JP4820481B2 - 超伝導量子干渉素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種半導体素子や半導体材料、あるいは超伝導材料、その他金属材料や無機材料など、各種の素子や材料からなる試料について、マイクロメータ程度の範囲における磁気量を計測または観察する磁気計測装置に関し、詳しくは磁気を検出する高分解能な超伝導量子干渉素子（以下ＳＱＵＩＤと称する）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近に至り、ＳＱＵＩＤ顕微鏡と称されるマイクロメータ程度の空間分解能を有する高感度磁束計が実用化され、各種素子や材料についてＳＱＵＩＤ顕微鏡を用いた計測・観察を行うことが多くなっている。ＳＱＵＩＤは高い磁場分解能を有する磁気センサーとして従来応用されているが、微小領域の磁気観察を行うＳＱＵＩＤ顕微鏡として用いる場合には、空間分解能が重要な性能となる。
【０００３】
図２は空間分解能を考慮した従来のＳＱＵＩＤの一例を示した概略回路パターン図である。ＳＱＵＩＤは超伝導ループ１０と帰還変調コイル２０で作製されたＤＣ−ＳＱＵＩＤである。図２における超伝導ループ１０の概略等価回路図を図３に示す。超伝導ループ１０は、ワッシャーコイル１１と２つのジョセフソン接合１２と検出コイル１３により構成される。図２に示すように超伝導ループ１０は帰還変調コイル２０と共にシリコン基板上に集積される。
【０００４】
ジョセフソン接合１２は、ニオブ／酸化アルミ／ニオブのトンネル接合型ジョセフソン接合が良く用いられている。
【０００５】
帰還変調コイル２０はワッシャーコイル１１に磁気結合される。１６は検出コイル１３とワッシャーコイル１１とのコンタクトホールである。
【０００６】
図２、図３において、外部制御回路により、ワッシャーコイル１１の２つの電極２１ａと２１ｂとの間に図３に示すような方向に適当なバイアス電流を印加して、検出コイル１３で検出した磁束と同じ量で逆向きの磁束をワッシャーコイル１１のループに重なる帰還変調コイル２０（図３においては図示されない）を通してワッシャーコイル１１へ帰還させて駆動する。これにより、検出コイル１３で検出した磁束を外部制御回路から電圧出力として得ることができる。
【０００７】
空間分解能はＳＱＵＩＤを構成する検出コイルの大きさなどの形状と、試料−ＳＱＵＩＤ間の距離により決定される。空間分解能が高いＳＱＵＩＤを設計・作製する際には、検出コイルの有効検出面積を可能な限り小さく設計し、フォトリソグラフィ技術を用いた薄膜作製技術を利用して作製される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＳＱＵＩＤによれば、空間分解能を上げるために検出コイルを小さく作製しようとすると、検出コイルの内径と比較して相対的に検出コイル自体の幅や検出コイル付近の超伝導膜が大きくなる。そうなると検出コイルの内径部分に結合する磁気以外にも、検出コイル自体や検出コイル付近の超伝導膜の反磁性により反発された磁束の一部を検出してしまい、結果として検出コイルの有効面積が大きくなるという問題があった。
【０００９】
この発明は、上記問題点を解決し、検出コイルの有効検出面積を小さくし、空間分解能を高めたＳＱＵＩＤを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（第１の手段）
本発明は、上記の課題を解決するために、前記検出コイルと検出コイル周辺の超伝導膜のいずれか一方かあるいはその両方へ、超伝導膜により反発された磁束のうち前記検出コイルに向かう磁束を通過させるためのスリットを設けたＳＱＵＩＤとした。
（第２の手段）
第１の手段にさらに、スリットを加工する装置としてビーム加工装置を用いた。
【００１１】
第１の手段によるＳＱＵＩＤによれば、検出コイルかつ、または検出コイル周辺の超伝導膜に反発した磁束の内、検出コイルに結合しようとする余分な磁束の一部が検出コイルに結合されずにスリットを通過するため、検出コイルへの余分な磁束の結合が少なくなることから、検出コイルの有効検出面積が小さくなり、空間分解能を高めることが可能となる。
【００１２】
第２の手段により、スリットの微細加工が可能になるため、検出コイルへ結合する余分な磁束を排除する能力が向上し、空間分解能をさらに高めることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について図面を参照にして説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示すＳＱＵＩＤの構造を示した概略図である。
【００１５】
図１（Ａ）はＳＱＵＩＤの全体の構造を示し、図１（Ｂ）は検出コイル付近の構造を示す。従来例と同様に超伝導ループ１０は、ワッシャーコイル１１と２つのジョセフソン接合１２と検出コイル１３により構成され、帰還変調コイル２０と共にシリコン基板上に作製される。
