JPH0794790A - 超電導素子およびその作製方法 - Google Patents

超電導素子およびその作製方法

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JPH0794790A JP5233963A JP23396393A JPH0794790A JP H0794790 A JPH0794790 A JP H0794790A JP 5233963 A JP5233963 A JP 5233963A JP 23396393 A JP23396393 A JP 23396393A JP H0794790 A JPH0794790 A JP H0794790A
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恵一 山口
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陽一 榎本
Tsutomu Mitsuzuka
勉 三塚
Katsumi Suzuki
克巳 鈴木
Manabu Fujimoto
学 藤本
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板の表面を制御することにより、超電導接
合面を任意の微小領域に再現良く、ただ1つだけ形成
し、超電導体特有の量子効果素子の作製を容易にする。 【構成】 薄膜の成長面を特定の曲率半径以上にする
と、粒界を含まない湾曲した超電導薄膜が得られるとい
う特性を用い、基板4の2つの湾曲面2が接する線上
で、育成面の曲率が不連続になり、粒界接合6の面が1
箇所のみ形成できるようにしたものである。また、上記
育成面の形成法としてFIB描画およびイオンビームエ
ッチングを利用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、計算機などの高速超電
導回路、高感度な磁気センサ、光あるいは超高周波超電
導回路の受動素子などに用いられる超電導素子およびそ
の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、異方性超電導薄膜(例えば酸化物
高温超電導体)の平面型接合を作製する場合には、育成
基板面上に不連続な部分として段差やV字溝を作製する
ことで、薄膜の結晶方位を制御し、結晶粒界結合を実現
する方法が用いられてきた。
【0003】しかし、この技術で接合の両側を同一の基
板面の高さにするには、最低3つの面の不連続部分
(辺)が生ずるため、単一の接合を作ることはできなか
った。このため、接合間の結合あるいは特性のバラツキ
のため、雑音等の接合特性の再現性を著しく低下させて
いた。
【0004】上記方法とは別に、電子線やイオンビーム
により基板面に描画をして接合を得る方法がある。描画
により微小V字溝を形成することで接合部以外の基板面
の高さを一定にしたまま接合が得られるというものであ
る。しかし、この場合にも、ビームの幅(径)を超電導
体のコヒーレント長以下にすることは困難であり、結果
的に複数個の制御されていない接合が微小V字溝に形成
される欠点があった。
【0005】同様な技術で、溝が形成されないような弱
い描画を行って基板の結晶性を局部的に乱すものもある
が、これも上記同様の欠点がある。
【0006】このようにして、単一の接合を実現するこ
とが難しく、接合の特性の制御性を悪くしている。
【0007】この他にも、リソグラフ技術を用いないも
のとして、2枚の基板を貼り合わせるバイクリスタル技
術があるが、接合の集積を図ることはできない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の技
術のうち、リソグラフを使用する技術は、集積化と任意
の位置に接合を形成できることに優れているが、構造上
単一の制御された接合が得られにくい欠点があった。
【0009】逆に、単一の接合を得やすいバイクリスタ
ル技術は集積化に向かない欠点があった。
【0010】本発明の目的は、集積化に適した構造の、
超電導体の特性の制御された単一接合を、任意の位置に
作製した超電導素子を提供することにある。
【0011】本発明の他の目的は、集積化された構造の
超電導素子を提供することにある。
【0012】本発明のさらに他の目的は、超電導素子の
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】本発明の超電導素子は、
曲率の不連続部と、この不連続部を挟む、曲率の連続部
とを表面に有する超電導薄膜育成基板と、前記超電導薄
膜育成基板上に成長された超電導薄膜とを有し、前記不
連続部上の超電導薄膜内には結晶粒界を生じ、接合面が
形成され、前記連続部の曲率は、連続部上の超電導薄膜
内に結晶粒界が生じない曲率である、ことを特徴とす
る。
【0014】また本発明の超電導素子は、曲率の不連続
部と、この不連続部を挟む、曲率の連続部とからなる部
分を複数表面に有する超電導薄膜育成基板と、前記超電
導薄膜育成基板上に成長された超電導薄膜とを有し、前
