JP2538096B2 - 超伝導素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超伝導応用技術である、臨界電流が制御可能
な超伝導素子およびその製造方法に関するものである。

従来の技術 従来、超伝導素子を製造する超伝導体としては、鉛
（Pb）あるいはニオブ（Nb）等の金属超伝導体、または
窒化ニオブ（NbN）、ニオブ３ゲルマニウム（Nb₃Ge）、
シェブレル（PbMo_6.4S₈）などの金属化合物、あるいは
金属酸化物のBPBO（Ba−Pb−Bi−Ｏ）に限られていた。
また、最近では、BKBO（Ba−Ｋ−Bi−Ｏ）の金属酸化物
も超伝導体であることが発見された。これらの超伝導体
において、この超伝導遷移温度（Tc）は、合金系では最
高でもNb₃Geの23.6Kであり、BPBO、BKBO等の金属酸化物
でも30ケルビン程度であり超伝導素子として動作させる
ためには冷却材として高価で、取扱いのむずかしい液体
ヘリウム（沸点4.2K）を用いなくてはならなかった。こ
れに対し近年発見されたCuを含む酸化物超伝導体の中に
はTcが100Kを越えるものがあり、これら超伝導体は安価
で取扱いの容易な液体窒素（沸点77.3K）で冷却するだ
けで超伝導状態に遷移する。このCuを含む酸化物超伝導
体を用い超伝導素子を製造すると、冷却材として液体ヘ
リウムに変わり、安価な液体窒素で動作可能な超伝導素
子が可能となり、応用範囲の拡大がはかられる。

また、超伝導電流を制御できる超伝導素子としては、
Nb等の金属系超伝導体を流れる超電導電流とほぼ直交す
る方向の超伝導体の全面に接触して単一の金属電極を設
けた超伝導トライオードがある。これは、金属電極から
超伝導薄膜中に準粒子を注入することにより非平衡超伝
導領域を形成して超伝導状態を弱めて超伝導電流を制御
するものである。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、従来の超伝導トライオードは、準粒子
の全面注入により非平衡超伝導領域が形成されて超伝導
電流は制御できるものの、超伝導電流路の幅は制御でき
ず、超伝導薄膜のコヒーレンス長よりもはるかに幅の広
い超伝導薄膜を用いたものでは弱結合ブリッジとして動
作せず、交流ジョセフソン効果は得られなかった。

さらに、酸化物超伝導体は、その超伝導状態の発現機
構さえ明確になっておらず、その非平衡超伝導状態が如
何なる物となるかは、超伝導材料に強く依存しており、
現在まで不明のままであった。

また、酸化物超伝導体は、一般に大気中の水分や、製
造過程で用いられる水溶液、酸性や塩基性溶剤等により
一部溶解し、その超伝導性と、さらには酸化物超伝導体
自体をも貯しく損なうという問題があり、そのため不適
当な製造方法においては、酸化物超伝導薄膜の表面が劣
化して制御電極と超伝導薄膜とで形成される接合の抵抗
値が異常に大きくなり、特性の良好なものが得られ難
く、その製造の歩留まりも低いという問題点があった。
例えば、Cuを含む酸化物超伝導体等は、現像液として有
機アルカリ溶液を用いるジアゾ系ポジ型フォトレジスト
を用いることができず、従ってそれを用いたリフト・オ
フ法も不可能であった。特に、Ｙ系の酸化物超伝導体は
酸素欠損に弱く、金属との積層化により特性が不安定と
なり、経時変化も大きく、問題となっていた。

以上のように、超伝導電流が制御可能であり、良好で
安定な特性を有し、かつ、製造の容易な超伝導素子は従
来無かった。

本発明は、制御電極からの電流軸と直交する方向に密
度分布した準粒子の注入により、超伝導ブリッジ内の超
伝導キャリアを部分的に破壊して、超伝導電流値のみな
らず超伝導電流路の幅までも制御可能な超伝導素子と、
この超伝導素子を良好な特性を有してかつ容易に製造す
る製造方法とを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 超伝導薄膜と、この超伝導薄膜面に積層し超伝導薄膜
に流れる超伝導電流の流れを阻止する電極とを備え、こ
の電極が、電極と超伝導薄膜との間に電流を遮断した時
に比べ電流を通電した時に、超伝導電流の流れる幅が狭
くなる制御電極である超伝導素子で、係る従来の課題を
解決したものである。

作用 本発明の超伝導素子は、超伝導薄膜面に設けた制御電
極に電流を流すことにより、準粒子が超伝導薄膜に注入
され超伝導状態が一部破壊され非平衡超伝導領域が生じ
る。

また流す電流を制御することにより、制御電極近傍の
超伝導電流値と超伝導電流の流れ（以下超伝導電流路と
称す）の幅とが制御でき、弱結合ブリッジを超伝導素子
内で形成できる。

実施例 本発明の超伝導素子は、超伝導薄膜と超伝導薄膜面に
設けた制御電極を含み、超伝導薄膜を流れる超伝導電流
路の幅が、制御電極と超伝導薄膜との間に流す制御電流
の有無により、超伝導薄膜内の超伝導キャリアを部分的
に破壊して、超伝導電流値のみならず超伝導電流路の幅
までも制御しようとするものである。

本発明の超伝導素子の構成は、超伝導薄膜の一方の面
に制御電極を１つ以上設けた構造でも、また超伝導薄膜
の両面に制御電極が２つ以上設けた構造でもよく、基本
的には制御電極と超伝導薄膜との間に流した制御電流の
有無によって超伝導薄膜に流れる超伝導電流の幅が変化
する構成であればよい。

