(57)【要約】【課題】超高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサーとそのＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供する。【解決手段】一対の高温超伝導体の単結晶（１）と（２）を基板上に熱処理により交差角度０°−９０°の範囲で交差させて結合し形成した単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合（４）を用い、高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より一対の単結晶をその結合界面を含めて貫通する貫通孔（５）を形成して高温超伝導ジョセフソントンネル接合を２つに分離し、一対の単結晶でループ状の結合構造を構成するＳＱＵＩＤ磁気センサーとする。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の高温超伝導体の単結晶が基板上に交差角度０°−９０°の範囲で交差されて結合されている単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いたＳＱＵＩＤ磁気センサーであって、
高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より一対の前記単結晶をその結合界面を含めて貫通させた貫通孔によって高温超伝導ジョセフソントンネル接合が２つに分離され、一対の単結晶でループ状の結合構造が構成されていることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサー。
【請求項２】
高温超伝導ジョセフソントンネル接合を作製する際に用いられる一対の高温超伝導体の単結晶がウィスカー状または細く加工した単結晶のいずれか１種または２種の組み合わせであることを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ磁気センサー。
【請求項３】
一対の高温超伝導体の単結晶がビスマス系であり、その超伝導相が２２１２相、２２０１相もしくは２２２３相のいずれか１種またはこれらの相の２種以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１または２記載のＳＱＵＩＤ磁気センサー
【請求項４】
一対の高温超伝導体の単結晶を熱処理により基板上に交差角度０°−９０°の範囲で交差させて結合した単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いたＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法であって、
高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より一対の単結晶をその結合界面を含めて貫通する貫通孔を形成して高温超伝導ジョセフソントンネル接合を２つに分離し、一対の単結晶でループ状の結合構造を構成することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法。
【請求項５】
収束イオンビーム加工装置を用いて高温超伝導ジョセフソントンネル接合に貫通孔を形成することを特徴とする請求項４記載のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法。
【請求項６】
結合した一対の高温超伝導体の単結晶の側面に切り込みを入れて幅を狭くし、その後幅を狭くした部分に高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より貫通孔を形成することを特徴とする請求項４または５記載のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法。
【請求項７】
高温超伝導ジョセフソントンネル接合を作製する際に用いられる一対の高温超伝導体の単結晶がウィスカー状または細く加工した単結晶のいずれか１種または２種の組み合わせであることを特徴とする請求項４ないし６いずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法。
【請求項８】
一対の高温超伝導体の単結晶がビスマス系であり、その超伝導相が２２１２相、２２０１相もしくは２２２３相のいずれか１種またはこれらの相の２種以上の組み合わせであることを特徴とする請求項４ないし７いずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法。
【請求項９】
一対の高温超伝導体の単結晶の交差角度を変化させることで高温超伝導ジョセフソントンネル接合の特性を制御することを特徴とする請求項４ないし８いずれかに記載のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＳＱＵＩＤ磁気センサーおよびＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法に関するものである。さらに詳しくはこの出願の発明は、高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いた超高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサーとそのＳＱＵＩＤ磁気センサーを容易かつ良好に作製することのできるＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
