JP2002141565A - 超電導デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】容易に構造でき、かつ、特性の均一な超電導デ
バイスの製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶基板上に弱結合部を加工し、加工さ
れた基板上に超電導薄膜を形成して超電導デバイスを製
造することを特徴とし、たとえば、ＳｒＴｉＯ３単結晶
基板１上の弱結合部を形成する領域に非晶質のアルミナ
膜１３を形成し、次いで、基板上全面にＢａ−Ｙ−Ｃｕ
酸化物超電動膜を成膜し、アルミナ膜上には非配向のＢ
ａ−Ｙ−Ｃｕ膜９、露出したＳｒＴｉＯ３基板上にはｃ
軸配向のＢａ−Ｙ−Ｃｕ膜３ａ、３ｂを形成して弱結合
素子を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液体窒素温度あるい
はそれ以上の温度で動作する超電導デバイスに係り、特
に製造が容易で動作が安定な超電導デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高温で動作する超電導デバイスの
材料としては、Ｎｂ3Ｇｅ等の材料が使用されていた。
この技術については、エイチ・ロガラ等（Ｈ.Ｒogalla
et al.）が、アイ・イー・イー・イー・トランザクショ
ン・マグ−１５，５３６（１９８５）（ＩＥＥＥ Ｔran
s.ＭＡＧ−１５，５３６（１９８５））において論じて
いる。

【０００３】また、従来超電導性を示す複数の電極を半
導体あるいは常伝導体を介して結合させた超電導デバイ
スについては、アール・ビー・バン・ドーバー等（Ｒ.
Ｂ.Ｖan.Ｄover et al.）が、ジェイ・アプライド・フ
ィジックス・Ｖol.５２，第７３２７，１９８１（Ｊ．
Ａppl．Ｐhys., Ｖol.５２，Ｐ.７３２７，１９８１）
において論じている。また上記超電導デバイスに電界効
果によって超電導性を示す電極間の結合を変化させる手
段を加えた三端子型の超電導デバイスについては、ティ
ー・ディー・クラーク等（Ｔ.Ｄ.Ｃlark et al.）が、
ジェイ・アプライド・フィジックス・Ｖol.５，第２７
３６頁，１９８０年（Ｊ．Ａppl．Ｐhys.，Ｖol.５，
Ｐ.２７３６，１９８０）において論じている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この三端子型の超電導
デバイスの断面構造を図１に示す。このデバイスは、半
導体層２に接して設けられた２つの超電導電極３ａ，３
ｂに半導体層２を通して流れる超電導電流の値を両電極
３ａ，３ｂ間に設けた制御電極５に印加した電圧によっ
て超電導近接効果を変化させて制御するものである。制
御電極５は半導体層２の上に、絶縁膜４を介して設けら
れている。

【０００５】上記従来技術は、超電導電極の材料として
Ｐｂ，Ｐｂ合金，Ｎｂ，Ｎｂ系化合物を用いていた。従
って、これらの材料を用いた超電導デバイスを動作させ
るためには、液体ヘリウム温度（４.２Ｋ）付近の極低
温中にデバイスを設置しなければならなかった。さらに
２つの超電導電極間の超電導近接効果の影響を大きくす
るためには、２つの超電導電極間の距離を０.５μｍ以
下に離して設置しなければならず、このことがデバイス
作製を非常に困難なものとしていた。

【０００６】また、上記従来技術においては、超電導電
極と半導体あるいは常伝導体とは、それぞれ別々の元素
の組合せから成る材料によって構成されていた。例えば
超電導電極の材料としてはＮｂやＰｂ合金、Ｓｎ等が用
いられ、また半導体あるいは常伝導体の材料としては、
Ｓｉ，ＩnＡs，Ｃｕ等が用いられていた。しかしなが
ら、これらの材料を組合せるということは、超電導体と
半導体又は常伝導体のように電気的な性質が全く異なる
材料を重ねてデバイスを構成することを意味している。
従って、この超電導デバイスは半導体あるいは常伝導体
の表面上にこれとは異なる材料の超電導体が重ねて形成
された構造となる。このとき、超電導体の特性は、半導
体等の表面状態に敏感に反応するため、このような構造
のデバイスは、その特性が変化し易く、この種の超電導
デバイスを再現性よく製造することは、困難であった。

【０００７】また、超電導体の超電導転移温度（Ｔｃ）
も高々１０〜２０Ｋ程度であり、このことはデバイスの
特性がそのデバイスの温度変化によって不安定になり易
いことを意味している。

【０００８】また、従来の超電導デバイスは、主として
液体ヘリウム温度で動作することから、その温度までの
冷却には、液体ヘリウムへの浸漬又は、ヘリウム・ガス
による冷却という方法が用いられていた。しかしなが
ら、液体ヘリウムは非常に高価であり、冷却剤として経
済的でない。また、液体ヘリウムは室温に比べて極低温
であるため、その取扱い自体が難しいといった問題を有
していた。そして、この液体ヘリウムの問題は、そのま
ま超電導デバイス自身の経済性及び取扱いといった問題
に結びついていた。

【０００９】また、従来用いられていた超電導材料は、
多結晶状あるいはアモルファス状であった。多結晶性の
材料においては０.５μｍ以下の微細加工を精密に行う
ことは困難であり、また超電導体としての性質が結晶の
方位に依存する材料を使用した場合には、作製のたびに
多結晶材料の結晶粒の配向性の程度を厳密に制御する必
要がある。しかしながら、一般にはこれが困難であるた
めに、製造の際の特性ばらつきが大きくなるという問題
があった。

