(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶方位の異なる第１と第２の基板が接合されて形成され、その第１と第２の基板の間に基板接合部を有するバイクリスタル基板と、
このバイクリスタル基板に接するように形成され、前記基板接合部の直上に粒界からなるジョセフソン接合を有する高温超伝導薄膜とを備え、
前記高温超伝導薄膜は、前記高温超伝導薄膜が形成されていないホール部を囲むループ部を有しており、
前記第１と第２の基板は、前記基板接合部の両側で互いに３０°異なる結晶方位を有し、
出力電圧の変化（ΔＶ）と、臨界電流値（Ｉ0）と、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS）と、接合角度（θ）とが以下の式を満たし、
ΔＶ∝Ｉ0ＲS
Ｉ0∝ｅｘｐ（−ｋθ）  （ｋは定数）
３０°の接合角度におけるジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS）が、ＲS∝ｅｘｐ（ｋθ／２）の式で示す電気抵抗値より高い値を示す特異点となることを特徴とする、高温超伝導量子干渉素子。
【請求項２】
前記基板は、ＳｒＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3、ＮｄＧａＯ3およびイットリウム安定化ジルコニアからなる群より選ばれた１種の材料からなる、請求項１に記載の高温超伝導量子干渉素子。
【請求項３】
前記高温超伝導薄膜は、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、ＴｍおよびＹｂからなる群より選ばれた１種の元素を含む、請求項１または２に記載の高温超伝導量子干渉素子。
【請求項４】
前記基板はＳｒＴｉＯ3からなり、前記高温超伝導薄膜はＹ1Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（ただし、ｘは０≦ｘ＜７）からなる、請求項１から３までのいずれかに記載の高温超伝導量子干渉素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超微小な磁場を検出することが可能な超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に関し、特に、脳磁場や心臓磁場などの生体磁場を高い感度で測定する磁気センサを実現することが可能な高温超伝導量子干渉素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ジョセフソン効果を応用して超伝導エレクトロニクス素子が開発されてきている。特に直流ジョセフソン効果を利用した超伝導量子干渉素子は超微小な磁場を検出することができる。この超伝導量子干渉素子を利用すると、脳磁場や心臓磁場等の微小磁場を高感度に測定する磁気センサを実現することができる。そこで、高温超伝導体を用いて温度７７Ｋで動作する高感度の磁気センサを実現するために高温超伝導量子干渉素子が研究されている。
【０００３】
図８は超伝導量子干渉素子の概略的な構造を示す平面図である。図８を参照して、基板の上に高温超伝導薄膜１００が形成されている。高温超伝導薄膜１００は超伝導量子干渉素子のループ部１０１、すなわち超伝導ループを備えている。このループ部１０１は、２つのジョセフソン接合部１０２と１０３が並列に接続されることによって形成されている。ジョセフソン接合部１０２と１０３は高温超伝導薄膜の粒界から形成されている。ジョセフソン接合部１０２と１０３の直下には基板の接合部が存在する。すなわち、基板はその接合部の両側で結晶方位が互いに角度θ異なる２つの結晶基板、いわゆるバイクリスタル基板から形成されている。
【０００４】
２つのジョセフソン接合部１０２と１０３とが並列に接続されることによって形成されたループ部１０１は、高温超伝導薄膜が形成されていない領域、すなわちホール部１０４を囲んでいる。外部から超伝導量子干渉素子に印加する電流が臨界電流値を超えると、ジョセフソン接合部１０２と１０３から磁束が出入りしてホール部１０４を貫通する磁束が変化し、電圧が発生する。すなわち、図８において臨界電流値を超えるバイアス電流Ｉｂが超伝導量子干渉素子に印加されると、ホール部１０４を貫通する磁場によって電圧が発生し、その電圧は端部１０５と１０６の間で出力電圧として測定される。この出力電圧は、ホール部１０４を貫通する超微小な磁場の変化に応じて変調し、すなわち量子化磁束Φ0 単位で変調する。したがって、出力電圧を測定することにより、超微小な磁場を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように構成された超伝導量子干渉素子を用いて高感度な磁気センサを実現するためには、量子化磁束単位の磁場の変化に対して出力電圧の大きな変化を得る必要がある。出力電圧の変化（ΔＶ）は、臨界電流値（Ｉ0 ）とジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS ）との積に比例することが従来から言われている。この関係は以下の式で表わされる。
