JP5152549B2 - ジョセフソン接合及びジョセフソンデバイス - Google Patents

Description

本発明は超伝導体、特に高温超伝導体を用いた新規なジョセフソン接合及びジョセフソンデバイスに関する。

これまで、超伝導トンネル接合、すなわちジョセフソン接合として、酸化膜（Ｉ）の両側に超伝導体層（Ｓ）を挟み込んだＳＩＳ型ジョセフソン接合を作製する場合、超伝導体層と絶縁バリア層と超伝導体層との３層を順に積層するために、最低でも３回の成膜工程が必要であった（例えば、非特許文献１参照）。超伝導トンネル接合の特性は、いわゆるＩ_ｃＲ_Ｎ積によって特徴づけられ、この値が大きいほど良好な接合となる。

単一磁束量子デバイス（Single Flux Quantum Device、以下、適宜にＳＦＱ素子と称する。）は、ジョセフソン接合を用いた論理回路である（非特許文献２参照）。このＳＦＱ素子においては、磁束量子一本がジョセフソン接合を横切るときに発生するパルス状の電圧を利用して論理回路を構成する。この場合のスイッチング速度は、Ｉ_ｃＲ_Ｎ積に逆比例する。従って、Ｉ_ｃＲ_Ｎ積が大きい程、高速で動作する。Ｉ_ｃＲ_Ｎ積は、大凡、ジョセフソン接合に用いる超伝導体の臨界温度（Ｔｃ）に比例して大きくなる。

Gomez Espinoza Luis Beltran、博士号学位論文、米国、Cincinnati大学、２００３年５月３０日提出 萬 伸一、「単一磁束量子デバイス」、固体物理、第４０巻、No.１０，ｐ．８０７、２００５年

高温超伝導体層を用いたジョセフソン接合によれば、そのＴｃが従来のＮｂなどの超伝導体よりも大きいので、Ｉ_ｃＲ_Ｎ積が大きくなることが予測されている。しかしながら、現状の高温超伝導体においては、Ｉ_ｃＲ_Ｎ積が理論的に期待される値の１０％程度の値をもつジョセフソン接合しか得られず、Ｉ_ｃＲ_Ｎ積が高くできないという課題がある。

特に、高温超伝導体においては、絶縁バリア層作製の制御性や再現性を高めることが非常に困難であるために、良質の超伝導ＳＩＳ型トンネル接合の作製ができていないという課題がある。

本発明は上記課題に鑑み、超伝導体、特に高温超伝導体によるＳＩＳ型ジョセフソン接合において、良好な絶縁バリア層が得られないという技術的困難を克服するために、絶縁バリア層の形成を不要とする新規なジョセフソン接合及びジョセフソン接合デバイスを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のジョセフソン接合は、基板と、基板上に形成される結晶からなる高温超伝導体層と、高温超伝導体層の中央部上に積層される強磁性層と、を備え、高温超伝導体層の中央部の幅は、中央部の両端部の幅よりも狭く形成されており、かつ、ジョセフソン侵入長以下であることを特徴とする。
上記構成において、強磁性層は導電性強磁性層又は絶縁性強磁性層の何れかでなっていてよい。
高温超伝導体層の中央部と導電性強磁性層とを絶縁するための絶縁層が、好ましくは、高温超伝導体層の中央部と導電性強磁性層との間に挿入されている。
高温超伝導体層の中央部の幅は、好ましくは高温超伝導体層のコヒーレント長と同程度である。
高温超伝導体層は、好ましくは、酸化物超伝導体からなる。この酸化物超伝導体は、好ましくは銅酸化物超伝導体からなり、銅酸化物超伝導体は、Ｌａ，Ｓｒ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＬＳＣＯ）、Ｙ，Ｂａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＹＢＣＯ）及びＢｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＢＳＣＣＯ）の何れかである。
強磁性層は、好ましくは、フェライト、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）の何れかである。
基板は、好ましくは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＬａとＡｌと酸素とからなるＬａＡｌＯ₃基板及びＳｒとＡｌと酸素とからなるＳｒＡｌＯ₃基板の何れかである。

上記構成によれば、超伝導体層の中央部上に被覆された強磁性層、又は、絶縁層を介して積層される導電性強磁性層は、磁性体であるので、超伝導を抑制する働きがあり、超伝導体層を抑制する作用を発揮する。特に高温超伝導体層に対しては、超伝導体（以下、適宜Ｓとも呼ぶ）から絶縁体（以下、適宜Ｉとも呼ぶ）への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となる。従って、本発明のジョセフソン接合は、所謂ＳＩＳ型又はＳＮＳ型（Super-Normal-Super）のジョセフソン接合として動作する。
本発明のジョセフソン接合は、従来のＳＩＳ型又はＳＮＳ型ジョセフソン接合よりも構造が簡単である。このため、その製造に必要なプロセス数を従来のＳＩＳ型又はＳＮＳ型ジョセフソン接合よりも減らすことができる。
従って、本発明のジョセフソン接合は、高温超伝導体を用いたＳＩＳ型ジョセフソン接合で深刻な問題になっていた絶縁バリア層の作製というプロセスを使用しないので、電気特性の再現性及び制御性を飛躍的に改善することができる。これにより、高温超伝導体を用いたジョセフソン接合のＩ_ｃＲ_Ｎ積を大きくすることが可能になる。

