JP4423891B2

JP4423891B2 - 超伝導３端子素子

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Publication number: JP4423891B2
Application number: JP2003190818A
Authority: JP
Inventors: 恵品田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP2005026488A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速電子回路や超伝導コンピュータ等に用いられる超伝導トランジスタ等の超伝導素子、あるいは半導体ウエハの不純物検査やX線蛍光分析の際に用いられる放射線検出素子として利用可能な超伝導素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの超伝導体を絶縁体や常伝導体で挟んだジョセフソン接合を超伝導トランジスタや超伝導放射線検出素子等の超伝導素子に用いることが提案されている。
【０００３】
ジョセフソン接合を有する超伝導トランジスタとして、２つの超伝導体をそれぞれ電界効果トランジスタ(FET)のソース電極及びドレイン電極として用い、ジョセフソン接合部にゲート電極を接続したものがある。このような超伝導トランジスタでは、ジョセフソン接合部に印加する制御電圧や該接合部に流す制御電流を制御することによりジョセフソン接合の臨界電流値を変化させ、それによりソース電極−ドレイン電極間の電流値を制御することができる。ここで、臨界電流値とは、ジョセフソン接合部に印加する電圧を0とした時に流れる電流の値を指す。
【０００４】
ジョセフソン接合を有する超伝導放射線検出素子は、検出方法や構造の違いにより様々な種類のものが知られている。その１つに、ジョセフソン接合部に放射線吸収体を熱的に接続したマイクロカロリメータ型検出素子がある。この素子では、放射線吸収体に放射線が入射すると、放射線吸収体がそのエネルギーを熱に変換し、この熱が接合部に伝えられる。接合部の電子温度が変化すると、臨界電流値が変化するため、この臨界電流値の変化量を検出することにより、放射線吸収体に入射した放射線のエネルギーを計測することができる。臨界電流値の変化は、例えば非特許文献１に記載のように、このジョセフソン接合を含むSQUID(超伝導量子磁束干渉計)アンプを用いて増幅して検出する。なお、本明細書では、「放射線」には、α線、β線、中性子線、電子線、X線、γ線等の他に、赤外線、可視光線、紫外線を含むものとする。
【０００５】
これらの超伝導トランジスタや超伝導放射線検出素子等の超伝導素子に用いられるジョセフソン接合には、大きく分けてトンネル型とマイクロブリッジ型がある。トンネル型ジョセフソン接合は、トンネル電流が流れる程度に薄い絶縁体膜を２つの超伝導体の間に設けたものである。しかし、トンネル型ジョセフソン接合は、薄い絶縁体膜を作製するために高度な技術が必要であり、また、接合部の断面積を小さくすることができないことから低ノイズ化が困難であるため、超伝導トランジスタや超伝導放射線検出素子に用いるには不向きである。一方、マイクロブリッジ型ジョセフソン接合は、２つの超伝導体を電気的に弱い結合によって接続したものである。このマイクロブリッジ型ジョセフソン接合は、トンネル型のものよりも容易に作製でき、ノイズも小さい。
【０００６】
マイクロブリッジ型ジョセフソン接合の１つに、２つの超伝導体を常伝導体で弱結合した、いわゆるSNS(Superconductor-Normal metal-Superconductor)ジョセフソン接合がある。
【０００７】
非特許文献２には、超伝導体から成る２つの電極の間に、厚さ1μm以下の常伝導体を挟んだジョセフソン接合を有する素子が記載されており、この常伝導体に制御用の電流を流し、該制御電流の値を変化させることで、２つの超伝導体電極間の電流値を制御できることが示されている。この素子は、２つの超伝導体電極をソース電極及びドレイン電極とし、常伝導体をゲート電極とする超伝導トランジスタとして用いることができる。また、常伝導体に放射線吸収体を接続することにより、超伝導放射線検出素子として用いることもできる。