このような構成としては、超伝導薄膜面の一方に制御
電極を有する場合、第２図（ａ）または同図（ｃ）に示
したように、少なくとも超伝導薄膜２の面に制御電極3
a,3b及び23が積層されていない部分を有する構成か、ま
たは第４図に示したように制御電極33a及び33bに制御電
極33cのような幅の分布を設けた構成がある。また超伝
導面の両面に制御電極を有する場合、第２図（ｂ）に示
したように超伝導薄膜２面を介して制御電極13aと13bと
の超伝導薄膜２面への投影面が重なりを持たない構成で
あればよい。

なお第１図、第２図及び第４図で示した本発明の超伝
導素子の構成は、端に本発明の一実施例であり、超伝導
薄膜及び制御電極の形状等で本発明に不要な限定を加え
ないこと勿論である。

また、本明細書中で記載した図では制御電極の数は１
つ及び２つだけであるが、前述した本発明の基本思想が
適応される場合制御電極の数に付いても特に限定される
ものではない。

超伝導薄膜の材料としては、例えばNbまたは、Pbもし
くはこれらの金属を含む合金または化合物超伝導体でも
酸化物超伝導体でもよく、超伝導体の種類は特に限定さ
れるものではない。また酸化物超伝導体としては例え
ば、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ等のCuを含む酸化物超伝導体あ
るいは、BPBO（Ba−Pb−Bi−Ｏ）または、BKを用いた物
にも適用できる。

制御電極の材料とては、通常の金属材料や比抵抗が数
十Ωcm程度以下の半導体材料が適応できる。

さらに、制御電極材料として、少なくともアルミニュ
ーム（Al）を含む金属からなる材料を用いるかまたは、
酸化物超伝導薄膜に近い側にAlを含む金属を配した積層
構造金属薄膜等のようなAl系金属材料を用いると、アル
ミニュームが酸化物超伝導薄膜の還元剤としての寄与も
果たし、制御電極に接している酸化物超伝導体薄膜の超
伝導特性を劣らせ、酸化物超伝導体薄膜と制御電極との
界面に絶縁性皮膜を生じさせ、この絶縁性皮膜により制
御電極と超伝導薄膜との間に印加する電圧を高められ高
エネルギを有する準粒子を超伝導薄膜に注入でき、注入
準粒子１個当りの超伝導電子対（クーパーペアー）の破
壊効率が高まるので好ましい。

なお本発明の超伝導素子の超伝導薄膜に酸化物超伝導
体を用いる場合、素子の製造方法として次のような方法
によると、出来上がった素子の特性が安定でかつ容易に
製造できるため好ましい。

第一の製造方法は、制御電極形成工程でフォトレジス
トの現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜を堆積後、その
上に前記フォトレジストを塗布し、露光・現像により制
御電極相当部分の前記フォトレジストを除去した後、酸
素プラズマ中にさらし、金属薄膜または半導体薄膜を堆
積させた後にリフト・オフを行い制御電極を形成する製
造方法である。

また、第二の製造方法は、基板上に酸化物超伝導薄膜
堆積後前記酸化物超伝導薄膜上に高抵抗膜もしくは絶縁
膜を堆積後に、または基板上に酸化物超伝導体薄膜堆積
後に、続けて金属薄膜または半導体薄膜の制御電極材料
を堆積後、不活性ガスを用いたイオンエッチング技術に
よる微細加工を行なって前記酸化物超伝導薄膜および前
記金属薄膜または半導体薄膜の積層構造のブリッジを形
成し、かつ、前記ブリッジ上の制御電極相当部分の前記
金属薄膜または半導体薄膜を残して制御電極を形成した
後、前記制御電極上に接して引出し電極を形成して超伝
導素子を製造する方法である。

なお基板上に酸化物超伝導体薄膜の堆積工程、高抵抗
膜もしくは絶縁膜の堆積工程及び制御電極材料となる薄
膜の堆積工程の３工程、または基板上に酸化物超伝導体
薄膜の堆積工程及び制御電極材料となる薄膜の堆積工程
の２工程を、同一真空槽中で真空の雰囲気を破らずに行
うと、超伝導薄膜の特性を損なわず、超伝導薄膜の界面
に不要な不純物層の付着が防がれ、また製造工程が簡便
かつ容易に行えるため好ましい。

ここで、引出し電極の形成方法には、制御電極に接し
て引出し電極用薄膜を堆積後、不活性ガスを用いたイオ
ンエッチング技術による微細加工を行なう不要部のみを
除去して行なう方法や、親油性有機溶剤を現像液とする
レジストを用いたフォトリソグラフィーにより引出し電
極形成用のリフトオフ・マスクを形成し、一部を露出さ
せた制御電極表面を接して引出し電極用薄膜を堆積後、
リフトオフを行なって前記引出し電極を形成する方法、
さらには、制御電極を含む酸化物超伝導薄膜の上に、フ
ォトレジストの現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜を堆
積後、その上に前記フォトレジストを塗布し、露光・現
像により引出し電極相当部分の前記フォトレジストを除
去して露出させた前記樹脂薄膜を酸素プラズマ中に曝す
ことにより除去して前記制御電極の一部を露出させた
後、引出し電極用薄膜を堆積後、リフトオフを行い引出
し電極を形成する方法等が適している。

以下に具体的な実施例を挙げて説明する。

第１図は本発明の一実施例における超伝導素子の構成
を示す斜視図である。また第２図（ａ）〜（ｃ）には前
記超伝導素子において異なる様々な実施例を示し、超伝
導電流の流れる方向にほぼ直交する方向の断面図を示
す。

第１図において、基板１上に形成した超伝導薄膜２の
ブリッジ上に接して二つに分離された制御電極3a、3bが
設けられている。このような形態の超伝導素子の断面図
は、第２図（ａ）に見られる通りである。なお超伝導薄
膜２と制御電極3a、及び超伝導薄膜２と制御電極3bとの
界面に、高抵抗膜もしくは絶縁膜を設けた構造でもよ
い。

