薄膜における固有ジョセフソン接合の作製とテラヘルツ電磁波検出技術の開発

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レーザーアブレーション(PLD)法において比較的低温でBi_2Sr_2CaCu_2O_x(Bi2212)薄膜を成膜することにより薄膜の組成がターゲットと同じ組成なるように成膜を行う。その後、電気炉にてアニールを行い結晶化させるという方法によりPLD法においても表面粗さの非常に小さい平坦な薄膜を作製してきた。しかし、Bi2212は結晶構造に本質的に変調構造を有しているため、薄膜の結晶性を高めるにつれて電磁波の検出を行うためのバイクリスタル基板による粒界ジョセフソン接合の作製が困難となることがわかった。そこで、検出器としてのバイクリスタルジョセフソン接合にYBa2Cu307-d(YBCO)薄膜を用い、さらにその薄膜上に高品質な固有ジョセフソン接合を作製することが可能なBi2212ウィスカーを組み合わせることで、ハイブリッドなジョセフソン接合の作製およびテラヘルツ電磁波の検出をめざし、まずはじめにYBCO薄膜とBi2212ウィスカーの接合に取り組んだ。比較的幅の広い、単相で高品質なウィスカーを作製することができるgrowth-melt-regrowth法を用いてBi2212ウィスカーを作製した。PLD法を用いて製膜したYBCO薄膜上にBi2212ウィスカーを載せ、電気炉で酸素雰囲気(FLOW:0.21/min)中,アニール温度は845℃の下で20分間熱処理を行い、YBCO薄膜とBi2212ウィスカーを接合した。この熱処理によりYBCO薄膜の酸素が抜け劣化してしまうため、再び酸素圧600Torr下400℃で1時間、アニールを行うことでYBCO薄膜の特性を回復させた。アニール温度が845℃より低い場合やアニール時間が20分より短い場合は、ウィスカーがよくYBCO薄膜にしっかりと接合せず,加工途中で剥がれてしまうことが多かった。逆にアニール温度が高い場合やアニール時間が長い場合にはYBCO薄膜に樹状の結晶が見られた。そのためアニール温度は845℃、アニール時間は20分が最適であることがわかった。この条件でYBCO薄膜にBi2212ウィスカーを接合したサンプルをフォトリソグラフィー技術及びイオンミリングにより10μm×10μmサイズのメサ型にパターニングを行い、I-V特性に固有ジョセフソン接合特有のブランチ構造が観測することができた。