JP2007109717A - Superconducting element and its fabrication process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導素子に関する。また、本発明は、超電導素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a superconducting element. The present invention also relates to a method for manufacturing a superconducting element.
ジョセフソン接合を利用した超電導素子は、高速、低消費電力の次世代デバイスとして期待されている。更に、超電導素子の中でも、高温超電導体を用いたものは、低温超電導体を用いたものと比較して小型の冷凍機で実現できる４０Ｋ程度の温度での動作が可能であるため、低温超電導体よりもさらに電力消費が小さくて、広範囲の用途での使用が期待できる。現在、超電導薄膜と絶縁体薄膜を多層積層した多層積層構造を有する高温超電導体を用いた素子が、開発研究されている。ここで、超電導薄膜としては、YBa２Cu３Oy等の酸化物材料が用いられている。現在、開発されている高温超電導体を用いたデバイスの積層構造は、多くの場合、グランドプレーン層、ベース電極層、カウンター電極層と呼ばれる３層の超電導体層を有し、それぞれの層間には絶縁体薄膜が配置され、３層の超電導体層は、互いに絶縁されている。 Superconducting elements utilizing Josephson junctions are expected as next-generation devices with high speed and low power consumption. Furthermore, among superconducting elements, those using a high-temperature superconductor can operate at a temperature of about 40 K, which can be realized with a small refrigerator compared to those using a low-temperature superconductor. The power consumption is even smaller than that, and it can be expected to be used in a wide range of applications. Currently, an element using a high-temperature superconductor having a multilayer laminated structure in which a superconducting thin film and an insulating thin film are laminated is being researched and developed. Here, an oxide material such as YBa 2 Cu 3 O y is used as the superconducting thin film. Currently, the stack structure of devices using high-temperature superconductors is often composed of three superconductor layers called a ground plane layer, a base electrode layer, and a counter electrode layer. An insulator thin film is disposed, and the three superconductor layers are insulated from each other.
ジョセフソン接合は、加工されたベース電極層とカウンター電極層の間に薄いバリア層を形成することによって構成される。グランドプレーン層は超電導回路のインダクタンスを低減させる目的で導入されている。超電導素子の構成としては、基板上にグランドプレーン層を成膜した後、グランドプレーン層上に絶縁体膜を形成し、更に、その絶縁体層の上にジョセフソン接合を形成するためのベース電極層およびカウンター電極層を形成する構成がある。また、別の構成としては、ジョセフソン接合を形成した上に絶縁体層およびグランドプレーン層を形成する構成がある。ここで、後者のようにジョセフソン接合形成後にグランドプレーン層を形成すると、グランドプレーンの形成温度に起因する熱エネルギーでジョセフソン接合の電気特性が変化するという問題がある。そのため、ジョセフソン接合は既に作製されたグランドプレーンおよび絶縁体層上に形成されることが望ましい。 The Josephson junction is formed by forming a thin barrier layer between the processed base electrode layer and the counter electrode layer. The ground plane layer is introduced for the purpose of reducing the inductance of the superconducting circuit. The superconducting element is configured by forming a ground plane layer on the substrate, forming an insulator film on the ground plane layer, and further forming a Josephson junction on the insulator layer. There is a configuration in which a layer and a counter electrode layer are formed. As another configuration, there is a configuration in which an insulator layer and a ground plane layer are formed after a Josephson junction is formed. Here, when the ground plane layer is formed after the formation of the Josephson junction as in the latter case, there is a problem that the electrical characteristics of the Josephson junction change due to the thermal energy caused by the formation temperature of the ground plane. Therefore, it is desirable that the Josephson junction is formed on the already produced ground plane and insulator layer.
各超電導体層は、超電導電流を得るために、単一配向および整った面内配向を有する必要がある。このため、絶縁体薄膜は絶縁性が必要であると同時に、酸化物超電導体層の下地として結晶配向性の整った膜であることが求められる。また、各層の表面が平坦であると、配向性の整った状態を保持することができ、薄膜の積層構造を容易に作成できる。特に、ジョセフソン接合部分が数層の薄膜積層構造の上に形成されている場合は、接合特性の均一性を得るために、下地となっている積層薄膜の表面は平坦であることが必要不可欠になる。例えば、現在、開発されている超電導素子では、参考文献（IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. １５, No.２, ２００５）に示されているように、グランドプレーン、第１絶縁体層、ベース電極層、第２絶縁体層の４層積層構造作製後、４層目表面の平均表面粗さが、算術平均粗さで２ｎｍ以下であることが望ましいとされている。 Each superconductor layer must have a single orientation and an ordered in-plane orientation to obtain a superconducting current. For this reason, the insulating thin film is required to have insulating properties, and at the same time, is required to be a film having a well-oriented crystal orientation as a base for the oxide superconductor layer. Further, when the surface of each layer is flat, it is possible to maintain a state in which the orientation is aligned, and it is possible to easily form a thin film laminated structure. In particular, when the Josephson junction is formed on several layers of thin film stack structure, the surface of the underlying thin film is indispensable to obtain uniform bonding characteristics. become. For example, in the currently developed superconducting element, as shown in the reference (IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 15, No. 2, 2005), the ground plane, the first insulator layer, the base electrode The average surface roughness of the surface of the fourth layer is desirably 2 nm or less in terms of arithmetic average roughness after fabrication of a four-layer laminated structure of layers and second insulator layers.
更には、YBa２Cu３Oy等の酸化物超電導体は、酸素の含有量でその超電導特性が変化することが知られており、デバイスに必要な超電導特性を得るには、超電導体層に十分な酸素を供給する必要があることが知られている。このため、現在、超電導体層に酸素を供給するため、一般には、デバイス形成後に数時間、あるいは、数日単位の酸素アニール工程が行われている。また、このことに関係するが、多層構造を有する高温超電導素子では、下層にある超電導体層の酸素欠損によって素子特性が劣化することが知られている。このことから、現在、多くの場合、不足した酸素を補うために素子作製工程の最後に酸素アニールが行われている。 Furthermore, it is known that the superconducting properties of oxide superconductors such as YBa 2 Cu 3 O y change depending on the oxygen content. To obtain the superconducting properties necessary for the device, it is necessary to use a superconductor layer. It is known that sufficient oxygen needs to be supplied. For this reason, at present, in order to supply oxygen to the superconductor layer, an oxygen annealing process is generally performed every several hours or several days after the device is formed. Although related to this, it is known that in the high-temperature superconducting element having a multilayer structure, the element characteristics are deteriorated due to oxygen vacancies in the underlying superconductor layer. Therefore, in many cases, oxygen annealing is currently performed at the end of the device manufacturing process in order to compensate for the lack of oxygen.
一方、長時間の高温アニールはジョセフソン接合の特性の変化を引き起こし、超電導素子の信頼性が低下する。したがって、この観点からは、ジョセフソン接合に与える影響を低く抑えるため、アニールを、極力短時間で行うことが望ましい。 On the other hand, long-time high-temperature annealing causes a change in the characteristics of the Josephson junction, which reduces the reliability of the superconducting element. Therefore, from this point of view, it is desirable to perform annealing in a short time as much as possible in order to keep the influence on the Josephson junction low.