本発明で言う高抵抗膜とは、半導体と絶縁体との間の
電気抵抗を示す材料のことであり、比抵抗で10³Ωcm以
上の電気物性を有し、高抵抗膜の厚みは数千Ａ程度以下
であればよい。

また本発明で言う絶縁膜とは、電流を全く通さない材
料であり、絶縁膜の厚みは数百Ａ程度以下であればよ
い。

このような高抵抗膜もしくは絶縁膜を超伝導薄膜２と
制御電極3aもしくは3bとの間に介在させると、介在させ
ていない場合と注入電流は同じでも、制御電極3aもしく
は3bと超伝導薄膜２との間に印加する電圧を高められる
ためより高エネルギを有する準粒子を超伝導薄膜２に注
入でき、注入準粒子１個当りの超伝導電子対（クーパー
ペアー）の破壊効率が高められ好ましい。

また、本発明の超伝導素子は第１図のような形態以外
にも、第２図（ｂ）または、同図（ｃ）に示すような構
造でも、本質的には同一の効果がある。

すなわち第２図（ｂ）では、制御電極13a上に超伝導
薄膜２が形成され、超伝導薄膜２を挟むように制御電極
13bが超伝導薄膜２の上から形成されており、制御電極1
3aと13bとで準粒子を超伝導薄膜２中に注入して超伝導
電流路を制御する。

また第２図（ｃ）では、制御電極23が超伝導薄膜２の
超電導電流の流れる方向にほほ直交する方向の表面の一
部を残して覆うように形成したものである。この場合に
は、制御電極23と超伝導薄膜２との間に制御電流を流
し、準粒子を超伝導薄膜２に注入する。注入された準粒
子は拡散により超伝導薄膜中に広がり、超伝導薄膜２の
超伝導電流路を制限して、弱結合ブリッジを形成する。

なお制御電極13a、13b、23と超伝導薄膜２との界面
に、高抵抗膜もしくは絶縁膜を設けた構造でもよいのは
第２図（ａ）と同様である。

この様な分離した制御電極構造とすることにより、超
伝導薄膜２の一部に準粒子の注入されない領域を実現す
ることが出来る。

本発明の超伝導素子の動作の概略を第３図を用いて説
明する。

まず、BCS（バーディーン・クーパー・シュリーファ
ー）理論に従う超伝導体で説明を行なう。

第３図（ａ）は断面図を示し、同図（ｂ）と（ｃ）と
は、制御電極3aと3bに制御電流Igを流さないとき（第３
図（ｂ））と、流したとき（第３図（ｃ））の、超伝導
秩序パラメータΨと準粒子波動関数ψｎを示す。

第３図（ｂ）では、制御電極3a及び3bと超伝導薄膜２
との界面付近を除くと、超伝導薄膜２中に超伝導秩序パ
ラメータΨが広がっている。ここで｜Ψ|²が超伝導電流
のキャリア密度に対応するので、超伝導電流は超電導薄
膜２中をほぼ一様に流れていることが判る。

一方Igを流したとき（第３図（ｃ））には、制御電極
3aおよび3bから、それぞれホールと電子よりなる準粒子
が超伝導薄膜２に注入されて超伝導状態が一部破壊さ
れ、非平衡超伝導領域が生じる。

即ち準粒子波動関数ψｎがx2＜ｘ及びｘ＜x3を満足す
るｘの領域にまで広がり、超伝導秩序パラメータΨがx2
とx3との間の領域まで狭められる。

注入準粒子量が多くなると、超伝導秩序パラメータΨ
の広がり幅は狭くなる。

また超伝導電流路の幅は、超伝導秩序パラメータ｜Ψ
|²の広がりの程度であるので、制御電流を増やすことに
より狭くすることができ、弱結合ブリッジを形成するこ
とが可能となる。

この点が、本発明の超伝導素子において重要な作用を
生じる。

なお酸化物超伝導体を用いた場合は、上記のような非
平衡超伝導現象によると考えられる作用が明らかになっ
てはいないが、その特性からみて、上記と同様な作用が
あるものと思われる。

以上のことを本発明者らは、Nb,Pbの金属超伝導体、N
b₃Ge,Nb₃SnもしくはNb−Ti等の合金系超伝導体、NbN等
の化合物系超伝導体またはBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x,Bi₂Sr₂Ca₁cu
₂O_xもしくはBi₂Sr₂Ca₃Cu₄O_x等のBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ酸
化物超伝導体、BaPb_0.7Bi_0.3O₃等のBPBO系酸化物超伝導
体もしくはBa_0.9Ｋ_0.1BiO₃等のBKBO系酸化物超伝導体等
の含銅酸化物超伝導体によるいくつかの実験を行い見出
した。

第４図は、本発明の他の実施例の超伝導素子の構成を
示す。

すなわち第４図では、超伝導薄膜２の上の制御電極33
aと33bとの２つの部分が、接続部33cにおいて接続され
ている。しかも、接続部33cの超伝導電流の流れる軸方
向に測った幅が、制御電極33a及び33bのそれよりも狭い
という構造となっている。

この構造においては、第１図及び第２図とは異なり、
注入される準粒子密度が超伝導薄膜２面内の電流軸と直
交する軸方向に連続であるが、電流軸方向に測った幅が
極小値を取るところの接続部33cにおいて注入される準
粒子密度が、拡散により極小となる。従って、接続部33
cの相当部分の超伝導薄膜２の超伝導キャリア濃度分布
が、電流軸と直交する軸方向には極大となり、かつ、電
流軸方向には極小となり、いわゆる弱結合型の超伝導ブ
リッジが出現することになる。接続部33cの幅が十分短
いと、第１図及び第２図に示した超伝導素子によく似た
特性の素子が実現できる。

