JP2006351803A - ジョセフソン素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】有機薄膜を用いたジョセフソン素子を製造する。
【解決手段】
成膜対象物１０ｂを真空雰囲気に置き、有機薄膜から成る第一の超伝導電極膜１３表面にトリメチルアルミニウムを吸着させ、真空排気した後、オゾンガスを導入する。トリメチルアルミニウムとオゾンガスが反応し、酸化アルミニウム薄膜１４1が形成される。残留ガスや反応副生成物は真空排気によって除去する。トリメチルアルミニウムとオゾンガスの導入を交互に複数回行い、アルミナ薄膜１４1、１４2を積層させ、トンネル障壁膜を形成する。トンネル障壁膜の表面に第二の超伝導電極膜を形成すると、ジョセフソン素子が得られる。
【選択図】 図５
【解決手段】
成膜対象物１０ｂを真空雰囲気に置き、有機薄膜から成る第一の超伝導電極膜１３表面にトリメチルアルミニウムを吸着させ、真空排気した後、オゾンガスを導入する。トリメチルアルミニウムとオゾンガスが反応し、酸化アルミニウム薄膜１４1が形成される。残留ガスや反応副生成物は真空排気によって除去する。トリメチルアルミニウムとオゾンガスの導入を交互に複数回行い、アルミナ薄膜１４1、１４2を積層させ、トンネル障壁膜を形成する。トンネル障壁膜の表面に第二の超伝導電極膜を形成すると、ジョセフソン素子が得られる。
【選択図】 図５
Description
本発明はジョセフソン素子の製造方法にかかり、特に、有機薄膜を用いたジョセフソン素子の製造方法に関する。
ジョセフソン素子はトンネル効果の一種であるジョセフソン効果を用いた素子であり、シリコン単結晶を用いたトランジスタよりも高速に動作することから、高速コンピュータへの応用が期待されている。
ジョセフソン素子では、超伝導体が極低温でしか動作しないため、ジョセフソン素子を高価な液体ヘリウムで冷却しなければ動作しない。従って、できるだけ高温で動作する超伝導体の開発が望まれている。
有機物は、その多くは絶縁体であるが、近年では分子設計による新規な有機物が得られるようになっており、例えばBEDT-TTF(Bis(EthyleneDiThiolo)TetraThiaFulvalene )等、超伝導を示すものが得られるようになり、ジョセフソン素子への応用が期待されている。
しかしながら、有機薄膜を超伝導電極膜に用いてジョセフ素子を形成する場合、有機薄膜表面に絶縁性のトンネル障壁膜を形成する必要がある。トンネル障壁膜は絶縁膜であり、その形成にはスパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法等、種々の方法が考えられるが、いずれの方法も有機薄膜(超伝導電極膜)と絶縁膜(トンネル障壁膜)との間の界面の状態が悪く、また、絶縁膜形成の際に有機薄膜が変質してしまい、ジョセフソン接合を得ることが困難である。
なお、本発明と類似の成膜技術は下記文献に記載されている。
特開２００２−２２２９３４号公報
なお、本発明と類似の成膜技術は下記文献に記載されている。
本発明は上記従来技術の問題点を解決するために創作されたものであり、有機超伝導薄膜を用いたジョセフソン素子を得ることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、基板と、前記基板上に配置された第一の超伝導電極膜と、前記第一の超伝導電極膜と接触して配置されたトンネル障壁膜と、前記トンネル障壁膜と接触して配置された第二の超伝導電極膜とを有し、前記第トンネル障壁膜にトンネル電流が流れ得るように構成されたジョセフソン素子の製造方法であって、前記第一の超伝導電極膜を露出させた状態で真空雰囲気に置き、前記真空雰囲気中にトリメチルアルミニウムを導入し、次いで、オゾンを導入してアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）薄膜を形成し、前記トンネル障壁膜とするジョセフソン素子の製造方法である。
また、本発明は、前記トリメチルアルミニウムと前記オゾンは交互に導入するジョセフソン素子の製造方法である。
また、本発明は、前記第一の超伝導電極膜は、前記基板を真空雰囲気中に置き、有機薄膜材料の蒸気を放出させ、前記基板上に付着させて形成するジョセフソン素子の製造方法である。