本発明のジョセフソン接合を用いたジョセフソンデバイスは、上記何れかに記載のジョセフソン接合を用いたことを特徴とする。

上記構成によれば、超伝導体層の中央部に、強磁性層又は絶縁層を介して積層される導電性強磁性層により障壁が形成され、ＳＩＳ型ジョセフソン接合を用いたジョセフソンデバイスが得られる。このジョセフソン接合は構造が簡単で、従来のトンネル酸化膜を必要としない。このため、高温超伝導体層を用いた場合には、ジョセフソン接合のＩ_ｃＲ_Ｎ積を大きくすることができるので、ジョセフソン接合が高速で動作する。本発明のジョセフソンデバイスは、構造が簡単であることから集積化が容易であり、ジョセフソン接合を用いた各種のジョセフソンデバイスの性能を向上させることができる。

本発明によれば、強磁性層からなるバリア層を用いた、新規なＳＩＳ型ジョセフソン接合及びジョセフソンデバイスを提供することができる。このジョセフソン接合によれば、特にＴｃの大きい高温超伝導体層によるＳＩＳ型ジョセフソン接合において大きなＩ_ｃＲ_Ｎ積を得ることが可能である。このジョセフソン接合を用いたジョセフソンデバイスによれば、各ジョセフソン接合のＩ_ｃＲ_Ｎ積が大きいので、高速の論理回路を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による第１の実施形態に係るジョセフソン接合について説明する。図１は、本発明による第１の実施形態に係るジョセフソン接合１を模式的に説明するもので、それぞれ、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ方向に沿う断面図である。
図１（Ａ）に示すように、本発明による第１の実施形態に係るジョセフソン接合１は、基板６上に形成された超伝導体からなる薄層（以下、超伝導体層と呼ぶ）２上の狭窄部２Ｃに、絶縁性の強磁性層３（以下、絶縁性強磁性層と呼ぶ）が被覆された構造を有している。
ここで、超伝導体層２を構成する超伝導体としては、ニオブ、窒化ニオブ、アルミニウム、鉛や銅酸化物超伝導体などの高温超伝導体などからなる材料を使用することができ、超伝導体であればその種類を問わない。銅酸化物超伝導体としては、Ｌａ，Ｓｒ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＬＳＣＯ）、Ｙ，Ｂａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＹＢＣＯ）、Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＢＳＣＣＯ）などが挙げられる。特に、Ｔｃの大きい高温超伝導体層を用いれば、ジョセフソン接合のＩ_ｃＲ_Ｎ積を大きくすることができる。以下の説明においては、超伝導体層２は高温超伝導体層として説明する。

この絶縁性強磁性層３が被覆される高温超伝導体層２Ｃの幅Ｗ_２は、その両側の電極となる高温超伝導体層２Ａ，２Ｂの幅Ｗ_１よりも狭くした狭窄構造、所謂、ブリッジ構造としている。

高温超伝導体層２Ｃの幅Ｗ_２は、５μｍ程度までとしてもよいが、高温超伝導体層２のコヒーレンス長と同程度としてもよい。例えば、Ｗ_２は、３０ｎｍから５０ｎｍ程度とすればよい。図示の場合には、高温超伝導体層の中央部２Ｃだけを狭窄構造としているが、中央部２Ｃに接続する両側の高温超伝導体層２Ａ，２Ｂの幅も狭くして細線構造としてもよい。例えば、高温超伝導体層２全体の幅をＷ_２としてもよい。高温超伝導体層２Ｃの幅Ｗ_２は、電流分布が一様である必要がある。一様でない場合には、ジョセフソン磁束が生じてしまい、動作に支障をきたす。そのためには、高温超伝導体層２Ｃの幅Ｗ_２はジョセフソン侵入長程度以下でなければならない。ジョセフソン侵入長は臨界電流に反比例するので、温度を変化させることによってジョセフソン接合をこの条件を満たすようにすればよい。

高温超伝導体層２における厚さｔ_ｓの唯一の制約は、超伝導特性が発現するための必要最小限の値以上になっていることである。その具体的値は、超伝導体の材料として何を用いるかに依存する。例えば、後述する実施例の銅酸化物超伝導体の場合、過去の文献では、数ｎｍで比較的良好な超伝導特性が発現している例がある。

図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、ジョセフソン接合１の狭窄構造部１Ａは、高温超伝導体層２Ｃが、絶縁性強磁性層３で被覆される領域である。絶縁性強磁性層３のＸ方向の幅Ｌは、高温超伝導体層２Ｃを覆う長さであればよい。例えば、絶縁性強磁性層３の幅Ｌは、理論的には、超伝導体のコヒーレンス長程度でないとジョセフソン効果は起こらないが、未解明の機構などによりそれより長距離でジョセフソン効果が生起する可能性もある。この場合には、寸法上の制約はなくなる。具体的には、３０ｎｍから１０００ｎｍ程度とすればよい。絶縁性強磁性層３の積層方向の厚さｔは、下部にある高温超伝導体層２の超伝導特性を抑制してジョセフソン特性が出現しさえすればよいので、厚くする分には特に寸法上の制約はない。例えば、１０ｎｍ以上（ｔ＞１０ｎｍ）とすればよい。厚さｔが大凡１０ｎｍ以下では、後述する高温超伝導体層２Ｃへのバリア作用が果たせなくなるので好ましくない。