なお第４図は制御電極33aと33bとの間に連続した制御
電極接合部33cを設けた構成であるが、本発明の超伝導
素子の制御電極形状は第４図に限定されるものではな
く、例えば制御電極が超伝導薄膜を連続して分割し、し
かも制御電極と超伝導薄膜の端面との境界線の互いに相
対する長さが異なる構成でも良いこと勿論である。すな
わち本発明の超伝導素子の構成は、前述したように制御
電極と超伝導薄膜との間に制御電流を流した場合、制御
電流を遮断したときに比べ超伝導薄膜に流れる超伝導電
流路の幅が変化する領域が少なくとも１つ存在すればよ
く、制御電極の構成及び形状には依存するものではな
い。

ただし超伝導薄膜の対向する縁に跨って制御電極が連
続して形成された場合には、超伝導電流路の幅が変化す
る点（例えば第４図では接合部33cに相当）の、超伝導
電流の方向に計測した制御電極の幅は、一般に、他の部
分の制御電極直下にある超伝導薄膜が超伝導特性を失っ
たとしても、この点だけは超伝導特性を有するだけの幅
であることが必要である。

この制御電流の注入の際に、超伝導薄膜と制御電極と
の間に絶縁膜を設けた構造ではトンネル接合を形成して
両者の間の電圧を高くする事が出来、注入する電流の準
粒子エネルギーを高くして、より効率の高い制御が可能
となる。

また超伝導薄膜の材料として酸化物超伝導体を用い、
制御電極の材料として少なくともアルミニューム（Al）
を含む金属からなる材料を用いるかまたは、酸化物超伝
導薄膜に接する側にAlを含む金属を配した積層構造金属
薄膜を用いることにより、絶縁膜を間に挟んだかのよう
な特性を示すことを見出した。

これは、Al原子が酸化物超伝導体から酸素原子を奪っ
て自然酸化物となり両者の界面に絶縁膜を形成するため
であると考えられる。

以上説明したように、本発明の超伝導素子は、制御電
極から注入する電流により高速で超伝導電流値を制御で
きる。

また、この超伝導素子は電流信号入力の変調素子とみ
ることができ、トランジスタと同様な双方向性の増幅素
子、またはスイッチング素子として動作する。

更に、現在超伝導応用の一つとして、ジョセフソン素
子を構成要素とする超伝導量子干渉計（SQUID）が実用
化されているが、本発明の超伝導素子は制御電流を調整
することにより臨界電流が可変の弱結合ブリッジ型ジョ
セフソン素子として動作し、これを用いると特性の調整
可能な超伝導量子干渉計を構成できる。

また、特性の調整可能な、マイクロ波、ミリ波、遠赤
外光や赤外光の検出器およびミキサー等としても利用で
きる。

これらの点で本発明の超伝導素子は、計算機応用、電
子機器・計測器応用などにたいする実用的効果は大であ
る。

次に、第５図に基づき本発明の超伝導素子の第１の製
造方法の実施例について述べる。

基板１には、MgO単結晶（100）面を用いBi₂Sr₂Ca₂Cu₃
O_x等のBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ酸化物超伝導体からなる超伝
導薄膜２を200nm形成する。

超伝導薄膜２の形成方法は、rfプリーナー・マグネト
ロン・スパッタリング法を用いた。

基板温度は670℃で、ArとO₂雰囲気中で5mTorrの圧力
で行った。

その後、O₂雰囲気中１気圧、845℃で10時間熱処理を
行った（第５図（ａ））。

こうして得た超伝導遷移温度は86Kであった。

この超伝導薄膜２に、ネガ型フォトレジスト４を用い
てパターン化して、Arイオン５を用いたイオンミリング
によりエッチングを行った（第５図（ｂ））。

制御電極3a及び3bと交差する超伝導薄膜２の幅は、お
およそ10μｍ程度である。

次に超伝導薄膜２上に有機アルカリ溶液に対して耐性
に富む樹脂薄膜６として、ネガ型フォトレジストを70nm
塗布し、続いてポジ型フォトレジスト７を800nm塗布し
た後、フォトリソグラフィー技術により制御電極3a及び
3b相当部分のポジ型レジストを除去した（第５図
（ｃ））。

このときポジ型レジストの現像液には有機アルカリ水
溶液が用いられるが、樹脂薄膜６が酸化物超伝導薄膜２
の表面を覆っているため有機アルカリ水溶液に接触する
ことはなく、超伝導特性の劣化は起こらない。

この状態のまま、酸素プラズマにさらすと、露出した
樹脂薄膜６は除去される。

その後、金属薄膜８としてAl（アルミニューム）を真
空蒸着により100nm堆積して（第５図（ｄ））、アセト
ン中に浸しリフト・オフを行うことによりレジスト７を
除去し、１・１・１トリクロロエタン中に浸して樹脂薄
膜６を除去して金属制御電極3a及び3bを形成し、超伝導
素子を作製した。

制御電極3aと3bとの間隔は、約２μｍ程度、幅は５μ
ｍとし、超伝導薄膜２に対しほぼ直角に交わるように形
成した。

作製した素子では、Alの制御電極3a及び3bと酸化物超
伝導薄膜２との界面には、酸化アルミニュウムの絶縁膜
が形成され、制御電極3a及び3bと酸化物超伝導薄膜２と
の間にはトンネル接合が形成されていた。

また、Al以外の酸化容易な金属を用いた場合にも界面
に絶縁物が形成されていた。

他に、制御電極3a及び3bの材料としてPt、Au等の貴金
属を用いた場合には、界面には絶縁物が形成されておら
ず、制御電極3a及び3bと酸化物超伝導薄膜２との間の抵
抗は低い値を示す。

この場合には、MgO等の様な絶縁膜で10nm程の厚さの
ものを酸化物超伝導薄膜２と制御電極3a及び3bの間に設
けると、Alを用いたものと同様な特性の素子が得られ
る。