【００１０】従来の超電導弱結合素子を有する超電導デ
バイスの構造は超電導膜の一部を細くしてくびれを形成
し、くびれ部分に弱結合性を持たせた、いわゆるマイク
ロブリッジが代表的なものである。とくにＮｂ系超電導
材料に対しては光学的なパタン形成技術あるいは電子ビ
ーム描画技術と超電導膜の加工技術を組合せて、超電導
弱結合素子が作製されて来た。このような弱結合素子は
微弱な磁界を検出できる量子磁束計として、あるいは高
感度のマイクロ波・ミリ波検出器として利用される。量
子磁束計は１０-9Ｏｅという高い磁束分解能を有し、脳
磁計や心磁計に利用される。弱結合素子のマイクロ波検
出領域は他の半導体素子では不可能な高い周波数帯域１
０12Ｈｚまで可能である。

【００１１】このように超電導弱結合素子を備えた超電
導デバイスは電磁波の検出素子として優れた性能を有す
る。しかしながら従来のＮｂ系超電導材料は臨界温度が
２３Ｋ以下であるから、Ｎｂ系超電導材料を用いて形成
される超電導材料も液体ヘリウム中（４.２Ｋ）での動
作を余儀なくされてきた。

【００１２】このような公知例として、ＩＥＥＥ Ｔran
saction on Ｍagnetics，Ｖol．ＭＡＧ−２１，Ｎo.
２，ＭＡＲＣＨ １９８５，pp.９３２−９３４がある。

【００１３】本発明の第１の目的は、温度変化に対する
動作が安定で、かつ、液体窒素温度以上の高温で動作可
能な超電導デバイスを提供することにある。

【００１４】本発明の第２の目的は、経済性に優れ、か
つ、その取扱いが容易な超電導デバイスを提供すること
にある。

【００１５】本発明の第３の目的は、容易に構造でき、
かつ、特性の均一な超電導デバイスを提供することにあ
る。

【００１６】本発明の第４の目的は、効率の良い超電導
電子の流れを与える超電導デバイスを提供することにあ
る。

【００１７】本発明の第５の目的は、デバイス感度及び
利得の大きな超電導デバイスを提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記第１，第２，第３及
び第４の目的は、超電導デバイスを構成する酸化物超電
導体の結晶のｃ軸を、その酸化物超電導体内を流れる超
電導電波の方向と略垂直になるように配向することによ
って達成される。又は、この超電導体をその超電導性が
結晶学的な方位に依存しており、面内での２次元性が強
くなるように形成し、上記超電導体を流れる電流の方向
を上記超電導性の高い方向と一致させることによって達
成される。

【００１９】上記第１，第２，第３及び第５の目的は、
超電導体と常伝導体（半導体）とが接する面に対して超
電導体の結晶のｃ面が垂直になるように接続することに
よって、達成される。

【００２０】すなわち、たとえば酸素欠陥型層状ペロブ
スカイト結晶構造又はＫ2ＮｉＦ4型結晶構造を有する超
電導材料は、超電導的な性質が結晶学的な方位に依存し
ており、ｃ軸に垂直な面、すなわちｃ面内での超電導性
が強く、キャリアが面内で動く２次元性が強い。このた
めデバイスとして使用するために充分大きな電流を流す
ことのできる方向はｃ面内であり、他の面に比較して約
１０倍の超電導電子の流れをもつ。そこで超電導体の結
晶のｃ軸を超電導体内を流れる電流方向と略直角にする
ことによって、効率良く超電導電流を流すことができ
る。

【００２１】本発明によれば、超電導体と常伝導体もし
くは半導体とを組合せて使用する超電導デバイスにおい
て、超電導体と常伝導体もしくは半導体との界面の結晶
格子を整合させて製造し、なおかつデバイス中の電流が
流れる方向と、材料の超電導性の高い方向とが一致して
いるために、充分に大きな超電導電流を流すことができ
るので、特性が安定で再現性良く製造でき、しかも回路
動作も安定な超電導デバイスを実現できる効果がある。

【００２２】超電導体から半導体又は常伝導体に電子対
あるいは電子がしみ出す確率が高くなる。すなわち超電
導体と半導体又は常伝導体界面の電子波の整合性が良好
であり、効率の良い電子の流れとなる。従って動作の安
定した高利得の超電導デバイスの実現が可能となる。同
様の効果は結晶粒が配向した多結晶材料を用いた場合に
も得ることができる。

【００２３】さらに、（Ｌａ1-xＡx)2ＣｕＯ4（ＡはＳ
ｒ1ーy-zＢａyＣａzなどの材料）なる組成のＫ2ＮｉＦ4
型結晶構造を有する超電導材料は、超電導的な性質が結
晶学的な方位に依存しており、ｃ面、すなわちｃ軸に垂
直な面内での超電導体が強い異方的な電気伝導特性を有
する。このため、デバイスとして充分に大きな電流を流
す方法は、結晶のｃ軸に垂直な面内にあることが必要で
あって、このため超電導体、及び常伝導体が、超電導デ
バイスをその上に形成する基板に接している面、すなわ
ち基板の表面が、超電導体あるいは常伝導体を構成する
単結晶材料のｃ軸に垂直であることが望ましいのであ
る。この場合には、超電導デバイスにおいて電波を流す
方向が、超電導性の最も高い方向と一致しており、この
ため、デバイスの動作を安定なものにすることができ
る。

【００２４】以上は、単結晶性の材料を超電導電極と、
半導体とに使用した場合について述べたが、同様の効果
は結晶粒が配向した多結晶材料を用いた場合にも得るこ
とができる。この場合にも、結晶粒の配向方向は基板の
表面に対し結晶粒のｃ軸が垂直となることが望ましい。
配向した常伝導体もしくは半導体上に、やはり同じ配向
性を有する超電導電極を形成することは容易であり、こ
のような場合には、上で述べた単結晶性の材料を用いた
場合と同様の効果を得ることが可能である。

【００２５】また、以上の説明においては、先に常伝導
体又は半導体を形成しておき、次いで超電導体を形成す
るものとしているが、この順序を変更しても全く同様の
効果を得ることができる。