上記の構造を有する本発明のジョセフソン接合１によれば、高温超伝導体層２Ｃの上に被覆された絶縁性強磁性層３は磁性体であるので、高温超伝導体層２Ｃの超伝導を抑制する作用を発揮する。特に高温超伝導体層２Ｃに対しては、超伝導体（Ｓ）から絶縁体（Ｉ）への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となる。従って、本発明のジョセフソン接合１は、所謂、ＳＩＳ型のジョセフソン接合として動作する。絶縁性強磁性層３の寸法、厚み、下部の高温超伝導体層２Ｃの大きさなどを適宜に設定することで、ジョセフソン接合１における結合の強さを自由自在に制御することが可能である。このジョセフソン接合１は、後述するように、半導体集積回路と同様の加工プロセスが適用できるため、大規模な超伝導集積回路を形成するのに適している。

図１においては、高温超伝導体層の狭窄部２Ｃを絶縁性強磁性層３で被覆する構造を示したが、高温超伝導体層の狭窄部２Ｃを絶縁性強磁性層３の上に形成して、ＳＩＳ型のジョセフソン接合１を形成してもよい。

次に、本発明による第２の実施形態に係るジョセフソン接合８について説明する。
図２は本発明による第２の実施形態に係るジョセフソン接合８を模式的に説明するもので、それぞれ、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ方向に沿う断面図である。図２に示すように、ジョセフソン接合８が、図１に示したジョセフソン接合１と異なるのは、超伝導体層２の幅をＷ_２とし、絶縁性強磁性層３を、厚さがｔ_ｆの導電性強磁性層１２とした点にある。他の構成はジョセフソン接合１と同じであるので説明は省略する。

本発明の第２の実施形態に係るジョセフソン接合８においては、高温超伝導体層２の上に被覆された導電性強磁性層１２が、高温超伝導体層を抑制するように作用する。特に、高温超伝導体層２に対しては、超伝導体から絶縁体への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となるが、強磁性層１２は導電性を有しているので、ＳＩＳ型ではなくＳＮＳ型として作用する。従って、本発明の第２の実施形態に係るジョセフソン接合８は、第１の実施形態のジョセフソン接合１０とは異なり、ＳＮＳ型のジョセフソン接合として動作する。

図３は本発明による第２の実施形態に係るジョセフソン接合の変形例を模式的に斜視図である。図３に示すように、ジョセフソン接合８Ａが、図２に示したジョセフソン接合８と異なるのは、厚さｔの導電性強磁性層１２の幅Ｗ_３を高温超伝導体層２の幅Ｗ_２と同じにした点にある。他の構成はジョセフソン接合８と同じであるので説明は省略する。このジョセフソン接合８Ａも第２の実施形態のジョセフソン接合８と同様にＳＮＳ型のジョセフソン接合として動作する。ここで、導電性強磁性層１２の幅Ｗ_３はその磁場が高温超伝導体層２に作用する限り、高温超伝導体層２の幅Ｗ_２よりも狭くしてもよい。

次に、本発明による第３の実施形態に係るジョセフソン接合１０について説明する。
図４は本発明による第３の実施形態に係るジョセフソン接合１０を模式的に説明するもので、それぞれ、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＹ−Ｙ方向に沿う断面図である。図４に示すように、ジョセフソン接合１０が、図１に示したジョセフソン接合１と異なるのは、高温超伝導体層２Ｃに被覆する強磁性層を導電性強磁性層１２とした点と、この導電性強磁性層１２と高温超伝導体層２との間に絶縁層１４を挿入した点にある。他の構成はジョセフソン接合１と同じであるので説明は省略する。

絶縁層１４は、導電性強磁性層１２と高温超伝導体層２Ｃとを絶縁するために挿入した層である。この絶縁層１４は、トンネル層となる絶縁層ではなく、単に絶縁機能を果たせば何でもよい。絶縁層１４の厚さは、例えば１０ｎｍとすることができる。このような絶縁膜として、Ｓｉ_３Ｎ_４膜やＳｉＯ_２膜を用いることができる。

図４においては、高温超伝導体層の狭窄部２Ｃを、絶縁層１４を介して導電性強磁性層１２で被覆する構造を示したが、高温超伝導体層２を導電性強磁性層１２及び絶縁層１４を積層した表面に形成して、ＳＩＳ型のジョセフソン接合１０を形成してもよい。

本発明の第３の実施形態に係るジョセフソン接合１０においては、高温超伝導体層２Ｃの上に被覆された導電性強磁性層１２が、高温超伝導体層２Ｃを抑制するように作用する。特に、高温超伝導体層に対しては、超伝導体から絶縁体への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となる。従って、本発明のジョセフソン接合も、第１の実施形態のジョセフソン接合と同様にＳＩＳ型のジョセフソン接合として動作する。

