JP3076503B2 - 超電導素子およびその製造方法 - Google Patents
超電導素子およびその製造方法Info
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- JP3076503B2 JP3076503B2 JP06304948A JP30494894A JP3076503B2 JP 3076503 B2 JP3076503 B2 JP 3076503B2 JP 06304948 A JP06304948 A JP 06304948A JP 30494894 A JP30494894 A JP 30494894A JP 3076503 B2 JP3076503 B2 JP 3076503B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超電導素子に係り、特
に、ディジタル回路あるいはアナログ回路等に適用され
る酸化物超電導素子およびその製造方法に関するもので
ある。
に、ディジタル回路あるいはアナログ回路等に適用され
る酸化物超電導素子およびその製造方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】超電導素子として、従来より超電導物質
にNbを用いたジョセフソントンネル素子が知られてお
り、ディジタル回路における高速かつ低消費電力の動作
を行い得ることが確認されている。このようなジョセフ
ソントンネル素子を作製しようとする場合、超電導体−
絶縁体−超電導体のいわゆる超電導トンネル接合を形成
することがまず要求される。
にNbを用いたジョセフソントンネル素子が知られてお
り、ディジタル回路における高速かつ低消費電力の動作
を行い得ることが確認されている。このようなジョセフ
ソントンネル素子を作製しようとする場合、超電導体−
絶縁体−超電導体のいわゆる超電導トンネル接合を形成
することがまず要求される。
【０００３】しかし、動作温度を高くすることが可能な
酸化物超電導物質を用いてトンネル接合を形成する場
合、この物質のコヒーレンス長が短いために、極薄の酸
化物絶縁体層の形成が要求されるが、この要求は未だに
実現されていないものとなっている。
酸化物超電導物質を用いてトンネル接合を形成する場
合、この物質のコヒーレンス長が短いために、極薄の酸
化物絶縁体層の形成が要求されるが、この要求は未だに
実現されていないものとなっている。
【０００４】これに対し、常伝導物質への超電導のしみ
だしを利用したＳＮＳ（超電導−常伝導−超電導）接合
は、トンネル接合に比べると常伝導バリア層の厚さに対
する制約が緩くなるため酸化物超電導物質を用いる場合
にはこのＳＮＳ接合が有利となる。
だしを利用したＳＮＳ（超電導−常伝導−超電導）接合
は、トンネル接合に比べると常伝導バリア層の厚さに対
する制約が緩くなるため酸化物超電導物質を用いる場合
にはこのＳＮＳ接合が有利となる。
【０００５】このようなＳＮＳ接合には、そのＮ層（常
伝導層）として貴金属や酸化物を用いた、いわゆる積層
型接合、エッジ型接合、および平面型接合がある。
伝導層）として貴金属や酸化物を用いた、いわゆる積層
型接合、エッジ型接合、および平面型接合がある。
【０００６】貴金属をＮ層（常伝導層）に用いた接合で
は，そのＮ層の抵抗率が低いために、超電導臨界電流と
常伝導抵抗の積、いわゆるＩｃＲｎ積が小さく、またＮ
層のキャリア濃度が高いために外部からの電界で制御で
きないという問題点がある［M.Yu Kupriyanov: Extende
d Abstarcts of ISEC '89, Tokyo, 534 (1989)参照］。
は，そのＮ層の抵抗率が低いために、超電導臨界電流と
常伝導抵抗の積、いわゆるＩｃＲｎ積が小さく、またＮ
層のキャリア濃度が高いために外部からの電界で制御で
きないという問題点がある［M.Yu Kupriyanov: Extende
d Abstarcts of ISEC '89, Tokyo, 534 (1989)参照］。
【０００７】Ｎ層に酸化物を用いる場合にも、キャリア
濃度が低く常伝導抵抗が低すぎないことが必要である。
超電導のしみだし距離を確保する観点からはＮ層の移動
度が高い必要があり、このためにはＮ層の結晶構造が完
全であり、粒界や転位、不純物の析出がないことなどが
重要になる。
濃度が低く常伝導抵抗が低すぎないことが必要である。
超電導のしみだし距離を確保する観点からはＮ層の移動
度が高い必要があり、このためにはＮ層の結晶構造が完
全であり、粒界や転位、不純物の析出がないことなどが
重要になる。
【０００８】積層型接合ではＮ層の厚さを数ｎｍまで薄
くすることが可能であるが、各層の平坦性の確保に限度
があること、ピンホールの存在、相互拡散が生じること
などにより、マイクロショートや界面バリアが発生し、
十分な特性を持つ接合が得られない。また、積層型接合
では素子の集積化が困難になる。
くすることが可能であるが、各層の平坦性の確保に限度