ここで、酸素透過性に優れた絶縁体材料の一つにセリウム酸化物（セリア）がある。積層構造の絶縁体膜部分にセリアを用いると、アニール時に酸素が効率よく透過されることから、超電導体層への酸素回復が容易になり、アニール時間の短縮が期待できる。それゆえ、セリアは多層積層構造を有する高温超電導素子用の絶縁体層として有望視されている。 Here, cerium oxide (ceria) is one of insulator materials excellent in oxygen permeability. When ceria is used for the insulator film portion of the laminated structure, oxygen is efficiently transmitted during annealing, so that oxygen recovery to the superconductor layer is facilitated, and shortening of the annealing time can be expected. Therefore, ceria is regarded as promising as an insulator layer for high-temperature superconducting elements having a multilayer laminated structure.
しかしながら、従来、例えば、（Physica C ３２０ （１９９９） ２１−３０）に示されているように、セリア薄膜は成長時に矩形グレインの成長やアウトグロースの発現による平坦性、絶縁性の悪化が避けられないという問題がある。このため、これまでセリアを絶縁体膜として利用し、かつ、超電導体層を３層以上積層すると共に、その２層目以上にジョセフソン接合を含む構造を有する動作特性に優れた超電導素子は実現していない。
そこで、本発明の課題は、ジョセフソン接合の動作特性に優れ、かつ、絶縁体膜の表面が緻密で平坦性に優れると共に、超電体層の平坦性および結晶性に優れる超電導素子を提供することにある。また、本発明の課題は、酸素アニール工程を短縮あるいは省略することができて、超電導素子の製造時間を格段に短縮することができると共に、ジョセフソン接合部分の特性変化を阻止でき、かつ、平坦で緻密な表面を有する絶縁体膜と平坦性および結晶性に優れる超電導体膜とを形成できる超電導素子の製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a superconducting element that has excellent operation characteristics of a Josephson junction, has a dense insulating film surface and excellent flatness, and excellent superconductor layer flatness and crystallinity. There is. Another object of the present invention is to shorten or omit the oxygen annealing step, significantly reduce the manufacturing time of the superconducting element, prevent the change in characteristics of the Josephson junction, and flatten Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a superconducting element capable of forming an insulator film having a dense surface and a superconductor film having excellent flatness and crystallinity.
上記課題を解決するため、この発明の超電導素子は、
基板と、
上記基板上に形成された第１酸化物超電導体膜と、
上記第１酸化物超電導体膜上に形成されると共に、セリウム酸化物を含む第１絶縁体膜と、
上記第１絶縁体膜上に形成された第２酸化物超電導体膜と、
上記第２酸化物超電導体膜上に形成されると共に、セリウム酸化物を含む第２絶縁体膜と、
上記第２絶縁体膜上に形成された第３酸化物超電導体膜と
を備え、
上記第１絶縁体膜の上記基板側と反対側にジョセフソン接合を有し、
上記第１絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面における最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であると共に、上記第２絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面における最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the superconducting element of the present invention is:
A substrate,
A first oxide superconductor film formed on the substrate;
A first insulator film formed on the first oxide superconductor film and containing cerium oxide;
A second oxide superconductor film formed on the first insulator film;
A second insulator film formed on the second oxide superconductor film and containing cerium oxide;
A third oxide superconductor film formed on the second insulator film,
Having a Josephson junction on the opposite side of the first insulator film from the substrate side;
The largest equivalent circle diameter of the grain on the surface opposite to the substrate side of the first insulator film is 20 nm or less, and the largest grain on the surface opposite to the substrate side of the second insulator film is The equivalent circle diameter is 20 nm or less.
ここで、グレインは、粒子が配向成長（結晶方位の揃った結晶成長）している領域のことを示している。また、円相当径は、上記第１および第２絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面の夫々において、グレインに外接する外接円の直径のことをいう。 Here, the grain indicates a region in which the grains are oriented and grown (crystal growth with a uniform crystal orientation). The equivalent circle diameter refers to the diameter of a circumscribed circle that circumscribes the grain on each of the surfaces of the first and second insulator films opposite to the substrate.
本発明によれば、上記第１絶縁体膜の材料および上記第２絶縁体膜の材料が、ともにセリウム酸化物を含む材料であるので、従来と比較して第１および第２絶縁体膜の酸素透過性を格段に向上できて、第１乃至第３酸化物超電導体膜に供給される酸素量が十分なものになる。したがって、動作特性を向上させることができる。 According to the present invention, since the material of the first insulator film and the material of the second insulator film are both materials containing cerium oxide, the first insulator film and the second insulator film are compared with the conventional ones. The oxygen permeability can be remarkably improved, and the amount of oxygen supplied to the first to third oxide superconductor films becomes sufficient. Therefore, the operating characteristics can be improved.
また、本発明によれば、上記第１絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面における最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であると共に、上記第２絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面における最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であるので、上記第１絶縁体膜および上記第２絶縁体膜上に形成された第２酸化物超電導体膜および第３酸化物超電導体膜の平坦性および結晶性を格段に向上させることができる。 Further, according to the present invention, the largest equivalent circle diameter of the grain on the surface of the first insulator film opposite to the substrate side is 20 nm or less, and opposite to the substrate side of the second insulator film. Since the equivalent circle diameter of the largest grain on the surface on the side is 20 nm or less, the second oxide superconductor film and the third oxide superconductor formed on the first insulator film and the second insulator film The flatness and crystallinity of the film can be remarkably improved.
また、一実施形態の超電導素子は、上記第２酸化物超電導体膜が、上記第１絶縁体膜に対して鈍角をなす斜面を有すると共に、上記第２絶縁体膜が、上記斜面に略連続する斜面を有し、上記第３酸化物超電導体膜が、上記第２絶縁体膜上に形成された第１部分と、この第１部分に連なると共に、上記第２絶縁体膜の上記斜面上に形成された第２部分と、上記第２部分に連なると共に、絶縁体膜または常電導金属膜を介して上記第２酸化物超電導体膜の上記斜面上に形成された第３部分と、上記第３部分に連なると共に、上記第１絶縁体膜上における上記第２酸化物超電導体膜が形成されていない部分に形成された第４部分とを有し、上記ジョセフソン接合が、上記第２酸化物超電導体膜、上記絶縁体薄膜または上記常電導金属薄膜、および、上記第３酸化物超電導体膜からなる。 In one embodiment, the second oxide superconductor film has a slope that forms an obtuse angle with respect to the first insulator film, and the second insulator film is substantially continuous with the slope. And the third oxide superconductor film is connected to the first portion formed on the second insulator film and the first portion, and on the slope of the second insulator film. A second portion formed on the inclined surface of the second oxide superconductor film via an insulator film or a normal conducting metal film, and And a fourth portion formed in a portion where the second oxide superconductor film is not formed on the first insulator film, and the Josephson junction is connected to the second portion. An oxide superconductor film, the insulator thin film or the normal conducting metal thin film, and Serial and a third oxide superconducting film.
上記実施形態によれば、超電導素子が、単純な構成を有するので、超電導素子を簡単安価に製造できる。 According to the embodiment, since the superconducting element has a simple configuration, the superconducting element can be manufactured easily and inexpensively.
また、一実施形態の超電導素子は、上記第１絶縁体膜および上記第２絶縁体膜の膜厚が、ともに５０ｎｍ以上である。 In the superconducting element of one embodiment, the first insulator film and the second insulator film both have a thickness of 50 nm or more.
上記実施形態によれば、酸化物超電導体膜間の絶縁性を、問題がない程度の大きさにすることができる。 According to the said embodiment, the insulation between oxide superconductor films | membranes can be made into the magnitude | size which does not have a problem.