次に、図５を参照して本発明のジョセフソン接合１，８，８Ａの製造方法について説明する。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による第１の実施形態に係るジョセフソン接合の製造工程を表すもので、図１（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図を示している。
最初に、図５（Ａ）に示すように、基板６上に高温超伝導体層２を成膜する。基板６と高温超伝導体層２との間には、図示を省略するが、必要に応じてバッファ層を挿入してもよい。基板としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＬａとＡｌと酸素とからなるＬａＡｌＯ_３基板、ＳｒとＡｌと酸素とからなるＳｒＡｌＯ_３基板等を用いることができる。
次に、図５（Ｂ）に示すように、マスクなどを用いたリソグラフィ工程及びエッチング工程により高温超伝導体層２にジョセフソン接合の所定のパターンを形成する。
そして、図５（Ｃ）に示すように、高温超伝導体層２上に、絶縁性強磁性層３を成膜する。次に、絶縁性強磁性層３を、マスクなどを用いたリソグラフィ工程及びエッチング工程により絶縁性強磁性層３を所定のパターンとすることで、ジョセフソン接合１を製造することができる。絶縁性強磁性層３の材料としては、Ｆｅ_３Ｏ_４等の各種のフェライトを用いることができる。
ここで、上記の絶縁性強磁性層３を導電性強磁性層１２にすれば、ジョセフソン接合８，８Ａを製造することができる。絶縁性強磁性層３の材料としては、鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ）などを用いることができる。

従来のＳＩＳ型のジョセフソン接合の場合には、超伝導体層、トンネル層となる酸化膜層、超伝導体層、の最低３層の成膜工程が必要であったのに対して、本発明のジョセフソン接合１，８，８Ａの製造方法によれば、高温超伝導体層２及び絶縁性強磁性層３の２層を形成することで製造することができる。このため、トンネル層となる酸化膜層の形成が不要となり、工程数を減らすことができる。特に、従来の銅酸化物による高温超伝導体絶縁障壁層を積層する時にせっかく形成された清浄表面が必ず破壊されてしまっていたが、そのような損傷を生じさせないで、ジョセフソン接合１，８，８Ａを製造することができる。このように、本発明によるジョセフソン接合１の製造方法の特徴は、従来のトンネル層となる酸化物層の成膜工程を必要としないことである。
本発明の方法によりジョセフソン接合１，８，８Ａを製造すれば、ジョセフソン接合１，８，８Ａの電気特性の制御性や再現性を飛躍的に向上させることができる。

次に、本発明による第４の実施形態に係るジョセフソン接合１０の製造方法について説明する。
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明による第４の実施形態に係るジョセフソン接合１０の製造工程を示すもので、図２（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図を示している。
本発明による第４の実施形態に係るジョセフソン接合１０を製造する場合には、上記したジョセフソン接合１の製造方法と同様に、高温超伝導体層２のパターンを形成した後に（図６（Ａ）及び（Ｂ）参照）、さらに、図６（Ｃ）に示すように、所定の形状の絶縁層１４を形成する工程を追加する。次に、図６（Ｄ）に示すように、絶縁層１４上に、絶縁性強磁性層３の代わりに導電性強磁性層１２を所定の形状にして形成すればよい。ここで、導電性強磁性層１２として、鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），マンガン（Ｍｎ），クロム（Ｃｒ）などの材料を用いることができる。

本発明のジョセフソン接合１０の製造方法によれば、絶縁層１４はトンネル層ではなく、導電性強磁性層１２と高温超伝導体層２とを絶縁するだけの働きであるので、絶縁層１４の形成時に高温超伝導体層２に損傷を与えることが無い。これにより、本発明のジョセフソン接合１０の製造方法によれば、ジョセフソン接合１０の電気特性の制御性や再現性を飛躍的に向上させることができる。

上記の高温超伝導体層２、絶縁性強磁性層３、導電性強磁性層１２、絶縁層１４の成膜には、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状のパターン形成には、光露光、電子ビーム露光を用いるマスク工程やドライエッチング工程などを用いることができる。

次に、本発明のジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０を用いたジョセフソンデバイスについて説明する。なお、ジョセフソン接合は図１に示す構造として説明する。
図７は、本発明のジョセフソン接合１を用いた超伝導量子干渉素子（以下、適宜ＳＱＵＩＤと呼ぶ）の構造を模式的に示すもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図である。図７に示すように、超伝導量子干渉素子２０は、超伝導体層２からなる四角形リングの一辺の中央部に絶縁性強磁性層３が被覆されて、ジョセフソン接合１が形成されており、所謂ＲＦ−ＳＱＵＩＤとなる。四角形リングにおいて、Ｘ−Ｘ方向に直交するＹ−Ｙ方向の両辺の中央部には、電流端子２０Ａ，２０Ｂが設けられている。電流端子２０Ａ，２０Ｂに電流を流すと、ある閾値を越えたときに超伝導量子干渉素子２０にはゼロではない電圧が発生するが、この閾値を臨界電流と称する。臨界電流が磁束の関数となることを利用すると、臨界電流の測定により磁束を高感度で検出することができる。図７においては、ジョセフソン接合１を用いたが、絶縁性強磁性層３の代わりに超伝導体層２上に絶縁層１４及び導電性強磁性層１２を被覆したジョセフソン接合８，８Ａ，１０としてもよい。