【００２６】以下、実施例を参照して本発明を詳細に説
明する。

【００２７】

【発明の実施の形態】（実施例１）図２を用いて本発明
の第１の実施例を説明する。基板１は、ＳｒＴｉＯ3単
結晶からなり、その主表面は結晶のｃ軸と垂直である。
この基板１の主表面上にスパッタリング法によって厚さ
約１００ｎｍの(Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4の組成を有す
る常伝導体又は半導体２を形成する。この常伝導体又は
半導体は、平坦な基板１上に形成されているため、膜厚
は一定である。これを高周波加熱法によって約１０００
℃で約１０秒程度の加熱処理を行なう。すると、常伝導
体又は半導体２はそのｃ軸が基板１のｃ軸と同じ方向に
配向した単結晶薄膜になる。続いて(Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2
ＣｕＯ4の組成を有する厚さ約１００ｎｍの超電導体３
を同じくスパッタリング法によって形成する。この超電
導体３は下地となる常伝導体又は半導体２の配向性に依
存した結晶配向性を有するため、やはり基板１及び常伝
導体又は半導体２同じｃ軸方向に配向する。この超電導
体３の表面にホトレジストによるパターンを形成し、こ
れをマスクにしてＡｒイオンによるスパッタ・エッチン
グを行い、超電導体３を対向する２つの超電導電極３
ａ，３ｂに加工する。この二つの超電導電極３ａ，３ｂ
の間の長さは、常伝導体又は半導体のコヒーレンス長さ
の約３〜１０倍程度である。次に、化学的気相成長法
（ＣＶＤ法）によって厚さ約１５０ｎｍのＳｉＯ2より
成る保護膜６を形成する。この保護膜６は、超電導体２
の材料に希土類元素を含む酸化物を使用した場合には、
水素，酸素の拡散や表面の組成変化によって材料の超電
導特性が変化し、デバイスの特性が時間とともに劣化す
ることを防止するために設けたものである。従って、本
実施例のような酸化物系の材料を超電導体に用いる場合
には、この保護膜６を使用することが望ましい。保護膜
６の材料としてはＳiＯ2の他にＳiＯ，Ｓi3Ｎ4などの絶
縁物や、有機高分子材料等を使用しても良い。

【００２８】以上によって、超電導体３ａ−常伝導体
（半導体）２−超電導体３ｂの構造を有する超電導デバ
イスを得ることができる。この場合、常伝導体２と超電
導体３の間の界面は、両層を連続的に形成したために、
汚染等が無く、また結晶格子の整合が良いために、キャ
リアの反射が少なく理想的な状態を保って形成できた。
このため特性の均一性と再現性に優れ、回路動作が安定
になる効果があった。なお、本実施例においては、基板
１の材料としてＳｒＴｉＯ3あるいはサファイアを用い
たが、この他にＳｉＣ等のセラミクス材料あるいはＧＧ
Ｇ等のガーネット材料を用いてもよい。

【００２９】（実施例２）次に図３を用いて本発明の第
２の実施例を説明する。第１の実施例においては常伝導
体又は半導体２を先に形成したが、すでに述べたように
超電導体３を先に形成することもできる。形成の際の条
件等は第１の実施例と同様で良い。即ち、主表面が結晶
のｃ軸と垂直である基板１（ＳｒＴｉＯ3単結晶）の上
に（Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4の組成を有する厚さ約１
００ｎｍの超電導体をスパッタリング法によって形成す
る。超電導体３の表面にホトレジストによるパターンを
形成し、これをマスクにしてエッチングを行い、超電導
体３を加工して対向する２つの超電導電極３ａ，３ｂを
形成する。次に（Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4の組成を有
する厚さ約２００ｎｍの常伝導体２をスパッタリング法
によって堆積形成する。これを高周波数加熱法により約
１０００℃で約１０秒間の加熱処理を施す。すると、常
伝導体又は半導体２と超電導体３は、実施例１と同様
に、そのｃ軸が基板１のｃ軸と同じ方向（いいかえれ
ば、基板１の主表面と垂直方向）に配向した多結晶ある
いは単結晶の薄膜になる。このようにして、本発明の超
電導体３ａ−常伝導体（半導体）２−超電導体３ｂの構
造を有するデバイスを得ることができる。

【００３０】（実施例３）次に図４を用いて、本発明の
第３の実施例を説明する。図２の第１の実施例による超
電導デバイスの表面に保護膜６を形成せずに、ＣＶＤ
（化学的気相成長法）によってＳｉＯ2から成る厚さ約
２０〜１２０ｎｍの絶縁膜４を形成する。次に厚さ約３
００ｎｍのＮｂより成る制御電極５をスパッタリング法
による堆積とＣＦ4ガスを用いた反応性イオンエッチン
グ法によって形成する。これによって三端子型の超電導
デバイスを実現することができる。この制御電極５は２
つの超電導電極間を流れる電流を制御することができ
る。このデバイスは制御電極５を有しているが、前記の
２つの実施例と同様に、特性の均一性と再現性とに優れ
た超電導デバイスを実現できることは言うまでもない。

【００３１】（実施例４）次に図５を用いて、本発明の
第４の実施例を説明する。主表面が結晶のｃ軸に垂直な
基板１（ＳｒＴｉＯ3単結晶あるいはサファイヤ）の上
に、スパッタリング法により厚さ約１００ｎｍの（Ｌａ
0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4の組成を有する超電導体３ａを形
成する。これを酸素雰囲気中で加熱して、約９２０℃，
２時間の熱処理を行なう。これにより、超電導体３ａは
ｃ軸が基板１のｃ軸と同じ方向に配向した多結晶薄膜あ
るいは単結晶薄膜とすることができる。続いてイオンビ
ーム・スパッタリング法により厚さ約１００ｎｍの（Ｌ
ａ0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4の組成を有する常伝導体又は半
導体２と、厚さ約２００ｎｍの（Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2Ｃｕ
Ｏ4の組成を有する第２の超電導体３ｂを形成する。