があること、ピンホールの存在、相互拡散が生じること
などにより、マイクロショートや界面バリアが発生し、
十分な特性を持つ接合が得られない。また、積層型接合
では素子の集積化が困難になる。
【０００９】エッジ型接合は一方の超電導電極の部分に
段差を形成し、そこに常伝導層ともう一方の超電導電極
を形成したものであるが、積層型に比べて常伝導層が厚
くなる。また、段差部分に粒界ができるために、Ｎ層内
部あるいはＳＮ界面に粒界が生じ、これが近接効果電流
に悪影響を与える場合もある。ただし、段差によって人
工粒界型接合を形成する場合はこの限りではない。平面
型接合では集積化が可能、ＳＮ両層の結晶方位を揃えら
れるという利点を持つが、ＳＮ界面の劣化に問題があっ
た。
段差を形成し、そこに常伝導層ともう一方の超電導電極
を形成したものであるが、積層型に比べて常伝導層が厚
くなる。また、段差部分に粒界ができるために、Ｎ層内
部あるいはＳＮ界面に粒界が生じ、これが近接効果電流
に悪影響を与える場合もある。ただし、段差によって人
工粒界型接合を形成する場合はこの限りではない。平面
型接合では集積化が可能、ＳＮ両層の結晶方位を揃えら
れるという利点を持つが、ＳＮ界面の劣化に問題があっ
た。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】前記の従来技術での問
題点は、接合部分の常伝導層の特性が超電導素子を機能
させるに充分でなく、かつ素子製造の際の再現性が乏し
いことにある。この原因としては、異なる結晶構造の物
質、あるいは異なる金属組成の物質を積層あるいは結合
することが不可欠であったことによる。
題点は、接合部分の常伝導層の特性が超電導素子を機能
させるに充分でなく、かつ素子製造の際の再現性が乏し
いことにある。この原因としては、異なる結晶構造の物
質、あるいは異なる金属組成の物質を積層あるいは結合
することが不可欠であったことによる。
【００１１】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたものであり、その目的は、高品質でかつ信頼性に優
れているとととに、再現性に優れた超電導素子を提供す
るにある。
れたものであり、その目的は、高品質でかつ信頼性に優
れているとととに、再現性に優れた超電導素子を提供す
るにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。
【００１３】手段１．基板上に形成された酸化物超電導電極の一部に超電導接
合部を有する超電導素子の製造方法において、該酸化物
超電導電極の前記超電導接合部を形成すべく領域にＳｉ
膜を選択的に形成する工程と、少なくとも前記Ｓｉ膜と
その下の超電導接合部を形成すべく領域の酸化物超電導
電極を３５０℃以下の熱処理を施すことによって該酸化
物超電導電極の超電導接合部を形成すべく領域の酸素組
成を異ならしめる工程と、を備える ことを特徴とするも
のである。
合部を有する超電導素子の製造方法において、該酸化物
超電導電極の前記超電導接合部を形成すべく領域にＳｉ
膜を選択的に形成する工程と、少なくとも前記Ｓｉ膜と
その下の超電導接合部を形成すべく領域の酸化物超電導
電極を３５０℃以下の熱処理を施すことによって該酸化
物超電導電極の超電導接合部を形成すべく領域の酸素組
成を異ならしめる工程と、を備える ことを特徴とするも
のである。
【００１４】手段２． 基板上に形成された酸化物超電導電極の一部にＳｉ膜が
該酸化物超電導電極との界面にＳｉＯ 2 が生成された状
態で形成され、前記Ｓｉ膜下の酸化物超電導電極に酸素
脱離がなされた常伝導バリア部が形成されていることを
特徴とするものである。
該酸化物超電導電極との界面にＳｉＯ 2 が生成された状
態で形成され、前記Ｓｉ膜下の酸化物超電導電極に酸素
脱離がなされた常伝導バリア部が形成されていることを
特徴とするものである。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【作用】手段１の構成によれば、超電導電極および常伝
導物質（あるいは超電導弱結合部）を同一の結晶構造か
つ金属組成で構成されていることから、高品質でかつ信
頼性に優れたものが得られる。そして、同様の理由から
再現性の良好なものが得られるようになる。
導物質（あるいは超電導弱結合部）を同一の結晶構造か
つ金属組成で構成されていることから、高品質でかつ信
頼性に優れたものが得られる。そして、同様の理由から
再現性の良好なものが得られるようになる。
【００１８】また、手段２の構成によれば、常伝導物質
（あるいは超電導弱結合部）を形成したＳｉが残存して
いることから、その後の熱処理等によって接合部の劣化
を防止できるようになる。
（あるいは超電導弱結合部）を形成したＳｉが残存して
いることから、その後の熱処理等によって接合部の劣化
を防止できるようになる。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【実施例】以下、本発明による超電導素子の実施例を説