図８は、本発明のジョセフソン接合１を用いた別の超伝導量子干渉素子の構造を模式的に示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図である。
図８に示すように、超伝導量子干渉素子２５には、超伝導体層２からなる四角形リングのＸ−Ｘ方向の対向する二辺の中央部に絶縁性強磁性層３が被覆されて、ジョセフソン接合１が２個形成されており、所謂、ＤＣ−ＳＱＵＩＤとなる。四角形リングにおいて、Ｘ−Ｘ方向に直交するＹ−Ｙ方向の両辺の中央部には、電流端子２５Ａ，２５Ｂが設けられている。図８においては、ジョセフソン接合１を用いたがジョセフソン接合８，８Ａ，１０としてもよい。ＤＣ−ＳＱＵＩＤにおいても臨界電流の測定により磁束を高感度で検出することができる。

本発明のジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０を用いた単一磁束量子デバイスについて説明する。
図９は、本発明のジョセフソン接合１を用いた単一磁束量子デバイスの構造を模式的に示し、（Ａ）は部分斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図である。図９に示すように、単一磁束量子デバイス３０においては、接地体となる層３１及びこの接地体層の表面上に形成される絶縁層３２上に、超伝導体層３３からなる四角形リングが形成され、この一辺の中央部に絶縁性強磁性層３４が被覆されてジョセフソン接合１が形成され、図７で示すＲＦ−ＳＱＵＩＤが構成されている。超伝導体層３３の図示する一端部３３Ａは接地体層３１と接続されている。他端部３３Ｂは、図示しない他のＲＦ−ＳＱＵＩＤと超伝導体層からなる配線層で連結接続されている。

このように、単一磁束量子デバイス３０においては、多数のＲＦ−ＳＱＵＩＤが集積されて、単一磁束量子デバイス３０による集積回路、即ちＳＦＱ回路を構成することができる。ＲＦ−ＳＱＵＩＤにおいては、量子化された磁束が１個のときと０のときとを、それぞれ、情報の１と０に対応させて論理演算を行なう。図９に示す単一磁束量子デバイス３０のＲＦ−ＳＱＵＩＤにおいては、ジョセフソン接合１を用いたが、絶縁性強磁性層３の代わりに超伝導体層２上に絶縁層１４及び導電性強磁性層１２を被覆したジョセフソン接合８，８Ａ，１０としてもよい。単一磁束量子デバイス３０は、ＲＦ−ＳＱＵＩＤの代わりにジョセフソン接合１を２個用いたＤＣ−ＳＱＵＩＤとしてもよい。

本発明のジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０を用いた単一磁束量子デバイスによれば、集積回路の作製も可能になり、半導体ＣＭＯＳデバイスのパフォーマンスを上回る、超高速で超省電力の集積回路を実現することができる。

本発明のジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０を用いたアレイについて説明する。図１０〜１３はジョセフソン接合１を用いたアレイの構造を模式的に示す平面図である。図１０に示すように、ジョセフソン接合１を用いたアレイ４０においては、超伝導体層が多角形からなる領域４１及び狭窄部４２が連結し、Ｘ−Ｙ方向に格子状に配列されている。格子の交点となる狭窄部４２が絶縁性強磁性層４３で被覆され、ジョセフソン接合１を形成している。したがって、格子の各交点に、多数のジョセフソン接合１が配置されてアレイを構成している。

図１１に示すジョセフソン接合１を用いたアレイ４５の場合には、線状の超伝導体層４６がＸ方向に列状に配置され、線状の超伝導体層４６を連結する超伝導体層の狭窄部４７がＹ方向に所定の間隔で配置され、Ｘ−Ｙ方向に格子状に配列されている。格子の交点となる狭窄部４６が絶縁性強磁性層４３で被覆され、ジョセフソン接合１を形成している。したがって、格子の各交点に、多数のジョセフソン接合１が配置されてアレイを構成している。

図１２及び図１３に示すジョセフソン接合１を用いたアレイ５０では、超伝導体層の構造は図１１のアレイ４５と同様であり、狭窄部４７が線状の絶縁性強磁性層５３で被覆されている点が異なる。図１２のアレイでは、絶縁性強磁性層５３の幅Ｗ_１を狭窄部４７よりも狭くしている。図１３のアレイでは、絶縁性強磁性層５３の幅Ｗ_２を狭窄部４７よりも広くしている。
上記アレイ４０，４５，５０，５５においてはジョセフソン接合１を用いたが、絶縁性強磁性層４３，５３，５７の代わりに超伝導体層４１，４６上に絶縁層１４及び導電性強磁性層１２を被覆したジョセフソン接合８，８Ａ，１０としてもよい。

本発明のジョセフソン接合１を用いたアレイ４０，４５，５０，５５によれば、ミリ波から遠赤外までの広ダイナミックレンジのフォトンジェネレータ及びディテクタとして利用することができる。