【００３２】超電導体３ａの加工はホトレジストのパタ
ーンをマスクとした化学エッチングを用いる。常伝導体
２と第２の超電導体３ｂとは、メタルマスクを通して形
成する。そして超電導体３ｂを酸素雰囲気中で加熱し
て、約９２０℃、２時間の熱処理を行なう。これにより
第２の超電導体３ｂも超電導体３ａと同様にｃ軸が基板
１のｃ軸と同じ方向に配向した多結晶薄膜となる。次に
化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって厚さ約１５０ｎ
ｍのＳｉＯ2より成る保護膜６を形成する。以上によっ
て超電導体３ａ−常伝導体（半導体）２−超電導体３ｂ
の構造を有する超電導デバイスを得ることができる。本
実施例においては、超電導体３ａと第２の超電導体３ｂ
とが常伝導体２をはさみ込んだ、サンドイッチ型の構造
を有している。この点が本発明の第１の実施例とは異っ
ている。このようなサンドイッチ型の構造においても、
本発明の目的を充分に達することができる。また本実施
例では常伝導体をはさみ込んでいるが、これが半導体で
あっても良いことは言うまでもない。この場合には超電
導体と半導体の間にはショットキ障壁が存在し、電気伝
導のメカニズムにおいては、トンネル効果が重要となる
が、このようなトンネル接合に対しても、本発明は充分
な効果を有することは言うまでもない。

【００３３】（実施例５）上記図２から図５までの実施
例に示された超電導デバイスに用いられた超電導電極材
料は、高い超電導臨界温度を有するペロブスカイト型の
酸化物超電導材料である。この材料において超電導電子
対は結晶構造上にａ−ｂ面方向（ｃ軸と垂直方向）に流
れやすく、ｃ軸と同じ方向には流れ難い。したがってこ
のような材料を超電導電極として用いた超電導デバイス
の超電導電流の流れは超電導電極３ａ→常伝導体（半導
体）２→超電導電極３ｂとなる。そこで超電導電極３
ａ，３ｂと常伝導体（半導体）２の界面の電子の流れが
重要となる。つまり超電導電極３ａから常伝導体（半導
体）２に対する電流の流れ及び常伝導体（半導体）２か
ら超電導電極３ｂに対する電流の流れをそれぞれ大きく
しなければならない。

【００３４】図３の場合、超電導電極３ａ，３ｂの電流
は、基板１の主表面と平行（ｃ軸と垂直）方向に流れ
る。従って、超電導電極３ａ，３ｂと常伝導体（半導
体）２との間には、最大超電導電流が流れる。しかしな
がら、図２および図４のように、超電導電極３ａ，３ｂ
と常伝導体（半導体）２とが異なる層で形成されている
場合には、超電導電極３ａから常伝導体（半導体）２へ
の電流の流れ及び常伝導体（半導体）２から超電導電極
３ｂへの電流の流れは、超電導電極３ａ，３ｂの電流の
流れと直交することになる。従って、このような超電導
デバイスは、超電導電極３ａ−常伝導体（半導体）２−
超電導電極３ｂの構造において、超電導体（３ａ，３
ｂ）と常伝導体（半導体）２との間に充分な超電導電流
を流すことができないという問題があった。

【００３５】この問題を解決した実施例について、以下
説明する。

【００３６】図６は本実施例の第５の実施例である超電
導デバイスの断面図である。基板１１は、第１から第４
の実施例とは異なり、ＳｒＴｉＯ3からなり、その主表
面は結晶のｃ軸と平行である。この基板１１上にスパッ
タリング法で厚さ２００ｎｍの（Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2Ｃｕ
Ｏ4の組成を有する常伝導体（半導体）２を形成する。
その後これを高周波加熱法で１０００℃，１０秒の加熱
処理を行なう。すると、常伝導体（半導体）２は、その
ｃ軸が基板１１のｃ軸と平行な単結晶薄膜になる。次に
（Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4の組成を有する厚さ約３０
０ｎｍの超電導薄膜をスパッタリング法によって形成す
る。この超電導薄膜は、下地となる常伝導体（半導体）
２の結晶の配向性に依存した結晶配向性を有するため、
常伝導体（半導体）２の表面に対してｃ軸が平行、すな
わちｃ面が垂直になるように配向している。次に９５０
℃の酸素雰囲気中で１時間の加熱を行った後この超電導
薄膜表面にホトレジストによるパターンを形成し、これ
をマスクとしてＡｒイオンによるスパッタエッチングを
行い、対向する２つの超電導電極３ａ，３ｂを形成す
る。

【００３７】次に、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によ
って、ＳｉＯ2からなる厚さ約１２０ｎｍの絶縁膜７を
形成する。続いて、イオン・ビーム・スパッタリング法
により、厚さ約１００ｎｍの（Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ
4の組成を有する超電導配線３ｃ，３ｄを形成する。そ
して、この超電導配線３ｃ，３ｄを約９５０℃の酸素雰
囲気中で１時間の加熱を行なう。超電導配線３ｃ，３ｄ
の下地材料は、アモルファス状のＳｉＯ2より成る絶縁
膜であるために、超電導配線３ｃ，３ｄを構成する材料
の結晶粒のｃ軸は、基板に対し垂直方向に配向し易い。
これにより、超電導配線３ｃ，３ｄのｃ軸は基板１１の
主表面に対して垂直に配向し易くなる。この結晶粒の配
向は完全なものではないが、このように超電導電極３
ａ，３ｂと、超電導配線３ｃ，３ｄの配向性を変えるこ
とにより、より大きな超電導電流を安定に流すことがで
きる。このようにして超電導体３ａ−半導体２−超電導
体３ｂの構造を有する超電導デバイスを得ることができ
る。このデバイスは超電導体３ａ，３ｂと半導体２との
界面の電流の流れが良好であり、流れの方向が超電導性
の高い方向と一致するので超電導電極３ａ，３ｂ間を流
れる臨界超電導電流が増大して安定した動作を示す。

