JP2679610B2 - 超電導素子の製造方法 - Google Patents
超電導素子の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は酸化物超電導体を用いた
エレクトロニクス素子に係り、特にその基本となる接合
の構造とそれを用いた超電導素子に関する。
エレクトロニクス素子に係り、特にその基本となる接合
の構造とそれを用いた超電導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】超電導体からなるエレクトロニクス素子
の多くはジョセフソン効果を利用しており、ジョセフソ
ン接合の設計と作製は素子作製上極めて重要である。ジ
ョセフソン接合にはトンネル型と弱結合型がある。トン
ネル型接合は超電導体薄膜で極めて薄い絶縁体を挾んだ
構造であり、電流−電圧特性にはヒステリシスが見られ
る。一方、弱結合型接合の多くは常伝導体や半導体を超
電導体で挾んだもので、電流−電圧特性にはヒステリシ
スはない。ＰｂやＮｂのような金属系超電導体を用い
て、これまで多くの超電導素子が作られてきた。いずれ
も厚み方向に各層を形成して、ジョセフソン接合、抵抗
や配線を作製している。ヒステリシスがない電流−電圧
特性を必要とする接合を作製する場合、多くはトンネル
接合を抵抗でシャントした構造が使われている。
の多くはジョセフソン効果を利用しており、ジョセフソ
ン接合の設計と作製は素子作製上極めて重要である。ジ
ョセフソン接合にはトンネル型と弱結合型がある。トン
ネル型接合は超電導体薄膜で極めて薄い絶縁体を挾んだ
構造であり、電流−電圧特性にはヒステリシスが見られ
る。一方、弱結合型接合の多くは常伝導体や半導体を超
電導体で挾んだもので、電流−電圧特性にはヒステリシ
スはない。ＰｂやＮｂのような金属系超電導体を用い
て、これまで多くの超電導素子が作られてきた。いずれ
も厚み方向に各層を形成して、ジョセフソン接合、抵抗
や配線を作製している。ヒステリシスがない電流−電圧
特性を必要とする接合を作製する場合、多くはトンネル
接合を抵抗でシャントした構造が使われている。
【０００３】一方、近年発見された酸化物超電導体は超
電導になる臨界温度が液体窒素温度を超えるものが多
く、超電導エレクトロニクス素子の応用分野を大きく広
げるものと期待されている。しかしながら、酸化物超電
導体を用いた理想的なトンネル型接合の作製は、まだ成
功していない。これは酸化物超電導体のコヒーレンス長
が数ｎｍと短く、トンネル接合を作るにはトンネル障壁
層の厚さを極めて薄く（〜１ｎｍ）しなければならず、
酸化物で均質でこのような薄い絶縁層を作製することが
困難なためである。そのため、酸化物超電導論理集積回
路を作るにはマイクロブリッジ、結晶粒界や金属を常伝
導層にした超電導／常伝導／超電導（ＳＮＳ）接合など
の弱結合型接合を用いる必要がある。これまで作製され
た多くの弱結合型接合は、基板に段差を設けたり、結晶
方位の異なる基板を貼り合わせ、その上に超電導薄膜を
エピタキシャル成長させることで膜中に生じさせた結晶
粒界を用いている。このように基板を加工する方法は素
子作製上大きな制約を受け、とくに集積化を必要とする
論理回路では採用できない方法である。そのため、プレ
ナー型で集積化可能な弱結合型接合が望まれる。
電導になる臨界温度が液体窒素温度を超えるものが多
く、超電導エレクトロニクス素子の応用分野を大きく広
げるものと期待されている。しかしながら、酸化物超電
導体を用いた理想的なトンネル型接合の作製は、まだ成
功していない。これは酸化物超電導体のコヒーレンス長
が数ｎｍと短く、トンネル接合を作るにはトンネル障壁
層の厚さを極めて薄く（〜１ｎｍ）しなければならず、
酸化物で均質でこのような薄い絶縁層を作製することが
困難なためである。そのため、酸化物超電導論理集積回
路を作るにはマイクロブリッジ、結晶粒界や金属を常伝
導層にした超電導／常伝導／超電導（ＳＮＳ）接合など
の弱結合型接合を用いる必要がある。これまで作製され
た多くの弱結合型接合は、基板に段差を設けたり、結晶
方位の異なる基板を貼り合わせ、その上に超電導薄膜を
エピタキシャル成長させることで膜中に生じさせた結晶
粒界を用いている。このように基板を加工する方法は素
子作製上大きな制約を受け、とくに集積化を必要とする
論理回路では採用できない方法である。そのため、プレ
ナー型で集積化可能な弱結合型接合が望まれる。
【０００４】集積化に適したプレーナ型の弱結合型接合
としては超電導電極間を超電導体で繋ぐマイクロブリッ
ジ接合がある。しかしながら、この場合、マイクロブリ
ッジの幅は０．１μｍオーダであることが条件である。