記複数の不連続部上の超電導薄膜内には結晶粒界を生
じ、接合面が形成され、前記連続部の曲率は、連続部分
上の超電導薄膜内に結晶粒界が生じない曲率である、こ
とを特徴とする。
【0015】また本発明の超電導素子の作製方法は、超
電導育成用基板の表面に、収束イオンビームによりV字
溝を設ける工程と、イオンミリングにより前記V字溝の
稜線を平滑化する工程と、前記V字溝の稜線の平滑化さ
れた超電導育成用基板上に超電導薄膜を成長させる工程
と、を含むことを特徴とする。
【0016】
【作用】薄膜の成長面を特定の曲率半径以上にすると、
結晶粒界(以下、単に粒界という)を含まない湾曲した
超電導薄膜が得られるという特性を用い、基板の2つの
湾曲面が接する線上で、育成面の曲率が不連続になり、
粒界接合の面が1箇所のみ形成できる。このように基板
の表面を制御することにより、超電導接合面を任意の微
小領域に再現良く、ただ1つだけ形成し、超電導体特有
の量子効果素子の作製を容易にする。
【0017】
【実施例】本発明の基本構造を図を参照して説明する。
【0018】図1〜図6は本発明による超電導素子の断
面図である。
【0019】図1は、本発明による超電導素子とその基
本構造を示し、超電導薄膜育成基板4と、超電導薄膜育
成基板面上の曲率の不連続部1と、それを挟む曲率の連
続部2と、不連続部および連続部以外の通常の基板面の
平坦部3と、基板4上に成長された低キャリア超電導薄
膜5と、超電導薄膜5に形成された接合6とからなる。
【0020】超電導育成基板4上に形成された曲率の連
続部2上に育成された超電導薄膜の特性は、薄膜内に粒
界をもたない場合、平坦部3上の薄膜の特性と同等とな
る。一方、曲率不連続部1の所では急激な基板面変化に
より薄膜内に粒界が形成され、超電導薄膜5内に超電導
の接合6が1つ(1面)だけ形成される。
【0021】図1は、不連続部が凹の構造であるが、図
2に示すように、不連続部が凸の構造であっても接合を
実現できる。なお図2の参照番号は、図1の参照番号と
同じであり、図1と同一の要素を示している。
【0022】図1,図2において、接合の構造は対称で
あるが、非対称であっても構わない。
【0023】図3のような湾曲部を含む段差型構造を作
製しても、本発明の構造を実現することができる。図3
において、参照番号1〜6は、図1および図2と同一の
要素を示している。7は、基板面の傾斜した平坦部であ
る。この構造は、図2の凸型の構造に分類される。
【0024】また、図4のようにU字溝を作製しても、
本発明の構造を実現することができる。図4において、
参照番号1〜6は、図1および図2と同一の要素を示し
ている。この構造は、図2の凸型の構造に分類される。
【0025】複数の接合を集積する場合には、図1,図
2,図3の接合を並べて構成する。図5は、図1の構造
を複数個並べて集積した例を示している。また、図6
は、図4のU字溝の構造を複数個並べて集積した例を示
している。
【0026】また、図1,図2,図3の接合を複数個組
み合わせた集積構造とすることもできる。
【0027】図7は、図1の超電導素子の作製方法を説
明するための工程図である。
【0028】まず、図7(a)に示すように、MgO
(100)基板4を用意し、図7(b)に示すように、
基板4の表面にGa+ イオンの集束イオンビーム(FI
B)描画を行い微小V字溝8を形成する。例えば、描画
条件は5pA、加速電圧30keVで60秒である。
【0029】次に、図7(c)に示すように、Ar+
カフマン型イオンミリング装置(IBE)によるミリン
グで、微小V字溝の上端の2つの角を削り落とし、湾曲
部を形成する。ミリングの条件は、回転を伴う試料台に
対し10°の低角からのビーム入射で加速電圧500e
V、電流密度5mA/cm2 、30分である。
【0030】この結果、不連続部1では30°の角度
(θ)、連続部2では500nmの最小曲率半径(ρ)
を実現することができた。このうちθは、接合の臨界電
流密度Jcと対応するもので、FIBの上記作製条件を
変えることにより、制御できる。ただし、装置依存性が
あるため詳細は装置ごとに条件出しをしなければならな
い。一方、ρは500nm以下になると、MgO基板に
YBCO薄膜を堆積した場合には、曲がりによる格子歪
みにより粒界が発生する。
【0031】最後に、図7(d)に示すように、湾曲構
造を形成した基板4上にパルスレーザー堆積(PLD)
法で、C軸配向のYBCO薄膜5を成膜する。薄膜作製
条件は、ターゲットとしてYBCO多結晶体を用い、基
板温度は770℃、酸素分圧100mTorr、成長時
間27分で、膜厚は300nmである。用いたレーザー
はKrFのエキシマレーザーで波長248nm、エネル
ギー密度5J/cm2である。
【0032】結果として、2つの湾曲部に挟まれた溝の
部分に超電導接合6が形成される。
【0033】接合の臨界電流密度,トンネル抵抗は、接
合部を横切るようにYBCO薄膜を適当なパターン幅に
微細線状に加工することにより制御することができる。
【0034】上記実施例により作製した超電導素子は、