【００３８】（実施例６）次に図７を用いて、本発明の
第６の実施例である超電導デバイスを説明する。図６の
実施例である超電導デバイスに、超電導電流を制御する
ための制御電極５を付加したものである。尚、図７にお
いては、図面を簡略化するために、図６の超電導配線３
ｃ，３ｄを記号的に示し、絶縁膜７を省略して示した。

【００３９】第５の実施例で示したデバイスの表面に化
学的気相成長（ＣＶＤ）法によってＳｉＯ2からなる厚
さ１００ｎｍの絶縁膜４を堆積する。その後ＤＣマグネ
トロンスパッタリング法で厚さ約３００ｎｍのＮｂ膜を
堆積し、ホトレジストをマスクとしてＣＦ4ガスでエッ
チングし、制御電極５を形成する。このようにして三端
子型の超電導デバイスを得ることができる。このデバイ
スは、第５の実施例と同様に超電導近接効果を高めるこ
とができるので、制御電極に印加する一定の電圧に対す
る臨界超電導電流の変化量を増加させることができる。
従ってデバイスの利得が大きくなり、安定した動作を示
す。

【００４０】（実施例７）図８は本発明の第７の実施例
である超電導デバイスの断面図である。基板１は、図１
と同様に、その主表面がｃ軸に垂直なＳｒＴｉＯ3単結
晶からなる。この基板１上にスパッタリング法で厚さ５
００ｎｍの（Ｌａ0.9Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4からなる常伝導
体（半導体）２を堆積する。その後、高周波加熱法で１
０００℃，１０秒の加熱を行なう。なお半導体２はその
ｃ軸が基板１のｃ軸と同じ方向、即ち基板１の主表面と
垂直になっている。これをホトレジストをマスクとして
ＣＦ4ガスによるプラズマエッチングによって深さ３０
０ｎｍまでエッチングして、常伝導体（半導体）２に幅
０.５μｍ以下の突起２ａを設ける。続いてＣＶＤ法で
ＳｉＯ2からなる厚さ１００ｎｍの層間絶縁膜７を形成
した後スパッタリング法で（Ｌａ0.9Ｓｒ0.1)2ＣｕＯ4
の組成を有する厚さ２００ｎｍの超電導薄膜を形成す
る。ここで常伝導体（半導体）２からなる突起部２ａの
側面に対して超電導薄膜のｃ面が垂直になるように配向
している。続いてホトレジストを溶媒によって除去する
ことにより、図８に示した超電導デバイスを得ることが
できる。このデバイスは、図２の実施例と同様に超電導
近接効果を高めることができるので臨界超電導電流が増
し、安定した動作を示す。

【００４１】（実施例８）図９は本発明の第８の実施例
である超電導デバイスの断面図である。図８の実施例の
デバイスに超電導電流を制御するための制御電極５を付
加した超電導デバイスである。図８の実施例に示したデ
バイスの表面にＣＶＤ法によってＳｉＯ2からなる厚さ
１００ｎｍの絶縁膜４を形成する。その後、ＤＣマグネ
トロンスパッタ法で厚さ３００ｎｍのＮｂ膜を形成す
る。そして、これをＣＦ4ガスにより反応性イオンエッ
チング法を用いて加工し、制御電極５を形成する。この
ように図９に示した超電導デバイスを得ることができ
る。このデバイスによれば制御電極に印加する一定の電
圧に対する臨界超電導電流の変化量を増加させることが
できるデバイスの利得が大きくなり、安定した動作を示
す。

【００４２】（実施例９）次に図１０を用いて本発明の
第９の実施例を説明する。ＳｒＴｉＯ3の単結晶より成
る基板１に、スパッタリング法によって（Ｌａ0.9Ｓｒ
0.1)2ＣｕＯ4の組成を有する厚さ約１μｍの超電導体３
を、結晶のｃ軸が基板に垂直になるごとく堆積させる。
これはあらかじめ基板１の主表面の結晶方位をｃ面に運
んでおけば良い。次に９５０℃の酸素雰囲気中で２時間
加熱を行った熱超電導体の一部分を、Ａｒイオンエッチ
ング法によって加工し、厚さ約０.２μｍ，幅約０.１μ
ｍの弱結合部９を形成する。引きつづいて、弱結合部上
にＣｄＳよりなる光導電性半導体８を形成し、本発明の
超電導デバイスを作製する。以上によって光導電性半導
体８にｃ面が垂直に接し弱結合部９によって区切られた
２つの超電導電極３ａ，３ｂからなる構成の超電導デバ
イスを実現できる。このような構造をもつデバイスの光
導電性半導体８に光１０を照射したところ超電導電極３
ａ，３ｂの最大超電導電流が流れる方向と超電導電極３
ａ−光導電性半導体８−超電導電極３ｂへの電流の流れ
は、図に示したｘ軸方向で一致するために大きな電流を
流すことができる。それに従ってｘ軸方向に流れる電流
の値を照射する微小な強度の光で容易に制御することが
でき、高感度で高速の光検出デバイスとして動作する。

【００４３】（実施例１０）次に図１１を用いて、本発
明の第１０の実施例を説明する。ＣｄＳよりなる光導電
性半導体８上にスパッタリング法によって（Ｌａ0.9Ｓ
ｒ0.1)2ＣｕＯ4なる組成を有する厚さ１μｍの超電導体
と、結晶のｃ軸が基板に平行になるごとく堆積させる。
次に９５０℃の酸素雰囲気中で２時間の加熱を行った
後、Ａｒイオンエッチング法で超電導体の一部分を加工
して、厚さ０.２μｍ，幅０.１μｍの弱結合部９を形成
して本発明の超電導デバイスを作製する。このデバイス
の光導電性半導体８に光１０を照射したところ、超電導
電極３ａ，３ｂの最大超電導電流が流れる方向と超電導
電極３ａから光導電性半導体８への電流の流れ、及び光
導電性半導体８から超電導電極３ｂへの流れと一致する
ために大きな電流を流すことができる。したがって微量
な光で電流の値を容易に制御することができる高感度で
高速の光検出デバイスとして動作する。

