to 500 ° C., oxygen was introduced into the chamber at 300 Torr and kept for 1 hour, then YBa 2 C was added.
The u 3 O 7-X film 11 was sufficiently oxidized. Then, after the substrate is naturally cooled, it is taken out from the chamber and is subjected to photolithography and dry etching, as shown in FIG.
In the step portion 10a, the YBa 2 Cu 3 O 7-X film 11 is
The patterning was performed so as to have a bridge shape having 1a and the weakly coupled portion 11b. At that time, the superconducting film 11 is not completely deposited on the step portion 10a, and the superconducting film is cut at the upper and lower steps of the step portion. Bridge width 10
The length was 100 μm.
【００１９】次いで、図２（ｇ）に示したように、電圧
電極１２、電流電極１３として、銀薄膜をYBa2Cu3O7-X
膜１１上にそれぞれ形成した。このようにして得られた
段差型ジョセフソン接合素子の電流電圧特性を図３に示
す。この接合素子の臨界温度は85Ｋ、臨界電流密度は６
×１０4Ａ／cm2（15Ｋ）であった。この電流電圧特性
は、ほぼ理想的なRSJ (Resistivity Shunted Junction)
モデルにそっており、良好な単一ジョセフソン接合が形
成されていることがわかった。Then, as shown in FIG. 2 (g), a silver thin film is used as the voltage electrode 12 and the current electrode 13 and is made of YBa 2 Cu 3 O 7-X.
It was formed on each of the films 11. The current-voltage characteristics of the step-type Josephson junction device thus obtained are shown in FIG. This junction device has a critical temperature of 85K and a critical current density of 6
It was × 10 4 A / cm 2 (15K). This current-voltage characteristic is almost ideal RSJ (Resistivity Shunted Junction)
According to the model, it was found that a good single Josephson junction was formed.
【００２０】また、上記段差型ジョセフソン接合素子の
接合部への磁場印加特性を図４に示す。明瞭なフラウン
フォーファーパターンを示していることがわかる。 実施例２ 実施例１と同様の形状のジョセフソン接合素子を、基板
へのニオブのドープ量を種々変化させて、実施例１と同
様の方法で形成した。各素子の電流電圧特性を図５に示
す。なお、ニオブのドープ量が５wt％の基板を用いた場
合のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を実線、0.5w
t％の場合を破線、0.05wt％の場合を一点破線で示し
た。ニオブの基板へのドープ量の変化によって電流電圧
特性が変調されていることがわかる。 実施例３ 本実施例では、図６に示したように、複数個の段差部を
設け、超電導膜の弱結合部を５個作製した。基板３０
は、ニオブ0.5wt％ドープしたSrTiO3基板であり、この
基板３０は段差部３０ａを有している。FIG. 4 shows the characteristics of the magnetic field applied to the junction of the step type Josephson junction element. It can be seen that it shows a clear Fraunhofer pattern. Example 2 A Josephson junction device having the same shape as that of Example 1 was formed in the same manner as in Example 1 while changing the doping amount of niobium in the substrate. The current-voltage characteristics of each element are shown in FIG. In addition, the current-voltage characteristics of the Josephson junction element when a substrate with a niobium doping amount of 5 wt% is used are indicated by a solid line, 0.5 w.
The case of t% is shown by a broken line, and the case of 0.05 wt% is shown by a dashed line. It can be seen that the current-voltage characteristics are modulated by the change in the doping amount of niobium on the substrate. Example 3 In this example, as shown in FIG. 6, a plurality of step portions were provided and five weakly coupled portions of the superconducting film were produced. Board 30
Is a SrTiO 3 substrate doped with 0.5 wt% of niobium, and this substrate 30 has a step portion 30a.
