JP2006147619A - 超伝導体積層構造及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホウ化マグネシウムを用いた積層型ジョセフソントンネル接合が、より高い温度で動作できるようにする。
【解決手段】基板１０１の上に超伝導体層１０２が形成された後、アルミニウム単体を蒸着源とした蒸着法により、超伝導体層１０２の上に、膜厚１．４ｎｍ程度のアルミニウムの膜が形成された状態とし、ついで、アルミニウム膜の上に酸素ガスが供給された状態としてアルミニウム膜が酸化された状態とすることで、超伝導体層１０２の上にバリア層１０３が形成された状態とする。この後、Ｍｇ及びＢ単体各々を蒸着源とした電子ビーム共蒸着法により、バリア層１０３の上に超伝導体層１０４が形成された状態とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）、超高感度の電磁場検出器、標準電圧発生装置、超伝導トランジスタなどに用いられる超伝導体素子の中核部分であるジョセフソントンネル接合となる超伝導体積層構造及びその作製方法に関するものである。

現在、超伝導トランジスタなどの超伝導素子に主として用いられているジョセフソセトンネル接合は、図４に示すように構成されている（非特許文献１参照）。図４に示すジョセフソントンネル接合は、基板４０１の上に超伝導体であるＮｂ層４０２を備え、この上にＡｌＯ_xなどから構成された絶縁層４０３を介してＮｂ層４０４を備えている。他にも、ＮｂＮ超伝導体を用いたＮｂＮ／ＭｇＯ／ＮｂＮなどの構造が報告されている（非特許文献２参照）。Ｎｂの超伝導転移温度（Ｔｃ）が９Ｋ程度、ＮｂＮのＴｃが１６Ｋ程度であるため、これらの超伝導体を用いたジョセフソン接合の動作温度は低く、冷却に液体ヘリウムのような高価な寒剤を必要とする。

また、ＮｂやＮｂＮより高いＴｃを持つ材料として銅酸化物超伝導体群が挙げられる。例えば、ＨｇＢａＣａＣｕＯ系化合物のＴｃは、常圧で最大１３５Ｋである。しかしながら、これらの銅酸化物超伝導体は、界面における組成制御が容易ではなく、銅酸化物群の発見から２０年近く経過した現在でも、積層型ジョセフソントンネル接合が得られていない（非特許文献３参照）。

一方、近年発見されたホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_x）は、Ｔｃが３９Ｋ程度であり、この材料を用いたジョセフソントンネル接合は、従来では困難であった２０Ｋ以上における動作が可能となる。２０Ｋという温度は、市販の１段式の冷凍機で十分到達可能であり、冷却コストの削減が可能となる。また、ＭｇＢ_xは、応用の一つの目安となる超伝導ギャップ値も、Ｎｂ又はＮｂＮなどよりも大きい。

現在までに、ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ_x）超伝導体を用いたジョセフソントンネル接合としては、ホウ化マグネシウムの層とＮｂＮ，Ｎｂなど他の超伝導体層とを、ＡｌＯ_x／Ａｌの層を介して積層した積層型ジョセフソントンネル接合の作製例がある（Ｎｂ／ＡｌＯ_x／Ａｌ／ＭｇＢ₂、ＮｂＮ／ＡｌＮ／ＭｇＢ₂など：非特許文献４，５参照）。しかしながら、これらの接合は、一方の超伝導体層を構成しているＮｂＮやＮｂのＴｃがあまり高くないため、１０Ｋ程度以下の温度でしか動作しない。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
M.Garvich, M. A. Washington, H. A. Huggins, "High quality reflectory Josephson tunnel junction utilizing thin aluminum layers", Applied Physics Letters, Vol. 42, No.5, pp.472-474, (1983). A.Kawakami, Y.Uzawa, Z.Wang, "Development of epitaxial NbN/MgO/NbN-superconductor-insulator-superconductor mixers for operations over the Nb gap frequency", Applied Physics Letters, Vol. 83, No.19, pp.3954-3956, (2003). M.Naito, H.Yamamoto, H.Sato, "Intrinsic problem of cuprate Surface and interface: why good tunnel junction are difficult to fabricate", Physica C, Vol.335, No.1-4, pp.201-206, (2000). A.Saito, A.Kawakami, H.Shimakage, H.Terai, Z.Wang, "Josephson tunneling properties in MgB2/AlN/NbN tunnel junction", Journal of Applied Physics, Vol.92, No.12, pp.7369-7372, (2002). G.Garapella, N.Martucciello, G.Costabile, C.Ferdeghini, V.Ferrando, G.Grassano, "Josephson effect in Nb/Al2O3/Al/MgB2 large-area thin-film heterostructures", Applied Physics Letters, Vol.80, No.16, pp.2949-2951,(2002).