【００４４】（実施例１１）次に図１２を用いて本発明
の第１１の実施例を説明する。ＣｄＳよりなる光導電性
半導体８をホトレジストをマスクとしてＡｒイオンエッ
チング法で加工し、高さ１μｍ，幅０.１μｍの突起を
形成する。次にマスクを除去した後、（Ｌａ0.9Ｓｒ0.
1)2ＣｕＯ4なる組成を有する厚さ２μｍの超電導体を、
結晶のｃ軸が表面に垂直となるように堆積させる。これ
にＣＦ4ガスによるプラズマエッチングを施して、超電
導体の表面が均一となり、かつ突起上の超電導体の厚さ
が０.２μｍになるようにする。続いて酸素雰囲気中で
９５０℃，２時間の加熱を行って、本発明の超電導デバ
イスを作製する。

【００４５】このデバイスの光導電性半導体８に光１０
を照射したところ、超電導電極３ａ，３ｂの最大超電導
電流が流れる方向と超電導電極３ａ−光導電性半導体８
−超電導電極３ｂの電流の流れる方向は一致するために
大きな電流を流すことができる。従って、流れる電流の
値を光によって容易に制御することができ、高感度で高
速の光検出デバイスとして動作する。

【００４６】（実施例１２）次に図１３を用いて本発明
の第１２の実施例を説明する。ＳｒＴｉＯ3よりなりｃ
軸に垂直な表面を有した基板１上に、ＣｄＳよりなる厚
さ１μｍの光導電性半導体８を堆積し、Ａｒガスイオン
エッチング法で幅０.１μｍに加工する。次に（Ｌａ0.9
Ｓｒ0.1)2ＣｕＯ4なる組成を有する厚さ２μｍの超電導
体を、結晶のｃ軸が垂直に平行となるように堆積させ
る。これにＣＦ4ガスによるプラズマエッチングを施し
て、超電導体の表面が均一となり、かつ光導電性半導体
上の超電導体の厚さが０.２μｍになるようにする。続
いて酸素雰囲気中で９５０℃，２時間の加熱を行って、
本発明の超電導デバイスを作製する。

【００４７】このデバイスの光導電性半導体８に光１０
を照射したところ、超電導電極３ａ，３ｂの最大超電導
電流が流れる方向と、超電導電極３ａ−光導伝性半導体
８−超電導電極３ｂの電流の流れる方向は一致するため
に大きな電流を流すことができる。従って、流れる電流
の値を光によって容易に制御することができ、高感度で
高速の光検出デバイスとして動作する。

【００４８】（実施例１３）次に、Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化
物をはじめとするペロブスカイト型結晶構造の変形構造
を有する酸化物超電導材料を電極材および弱結合部材と
して用いた実施例について述べる。電極部分において酸
化物超電導材料は結晶のｃ軸が膜面と垂直であるように
する。弱結合部分は電流を流す方向に対して垂直で幅１
０μｍ以内の帯状とし、この弱結合部分において酸化物
超電導材料は結晶のｃ軸が膜面方向に向いた構造にす
る。あるいは弱結合部における酸化物超電導材料が多結
晶体から成り、結晶方位があらゆる方向を向いている構
造とする。

【００４９】このような構造は以下のごとき方法によっ
て形成する。基板材料としてたとえばＳｒＴｉＯ3単結
晶を用いる。ＳｒＴｉＯ3結晶の（１００）面は基板面
に対して平行とする。この上にたとえばＢａ−Ｙ−Ｃｕ
酸化物を成長させることによって結晶のｃ軸が基板面に
垂直な方向を向くように制御する。弱結合部に関して
は、弱結合に対応する部分に多結晶性でかつ結晶方位の
揃わない多結晶薄膜を形成する。この上に形成したＢａ
−Ｙ−Ｃｕ酸化物膜は多結晶性で、かつ結晶方位がすべ
てｃ軸方向に揃ってはいない膜構造になる。

【００５０】電極部分における電流容量を高めるため
に、電極部分の酸化物超電導膜構造を、電流の通じる方
向に対して単一の結晶でかつ、弱結合部分においては膜
面内で通電方向に対して垂直方向に５μｍあるいはこれ
以下の間隔で結晶が結晶粒界あるいは双晶面によって分
かれた構造にする。このような構造を得るために、基板
結晶の酸化物超電導膜の電極部位に相当する部分に対し
て、あらかじめドライエッチング等の方法により、線状
の欠陥を設けておく。

【００５１】前記超電導弱結合素子は以下のような独自
の作用をなす。すなわち、本超電導弱結合素子の形成工
程において、酸化物超電導膜自体に対するパタン形成工
程は全く含まれない。したがって素子の作製工程段階に
おける酸化物超電導膜の超電導特性の劣化は問題となら
ない。

【００５２】つぎにこの超電導弱結合素子の原理につい
て述べる。Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物超電導体を例にとって
みる。Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物の結晶構造は図１４に示す
ごとく、ペロブスカイト型結晶構造の変形構造であり、
周期的な酸素原子の空孔を含む。図においてＢａ原子２
３をはさんでａ軸とｂ軸の形成する面内でＣｕ原子２１
の３ｄ電子と酸素原子２２の２ｐ電子が結合し、結合対
を構成する。超電導電子対はこのＣｕ原子２１と酸素原
子２２の結合対に添って流れる。Ｃｕ原子２１と酸素原
子２２の結合対はｃ軸方向には連続的につながらず、Ｙ
原子２４を含むａ−ｂ面において切られてしまう。した
がって超電導電子はａ−ｂ面内方向に対して流れ易く、
ｃ軸方向に流れ難い。この結果として、臨界電流密度等
の超電導特性はａ−ｂ面内方向における方がｃ軸方向に
おける値より優れている。たとえばｃ軸に対して垂直方
向に磁界を印加したときの臨界磁界は平行に磁界を印加
したときの臨界磁界の３倍である。同様にａ−ｂ面内方
向における臨界電流密度はｃ軸方向の臨界電流密度の３
倍以上である。したがって電極部分を結晶のｃ軸が基板
面に対して垂直な単結晶あるいは多結晶体とし、弱結合
部分を結晶のｃ軸が基板面に対して垂直とはならない多
結晶体とする。このような構造とした場合、電極膜部分
と比べて弱結合部の臨界電流が低くなる。したがって素
子に電流を通じた場合、弱結合部で超電導電子波位相の
ずれを生じ、ジョセフソン素子としての特性を示す。

