JP2011054893A - ジョセフソン素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、このような実情に鑑み、超伝導膜と絶縁性膜とを同じ材質で構成したジョセフソン結合を提供することを目的とする。
【解決手段】上記課題を解決するために、ジョセフソン素子は、超伝導膜と絶縁性膜とが、ホウ素ドープのダイヤモンド膜よりなり、前記超伝導膜のホウ素濃度が金属絶縁体転移濃度（ダイヤモンド膜固有の濃度）より大きく、前記絶縁性膜のホウ素濃度が金属絶縁体転移濃度より小さいことを特徴とし、その超伝導膜と絶縁性膜が、ホモエピタキシャルのダイヤモンド膜により構成されてなることを特徴とする。
また、上記ジョセフソン素子において、その超伝導膜のホウ素濃度が３ｘ１０^２０ｃｍ^−３以上で、絶縁性膜のホウ素濃度が３ｘ１０^２０ｃｍ^−３未満であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、第一、第二超伝導膜間に絶縁性膜が配されてなるジョセフソン結合を有するジョセフソン素子に関する。

ジョセフソン接合は、二つの超伝導体の間に非常に薄い絶縁体がサンドイッチされた構造を持つ、超伝導デバイスの応用上、極めて大切な素子である。一般に、超伝導体と絶縁体は別の物質を積層するため、格子のマッチングや整合性、相性など、素子作製には、多くの問題が発生していた。

本発明は、このような実情に鑑み、超伝導膜と絶縁性膜とを同じ材質で構成したジョセフソン結合を提供することを目的とする。

発明１のジョセフソン素子は、超伝導膜と絶縁性膜とが、ホウ素ドープのダイヤモンド膜よりなり、前記超伝導膜のホウ素濃度が金属絶縁体転移濃度（ダイヤモンド膜固有の濃度）より大きく、前記絶縁性膜のホウ素濃度が金属絶縁体転移濃度より小さいことを特徴とする。
発明2は、発明１のジョセフソン素子において、その超伝導膜と絶縁性膜が、ホモエピタキシャルのダイヤモンド膜により構成されてなることを特徴とする。
発明3は、発明１又は２のジョセフソン素子において、その超伝導膜のホウ素濃度が３ｘ１０^２０ｃｍ^−３以上で、絶縁性膜のホウ素濃度が３ｘ１０^２０ｃｍ^−３未満であることを特徴とする。

本発明は、ダイヤモンド薄膜が、ホウ素のドーピングレベルをコントロールすることにより、絶縁体、超伝導と物性が変化するとの発見を利用して、上記課題を達成したものである。さらに、絶縁体と超伝導との境が金属絶縁体転移濃度（非特許文献２参照）にあるとの知見によるものである。
これにより単一の材料によりジョセフソン結合を実現したものである。
特に、ホモエピタキシャルなダイヤモンド薄膜のみで、超伝導ダイヤモンドと絶縁体ダイヤモンド薄膜を積層して、ジョセフソン接合を作製することにより、非常に硬く丈夫であり、物理的にも化学的にも安定である。単一材料であるのでプロセスがシンプルである。ホモエピタキシャル薄膜なので接合界面が原子レベルで整合している。単一材料であるのでケミカルポテンシャルが等しいためショットキーバリアが生じない。ダイヤモンド半導体デバイスとの相性がよい。

ジョセフソン素子の概略図 SIMSによるホウ素濃度の深さ依存性の分析結果を示すグラフ。 素子の電流電圧特性を示すグラフ。 シャピロステップの観測結果を示すグラフ。 フラウンホーファーパターンの観測結果を示すグラフ。

本発明は、ダイヤモンド膜のホウ素含有濃度が金属絶縁体転移濃度（非特許文献２で明らかにした3×10²⁰ｃｍ^−３）を境にして、超伝導と絶縁体に特性変化することを利用したものである。

超伝導特性を発揮させるには、前記3×10²⁰ｃｍ^−３以上の高濃度でホウ素をダイヤモンド膜にドープする必要があり、好ましくは2×10²¹ｃｍ^−３以上、より好ましくは８×10²¹ｃｍ^−３以上とするのが望ましい。
濃度を上げると超伝導転移温度が高くなるので、できれば、理論的なドープ限界近くまで高濃度とするのが望ましい。