前述したように、Ｔｃが３９Ｋ程度と高いＭｇＢ_xを用いたジョセフソントンネル接合（超伝導体積層構造）が提案されているが、一方の超伝導体層を構成しているＮｂＮやＮｂのＴｃがあまり高くないため、高い動作温度が得られていない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ホウ化マグネシウムを用いた積層型ジョセフソントンネル接合が、より高い温度で動作できるようにすることを目的とする。

本発明に係る超伝導体積層構造の作製方法は、基板の上にホウ化マグネシウムからなる第１超伝導体層が形成された状態とする工程と、第１超伝導体層の上にＡｌを含む金属膜が形成された状態とする工程と、金属膜を酸素に曝すことで酸化して第１超伝導体層の上にＡｌを含む金属酸化物からなるバリア層が形成された状態とする工程と、マグネシウムとホウ素とを蒸着源とした共蒸着法によりバリア層の上にホウ化マグネシウムからなる第２超伝導体層が形成された状態とする工程とを少なくとも備えるようにしたものである。従って、自然酸化など低温な状態でバリア層が形成できるようになり、また、超伝導性を示す範囲でより低温状態とした状態で、第２超伝導体層が形成できる。

上記作製方法において、マグネシウムとホウ素とを蒸着源とした共蒸着法により基板の温度が３５０℃以下とされた状態でバリア層の上にホウ化マグネシウムを堆積することで、バリア層の上に第２超伝導体層が形成された状態とすることができる。なお、金属膜は、Ａｌに加えてＺｒ，Ｈｆ，及びＭｇの少なくとも１つを含むものであってもよい。

本発明に係る超伝導体積層構造は、基板の上に形成されたホウ化マグネシウムからなる第１超伝導体層と、Ａｌを含む金属酸化物から構成されて第１超伝導体層の上に接して形成されたバリア層と、このバリア層の上に接して形成されたホウ化マグネシウムからなる第２超伝導体層とから構成されたものである。従って、自然酸化など低温な状態でバリア層が形成できるようになる。なお、バリア層は、Ａｌに加えてＺｒ，Ｈｆ，及びＭｇの少なくとも１つを含む金属酸化物であってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、Ａｌを含む金属酸化物からバリア層を構成し、また、共蒸着法により第２超伝導体層を形成するようにしたので、ホウ化マグネシウムを用いた積層型ジョセフソントンネル接合が、より高い温度で動作できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における超伝導体積層構造の構成例を示す模式的な断面図である。図１に示す超伝導体積層構造（積層型ジョセフソントンネル接合）は、例えば、Ｃ面サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板１０１の上に、まず、ホウ化マグネシウムからなる膜厚１００ｎｍ程度の超伝導体層１０２を備える。また、図１に示す超伝導体積層構造は、超伝導体層１０２の上に酸化アルミニウムからなる膜厚１．４ｎｍ程度のバリア層１０３を介し、ホウ化マグネシウムからなる膜厚１００ｎｍ程度の超伝導体層１０４を備えるようにしたものである。また、図１に示す超伝導体積層構造の接合サイズは、２５〜１００μｍ角である。

次に、図１に示す超伝導体積層構造の作製方法例について説明する。まず、基板１０１を、所定の電子ビーム共蒸着装置の蒸着室内に搬入し、Ｍｇ及びＢ単体各々を蒸着源とした電子ビーム共蒸着法により、基板１０１の上に超伝導体層１０２が形成された状態とする。この蒸着では、例えば、成膜室内の背圧を１０^-5Ｐａ以下とし、基板温度２９０℃とした条件で行えばよい。この条件とした電子ビーム共蒸着法によれば、形成されるホウ化マグネシウムの薄膜は、超伝導転移温度（Ｔｃ）が３３Ｋ程度の超伝導体となる。なお、基板１０１は、サファイアＣ面に限らず、ホウ化マグネシウムの膜が作製可能な基板であれば基板種類は問わない。