また、一実施形態の超電導素子は、上記第１絶縁体膜および上記第２絶縁体膜の膜厚が、ともに１０００ｎｍ以下である。 In the superconducting element of one embodiment, the first insulator film and the second insulator film both have a film thickness of 1000 nm or less.
上記実施形態によれば、上記第１絶縁体膜および上記第２絶縁体膜の表面の平坦性を問題がない程度の大きさにすることができる。 According to the embodiment, the flatness of the surfaces of the first insulator film and the second insulator film can be made large enough to cause no problem.
また、一実施形態の超電導素子は、上記第１絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さから上記第１酸化物超電導体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さを引いた値は、２ｎｍ以下であり、上記第２絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さから上記第２酸化物超電導体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さを引いた値は、２ｎｍ以下である。 In one embodiment, the superconducting element has an arithmetic mean roughness of a surface of the first insulator film on the side opposite to the substrate side, and an arithmetic operation on the surface of the first oxide superconductor film on the side opposite to the substrate side. The value obtained by subtracting the average roughness is 2 nm or less, and the arithmetic mean roughness of the surface of the second insulator film opposite to the substrate side is the opposite side of the second oxide superconductor film to the substrate side. The value obtained by subtracting the arithmetic average roughness of the surface is 2 nm or less.
上記実施形態によれば、酸化物超電導体膜の平坦性および結晶性を、超電導素子の動作に問題がない程度の大きさにすることができる。 According to the above embodiment, the flatness and crystallinity of the oxide superconductor film can be made large enough to cause no problem in the operation of the superconducting element.
また、本発明の超電導素子の製造方法は、セリウム酸化物を含む絶縁体膜を、酸化物超電導体膜上に酸素圧力が５Ｐａ以下の状態でパルスレーザー蒸着法により成膜することを特徴としている。 In addition, the method of manufacturing a superconducting element of the present invention is characterized in that an insulator film containing cerium oxide is formed on the oxide superconductor film by a pulse laser deposition method with an oxygen pressure of 5 Pa or less. .
本発明者は、酸化物超電導体膜上にセリウム酸化物を含む絶縁体膜を、酸素圧力が５Ｐａ以下の状態でパルスレーザー蒸着法により成膜すると、絶縁体膜の材料が良好な平坦性を獲得するのが難しいセリウム酸化物を含む材料であっても、問題がない絶縁性を有すると共に、表面粗さが小さくて平坦性に優れる絶縁体膜を、数分単位の短時間で形成できることを発見した。 When the present inventor forms an insulator film containing cerium oxide on an oxide superconductor film by a pulse laser deposition method with an oxygen pressure of 5 Pa or less, the material of the insulator film exhibits good flatness. Even if it is a material containing cerium oxide that is difficult to obtain, it is possible to form an insulator film having no problem and having a small surface roughness and excellent flatness in a few minutes. discovered.
本発明によれば、酸化物超電導体膜上に酸素透過性に優れるセリウム酸化物を含む絶縁体膜を成膜するので、酸化物超電導体膜へ十分な酸素を供給できる。したがって、酸素アニール工程を短縮または省略することができるので、超電導素子を、従来と比して格段に短い時間で安価に製造できる。また、酸素アニール工程を短縮または省略することができるので、この方法によって製造される超電導素子がジョセフソン接合を有する場合、ジョセフソン接合の特性変化を阻止できる。 According to the present invention, since the insulator film containing cerium oxide having excellent oxygen permeability is formed on the oxide superconductor film, sufficient oxygen can be supplied to the oxide superconductor film. Accordingly, since the oxygen annealing step can be shortened or omitted, the superconducting element can be manufactured in a much shorter time than in the conventional case. In addition, since the oxygen annealing step can be shortened or omitted, when the superconducting element manufactured by this method has a Josephson junction, it is possible to prevent a change in the characteristics of the Josephson junction.
また、本発明によれば、酸化物超電導体膜上にセリウム酸化物を含む絶縁体膜を酸素圧力が５Ｐａ以下の状態でパルスレーザー蒸着法により成膜するので、絶縁体膜の材料が平坦性を獲得するのが難しいセリウム酸化物を含む材料であっても、問題がない絶縁性を有すると共に、表面粗さが小さくて表面が緻密で表面の平坦性に優れる絶縁体膜を数分単位の短時間で形成できる。更に、この表面粗さが小さくて平坦性に優れる絶縁体膜上に形成される超電導体層の平坦性および結晶性を格段に向上させることができる。 In addition, according to the present invention, the insulator film containing cerium oxide is formed on the oxide superconductor film by the pulse laser deposition method in a state where the oxygen pressure is 5 Pa or less. Even if it is a material containing cerium oxide that is difficult to obtain, an insulating film having a problem-free insulation, a small surface roughness, a dense surface, and excellent surface flatness is obtained in units of several minutes. It can be formed in a short time. Furthermore, the flatness and crystallinity of the superconductor layer formed on the insulator film having a small surface roughness and excellent flatness can be remarkably improved.
また、一実施形態の超電導素子の製造方法は、上記絶縁体膜の成膜速度が、５００ｎｍ／分以下である。 In one embodiment of the method for manufacturing a superconducting element, the film formation rate of the insulator film is 500 nm / min or less.
上記実施形態によれば、絶縁体膜の成膜時における粒子の柱状の成長を確実に防止できて、粒子の柱状の成長に起因するグレインの円相当径の増大を防止できる。 According to the above-described embodiment, the columnar growth of particles during the formation of the insulator film can be reliably prevented, and an increase in the equivalent circle diameter of grains due to the columnar growth of particles can be prevented.
本発明の超電導素子によれば、第１絶縁体膜の材料および第２絶縁体膜の材料が、ともにセリウム酸化物を含む材料であるので、従来と比較して上記第１および第２絶縁体膜の酸素透過性を格段に向上できて、酸化物超電導体膜に供給される酸素量が十分なものになる。したがって、動作特性を向上させることができる。 According to the superconducting element of the present invention, since the material of the first insulator film and the material of the second insulator film are both materials containing cerium oxide, the first and second insulators are compared with the conventional one. The oxygen permeability of the membrane can be remarkably improved, and the amount of oxygen supplied to the oxide superconductor membrane is sufficient. Therefore, the operating characteristics can be improved.
また、本発明の超電導素子によれば、上記第１絶縁体膜の基板側と反対側の表面の最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であると共に、上記第２絶縁体膜の基板側と反対側の表面の最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であるので、上記第１絶縁体膜および上記第２絶縁体膜上に形成された第２酸化物超電導体膜および第３酸化物超電導体膜の平坦性および結晶性を格段に向上させることができる。 Further, according to the superconducting element of the present invention, the maximum equivalent circle diameter of the grain on the surface opposite to the substrate side of the first insulator film is 20 nm or less, and the substrate side of the second insulator film is Since the equivalent circle diameter of the largest grain on the opposite surface is 20 nm or less, the second oxide superconductor film and the third oxide superconductor formed on the first insulator film and the second insulator film The flatness and crystallinity of the body film can be remarkably improved.
また、本発明の超電導素子の製造方法によれば、酸化物超電導体膜上に酸素透過性に優れるセリウム酸化物を含む絶縁体膜を成膜するので、酸化物超電導体膜へ十分な酸素を供給できて、酸素アニール工程を短縮または省略することができる。したがって、超電導素子を、従来と比して格段に短い時間で安価に製造できると共に、この方法によって製造される超電導素子がジョセフソン接合を有する場合、そのジョセフソン接合の特性変化を阻止できる。 In addition, according to the method for manufacturing a superconducting element of the present invention, an insulator film containing cerium oxide having excellent oxygen permeability is formed on the oxide superconductor film, so that sufficient oxygen is supplied to the oxide superconductor film. The oxygen annealing process can be shortened or omitted. Therefore, the superconducting element can be manufactured at a much shorter time and at a lower cost than conventional ones, and when the superconducting element manufactured by this method has a Josephson junction, a change in characteristics of the Josephson junction can be prevented.