としては超電導電極間を超電導体で繋ぐマイクロブリッ
ジ接合がある。しかしながら、この場合、マイクロブリ
ッジの幅は０．１μｍオーダであることが条件である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術であるマ
イクロブリッジ接合は、図２に示すように、ブリッジ部
分２１の幅が０．１μｍオーダであるため、ここに流す
ことのできる電流値は小さい。特に超電導臨界温度以上
においては酸化物超電導体の電気抵抗は大きく、僅かな
電流が流れても接合の破壊につながる。例えば、イオン
ビームエッチングなどのドライプロセスによる接合作製
時において、基板２２が絶縁体であることも一原因で帯
電に起因して接合は形状完成と同時に破壊されることが
しばしば生じる他、測定時に帯電体の接触によっても接
合は壊れる、という問題があった。
イクロブリッジ接合は、図２に示すように、ブリッジ部
分２１の幅が０．１μｍオーダであるため、ここに流す
ことのできる電流値は小さい。特に超電導臨界温度以上
においては酸化物超電導体の電気抵抗は大きく、僅かな
電流が流れても接合の破壊につながる。例えば、イオン
ビームエッチングなどのドライプロセスによる接合作製
時において、基板２２が絶縁体であることも一原因で帯
電に起因して接合は形状完成と同時に破壊されることが
しばしば生じる他、測定時に帯電体の接触によっても接
合は壊れる、という問題があった。
【０００６】本発明の目的は、パターン形成や測定時に
帯電や測定誤操作で破壊されないような接合および素子
を提供することにある。
帯電や測定誤操作で破壊されないような接合および素子
を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、室温では電気抵抗値が低く、異常電流に
対してシャント導体として働き、超電導動作温度では抵
抗値が高く、絶縁体として働く材料を接合に並列に導入
する。また、超電導体と同種の結晶構造を有する材料を
選択することにより、積層構造の形成を容易にし、しか
もエピタキシャル成長を行わせることにより、超電導電
流の増大と結晶粒界の影響低減を図るようにしたもので
ある。
め、本発明は、室温では電気抵抗値が低く、異常電流に
対してシャント導体として働き、超電導動作温度では抵
抗値が高く、絶縁体として働く材料を接合に並列に導入
する。また、超電導体と同種の結晶構造を有する材料を
選択することにより、積層構造の形成を容易にし、しか
もエピタキシャル成長を行わせることにより、超電導電
流の増大と結晶粒界の影響低減を図るようにしたもので
ある。
【０００８】
【作用】接合部分の下部、もしくは上部に接合の幅より
も広く常伝導体薄膜を形成するか、もしくは厚い常伝導
体層を下部に形成する。室温における電気抵抗率は超電
導体と大きくは違っていないため、パターン形成や測定
時に接合の両端に生じた電位は主に常伝導体層を電流が
流れることによって開放される。一方、超電導特性を期
待する低温では、常伝導体層の抵抗は高く、超電導電流
および超電導臨界電流以上の常伝導電流は接合を流れ、
目的にしている超電導素子としての動作が可能になる。
も広く常伝導体薄膜を形成するか、もしくは厚い常伝導
体層を下部に形成する。室温における電気抵抗率は超電
導体と大きくは違っていないため、パターン形成や測定
時に接合の両端に生じた電位は主に常伝導体層を電流が
流れることによって開放される。一方、超電導特性を期
待する低温では、常伝導体層の抵抗は高く、超電導電流
および超電導臨界電流以上の常伝導電流は接合を流れ、
目的にしている超電導素子としての動作が可能になる。
【０００９】
【実施例】本発明の内容を実施例でもって説明する。
【００１０】（実施例１）マイクロブリッジ型超電導接
合の作製プロセスを図３の上面図で説明する。（１）に
示すように、面方位が（１１０）であるチタン酸ストロ
ンチウム（ＳｒＴｉＯ3）基板上３０に５０ｎｍの膜厚
を有するＰｒＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＰＢＣＯ）薄膜３１をレ
ーザ蒸着法で作製した。この薄膜形成時の基板温度は７
００℃、酸素分圧は０.２Ｔｏｒｒであった。次に
（２）に示すように、上記薄膜を加工し、パターンを形
成した。その方法は電子線レジストを塗布した後、電子
線描画とイオンビームエッチング法で加工するものであ
る。パターン作製に電子線描画法を採用したのは微細化
が可能であることと、使用する電子線レジストが水を用
いないプロセスが採用できるためである。これは超電導
薄膜の特性劣化防止に効果がある。接合部に該当する箇