なお、本発明において、ジョセフソンデバイスとは、ジョセフソン接合単体によるミリ波から遠赤外までの広ダイナミックレンジのフォトンジェネレータ及びディテクタ、ジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子、ジョセフソン接合を用いたＳＦＱ回路などの各種集積回路などを含む概念で用いている。

上記製造方法で述べたように、本発明のジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０はその構造が簡単で製造も容易である。従って、ジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０を複数用いるアレイや集積回路を歩留まりよく製造することができる。製造方法が簡単であるので、アレイや集積回路を構成する各ジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０の電気特性のばらつきを無くすことができる。このため、各ジョセフソン接合１，８，８Ａ，１０のＩ_ｃＲ_Ｎ積を揃えて製造することができる。

以下、本発明によるジョセフソン接合の実施例について詳細に説明する。
図１４（Ａ）〜（Ｋ）は、実施例のジョセフソン接合８を製作する際の製作工程を模式的に示す断面図である。
図１４（Ａ）に示すように、ＬａＳｒＡｌＯ_４（ＬＳＡＯ）基板６上に、後述するパルスレーザを用いたアブレーション法（ＰＬＤ法）によって膜厚が約４０〜８０ｎｍのＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４からなる超伝導体層２を堆積し、図１４（Ｂ）に示すようにＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４超伝導体層上にポジ型の電子ビーム露光用レジスト６１（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製、型番１８１３）を塗布し、図１４（Ｃ）に示すように電子ビーム露光６２を行ない、現像を行なうことによって強磁性層１２が配置されるべき領域が開口されたレジストパターン６３を形成した（図１４（Ｄ）参照）。

図１４（Ｅ）に示すようにレジストパターン６３を形成した基板６の表面全面に強磁性層１２となる鉄を、厚さが５０〜１５０ｎｍとなるように抵抗加熱による蒸着法（真空度は約４×１０^−６Ｔｏｒｒ）により堆積し、レジストパターン６３をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な強磁性層が除去されて強磁性層１２のパターンが超伝導体層２上に形成される（図１４（Ｆ）参照）。

以下の工程は余分な超伝導体層２をエッチングにより除去する工程である。
図１４（Ｇ）に示すように電子ビーム露光用レジスト６１が塗布され、図１４（Ｈ）に示すように電子ビーム露光用レジスト６１が露光され、図１４（Ｉ）に示すように電子ビーム露光用レジストが現像されて超伝導体層２をエッチングするパターン６５が形成される。次に、図１４（Ｊ）に示すようにエッチングパターン６５をマスクとして余分な超伝導体層がエッチングされ、最後にエッチングパターンとして用いた電子ビーム露光用レジスト６５を除去して実施例のジョセフソン接合を製作した。なお、上記ジョセフソン接合８の作製で用いたパターンには、ジョセフソン接合８の電気抵抗特性評価のための四端子法パターン等も含んでいる。

図１５はパルスレーザアブレーション法に用いた装置を示す模式図である。図１５に示すように、パルスレーザアブレーション装置７０は、真空容器７１と、真空容器７１内部に配置される超伝導体材料を含むターゲット７２及び基板７３を保持する基板保持部７４と、真空計７５と、真空容器７１の排気部７６と、真空容器７１への酸素ガス導入部７７と、真空容器７１の外部に配置されるパルスレーザ７８と、を主要部として備えている。パルスレーザ７８からの光は、レンズ７９を介して真空容器７１に設けられた石英ガラスなどからなる窓部７１Ａからターゲット７２に照射される。ターゲット７２を回転させるターゲット回転部８１をさらに備えていてもよい。

パルスレーザアブレーション装置７０は、基板保持部７４に基板７３が載置され、所定の真空度に到達した後に、パルスレーザ７８がターゲット７２に照射されると共に、超伝導体層の原料となる酸素ガスも供給される。パルスレーザ７８の加熱によりターゲット７２から蒸発した材料及び酸素により基板７３上に超伝導体層が堆積する。パルスレーザ７８としては、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを用いた。

上記のパルスレーザアブレーション装置７０で、Ｌａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４の組成ｘの異なる膜を得た。ｘが０．１５及び０．２の超伝導体層の結晶特性及び超伝導特性について説明する。
図１６は、実施例においてパルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４膜のＸ線回折パターンを示す図であり、（Ａ）がＳｒの組成ｘが０．１５の場合を、（Ｂ）がＳｒの組成が０．２の場合を示している。図１６の縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示し、横軸は角度２θ（°）、すなわちＸ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度である。
図１６から明らかなように、作製したＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４（ｘ＝０．１５及び０．２）、つまり、Ｌａ_１．８５Ｓｒ_０．１５ＣｕＯ_４（図１６（Ａ）参照）及びＬａ_１．８Ｓｒ_０．２ＣｕＯ_４（図１６（Ｂ）参照）においては、何れも回折Ｘ線強度の鋭いピークが観測され、結晶性の良好な超伝導体の相が得られていることが分かった。