【０００６】
【数１】
0003851714.tif 000002
【０００７】
この関係に従うと、臨界電流値と接合部の電気抵抗値との積をできるだけ大きくすれば出力電圧の変化を大きくすることができ、その結果として高感度の磁気センサの実現に寄与することができる。そこで、従来から、接合部の電気抵抗値を高めること、それによって臨界電流値と接合部の電気抵抗値との積の値を大きくすることが試みられている。
【０００８】
たとえば、基板の接合部の両側で結晶方位が異なる角度（接合角度）θが２４°の場合には、上記のＩ0 ＲS の積が１００μＶよりも高いものが得られている。しかしながら、この場合、接合部の電気抵抗値が小さく、通常の製造プロセスによれば典型的には２Ωであった。ある特殊な製造技術を用いると、接合部の電気抵抗が１０Ω程度の高い値を示すことが報告されているが、その製造技術の詳細は明らかにされていない。
【０００９】
また、接合角度θが３６．８°の場合には、１０Ωという接合部の高い電気抵抗値を容易に得ることができる。ところが、この場合、Ｉ0 が小さくなるため上記のＩ0 ＲS の積が小さく、典型的には６０μＶ程度であった。
【００１０】
したがって、接合部の電気抵抗値が１０Ωであり、Ｉ0 ＲS の積が１５０μＶを超える超伝導量子干渉素子を実現することは困難であった。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、高感度の磁気センサを実現することが可能な超伝導量子干渉素子の構造を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、鋭意検討した結果、接合部の電気抵抗値が従来に比べて大幅に高い値を示すバイクリスタル基板の接合角度θの特異点を見い出した。この発明は、上記の発明者らの知見に基づいてなされたものである。
【００１３】
この発明に従った高温超伝導量子干渉素子は、バイクリスタル基板と、高温超伝導薄膜とを備えている。バイクリスタル基板は、結晶方位の異なる第１と第２の基板が接合されて形成され、その第１と第２の基板の間に基板接合部を有する。高温超伝導薄膜は、バイクリスタル基板に接するように形成され、基板接合部の直上に粒界からなるジョセフソン接合を有する。第１と第２の基板は、基板接合部の両側で互いに３０°異なる結晶方位を有する。出力電圧の変化（ΔＶ）と、臨界電流値（Ｉ0）と、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS）と、接合角度（θ）とが以下の式を満たす。
ΔＶ∝Ｉ0ＲS
Ｉ0∝ｅｘｐ（−ｋθ）  （ｋは定数）
３０°の接合角度におけるジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS）が、ＲS∝ｅｘｐ（ｋθ／２）の式で示す電気抵抗値より高い値を示す特異点となる。
【００１４】
基板の材料としてはＳｒＴｉＯ3 、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、イットリウム安定化ジルコニアのいずれか１種の材料を用いるのが好ましい。
【００１５】
高温超伝導薄膜は、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂのいずれか１種の元素を含むのが好ましい。
【００１６】
特に好ましくは、基板の材料としてＳｒＴｉＯ3 が用いられ、高温超伝導薄膜の材料としてＹ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）が用いられる。
【００１７】
以上のように構成された本発明の高温超伝導量子干渉素子においては、バイクリスタル基板を構成する２つの基板は、基板接合部の両側で互いに３０°異なる結晶方位を有する。この３０°という接合角度でバイクリスタル基板を構成し、その上に高温超伝導薄膜を形成すると、ジョセフソン接合部の電気抵抗値が非常に高い値を示す。その結果として、臨界電流値と接合部の電気抵抗値との積が従来よりも非常に高い値を示す。これにより、本発明の高温超伝導量子干渉素子の出力電圧の変化は、従来のものに比べて非常に高い値を示す。したがって、本発明の高温超伝導量子干渉素子を用いると極めて高感度な磁気センサを実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施の形態として高温超伝導量子干渉素子の概略的な構成を示す斜視図である。図３は、バイクリスタル基板の接合部の間で異なる結晶方位の関係を示す図である。
【００１９】