所の薄膜を１００μｍ×５０μｍの大きさを残した。
（３）に示すように、上記薄膜上にＰＢＣＯ薄膜３１と
同じ条件で２５ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
X（ＹＢＣＯ）薄膜３２をレーザ蒸着法で作製した。Ｙ
ＢＣＯ薄膜３２は形成した状態で超電導特性（Ｔｃ＝８
３Ｋ）を示した。（４）に示すように、上記薄膜を加工
し、素子パターンを形成した。方法はＰＢＣＯ薄膜３１
の加工方法と同じである。電子線描画法により比較的大
きなパターンと微細なパターンを別々にレジスト上に描
いた。接合に相当する箇所には幅０．１μｍ、長さ０．
１μｍのマイクロブリッジ３３を形成した。
合の作製プロセスを図３の上面図で説明する。（１）に
示すように、面方位が（１１０）であるチタン酸ストロ
ンチウム（ＳｒＴｉＯ3）基板上３０に５０ｎｍの膜厚
を有するＰｒＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＰＢＣＯ）薄膜３１をレ
ーザ蒸着法で作製した。この薄膜形成時の基板温度は７
００℃、酸素分圧は０.２Ｔｏｒｒであった。次に
（２）に示すように、上記薄膜を加工し、パターンを形
成した。その方法は電子線レジストを塗布した後、電子
線描画とイオンビームエッチング法で加工するものであ
る。パターン作製に電子線描画法を採用したのは微細化
が可能であることと、使用する電子線レジストが水を用
いないプロセスが採用できるためである。これは超電導
薄膜の特性劣化防止に効果がある。接合部に該当する箇
所の薄膜を１００μｍ×５０μｍの大きさを残した。
（３）に示すように、上記薄膜上にＰＢＣＯ薄膜３１と
同じ条件で２５ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
X（ＹＢＣＯ）薄膜３２をレーザ蒸着法で作製した。Ｙ
ＢＣＯ薄膜３２は形成した状態で超電導特性（Ｔｃ＝８
３Ｋ）を示した。（４）に示すように、上記薄膜を加工
し、素子パターンを形成した。方法はＰＢＣＯ薄膜３１
の加工方法と同じである。電子線描画法により比較的大
きなパターンと微細なパターンを別々にレジスト上に描
いた。接合に相当する箇所には幅０．１μｍ、長さ０．
１μｍのマイクロブリッジ３３を形成した。
【００１１】作製したマイクロブリッジ型酸化物超電導
接合の構造の正面および上面図を図１に示す。室温にお
ける接合を介しての電気抵抗は１００Ωでこれは常伝導
層であるＰＢＣＯ薄膜３１の抵抗率と寸法から計算され
る値に一致した。測定時においての接合の破壊は防止で
き、接合の電流−電圧特性を調べたることが可能になっ
た。７７Ｋでの測定結果、超電導臨界電流値４０μＡ、
常伝導抵抗５０Ωで、この常伝導抵抗はＹＢＣＯの値を
示していた。ＰＢＣＯ膜の７７Ｋでの抵抗値はΩで接合
の特性測定には影響をほとんど与えていないと考えられ
る。電流−電圧特性の形はＲＳＪ型であり、磁場に対し
ての応答が観測された。
接合の構造の正面および上面図を図１に示す。室温にお
ける接合を介しての電気抵抗は１００Ωでこれは常伝導
層であるＰＢＣＯ薄膜３１の抵抗率と寸法から計算され
る値に一致した。測定時においての接合の破壊は防止で
き、接合の電流−電圧特性を調べたることが可能になっ
た。７７Ｋでの測定結果、超電導臨界電流値４０μＡ、
常伝導抵抗５０Ωで、この常伝導抵抗はＹＢＣＯの値を
示していた。ＰＢＣＯ膜の７７Ｋでの抵抗値はΩで接合
の特性測定には影響をほとんど与えていないと考えられ
る。電流−電圧特性の形はＲＳＪ型であり、磁場に対し
ての応答が観測された。
【００１２】（実施例２）実施例１と同様の作製プロセ
スによりマイクロブリッジ型接合を作製したが、マイク
ロブリッジ３３の幅を０.２μｍ、接合の長さを０.２μ
ｍにした。その際のＰＢＣＯ膜の寸法は実施例１と同じ
である。接合の寸法を変更したが、超電導接合としての
特性を示した。また、素子作製時および測定時における
接合破壊は防止出来た。
スによりマイクロブリッジ型接合を作製したが、マイク
ロブリッジ３３の幅を０.２μｍ、接合の長さを０.２μ
ｍにした。その際のＰＢＣＯ膜の寸法は実施例１と同じ
である。接合の寸法を変更したが、超電導接合としての
特性を示した。また、素子作製時および測定時における
接合破壊は防止出来た。
【００１３】（実施例３）実施例１の場合とは異なり、
マイクロブリッジ型接合を作製した後、その上に常伝導
薄膜を形成した。この場合の作製プロセスを図４で説明
する。（１）に示すように、面方位が（１１０）である
チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）基板上４０に