また、本発明の超電導素子の製造方法によれば、酸化物超電導体膜上にセリウム酸化物を含む絶縁体膜を酸素圧力が５Ｐａ以下の状態でパルスレーザー蒸着法により成膜するので、絶縁体膜の材料が平坦性を獲得するのが難しいセリウム酸化物を含む材料であっても、問題がない絶縁性を有すると共に、表面が緻密で表面の平坦性に優れる絶縁体膜を数分単位の短時間で形成できる。更に、この表面粗さが小さくて平坦性に優れる絶縁体膜上に形成される超電導体層の平坦性および結晶性を格段に向上させることができる。 Further, according to the method for manufacturing a superconducting element of the present invention, an insulator film containing cerium oxide is formed on an oxide superconductor film by a pulse laser deposition method with an oxygen pressure of 5 Pa or less. Even if the material of the film is a material containing cerium oxide, which is difficult to obtain flatness, an insulating film that has no problem and has a dense surface and excellent surface flatness is obtained in units of several minutes. It can be formed in a short time. Furthermore, the flatness and crystallinity of the superconductor layer formed on the insulator film having a small surface roughness and excellent flatness can be remarkably improved.
以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は本発明の一実施形態の超電導素子の層構造を示す模式断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a layer structure of a superconducting element according to an embodiment of the present invention.
この超電動素子は、酸化物基板１上に、第１酸化物超電導体膜としての第１酸化物超電導体薄膜２、第１絶縁体膜としての第１絶縁体薄膜３、第２酸化物超電導体膜としての第２酸化物超電導薄膜４、第２絶縁体膜としての第２絶縁体薄膜５を順次積層している。図１に示すように、上記第２酸化物超電導体薄膜４は、第１絶縁体薄膜３に対して鈍角をなす斜面を有すると共に、第２絶縁体薄膜５は、上記斜面に略連続する斜面を有している。 The superelectric element includes a first oxide superconductor thin film 2 as a first oxide superconductor film, a first insulator thin film 3 as a first insulator film, and a second oxide superconductor on an oxide substrate 1. A second oxide superconducting thin film 4 as a body film and a second insulator thin film 5 as a second insulator film are sequentially laminated. As shown in FIG. 1, the second oxide superconductor thin film 4 has a slope that forms an obtuse angle with respect to the first insulator thin film 3, and the second insulator thin film 5 is a slope that is substantially continuous with the slope. have.
上記第２絶縁体薄膜５上、第２絶縁体薄膜５および第２酸化物超電導体薄膜４の夫々の斜面上、および、第１絶縁体薄膜３上における第２酸化物超電導体薄膜４が形成されていない部分に、第３超電導体膜としての第３超電導体薄膜６を堆積している。上記第３酸化物超電導体薄膜６は、第２絶縁体薄膜５上に形成された第１部分と、この第１部分に連なると共に、第２絶縁体薄膜５の斜面上に形成された第２部分と、この第２部分に連なると共に、第２酸化物超電導体薄膜４の斜面上に形成された第３部分と、この第３部分に連なると共に、第１絶縁体薄膜３上における第２酸化物超電導体薄膜４が形成されていない部分に形成された第４部分とからなっている。上記第１絶縁体薄膜３および第２絶縁体薄膜５は、セリウム酸化物（以下、セリアと記載）からなっている。上記第１絶縁体薄膜３および第２絶縁体薄膜５の酸化物基板１側と反対側の表面の夫々における最大のグレインの円相当径はともに２０ｎｍ以下になっている。また、第１超電導体薄膜４の斜面と、第３超電導体薄膜６との間には、極薄い絶縁体が形成されている。上記第１超電導薄膜４、その極薄い絶縁体、および、第３超電導体薄膜６は、ジョセフソン接合７を構成している。 The second oxide superconductor thin film 4 is formed on the second insulator thin film 5, on the slopes of the second insulator thin film 5 and the second oxide superconductor thin film 4, and on the first insulator thin film 3. A third superconductor thin film 6 as a third superconductor film is deposited on the part that is not formed. The third oxide superconductor thin film 6 includes a first portion formed on the second insulator thin film 5 and a second portion formed on the slope of the second insulator thin film 5 while continuing to the first portion. A third portion formed on the slope of the second oxide superconductor thin film 4, and a second oxidation on the first insulator thin film 3 while continuing to the third portion. It consists of the 4th part formed in the part in which the physical superconductor thin film 4 is not formed. The first insulator thin film 3 and the second insulator thin film 5 are made of cerium oxide (hereinafter referred to as ceria). The maximum equivalent circle diameters of grains on the surfaces of the first insulator thin film 3 and the second insulator thin film 5 opposite to the oxide substrate 1 are both 20 nm or less. An extremely thin insulator is formed between the slope of the first superconductor thin film 4 and the third superconductor thin film 6. The first superconducting thin film 4, its extremely thin insulator, and the third superconducting thin film 6 constitute a Josephson junction 7.
上記実施形態の超電導素子によれば、上記第１絶縁体薄膜３および第２絶縁体薄膜５が、セリアからなっているので、第１酸化物超電導体薄膜２および第２酸化物超電導薄膜４へ酸素を容易に供給することができて、第１酸化物超電導体薄膜２および第２酸化物超電導薄膜４に供給される酸素量が十分なものになる。したがって、この実施形態の超電導素子は、製造される際、酸素アニール工程を短縮しているので（他の実施形態として酸素アニール工程を省略しても良い）、アニール工程によるジョセフソン接合部分の特性悪化が起こることがない。 According to the superconducting element of the above embodiment, since the first insulator thin film 3 and the second insulator thin film 5 are made of ceria, to the first oxide superconductor thin film 2 and the second oxide superconductor thin film 4. Oxygen can be easily supplied, and the amount of oxygen supplied to the first oxide superconductor thin film 2 and the second oxide superconductor thin film 4 is sufficient. Therefore, since the superconducting element of this embodiment shortens the oxygen annealing step when manufactured (the oxygen annealing step may be omitted as another embodiment), the characteristics of the Josephson junction portion by the annealing step No deterioration will occur.
また、上記実施形態の超電導素子によれば、セリアからなる第１絶縁体薄膜３および第２絶縁体薄膜５の酸化物基板１側と反対側の表面の夫々における最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であるので、第１絶縁体薄膜３および第２絶縁体薄膜５の表面の平坦性を緻密で優れたものにすることができ、これら絶縁体薄膜３,５上に形成される超電導薄膜４,６の平坦性および結晶性を優れたものにすることができる。また、各薄膜の表面の平坦性および各薄膜の結晶性を向上させることができるので、ジョセフソン接合の特性ばらつきを抑制できる。尚、ここで言う平坦な表面とは、平均表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で約２ｎｍ以下の表面のことを言う。 Further, according to the superconducting element of the above-described embodiment, the maximum equivalent circle diameter of the grain on each of the surfaces of the first insulator thin film 3 and the second insulator thin film 5 made of ceria on the side opposite to the oxide substrate 1 side is large. Since it is 20 nm or less, the surface flatness of the first insulator thin film 3 and the second insulator thin film 5 can be made dense and excellent, and the superconducting thin film formed on these insulator thin films 3 and 5 The flatness and crystallinity of 4,6 can be made excellent. In addition, since the flatness of the surface of each thin film and the crystallinity of each thin film can be improved, variations in the characteristics of the Josephson junction can be suppressed. In addition, the flat surface said here means the surface whose average surface roughness is about 2 nm or less by arithmetic mean roughness (Ra).