また、絶縁性（ジョセフソン結合における）を発揮させるのは、ホウ素の含有量は、３×１０^２０ ｃｍ^−３未満、好ましくは１×１０¹⁹ ｃｍ^−３以下、より好ましくは１×１０^１７ ｃｍ^−３以下、さらにより好ましくは１×１０¹⁰ ｃｍ^−３以下とするのが望ましい。
濃度を下げると絶縁体膜の絶縁性が高まる、バンドギャップが大きくなる。
下記実施例では、ＳＮＳ接合の例を示したが、絶縁体膜のホウ素の含有量が小さくなればなるほど、ＳＩＳ接合となる可能性がある。
また、ホウ素によるキャリアドープを打ち消す効果のある、例えば窒素や燐をドープすることにより、絶縁性を高めることも可能である。
なお、ホウ素以外の元素を含有することで超伝導が得られるとの知見は未だ確認していない。

単結晶ダイヤモンド基板の一部に、ホウ素ドープしたホモエピタキシャルダイヤモンド超伝導薄膜をマイクロ波プラズマCVD法で成膜した。次に、先に成膜した超伝導膜に一部が重なるように、常伝導層となるダイヤモンド薄膜を成膜した。この常伝導層は、ホウ素濃度が金属絶縁体転移より少なくなるよう設定したホモエピタキシャルダイヤモンド薄膜である。続けてその上に、ホモエピタキシャルダイヤモンド超伝導薄膜を成膜した。得られた素子の略図を図１に示す。
マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、最初に水素ガスをチャンバーに満たし一定圧力に維持し、プラズマを立てる。次に、原料ガスである、メタンH2/CH4比が約３％になるように供給する。ドープするホウ素の原料としてトリメチルボロンＴＭＢガスをマスフローコントローラを用いて制御し、超伝導膜を得るためにはB/C比が6000ppm程度になるように設定し、絶縁体膜を得るためには、B/C比が０になるように設定した。B/C比が０であっても残留ガスがあるため、通常得られるダイヤモンドのホウ素濃度はゼロにはならない。

ホウ素濃度の深さ方向の分布をSIMSにより評価した。これまでの研究で明らかなように、ダイヤモンドの金属絶縁体転移は、ホウ素濃度にして3x10²⁰ｃｍ^−３である。図２に示すように、上下のダイヤモンド超伝導層は明確に金属絶縁体転移より多くのホウ素がドープされていて、その間に、厚さおよそ30nmの非常に薄い領域に、ホウ素濃度が金属絶縁体転移濃度より低い絶縁体層の形成に成功した。
作製した素子の電流電圧(IV)特性を図３に示す。ジョセフソン接合特有の非線形なIV特性が得られた。臨界電流密度は、おおよそ60A/cm²と求まった。
得られたジョセフソン素子の特性を評価するために、マイクロ波を照射し、シャピロステップの観測を試みた。図に４示すように、10GHzの照射に対し2.07x10^-5Vの電圧の飛びが観測され、明瞭なシャピロステップが観測された。これは、この素子がジョセフソン接合である証拠の一つである。

さらに、この素子がジョセフソン素子であるもう一つの証拠として、フラウンホーファーパターンを観測した。フラウンホーファーパターンは、ジョセフソン接合に平行に磁場を印加したとき、ジョセフソン素子に磁束が挿入されるに伴い、臨界電流密度が増減する現象である。図５に示す通り、フラウンホーファーパターンが観測され、このことから得られた素子がジョセフソン接合であることが重ねて確認された。

本発明の素子は、SQUID磁束センサー、マイクロ波デバイス、電圧標準、超伝導コンピュータなどに利用可能である。

APL85(2004)2851 NATURE V.438, p.647, December 2005 JPhysCondensMatter21(2009)253201

Claims (3)

1. 第一、第二超伝導膜間に絶縁性膜が配されてなるジョセフソン結合を有するジョセフソン素子であって、前記両超伝導膜と絶縁性膜とが、ホウ素ドープのダイヤモンド膜よりなり、前記両超伝導膜のホウ素濃度が金属絶縁体転移濃度（ダイヤモンド膜固有の濃度）より大きく、前記絶縁性膜のホウ素濃度が金属絶縁体転移濃度以下であることを特徴とするジョセフソン素子。
2. 請求項1に記載のジョセフソン素子において、その超伝導膜と絶縁性膜が、ホモエピタキシャルのダイヤモンド膜により構成されてなることを特徴とするジョセフソン素子。
3. 請求項1又は２に記載のジョセフソン素子において、その超伝導膜のホウ素濃度が３ｘ１０^２０ｃｍ^−３以上で、絶縁性膜のホウ素濃度が ３ｘ１０^２０ｃｍ^−３未満であることを特徴とするジョセフソン素子。