２５ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）
薄膜４１をレーザ蒸着法で作製した。この薄膜形成条件
は実施例１と同じ、基板温度は７００℃、酸素分圧は
０.２Ｔｏｒｒであった。ＹＢＣＯ薄膜４１は形成した
状態で超電導特性を示した。（２）に示すように、上記
薄膜を加工し、素子パターンを形成した。その方法は電
子線レジストを塗布した後、電子線描画とイオンビーム
エッチング法で加工するもので実施例１と同じである。
電子線描画法により比較的大きなパターンと微細なパタ
ーンを別々にレジスト上に描いた。接合に相当する箇所
には幅０．１μｍ、長さ０．１μｍのマイクロブリッジ
４２を形成した。（３）に示すように、上記マイクロブ
リッジの上に５０ｎｍの膜厚を有するＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ
X（ＰＢＣＯ）薄膜４３をレーザ蒸着法で作製した。Ｐ
ＢＣＯ薄膜４３の加工により、ＹＢＣＯ薄膜の超電導特
性が劣化することを防止するためにパターンの形成はマ
スク蒸着により行った。マスクの大きさは０．５ｍｍ角
である。接合の部分にのみＰＢＣＯ薄膜を形成した。
マイクロブリッジ型接合を作製した後、その上に常伝導
薄膜を形成した。この場合の作製プロセスを図４で説明
する。（１）に示すように、面方位が（１１０）である
チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）基板上４０に
２５ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）
薄膜４１をレーザ蒸着法で作製した。この薄膜形成条件
は実施例１と同じ、基板温度は７００℃、酸素分圧は
０.２Ｔｏｒｒであった。ＹＢＣＯ薄膜４１は形成した
状態で超電導特性を示した。（２）に示すように、上記
薄膜を加工し、素子パターンを形成した。その方法は電
子線レジストを塗布した後、電子線描画とイオンビーム
エッチング法で加工するもので実施例１と同じである。
電子線描画法により比較的大きなパターンと微細なパタ
ーンを別々にレジスト上に描いた。接合に相当する箇所
には幅０．１μｍ、長さ０．１μｍのマイクロブリッジ
４２を形成した。（３）に示すように、上記マイクロブ
リッジの上に５０ｎｍの膜厚を有するＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ
X（ＰＢＣＯ）薄膜４３をレーザ蒸着法で作製した。Ｐ
ＢＣＯ薄膜４３の加工により、ＹＢＣＯ薄膜の超電導特
性が劣化することを防止するためにパターンの形成はマ
スク蒸着により行った。マスクの大きさは０．５ｍｍ角
である。接合の部分にのみＰＢＣＯ薄膜を形成した。
【００１４】ＹＢＣＯ薄膜４１の超電導特性は上にＰＢ
ＣＯ薄膜４３を形成したため、少し劣化し、Ｔｃは７２
Ｋになった。そのため、接合の特性評価は６０Ｋで行っ
た。基本的には実施例１と同様の結果が得られ、高温で
十分接合として使用でき、素子作製時および素子特性測
定時における帯電に起因した接合の破壊を防止すること
が出来た。
ＣＯ薄膜４３を形成したため、少し劣化し、Ｔｃは７２
Ｋになった。そのため、接合の特性評価は６０Ｋで行っ
た。基本的には実施例１と同様の結果が得られ、高温で
十分接合として使用でき、素子作製時および素子特性測
定時における帯電に起因した接合の破壊を防止すること
が出来た。
【００１５】（実施例４）超電導体と同じ組成を有する
粗大結晶粒からなる単結晶的な基板を用いて接合を作製
した。フラックス引上げ法により育成したＹＢａ2Ｃｕ3
ＯX結晶（直径：１０ｍｍ）から切りだした面方位（０
０１）基板上に２５ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
X（ＹＢＣＯ）薄膜をレーザ蒸着法で作製した。基板は
結晶作製時の酸素不足のために、室温では低い抵抗値を
示すものの温度を下げるとともに抵抗値は増大し、４．
２Ｋまで超電導性を示さなかった。一方、基板上に形成
したＹＢＣＯ薄膜は基板と格子定数が一致しており、結
晶性の優れたエピタキシャル膜となり、Ｔｃは８５Ｋで
あった。
粗大結晶粒からなる単結晶的な基板を用いて接合を作製
した。フラックス引上げ法により育成したＹＢａ2Ｃｕ3
ＯX結晶（直径：１０ｍｍ）から切りだした面方位（０
０１）基板上に２５ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
X（ＹＢＣＯ）薄膜をレーザ蒸着法で作製した。基板は
結晶作製時の酸素不足のために、室温では低い抵抗値を