【０００８】
SNSジョセフソン接合のもう一つの構成例として、特許文献１には、２つの超伝導体の間に厚さ5nm〜40nm程度の絶縁体を挟み、この絶縁体中に局所的に絶縁性を持たない領域を作り出すことにより、２つの超伝導体を弱結合させる部分を形成したジョセフソン接合が記載されている。この領域は、例えば、酸化物絶縁体や窒化物絶縁体に集束イオンビームを照射して絶縁体内の酸素イオンや窒素イオンをはじき出すことにより形成することができる。このとき、前記領域は、絶縁体が常伝導体を酸化又は窒化させたものである場合には常伝導領域となり、絶縁体が超伝導体を酸化又は窒化させたものである場合には超伝導領域となる。以後、このように形成された局所的な常伝導領域や超伝導領域を「局所伝導領域」と呼ぶ。
【０００９】
【特許文献１】
特開平7-235701号公報（[0017]〜[0018],図1）
【非特許文献１】
E. J. Tarte他, "アシンメトリモジュレーティドスクイド", スーパーコンダクターサイエンスアンドテクノロジー, (英国), アイオーピーパブリシング, 2000年, 第13巻, 983〜988ページ（E. J. Tarte et al., "Asymmetry modulated SQUIDS", Superconductor Science & Technology, (UK), IOP Publishing Ltd., 2000, vol. 13, p. 983〜988）
【非特許文献２】
A. Morpurgo 他, "ホットエレクトロンチューナブルスーパーカレント", アプライドフィジックスレターズ, (米国), アメリカンインスティテュートオブフィジックス, 1998年, 第72巻, 966〜968ページ（A. Morpurgo et al., "Hot electron tunable supercurrent", Applied Physics Letters, (US), American Institute of Physics, 1998, vol. 72, p. 966〜968）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
SNSジョセフソン接合を用いた超伝導トランジスタや超伝導放射線検出素子において、トランジスタの特性や放射線検出性能を最適化するためには、製造される素子の臨界電流値が設計値にほぼ一致するように、ジョセフソン接合を高精度且つ再現性よく作製する必要がある。非特許文献２に記載されたジョセフソン接合においては、その臨界電流値が常伝導体の膜厚と面積に依存するため、常伝導体薄膜の堆積処理や集束イオンビーム法等によるパターニング処理の精度が重要となる。また、常伝導体薄膜の質(結晶性や不純物の有無等)も臨界電流値に影響を及ぼす。しかし、非特許文献２のジョセフソン接合では、1μm²以下の微小な領域における処理が必要となるため、これらの処理を高精度且つ再現性よく行うことが難しい。
【００１１】
一方、特許文献１に記載のジョセフソン接合では、前記のように集束イオンビームの照射により絶縁体中に形成された局所伝導領域によって、２つの超伝導体を弱結合する。そのため、絶縁体の厚さや照射する集束イオンビームの強度等によって、弱結合の強さを制御することができ、比較的容易に、高精度且つ再現性よくジョセフソン接合を作製することができる。しかし、局所伝導領域が形成されるのは絶縁体膜中のごく微小な領域であるため、該局所伝導領域にゲート電極や放射線吸収体を接続することは非常に難しい。そのため、特許文献１に記載のジョセフソン接合を超伝導トランジスタや超伝導放射線検出素子に用いることは困難である。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、高精度且つ再現性よく作製することができ、接合部にゲート電極や放射線吸収体等の端子を容易に接続することができる、超伝導トランジスタや超伝導放射線検出素子等のジョセフソン接合を用いた超伝導３端子素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る超伝導３端子素子は、