【００２１】このようなジョセフソン接合素子におい
て、段差部３０ａを有した基板３０に、蒸着により超伝
導膜３１を形成する際、斜め４５度からの超電導材料を
成膜することにより、段差部３０ｂには超電導膜３１が
成膜され、段差部３０ａには超電導膜３１が成膜されな
い。従って、段差部３０ａには弱結合部３１ｂが形成さ
れることとなり、段差部３０ｂには強結合部が形成され
ることとなる。In such a Josephson junction device, when the superconducting film 31 is formed by vapor deposition on the substrate 30 having the step portion 30a, the step portion 30b is formed by forming a superconducting material at an angle of 45 degrees. The superconducting film 31 is formed on the step portion 30a, and the superconducting film 31 is not formed on the step portion 30a. Therefore, the weak coupling portion 31b is formed in the step portion 30a, and the strong coupling portion is formed in the step portion 30b.
【００２２】上記素子の臨界電流Icより少し多めの電流
Ｉ＝１．２Ｉｃを印加したときの、出力電圧の磁場依存
性を、図７において実線で示す。なお、比較のため、単
一の段差部を形成した基板を用いた場合の出力電圧を破
線で示す。段差部を５個形成した基板を用いたものは、
単一の段差部を形成した基板を用いた場合の５倍の出力
が得られていることがわかる。 実施例４ 本実施例では、図８に示したように、単一の段差部４０
ａを有する基板４０上の段差部４０ａにおいて、２個の
弱結合部４１ａを並列に有する超電導膜４１が形成てい
る。これは、いわゆるSQUID型（超電導量子干渉効果素
子）のジョセフソン接合素子である。基板４０として
は、ニオブ0.5wt％ドープしたSrTiO3(100)基板を用い
た。The magnetic field dependence of the output voltage when a current I = 1.2Ic, which is slightly larger than the critical current Ic of the device, is applied is shown by the solid line in FIG. For comparison, the output voltage when a substrate having a single step is used is shown by a broken line. The one that uses a substrate with five steps is
It can be seen that an output five times that obtained when using a substrate having a single step portion is obtained. Example 4 In this example, as shown in FIG.
In the step portion 40a on the substrate 40 having a, the superconducting film 41 having two weakly coupled portions 41a in parallel is formed. This is a so-called SQUID type (superconducting quantum interference effect element) Josephson junction element. As the substrate 40, a SrTiO 3 (100) substrate doped with 0.5 wt% of niobium was used.
【００２３】この素子に、バイアス電流を流し、75Ｋの
測定温度で磁束を測定した。その結果を図９に示す。こ
れによると、磁束量子Ф0に対応する周期電圧が測定さ
れ、良好な接合が得られていることがわかった。 実施例５ 本実施例のジョセフソン接合素子では、図１０に示した
ように、単一の段差部５０ａを有する基板５０上の段差
部５０ａにおいて、６個の弱結合部５１ａを並列に有す
る超電導膜５１が形成ている。基板５０としては、ニオ
ブ0.5wt％ドープしたSrTiO3(100)基板を用いた。A bias current was passed through this element, and the magnetic flux was measured at a measurement temperature of 75K. The result is shown in FIG. According to this, the periodic voltage corresponding to the magnetic flux quantum Φ 0 was measured, and it was found that a good junction was obtained. Example 5 In the Josephson junction device of this example, as shown in FIG. 10, in a step portion 50a on a substrate 50 having a single step portion 50a, a superconducting material having six weak coupling portions 51a in parallel is provided. The film 51 is formed. As the substrate 50, a SrTiO 3 (100) substrate doped with 0.5 wt% of niobium was used.
