2023年度 次世代半導体・センサ科学研究所 シンポジウム
February 26th, 2024

IRES²プロジェクト研究

Ga-FIB照射による高温超伝導SQUIDの低ノイズ化に関する研究

プロジェクトメンバー： 林 幹二、鳥取 優樹、三山 彗樹、有吉 誠一郎、田中 三郎（次世代半導体・センサ科学研究所 IRES²）
緒言

1. 背景と目的

高温超伝導体薄膜で作製した磁束量子干渉計（HTS-SQUID）は、最も高感度な磁気センサの一種で、取り扱いが容易な液体窒素冷却で使用できる利点を持つ。
しかし、現在一般的に用いられてるバイクリスタル型HTS-SQUIDは、ジョセフソン接合として HTS 薄膜の人工結晶粒界を使用することから、設計自由度や拡張性が低く、磁束運動によるノイズ増加などの課題がある。そこで、バイクリスタル基板を使用しないナノブリッジ型SQUIDの作製し、バイクリスタル型SQUIDと同程度の特性が得られた。また、薄膜SQUID中での磁束運動を抑制するアンチドット（非超伝導の穴）の導入や薄膜SQUIDへの磁束侵入を抑制するHTS薄膜シールドを従来型のSQUIDへ適用することで、磁場中におけるノイズ増加を抑制できることが確認された。現在は、これらの結果を統合し、実応用に使用可能な磁場感度・ノイズ特性を有するSQUID磁気センサの検討を行っている。

現在一般的に用いられてるバイクリスタル型HTS-SQUIDは、ジョセフソン接合としてHTS薄膜の人工結晶粒界を使用することから、以下のような課題がある。
人工結晶粒界の位置によってSQUIDの設計自由度や拡張性が低下
粒界周辺のHTS薄膜を貫通した磁束の運動によってSQUIDのノイズが増加
高価なバイクリスタル基板が必要
そこで、これらの課題解決を目的として、以下の検討を行った。

 バイクリスタル基板を使用しないナノブリッジ型SQUIDの作製・評価
 アンチドットによる磁束運動の抑制
 HTS薄膜シールドによる薄膜SQUIDへの磁束の侵入の抑制

2. Ga-FIBによるナノブリッジ型ジョセフソン接合の作製

2.2 臨界電流のブリッジ幅・照射量依存性

2.1 FIB加工によるナノブリッジ型ジョセフソン接合作製の原理

Ga-FIB
irradiation

0.10

2000

0.05

10000.00

1E16

1E171E18Irradiated regions Single crystal substrate(Normal conductor) (MgO{001} or SrTiO3{001})• FIBを薄膜に走査して部分的に非超伝導化• ナノメートル精度で、高温超伝導ナノブリッジを作製

3. ナノブリッジ型HTS-SQUIDの作製
Voltage [mV]

4 μm
SQUIDholeW N = 800 nm
Temp. = 77 K
F = 4.0×1017 ions/cm2

2

3.1 ナノブリッジ型SQUIDの作製

30 μm

Nanobridge

1 μm
Substrate

20 μm

粒界アンチドット（1019 ions/cm2）

YBCO

-1

ΔV ~ 1 μV

-2-1

0200

10 μm

IC (WN) = JC × tHTS × WN

0050100

150200Bridge width WN [nm]

• FIB照射量とブリッジ幅によって臨界電流を制御• 臨界電流はブリッジ幅に比例、制御性良好

マイクロ波照射により、液体窒素温度（77K）でACジョセフソン効果を確認（ジョセフソン接合の動作確認）

Temp. = 77 K

2Nano-junctions
8×1016 ions/cm2• インダクタンスの低減により、磁束感度が向上
5 μm• FIB照射によって、長さ 8 μmのスリット（SQUID • 従来型（バイクリスタルSQUID）と同程度の特性リングの穴）とナノブリッジを形成
Substrate

4.2 超伝導薄膜シールドによるノイズ低減

Temp. = 77 K, B = 66 μT
without Antidots

チップキャリア+36dB+6dB

アンチドットYBCO 50 nmt

8 mm

8 mm

粒界
SQUIDリング

Zero field• 従来型のバイクリスタル SQUID に、 FIB を用いて非超伝導の穴（アンチドット）を形成

バイクリスタルSQUID

6×1017

ΔV = 15 μV
1with Antidots• 薄膜中に侵入した磁束を固定（ピン止め）し、磁束の運動を低減

5×103×1017

SQUID hole
1×1018 ions/cm2

アンチドットによる磁束の固定

D ~ 100 nm

1 μm

YBCO
200 nmt

17400

04. HTS-SQUIDのノイズ低減
1 μm

Temp. = 77 K
fRF = 10 GHz

4×1017

3.2 ナノブリッジ型マイクロSQUIDの作製

1• 長さ 30 μm 、幅4 μmの高温超伝導体薄膜リングをフォトリソグラフィで作
F lux F/F0製
液体窒素冷却下で、量子干渉による周期的な• 高温超伝導体薄膜リングに、 2 つの 磁場電圧特性を確認（DC-SQUIDの動作確認）
ナノブリッジを形成