【００５３】以上のごとき結晶方位の制御は下地材を選
択することにより行うことができる。たとえばＳｒＴｉ
Ｏ3は立方晶のペロブスカイト型結晶構造で格子定数０.
３９０５ｎｍである。一方Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物は斜方
晶構造であり、格子定数はａ＝０.３８９４ｎｍ，ｂ＝
０.３８２０ｎｍ，ｃ＝１.１６８８ｎｍである。したが
ってＳｒＴｉＯ3の格子定数とＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物の
ａ軸およびｂ軸方向格子定数はほぼ等しい。ＳｒＴｉＯ
3およびＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物ともにペロブスカイト型
に属する結晶構造であり、原子間隔がほぼ等しいことか
ら、ＳrＴｉＯ3を下地としてＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物を形
成することによって、Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物膜の結晶方
位を制御することができる。下地に対してｃ軸が垂直と
なる方向にＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物結晶の方位が揃うのを
防ぐためには、結晶方位の定まらない多結晶の絶縁膜あ
るいは非晶質絶縁膜を下地として用いる。

【００５４】電極部分の酸化物超電導膜構造を、電流の
通じる方向に対して単一の結晶でかつ、弱結合部分にお
いては膜面内に通電方向に対して垂直方向に５μｍある
いはこれ以下の間隔で結晶が結晶粒界あるいは双晶によ
って分かたれた構造にすることの効果は以下の通りであ
る。すなわち、Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物の超電導電子に対
するコヒーレンス長さは１ｎｍである。したがって、電
流の流れる方向に対して組成のずれを伴った結晶粒界が
存在することは、電流容量の低下を招く。一方１０4Ａ
／cm2以上の電流容量を得ようとする場合、通電電流に
伴って磁束が発生する。電極内に発生する磁束をピン止
めしないと、磁束の移動によって電圧が発生し、超電導
状態が破れてしまう。通電方向に対して垂直方向に結晶
粒界あるいは双晶を形成し、これらの領域に対し磁束を
固定するためのピン止め点としての役割を担わせる。

【００５５】以下、図１５を用いて本発明の第１３の実
施例を説明する。酸化物超電導弱結合素子の基本構造は
基板材１、超電導電極３ａ，３ｂおよび弱結合部９から
成る。基板材として単結晶ＳｒＴｉＯ3を用いる。超電
導材はＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物であり、ＢとＹおよびＣｕ
の組成比は２：１：３とする。これに対して酸素の組成
比は６から７の間である。基板材としてはＳｒＴｉＯ3
の単結晶で基板面が（１００）配向をした状態のものを
用いる。酸化物超電導弱結合素子の弱結合部に相当する
基板部分には非晶質のＡｌ2Ｏ3１３を用いた。

【００５６】酸化物超電導弱結合素子の製造工程は以下
の通りである。すなわち、ＳｒＴｉＯ3単結晶基板１上
に幅０.８μｍ，間隔１μｍのレジストパタンを形成す
る。Ａｒによるイオンビームエッチング法によりＳｒＴ
ｉＯ3基板１の露出部分のエッチングを行なう。エッチ
ング溝１４の深さは１０ｎｍ程度である。つぎに、膜厚
３０ｎｍのアルミナ膜１３を電子ビーム蒸着法によって
形成する。酸素原子の欠落を防ぐためにアルミナ膜１３
の形成は酸素ガス雰囲気中で行なう。弱結合以外の部位
にはあらかじめレジストパタンを形成し、アルミナ膜が
形成されないようにする。蒸着時の基板温度は室温であ
る。蒸発源には単結晶アルミナ（サファイア）を用い
る。このような条件で形成したアルミナ膜の構造は、Ｘ
線回析測定の結果によれば非晶質であった。

【００５７】以上のごとく処理を施した基板１上にＢａ
−Ｙ−Ｃｕ酸化膜の形成を行なう。Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化
膜はＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物ターゲットを用いて高周波マ
グネトロンスパッタリング法によって形成する。膜形成
時の基板温度は４００℃以内とする。膜厚は１μｍとし
た。膜形成後酸素雰囲気中８００℃〜１０００℃の範囲
で熱処理を施すことによって、Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化膜の
結晶化を行なう。Ｘ線回析測定の結果によれば、同一条
件でＳｒＴｉＯ3基板５上に形成したＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸
化物の結晶構造は図１４に示したごとく、ペロブスカイ
ト型結晶の変形構造であり、ｃ軸が膜面に対して垂直な
方位を示す。また同一条件でアルミナ基板上に形成した
Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物の結晶構造は図１４に示したごと
く、ペロブスカイト型結晶の変形構造であるが、結晶は
特別な配向性を示さなかった。走査電子顕微鏡観察の結
果によれば、電極部３ａ，３ｂにおけるＢａ−Ｙ−Ｃｕ
酸化物は基板のエッチングパタンに対応して線状の結晶
の形状を有し、線状部分内において結晶粒界はほとんど
存在しなかった。

