JP2907831B2 - ジョセフソン素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は低温で動作するジョセフソン効果を用いた素
子、特に高速スイッチおよび高磁界感度を有する素子の
構造に関する。

（従来の技術） 従来、ニオブ等の金属および窒素ニオブ等の金属間化
合物超伝導体を用いて構成したジョセフソン接合素子
は、酸化アルミニウムやゲルマニウム等の絶縁体や半導
体から成るトンネル障壁を超伝導体間に形成してジョセ
フソン接合を構成することによって作製されている。

トンネル障壁の形状の規定には、半導体素子等の製造
に用いられている露光技術と加工技術が用いられる。こ
れらのジョセフソン素子は、主にシリコン基板上に製作
されている。場合により、基板上に形成された超伝導体
の薄膜のパターンエッジを用いたトンネル障壁構造を有
するエッジ接合型ジョセフソン素子も用いられる。エッ
ジ接合の構造に関しては、一方の超伝導体電極膜のエッ
ジと他方の超伝導体電極膜の面とを接触させた構造が通
常用いられている。これは、従来のニオブ等の金属およ
び金属間化合物の超伝導体の超伝導性が、膜の面方向や
結晶方位に全く依存しないこと即ち等方的であることに
よる。

一方、最近イットリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ−
Ba−Cu−Ｏ）等において超伝導特性を示す物質が存在す
ることが発見された。希土類と銅を含むこれらの酸化物
超伝導体は、絶対温度40K〜90K前後において超伝導状態
に転移する。これらの酸化物高温超伝導体の超伝導特
性、即ち臨界電流密度、臨界磁界、コヒーレンス長等の
物質定数は、結晶の方位に著しく依存し、AB軸面内方向
とＣ軸方向において１桁前後も値に差が見られる。

さらに酸化物高温超伝導体の薄膜は、チタン酸ストロ
ンチウムSrTiO₃結晶上の基板温度500℃〜700℃で成膜し
た時アニールなしでも超伝導特性を示す。膜の結晶軸
は、基盤の結晶方位を反映して配向することが知られて
いる。一方、成膜後900℃前後のアニールを行うと膜の
臨界温度が上昇し、超伝導特性が改善される。この時の
膜は多結晶となり多数の結晶粒が成長する。この酸化物
超伝導体膜中に生じた結晶粒界をジョセフソン接合とし
たスクイッド（SQUID）も開発されている。

（発明が解決しようとする課題） 酸化物高温超伝導体を用いたジョセフソン素子は、酸
化物超伝導体のセラミックス棒にひび割れを入れて、棒
内部に微小な弱結合を作る方法（ジャパン・ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス（Japan Journal of
Applied Physics）第26巻第５号第L701〜L703頁）や、
チタン酸ストロンチウムやマグネシアの基板上に成膜後
アニールによって生じる結晶粒界をジョセフソン接合と
する方法（信学技報第87巻第249号第73〜79頁）によっ
て作られている。

しかしながら、酸化物高温超伝導体は、超伝導性が影
響するコヒーレンス長が２〜4nm程度と著しく小さいこ
と、真空保管時に生じる酸素の離脱や、大気中の水蒸気
との反応による組成変化等による超伝導性の破壊が生じ
易いことが知られている。このため、従来のニオブ／ア
ルミ酸化膜／ニオブ接合を形成すると同様に絶縁体をは
さむ方法では酸化物超伝導体間に制御性良くジョセフソ
ン接合を作ることが困難であった。即ち、これらの従来
の方法によって作られたジョセフソン素子は、接合界面
において膜の組成が超伝導となる組成からずれるため、
十分な性能を有する接合が得られず、又接合の臨界電流
値の制御性と再現性が著しく悪かった。一方粒界やクラ
ックを用いたジョセフソン素子では、粒界やクラックの
位置の制御ができないため、接合位置の規定も困難であ
った。特に従来の方法では、電流密度が高いAB軸面に直
交するジョセフソン接合を形成できなかった。

本発明の目的は、従来の問題点を解決し、指定された
位置に再現性良く形成できるジョセフソン素子を提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明のジョセフソン素子は、平面に溝を有する結晶
基板もしくは結晶膜上に形成された超伝導体膜と、溝の
両側に成長した超伝導体膜とが互いに接触することによ
り溝状に形成された一個の結晶粒界と、結晶粒界以外の
超伝導体膜の結晶軸は主平面上の結晶基板もしくは結晶
膜の結晶軸と一致して単一方向を有し、結晶粒界をジョ
セフソン接合とすることを特徴とするジョセフソン素子
である。