また、本発明は、前記トリメチルアルミニウムと前記オゾンは交互に導入するジョセフソン素子の製造方法である。
また、本発明は、前記第一の超伝導電極膜は、前記基板を真空雰囲気中に置き、有機薄膜材料の蒸気を放出させ、前記基板上に付着させて形成するジョセフソン素子の製造方法である。
本発明は上記のように構成されており、第一、第二の超伝導電極膜が超伝導状態になると、臨界電流値以下ではではトンネル障壁膜にトンネル電流が流れ、臨界電流値以上では流れず、第一、第二の超伝導電極膜間に電圧が発生するようになっている。
そのトンネル障壁膜は、真空雰囲気中に第一の超伝導電極膜の表面を露出させ、トリメチルアルミニウムを導入し、第一の超伝導電極膜の表面にトリメチルアルミニウムを吸着させる。吸着されたトリメチルアルミニウムは単分子層である。
導入するトリメチルアルミニウムはキャリアガス中に気体や蒸気として含有させることができる。
導入するトリメチルアルミニウムはキャリアガス中に気体や蒸気として含有させることができる。
次いで、真空雰囲気中の未吸着のトリメチルアルミニウムを真空排気によって除去し、オゾンを導入すると、オゾンは吸着されているトリメチルアルミニウムと反応し、アルミナが生成される。遊離したメチル基と未反応のオゾンは真空排気によって除去される。
この繰り返しによって形成されるアルミナ薄膜は緻密であり、欠陥がない。また、トンネル障壁膜は室温で形成されるので、第一の超伝導電極膜がガラス転移点以上に昇温することがなく、変質しない。
第一、第二の超伝導電極膜の膜厚は４００〜５００Å程度、トンネル障壁膜の膜厚は２０〜４０Å程度である。この場合、トリメチルアルミニウムとオゾンの導入を５回程度繰り返す。
有機薄膜がガラス転移点以上の温度に昇温しないので、劣化しない。緻密な絶縁膜を形成できるので、歩留まりが高い。
本発明を図面を用いて説明する。
図１の符号１０は、本発明の一例の薄膜製造方法によって作成したジョセフソン素子である。
このジョセフソン素子１０は、基板１１上に、第一の端子用電極膜１２と、第一の超伝導電極膜１３と、トンネル障壁膜１５と、第二の超伝導電極膜１６と、第二の端子用電極膜１７とが形成されている。
図１の符号１０は、本発明の一例の薄膜製造方法によって作成したジョセフソン素子である。
このジョセフソン素子１０は、基板１１上に、第一の端子用電極膜１２と、第一の超伝導電極膜１３と、トンネル障壁膜１５と、第二の超伝導電極膜１６と、第二の端子用電極膜１７とが形成されている。
第一の超伝導電極膜１３と第二の超伝導電極膜１６は有機薄膜であり、低温望ましくは室温で超伝導性を示す材料で構成されている。例えば上記BEDT-TTF等である。
第一、第二の端子用電極膜１２、１７は外部電源１８に接続されており、第一、第二の超伝導電極膜１３、１６が超伝導状態に置かれた状態で、第一、第二の端子用電極膜１２、１７間に電流を流したときに、臨界電流以下では第一、第二の端子用電極膜１２、１７間に電圧は生じず、臨界電流を超えると電圧が生じる性質を持っている。この効果はジョセフソン効果と呼ばれており、電圧の発生と消滅は高速で切り替わるため、高速のメモリとして使用することが期待されている。
第一の端子用電極膜１２に負電圧、第二の端子用電極膜１７に正電圧を印加して動作させる場合、第一の端子用電極膜１２は第一の超伝導電極膜１３に電子を注入する性質が必要であり、第二の端子用電極膜１７は、第二の超伝導電極膜１６に正孔を注入する性質が必要である。
ジョセフソン素子１０の製造工程のうち、薄膜形成工程を説明し、フォトリソグラフ工程やエッチング工程は省略する。
図３の符号５０は、本発明に用いることができる有機蒸着装置である。
この有機蒸着装置５０は真空槽５１を有しており、該真空槽５１内の底壁側には一乃至複数台の有機蒸着源５５ａ、５５ｂが配置され、天井側には基板ホルダ５６が配置されている。
この有機蒸着装置５０は真空槽５１を有しており、該真空槽５１内の底壁側には一乃至複数台の有機蒸着源５５ａ、５５ｂが配置され、天井側には基板ホルダ５６が配置されている。
真空槽５１に接続された真空排気系５８を動作させ、真空槽５１内を真空排気しておき、真空雰囲気を維持しながら真空槽５１内部に成膜対象物を搬入し、基板ホルダ５６に保持させる。