超伝導体を用いたジョセフソントンネル接合素子（ＳＩＳ−ＪＪ素子）は超伝導素子の基本素子であって、高周波素子やＳＦＱ素子（ＳＦＱ：Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｌｕｘ  Ｑｕａｎｔｕｍ（単一磁束量子））、ＳＱＵＩＤ磁気センサー素子などとして応用が進められてきた。
【０００３】
高温超伝導体を用いたジョセフソントンネル接合が作製されればさらに性能の向上が期待されることからこれまで多くの研究がなされてきたが、再現性の良い、高温超伝導体によるジョセフソントンネル接合はこれまで実現されていなかった。
【０００４】
上記のような状況の中、この出願の発明者等は、一対の高温超伝導ウィスカー結晶を基板上で交差させた状態で熱処理を行うことで結合し、その一対の高温超伝導ウィスカー結晶の結合部分に単一のジョセフソントンネル接合を作製することを提案した（特許文献１および特願２００２−２７５８７３）。
【０００５】
しかしながら、上記のようなジョセフソントンネル接合は現段階ではその作製方法や特性が見出されたばかりでありそれを用いた応用はこれまでなされていなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１４１５６６
【０００７】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いた超高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサーとそのＳＱＵＩＤ磁気センサーを容易かつ良好に作製することのできるＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、一対の高温超伝導体の単結晶が基板上に交差角度０°−９０°の範囲で交差されて結合されている単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いたＳＱＵＩＤ磁気センサーであって、高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より一対の前記単結晶をその結合界面を含めて貫通させた貫通孔によって高温超伝導ジョセフソントンネル接合が２つに分離され、一対の単結晶でループ状の結合構造が構成されていることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーを提供する。
【０００９】
第２には、第１の発明において、高温超伝導ジョセフソントンネル接合を作製する際に用いられる一対の高温超伝導体の単結晶がウィスカー状または細く加工した単結晶のいずれか１種または２種の組み合わせであることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーを提供する。
【００１０】
第３には、第１または２の発明において、一対の高温超伝導体の単結晶がビスマス系であり、その超伝導相が２２１２相、２２０１相もしくは２２２３相のいずれか１種またはこれらの相の２種以上の組み合わせであることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーを提供する。
【００１１】
第４には、一対の高温超伝導体の単結晶を熱処理により基板上に交差角度０°−９０°の範囲で交差させて結合した単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いたＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法であって、高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より一対の単結晶をその結合界面を含めて貫通する貫通孔を形成して高温超伝導ジョセフソントンネル接合を２つに分離し、一対の単結晶でループ状の結合構造を構成することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供する。
【００１２】
第５には、第４の発明において、収束イオンビーム加工装置を用いて高温超伝導ジョセフソントンネル接合に貫通孔を形成することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供する。
【００１３】
第６には、第４または５の発明において、結合した一対の高温超伝導体の単結晶の側面に切り込みを入れて幅を狭くし、その後幅を狭くした部分に高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より貫通孔を形成することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供する。
【００１４】
第７には、第４ないし６いずれかの発明において、高温超伝導ジョセフソントンネル接合を作製する際に用いられる一対の高温超伝導体の単結晶がウィスカー状または細く加工した単結晶のいずれか１種または２種の組み合わせであることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供する。
【００１５】
第８には、第４ないし７いずれかの発明において、一対の高温超伝導体の単結晶がビスマス系であり、その超伝導相が２２１２相、２２０１相もしくは２２２３相のいずれか１種またはこれらの相の２種以上の組み合わせであることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供する。
【００１６】
第９には、第４ないし８いずれかの発明において、一対の高温超伝導体の単結晶の交差角度を変化させることで高温超伝導ジョセフソントンネル接合の特性を制御することを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１８】