次に、同一の装置内において、アルミニウム単体を蒸着源とした蒸着法により、超伝導体層１０２の上に、膜厚１．４ｎｍ程度のアルミニウムの膜が形成された状態とする。このとき、基板温度は８０℃程度とすればよい。ついで、同一装置の内部において、基板１０１を上記蒸着室から隔離された処理室（予備チャンバー）内に、基板１０１を移動させ、形成されているアルミニウム膜の上に酸素ガスが供給された状態とする。例えば、異なる成膜室内に、内部の圧力が１Ｐａ程度の状態で酸素ガスが導入されればよい。このように酸化ガスが供給されて供給された酸化ガスに３０分間程度曝された状態とし、アルミニウム膜が酸化された状態とすることで、超伝導体層１０２の上にバリア層１０３が形成された状態が得られる。

次に、基板１０１を蒸着室に移動させ、Ｍｇ及びＢ単体各々を蒸着源とした電子ビーム共蒸着法により、バリア層１０３の上に超伝導体層１０４が形成された状態とする。この蒸着では、例えば、成膜室内の背圧を１０^-5Ｐａ以下とし、基板温度２９０℃とした条件で行えばよい。次に、超伝導体層１０４の上に、膜厚５０〜１００ｎｍ程度にＡｕからなるダメージ保護膜（図示せず）が形成された状態とする。ダメージ保護膜までの４層構造の作製は、各層の表面の汚染を防ぐために、例えば、マルチチャンバーシステム構成の真空装置成膜（電子ビーム共蒸着装置）などを用いることで、全ての工程を真空排気された状態の中で行う。最後に、公知のフォトリソグラフィ技術と、Ａｒイオンミリングを用いたエッチング技術とにより、２５〜１００μｍ角程度の接合サイズに形成された状態とすることで、図１に示す超伝導体積層構造が得られる。

図２は、上述したことにより形成された図１に示す超伝導体積層構造の測定温度４．２Ｋにおける電流−電圧特性を示す特性図である。図２から明らかなように、図１に示す超伝導体積層構造は、電圧ゼロ（ゼロバイアス）で１２μＡ程度の超伝導電流が流れている。また、超伝導ギャップは、図２に示す電流−電圧曲線の折れ曲がり位置から、４．５ｍＶ程度と見積もられる。この値は、ホウ化マグネシウムの超伝導機構から予想される超伝導ギャップ位置に良く一致している（２Δｓ＝〜５ｍＶ）。従って、図１に示す超伝導体積層構造は、ジョセフソントンネル接合となっている。また、超伝導電流は、測定温度の上昇と共に減少し、２５Ｋ程度まで流れていることが確認されている。

次に、図１に示す超伝導体積層構造の超伝導電流の磁場依存性を図３に示す。図３に示すように、図１に示す超伝導体積層構造の磁場依存性のデータは、理論曲線と良く一致しており、作製したジョセフソントンネル接合にリーク電流が殆ど無く、接合内で特性がある程度均一であることが確認されている。これらの結果から明らかなように、上述した作製方法により形成された図１に示す超伝導体積層構造によれば、従来より高い温度で動作するＭｇＢ_xを用いた積層型ジョセフソントンネル接合が得られる。

上述した作製方法における重要な点は、まず、ホウ化マグネシウムからなる超伝導体層１０４を、３５０℃以下の基板温度で共蒸着法を用いて形成したことにある。従来では、ホウ化マグネシウムの層を、７００℃以上の高温プロセスを使用して作製していた。このような高温の状態で膜を形成すると、下層のバリア層１０３との界面に反応や混合などによる異なる成分の層が形成され、目的の積層構造が得られない。また、マグネシウムは、高揮発性元素であるため、高温条件で形成するホウ化マグネシウムの膜は、形成された膜からの蒸発により、大きな組成ずれが発生しやすい。

これに対し、本実施の形態における作製方法では、Ｍｇ及びＢを蒸着源とした共蒸着法を用い、３５０℃より低い低温でホウ化マグネシウムの膜を形成するようにし、上述した異なる成分の層が界面に形成されることが抑制され、マグネシウムの蒸発による大きな組成ずれが回避できるようにした。これにより、急峻な超伝導体／バリア層界面が得られるようになり、２０Ｋ以上で動作可能な積層型ジョセフソントンネル接合（超伝導体積層構造）の作製が可能となる。なお、ホウ化マグネシウムの膜は、例えば２００℃以上と、基板温度が所定温度以上とした状態で成膜することで、超伝導性が発現するようになる。

また、図１に示す超伝導体積層構造によれば、金属酸化物からバリア層１０３を構成するようにしたので、下層の超伝導体層１０２に対して与える損傷が抑制されるようになり、超伝導体層１０２の劣化が抑えられる。この結果、図１に示す超伝導体積層構造によれば、前述したように、より高い動作温度が得られるようになる。