（作用） 本発明のジョセフソン素子では、先ず酸化物高温超伝
導体等の超伝導物質を成膜する結晶基板もしくは結晶膜
上のジョセフソン素子を形成する領域に微細な溝を形成
する。微細な溝は、電子ビームを用いて表面物質を取除
く方法や、通常シリコンデバイス等の加工に用いられて
いる反応性イオンエッチング（RIE）法等により形成で
きる。続いて基板全面に超伝導物質を成膜する。成膜さ
れた超伝導薄膜の結晶構造は、下地の結晶構造を反映
し、下地の結晶構造に一致した結晶構造を有する結晶膜
が成長する。従って、溝部においては、表面の凹凸もし
くは溝加工時における結晶構造の破壊時により、結晶構
造が溝周辺部と異なる膜が成長し、成長速度も抑制され
る。このため、溝の両側に成長した結晶領域は、徐々に
拡大し、溝上において結晶粒界を作って互いに接触す
る。

本発明のジョセフソン素子は、以上のようにして形成
された結晶粒界がジョセフソン接合として用いた素子で
ある。よってジョセフソン接合の位置と形状は、基板結
晶上に形成する溝の位置と超伝導体膜の加工によって規
定される電極の寸法によって制御できる。

（実施例） 本発明の第１の実施例によるジョセフソン素子の構造
断面図を第１図に示す。

本実施例のジョセフソン素子は、チタン酸ストロンチ
ウム結晶基板１の表面に形成された溝２と、チタン酸ス
トロンチウム基板１の結晶表面に形成された第１および
第２のイットリウム・バリウム・銅酸化物から成る超伝
導体電極３、４と、第１の超伝導体電極３と第２の超伝
導体電極４の間に形成された結晶粒界から成るジョセフ
ソン接合５とから構成される。図において結晶粒界から
なるジョセフソン接合５は、模式的に線で示したが、よ
り詳細には本発明のジョセフソン素子を使用する温度に
おいて非超伝導体である粒界層を形成している。

粒界層は有限な厚さをもち、その厚さは、コヒーレン
ス長より短い。よって、粒界層を通して超伝導電流即ち
ジョセフソン電流が流れる。イットリウム・バリウム・
銅酸化物超伝導体において、その化学量論的組成がＹ＝
1:Ba＝2:Cu＝３からずれると超伝導体とならないことが
知られている。超伝導体電極に挟まれている粒界層の部
分は、イットリウム・バリウム・銅の組成比が1:2:3と
異なる酸化物である。従って、粒界層は、超伝導となる
臨界温度が使用温度より低いために、実施例の使用温度
において常伝導特性、半導体特性もしくは絶縁特性を示
す超伝導体、もしくは常伝導体、半導体、絶縁体のいず
れかである。

溝２上には、超伝導体電極３、４とは異なる結晶構造
を持つイットリウム・バリウム・銅酸化物が成膜条件に
依存して形成される。溝２上に形成される物質は、結晶
の軸方向が異なる超伝導体膜もしくは前述した超伝導体
である。チタン酸ストロンチウム結晶基板１として、結
晶のＣ軸が面に垂直に配向しているものを用いると、第
１および第２の超伝導体電極３、４のイットリウム・バ
リウム・銅酸化物超伝導体膜の結晶軸は、基板と一致
し、Ｃ軸が面に垂直配向している。従って、ジョセフソ
ン接合５を通過して流れる超伝導電流は、第１および第
２の超伝導体電極３、４のイットリウム・バリウム・銅
酸化物内を、AB軸面方向に流れる。このAB軸面方向は、
超伝導体の臨界電流値が大きい方向であるので、ジョセ
フソン接合の電流密度として１センチメートル平方当り
10⁶アンペア以上が可能である。従って、ジョセフソン
素子を用いた論理回路等で要求される高電流密度を有す
るジョセフソン素子が得られる。たとえば、ジョセフソ
ン素子の臨界電流値として通常の論理回路等に用いられ
ている0.1mAが、１μｍ線幅で0.2μｍ厚の超伝導体膜を
用いて構成したジョセフソン素子によって得られる。同
一の膜構造を用いれば、２μｍ線幅で0.2mA、４μｍ線
幅で0.4mAの臨界電流値を有するジョセフソン素子が形
成される。

本実施例のジョセフソン素子は以下のようにして製造
される。

先ずチタン酸ストロンチウム基板１のジョセフソン素
子を形成する部分に露光技術により0.2μｍの幅のフォ
トレジストの窓を設ける。次に塩素ガスを用いたイオン
エッチング技術（第48回応用物理学会講演予稿集講演番
号19p−Ｄ−２第１分冊第67頁）等より深さ0.1μｍのほ
ぼＶ字形の溝２を形成する。

続いて、チタン酸ストロンチウム基板１を650℃に加
熱し、イットリウム・バリウム・銅酸化物を成膜速度5n
m/分で１時間蒸着して成膜する。蒸着源であるイットリ
ウム・バリウム・銅酸化物は、焼結体を用い、10kVで加
速された電子ビームで加熱される。成長する膜に十分な
酸素を補給するために、好ましくは100Vで加速された酸
素イオンビームが試料全面に照射される。以上のように
形成されたイットリウム・バリウム・銅酸化物超伝導体
の結晶構造は、Ｃ軸が面に垂直となる。この時溝２の上
には、溝２の加工時に生じたチタン酸ストロンチウム基
板１の表面の結晶構造の乱れにより、結晶のＣ軸が面に
垂直でない超伝導体もしくは組成比が超伝導相とは異な
る物質が、イットリウム・バリウム・銅酸化物の成膜初
期に形成される。チタン酸ストロンチウム基板１上にイ
ットリウム・バリウム・銅酸化物が成長するにつれ、第
１および第２の超伝導体電極３、４の結晶が溝を覆って
ゆき、粒界層を介して溝２上に互いに接し、第１および
第２の超伝導体の結晶粒界接合５が形成されジョセフソ
ン素子となる。