図１を参照して、ＳｒＴｉＯ3 からなるバイクリスタル基板１の上に所定のパターンに従ったＹ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）からなる高温超伝導薄膜２が形成されている。バイクリスタル基板１は、接合部１３の間で互いに結晶方位の異なる２つの基板１１と１２から構成される。高温超伝導薄膜２はループ部２１を備えている。ループ部２１は、２つのジョセフソン接合部２２と２３が並列に接続されて形成されている。ジョセフソン接合部２２と２３は基板の接合部１３の直上に位置し、高温超伝導薄膜２の粒界から形成される。ループ部２１は、超伝導薄膜が形成されていない領域、すなわちホール部２４を囲んでいる。以上のように高温超伝導量子干渉素子が構成されている。
【００２０】
臨界電流値を超えるバイアス電流Ｉｂが矢印で示すように素子に印加されると、ホール部２４を貫通する微小な磁場が電極部２５と２６との間で発生する電圧の変化として測定される。
【００２１】
ここで、図３を参照して、バイクリスタル基板１を構成する２つの基板１１と１２は、接合部１３を介して互いに角度θだけ結晶方位が異なっている。基板１１は、結晶のａ軸またはｂ軸として図３に示すような方向を有している。一方、基板１２は、結晶のａ軸またはｂ軸として図３に示すような方向を有している。基板１１のａ軸またはｂ軸は基板１２のａ軸またはｂ軸と角度θをなして交差する。この発明で用いられるバイクリスタル基板ではθは３０°である。
【００２２】
【実施例】
図１に示される、基板の接合角度θが３０°の本発明の高温超伝導量子干渉素子を以下のようにして製造した。
【００２３】
まず、ＳｒＴｉＯ3 基板を準備した。この基板を所定の方向に沿って切り出すことにより、バイクリスタル基板を構成する２つの基板を作製した。すなわち、図３に示すように一方の基板１１は、切り出された面が接合部１３を形成し、結晶のａ軸またはｂ軸として［１００］方向が接合面の垂線に対して角度θ／２＝１５°だけ傾くように接合面が切り出された。他方の基板１２では、結晶のａ軸またはｂ軸として［１００］方向が接合面の垂線に対して角度θ／２＝１５°だけ傾斜するように接合面が切り出された。ここで基板の上面は（００１）面であった。このようにして作製された２つの基板１１と１２を接合することによりバイクリスタル基板１を準備した。
【００２４】
ＳｒＴｉＯ3 からなるバイクリスタル基板１の上に高温超伝導薄膜としてＹ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）の薄膜をパルスレーザアブレーション法を用いて形成した。超伝導薄膜の厚みは１５０ｎｍであった。薄膜の形成条件は以下のとおりである。レーザはＫｒＦエキシマレーザを用い、パルスエネルギを１ショット当り約１００ｍＪとし、繰返し周波数を１Ｈｚ、基板はＳｉＣヒータからの放射によって加熱され、基板温度を７１５℃とし、酸素圧を４５Ｐａ、酸素ガスの流速を４０ｃｃｍとした。このようにしてＳｒＴｉＯ3 基板の上に形成されたＹ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）の薄膜は良好な超伝導特性を示し、その臨界温度Ｔｃは９３Ｋであり、接合部でない部分上の膜では、その臨界電流密度Ｊｃは温度７７Ｋで４×１０6 Ａ／ｃｍ2 であった。
【００２５】
比較のため、接合角度θが３０°のバイクリスタル基板に対して、２４°、３６．８°のバイクリスタル基板も準備した。
【００２６】
図２は、本発明の１つの実施例として高温超伝導量子干渉素子に形成された高温超伝導薄膜のパターン形状と寸法を示す平面図である。
【００２７】
上述のようにして形成された高温超伝導薄膜は、フォトリソグラフィ技術を用いて図２に示す形状と寸法に従ってエッチングによってパターニングされた。ループ部２１のインダクタンスとして３種類の値を有する超伝導薄膜をそれぞれ形成した。すなわち、ループ部２１のインダクタンスが６０ｐＨの超伝導量子干渉素子を形成する場合には、図２において寸法ｄを６０μｍとし、インダクタンスが１００ｐＨの場合には寸法ｄを１３０μｍとし、インダクタンスが１６０ｐＨの場合には寸法ｄを２３６μｍとして３種類の素子を作製した。なお、図２に示すようにジョセフソン接合部２２と２３を形成する超伝導薄膜の幅は２μｍとした。
【００２８】
図４は、以上のようにして作製された超伝導量子干渉素子においてホール部に与えられる磁場（Φe ）の変化に対する出力電圧（Ｖ）の変化（ΔＶ）の測定結果を示す図である。基板の接合角度θが３０°、３６．８°、２４°についてそれぞれ素子を作製し、ホール部に与える磁場を変化させて出力電圧を測定した。ループ部のインダクタンスＬS は６０ｐＨとした。測定条件は、温度７７Ｋで、外部磁場の影響を防止するために素子をパーマロイからなる円筒状の磁気シールド体の中で液体窒素中に浸漬して行なわれた。
【００２９】