明する。
明する。
【００２２】実施例１．概略を説明すると、まず、超電
導電極及び常伝導物質には銅系ペロブスカイト型酸化物
を用いることが適当となる。特に、同一の金属組成であ
りながら酸素組成の違いにより電気伝導特性が大きく変
化する物質を用いることが望ましい。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-dは容易に酸素欠損量ｄが変化し、ｄが０に近い超電
導体から０．５に近い半導体まで結晶構造を崩すことな
く変化するため望ましい物質である。
導電極及び常伝導物質には銅系ペロブスカイト型酸化物
を用いることが適当となる。特に、同一の金属組成であ
りながら酸素組成の違いにより電気伝導特性が大きく変
化する物質を用いることが望ましい。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-dは容易に酸素欠損量ｄが変化し、ｄが０に近い超電
導体から０．５に近い半導体まで結晶構造を崩すことな
く変化するため望ましい物質である。
【００２３】素子の接合部分はすべて同一の金属組成の
薄膜を用いる。そして、その一部の酸素組成を変化させ
ることにより伝導特性を変化させる。酸素組成を変化さ
せる具体的な方法としては、酸素含有量を減少させるべ
き領域に還元性物質を接触させる方法が望ましい。
薄膜を用いる。そして、その一部の酸素組成を変化させ
ることにより伝導特性を変化させる。酸素組成を変化さ
せる具体的な方法としては、酸素含有量を減少させるべ
き領域に還元性物質を接触させる方法が望ましい。
【００２４】還元性物質にはＳｉを用いることが望まし
い．膜厚が３０ｎｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d超電導薄膜に
Ｓｉを２０ｎｍ真空蒸着すると薄膜の超電導性が失われ
ることが発明者らの予備検討で明らかで、これがＳｉの
接触による界面での還元反応によることは明白となって
いる。超電導電極に他の物質を接触させて素子を形成し
た場合に、その物質を介してバイパス電流が流れること
が危惧されるが、Ｓｉを接触させた場合には界面で絶縁
性の高いＳｉＯ2が形成されるため、バイパス電流は少
なく、とくに問題となることはない。
い．膜厚が３０ｎｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d超電導薄膜に
Ｓｉを２０ｎｍ真空蒸着すると薄膜の超電導性が失われ
ることが発明者らの予備検討で明らかで、これがＳｉの
接触による界面での還元反応によることは明白となって
いる。超電導電極に他の物質を接触させて素子を形成し
た場合に、その物質を介してバイパス電流が流れること
が危惧されるが、Ｓｉを接触させた場合には界面で絶縁
性の高いＳｉＯ2が形成されるため、バイパス電流は少
なく、とくに問題となることはない。
【００２５】なお、上記の処理を行う温度としては、酸
化物超電導体からの酸素の自然放出の起こる３５０℃以
下にする必要がある。反応速度の要請で室温以上であれ
ば上記３５０℃以下の温度範囲で酸素脱離が起こるから
である。
化物超電導体からの酸素の自然放出の起こる３５０℃以
下にする必要がある。反応速度の要請で室温以上であれ
ば上記３５０℃以下の温度範囲で酸素脱離が起こるから
である。
【００２６】また、素子の接合部分の寸法は、１０００
ｎｍ以下にすることが必要である。超電導電極とチャネ
ル部分の膜厚は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下にすること
が接合長と接合部分の厚みの比を１以下にする意味で望
ましい。
ｎｍ以下にすることが必要である。超電導電極とチャネ
ル部分の膜厚は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下にすること
が接合長と接合部分の厚みの比を１以下にする意味で望
ましい。
【００２７】図１は、本発明による超電導素子の一実施
例を示す断面図で、ＳＮＳ接合の構造を示している。
例を示す断面図で、ＳＮＳ接合の構造を示している。
【００２８】同図において、ＳｒＴｉＯ3単結晶の面方
位（100）のウェハーを基板１１とし、その上に超電導
電極および常伝導バリア部分１２の薄膜を形成する。こ
の部分の材料にはＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d酸化物を用いた。
薄膜形成は薄膜と同一の金属組成の酸化物固体をターゲ
ットとしてパルスレーザー堆積法にて行う。膜厚は５０
ｎｍとする。薄膜形成法はこれに限らずスパッタリング
法やＭＢＥ法など酸化物をエピタキシャル成長可能な方
法であればよい。
位（100）のウェハーを基板１１とし、その上に超電導
電極および常伝導バリア部分１２の薄膜を形成する。こ
の部分の材料にはＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d酸化物を用いた。