図２Ａ〜図２Ｆは、本発明の超電導素子の製造方法の一実施形態を説明するための製造途中の超電導体素子の模式断面図である。 FIG. 2A to FIG. 2F are schematic cross-sectional views of a superconductor element being manufactured for explaining an embodiment of the method for manufacturing a superconducting element of the present invention.
以下に図２Ａ〜図２Ｆを用いて、上記実施形態の超電導素子の製造方法について説明する。 A method for manufacturing the superconducting element of the embodiment will be described below with reference to FIGS. 2A to 2F.
先ず、図２Ａに示すように、基板の一例としての酸化マグネシウム（MgO）からなる酸化物基板１１の表面全面に、スパッタ法によりLa０.２Y０.９Ba１.９Cu３Oy（以下、La-YBCOと記載）からなる第１酸化物超電導体膜としての第１酸化物超電導薄膜１２を成膜する。酸化物基板１１の材料として、酸化物材料の中でも誘電率の低いMgOを採用することにより、超電導素子の高速動作を実現できる。尚、基板材料が、酸化マグネシウムに限られないのは勿論であり、SrTiO3、LaAlO3、サファイア等、超電導素子の基板材料として使用されているものであれば、如何なるものであっても良い。上記第１酸化物超電導体薄膜１２はグランドプレーンの役割を果たす。La-YBCOは、超電導体YBa２Cu３Oy （以下YBCOと記載）のYおよびBaサイトの一部をLaで置換した超電導材料であり、YBCOよりも単一相の薄膜を得るのが容易であるという特徴がある。 First, as shown in FIG. 2A, La 0.2 Y 0.9 Ba 1.9 Cu 3 O y (on the entire surface of an oxide substrate 11 made of magnesium oxide (MgO) as an example of a substrate by sputtering. Hereinafter, a first oxide superconducting thin film 12 is formed as a first oxide superconductor film made of La-YBCO. By adopting MgO having a low dielectric constant among the oxide materials as the material of the oxide substrate 11, high-speed operation of the superconducting element can be realized. Of course, the substrate material is not limited to magnesium oxide, and any material may be used as long as it is used as a substrate material for a superconducting element, such as SrTiO 3 , LaAlO 3 , and sapphire. The first oxide superconductor thin film 12 serves as a ground plane. La-YBCO is a superconducting material in which part of the Y and Ba sites of the superconductor YBa 2 Cu 3 O y (hereinafter referred to as YBCO) is replaced with La, and it is easier to obtain a single-phase thin film than YBCO. There is the feature that it is.
次に、図２Ｂに示すように、第１酸化物超電導体薄膜１２の表面全面に、成膜時の酸素圧力を５Ｐａ以下に保ちながら、パルスレーザー蒸着法にて、膜厚３００ｎｍのセリアからなる第１絶縁体膜としての第１絶縁体薄膜１３を約５０ｎｍ／分の成膜速度で成膜する。絶縁体薄膜として酸素透過性を有するセリアを用いると、超電導体薄膜へ酸素を容易に供給できる。また、成膜手段としてパルスレーザー蒸着法を用いると、成膜時間を数分程度にまで大幅に短縮することができる。図３Ａは、La-YBCO薄膜である第１酸化物超電導薄膜１２の表面を示すSEM（scanning electron microscope）写真を表す図であり、図３Ｂは、第１酸化物超電導薄膜１２上に形成されたセリアからなる第１絶縁体薄膜１３の表面を示すSEM写真を表す図である。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第１酸化物超電導薄膜１２と第１絶縁体薄膜１３の表面粗さは、略同程度になっており、緻密で平坦な表面になっている。セリアからなる第１絶縁体薄膜１３の詳細な解析によると、第１絶縁体薄膜１３の酸化物基板１１側と反対側の表面における最大のグレインの円相当径は２０ｎｍ以下になっている。このことから、第１絶縁体薄膜１３の成膜時の酸素圧力を５Ｐａ以下に保つことにより、最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下で、かつ、平均表面粗さが、下地となっているLa-YBCOからなる第１酸化物超電導薄膜１２と程同等の平均表面粗さを有するセリアからなる第１絶縁体薄膜１３を獲得でき、かつ、第１酸化物超電導薄膜１２および第１絶縁体薄膜１３の表面を、緻密で平坦にすることができる。尚、セリアからなる絶縁体膜の基板側と反対側の表面の算術平均粗さがその下地となる超電導体膜の基板側と反対側の算術平均粗さから２ｎｍ以上増大しなければ、超電導素子の動作特性に良好なものにすることができる。 Next, as shown in FIG. 2B, the surface of the first oxide superconductor thin film 12 is made of ceria having a film thickness of 300 nm by pulse laser deposition while maintaining the oxygen pressure during film formation at 5 Pa or less. The first insulator thin film 13 as the first insulator film is deposited at a deposition rate of about 50 nm / min. When ceria having oxygen permeability is used as the insulator thin film, oxygen can be easily supplied to the superconductor thin film. Further, when the pulse laser deposition method is used as the film forming means, the film forming time can be significantly reduced to about several minutes. FIG. 3A is a view showing a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the surface of the first oxide superconducting thin film 12 which is a La-YBCO thin film, and FIG. 3B is formed on the first oxide superconducting thin film 12. It is a figure showing the SEM photograph which shows the surface of the 1st insulator thin film 13 which consists of ceria. As shown in FIGS. 3A and 3B, the surface roughness of the first oxide superconducting thin film 12 and the first insulator thin film 13 is approximately the same, and is a dense and flat surface. According to a detailed analysis of the first insulator thin film 13 made of ceria, the maximum equivalent circle diameter of the grain on the surface of the first insulator thin film 13 opposite to the oxide substrate 11 is 20 nm or less. From this, by maintaining the oxygen pressure at the time of forming the first insulator thin film 13 at 5 Pa or less, the maximum grain equivalent circle diameter is 20 nm or less and the average surface roughness is the foundation. A first insulator thin film 13 made of ceria having the same average surface roughness as the first oxide superconducting thin film 12 made of La-YBCO can be obtained, and the first oxide superconducting thin film 12 and the first insulator thin film can be obtained. The surface of 13 can be made dense and flat. If the arithmetic mean roughness of the surface opposite to the substrate side of the insulator film made of ceria does not increase by 2 nm or more from the arithmetic mean roughness of the base superconductor film opposite to the substrate side, the superconducting element The operating characteristics can be improved.