このようにいずれの素子の場合にも同様な素子動作が
得られる。

また高抵抗膜もしくは絶縁膜が酸化物超伝導薄膜上に
形成されている場合でも、高抵抗膜もしくは絶縁膜を厚
く出来ないので、溶液が絶縁膜中のピンホールを通って
侵入するため、酸化物超伝導薄膜の劣化を防止するため
には、本実施例に示すような製造方法を用いることが有
効である。

以上述べた様に、本発明の超伝導素子の第１の製造方
法において、フォトレジストの現像液に対する耐性に富
む樹脂薄膜が、酸化物超伝導薄膜の直接現像液に触れる
ことを防ぎ、酸化物超伝導薄膜の劣化を防止する。

その結果、酸化物超伝導体の超伝導性を損なうことな
く、すなわち液体窒素温度でも動作可能な超伝導素子を
製造できる。

また、酸化物超伝導薄膜形成工程と、制御電極形成工
程とが独立しているため、それぞれ単独に最適形成条件
を設定することが出来、特性向上や、歩留まりの向上が
図れる。

また、本発明の製造方法では、酸化物超伝導薄膜の形
成方法として、ポストアニール等の方法も組み込める利
点がある。

以上のように作製した本発明の超伝導素子の動作例を
以下に説明する。

素子は、液体窒素中で77.3Kに保たれ、そのときの電
流電圧特性を観測すると、超伝導臨界電流値は0.78mAで
あった。

つぎに制御電極3a3b間に、０から1.5mAの電流を注入
すると、それにともない超伝導薄膜２を流れる超伝導臨
界電流値は、0.78mAから80μＡに変化した。

この間の制御電流Igをパラメータにとった電流電圧特
性の一例を第６図に示した。

この変化は、制御電極3a及び3bに注入する電流に対し
連続的であり、また可逆的であった。

次に、この状態で、ｆ＝10GHzのマイクロ波を超電導
素子に照射したところ、Igが小さい条件では、ACジョセ
フソン効果は観測されなかったが、Igが1.2mA以上では
第７図に見られるようにhf/2e＝2.068×ｆ（μＶ）の整
数倍の電圧（ｈはプランクの定数で、6.626×10^-34J・
ｓ、ｅは素電荷で1.602×10^-19C、ｆの単位はGHz）で電
流ステップ（シャピロステップ）が観測され、ACジョセ
フソン効果を生じることを確認した。

このことは、Igが1.2mA以上で弱結合ブリッジが形成
されていることを示すものである。

また、第４図に示すような構造の制御電極を有する素
子も作成したが、値の大小はあるものの、第６図と同様
な制御特性および、第７図と同様なACジョセフソン特性
を示した。

以上のように本発明の超電導素子において、制御電流
の注入により超電導電流の高速制御が可能であること、
かつ、弱結合ブリッジ動作領域を制御電流値を調整する
ことにより実現することが出来ることを、確認した。

次に、本発明の超伝導素子の第２の製造方法の実施例
について説明する。

第８図は本発明における一実施例を示す製造行程図で
ある。また第９図には本実施例の内の、引出し電極形成
工程の一実施例を示す部分行程図を示す。これらの図面
を用いて以下の実施例について説明する。

第８図において、例えばMgO（001）面単結晶のような
基板１上に、例えばBi−Sr−Ca−Cu−Ｏ等の銅（Cu）を
含む酸化物超伝導薄膜を、例えばrfマグネトロンスパッ
タ法等の方法により約200nm厚さに堆積し、酸化物超伝
導薄膜12とする。この時の基板温度は670℃程度で、ア
ルゴン（Ar）・酸素雰囲気中で行った。

その後、基板を室温程度まで冷却した後、真空を破ら
ずに、アルミニュウム（Al）をAr雰囲気中でrfマグネト
ロンスパッタ法を用いて約100nm厚さに堆積し、さらに
その上に金（Au）を50nm厚さに堆積して金属薄膜８を形
成する（第８図（ａ））。

ただしAuはその後の酸素プラズマによるレジスト除去
の際の金属薄膜８の表面酸化を防ぐために設けたもの
で、基本的にはなくてもよい。

なお、金属薄膜８を形成する前に、酸化物超伝導薄膜
上にMgO等のような絶縁膜もしくは不純物をドープして
比抵抗を制御した高抵抗膜を堆積することも有効であ
る。

次に、基板１を真空装置から取り出して、１μｍ厚の
環化ゴム系ネガ型レジストを用いたフォトリソグラフィ
と、Arガスを用いたイオンエッチング技術とを用いて酸
化物超伝導薄膜12および金属薄膜８の面内方向の幅を10
μｍ程度で、長さを20μｍ程度に細長く加工して、ブリ
ッジ９を形成する。この時のガス圧は約１×10^-4Torr
で、イオン加速電圧は550V程度である（第８図
（ｂ））。

さらに、酸素プラズマによりレジスト除去を行なった
後、ブリッジ形成と同様の方法により、ブリッジ９上の
金属薄膜８を一部除去して制御電極3a及び3bを形成する
（第８図（ｃ））。ただし第３図（ｃ）では、２つに分
割された制御電極の場合を示している。この実施例での
電極幅は10μｍ程度で、酸化物超伝導薄膜12上の制御電
極3a及び3bの間隙は約２μｍである。

このレジスト除去の後、引出し電極を形成する。

なお、第８図（ｂ）と第８図（ｃ）における、ブリッ
ジ形成と制御電極形成の順序が前後してもかまわない。

次に、引出し電極を形成する一実施例としては、露出
した制御電極3a及び3bの表面上に、引出し電極用薄膜と
してAlをrfマグネトロンスパッタ法を用いて約200nm厚
さに堆積し、フォトリソグラフィと、Arガスを用いたイ
オンエッチング技術とを用いて不要部のみを加工除去し
て引出し電極10を形成し、制御電極3a及び3bと引出し電
極10とを電気的に接続して、超伝導素子を完成させる
（第８図（ｄ））。