示すものの温度を下げるとともに抵抗値は増大し、４．
２Ｋまで超電導性を示さなかった。一方、基板上に形成
したＹＢＣＯ薄膜は基板と格子定数が一致しており、結
晶性の優れたエピタキシャル膜となり、Ｔｃは８５Ｋで
あった。
【００１６】この超電導薄膜を加工することによりマイ
クロブリッジ型の接合を作製した。加工方法および寸法
は実施例１と同じである。この場合にも加工時、測定時
における接合の破壊は防げ、接合特性の測定が可能にな
った。
クロブリッジ型の接合を作製した。加工方法および寸法
は実施例１と同じである。この場合にも加工時、測定時
における接合の破壊は防げ、接合特性の測定が可能にな
った。
【００１７】（実施例５）実施例１に示した接合作製プ
ロセスにおいて、下部層の法にＰｒＢａ2Ｃｕ3ＯX（Ｐ
ＢＣＯ）薄膜を加工することなく、連続してＹＢａ2Ｃ
ｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）薄膜をレーザ蒸着法で作製した。そ
して、ＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）薄膜のみを加工
し、接合を作製した。常伝導体のＰＢＣＯ薄膜が大きく
広がっているが、低温では絶縁体に近い電気伝導特性を
有するため、接合特性に悪影響は生じず、実施例１と同
じ特性になった。
ロセスにおいて、下部層の法にＰｒＢａ2Ｃｕ3ＯX（Ｐ
ＢＣＯ）薄膜を加工することなく、連続してＹＢａ2Ｃ
ｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）薄膜をレーザ蒸着法で作製した。そ
して、ＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）薄膜のみを加工
し、接合を作製した。常伝導体のＰＢＣＯ薄膜が大きく
広がっているが、低温では絶縁体に近い電気伝導特性を
有するため、接合特性に悪影響は生じず、実施例１と同
じ特性になった。
【００１８】（実施例６）実施例１の接合作製プロセス
と同じ方法を採用し、超電導材料と常伝導材料をＢｉ系
に変更し、接合を形成した。具体的には基板は酸化マグ
ネシウム（ＭｇＯ）の（００１）であり、超電導材料は
Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2ＯZ，常伝導材料はＢｉ2Ｓｒ2Ｃ
ｕＯYである。接合の寸法を０．１μｍ×０．１μｍ、
０．１μｍ×０．２μｍ、０．１μｍ×０．２μｍと変
えたが、いずれも測定可能となり、７７ＫでＲＳＪ的な
電流−電圧特性が得られた。
と同じ方法を採用し、超電導材料と常伝導材料をＢｉ系
に変更し、接合を形成した。具体的には基板は酸化マグ
ネシウム（ＭｇＯ）の（００１）であり、超電導材料は
Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ1Ｃｕ2ＯZ，常伝導材料はＢｉ2Ｓｒ2Ｃ
ｕＯYである。接合の寸法を０．１μｍ×０．１μｍ、
０．１μｍ×０．２μｍ、０．１μｍ×０．２μｍと変
えたが、いずれも測定可能となり、７７ＫでＲＳＪ的な
電流−電圧特性が得られた。
【００１９】（実施例７）実施例１の方法で作製した接
合５０を２つ使用し、直流ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉
素子）を作製した。図５に素子構造を示す。この場合、
常伝導層は２つの接合全体の下部または上部に共通に形
成した。これにより、前記実施例と同様、素子作製時お
よび素子特性測定時における帯電に起因した接合の破壊
を防止することが出来た。
合５０を２つ使用し、直流ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉
素子）を作製した。図５に素子構造を示す。この場合、
常伝導層は２つの接合全体の下部または上部に共通に形
成した。これにより、前記実施例と同様、素子作製時お
よび素子特性測定時における帯電に起因した接合の破壊
を防止することが出来た。
【００２０】（実施例８）マイクロブリッジのような弱
結合型接合でできる論理回路は、超電導状態と電圧状態
で情報の１、０を決める従来の超電圧伝達型ジョセフソ
ン素子ではなく、量子磁束を情報の担体とする素子が適
切である。酸化物超電導体を用いて磁束量子パラメトロ
ン（ＱＦＰ）を作製した。構造を図６に示す。その作製
方法は、面方位が（１１０）であるチタン酸ストロンチ
ウム（ＳｒＴｉＯ3）基板上６０に膜厚５０ｎｍのＰＢ
ＣＯ膜６１をレーザ蒸着法で作製した。以降の薄膜形成
条件は実施例１と同じ基板温度７００℃、酸素分圧０.