薄膜形成は薄膜と同一の金属組成の酸化物固体をターゲ
ットとしてパルスレーザー堆積法にて行う。膜厚は５０
ｎｍとする。薄膜形成法はこれに限らずスパッタリング
法やＭＢＥ法など酸化物をエピタキシャル成長可能な方
法であればよい。
【００２９】次に接合の超電導電極および常伝導バリア
部分および配線部分をリソグラフィーとイオンミリング
によりエッチング加工する。そして，必要に応じて、５
００〜８００℃で酸素雰囲気中でアニール処理をし、こ
の部分の酸化物の結晶性及び酸素量を最適化する。次に
電子線描画法により常伝導バリアとなる部分以外をレジ
スト１３でおおう。バリア部分の長さは１０ｎｍとす
る。しかる後に真空蒸着によりＳｉを５０ｎｍ蒸着し、
レジストを除去する。レジストに覆われていなかった部
分にのみＳｉ１４が残る。この試料を真空中２５０℃で
１０分間加熱する。これによりＳｉに覆われている部分
のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d酸化物から酸素が抜かれて、酸素
欠損量ｄがおおよそ０．５になる。ちなみにレジストに
覆われていた部分のｄはほとんど０である。
部分および配線部分をリソグラフィーとイオンミリング
によりエッチング加工する。そして，必要に応じて、５
００〜８００℃で酸素雰囲気中でアニール処理をし、こ
の部分の酸化物の結晶性及び酸素量を最適化する。次に
電子線描画法により常伝導バリアとなる部分以外をレジ
スト１３でおおう。バリア部分の長さは１０ｎｍとす
る。しかる後に真空蒸着によりＳｉを５０ｎｍ蒸着し、
レジストを除去する。レジストに覆われていなかった部
分にのみＳｉ１４が残る。この試料を真空中２５０℃で
１０分間加熱する。これによりＳｉに覆われている部分
のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d酸化物から酸素が抜かれて、酸素
欠損量ｄがおおよそ０．５になる。ちなみにレジストに
覆われていた部分のｄはほとんど０である。
【００３０】以上の方法により作製した超電導接合の電
流−電圧特性は抵抗シャント型接合タイプの特性を示
し。ゼロ電圧付近においては、約１ｍＡの超電導電流が
流れ、これ以上のバイアス電流に対して電圧状態にな
る。また、接合部分にマイクロ波を照射すると、電流−
電圧特性にシャピロステップが現れる。また、超電導電
流は印加磁場に応じて変調し、これらの事実から、この
接合がジョセフソン接合であることが示される。
流−電圧特性は抵抗シャント型接合タイプの特性を示
し。ゼロ電圧付近においては、約１ｍＡの超電導電流が
流れ、これ以上のバイアス電流に対して電圧状態にな
る。また、接合部分にマイクロ波を照射すると、電流−
電圧特性にシャピロステップが現れる。また、超電導電
流は印加磁場に応じて変調し、これらの事実から、この
接合がジョセフソン接合であることが示される。
【００３１】実施例２．ＳＮＳ接合での常伝導物質への
超電導のしみだしを制御して３端子素子を形成する場
合、電界を与えるゲート電極が必要になる。ゲート電極
は接合に近接させ、ゲート絶縁膜を介して形成する。接
合部の上面にゲートを形成する場合には、接合部の酸素
濃度変化への影響を与えない方法で行う必要がある。こ
のためには、ゲート絶縁膜、ゲート電極膜の形成および
パターニングのプロセスを３５０℃以下で行うことが望
ましい。これに対して、接合部の下面にゲートを形成す
る場合はゲート部分の作製において温度等の制限事項は
ないが、ゲート絶縁膜の上に超電導膜がエピタキシャル
成長するように絶縁膜材料を選択する必要がある。ペロ
ブスカイト型酸化物の絶縁体であれば、酸化物超電導体
との格子整合性が良くなるためゲート絶縁膜として使用
可能である。
超電導のしみだしを制御して３端子素子を形成する場
合、電界を与えるゲート電極が必要になる。ゲート電極
は接合に近接させ、ゲート絶縁膜を介して形成する。接
合部の上面にゲートを形成する場合には、接合部の酸素
濃度変化への影響を与えない方法で行う必要がある。こ
のためには、ゲート絶縁膜、ゲート電極膜の形成および
パターニングのプロセスを３５０℃以下で行うことが望
ましい。これに対して、接合部の下面にゲートを形成す
る場合はゲート部分の作製において温度等の制限事項は
ないが、ゲート絶縁膜の上に超電導膜がエピタキシャル
成長するように絶縁膜材料を選択する必要がある。ペロ
ブスカイト型酸化物の絶縁体であれば、酸化物超電導体
との格子整合性が良くなるためゲート絶縁膜として使用
可能である。
【００３２】図２は、本発明による超電導素子の一実施
例を示す断面図で、ＳＮＳ近接効果型三端子素子の構造
を示している。
例を示す断面図で、ＳＮＳ近接効果型三端子素子の構造
を示している。
【００３３】同図において、ＳｒＴｉＯ3単結晶の面方
位（100）のウェハーを基板２１とし、その上にゲート
電極膜２２を形成する。ゲート電極膜にはＹＢａ2Ｃｕ3
Ｏ7-d超電導酸化物薄膜をパルスレーザー堆積法で形成