この実施形態では、第１酸化物超電導薄膜１２の平均表面粗さは、算術平均粗さで１ｎｍ程度であり、第１酸化物超電導薄膜１２上に第１絶縁体薄膜１３を形成した後においても、第１酸化物超電導薄膜１２の平均表面粗さの値は増加しなかった。一方、比較例として、セリアからなる第１絶縁体薄膜の成膜時の酸素圧力を５Ｐａより大きくすると、セリアからなる第１絶縁体薄膜の成膜時に粒子が柱状に成長して、グレイン円相当径が格段に増大して、第１絶縁体薄膜の表面平坦性が大幅に悪化した。また、セリアからなる第１絶縁体薄膜の成膜速度が５００ｎｍ／分より大きい場合も、セリアからなる第１絶縁体薄膜の成膜時に粒子が柱状に成長して、グレイン円相当径が格段に増大して、表面平坦性が大幅に悪化した。また、セリアからなる第１絶縁体薄膜の膜厚が、５０ｎｍより小さくなると、超電導素子に必要な絶縁性を保つことが困難になり、セリア薄膜の膜厚が１０００ｎｍより大きくなると、薄膜平坦性が大幅に悪化した。 In this embodiment, the average surface roughness of the first oxide superconducting thin film 12 is about 1 nm in arithmetic average roughness, and even after the first insulator thin film 13 is formed on the first oxide superconducting thin film 12. The average surface roughness value of the first oxide superconducting thin film 12 did not increase. On the other hand, as a comparative example, when the oxygen pressure at the time of forming the first insulator thin film made of ceria is higher than 5 Pa, the particles grow in a columnar shape at the time of forming the first insulator thin film made of ceria, which corresponds to a grain circle The diameter increased dramatically and the surface flatness of the first insulator thin film was greatly deteriorated. In addition, even when the film formation rate of the first insulator thin film made of ceria is larger than 500 nm / min, the grains grow in a columnar shape during the film formation of the first insulator thin film made of ceria, and the grain equivalent diameter is remarkably increased. As a result, the surface flatness was greatly deteriorated. Further, if the thickness of the first insulator thin film made of ceria is smaller than 50 nm, it becomes difficult to maintain the insulation necessary for the superconducting element, and if the thickness of the ceria thin film is larger than 1000 nm, the thin film flatness is reduced. Deteriorated significantly.
次に、図２Ｃに示すように、第１絶縁体薄膜１３上にLa-YBCOからなる第２酸化物超電導体膜としての第２酸化物超電導体薄膜１４を積層した後、第２酸化物超電導体薄膜１４上にセリアからなる第２絶縁体膜としての第２絶縁体薄膜１５を積層する。詳しくは、酸化物基板１１上に第１酸化物超電導体薄膜１２および第１絶縁体薄膜１３を順次形成したときと同様に、第１絶縁体薄膜１３の表面全面に、スパッタ法によって、La-YBCOからなる第２酸化物超電導体薄膜１４を成膜した後、第２酸化物超電導体薄膜１４の表面全面に、パルスレーザー蒸着法により、セリアからなる第２絶縁体薄膜１５を成膜する。この実施形態では、上記第２酸化物超電導体薄膜１４は、ベース電極の役割を果たしている。ここで、第２酸化物超電導体薄膜１４は、単一配向を有し、かつ、その平均表面粗さは、算術平均粗さで２ｎｍ以下であった。このことは、第２酸化物超電導体薄膜１４の下地である第１絶縁体薄膜１３が緻密で平坦な表面を有していることに起因しているものと思われる。 Next, as shown in FIG. 2C, a second oxide superconductor thin film 14 as a second oxide superconductor film made of La-YBCO is laminated on the first insulator thin film 13, and then the second oxide superconductor. A second insulator thin film 15 as a second insulator film made of ceria is laminated on the body thin film 14. Specifically, in the same manner as when the first oxide superconductor thin film 12 and the first insulator thin film 13 are sequentially formed on the oxide substrate 11, the entire surface of the first insulator thin film 13 is deposited by La— After forming the second oxide superconductor thin film 14 made of YBCO, the second insulator thin film 15 made of ceria is formed on the entire surface of the second oxide superconductor thin film 14 by pulse laser deposition. In this embodiment, the second oxide superconductor thin film 14 serves as a base electrode. Here, the second oxide superconductor thin film 14 had a single orientation, and the average surface roughness was 2 nm or less in terms of arithmetic average roughness. This seems to be due to the fact that the first insulator thin film 13 which is the base of the second oxide superconductor thin film 14 has a dense and flat surface.
続いて、ジョセフソン接合を形成するための加工を行う。この工程では、フォトリソグラフィー法により、第２酸化物超電導体薄膜１４の一部および第２絶縁体薄膜１５の一部をエッチングして、第２絶縁体薄膜５と第１絶縁体薄膜４の一方の側の側面に斜面を形成する。フォトリソグラフィー加工の後、アルゴン（Ar）イオンミリングを行う。このアルゴンイオンミリングにより、加工後のベース電極表面に図２Ｅに２０で示す超電導体の変質層を形成する。この変質層の部分は、ジョセフソン接合のバリア層としての役割を果たす。 Subsequently, processing for forming a Josephson junction is performed. In this step, a part of the second oxide superconductor thin film 14 and a part of the second insulator thin film 15 are etched by photolithography, and one of the second insulator thin film 5 and the first insulator thin film 4 is etched. A slope is formed on the side of the side. Argon (Ar) ion milling is performed after photolithography. By this argon ion milling, an altered layer of the superconductor indicated by 20 in FIG. 2E is formed on the surface of the processed base electrode. This part of the altered layer serves as a barrier layer for the Josephson junction.
続いて、加工した積層構造の上に、パルスレーザー蒸着法により、La０.２Yb０.９Ba１.９Cu３Oy（以下、La-YbBCOと記述する）からなる第３酸化物超電導体膜としての第３酸化物超電導体薄膜１６を、下地の積層構造が作製された温度よりも低い基板温度で成膜する。第３酸化物超電導体薄膜１６は、カウンター電極の役割を果たす。この実施形態のように第３酸化物超電導体薄膜１６を、下地の積層構造が作製された温度よりも低い基板温度で形成すると、下地の構造にダメージを与えることを防止できる。また、実際、第３酸化物超電導体薄膜１６の材料が、La-YbBCOであるので、第３酸化物超電導体薄膜１６の成膜温度をLa-YBCOの成膜温度よりも低くすることができる。更に、ここでは、成膜法としてパルスレーザー蒸着法を用いているので、スパッタ法よりも短時間で成膜を行うことができる。第２酸化物超電導体薄膜１４、図２Ｅに２０で示す変質層、および、第３酸化物超電導体薄膜１６は、図２Ｆに１７で示すジョセフソン接合を構成している。第３酸化物超電導体薄膜１６を成膜した後、作製された超電導素子を酸素雰囲気中で室温まで冷却する。このように酸素雰囲気中で冷却することにより、各超電導体薄膜に酸素を補給する。 Subsequently, a third oxide superconductor made of La 0.2 Yb 0.9 Ba 1.9 Cu 3 O y (hereinafter referred to as La-YbBCO) is formed on the processed laminated structure by a pulse laser deposition method. The third oxide superconductor thin film 16 as the body film is formed at a substrate temperature lower than the temperature at which the underlying laminated structure is produced. The third oxide superconductor thin film 16 serves as a counter electrode. If the third oxide superconductor thin film 16 is formed at a substrate temperature lower than the temperature at which the underlying laminated structure is formed as in this embodiment, damage to the underlying structure can be prevented. In fact, since the material of the third oxide superconductor thin film 16 is La-YbBCO, the film formation temperature of the third oxide superconductor thin film 16 can be made lower than the film formation temperature of La-YBCO. . Furthermore, since the pulse laser deposition method is used here as the film formation method, the film formation can be performed in a shorter time than the sputtering method. The second oxide superconductor thin film 14, the altered layer indicated by 20 in FIG. 2E, and the third oxide superconductor thin film 16 constitute a Josephson junction indicated by 17 in FIG. 2F. After the third oxide superconductor thin film 16 is formed, the produced superconducting element is cooled to room temperature in an oxygen atmosphere. In this way, oxygen is supplied to each superconductor thin film by cooling in an oxygen atmosphere.