図４から明らかなように、従来の接合角度θが２４°と３６．８°のバイクリスタル基板を用いたものに比べて、本発明の接合角度θが３０°のバイクリスタル基板を用いた超伝導量子干渉素子では大幅に高い出力電圧の変化、８５μＶを示した。この場合、素子の感度は図４における曲線の傾きに相当する。なお、図４においてΦ0 は磁束量子を示す。
【００３０】
ところで、Z. G. IvanovらによってAppl. Phys. Lett. 59（23）, 2 December 1991 pp. 3030-3032 やJ. Apply. Phys. 75（12）, 15 June 1994 pp. 7972-7977で報告されているように、超伝導量子干渉素子の臨界電流密度（Ｉ0 ）と基板の接合角度（θ）との間には以下の式で表わされる関係がある。
【００３１】
【数２】
0003851714.tif 000003
【００３２】
なお、ｋは定数である。
また、R. GrossらによってPhysica C 180 （1991） pp. 235-242 Sorth-Hollandで報告されているように、臨界電流密度（Ｉ0 ）とジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS ）とは以下の式で示される関係を有する。
【００３３】
【数３】
0003851714.tif 000004
【００３４】
さらに、式（２）と式（３）とによって以下の式が導き出され得る。
【００３５】
【数４】
0003851714.tif 000005
【００３６】
本願発明者らは、上記の式（２）と式（４）の関係を確認するために、上述のようにして作製された基板の接合角度θが異なる３種類のバイクリスタル基板を用いて超伝導量子干渉素子を作製した。
【００３７】
図５の（Ａ）は、臨界電流密度（Ｉ0 ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図、図５の（Ｂ）はジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図である。図５の（Ａ）において示される直線は式（２）の関係を示し、図５の（Ｂ）で示される直線は式（４）の関係を示している。上述のようにして作製された超伝導量子干渉素子を用いて測定された結果は黒四角の印でプロットされている。
【００３８】
図５から明らかなように、臨界電流（Ｉ0 ）は基板の接合角度（θ）に対して式（２）で示される関係をほぼ満たすことが確認されたが、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS ）は、基板の接合角度（θ）が３０°において式（４）の関係を満たさず、かなり高い値を示すことが確認された。なお、ジョセフソン接合部の超伝導薄膜の幅（ｗ）は２μｍとした。
【００３９】
基板の接合角度（θ）が３０°のときに高い出力電圧の変化（ΔＶ）を示すのは（図４参照）、図５の（Ｂ）で示されるように接合角度（θ）が３０°のときに高い抵抗値（ＲS ）を示すことに基づくものである。たとえば、接合部の電気抵抗値（ＲS ）が１０Ωのとき、臨界電流値（Ｉ0 ）と接合部の電気抵抗値（ＲS ）の積Ｉ0 ＲS は２５０μＶであった。
【００４０】
以上のように、本発明に従って基板の接合角度（θ）を３０°にすることにより、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS ）が極めて高い値を示す特異点が得られ、接合部の電気抵抗値が１０Ωを超えることが可能となり、積Ｉ0 ＲS が１５０μＶを超えることが可能な超伝導量子干渉素子を実現することができた。
【００４１】
また、ループ部のインダクタンス（ＬS ）に対する出力電圧の変化（ΔＶ）についても測定された。図６は、基板の接合角度（θ）が３０°のときにループ部のインダクタンス（ＬS ）を変化させて温度７７Ｋの条件で出力電圧の変化（ΔＶ）を測定した結果を示す図である。この図によれば、ループ部のインダクタンスを小さくすればするほど出力電圧の変化を大きくすることができることがわかる。すなわち、ループ部の径を小さくすれば、出力電圧の変化は大きくなる。しかしながら、ループ部の径を小さくすると、そのループ部の中に取込まれる磁束が少なくなるため、素子の感度は低下する。したがって、実際にはループ部の径を小さくするだけで、すなわち図２で示される寸法ｄを小さくするだけで素子の感度を高めることは困難である。
【００４２】
なお、図６において示される曲線は以下の理論式に基づく。
【００４３】
【数５】
0003851714.tif 000006
【００４４】
式（５）においてΔＶは出力電圧の変化、βはインダクタンスパラメータであり、β＝２ＬS Ｉ0 ／Φ0 で表わされ、ｋB はボルツマン定数、Φ0 は磁束量子である。図６の曲線は、臨界電流値（Ｉ0 ）を２５μＡ、ジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS ）を１０Ωとして計算した結果を示している。図６から明らかなように、実験値として示された黒丸のプロットは理論式の曲線とほぼ一致している。