２Ｔｏｒｒである。上記薄膜を加工し、素子パターンを
形成した。方法は実施例１と同じである。そして、接合
部に該当する箇所の薄膜を１００μｍ×５０μｍの大き
さ残した。この上に３００ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2
Ｃｕ3ＯX薄膜６２をレーザ蒸着法で作製した。薄膜は形
成した状態で超電導特性を示した。この薄膜に比較的大
きなパターンを作製した。接合部に該当する箇所の薄膜
には幅１μｍにわたって堀６３を作製した。次に絶縁膜
のＳｒＴｉＯ3薄膜を層間絶縁膜として同じくレーザ蒸
着法で作製した。膜厚は３００ｎｍであった。なお、絶
縁膜は図には示していない。その後、超電導膜と同じよ
うに電子線描画とイオンビームエッチング法により、絶
縁膜にパターンを形成した。この上にＱＦＰの２本の励
振線６４と入出力線６５用の膜厚３００ｎｍのＹＢａ2
Ｃｕ3ＯX薄膜をレーザ蒸着法で作製した。パターン加工
プロセスは上記プロセスと同じである。次に２５ｎｍの
膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3ＯX薄膜６６をレーザ蒸着法
で作製した。作製条件は下層の超電導膜と同じである。
この薄い超電導膜に電子線描画とイオンビームエッチン
グ法により幅０．１μｍ、長さ０．１μｍのマイクロブ
リッジ６７を４ヵ所に作製、接合とした。このようにし
て作製した接合部分の断面構造は図１に示すように膜厚
が異なった形状となっている。膜厚が異なる理由は、酸
化物超電導体の磁場侵入長はおおよそ１４０ｎｍと金属
系超電導体の８０ｎｍに比べて長いことが特徴で、量子
磁束を情報の担体とする素子は、一般にＳＱＵＩＤを構
成要素としている。ＳＱＵＩＤには超電導ループが必要
であり、それを実現するには配線層も含めて膜厚は磁場
侵入長より厚くする必要があるためである。
結合型接合でできる論理回路は、超電導状態と電圧状態
で情報の１、０を決める従来の超電圧伝達型ジョセフソ
ン素子ではなく、量子磁束を情報の担体とする素子が適
切である。酸化物超電導体を用いて磁束量子パラメトロ
ン（ＱＦＰ）を作製した。構造を図６に示す。その作製
方法は、面方位が（１１０）であるチタン酸ストロンチ
ウム（ＳｒＴｉＯ3）基板上６０に膜厚５０ｎｍのＰＢ
ＣＯ膜６１をレーザ蒸着法で作製した。以降の薄膜形成
条件は実施例１と同じ基板温度７００℃、酸素分圧０.