図１７は、実施例において、パルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４（ｘ＝０．１５及び０．２）膜の抵抗率の温度依存性を調べた結果を示す図である。図１７の縦軸は抵抗率（ｍΩ・ｃｍ）であり、横軸は絶対温度（Ｋ）である。
図１７から明らかなように、組成ｘが０．１５のＬａ_１．８５Ｓｒ_０．１５ＣｕＯ_４からなる超伝導体層の臨界温度は約３０Ｋであり、組成ｘが０．２のＬａ_１．８Ｓｒ_０．２ＣｕＯ_４からなる超伝導体層の臨界温度は約２５Ｋであることが分かった。

（比較例）
実施例に対する比較例として、強磁性層を設けないものを製作し、これ以外は実施例と同様にして製作した。この比較例は、超伝導体層の細線から構成されている。

図１８は、（Ａ）が実施例のジョセフソン接合を観察した走査電子顕微鏡像を示す図であり、（Ｂ）が（Ａ）の説明図である。電子線の加速電圧は１５ｋＶであり、倍率は２万３千倍である。図１８から明らかように、超伝導体層２の幅が２μｍであり、超伝導体層２上に形成された導電性強磁性層１２の幅が４００ｎｍ（０．４μｍ）であることが分かる。

実施例で作製したジョセフソン接合８の電気的特性について説明する。製作したジョセフソン接合８の電気抵抗特性は、直流四端子法を用いて測定した。以下の測定は全て液体ヘリウムクライオスタット中で行った。
図１９は、実施例のジョセフソン接合８における電気抵抗の温度依存性を測定した結果を示す図である。図１９の縦軸は抵抗（Ω）、横軸は絶対温度（Ｋ）であり、比較例も併せて示している。超伝導体層２は、Ｌａ_１．８５Ｓｒ_０．１５ＣｕＯ_４を用いた。
図１９から明らかなように、比較例の超伝導体層が２９．７Ｋで零となるのに対して、実施例のジョセフソン接合８の電気抵抗は２７．７Ｋで零となり、超伝導が生じる温度、すなわち、臨界温度が低下したことが分かった。これは、実施例のジョセフソン接合８が導電性強磁性層１２を備えていることにより、導電性強磁性層１２の下部にある超伝導体層２の臨界温度が低下することに起因している。

図２０は、実施例のジョセフソン接合８に流れる電流の温度依存性を測定した結果を示す図である。図２０の縦軸は電流（μＡ）、横軸は絶対温度（Ｋ）である。図２０から明らかなように、実施例のジョセフソン接合８に流れる臨界電流は、温度の低下と共に直線的に増加し、低温では一定値に漸近するというジョセフソン接合特有の性質を示していることが分かった。

実施例のジョセフソン接合８が真のジョセフソン接合であることをさらに明確に検証するために、外部からマイクロ波を照射してその直流の電圧電流特性を測定した。マイクロ波は同軸ケーブルを用いて、液体ヘリウムクライオスタット内のジョセフソン接合の極く近傍まで導入して照射した。照射電力は１ｍＷ（０ｄＢｍ）であり、測定温度は８．７Ｋである。
図２１は、実施例のジョセフソン接合８において１０ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図２１の横軸はジョセフソン接合への印加電圧（Ｖ）であり、右縦軸が電流（μＡ）を、左縦軸が微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ、任意目盛り）を示している。図２１から明らかなように、実施例のジョセフソン接合８に流れる電流は、その微分抵抗においてなだらかなキンクが２０μＶおきに観察された。

ジョセフソン接合が示す干渉効果であるシャッピーロ・ステップは、下記式（１）で表わされる。
Ｖ＝ｈｆ／（２ｅ）＝Φｆ （１）
ここで、Ｖはシャッピーロ・ステップの間隔電圧（Ｖ）、ｈはプランク定数（６．６２６×１０^−３４Ｊ・ｓ）、ｅは電子の単位電荷（１．６０２×１０^−１９Ｃ）、Φ（＝ｈ／（２ｅ））は磁束量子である。１０ＧＨｚのマイクロ波を照射したときのシャッピーロ・ステップの間隔は、式（１）から２０μＶと計算される。したがって、実施例で観察されたキンクのステップ間隔は、式（１）を満足し、ジョセフソン接合８が示す干渉効果であるシャッピーロ・ステップが観察されていることが判明した。

上記実施例において、超伝導体層２の一部に強磁性層を配置するという所謂ブリッジ構造のジョセフソン接合が簡単な製造工程で実現できることが分かった。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、強磁性層３，１２や超伝導体層２の寸法は所望のＩ_ｃＲ_Ｎ積が得られるように適宜設計することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