この出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーは、一対の高温超伝導体の単結晶が基板上に交差角度０°−９０°の範囲で交差されて結合されている単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いたＳＱＵＩＤ磁気センサーであって、高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より一対の前記単結晶をその結合界面を含めて貫通させた貫通孔によって高温超伝導ジョセフソントンネル接合が２つに分離され、一対の単結晶でループ状の結合構造が構成されていることを大きな特徴としている。
【００１９】
この出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーは上記のような構造であることから、それに用いられる高温超伝導ジョセフソントンネル接合が超伝導近接効果素子に比べてＩｃＲｎ値（臨界電流値Ｉｃとシャント抵抗値Ｒｎの積であり、ジョセフソントンネル接合の信号処理能力を示す量）が大きく、ＳＱＵＩＤ出力がＩｃＲｎに比例して増加することから、出力／入力比の増大すなわち感度の向上が期待でき、超高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサーとして利用することができる。
【００２０】
また、高温超伝導ジョセフソントンネル接合を作製する際に用いられる一対の高温超伝導体の単結晶としてウィスカー状または細く加工した単結晶のいずれか１種または２種の組み合わせを用いることで高温超伝導ジョセフソントンネル接合に指向性を持たせることができ、とくに一対の高温超伝導体の単結晶をビスマス系とし、その超伝導相が２２１２相、２２０１相もしくは２２２３相のいずれか１種またはこれらの相の２種以上の組み合わせとすることで、ビスマス系超伝導体が高い異方性を有することから、結晶界面方向に指向性の高い感度を持たせることが期待できる。
【００２１】
また、この出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法は、一対の高温超伝導体の単結晶を熱処理により基板上に交差角度０°−９０°の範囲で交差させて結合した単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いたＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法であって、高温超伝導ジョセフソントンネル接合の側面より一対の単結晶をその結合界面を含めて貫通する貫通孔を形成して高温超伝導ジョセフソントンネル接合を２つに分離し、一対の単結晶でループ状の結合構造を構成することを大きな特徴としている。この出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法により、単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いて、２つのジョセフソントンネル接合がループ状につながった形状の超高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサーを、容易かつ良好に作製することができる。
【００２２】
そして、とくに収束イオンビーム加工装置を用いて高温超伝導ジョセフソントンネル接合に貫通孔を形成することで、より容易かつ良好に高温超伝導ジョセフソントンネル接合に貫通孔を形成することができる。
【００２３】
さらに一対の結合した単結晶の側面に貫通孔を形成するといった微細加工は極めて難しいことから、結合した一対の高温超伝導体の単結晶の側面に切り込みを入れて貫通孔を形成する部分の幅を狭めることで、元の単結晶の幅よりも狭い幅のジョセフソントンネル接合の側面に対して貫通孔を形成すれば良くなり、より容易に貫通孔を形成することが可能となる。
【００２４】
このようにして作製されたＳＱＵＩＤ磁気センサーは、ＳＱＵＩＤ出力がＩｃＲｎに比例して増加することから、出力／入力比の増大すなわち感度の向上が期待でき、超高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサーとして利用することができるのである。
【００２５】
また、高温超伝導ジョセフソントンネル接合を作製する際に用いられる一対の高温超伝導体の単結晶としてウィスカー状または細く加工した単結晶のいずれか１種または２種の組み合わせを用いることで高温超伝導ジョセフソントンネル接合に指向性を持たせることができ、とくに一対の高温超伝導体の単結晶をビスマス系とし、その超伝導相が２２１２相、２２０１相もしくは２２２３相のいずれか１種またはこれらの相の２種以上の組み合わせとすることで、ビスマス系超伝導体が高い異方性を有することから、結晶界面方向に指向性の高い感度を持たせることが期待できる。
【００２６】
また、この出願の発明に用いられる高温超伝導ジョセフソントンネル接合では、特願２００２−２７５８７３においても詳述したように、超伝導体の間に薄い絶縁体層がサンドイッチされており、この絶縁体層は２つの結晶の界面に形成されている。したがってこの出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーに用いられる高温超伝導ジョセフソントンネル接合において一対の単結晶を用いるのは１つに界面に適切な絶縁体層を形成させるためであり、一対の単結晶の界面に形成された絶縁体層を用いるからこそ単一のジョセフソントンネル接合を形成させることができる。また単結晶は多結晶と異なり結晶方位が一方向に向いていることから一対の単結晶の交差角度により臨界電流密度を変化させることができ、高温超伝導ジョセフソントンネル接合のプラズマ周波数ｆｐなどを制御することができるのである。
【００２７】