【００４５】
さらに、上述のように本発明に従って作製された基板の接合角度（θ）が３０°の超伝導量子干渉素子を用いてノイズ特性を調べた。図７はその測定結果を示す。図７において横軸は与えられる周波数を示し、縦軸はその周波数によって生ずる磁束ノイズの大きさを示している。白色ノイズレベル（図７の右側）では８μΦ0 ／Ｈｚ1/2 程度のノイズが測定され、周波数が１Ｈｚでは７０μΦ0 ／Ｈｚ1/2 程度のノイズが測定された。このノイズの測定は、素子をパーマロイからなる円筒の磁気シールド体の内部に置き、液体窒素中で浸漬した状態で行なわれた。
【００４６】
測定された磁束ノイズは低周波数領域では、いわゆる１／ｆノイズを示しているが、この低周波数領域のノイズは、いわゆる交流バイアス方法を用いるとさらに減少させることができるであろう。また、図７で示される測定結果は回路のノイズと環境ノイズの影響を受けているので、超伝導量子干渉素子自身の真のノイズはその測定結果よりもさらに低いものと考えられる。
【００４７】
なお、上述の実施例では基板の材料としてＳｒＴｉＯ3 を用いたが、これ以外の材料、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3 、ＮｄＧａＯ3 、イットリウム安定化ジルコニアなどの材料からなる基板を用いても上述の本発明の作用効果を期待することができる。
【００４８】
また、上述の実施例では高温超伝導薄膜の材料としてＹ1 Ｂａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-x （ただし、ｘは０≦ｘ＜７）を用いたが、これ以外の酸化物高温超伝導材料から薄膜を形成しても上述の本発明の作用効果を期待することができる。特に、酸化物高温超伝導材料は、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂなどのいずれかの元素を含んでいてもよい。なお、Ｙ系以外の酸化物高温超伝導材料から薄膜を形成しても、本発明の作用効果を期待することができる。
【００４９】
本発明の超伝導量子干渉素子で用いられるバイクリスタル基板の接合角度（θ）は３０°と限定しているが、上述で示された作用効果を達成することが可能な範囲内での接合角度の許容差を含むものである。
【００５０】
以上に開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての実施の形態と実施例の修正や変形を含むものである。
【００５１】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、与えられる磁場の変化に対して大きな出力電圧の変化を示す超伝導量子干渉素子を得ることができ、この素子を用いることによって生体磁場等の超微小な磁場を計測する高感度な磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１つの実施の形態として高温超伝導量子干渉素子を示す斜視図である。
【図２】この発明の一実施例で作製された高温超伝導量子干渉素子で形成された超伝導薄膜のパターン形状と寸法を示す平面図である。
【図３】この発明の高温超伝導量子干渉素子で用いられるバイクリスタル基板での基板間の結晶方位の関係の一例を示す図である。
【図４】この発明の一実施例で得られた磁場の変化と出力電圧の変化との関係を示す図である。
【図５】（Ａ）は臨界電流値（Ｉ0 ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図、（Ｂ）はジョセフソン接合部の電気抵抗値（ＲS ）と基板の接合角度（θ）との関係を示す図である。
【図６】出力電圧の変化（ΔＶ）と超伝導ループ部のインダクタンス（ＬS ）との関係を示す図である。
【図７】この発明の一実施例で得られた高温超伝導量子干渉素子のノイズ特性の測定結果を示す図である。
【図８】従来から知られている一般的な超伝導量子干渉素子の概略的な構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１  バイクリスタル基板
２  高温超伝導薄膜
１１，１２  基板
１３  基板の接合部
２１  ループ部
２２，２３  ジョセフソン接合部
２４  ホール部
２５，２６  電極部
θ  バイクリスタル基板の接合角度
【図１】
0003851714.tif 000007
【図２】
0003851714.tif 000008
【図３】
0003851714.tif 000009
【図４】
0003851714.tif 000010
【図５】
0003851714.tif 000011
【図６】
0003851714.tif 000012
【図７】
0003851714.tif 000013
【図８】
0003851714.tif 000014