し、電極及び配線部分はリソグラフィーとイオンミリン
グによりエッチング加工する。電極膜厚は３０ｎｍとす
る。ゲート電極膜材料はこれに限らず導電率の高いペロ
ブスカイト型酸化物であれば、基板上にエピタキシャル
成長が可能でさらにその上に同じペロブスカイト型酸化
物のゲート絶縁膜とＳＮＳ接合部分がエピタキシャル成
長可能なため用いることが可能である。薄膜形成法もこ
れに限らずスパッタリング法やＭＢＥ法など酸化物をエ
ピタキシャル成長可能な方法であればよい。
位（100）のウェハーを基板２１とし、その上にゲート
電極膜２２を形成する。ゲート電極膜にはＹＢａ2Ｃｕ3
Ｏ7-d超電導酸化物薄膜をパルスレーザー堆積法で形成
し、電極及び配線部分はリソグラフィーとイオンミリン
グによりエッチング加工する。電極膜厚は３０ｎｍとす
る。ゲート電極膜材料はこれに限らず導電率の高いペロ
ブスカイト型酸化物であれば、基板上にエピタキシャル
成長が可能でさらにその上に同じペロブスカイト型酸化
物のゲート絶縁膜とＳＮＳ接合部分がエピタキシャル成
長可能なため用いることが可能である。薄膜形成法もこ
れに限らずスパッタリング法やＭＢＥ法など酸化物をエ
ピタキシャル成長可能な方法であればよい。
【００３４】次にゲート絶縁膜２３を形成する。ゲート
絶縁膜材料にはＳｒＴｉＯ3を用いた。薄膜形成方法は
上記ゲート電極膜と同様である。絶縁膜厚は１５０ｎｍ
とする。ゲート部分はリソグラフィーとイオンミリング
によりエッチング加工する。
絶縁膜材料にはＳｒＴｉＯ3を用いた。薄膜形成方法は
上記ゲート電極膜と同様である。絶縁膜厚は１５０ｎｍ
とする。ゲート部分はリソグラフィーとイオンミリング
によりエッチング加工する。
【００３５】次に超電導電極および常伝導バリア２４の
薄膜を形成する。この部分の材料にはＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-d酸化物を用いた。薄膜形成はパルスレーザー堆積法
にて行う。膜厚は５０ｎｍとする。しかるのちに超電導
電極および常伝導バリア部分を含む上部電極部分の配線
を上記と同様にエッチング加工する。そして、これまで
のプロセスで形成したゲート電極膜と絶縁膜、上部電極
部を必要に応じて５００〜８００℃で酸素雰囲気中でア
ニール処理をし、この部分の酸化物の結晶性及び酸素量
を最適化する。
薄膜を形成する。この部分の材料にはＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-d酸化物を用いた。薄膜形成はパルスレーザー堆積法
にて行う。膜厚は５０ｎｍとする。しかるのちに超電導
電極および常伝導バリア部分を含む上部電極部分の配線
を上記と同様にエッチング加工する。そして、これまで
のプロセスで形成したゲート電極膜と絶縁膜、上部電極
部を必要に応じて５００〜８００℃で酸素雰囲気中でア
ニール処理をし、この部分の酸化物の結晶性及び酸素量
を最適化する。
【００３６】次に、電子線描画法により常伝導バリアと
なる部分以外をレジスト２５でおおう。バリア部分の長
さは１０ｎｍとする。しかる後に真空蒸着によりＳｉを
５０ｎｍ蒸着し、レジストを除去する。レジストに覆わ
れていなかった部分にのみＳｉ２６が残る。この試料を
真空中２５０℃で１０分間加熱する。これによりＳｉに
覆われている部分のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d酸化物から酸素
が抜かれて、酸素欠損量ｄがおおよそ０．５になる。ち
なみにレジストに覆われていた部分のｄはほとんど０で
ある。
なる部分以外をレジスト２５でおおう。バリア部分の長
さは１０ｎｍとする。しかる後に真空蒸着によりＳｉを
５０ｎｍ蒸着し、レジストを除去する。レジストに覆わ
れていなかった部分にのみＳｉ２６が残る。この試料を
真空中２５０℃で１０分間加熱する。これによりＳｉに
覆われている部分のＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d酸化物から酸素
が抜かれて、酸素欠損量ｄがおおよそ０．５になる。ち
なみにレジストに覆われていた部分のｄはほとんど０で
ある。
【００３７】以上の方法により作製した超電導素子の電
流−電圧特性は，実施例１の接合と同様に抵抗シャント
型接合タイプの特性を示し、ゼロ電圧付近においては、
約１ｍＡの超電導電流が流れ、これ以上のバイアス電流
に対して電圧状態になる。さらにゲートに対して３Ｖの
電圧を印加した場合、超電導電流は０．５ｍＡに減少
し、これ以上のバイアス電流で電圧が発生する。以上の
ごとく、本超電導素子は三端子素子としての基本特性を
有する。
流−電圧特性は，実施例１の接合と同様に抵抗シャント
型接合タイプの特性を示し、ゼロ電圧付近においては、
約１ｍＡの超電導電流が流れ、これ以上のバイアス電流
に対して電圧状態になる。さらにゲートに対して３Ｖの
電圧を印加した場合、超電導電流は０．５ｍＡに減少