【００２４】図１１は、上記６個の弱結合部５１ａを並
列に形成した素子の磁場印加特性を示す。動作状態で
は、素子を臨界電流よりも少し大きな値に電流バイアス
し、時速を測定した。その結果、磁束量子Ф0に対して
１／６の周期の干渉パターンが見られた。なお、上記実
施例３、４、５においては、0.5wt％ニオブドープのSrT
iO3を基板として用いたが、実施例２でもわるように、
ドープ量を0.05〜５wt％に変調させても、同様の結果が
得られた。また、実施例１〜５においては、ドープ材料
としてニオブを用いたが、ランタンをドープしても同様
の結果が得られた。FIG. 11 shows the magnetic field application characteristics of an element in which the above-mentioned six weak coupling portions 51a are formed in parallel. In the operating state, the device was current-biased to a value slightly larger than the critical current, and the speed was measured. As a result, an interference pattern with a period of 1/6 of the magnetic flux quantum Φ 0 was observed. In addition, in Examples 3, 4, and 5 described above, 0.5 wt% niobium-doped SrT was used.
Although iO 3 was used as the substrate, as described in Example 2,
Similar results were obtained when the doping amount was adjusted to 0.05 to 5 wt%. Although niobium was used as the doping material in Examples 1 to 5, similar results were obtained even when lanthanum was doped.
【００２５】[0025]
【発明の効果】本発明によるジョセフソン接合素子は、
半導体特性を有し、単数又は複数の段差部を有する基板
上に超電導体層が形成されており、前記段差部の側壁上
の一部において前記超電導体層が分離されて超電導体−
常電導体−超電導体の接合が形成されていることから、
基板の段差部を、ＳＮＳ接合の接合部として用いること
ができる。よって、特別なＮ層の製造工程を付加する必
要がなく、基板自体をＮ層として用いることができる。The Josephson junction element according to the present invention is
A superconductor layer is formed on a substrate having semiconductor characteristics and having a single or a plurality of step portions, and the superconductor layer is separated at a part on a side wall of the step portion so that the superconductor-
Since the normal conductor-superconductor junction is formed,
The stepped portion of the substrate can be used as the joint portion of the SNS joint. Therefore, the substrate itself can be used as the N layer without adding a special manufacturing process of the N layer.
【００２６】従って、基板へのキャリアとしての金属の
ドープ量及び段差部の高さを変化させることにより、そ
のジョセフソンカップリングの変調を制御することがで
きることとなり、再現性が良く、かつ効率の良い素子を
得ることができることから、自由な素子設計が可能とな
る。Therefore, by changing the doping amount of metal as a carrier to the substrate and the height of the step portion, the modulation of the Josephson coupling can be controlled, and the reproducibility is good and the efficiency is high. Since a good element can be obtained, the element can be freely designed.
【図１】本発明のジョセフソン接合素子の第１の実施例
を示すジョセフソン接合素子の要部の概略斜視図であ
る。FIG. 1 is a schematic perspective view of a main part of a Josephson junction element showing a first embodiment of the Josephson junction element of the present invention.
【図２】図１のジョセフソン接合素子の製造工程図であ
る。2A to 2D are manufacturing process diagrams of the Josephson junction element of FIG.
【図３】図１のジョセフソン接合素子の電流電圧特性を
示す図である。3 is a diagram showing current-voltage characteristics of the Josephson junction device of FIG.
【図４】図１のジョセフソン接合素子の磁場印加特性を
示す図である。4 is a diagram showing a magnetic field application characteristic of the Josephson junction element of FIG.
【図５】本発明のジョセフソン接合素子の第２の実施例
で形成された素子の電流電圧特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing current-voltage characteristics of the device formed in the second embodiment of the Josephson junction device of the present invention.
【図６】本発明のジョセフソン接合素子の第３の実施例
で形成される素子の要部の概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an essential part of an element formed in a Josephson junction element according to a third embodiment of the present invention.
【図７】図６のジョセフソン接合素子の磁場印加特性を
示す図である。7 is a diagram showing a magnetic field application characteristic of the Josephson junction device of FIG.
【図８】本発明のジョセフソン接合素子の第４の実施例
で形成される素子の要部の概略平面図である。FIG. 8 is a schematic plan view of an essential part of an element formed in a fourth embodiment of the Josephson junction element of the present invention.