従来は、上述したように、前記酸素雰囲気中での冷却後に、さらに、拡散炉内にて数時間から数日単位の酸素アニール工程を行わなければ、超電導体薄膜に充分な酸素を導入することができなかった。すなわち、酸素アニール工程を行わないと、超電導体薄膜に酸素が不足し、デバイス動作に必要な超電導特性を得ることができなかった。 Conventionally, as described above, after cooling in the oxygen atmosphere, sufficient oxygen is introduced into the superconductor thin film unless an oxygen annealing step of several hours to several days is performed in the diffusion furnace. I could not. That is, unless the oxygen annealing step is performed, oxygen is insufficient in the superconductor thin film, and the superconducting characteristics necessary for device operation cannot be obtained.
これに対し本実施形態では、絶縁体薄膜に酸素透過性の良いセリア薄膜を用いているので、各超電導体薄膜に充分な酸素を供給でき、酸素アニール工程を省略してもデバイス動作に必要な超電導特性を得ることができる。したがって、アニール工程を省略できることに起因して、動作特性に優れる超電導素子を従来よりも大幅に短い時間でかつ安価に製造できると共に、ジョセフソン接合への熱ダメージを防止できて、ジョセフソン接合特性の悪化を防止できる。また、表面平坦性に優れたセリア薄膜を用いているので、結晶性、平坦性の良好な超電導体薄膜からなるベース電極を獲得できると共に、結晶性、平坦性の良好な超電導体薄膜からなるカウンター電極を獲得できて、デバイス動作に優れるジョセフソン接合特性を獲得することができる。 On the other hand, in this embodiment, since the ceria thin film having good oxygen permeability is used as the insulator thin film, sufficient oxygen can be supplied to each superconductor thin film, and it is necessary for device operation even if the oxygen annealing step is omitted. Superconducting properties can be obtained. Therefore, the superconducting element with excellent operating characteristics can be manufactured in a significantly shorter time and at a lower cost than before, and the thermal damage to the Josephson junction can be prevented, resulting in the Josephson junction characteristics. Can be prevented. In addition, since a ceria thin film with excellent surface flatness is used, a base electrode made of a superconductor thin film with good crystallinity and flatness can be obtained, and a counter made of a superconductor thin film with good crystallinity and flatness can be obtained. An electrode can be obtained, and a Josephson junction characteristic excellent in device operation can be obtained.
尚、上記実施形態では、第１絶縁体膜および第２絶縁体膜の材料がセリアであったが、この発明では、絶縁体膜として、セリアを含む材料を用いても良い。例えば、絶縁体膜として、セリアとジルコニアの固溶体等を使用しても、上記実施形態と同様の作用効果を獲得できる。また、本実施形態では超電導体薄膜として、La０.２Y０.９Ba１.９Cu３OyまたはLa０.２Yb０.９Ba１.９Cu３Oyを用いているが、超電導体薄膜として、YBa２Cu３Oy、YbBa２Cu３Oyを用いても良い。また、YBa２Cu３OyにおけるY（イットリウム）の一部または全部を、他の希土類元素のうちの一つまたは二つ以上を組み合わせたものに置き換えた酸化物超電導体材料を使用することもできる。例えば、YBa２Cu３OyにおけるY（イットリウム）の一部または全部を、ランタン（La）、ネオジム（Nd）、サマリウム（Sm）、ユーロピウム（Eu）、ガドリニウム（Gd）、ジスプロジウム（Dy）、ホルミウム（Ho）、エルビウム（Er）、ツリウム（Tm）、イッテルビウム（Yb）、および、ルテシウム（Lu）のうちの一つまたは二つ以上を組み合わせたものに置き換えた酸化物超電導体材料を使用することもできる。また、超電導体薄膜における元素の組成比が、この実施形態以外の組成比であっても構わないのは言うまでもない。 In the above embodiment, the material of the first insulator film and the second insulator film is ceria. However, in the present invention, a material containing ceria may be used as the insulator film. For example, even when a solid solution of ceria and zirconia or the like is used as the insulator film, the same effect as that of the above embodiment can be obtained. In this embodiment, La 0.2 Y 0.9 Ba 1.9 Cu 3 O y or La 0.2 Yb 0.9 Ba 1.9 Cu 3 O y is used as the superconductor thin film. As the superconductor thin film, YBa 2 Cu 3 O y or YbBa 2 Cu 3 O y may be used. It is also possible to use an oxide superconductor material in which a part or all of Y (yttrium) in YBa 2 Cu 3 O y is replaced with a combination of one or more of other rare earth elements. it can. For example, a part or all of Y (yttrium) in YBa 2 Cu 3 O y is converted into lanthanum (La), neodymium (Nd), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), dysprodium (Dy). , Oxide superconductor material replaced with a combination of one or more of holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutesium (Lu) You can also It goes without saying that the composition ratio of elements in the superconductor thin film may be a composition ratio other than that of this embodiment.
また、上記実施形態では、ジョセフソン接合を、超電導体膜、絶縁体膜、および、超電導体膜で構成したが、ジョセフソン接合を、超電導体膜、常電導金属膜、および、超電導体薄膜で構成しても良い。 In the above embodiment, the Josephson junction is composed of a superconductor film, an insulator film, and a superconductor film. However, the Josephson junction is composed of a superconductor film, a normal conducting metal film, and a superconductor thin film. It may be configured.
また、上記実施形態の超電導素子は、超電導体層を３層積層し、その２層目がジョセフソン接合の一部を成す構成であったが、この発明の超電導素子は、超電導体層を３層以上積層し、その２層目以上の層がジョセフソン接合の一部を成す構成であれば、如何なる構造であっても良い。この場合、本実施形態と同様の作用効果を獲得することができることは勿論である。 In the superconducting element of the above embodiment, three superconductor layers are laminated, and the second layer forms a part of the Josephson junction. However, the superconducting element of the present invention has three superconductor layers. Any structure may be used as long as the structure includes two or more layers, and the second or more layers form part of the Josephson junction. In this case, it is needless to say that the same effect as that of the present embodiment can be obtained.
１,１１ 酸化物基板
２,１２ 第１酸化物超電導体薄膜
３,１３ 第１絶縁体薄膜
４,１４ 第１酸化物超電導体薄膜
５,１５ 第２絶縁体薄膜
６,１６ 第３酸化物超電導体薄膜
７,１７ ジョセフソン接合
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 Oxide substrate 2,12 1st oxide superconductor thin film 3,13 1st insulator thin film 4,14 1st oxide superconductor thin film 5,15 2nd insulator thin film 6,16 3rd oxide superconductor Thin body 7,17 Josephson junction
Claims (7)
上記基板上に形成された第１酸化物超電導体膜と、
上記第１酸化物超電導体膜上に形成されると共に、セリウム酸化物を含む第１絶縁体膜と、
上記第１絶縁体膜上に形成された第２酸化物超電導体膜と、
上記第２酸化物超電導体膜上に形成されると共に、セリウム酸化物を含む第２絶縁体膜と、
上記第２絶縁体膜上に形成された第３酸化物超電導体膜と
を備え、
上記第１絶縁体膜の上記基板側と反対側にジョセフソン接合を有し、
上記第１絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面における最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であると共に、上記第２絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面における最大のグレインの円相当径が２０ｎｍ以下であることを特徴とする超電導素子。 A substrate,
A first oxide superconductor film formed on the substrate;
A first insulator film formed on the first oxide superconductor film and containing cerium oxide;
A second oxide superconductor film formed on the first insulator film;
A second insulator film formed on the second oxide superconductor film and containing cerium oxide;
A third oxide superconductor film formed on the second insulator film,
Having a Josephson junction on the opposite side of the first insulator film from the substrate side;
The largest equivalent circle diameter of the grain on the surface opposite to the substrate side of the first insulator film is 20 nm or less, and the largest grain on the surface opposite to the substrate side of the second insulator film is A superconducting element having an equivalent circle diameter of 20 nm or less.