し、これ以上のバイアス電流で電圧が発生する。以上の
ごとく、本超電導素子は三端子素子としての基本特性を
有する。
【００３８】実施例３．また、本発明は人工粒界接合の
特性向上にも適用させることが可能である。ここで、人
工粒界接合とは、超電導膜を形成する下地をバイクリス
タル基板を用いる、シード層と呼ぶ結晶配向性を変化さ
せる層を形成する、単結晶基板の一部をエッチングによ
り段差を形成する、あるいは下地の単結晶基板表面にイ
オン打ち込み等の手法で結晶の一部に損傷を与える等の
処理を行った後に超電導膜を形成し下地の結晶粒界や段
差、損傷部分の上部に人工的に粒界を生じさせるもので
ある。このようにして生じた人工粒界は超電導体同士が
粒界を介して結合するために超電導のカップリングが弱
くなりジョセフソン特性が得られるようになる。人工粒
界はそのままでも弱結合特性を発揮することはできる
が、人工粒界の傾角が小さい場合などに充分な弱結合特
性が得られないという場合に、人工粒界部分の上部にＳ
ｉ薄膜を形成すると粒界にそって酸素脱離が起こるため
に粒界部分の超電導特性がさらに弱まり良好な弱結合特
性が再現性良く得られる。
特性向上にも適用させることが可能である。ここで、人
工粒界接合とは、超電導膜を形成する下地をバイクリス
タル基板を用いる、シード層と呼ぶ結晶配向性を変化さ
せる層を形成する、単結晶基板の一部をエッチングによ
り段差を形成する、あるいは下地の単結晶基板表面にイ
オン打ち込み等の手法で結晶の一部に損傷を与える等の
処理を行った後に超電導膜を形成し下地の結晶粒界や段
差、損傷部分の上部に人工的に粒界を生じさせるもので
ある。このようにして生じた人工粒界は超電導体同士が
粒界を介して結合するために超電導のカップリングが弱
くなりジョセフソン特性が得られるようになる。人工粒
界はそのままでも弱結合特性を発揮することはできる
が、人工粒界の傾角が小さい場合などに充分な弱結合特
性が得られないという場合に、人工粒界部分の上部にＳ
ｉ薄膜を形成すると粒界にそって酸素脱離が起こるため
に粒界部分の超電導特性がさらに弱まり良好な弱結合特
性が再現性良く得られる。
【００３９】このような人工粒界型超電導接合の一実施
例を図３に示す。同図において、ＳｒＴｉＯ3単結晶の
面方位（100）のウェハーを基板３１とし、この基板上
にイオンミリングにより高さ１００ｎｍの段差部３２を
形成する。しかる後に厚さ５０ｎｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-d酸化物超電導膜３３をパルスレーザー堆積法で形成
する。段差部に人工粒界３４が形成されて弱結合部とな
る。さらに、リソグラフィーにより弱結合部の周囲の幅
１００ｎｍの領域のみにＳｉ３５を３０ｎｍ真空蒸着法
で堆積する。
例を図３に示す。同図において、ＳｒＴｉＯ3単結晶の
面方位（100）のウェハーを基板３１とし、この基板上
にイオンミリングにより高さ１００ｎｍの段差部３２を
形成する。しかる後に厚さ５０ｎｍのＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-d酸化物超電導膜３３をパルスレーザー堆積法で形成
する。段差部に人工粒界３４が形成されて弱結合部とな
る。さらに、リソグラフィーにより弱結合部の周囲の幅
１００ｎｍの領域のみにＳｉ３５を３０ｎｍ真空蒸着法
で堆積する。
【００４０】こうすることにより、Ｓｉの作用により人
工粒界に沿って酸素欠損部分が形成されるために弱結合
特性が向上する。特性の指標となるＩｃＲｎ積は７７Ｋ
で３ｍＶまで向上した。ちなみに、Ｓｉ３５を蒸着しな
い状態で弱結合特性を測定した場合、ＩｃＲｎ積は７７
Ｋでたかだか０．５ｍＶにすぎなかった。
工粒界に沿って酸素欠損部分が形成されるために弱結合
特性が向上する。特性の指標となるＩｃＲｎ積は７７Ｋ
で３ｍＶまで向上した。ちなみに、Ｓｉ３５を蒸着しな
い状態で弱結合特性を測定した場合、ＩｃＲｎ積は７７
Ｋでたかだか０．５ｍＶにすぎなかった。
【００４１】実施例４．酸化物超電導体中の酸素イオン
の拡散速度には異方性があり、結晶を構成する銅酸素平
面と平行な方向の酸素イオンの拡散の方が垂直な方向に
比べて速いことが知られている。このため，酸素脱離を
行う部分と行わない部分の界面の酸素濃度変化の急峻性
を保つためには、酸化物超電導体の薄膜の結晶方位が銅
酸素平面の膜面に垂直な方向を向いていることが望まし
い。しかしながら，酸化物超電導体のコヒーレンス長の
異方性のために、素子の超電導電流は銅酸素平面に平行
な方向に流す必要がある。このため、酸化物超電導体の
銅酸素平面に垂直な結晶方位（一般的にはｃ軸）が薄膜
の面と平行であり、かつ電流を流す方向が銅酸素平面と
平行な方向になるように素子を配置することが望ましく
なる。
の拡散速度には異方性があり、結晶を構成する銅酸素平
面と平行な方向の酸素イオンの拡散の方が垂直な方向に
比べて速いことが知られている。このため，酸素脱離を
行う部分と行わない部分の界面の酸素濃度変化の急峻性