図２(ａ)の符号１０ａは、その成膜対象物を示している。該成膜対象物１０ａは、基板１１表面に、予め第一の端子電極膜１２が形成されており、その表面が露出されている。基板ホルダ５６上では、第一の端子電極膜１２が有機蒸着源５５ａ、５５ｂに向けられている。
有機蒸着源５５ａ、５５ｂは、それぞれ容器６１ａ、６１ｂと、該容器６１ａ、６１ｂの周囲に巻回されたヒータ６２ａ、６２ｂとを有している。母材用の有機蒸着源５５ａでは、容器６１ａ内に、予め、母材となる有機材料６３ａが配置されており、ドーパント用の有機蒸着源５５ｂでは、その容器６１ｂ内に、予め、ドーパントとなる有機材料６３ｂが配置されている。
各有機蒸着源５５ａ、５５ｂのヒータ６２ａ、６２ｂに通電し、有機材料６３ａ、６３ｂを昇温させると有機材料６３ａ、６３ｂの蒸気が発生し、容器６１ａ、６１ｂの開口部分から真空槽５１内に放出される。
母材となる有機材料６２ａの蒸気放出量は多量であり、ドーパントとなる有機材料６２ｂの蒸気放出量６２ｂは少量になるように設定されており、ドーパントが少量添加されるように構成されている。
放出された蒸気は第一の端子電極膜１２表面に到達し、その表面に第一の超伝導電極膜１３が形成される。このとき、成膜対象物１０ａを水平面内で回転させると、均一な組成及び膜厚に形成される。図２(ｂ)の符号１０ｂは、第一の超伝導電極膜１３が形成された状態の成膜対象物を示している。
次に、図４の成膜装置７０を用いてトンネル障壁膜を形成する。
この成膜装置７０は真空槽７１を有している。該真空槽７１には真空排気系７３が接続されており、真空排気系７３を動作させ、真空槽７１を予め真空排気しておく。そして、真空雰囲気を維持しながら成膜対象物１０ｂを真空槽７１内に搬入する。
この成膜装置７０は真空槽７１を有している。該真空槽７１には真空排気系７３が接続されており、真空排気系７３を動作させ、真空槽７１を予め真空排気しておく。そして、真空雰囲気を維持しながら成膜対象物１０ｂを真空槽７１内に搬入する。
真空槽７１の天井側には基板ホルダ７２が配置されており、底壁側にはオゾンガス供給装置７５とトリメチルアルミニウム供給装置８１とが配置されている。成膜対象物１０ｂは、第一の超伝導電極膜１３を底壁側に向けて配置されている。
オゾンガス供給装置７５は、酸素ガス源７８と、オゾン生成器７７と、オゾンガス放出器７６とを有している。酸素ガス源７８には酸素ガスが充填されており、酸素ガス源７８からオゾン生成器７７に酸素ガスが供給されると、オゾン生成器７７内でオゾンガスが生成さるように構成されている。生成されたオゾンガスはオゾンガス放出器７６に供給される。
トリメチルアルミニウム供給装置８１はキャリアガス供給源８５と、バブラー８３と、原料ガス放出器８２とを有している。バブラー８３の内部には、液状のトリメチルアルミニウムから成る液体原料８４が配置されている。
キャリアガス供給源８５には、キャリアガス(ここでは窒素ガス)が充填されており、キャリアガス供給源８５からバブラー８３に供給されたキャリアガスは、バブラー８３内で液体原料８４に吹き込まれ、液体原料８４の蒸気が含有された原料ガスが生成される。この原料ガスは原料ガス放出器８２に供給される。
オゾンガス放出器７６と原料ガス放出器８２は真空槽７１の内部に配置されており、オゾンガス放出器７６と原料ガス放出器８２からは、真空槽７１内に、オゾンガスと原料ガスとがそれぞれ放出されるように構成されている。
原料ガス放出器８２とオゾンガス放出器７６には、電子制御式の開閉バルブが設けられており、コンピュータ等の制御装置によって開閉バルブを制御すると、真空槽７１内への原料ガス又はオゾンガスの供給と停止を短時間で切り換えられるように構成されている。、それにより、真空槽７１内への原料ガス及びオゾンガスを所望期間だけ、所望のタイミングで導入できるように構成されている。
トンネル障壁膜形成のプロセスを説明すると、真空槽７１内へ成膜対象物１０ｂを搬入するときは真空槽７１内への原料ガス及びオゾンガスの導入を停止しておき、真空槽７１内を所定圧力以下まで真空排気する。次いで、真空雰囲気が形成された状態で原料ガスの導入を開始する。このとき、オゾンガスの導入は停止したままである。
原料ガスの導入により、図５(ａ)に示すように、原料ガス中のトリメチルアルミニウム分子は、アルミニウムが第一の超伝導電極膜１３の表面に向け、反対側のメチル基が周囲雰囲気に向けて成膜対象物１０ｂに吸着される。この状態では成膜対象物１０ｂの表面にはメチル基が露出されている。