本発明による第１の実施形態に係るジョセフソン接合を模式的に説明するもので、それぞれ、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図、（Ｃ）が（Ａ）のＹ−Ｙ方向に沿う断面図を示す図である。 本発明による第２の実施形態に係るジョセフソン接合を模式的に説明するもので、それぞれ、（Ａ）が斜視図、（Ｂ）が（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図、（Ｃ）が（Ａ）のＹ−Ｙ方向に沿う断面図である。 本発明による第２の実施形態に係るジョセフソン接合の変形例を模式的に示す斜視図である。 本発明による第２の実施形態に係るジョセフソン接合を模式的に説明するもので、それぞれ、（Ａ）が平面図、（Ｂ）が（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図、（Ｃ）が（Ａ）のＹ−Ｙ方向に沿う断面図を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による第１の実施形態に係るジョセフソン接合の製造工程を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明による第２の実施形態に係るジョセフソン接合の製造工程を示す図である。 本発明のジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の構造を模式的に示すもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図である。 本発明のジョセフソン接合を用いた別の超伝導量子干渉素子の構造を模式的に示すもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図である。 本発明のジョセフソン接合を用いた単一磁束量子デバイスの構造を模式的に示すもので、（Ａ）は部分斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ方向に沿う断面図である。 ジョセフソン接合を用いたアレイの構造の一例を模式的に示す平面図である。 ジョセフソン接合を用いたアレイの構造の他の例を模式的に示す平面図である。 ジョセフソン接合を用いたアレイの構造の他の例を模式的に示す平面図である。 ジョセフソン接合を用いたアレイの構造のさらに他の例を模式的に示す平面図である。 実施例のジョセフソン接合を製作する際の製作工程を模式的に示す断面図である。 パルスレーザアブレーション法に用いた装置を示す模式図である。 実施例においてパルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４膜のＸ線回折パターンを示す図であり、（Ａ）がＳｒの組成ｘが０．１５の場合を、（Ｂ）がＳｒの組成が０．２の場合を示している。 実施例において、パルスレーザアブレーション法で堆積したＬａ_２−ｘＳｒ_ｘＣｕＯ_４（ｘ＝０．１５及び０．２）膜の抵抗率の温度依存性を調べた結果を示す図である。 （Ａ）は実施例のジョセフソン接合を観察した走査電子顕微鏡像を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の説明図である。 実施例のジョセフソン接合における電気抵抗の温度依存性を測定した結果を示す図である。 実施例のジョセフソン接合に流れる電流の温度依存性を測定した結果を示す図である。 実施例のジョセフソン接合において、１０ＧＨｚのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１，８，８Ａ，１０：ジョセフソン接合
２，３３，４１，４６：超伝導体層（高温超伝導体層）
２Ａ，２Ｂ：電極
２Ｃ，４２，４７：狭窄部
３，３４，４３，５３，５７：絶縁性強磁性層
６：基板
１２，６４：導電性強磁性層
１４：絶縁層
２０：超伝導量子干渉素子（ＲＦ−ＳＱＵＩＤ）
２０Ａ，２０Ｂ：電流端子
２５：超伝導量子干渉素子（ＤＣ−ＳＱＵＩＤ）
２５Ａ，２５Ｂ：電流端子
３０：単一磁束量子デバイス
３１：接地体層
３２：絶縁層
３３Ａ，３３Ｂ：端部
４０，４５，５５，６０：ジョセフソン接合を用いたアレイ
６１：電子ビーム露光用レジスト
６２：電子ビーム露光
６３，６５：レジストパターン
７０：パルスレーザアブレーション装置
７１：真空容器
７１Ａ：窓部
７２：ターゲット
７３：基板
７４：基板保持部
７５：真空計
７６：排気部
７７：酸素ガス導入部
７８：パルスレーザ
７９：レンズ
８１：ターゲット回転部

Claims (9)

1. 基板と、基板上に形成される結晶からなる高温超伝導体層と、該高温超伝導体層の中央部上に積層される強磁性層と、を備え、
   上記高温超伝導体層の中央部の幅は、該中央部の両端部の幅よりも狭く形成されており、かつ、ジョセフソン侵入長以下であることを特徴とする、ジョセフソン接合。
2. 前記強磁性層が、導電性強磁性層又は絶縁性強磁性層の何れかでなることを特徴とする、請求項１に記載のジョセフソン接合。
3. 前記高温超伝導体層の中央部と前記導電性強磁性層とを絶縁するための絶縁層が、前記高温超伝導体層の中央部と前記導電性強磁性層との間に挿入されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のジョセフソン接合。
4. 前記高温超伝導体層の中央部の幅が、上記高温超伝導体層のコヒーレント長と同程度であることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のジョセフソン接合。
5. 前記高温超伝導体層は、酸化物超伝導体からなることを特徴とする、請求項１に記載のジョセフソン接合。
6. 前記酸化物超伝導体は、銅酸化物超伝導体からなり、該銅酸化物超伝導体は、Ｌａ，Ｓｒ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＬＳＣＯ）、Ｙ，Ｂａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＹＢＣＯ）及びＢｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ及びＯからなる化合物（ＢＳＣＣＯ）の何れかであることを特徴とする、請求項５に記載のジョセフソン接合。
7. 前記強磁性層が、フェライト，鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）の何れかであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のジョセフソン接合。
8. 前記基板は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、ＬａとＡｌと酸素とからなるＬａＡｌＯ₃基板及びＳｒとＡｌと酸素とからなるＳｒＡｌＯ₃基板の何れかであることを特徴とする、請求項１に記載のジョセフソン接合。
9. 請求項１〜８の何れかに記載のジョセフソン接合を用いたことを特徴とする、ジョセフソンデバイス。