【００１６】
その後、微細加工ができるビーム加工装置を用いて、スリット１５の部分の上層および下層の超伝導膜を削除する。スリット１５は検出コイル１３の内径形状に平行に入れた。スリット１５の加工に用いたビーム加工装置としては集束イオンビーム加工装置を用いたが、エキシマレーザなどその他のビーム加工装置でも良く、さらに、フォトリソグラフィ技術を用いて作製してもよい。
【００１７】
検出コイル周辺の膜に対して垂直方向の磁場が存在する場合、図１（Ｂ）でスリット１５よりも下の超伝導体の部分に鎖交しようとする磁束は、超伝導体の完全反磁性の特性により反発されて放射状に拡散される。拡散された磁束のうち検出コイルの方向へ向かった磁束は、スリット１５を通りぬけて膜の反対側へと抜ける構造となる。図1(Ｂ)において、スリット１５は検出コイル１３の内径形状に平行に入れたことにより、より効率的に、検出コイル１３に向かう磁束を通過させることができる。図１（Ｂ）においては、検出コイル周辺の超伝導膜にスリットを設けたが、図４に示すようにさらに検出コイル自体にスリットを設けてもよい。この場合のスリットは、図４に示すようにコイル枠の法線方向のスリットでもよいし、又コイル枠に平行に沿ったスリットでもよい。いずれにしてもこれらのスリットは、検出コイルあるいは検出コイル周辺の超伝導膜により反発された磁束の内検出コイルに向かう磁束を通過させる役割を果たす。
【００１８】
作製したＳＱＵＩＤは、検出コイルをワッシャーコイルおよびジョセフソン接合と共に一つの超伝導ループに製作させた一体型であるが、検出コイルをワッシャーコイルとは別の超伝導ループで形成させ、検出コイルで検出した磁界をワッシャーコイルへ結合させる構造としたトランス結合型のＳＱＵＩＤでも良い。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、検出コイル自体や検出コイル付近の超伝導膜の反磁性により反発された磁束の一部がスリットを通過するため、検出コイルへ結合せず、結果として検出コイルの有効面積が大きくなることが防げる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の実施の形態１を示すＳＱＵＩＤの全体の構造を示した概略図である。
（Ｂ）は本発明の実施の形態１を示すＳＱＵＩＤの検出コイルの構造を示した概略図である。
【図２】従来の空間分解能を考慮したＳＱＵＩＤの一例を示した概略図である。
【図３】磁気検出ための超伝導ループの概略等価回路図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示すＳＱＵＩＤの検出コイルの構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 超伝導ループ
１１ ワッシャーコイル
１２ ジョセフソン接合
１３ 検出コイル
１５ スリット
１６ コンタクトホール
２０ 帰還変調コイル
Claims (5)
- フォトリソグラフィ技術により作製され、超伝導ループを構成するジョセフソン接合とワッシャーコイルおよび検出コイルと、帰還変調コイルと、からなる超伝導量子干渉素子において、
前記ワッシャーコイルと前記検出コイルとから連接された超伝導膜と、
前記超伝導膜の前記検出コイル近傍に設置されたスリットと、を有する超伝導量子干渉素子。 - フォトリソグラフィ技術により作製され、超伝導ループを構成するジョセフソン接合とワッシャーコイルおよび検出コイルと、帰還変調コイルと、からなる超伝導量子干渉素子において、
前記検出コイルを構成する超伝導膜の外径沿って凹部を形成するスリットを有する超伝導量子干渉素子。 - フォトリソグラフィ技術により作製され、第一の超伝導ループを構成するジョセフソン接合およびワッシャーコイルと、第一の超伝導ループに磁気的に結合される第二の超伝導ループを構成する検出コイルおよび入力コイルと、帰還変調コイルと、からなる超伝導量子干渉素子において、
前記検出コイル近傍に、前記第一の超伝導ループから前記検出コイルに向かう磁束を通過させるためのスリットを有する超伝導量子干渉素子。 - フォトリソグラフィ技術により作製され、第一の超伝導ループを構成するジョセフソン接合およびワッシャーコイルと、第一の超伝導ループに磁気的に結合される第二の超伝導ループを構成する検出コイルおよび入力コイルと、帰還変調コイルと、からなる超伝導量子干渉素子において、
前記検出コイルを構成する超伝導膜の外径に沿って凹部を形成するスリットを有する超伝導量子干渉素子。 - 前記スリットの加工をビーム加工装置により行う請求項１から４のいずれか一つに記載の超伝導量子干渉素子。
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