原料ガスの導入を所定時間維持し、成膜対象物１０ｂの表面に満遍なく原料ガスが吸着された後、原料ガスの導入を停止し、真空槽７１内に残留する原料ガスを真空排気する。成膜対象物１０ｂ表面には、原料ガスが吸着されたままである。
真空排気により、真空槽７１内が所定圧力まで低下した後、オゾンガスを導入を開始すると図５(ｂ)に示すように、成膜対象物１０ｂ表面に吸着されているトリメチルアルミニウム分子とオゾンガスとが反応し、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）から成る、単分子層の絶縁膜１４1が生成される。
このとき、原料ガスの導入は停止したままである。オゾンガスの導入中も真空槽７１の真空排気は継続して行っておき、副生成物の二酸化炭素ガスやメタンガスの他、余分なオゾンガスは真空排気によって除去する。
オゾンガスの導入を所定時間維持し、成膜対象物１０ｂに吸着されていたトリメチルアルミニウム分子がオゾンと反応し、消費された後、オゾンガスの導入を停止し、真空槽７１内に残留するオゾンガスや副生成物を真空排気する。
真空槽７１内が所定圧力に低下した後、上記のように原料ガスを導入すると、真空槽７１内に導入された原料ガス中のトリメチルアルミニウム分子は、第一の超伝導電極膜１３表面に形成された絶縁膜１４1の表面に吸着される。そしてオゾンガスの導入によって吸着されたトリメチルアルミニウム分子とオゾンガスとが反応し、図５(ｃ)に示すように、アルミナから成る新たな絶縁膜１４2が、既に形成されていた絶縁膜１４1の表面に積層される。
このように、原料ガスの導入、排気、オゾンガスの導入、排気のサイクルを複数回繰り返す、即ち、原料ガスの導入とオゾンガスの導入を交互に複数回繰り返し行うと、成膜対象物１０ｂの第一の超伝導電極膜１３の表面に、絶縁膜１４nが積層され、図２(ｃ)に示すように、それによって絶縁性のトンネル障壁膜１５が所望膜厚に形成される。このトンネル障壁膜１５は、緻密で結晶性のよい、アルミナ(Ａｌ2Ｏ3)結晶によって構成されている。符号１０ｃはその状態の成膜対象物を示している。
次に、成膜対象物１０ｃを成膜装置７０から搬出し、第二の超伝導電極膜１６を形成する有機蒸着装置内に搬入する。この有機蒸着装置は、第一の超伝導電極膜１３を形成した有機蒸着装置と同じ構造の有機蒸着装置を用いることができ、第二の超伝導電極膜１６を構成させる母材及びドーパントを真空槽内に放出できるように構成されている。
そして、図２(ｄ)に示すように、トンネル障壁膜１５表面に有機薄膜から成る第二の超伝導電極膜１６が形成された後、第二の超伝導電極膜１６の表面に第二の端子用電極膜１７が形成されると、図１のジョセフソン素子１０が得られる。
第一、第二の超伝導電極膜１３、１６が、常温で超伝導状態になれば、ジョセフソン素子１０も常温で動作する。
第一、第二の超伝導電極膜１３、１６が、常温で超伝導状態になれば、ジョセフソン素子１０も常温で動作する。
１０……ジョセフソン素子
１１……基板
１３……第一の超伝導電極膜
１５……トンネル障壁膜
１６……第二の超伝導電極膜
１１……基板
１３……第一の超伝導電極膜
１５……トンネル障壁膜
１６……第二の超伝導電極膜
Claims (3)
- 基板と、
前記基板上に配置された第一の超伝導電極膜と、
前記第一の超伝導電極膜と接触して配置されたトンネル障壁膜と、
前記トンネル障壁膜と接触して配置された第二の超伝導電極膜とを有し、
前記第トンネル障壁膜にトンネル電流が流れ得るように構成されたジョセフソン素子の製造方法であって、
前記第一の超伝導電極膜を露出させた状態で真空雰囲気に置き、前記真空雰囲気中にトリメチルアルミニウムを導入し、次いで、オゾンを導入してアルミナ薄膜を形成し、前記トンネル障壁膜とするジョセフソン素子の製造方法。 - 前記トリメチルアルミニウムと前記オゾンは交互に導入する請求項１記載のジョセフソン素子の製造方法。
- 前記第一の超伝導電極膜は、前記基板を真空雰囲気中に置き、有機薄膜材料の蒸気を放出させ、前記基板上に付着させて形成する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のジョセフソン素子の製造方法。
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