a)第１の超伝導体層と、
b)前記第１超伝導体層に積層された常伝導体層と、
c)前記常伝導体層に積層された絶縁体層と、
d)前記絶縁体層に積層された第２の超伝導体層と、
e)前記絶縁体層内に局所的に形成された局所伝導領域と、
f)前記第１の超伝導体層に接続された第１の端子と、
g)前記第２の超伝導体層に接続された第２の端子と、
h)前記常伝導体層に接続された第３の端子と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の超伝導３端子素子は、常伝導体層に前記第３端子として、ゲート電極を接続することにより超伝導トランジスタとなり、放射線吸収体を接続することにより超伝導放射線検出素子となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る超伝導３端子素子は、第１超伝導体層、常伝導体層、絶縁体層、第２超伝導体層が順に積層された構造を有する。絶縁体層は、常伝導体又は超伝導体が局所的に形成された局所伝導領域を有する。
【００１６】
この超伝導３端子素子では、絶縁体層に形成された局所伝導領域と、局所伝導領域の直上の近傍にある常伝導体層の一部領域とが一体となって、第１超伝導体層と第２超伝導体層とを電気的に弱結合させ、マイクロブリッジ型ジョセフソン接合を形成する。一方、ジョセフソン接合を形成する前記一部領域以外の常伝導体層の部分は、ジョセフソン接合の特性にほとんど影響を与えない。以下、本発明の超伝導３端子素子において、局所伝導領域と常伝導体層の前記一部領域とを合わせた部分を「弱結合部」と呼ぶ。
【００１７】
局所伝導領域は、絶縁体層が酸化物である場合には酸素イオンの低濃度化により、絶縁体層が窒化物である場合には窒素イオンの低濃度化により、それぞれ作製することができる。これらは、例えば、特許文献１に記載されたように、絶縁体層にイオンビームを照射することにより作製することができる。その際、マスクを用いるか、或いは集束イオンビームを用いることにより、所定の領域にのみイオンビームが照射されるようにする。このようにイオンビームを照射した領域に含まれる酸素イオン又は窒素イオンの一部がはじき出されることにより、その領域の酸素イオン又は窒素イオンの濃度が低くなり、その部分の絶縁性が失われて局所伝導領域となる。局所伝導領域は、絶縁体層が常伝導体を酸化又は窒化させたものである場合には常伝導領域となり、絶縁体層が超伝導体を酸化又は窒化させたものである場合には超伝導領域となる。
【００１８】
常伝導体層には、超伝導３端子素子の使用目的に応じた所定の端子が接続される。この端子から常伝導体層に電流や熱を与えることにより、弱結合部の電子温度を制御して、その結果、２つの超伝導体層の間を流れる電流の大きさを制御することができる。特許文献１のジョセフソン接合で局所伝導領域に端子を接続することが非常に難しいため超伝導３端子素子に用いることが困難であるのに対して、本発明では局所伝導領域ではなく常伝導体層に端子を接続するため、比較的容易に接続を行うことができる。
【００１９】
局所伝導領域が超伝導領域である場合には、超伝導転移温度以下の温度域において超伝導ギャップが形成されることにより電子のエネルギー状態が常伝導体層と大きく異なるのに対して、局所伝導領域が常伝導領域である場合には、電子のエネルギー状態に関して常伝導体層との大きな違いはない。そのため、常伝導体層から局所伝導領域に電流や熱を供給する効率は、通常、局所伝導領域が超伝導領域である場合よりも常伝導領域である場合の方が高い。従って、局所伝導領域は常伝導領域であることが望ましい。更に、常伝導体層から局所伝導領域に電流や熱を供給する効率を高めるために、局所伝導領域と常伝導体層とを同じ材料とすることがより望ましい。例えば、常伝導体層の表面を酸化又は窒化させて絶縁体層を形成し、該絶縁体層に集束イオンビームを照射することにより、常伝導体層と同じ材料から成る局所伝導領域を作製することができる。
【００２０】
本発明の超伝導３端子素子を超伝導トランジスタとして用いる場合には、端子としてゲート電極を常伝導体層に接続する。また、第１超伝導体層及び第２超伝導体層にも電極を接続し、それぞれソース電極及びドレイン電極とする。この超伝導トランジスタにおいては、ゲート電極に流す電流を制御することにより、ソース電極−ドレイン電極間に流れる電流値を制御することができる。