【００５８】以上のごとく作製したＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化
物超電導弱結合素子の特性を測定した結果、素子の臨界
電流は数エルステッドを周期として増減した。このこと
はＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物超電導弱結合素子がジョセフソ
ン効果を有することを示すものである。さらに液体窒素
温度においても素子の臨界電流は１００μＡ存在し、臨
界電流の磁場依存性等においてジョセフソン効果を示す
ことを確認した。

【００５９】電極膜部分の液体窒素温度における臨界電
流密度は１０7Ａ／ｍ2以上であり、弱結合部分の１００
倍以上であった。一方、エッチング処理を施さないＳｒ
ＴｉＯ3単結晶基板を下地としてＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化膜
を形成したとき、液体窒素温度における臨界電流密度は
１０6Ａ／cm2以下であった。

【００６０】以上述べたごとく、本実施例によれば、超
電導デバイスに関して以下の効果が得られる。 （１）Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物の超電導臨界温度は９０Ｋ
以上であり、液体窒素温度における超電導素子の動作が
可能となった。 （２）Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化膜形成後の加工工程が無いた
め、Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化膜の超電導特性が劣化しない。 （３）磁束をピン止めする電極膜構造のため、電極膜の
臨界電流密度が従来のＢａ−Ｙ−Ｃｕ酸化膜と比較して
高くなる。

【００６１】図１６のように、図１５と同じ構成の超電
導デバイス上にＣｄＳからなる厚さ約３μｍの光導電性
半導体１６を形成した。これに光を照射したところ、入
射光によって超電導電流が減少する超電導弱結合型の光
検出デバイスを実現することができる。

【００６２】以上の実施例の半導体材料には（Ｌａ0.9
Ｃａ0.1)2ＣｕＯ4を用いた。これは（Ｌａ1-XＡX)2Ｃｕ
Ｏ4で、ＡはＳｒ1-y-zＢａyＣａzの材料においてはｘ，
ｙあるいはｚを変化させることによって材料の結晶学的
な性質を一定に保った状態で超電導転移温度を変えるこ
とが可能であるという特徴を用いている。すなわち超電
導体材料がその組成を変えることにより、半導体あるい
は常伝導体となる。半導体あるいは常伝導体としてこれ
らのセラミック材料に代えてＣｕ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｓｎな
どの金属、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＳｂ，ＩｎＰ，
ＩｎＡｓなどの半導体を用いた場合にも同様の効果を得
ることができた。

【００６３】また基板材料にはＳｒＴｉＯ3を用いた
が、ＭｇＯ，サファイア，ＧＧＧ等のガーネット材料を
用いてもよい。光導電性材料としてはＣｄＳを用いた
が、これに替わりＳｉ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，
ＧａＡｓを用いてもよい。

【００６４】以上の実施例においては超電導材料に（Ｌ
ａ0.9Ｓｒ0.1)2ＣｕＯ4を用いたが、これに替えてＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7-zなる組成を有する酸化物超電導材料を用
いても、本発明の目的を充分に達することができること
は言うまでもない。この材料において、Ｙに替えてＬ
ａ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｔｍ，Ｄｙ，Ｓｃ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｈｏ，Ｅｒ等を用いても
良く、同様の効果を得ることができる。

【００６５】

【表１】

【発明の効果】本発明によれば、Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物
の超電導特性を劣化させることなく、低温で動作する超
電導弱結合部分を有する超電導デバイスを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の超電導デバイスを説明するための断面
図。

【図２】本発明の第１の実施例による超電導デバイスの
一部分を示す断面図。

【図３】本発明の第２の実施例による超電導デバイスの
一部分を示す断面図。

【図４】本発明の第３の実施例による超電導デバイスの
一部分を示す断面図。

【図５】本発明の第４の実施例による超電導デバイスの
一部分を示す断面図。

【図６】本発明の第５の実施例の超電導デバイスを示す
断面図。

【図７】第６の実施例である超電導デバイスを示す断面
図。

【図８】第７の実施例である超電導デバイスの一部分を
示す断面図。

【図９】第８図の実施例である超電導デバイスを示す断
面図。

【図１０】本発明の第９の実施例による超電導デバイス
の一部分を示す断面図。

【図１１】本発明の第１０の実施例を示す断面図。

【図１２】第１１の実施例を示す断面図。

【図１３】第１２の実施例を示す断面図。

【図１４】Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物の原子配列を示す図。

【図１５】第１３の実施例を示す断面図。

【図１６】図１５の超電導デバイスを光検出デバイスと
して用いた実施例を示す断面図。

【符号の説明】 １…基板、２…常伝導体又は半導体、３…超電導体、３
ａ，３ｂ…超電導電極、３ｅ，３ｄ…超電導配線、４…
絶縁膜、５…制御電極、６…保護膜、７…絶縁膜、８…
光導電性半導体、９…弱結合部、１０…光、１１…基
板、２１…Ｃｕ、２２…酸素、２３…Ｂａ、２４…Ｙ、
２５…ＳｒＴｉＯ3基板、２６…ＳｒＴｉＯ3膜、２７…
Ａｌ2Ｏ3膜、２８…Ｂａ−Ｙ−Ｃｕ酸化物膜電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樽谷 良信 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 会田 敏之 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 深沢 徳海 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 小南 信也 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 波多野 睦子 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 4M113 AA06 AA16 AA27 AA37 AA55 AB01 AC23 AD36 BA04 BA11 BA15 BA29 BC04 CA13 CA33 CA34

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶基板を準備する工程と、前記単結晶
   基板上に弱結合部を加工する工程と、加工された基板上
   に超電導薄膜を形成する工程と、を有する超電導デバイ
   スの製造方法。
2. 【請求項２】前記超電導薄膜を形成する工程はは少なく
   とも単結晶基板面に対してＣ軸が垂直である如く形成す
   ることを特徴とする超電導デバイスの製造方法。
3. 【請求項３】前記加工する工程は前記単結晶基板とは異
   なる材料をデポジションすることを特徴する請求項１記
   載の超電導デバイスの製造方法。