上記第２酸化物超電導体膜は、上記第１絶縁体膜に対して鈍角をなす斜面を有すると共に、上記第２絶縁体膜は、上記斜面に略連続する斜面を有し、
上記第３酸化物超電導体膜は、上記第２絶縁体膜上に形成された第１部分と、この第１部分に連なると共に、上記第２絶縁体膜の上記斜面上に形成された第２部分と、上記第２部分に連なると共に、絶縁体膜または常電導金属膜を介して上記第２酸化物超電導体膜の上記斜面上に形成された第３部分と、上記第３部分に連なると共に、上記第１絶縁体膜上における上記第２酸化物超電導体膜が形成されていない部分に形成された第４部分とを有し、
上記ジョセフソン接合は、上記第２酸化物超電導体膜、上記絶縁体薄膜または上記常電導金属薄膜、および、上記第３酸化物超電導体膜からなることを特徴とする超電導素子。 The superconducting element according to claim 1,
The second oxide superconductor film has an inclined surface that forms an obtuse angle with respect to the first insulating film, and the second insulating film has an inclined surface that is substantially continuous with the inclined surface,
The third oxide superconductor film includes a first portion formed on the second insulator film, and a second portion formed on the inclined surface of the second insulator film while continuing to the first portion. A third portion formed on the slope of the second oxide superconductor film via an insulator film or a normal conducting metal film, and connected to the third portion. A fourth portion formed on a portion of the first insulator film where the second oxide superconductor film is not formed,
The Josephson junction is composed of the second oxide superconductor film, the insulator thin film or the normal conductive metal thin film, and the third oxide superconductor film.
上記第１絶縁体膜および上記第２絶縁体膜の膜厚は、ともに５０ｎｍ以上であることを特徴とする超電導素子。 The superconducting element according to claim 1,
Both the first insulator film and the second insulator film have a thickness of 50 nm or more.
上記第１絶縁体膜および上記第２絶縁体膜の膜厚は、ともに１０００ｎｍ以下であることを特徴とする超電導素子。 The superconducting element according to claim 1,
Both the first insulator film and the second insulator film have a thickness of 1000 nm or less.
上記第１絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さから上記第１酸化物超電導体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さを引いた値は、２ｎｍ以下であり、上記第２絶縁体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さから上記第２酸化物超電導体膜の上記基板側と反対側の表面の算術平均粗さを引いた値は、２ｎｍ以下であることを特徴とする超電導素子。 The superconducting element according to claim 1,
The value obtained by subtracting the arithmetic average roughness of the surface of the first oxide superconductor film opposite to the substrate side from the arithmetic average roughness of the surface opposite to the substrate side of the first insulator film is 2 nm. The arithmetic average roughness of the surface of the second oxide superconductor film opposite to the substrate side is subtracted from the arithmetic average roughness of the surface of the second insulator film opposite to the substrate side. A superconducting element having a value of 2 nm or less.
上記絶縁体膜の成膜速度は、５００ｎｍ／分以下であることを特徴とする超電導素子の製造方法。 In the manufacturing method of the superconducting element according to claim 6,
The method for manufacturing a superconducting element, wherein the film formation rate of the insulator film is 500 nm / min or less.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021535593A (en) * | 2018-08-28 | 2021-12-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | A method for annealing qubits using an antenna chip |
| JP2021535592A (en) * | 2018-08-28 | 2021-12-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | Qubit annealing method based on antenna |
| JP2021535596A (en) * | 2018-08-28 | 2021-12-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | Antenna chip structure for qubit annealing |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1149599A (en) * | 1997-08-01 | 1999-02-23 | Fujikura Ltd | Polycrystal thin film, its production, oxide superconducting conductor and manufacture of the same conductor |
| JP2001244511A (en) * | 2000-02-28 | 2001-09-07 | Hitachi Ltd | Method of manufacturing josephson device having ramp edge structure and film-forming device |
| JP2004051435A (en) * | 2002-07-22 | 2004-02-19 | Takeshi Kawabata | Superconducting wire material made of superconducting microcrystallite |
| JP2004071359A (en) * | 2002-08-06 | 2004-03-04 | Internatl Superconductivity Technology Center | Oxide superconductor wire material |
| JP2004244263A (en) * | 2003-02-13 | 2004-09-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method for forming superconducting oxide thin film having high critical current density |
| JP2004247540A (en) * | 2003-02-14 | 2004-09-02 | Fujitsu Ltd | Superconductive element, method for manufacturing the same and superconductive apparatus |
| JP2005050846A (en) * | 2003-07-29 | 2005-02-24 | Fujitsu Ltd | High temperature superconducting device |
-
2005
- 2005-10-11 JP JP2005296561A patent/JP2007109717A/en active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1149599A (en) * | 1997-08-01 | 1999-02-23 | Fujikura Ltd | Polycrystal thin film, its production, oxide superconducting conductor and manufacture of the same conductor |
| JP2001244511A (en) * | 2000-02-28 | 2001-09-07 | Hitachi Ltd | Method of manufacturing josephson device having ramp edge structure and film-forming device |
| JP2004051435A (en) * | 2002-07-22 | 2004-02-19 | Takeshi Kawabata | Superconducting wire material made of superconducting microcrystallite |
| JP2004071359A (en) * | 2002-08-06 | 2004-03-04 | Internatl Superconductivity Technology Center | Oxide superconductor wire material |
| JP2004244263A (en) * | 2003-02-13 | 2004-09-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method for forming superconducting oxide thin film having high critical current density |
| JP2004247540A (en) * | 2003-02-14 | 2004-09-02 | Fujitsu Ltd | Superconductive element, method for manufacturing the same and superconductive apparatus |
| JP2005050846A (en) * | 2003-07-29 | 2005-02-24 | Fujitsu Ltd | High temperature superconducting device |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2021535593A (en) * | 2018-08-28 | 2021-12-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | A method for annealing qubits using an antenna chip |
| JP2021535592A (en) * | 2018-08-28 | 2021-12-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | Qubit annealing method based on antenna |
| JP2021535596A (en) * | 2018-08-28 | 2021-12-16 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションInternational Business Machines Corporation | Antenna chip structure for qubit annealing |
| JP7324272B2 (en) | 2018-08-28 | 2023-08-09 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | Antenna chip structure for qubit annealing |
| JP7335325B2 (en) | 2018-08-28 | 2023-08-29 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | Method for annealing qubits using antenna chips |
| US11765986B2 (en) | 2018-08-28 | 2023-09-19 | International Business Machines Corporation | Methods for annealing qubits with an antenna chip |
| JP7350839B2 (en) | 2018-08-28 | 2023-09-26 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | Antenna-based qubit annealing method |
| US11812671B2 (en) | 2018-08-28 | 2023-11-07 | International Business Machines Corporation | Antenna-based qubit annealing method |
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