また、引出し電極10を形成する他の実施例としては、
例えばケトンの様な親油性有機溶剤を現像液とするPMMA
系電子ビームレジスト等のレジストを用いたフォトリソ
グラフィーにより、コンタクトのために制御電極の一部
を露出させた引出し電極用のリフトオフマスクを形成し
た後、引出し電極用薄膜を堆積し、アセトン等に浸たし
てリフトオフを行ない引出し電極を形成する方法も可能
である。

さらに、もう一つの実施例を、第９図の部分行程図に
よって説明する。

まず、ブリッジ９の酸化物超伝導薄膜12上に制御電極
３を加工した後（第９図（ａ））、パターン形成用のフ
ォトレジスト17の現像液に対して、耐性に富む樹脂薄膜
６、例えばクレゾールノボラック・ナフトキノンジアジ
ド系ポジ型レジスト、を700nm厚さにスピンコートした
後、その上に、パターン形成用のフォトレジスト17とし
て、例えば、環化ゴム系ネガ型レジストを１μｍ厚さに
スピンコートし、露光・現像する（第９図（ｂ））。こ
の場合の現像液は、キシレンであるため、ポジ型フォト
レジストは溶解しない。

次に、この基板を酸素プラズマ中に曝すか、あるい
は、Arイオンミリングにより、引出し電極相当部分のポ
ジ型フォトレジスト（樹脂薄膜６）を除去して制御電極
の一部を露出させた後、引出し電極用金属薄膜９を堆積
する（第９図（ｃ））。これを、例えば、アセトン等の
有機溶剤中に浸して樹脂薄膜６あるいはレジスト17の少
なくともどちらか一つ、この例ではポジ型フォトレジス
トを膨潤・溶解させてリフトオフを行い、引出し電極を
形成する（第９図（ｄ））。

この様な超伝導素子製造過程における酸化物超伝導薄
膜12の特性劣化を精確に評価することは、金属薄膜８が
積層されているために困難であるが、同様な条件で金属
薄膜８を積層せずに堆積した酸化物超伝導薄膜と比較す
ることにより推定することが出来る。

これによれば、両者ともほぼ同じ程度の臨界温度と、
臨界電流密度が得られるため、超伝導素子製造時の酸化
物超伝導薄膜12の特性劣化は最小限度に抑えられている
と思われる。

また、製造した超伝導素子の制御電極3aもしくは3bの
何れかと酸化物超伝導薄膜12との間の電流・電圧特性評
価からは、ヒステリシスや、揺らぎ、ドリフト等のない
良好なトンネルバリアが形成されていることが示され
た。

さらに、制御電極３と酸化物超伝導薄膜12との間に電
流を流した時、ブリッジ９を挟む酸化物超伝導薄膜12中
に流れる超伝導電流は抑制され、その制御電流に対する
超伝導電流の抑制比は約10程度の値が得られ、良好な素
子特性が得られることが判った。

以上の様にして本発明の超伝導素子の第二の製造方法
によって製造した超伝導素子は、第一の製造方法により
製造した素子に比べて、特性が一般的により良好であ
り、より安定している。また、製造歩留まりも本発明の
超伝導素子の第二の製造方法の方が良い。

なお、本実施例では、基板１にMgOを用い、超伝導薄
膜２、および酸化物超伝導薄膜12に、Bi−Sr−Ca−Cu−
Ｏの酸化物超伝導薄膜を用いた例で説明したが、これに
限定するわけではなく、Cuを含む酸化物超伝導薄膜およ
び、BPBO（Ba−Pb−Bi−Ｏ）または、BKBO（Ba−Ｋ−Bi
−Ｏ）等の酸化物超伝導薄膜等を用いても同様な効果が
得られ、基板もそれに応じて選択すれば良い。

更に、超伝導薄膜の材料としてNbまたは、Pbを含む合
金または、金属化合物を用いた場合でも同様に有効であ
る。

また、酸化物超伝導薄膜12の堆積方法をrfマグネトロ
ンスパッタ法を用いて説明したが、他の反応性真空蒸着
法や、レーザー蒸着法等の方法でも本発明の実施が可能
である。

さらに、金属薄膜８としてAl薄膜や、AlとAuの二層積
層膜を用いた例を示したが、Alを含む金属からなる合金
材料を用いるか、または酸化物超伝導薄膜12側にAlを含
む金属を堆積しさらにその上に他の金属材料、例えばA
u、銀（Ag）や白金（Pt）等の金属薄膜、あるいは合金
薄膜を堆積して積層構造とした金属薄膜８を用いても同
様な効果が得られる。さらに、Si等の様な半導体薄膜等
でも同様な効果が得られる。

また、制御電極の堆積方法も、rfマグネトロンスパッ
タ法を用いて説明したが、同一真空槽中にて真空を破ら
ずに行なう方法で、酸化物超伝導薄膜12の形成方法と両
立する方法であれば、他の真空蒸着法や、電子ビーム蒸
着法、イオンビーム蒸着法、レーザー蒸着法等の方法に
よっても可能である。

なお超伝導薄膜を堆積する工程と制御電極を堆積する
工程とを同一真空槽中にて真空を破らずに行うことは、
超伝導薄膜の表面に不純物の吸着防止等の効果はある
が、製造工程上の簡便性により本発明は同一真空雰囲気
中で行うことは必須要件ではない。

さらに、引出し電極10の材料についても同様に、Alを
用いたが、これに限定するわけではなく、他の金属や合
金、半導体あるいは、超伝導体であっても、制御電極３
とオーミック接続できるものであれば、何でも良い。