【００２１】
一方、本発明の超伝導３端子素子を放射線検出素子として用いる場合には、端子として放射線吸収体を常伝導体層に接続する。放射線吸収体は、放射線を吸収して、それによりに発生する熱を常伝導体層に伝えるためのものである。接続部において熱伝導率が低下しないように、放射線吸収体には常伝導体層と同じ材料を用いて、両者を一体のものとすることが望ましい。
【００２２】
放射線吸収体が放射線を吸収すると、弱結合部に熱が供給されて電子温度が変化し、第１超伝導体層−第２超伝導体層間の電流値が変化する。この電流値の変化を検出することにより、放射線吸収体に入射した放射線のエネルギーを計測する。電流値の変化の検出は、このジョセフソン接合を含むSQUID(超伝導量子磁束干渉計)アンプを用いて増幅した電流を検出することにより行うことが望ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の超伝導３端子素子においては、絶縁体層に形成された局所伝導領域と常伝導体層の一部領域とにより弱結合部が形成され、該弱結合部の特性が局所伝導領域により決まるため、絶縁体層の厚さや、局所伝導領域を作製する際に照射する集束イオンビームの強度等により、弱結合の強さを容易に制御することができる。これにより、高精度且つ再現性よくジョセフソン接合を作製することができるため、素子の性能も向上する。また、電極や放射線吸収体等の端子を常伝導体層に接続するため、製造が容易である。
【００２４】
【実施例】
本発明の超伝導３端子素子の第１実施例として、超伝導トランジスタの一実施例の斜視図を図１(a)に示す。また、(a)に示した断面A-A'における断面図を図１(b)に示す。
第１超伝導体層１１はニオブ(超伝導転移温度Tc=9.23K)やアルミニウム(Tc=1.196K)等の超伝導体から成り、端部にソース電極１５を有する。第１超伝導体層１１の一部分の上に、銅等から成る常伝導体層１２が積層される。常伝導体層１２の上に、酸化銅、酸化ニオブ、酸化アルミニウム等の酸化物、又は窒化銅、窒化ニオブ、窒化アルミニウム等の窒化物から成る絶縁体層１３が積層される。絶縁体層１３の上には第２超伝導体層１４が積層され、その端部にドレイン電極１６が形成される。
【００２５】
常伝導体層１２に、常伝導体から成るゲート電極１７を接続する。このゲート電極１７は、常伝導体層１２と同じ材料により作製することが望ましい。また、常伝導体層１２とゲート電極１７は、一体のものとして作製することが望ましい。
【００２６】
絶縁体層１３の、常伝導体層１２とゲート電極１７との接続部の略直上の側部表面の領域１８にアルミニウムイオンや銅イオンから成るイオンビームを照射することにより、絶縁体層１３内に局所伝導領域１９が形成される。これは照射されたイオンが絶縁体層１３の表面からある一定の深さ（イオンビームの強度により決まる）まで達した際に、その位置にある酸素イオン又は窒素イオンがはじき出され、これらのイオン濃度が低下するためである。こうして形成された局所伝導領域１９及びその直上にある常伝導体層１２の一部分とが一体となって、２つの超伝導体層１１及び１４を電気的に弱結合させる弱結合部を形成する。
【００２７】
この超伝導トランジスタの動作について説明する。まず、第１超伝導体層１１及び第２超伝導体層１４の超伝導転移温度以下まで超伝導トランジスタを冷却する。ゲート電極１７−ドレイン電極１６間にゲート電圧V_gを印加しない場合、直流ジョセフソン効果により、ソース電極１５−ドレイン電極１６間にジョセフソン電流I_sdが流れる。ここで、ソース電極１５−ドレイン電極１６間の電圧V_sdが0の時に流れるジョセフソン電流I_sdの大きさを臨界電流値Icと呼ぶ。それに対して、ゲート電圧V_gを印加すると、V_gの値が大きくなるにつれて臨界電流値Icが減少する(図２参照)。そして、ゲート電圧V_gを所定の値V_g1以上とすると、ジョセフソン電流I_sdはほとんど流れなくなる。こうして、ゲート電圧のOFF/ONによりソース電極−ドレイン電極間の電流をON/OFFすることができる。
【００２８】