を保つためには、酸化物超電導体の薄膜の結晶方位が銅
酸素平面の膜面に垂直な方向を向いていることが望まし
い。しかしながら，酸化物超電導体のコヒーレンス長の
異方性のために、素子の超電導電流は銅酸素平面に平行
な方向に流す必要がある。このため、酸化物超電導体の
銅酸素平面に垂直な結晶方位（一般的にはｃ軸）が薄膜
の面と平行であり、かつ電流を流す方向が銅酸素平面と
平行な方向になるように素子を配置することが望ましく
なる。
【００４２】上述した各実施例では、単結晶の面方位
（110）のウェハーを基板として用いることによって上
記効果を得ることができるようになる。
（110）のウェハーを基板として用いることによって上
記効果を得ることができるようになる。
【００４３】以上説明したように各実施例による超電導
素子によれば、まず、ＳＮＳ接合でにおいては、チャネ
ル長が１０ｎｍ程度と極めて短い接合を再現性良く形成
することができ、近接効果型３端子素子とする場合に
は、ゲート電極やゲート絶縁膜も含めてすべて類似構造
の酸化物で構成できるため、素子の信頼性が高くなる。
超電導電極は液体窒素温度で超電導特性を示すためにこ
の温度以下で接合ないし素子の動作が可能である。そし
て、この接合ないし素子の特性を利用して、論理回路、
記憶回路、ＡＤ変換器等の能動素子として用いることが
可能になる。また、高性能人工粒界型弱結合素子が再現
性良く得られ、高感度低雑音のＳＱＵＩＤを形成でき、
各種磁気センサー等に利用することができるようにな
る。
素子によれば、まず、ＳＮＳ接合でにおいては、チャネ
ル長が１０ｎｍ程度と極めて短い接合を再現性良く形成
することができ、近接効果型３端子素子とする場合に
は、ゲート電極やゲート絶縁膜も含めてすべて類似構造
の酸化物で構成できるため、素子の信頼性が高くなる。
超電導電極は液体窒素温度で超電導特性を示すためにこ
の温度以下で接合ないし素子の動作が可能である。そし
て、この接合ないし素子の特性を利用して、論理回路、
記憶回路、ＡＤ変換器等の能動素子として用いることが
可能になる。また、高性能人工粒界型弱結合素子が再現
性良く得られ、高感度低雑音のＳＱＵＩＤを形成でき、
各種磁気センサー等に利用することができるようにな
る。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明による超電導素子によれば、高品質でかつ信頼性
に優れているとととに再現性に優れたものを得ることが
できるようになる。
本発明による超電導素子によれば、高品質でかつ信頼性
に優れているとととに再現性に優れたものを得ることが
できるようになる。
【図１】本発明による超電導素子の一実施例を示す断面
構造図である。
構造図である。
【図２】本発明による超電導素子の他の実施例を示す断
面構造図である。
面構造図である。
【図３】本発明による超電導素子の他の実施例を示す断
面構造図である。
面構造図である。
１１…基板、１２…超電導電極および常伝導バリア部
分、１３…レジスト、１４…Ｓｉ、２１…基板、２２…
ゲート電極膜、２３…ゲート絶縁膜、２４…超電導電極
および常伝導バリア部分、２５…レジスト、２６…Ｓ
ｉ、３１…基板、３２…段差部、３３…ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-d酸化物超電導膜、３４…人工粒界、３５…Ｓｉ。
分、１３…レジスト、１４…Ｓｉ、２１…基板、２２…
ゲート電極膜、２３…ゲート絶縁膜、２４…超電導電極
および常伝導バリア部分、２５…レジスト、２６…Ｓ
ｉ、３１…基板、３２…段差部、３３…ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-d酸化物超電導膜、３４…人工粒界、３５…Ｓｉ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (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 ▲高▼木 一正 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２−277276（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−194671（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−28876（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−37786（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−43922（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−32275（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−41282（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−73976（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/24 H01L 39/22 H01L 39/00