更に、本実施例では耐有機アルカリ性樹脂薄膜６とし
てネガレジストを用いて説明したが、これに限定するわ
けではなく、例えばポリイミド樹脂やゴム樹脂、PMMA樹
脂等の材料で、その上のフォトレジストの現像液に対し
て耐性のある樹脂薄膜であれば何でも良いのは言うまで
もない。

以上の様に、本発明の超伝導素子の第二の製造方法に
おいては、基板上に酸化物超伝導薄膜と、その上に金属
薄膜または半導体薄膜を堆積することにより、酸化物超
伝導薄膜と金属薄膜または半導体薄膜との良好な界面を
形成することができ、その後の加工行程においても、そ
の界面が汚染されること無く良好な状態のまま保たれ、
良好な特性の素子の高歩留まりでの製造を可能とする。

さらに、金属薄膜として、少なくともアルミニューム
（Al）を含む金属からなる材料を用いるかまたは、酸化
物超伝導薄膜に接する側にAlを含む金属を配した積層構
造金属薄膜材料を用いて、酸化物超伝導薄膜に接して同
一真空槽中にて真空を破らずに形成することにより、金
属薄膜と酸化物超伝導薄膜との界面において、Alが酸化
物超伝導薄膜の酸素を奪ってAlの自然酸化膜を形成し、
これが、制御電極と酸化物超伝導薄膜との間の安定で良
好なトンネルバリアとして利用できることを発明者らは
見出した。

その後、不活性ガスを用いたイオンエッチング技術を
用いてブリッジ加工および制御電極加工を行なうことに
より、酸化物超伝導薄膜の表面の一部がエッチングされ
るけれども、エッチングガスイオンが不活性であるため
加工した酸化物超伝導薄膜の特性劣化を最小限度に抑え
ることができる。

また、本製造工程において、その一部が後に制御電極
となるべき金属薄膜が、大気中およびフォトリソグラフ
ィ行程中における保護膜の役割をし、かつ、制御電極加
工後のプロセスにおいて高温の熱処理を行なわない方法
を用いるため、酸化物超伝導薄膜と制御電極との界面に
おいて自然に形成されるトンネルバリアが従来の様に乱
されることなく良好な状態を保存したまま超伝導素子を
製造することができる。

超伝導薄膜用材料としてBI−Sr−Ca−Cu−Ｏ、Ｙ−Ba
−Cu−Ｏ等の銅（Cu）を含む酸化物超伝導体、あるい
は、BPBO（Ba−Pb−Bi−Ｏ）または、BKBO（Ba−Ｋ−Bi
−Ｏ）酸化物超伝導体を酸化物超伝導薄膜の材料として
用いることにより、Nb等の低温超伝導体以上の温度での
素子動作が可能となる。

制御電極形成後に引出し電極を形成することにより、
両者は、金属−金属接合、あるいは、金属−自然酸化物
−金属接合を通して電気的にオーミックに接続されるの
で、制御電極のトンネルバリア形成行程と配線加工行程
とを分離することができ、プロセス条件の最適化が容易
となる。

また、引出し電極の形成に用いられるプロセスにおい
て、堆積した引出し電極用薄膜、またはフォトレジスト
の現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜がフォトプロセス
中の保護膜としての機能を果たし、露出した酸化物超伝
導薄膜表面が水あるいは酸性や塩基性の水溶液や有機溶
剤に直接触れることを妨ぎ、酸化物超伝導薄膜の劣化を
最小限度に抑えることが出来る。

あるいは、親油性有機溶剤を現像液とするレジストを
用いることにより、現像後に露出する酸化物超伝導薄膜
が現像液中に溶出することがなく、酸化物超伝導薄膜の
特性劣化を最小限度に抑えることが出来る。

これにより、酸化物超伝導体の超伝導性を損なわず
に、安定で良好な特性を有する超伝導素子が再現性良く
製造でき、歩留まりが向上し、従って、低コスト化が可
能となる。

また、同一真空槽中にて真空を破らずに連続形成を行
なうと、制御電極・酸化物超伝導薄膜の界面が清浄なま
ま保たれ、界面準位の発生の割合も少なく、効率の良
い、安定な特性の超伝導素子が製造できる。

発明の効果 本発明は、超伝導薄膜と制御電極とを備え、超伝導薄
膜と制御電極との間に流す制御電流遮断時と通電時とを
比べると、後者の方が超伝導薄膜に流れる超伝導電流の
幅が狭くなる超伝導素子であるため、制御電極と超伝導
薄膜との間に流れる制御電流の注入により、超伝導薄膜
中の準粒子領域を制御でき、超伝導電流値と超伝導電流
の幅とを制御可能であるため、ACジョセフソン特性等の
超伝導素子独自の特性を示す効果がある また本発明の超伝導素子で超伝導薄膜材料として酸化
物超伝導体を用いる場合には、主に２つの製造法があ
る。

その第一の方法は、超伝導薄膜上にフォトレジストの
現像液に対する耐性に富む樹脂薄膜を堆積し、その樹脂
薄膜上にフォトレジストを塗布し、パターン露光後現像
し、酸素プラズマ中に曝し樹脂薄膜を除去し、制御電極
材料を堆積後リフトオフを行い制御電極を形成する手法
であり、超伝導薄膜の表層部分の酸素欠乏に起因する超
伝導体の劣化が、酸素プラズマを用いるため回復でき、
特性が安定した超伝導素子を製造できる効果がある。