例えば、従来技術では、ＡｌＮなどの窒化物からバリア層を形成している。窒化物の膜を形成する場合、スパッタリング法又はラジカル源などを用いて窒素を活性化し、活性化した窒素により窒化を行うようにしている。このため、バリア層を形成するときに、活性化された窒素による下層の超伝導体層への損傷が発生する。

これに対し、図１に示す超伝導体積層構造では、Ａｌを含む金属酸化物からバリア層１０３を構成したので、２０〜２５℃と常温程度のより低い温度における自然酸化などによりバリア層１０３が形成可能であり、下層の超伝導体層１０２への損傷が抑制できるようになる。この点においても、図１に示す超伝導体積層構造によれば、従来より高い温度で動作するＭｇＢ_xを用いた積層型ジョセフソントンネル接合を可能としている。

なお、超伝導体層１０２，１０４は、ＭｇＢ_x（ｘ＝１〜３）から構成すればよい。また、バリア層１０３は、酸化アルミニウムに限らず、例えば、酸化アルミニウムにＭｇが添加されるなどＡｌとＭｇの酸化物から構成されていてもよい。また、酸化アルミニウムに、ＺｒやＨｆが添加されていてもよい。例えば、Ａｌ_1-y-zＺｒ_yＨｆ_zＯ_x（ｘ＝０〜３、ｙ，ｚ＝０〜１、ｙ，ｚ＝０，１を含む）やＡｌ_1-y-zＺｒ_yＨｆ_zＭｇ_wＯ_x（ｘ＝０〜３、ｙ，ｚ，ｗ＝０〜１、ｙ，ｚ，ｗ＝０，１を含む）からバリア層が構成されていてもよい。バリア層は、上述したようにＡｌを含む金属酸化物から構成されていればよい。例えば、Ａｌ_1-y-zＺｒ_yＨｆ_zＯ_xは、Ａｌ_1-y-zＺｒ_yＨｆ_z膜を形成した後、この膜を常温で酸素に曝して酸化することで形成できる。また、１００℃以下で熱酸化によっても、平坦で薄く均一なＡｌ_1-y-zＺｒ_yＨｆ_zＯ_xからなるバリア層が容易に得られる。従って、この場合においても、下層の超伝導体層に対して損傷を与えることなく、超伝導体積層構造が得られる。

本発明の実施の形態における超伝導体積層構造の構成例を示す模式的な断面図である。 図１に示す超伝導体積層構造の測定温度４．２Ｋにおける電流−電圧特性を示す特性図である。 図１に示す超伝導体積層構造の超伝導電流の磁場依存性を示す特性図である。 従来よりあるジョセフソセトンネル接合の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２，１０４…超伝導体層、１０３…バリア層。

Claims (5)

1. 基板の上にホウ化マグネシウムからなる第１超伝導体層が形成された状態とする工程と、
   前記第１超伝導体層の上にＡｌを含む金属膜が形成された状態とする工程と、
   前記金属膜を酸素に曝すことで酸化して前記第１超伝導体層の上にＡｌを含む金属酸化物からなるバリア層が形成された状態とする工程と、
   マグネシウムとホウ素とを蒸着源とした共蒸着法により前記バリア層の上にホウ化マグネシウムからなる第２超伝導体層が形成された状態とする工程と
   を少なくとも備えることを特徴とする超伝導体積層構造の作製方法。
2. 請求項１記載の超伝導体積層構造の作製方法において、
   マグネシウムとホウ素とを蒸着源とした共蒸着法により前記基板の温度が３５０℃以下とされた状態で前記バリア層の上にホウ化マグネシウムを堆積することで、前記バリア層の上に第２超伝導体層が形成された状態とする
   ことを特徴とする超伝導体積層構造の作製方法。
3. 請求項１または２記載の超伝導体積層構造の作製方法において、
   前記金属膜は、Ａｌに加えてＺｒ，Ｈｆ，及びＭｇの少なくとも１つを含む
   ことを特徴とする超伝導体積層構造の作製方法。
4. 基板の上に形成されたホウ化マグネシウムからなる第１超伝導体層と、
   Ａｌを含む金属酸化物から構成されて前記第１超伝導体層の上に接して形成されたたバリア層と、
   このバリア層の上に接して形成されたホウ化マグネシウムからなる第２超伝導体層と
   から構成されたことを特徴とする超伝導体積層構造。
5. 請求項４記載の超伝導体積層構造において、
   前記バリア層は、Ａｌに加えてＺｒ，Ｈｆ，及びＭｇの少なくとも１つを含む金属酸化物である
   ことを特徴とする超伝導体積層構造。
   

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