【図９】図８のジョセフソン接合素子の磁場印加特性を
示す図である。9 is a diagram showing a magnetic field application characteristic of the Josephson junction device of FIG.
【図１０】本発明のジョセフソン接合素子の第５の実施
例で形成される素子の要部の概略平面図である。FIG. 10 is a schematic plan view of an essential part of an element formed in the fifth embodiment of the Josephson junction element of the present invention.
【図１１】図１０のジョセフソン接合素子の磁場印加特
性を示す図である。11 is a diagram showing a magnetic field application characteristic of the Josephson junction device of FIG.
【図１２】ニオブのチタン酸ストロンチウムに対するド
ープ量とキャリア濃度との関係を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the doping amount of niobium with respect to strontium titanate and the carrier concentration.
【図１３】一般的な並列型ジョセフソン接合素子の磁場
印加特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a magnetic field application characteristic of a general parallel type Josephson junction element.
１０、３０、４０、５０ 基板 １０ａ、３０ａ、３０ｂ、４０ａ、５０ａ 段差部 １１、３１、４１、５１ 超電導体層 １１ａ、３１ａ、４１ａ、５１ａ 凹部 １１ｂ、３１ｂ、４１ｂ、５１ｂ ＳＮＳ接合 １２ 電圧電極 １３ 電流電極 ２１ レジスト ２２ ニオブ膜 10, 30, 40, 50 Substrate 10a, 30a, 30b, 40a, 50a Stepped portion 11, 31, 41, 51 Superconductor layer 11a, 31a, 41a, 51a Recessed portion 11b, 31b, 41b, 51b SNS junction 12 Voltage electrode 13 Current electrode 21 Resist 22 Niobium film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木場 正義 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Masayoshi Kiba 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka
Claims (5)
部を有する基板上に超電導体層が形成されており、前記
段差部の側壁上の一部において前記超電導体層が分離さ
れて超電導体−常電導体−超電導体の接合が形成されて
いることを特徴とするジョセフソン接合素子。1. A superconducting layer is formed on a substrate having semiconductor characteristics and having a single or a plurality of step portions, and the superconducting layer is separated at a part of a side wall of the step portion. A Josephson junction element, wherein a body-normal conductor-superconductor junction is formed.
リア濃度として１×１０18〜１０21cm-3の範囲でニオブ
又はランタンがドープされたものである請求項１記載の
ジョセフソン接合素子。2. The Josephson junction device according to claim 1, wherein the substrate is strontium titanate doped with niobium or lanthanum in a carrier concentration range of 1 × 10 18 to 10 21 cm -3 .
求項１又は２のいづれかに記載のジョセフソン接合素
子。3. The Josephson junction device according to claim 1, wherein the superconductor layer is an oxide superconductor.
おいて超電導体層が分離されて形成された超電導体−常
電導体−超電導体の接合が、直列的に形成されている請
求項１〜３のいずれかに記載のジョセフソン接合素子。4. The superconductor-normal conductor-superconductor junction formed by separating the superconductor layers on a part of the side walls of the plurality of step portions on the substrate is formed in series. Item 4. The Josephson junction device according to any one of Items 1 to 3.
おいて超電導体層が分離されて形成された超電導体−常
電導体−超電導体の接合が、並列的に形成されている請
求項１〜３のいずれかに記載のジョセフソン接合素子。5. The superconductor-normal conductor-superconductor junction formed by separating the superconductor layer on a part of the side wall of the single step portion on the substrate is formed in parallel. Item 4. The Josephson junction device according to any one of Items 1 to 3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5333678A JPH07193285A (en) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | Josephson junction element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5333678A JPH07193285A (en) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | Josephson junction element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07193285A true JPH07193285A (en) | 1995-07-28 |
Family
ID=18268750
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5333678A Pending JPH07193285A (en) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | Josephson junction element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07193285A (en) |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP5333678A patent/JPH07193285A/en active Pending
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