また第二の製造方法は、超伝導薄膜の堆積工程後制御
電極材料を堆積し、不活性ガスを用いたイオンエッチン
グで制御電極形状に制御電極材料をエッチングする手法
であり、不活性ガスエッチングを用いるため超伝導薄膜
表面に劣化を誘引することが無いので、特性が安定した
超伝導素子を製造できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本第一の発明の超伝導素子の一実施例の構成を
示す要部斜視図、第２図（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は本
発明の超伝導素子の制御電極の構成の実施例を示す制御
電極方向の要部断面図、第３図（ａ）は本発明の一実施
例の制御電極方向の要部断面図、第３図（ｂ）と（ｃ）
はそれぞれ制御電流Igを流さない時と流した時の超伝導
秩序パラメータΨ及び準粒子波動関数ψｎとの関係を示
す特性図、第４図は本発明の超伝導素子の制御電極構成
の他の実施例を示す要部斜視図、第５図（ａ）〜（ｅ）
は本発明の超伝導素子の製造方法の一実施例を示す要部
断面行程図、第６図は本発明の超伝導素子の制御電流を
パラメータとした電圧・電流特性の一例を示すグラフ、
第７図は本発明の超伝導素子にマイクロ波を照射したと
きの電圧・電流特性の一例を示すグラフ、第８図（ａ）
は本発明の超伝導素子の製造方法の他の実施例の要部断
面一行程図、第８図（ｂ），（ｃ），及び（ｄ）は同実
施例の他の要部斜視工程図、第９図（ａ）〜（ｄ）は同
実施例の中の引出し電極形成工程の一実施例を示す要部
断面部分行程図である。 １……基板、2,12……超伝導薄膜、3a,3b,13a,13b,23,3
3a,33b……制御電極、33c……接続部、６……樹脂薄
膜、８……金属薄膜、10……引出し電極、17……フォト
レジスト。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−76890（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−160675（ＪＰ，Ａ) Ｅｘｔｅｎｔｅｄ ａｂｉｔｒａｃｔ ｓ ｏｆ ５ｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉ ｏｎａｌ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ ｆ ｕｔｕｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖ ｉｃｅｓ，ｔｏｐｉｃａｌ ｍｅｅｔｉ ｎｇ ｏｎ ｈｉｇｈｔｅｍｐｒａｔｕ ｒｅ ｓｕｐｅｎｓ ｏｎ ｄｕｅｔｉ ｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｓ 〔ＦＥＤ Ｈｉｔｃｓｃ −ＥＤ ＷＯＲＫＳＨＯＰ〕，Ｊｕｎｅ ２ ｔ ｏ ４，1988，ｒｅｓｅａｒｃｈ ＆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｓｓｏｃｉ ａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｅ ｌｅｃｔｉｏｎ，ｄｅｖｉｃｅｓ，ｐ ｐ．267−271 Ｈｉｄｅｔａｋａ Ｈｉ ｇａｓｈｉｎｏ，ｅｔ ａｌ，（Ｖａｒ ｉａｂｌｅ ａｉｔｉｃａｌ ａｗｒａ ｅｎｔ ｉｏｓｐｈｓｏｎ ｊｕｎｃｔ ｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｅｒ−Ｂａ−Ｃｕ −Ｏ−ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ａ ｍｉｃｒｏ ｎｅａｔｅｒ)

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超伝導薄膜と、前記超伝導薄膜面内を流れ
   る超伝導電流の方向を第一の方向とする時、前記超伝導
   薄膜面内の前記第一の方向に直交する第二の方向にわた
   って前記超伝導薄膜面に積層し、前記超伝導電流の流れ
   を部分的に阻止する制御電極とを備え、かつ、前記制御
   電極の前記第一の方向の幅を前記第二の方向に沿って変
   えた構成とし、前記制御電極と前記超伝導薄膜との間に
   制御電流通電時の前記超伝導電流の前記第二の方向の幅
   が、制御電流遮断時に比べ狭くなることを特徴とする超
   伝導素子。
2. 【請求項２】制御電極が、単一の電極からなることを特
   徴とする請求項１記載の超伝導素子。
3. 【請求項３】制御電極に接する超伝導薄膜の第二の方向
   の幅が、前記制御電極の前記第二の方向の幅よりも大き
   いことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超伝導
   素子。
4. 【請求項４】制御電極が、第二の方向に分離した二つ以
   上からなることを特徴とする請求項１記載の超伝導素
   子。
5. 【請求項５】分離した電極が、超伝導薄膜に対して同一
   面側にあることを特徴とする請求項１又は請求項４記載
   の超伝導素子。
6. 【請求項６】分離した電極が、超伝導薄膜面に挟むよう
   に構成したことを特徴とする請求項１又は請求項４記載
   の超伝導素子。
7. 【請求項７】超伝導薄膜と制御電極との間に、高抵抗膜
   もしくは絶縁膜の何れかを設けたことを特徴とする請求
   項１〜６の何れかに記載の超伝導素子。
8. 【請求項８】超伝導薄膜が、ニオブ（Nb）または鉛（P
   b）もしくはNbまたはPbを含む合金または化合物超伝導
   体であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載
   の超伝導素子。
9. 【請求項９】超伝導薄膜が、酸化物超伝導体であること
   を特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超伝導素
   子。
10. 【請求項１０】酸化物超伝導体が、銅（Cu）を含む酸化
    物超伝導体であることを特徴とする請求項９記載の超伝
    導素子。
11. 【請求項１１】Cuを含む酸化物超伝導体が、Bi−Sr−Ca
    −Cu−Ｏ系酸化物超伝導体であることを特徴とする請求
    項10記載の超伝導素子。
12. 【請求項１２】超伝導薄膜が、BPBO（Ba−Pb−Bi−Ｏ）
    系または、BKBO（Ba−Ｋ−Bi−Ｏ）系の何れかの酸化物
    超伝導体であることを特徴とする請求項９記載の超伝導
    素子。
13. 【請求項１３】超伝導薄膜が酸化物超伝導体であり、制
    御電極が、少なくともアルミニューム（Al）を含む金属
    か、または、酸化物超伝導薄膜に近い側にAlを含む金属
    を配した積層構造金属薄膜であることを特徴とする請求
    項９記載の超伝導素子。