上記において、ゲート電圧V_gの値が大きくなるにつれて臨界電流値Icが減少する理由は、V_gの増大と共に、ゲート電極１７に接続された常伝導体層１２を介して弱結合部の電子温度が上昇するためである。その結果として、非特許文献２に記載されたように、ジョセフソン接合の臨界電流値Icが減少する。
【００２９】
本実施例の超伝導トランジスタの製造方法の一例を、図３を用いて説明する。まず、基板上に、スパッタリング等の方法により超伝導体薄膜を形成して、フォトリソグラフィーを用いて所定の形状にパターニングすることにより、ソース電極１５を含む第１超伝導体層１１を作製する((a))。次に、同様にスパッタリング及びフォトリソグラフィーを用いて、常伝導体層１２及びゲート電極１７を作製する((b))。次に、常伝導体層１２の上に絶縁体層１３を積層し、更に絶縁体層１３の直上部のみに第２超伝導体層１４の一部を積層する((c))。絶縁体層１３の、常伝導体層１２とゲート電極１７との接続部の略直上の側面に集束イオンビームを照射することにより、局所伝導領域１９を形成する((d))。その後、第１超伝導体層１１及び常伝導体層１２のうち、素子の完成後に第２超伝導体層１４と接触する側面１３１を陽極酸化等の方法により酸化絶縁させた後、ドレイン電極１６を含む第２超伝導体層１４の残りの部分を積層させてパターニングする((e))。
【００３０】
なお、図３(d)において、イオンビームを照射する領域１８に上記のように集束イオンビームを照射する代わりに、領域１８の周囲をマスクしてイオンビームを照射してもよい。
【００３１】
本実施例の超伝導トランジスタでは、局所伝導領域１９及びその直下にある常伝導体層１２の一部分とが一体となって弱結合部を形成するが、該局所伝導領域１９がイオンビームの照射により形成されることから、高精度且つ再現性よくジョセフソン接合を作製することができる。また、ゲート電極１７が常伝導体層１２に接続されるため、弱結合部とゲート電極１７との接合が容易である。
【００３２】
次に、本発明の超伝導３端子素子の第２実施例として、超伝導放射線検出素子の一実施例の斜視図を図４(a)に示す。また、(a)に示した断面A-A'における断面図を図４(b)に示す。
第１超伝導体層２１、常伝導体層２２、絶縁体層２３及び第２超伝導体層２４は、第１実施例の超伝導トランジスタと同様の構成である。第１超伝導体層２１及び第２超伝導体層２４は、それぞれ検出電極２５及び２６を有する。また、局所伝導領域２９も第１実施例と同様に形成され、局所伝導領域２９とその直下にある常伝導体層２２の一部分とが一体となって、弱結合部を形成する。
【００３３】
常伝導体層２２に、放射線吸収体２７を接続する。本実施例では、常伝導体層２２と放射線吸収体２７は同一の材料(銅等)により一体のものとして形成される。放射線吸収体２７は平板状とする。
【００３４】
この超伝導放射線検出素子は、第１実施例の超伝導トランジスタと同様の方法により製造することができる。
【００３５】
この超伝導放射線検出素子の動作について説明する。まず、第１超伝導体層２１及び第２超伝導体層２４の超伝導転移温度以下まで超伝導放射線検出素子を冷却する。放射線吸収体２７に放射線が入射すると、放射線吸収体２７の温度が上昇する。この放射線吸収体２７の熱が常伝導体層２２を通して弱結合部に伝導する。これにより、弱結合部の電子温度が上昇し、検出電極２５−２６間の臨界電流値Icが減少する。この臨界電流値Icの変化を検出することにより、放射線吸収体２７に入射した放射線のエネルギーを計測する。
【００３６】
超伝導放射線検出素子は、弱結合部の温度変化に感応するため、ゲート電圧の変化により動作する超伝導トランジスタよりも熱的なノイズの影響を受けやすい。熱的なノイズを避けるために、超伝導放射線検出素子は、できるだけ低い温度で使用することが望ましい。また、臨界電流値Icの変化は超伝導トランジスタの場合よりも小さいため、検出電極２５−２６間の電流をSQUIDアンプ等により増幅して検出することが望ましい。
【００３７】
本実施例の超伝導放射線検出素子では、前記超伝導トランジスタと同様に、高精度且つ再現性よくジョセフソン接合を作製することができる。また、放射線吸収体２７が常伝導体層２２に接続されるため、弱結合部と放射線吸収体２７との間の熱的な接合が良好である。超伝導放射線検出素子では、放射線吸収体と弱結合部との間の熱的な接合の良否が放射線の検出感度に大きく影響を及ぼすため、本発明の構成により検出感度を向上させることができる。