２Ｔｏｒｒである。上記薄膜を加工し、素子パターンを
形成した。方法は実施例１と同じである。そして、接合
部に該当する箇所の薄膜を１００μｍ×５０μｍの大き
さ残した。この上に３００ｎｍの膜厚を有するＹＢａ2
Ｃｕ3ＯX薄膜６２をレーザ蒸着法で作製した。薄膜は形
成した状態で超電導特性を示した。この薄膜に比較的大
きなパターンを作製した。接合部に該当する箇所の薄膜
には幅１μｍにわたって堀６３を作製した。次に絶縁膜
のＳｒＴｉＯ3薄膜を層間絶縁膜として同じくレーザ蒸
着法で作製した。膜厚は３００ｎｍであった。なお、絶
縁膜は図には示していない。その後、超電導膜と同じよ
うに電子線描画とイオンビームエッチング法により、絶
縁膜にパターンを形成した。この上にＱＦＰの２本の励
振線６４と入出力線６５用の膜厚３００ｎｍのＹＢａ2
Ｃｕ3ＯX薄膜をレーザ蒸着法で作製した。パターン加工
プロセスは上記プロセスと同じである。次に２５ｎｍの
膜厚を有するＹＢａ2Ｃｕ3ＯX薄膜６６をレーザ蒸着法
で作製した。作製条件は下層の超電導膜と同じである。
この薄い超電導膜に電子線描画とイオンビームエッチン
グ法により幅０．１μｍ、長さ０．１μｍのマイクロブ
リッジ６７を４ヵ所に作製、接合とした。このようにし
て作製した接合部分の断面構造は図１に示すように膜厚
が異なった形状となっている。膜厚が異なる理由は、酸
化物超電導体の磁場侵入長はおおよそ１４０ｎｍと金属
系超電導体の８０ｎｍに比べて長いことが特徴で、量子
磁束を情報の担体とする素子は、一般にＳＱＵＩＤを構
成要素としている。ＳＱＵＩＤには超電導ループが必要
であり、それを実現するには配線層も含めて膜厚は磁場
侵入長より厚くする必要があるためである。
【００２１】このようにして作製した磁束量子パラメト
ロンは７７Ｋの液体窒素中で低速ではあるが、動作する
ことを確認した。また、グランドプレーンが存在しない
が、磁束トラップによる動作障害は生じなかった。
ロンは７７Ｋの液体窒素中で低速ではあるが、動作する
ことを確認した。また、グランドプレーンが存在しない
が、磁束トラップによる動作障害は生じなかった。
【００２２】実施例ではＹＢａ2Ｃｕ3ＯXおよびＢｉ2Ｓ
ｒ2Ｃａ1Ｃｕ2ＯZ超電導薄膜を超電導体とし、ＰｒＢａ
2Ｃｕ3ＯXおよびＢｉ2Ｓｒ2ＣｕＯYを常伝導体として用
いたが、本発明は他のＹ系、Ｂｉ系材料、Ｔｌ系を含め
材料を問わずに適用できることは明らかである。とく
に、Ｌａ系超電導材料の母材であるＫＮｉＦ4系酸化物
は組成が単純であるため、薄膜形成が容易であるなどの
特徴があり、優位である。 一方、磁束量子素子とし
て、ＱＦＰを作製したが、ＱＦＰの他に同じくＳＱＵＩ
Ｄから構成され、磁束量子を情報の担体とするＲＳＦＱ
(Ｒａｐｉｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕ
ｍ)にも適用できる。
ｒ2Ｃａ1Ｃｕ2ＯZ超電導薄膜を超電導体とし、ＰｒＢａ
2Ｃｕ3ＯXおよびＢｉ2Ｓｒ2ＣｕＯYを常伝導体として用
いたが、本発明は他のＹ系、Ｂｉ系材料、Ｔｌ系を含め
材料を問わずに適用できることは明らかである。とく
に、Ｌａ系超電導材料の母材であるＫＮｉＦ4系酸化物
は組成が単純であるため、薄膜形成が容易であるなどの
特徴があり、優位である。 一方、磁束量子素子とし
て、ＱＦＰを作製したが、ＱＦＰの他に同じくＳＱＵＩ
Ｄから構成され、磁束量子を情報の担体とするＲＳＦＱ
(Ｒａｐｉｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｌｕｘ Ｑｕａｎｔｕ
ｍ)にも適用できる。
【００２３】
【発明の効果】以上、接合部分の下部に室温では電気抵
抗が低く、超電導特性が生じる低温では抵抗が大きくな
る伝導特性を有し、酸化物超電導体と結晶構造が類似の
酸化物を形成した。そのことにより、素子作製時、およ
び素子特性測定時における帯電に起因した接合の破壊を
防止することができた。その結果、素子作製の歩留まり
が大幅に向上した。また、マイクロブリッジ作製に必要
な薄い超電導薄膜形成にとって、平坦な膜が形成できる
効果も生じた。
抗が低く、超電導特性が生じる低温では抵抗が大きくな
る伝導特性を有し、酸化物超電導体と結晶構造が類似の
酸化物を形成した。そのことにより、素子作製時、およ
び素子特性測定時における帯電に起因した接合の破壊を
防止することができた。その結果、素子作製の歩留まり
が大幅に向上した。また、マイクロブリッジ作製に必要
な薄い超電導薄膜形成にとって、平坦な膜が形成できる
効果も生じた。
【図１】本発明のマイクロブリッジ型接合を示す断面図
と上面図で、断面図は上面図の中央部の断面を示す図で
ある。
と上面図で、断面図は上面図の中央部の断面を示す図で
ある。
【図２】従来のマイクロブリッジ型接合を示す図であ
る。
る。
【図３】本発明のマイクロブリッジ型接合の作製工程を
表した図で、常伝導層が接合の下部にある例である。
表した図で、常伝導層が接合の下部にある例である。
【図４】本発明の他の作製工程を示す概略図であり、常
伝導層が接合の上部にある例である。
伝導層が接合の上部にある例である。
【図５】本発明の接合を用いて作製したＳＱＵＩＤを示
す図。
す図。
【図６】本発明の接合を用いて作製したＱＦＰ（量子磁
束パラメトロン）を示す図である。
束パラメトロン）を示す図である。
２０…超電導電極、２１…ブリッジ部分、３０、４０、
６０…チタン酸ストロンチウム基板、３１、４３、６１
…ＰｒＢａ2Ｃｕ3ＯX薄膜、３２、４１、６２、６６…
ＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）薄膜、３３、４２、６７