続いて、フォトレジストを用いた露光・エッチング技
術により、第１及び第２の電極が所望の形状、たとえば
４μｍ幅の線に加工され、必要な配線とジョセフソン素
子が形成される。イットリウム・バリウム・銅酸化物の
エッチングには、10^-3Torrの塩素ガスを高周波プラズマ
でイオン化し、引出し電圧400Vで加速した塩素イオンビ
ームによる反応性イオン・ビーム・エッチング法が用い
られる。エッチング速度4nm/分で80分間エッチングする
ことにより、超伝導体電極３、４がパターニングされ
る。

超伝導体膜の成膜には、上記以外にも、イットリウム
・バリウム・銅酸化物の焼結体の電極をターゲットとし
たスパッタ法や、イットリウムと銅とバリウムの金属を
それぞれ異なるターゲットとして同時にもしくは時分割
でスパッタもしくは蒸着する方法等が利用される。さら
に超伝導体膜の加工には、イオン・ビーム・エッチング
法や塩素以外の気体を用いた反応性プラズマエッチング
法等が用いられる。超伝導体膜の形成時の試料温度は、
650℃以外にも条件により400℃〜900℃前後の範囲で設
定される。

本発明の第２の実施例を第２図に示す。第２の実施例
のジョセフソン素子はＣ軸が面に垂直に配向しているサ
ファイア結晶基板21上に成膜されたチタン酸ストロンチ
ウム結晶膜22上に形成されている。本実施例のジョセフ
ソン素子を構成する溝２の構造、第１および第２の超伝
導体電極３、４の構造、粒界から成るジョセフソン接合
の構造は第１の実施例と同一である。従って、本実施例
のジョセフソン素子は、チタン酸ストロンチウム結晶膜
22上に第１の実施例と同様の方法により形成される。こ
こで基板としてサファイア結晶を用いたのは、チタン酸
ストロンチウムより安価で良質の結晶基板が得られるた
めである。

本実施例のチタン酸ストロンチウム膜22は、たとえば
電子ビーム蒸着法により、600℃に加熱したサファイア
基板21上に、10mm/分の速度で300nm厚に成膜される。こ
の時、チタン酸ストロンチウム膜22は、基板のサファイ
アの結晶構造を反映して、Ｃ軸が膜面に垂直となるよう
に配向する。続いて、第１の実施例と同様にして、チタ
ン酸ストロンチウム膜上に第２の実施例のジョセフソン
素子が形成される。

超伝導体膜を形成する下地の結晶膜の材料と基板材料
の組合せに関しては、上に積層される膜が単結晶となる
ような結晶方位と材料が選択される。たとえば、シリコ
ン基板／白金膜／イットリウム・バリウム・銅酸化物超
伝導体膜、マグネシア基板／チタン酸ストロンチウム膜
／イットリウム・バリウム・銅酸化物超伝導体膜、シリ
コン基板／サファイア膜／チタン酸ストロンチウム膜／
イットリウム・バリウム・銅酸化物超伝導体膜等の組合
せが用いられる。

また前記実施例では溝の断面形状はほぼＶ字形である
が、Ｕ字形、台形、逆台形、矩形等の形状でもよい。

（発明の効果） 本発明のジョセフソン素子は、ジョセフソン効果を生
じさせる接合を、下地の単結晶上に設けた溝の上に粒界
接合として構成することにより、ジョセフソン接合の形
状寸法の規定を容易にし、電気的特性の安定化と再現性
の向上が図られる効果を有する。さらに、接合の電極と
なる膜の結晶方位が、下地の結晶の構造で制御できるの
で、電流密度の高いジョセフソン素子が制御性良く形成
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のジョセフソン素子の断
面構造図、第２図は本発明の第２の実施例のジョセフソ
ン素子断面構造図である。 １……チタン酸ストロンチウム基板、 ２……溝 ３……第１の超伝導体電極、 ４……第２の超伝導体電極、 ５……粒界ジョセフソン接合、 21……サファイア基板 22……チタン酸ストロンチウム膜。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平面に溝を有する結晶基板もしくは結晶膜
   上に形成された超伝導体膜と、前記溝の両側に成長した
   前記超伝導体膜とが互いに接触することにより前記溝状
   に形成された一個の結晶粒界と、前記結晶粒界以外の超
   伝導体膜の結晶軸は前記主平面上の結晶基板もしくは結
   晶膜の結晶軸と一致して単一方向を有し、前記結晶粒界
   をジョセフソン接合とすることを特徴とするジョセフソ
   ン素子。