Claims (2)
- 【請求項１】 基板上に形成された酸化物超電導電極の
一部に超電導接合部を有する超電導素子の製造方法にお
いて、 該酸化物超電導電極の前記超電導接合部を形成すべく領
域にＳｉ膜を選択的に形成する工程と、 少なくとも前記Ｓｉ膜とその下の超電導接合部を形成す
べく領域の酸化物超電導電極を３５０℃以下の熱処理を
施すことによって該酸化物超電導電極の超電導接合部を
形成すべく領域の酸素組成を異ならしめる工程と、を備
えることを特徴とする超電導素子の製造方法。 - 【請求項２】 基板上に形成された酸化物超電導電極の
一部にＳｉ膜が該酸化物超電導電極との界面にＳｉＯ 2
が生成された状態で形成され、前記Ｓｉ膜下の酸化物超
電導電極に酸素脱離がなされた常伝導バリア部が形成さ
れていることを特徴とする超電導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06304948A JP3076503B2 (ja) | 1994-12-08 | 1994-12-08 | 超電導素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06304948A JP3076503B2 (ja) | 1994-12-08 | 1994-12-08 | 超電導素子およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08162682A JPH08162682A (ja) | 1996-06-21 |
| JP3076503B2 true JP3076503B2 (ja) | 2000-08-14 |
Family
ID=17939247
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06304948A Expired - Fee Related JP3076503B2 (ja) | 1994-12-08 | 1994-12-08 | 超電導素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3076503B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5748519B2 (ja) * | 2011-03-08 | 2015-07-15 | 国立大学法人鳥取大学 | ジョセフソン素子および同素子の製造方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL8701718A (nl) * | 1987-07-21 | 1989-02-16 | Philips Nv | Werkwijze voor het aanbrengen van dunne lagen van oxidisch supergeleidend materiaal. |
| JPS6428876A (en) * | 1987-07-23 | 1989-01-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Manufacture of superconducting 3-terminal element |
| JPS6443922A (en) * | 1987-08-12 | 1989-02-16 | Hitachi Ltd | Formation of superconductive thin film |
| JPH0237786A (ja) * | 1988-07-28 | 1990-02-07 | Fujitsu Ltd | 超伝導トランジスタ |
| JPH02194671A (ja) * | 1989-01-24 | 1990-08-01 | Fujitsu Ltd | 高温超伝導薄膜のパターン形成方法 |
| JPH0432275A (ja) * | 1990-05-29 | 1992-02-04 | Shimadzu Corp | 段差型ジョセフソン接合素子 |
| JPH0473976A (ja) * | 1990-07-16 | 1992-03-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 超電導装置の作製方法 |
-
1994
- 1994-12-08 JP JP06304948A patent/JP3076503B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08162682A (ja) | 1996-06-21 |
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