4.1 アンチドット導入によるノイズ低減

600

Au 20 nmt / YBCO 50 nmt-2

Au 5 nmt / YBCO 50 nmt

YBCO film
WN

02
Fluence [ions/cm] 2]
Fluence[ions/cm• 高温超伝導体にFIB照射することで点欠陥を導入• 点欠陥密度の増加に従い、超伝導体から常伝導体、絶縁体へ変化

Critical current IC [μA]

3000

Nano-bridge(Superconductor)

2.3 ACジョセフソン効果の確認

8 μm/ IC0IICC/IC00.15

Ga-FIB4000

2nd Fluence
Unit: ions/cm2

Temp. = 77 K

35 μm

Au(20 nm)/YBCO(50 nm)/STO
W ~ 4 μm @77 K

Resistance [W][Ω]Resistance(ii)(i) YBa2Cu3O7-d

0.20

照射前後の臨界電流比

Pointdefects

800

極薄膜SQUID（YBCO 50 nmt）

アンチドット導入により、磁場中におけるノイズ増加を抑制（ 1 – 100 Hzで1/60程度）

超伝導薄膜シールド（YBCO 200 nmt）

• 極薄膜SQUIDに超伝導薄膜シールドを貼付け• SQUID薄膜上への磁束侵入を抑制

薄膜シールドの追加により、磁場中におけるノイズ増加を10 Hz以下で抑制

5. まとめ

研究業績

バイクリスタル型HTS-SQUIDの課題解決を目的に、ナノブリッジ型SQUIDの作製と、アンチドットとHTSシールド追加による磁束ノイズ低減を検討し、以下の結果を得た。
1. HTS薄膜をFIBで加工することでナノブリッジを作製し、ブリッジ幅と照射量で臨界電流を制御できることを確認した。また、ナノブ
リッジはACジョセフソン効果を示し、ジョセフソン接合として動作していることを確認した。
2. フォトリソグラフィで作製した長さ30 μmのHTSリングにFIB加工によってナノブリッジを形成し、ナノブリッジ型SQUIDを作製した。
ナノブリッジ型SQUIDは、液体窒素冷却下でDC-SQUIDとして動作することを確認した。また、FIB加工によって、HTS薄膜に長さ8 µmのスリット（SQUIDリングの穴）とナノブリッジを形成し、ナノブリッジ型マイクロSQUIDを作製した。SQUIDのインダクタンス低減によって特性が向上し、バイクリスタル型SQUIDと遜色がない特性を示した。
3. バイクリスタル型SQUIDにFIBで非超伝導の穴（アンチドット）を導入することで、磁場中におけるSQUIDのノイズ増加が1-100 Hzで1/60程度に抑制されることを確認した。また、SQUID上にHTS薄膜シールドを貼り付けることで、磁場中でのノイズ増加が 10Hz以下で抑制されることを確認した。
現在は、これらの結果を統合した実用的な磁場感度を有する低ノイズSQUIDの作製に向けて、磁束捕獲能力の大きいダイレクトカップ
ル-ナノブリッジ型SQUIDの試作を検討中である。

1. K. Hayashi, R. Ohtani, Y. Tottori, S. Ariyoshi, and S. Tanaka,“Study of HTS Nanobridge Josephson Junctions made by FIB”,
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, Issue 9(2022).

研究代表者
田中 三郎（tanakas@tut.jp）
バイオセンシング応用研究室
https://chem.tut.ac.jp/squid/

技術を究め、技術を創る
国立大学法人

豊橋技術科学大学

2. Kanji Hayashi, Teppei Ueda, Ryo Ohtani, Seiichiro Ariyoshi,
and Saburo Tanaka, “Fabrication of HTS Low-noise Nanobridge
Josephson Junction by Gallium FIB”, IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, (2021) 1101604_1-4.
3. Kanji Hayashi, Teppei Ueda, Ryo Ohtani, Seiichiro Ariyoshi andSaburo Tanaka, “A Study of the HTS Josephson Junction Formed
byaGa
FocusedIonBeam”,
J. Phys.: Conf. Ser. vol. 1590 no.012044 (2020).
4. Kanji Hayashi, Teppei Ueda and Saburo Tanaka, “Study on Changeof properties of HTS Josephson Junction by Ion beam Irradiation”,
Extended Abstracts of 14th International Symposium onHigh Temperature Superconductors in High Frequency Fields(HTSHFF2018), pp. 56-57 (2018).