…マイクロブリッジ、５０…接合、６３…堀、６４…励
振線、６５…入出力線。
６０…チタン酸ストロンチウム基板、３１、４３、６１
…ＰｒＢａ2Ｃｕ3ＯX薄膜、３２、４１、６２、６６…
ＹＢａ2Ｃｕ3ＯX（ＹＢＣＯ）薄膜、３３、４２、６７
…マイクロブリッジ、５０…接合、６３…堀、６４…励
振線、６５…入出力線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深沢 徳海 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 赤松 正一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 樺沢 宇紀 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平１−161785（ＪＰ，Ａ) 電子情報通信学会論文誌，ＶＯＬ．Ｊ 76−Ｃ−▲ＩＩ▼，ＮＯ．６，（1993− ６），ＰＰ．371−377
Claims (7)
- 【請求項１】 マイクロブリッジ部を有する酸化物超電導
接合を基板上に形成してなる超電導素子の製造方法にお
いて、常温での接合作製時にはシャント導体として作用
し、超電導動作温度では絶縁体として働く酸化物常伝導
体を上記マイクロブリッジ部に積層したことを特徴とす
る超電導素子の製造方法。 - 【請求項２】上記酸化物常伝導体は、上記酸化物超電導
接合と同種の結晶構造を有することを特徴とする請求項
１記載の超電導素子の製造方法。 - 【請求項３】上記酸化物常伝導体は、上記マイクロブリ
ッジ部の幅よりも広い幅で形成することを特徴とする請
求項１記載の超電導素子の製造方法。 - 【請求項４】上記酸化物常伝導体の電気抵抗は、室温に
おいて１００Ω以下であり、液体窒素温度において１ｋ
Ω以上であることを特徴とする請求項１記載の超電導素
子の製造方法。 - 【請求項５】上記酸化物超電導接合および上記酸化物常
伝導体は、Ｙ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系の酸化物、Ｐｒ，Ｃｏ
を含むＹ−Ｂａ−Ｃｕ系の酸化物またはＫ２ＮｉＦ４系
酸化物よりなることを特徴とする請求項１記載の超電導
素子の製造方法。 - 【請求項６】 上記酸化物常伝導体は、上記マイクロブリ
ッジ部の厚さよりも厚く形成したことを特徴とする請求
項１記載の超電導素子の製造方法。 - 【請求項７】 上記マイクロブリッジ部を複数個有し、上
記各マイクロブリッジ部にそれぞれ上記酸化物常伝導体
を積層したことを特徴とする請求項１記載の超電導素子
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6025067A JP2679610B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 超電導素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6025067A JP2679610B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 超電導素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07235699A JPH07235699A (ja) | 1995-09-05 |
| JP2679610B2 true JP2679610B2 (ja) | 1997-11-19 |
Family
ID=12155589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6025067A Expired - Fee Related JP2679610B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 超電導素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2679610B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100312806B1 (ko) * | 1999-12-30 | 2001-11-03 | 박종욱 | 반도체 브리지 형성방법 |
| CN115050887A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-09-13 | 哈尔滨工程大学 | 自下而上的新型高温超导弱连接方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01161785A (ja) * | 1987-12-18 | 1989-06-26 | Toshiba Corp | 超電導素子 |
-
1994
- 1994-02-23 JP JP6025067A patent/JP2679610B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 電子情報通信学会論文誌，ＶＯＬ．Ｊ７６−Ｃ−▲ＩＩ▼，ＮＯ．６，（１９９３−６），ＰＰ．３７１−３７７ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07235699A (ja) | 1995-09-05 |
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