超電導薄膜を幅5μmにすることで接合の臨界電流(I
c)0.2mA、常電導抵抗(Rn)0.8Ωを得た。
【0035】図8に上記超電導接合に25GHzマイク
ロ波を照射した場合の電流電圧特性のマイクロ波パワー
依存性を示す。図中、(a),(b),(c),(d)
の各電流電圧特性は、異なるマイクロ波パワーに対応し
た電流電圧特性で、それぞれ(a)マイクロ波OFF、
(b)−42dBm、(c)−36dBm、(d)−3
3dBmのマイクロ波パワーである。ここでの表示は、
マイクロ波信号源の出力表示の相対値である。
【0036】照射したマイクロ波の周波数に対応した電
圧間隔で明瞭な階段状のシャピロステップが観測されて
いる。25GHzのマイクロ波に対しては、ジョセフソ
ンの関係式より約50μV間隔にシャピロステップが現
れる。図7においても約50μ間隔で階段状の電流電圧
特性になっていることが判る。マイクロ波の照射強度を
上げるにともない{(b),(c),(d)}、臨界電
流Icは低下し、(d)において接合の臨界電流が完全
にゼロになる。これから、本発明の構造で良質なジョセ
フソン接合が形成されているといえる。また、このI−
V特性の結果をResistive Shunted
Junctionモデルによる解析を行ったところ、一
個のジョセフソン接合が動作した場合のモデル特性と一
致し、本発明により単一接合が再現性良く作製できるこ
とが確認できる。
【0037】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明は集積化
に適した構造の超電導素子を平面的な微小領域に作製す
ることを可能にしたもので、精度の良い制御性を特徴と
した単一の超電導接合を単一で、あるいは集積して使用
する超電導体素子および作製方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】凹型の湾曲を有する超電導素子の断面図であ
る。
【図2】凸型の湾曲を有する超電導素子の断面図であ
る。
【図3】湾曲を有する段差型による超電導素子の断面図
である。
【図4】U字溝を有する超電導素子の断面図である。
【図5】凹型の湾曲を有する超電導素子を集積した場合
の断面図である。
【図6】U字溝を有する超電導素子を集積した場合の断
面図である。
【図7】本発明の超電導素子の作製方法を説明するため
の工程図である。
【図8】25GHzマイクロ波照射下での接合の電流電
圧特性(マイクロ波パワー依存性)を示す図である。
【符号の説明】
1 曲率の不連続部 2 曲率の連続部 3 基板面の平坦部 4 超電導薄膜育成基板 5 超電導薄膜 6 超電導接合 7 基板面の傾斜した平坦部 8 V字溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 恵一 東京都江東区東雲1−14−3 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電導 工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲1−14−3 財団法人 国際超伝導産業技術研究センター 超電導 工学研究所内 (72)発明者 三塚 勉 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 鈴木 克巳 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 藤本 学 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

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】曲率の不連続部と、この不連続部を挟む、
    曲率の連続部とを表面に有する超電導薄膜育成基板と、 前記超電導薄膜育成基板上に成長された超電導薄膜とを
    有し、 前記不連続部上の超電導薄膜内には結晶粒界を生じ、接
    合面が形成され、前記連続部の曲率は、連続部上の超電
    導薄膜内に結晶粒界が生じない曲率である、 ことを特徴とする超電導素子。
  2. 【請求項2】曲率の不連続部と、この不連続部を挟む、
    曲率の連続部とからなる部分を複数表面に有する超電導
    薄膜育成基板と、 前記超電導薄膜育成基板上に成長された超電導薄膜とを
    有し、 前記複数の不連続部上の超電導薄膜内には結晶粒界を生
    じ、接合面が形成され、前記連続部の曲率は、連続部分
    上の超電導薄膜内に結晶粒界が生じない曲率である、 ことを特徴とする超電導素子。
  3. 【請求項3】超電導育成用基板の表面に、収束イオンビ
    ームによりV字溝を設ける工程と、 イオンミリングにより前記V字溝の稜線を平滑化する工
    程と、 前記V字溝の稜線の平滑化された超電導育成用基板上に
    超電導薄膜を成長させる工程と、 を含むことを特徴とする超電導素子の作製方法。
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