【００３８】
本発明の超伝導３端子素子の他の構成例を図５及び図６に示す。図５はこの超伝導３端子素子の斜視図であり、図６は、図５に示した切断面A-A'における断面図である。第１超伝導体層３１、常伝導体層３２、絶縁体層３３及び第２超伝導体層３４の順に積層され、常伝導体層３２と同一の材料から成る端子３７が常伝導体層３２に接続される。ここで、端子３７として、ゲート電極を作製すればこの素子は超伝導トランジスタになり、放射線吸収体を作製すればこの素子は超伝導放射線検出素子になる。
【００３９】
絶縁体層３３の、常伝導体層３２と端子３７との接続部の略直上の側面にイオンビームを照射することにより局所伝導領域３９が形成される。本実施例は、イオンビームの照射に関して特徴を有する。図６に示すように、常伝導体層３２、絶縁体層３３及び第２超伝導体層３４の断面の形状は台形であるため、各層の表面が斜面状に露出する。その斜面に向けて素子の真上からイオンビームを照射すると、絶縁体層３３のうち、該斜面の表面からある距離だけ離れた部分のみが局所伝導領域となる。この距離は、イオンビームの強度により制御することができる。このように、本実施例では、局所伝導領域を形成する領域を正確に制御することができるため、より精度の高いジョセフソン接合を、より再現性良く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超伝導トランジスタの一実施例を示す斜視図。
【図２】本発明の超伝導トランジスタの動作を説明するためのグラフ。
【図３】本発明の超伝導トランジスタの製造方法を示す斜視図。
【図４】本発明の超伝導放射線検出素子の一実施例を示す斜視図。
【図５】本発明の超伝導３端子素子の他の実施例を示す斜視図。
【図６】本発明の超伝導３端子素子の他の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１１、２１、３１…第１超伝導体層
１２、２２、３２…常伝導体層
１３、２３、３３…絶縁体層
１４、２４、３４…第２超伝導体層
１５…ソース電極
１６…ドレイン電極
１７…ゲート電極
１８、２８、３８…イオンビーム照射領域
１９、２９、３９…局所伝導領域
２５、２６…検出電極
２７…放射線吸収体
３７…端子

Claims

a)第１の超伝導体層と、
b)前記第１超伝導体層に積層された常伝導体層と、
c)前記常伝導体層に積層された絶縁体層と、
d)前記絶縁体層に積層された第２の超伝導体層と、
e)前記絶縁体層内に局所的に形成された局所伝導領域と、
f)前記第１超伝導体層に接続された第１の端子と、
g)前記第２超伝導体層に接続された第２の端子と、
h)前記常伝導体層に接続された第３の端子と、
を備えることを特徴とする超伝導３端子素子。
前記絶縁体層が酸化物絶縁体又は窒化物絶縁体から成り、前記局所伝導領域が、前記絶縁体層よりも酸素イオン又は窒素イオンの濃度が低い領域から成ることを特徴とする請求項１に記載の超伝導３端子素子。
前記局所伝導領域が常伝導領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導３端子素子。
前記局所伝導領域が前記常伝導体層と同じ材料から成ることを特徴とする請求項３に記載の超伝導３端子素子。
前記局所伝導領域が前記絶縁体層にイオンビームを照射することにより形成されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超伝導３端子素子。
前記絶縁体層の側面が斜面状に露出し、前記局所伝導領域が該側面に前記イオンビームを照射することにより形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の超伝導３端子素子。
請求項１〜６のいずれかに記載の超伝導３端子素子の前記第３端子をゲート電極としたことを特徴とする超伝導トランジスタ。
請求項１〜６のいずれかに記載の超伝導３端子素子の前記第３端子を放射線吸収体としたことを特徴とする超伝導放射線検出素子。