したがって高温超伝導ジョセフソントンネル接合において基板上で結合する一対の高温超伝導体の単結晶の交差角度すなわち交差する一対のビスマス系高温超伝導体の単結晶がなす２種類の大きさの角度のうち小さい方の角度を０°−９０°の範囲にすることで、この範囲内の交差角度で交差して結合する高温超伝導ジョセフソン接合のプラズマ周波数ｆｐを、臨界電流密度Ｊｃが交差角度に依存して変化することに起因して変化させることができる。
【００２８】
すなわちこの出願の発明に用いられる高温超伝導ジョセフソントンネル接合のプラズマ周波数ｆｐは交差角度に応じて変化するものであり、一対の高温超伝導体の単結晶の交差角度を変化させることで、プラズマ周波数などの高温超伝導ジョセフソントンネル接合の特性を好適に制御することができ、適宜必要な特性を有するＳＱＵＩＤ磁気センサーを作製することができるのである。
【００２９】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３０】
【実施例】
＜実施例１＞
この出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法を用いてＳＱＵＩＤ磁気センサーを作製しその特性の評価を行った。
【００３１】
図１および図２にこの出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法の工程の一例を示す。
【００３２】
まず図１（ａ）および図２（ａ）の電子顕微鏡像に示すように高温超伝導体の単結晶である高温超伝導ウィスカー（１）と（２）の一対を用い、それら高温超伝導ウィスカー（１）と（２）を交差させて基板（３）上に配置し、図１（ｂ）に示すように熱処理により接着して単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合（４）を作製した。
【００３３】
その際に、一対の高温超伝導ウィスカー（１）と（２）の交差角度を０°−９０°の間の範囲で任意の角度として高温超伝導ジョセフソントンネル接合（４）を作製することが可能であるが、この例においては、臨界電流密度Ｊｃが最小となる交差角度４５°付近とした。
【００３４】
そして次に、図１（ｃ）、図２（ｂ）および図３に示すように、得られた単一の高温超伝導ジョセフソントンネル接合（４）の側面より一対の高温超伝導ウィスカー（１）と（２）を、その結合界面を含めて貫通する貫通孔（５）を形成して高温超伝導ジョセフソントンネル接合（４）を２つに分離する微細加工を行った。なお微細加工装置にはＦＩＢ（収束イオンビーム加工装置）を用いた。
【００３５】
その際に、図２（ａ）の電子顕微鏡像に示すようにそれら一対の高温超伝導ウィスカー（１）と（２）の幅が広いため直接横から加工を行うのは難しいことから、前もってそれら一対の高温超伝導ウィスカー（１）と（２）の幅を狭めるため、まず結合したそれら一対の高温超伝導ウィスカー（１）と（２）の両方の側面にＦＩＢにより図３に示すような切り込みを入れて高温超伝導ウィスカー（１）と（２）の幅を狭め、その後高温超伝導ジョセフソントンネル接合（４）の横から貫通孔（５）を開けて加工を行い、図２（ｂ）の電子顕微鏡像、図３および図２の要部拡大図である図４に示すような素子（６）を得ることができた。この素子（６）は、横から見た場合、図５に示すようなジョセフソン接合（４０）を流れる電流とリングに加える磁場によって生じる環状の超伝導電流間の干渉を用いて磁場を検出する従来の一般的なＳＱＵＩＤ（４１）と同様の構造を有しており、実際図６に示すような矢印の方向に電流が流れるのである。
【００３６】
得られた素子（６）に、結晶接合面に平行で貫通孔（５）に垂直に磁場を印加したところ、図７に示すように、磁場の強度に応じて臨界電流が振動する現象を観測でき、臨界電流値の磁場依存性が見られた。図７では臨界電流値が印加磁場に対し、約５０エルステッド周期で振動している様子が示されている。この一周期の磁場強度５０エルステッドは磁束量子一本が貫通孔へ挿入される磁場に対応しており、この振動を観測することでこの素子（６）をＳＱＵＩＤ磁気センサーとして機能させることができるのである。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、高温超伝導ジョセフソントンネル接合を用いた超高感度のＳＱＵＩＤ磁気センサーとそのＳＱＵＩＤ磁気センサーを容易かつ良好に作製することのできるＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法の工程の一例を示した側面図である。
【図２】この発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法の工程の一例を示した電子顕微鏡像である。
【図３】この発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法により得られた素子の一例を示す斜視図である。
【図４】図２の電子顕微鏡像の要部拡大図である。
【図５】従来の一般的なＳＱＵＩＤの模式図である。
【図６】この出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの電流の流れる方向を示す模式図である。
【図７】この出願の発明のＳＱＵＩＤ磁気センサーの作製方法により得られた素子における臨界電流値の磁場依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２  高温超伝導ウィスカー
３  基板
４  高温超伝導ジョセフソントンネル接合
５  貫通孔
６  素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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