JPH01161881A - ジョセフソン素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
造と製造方法に関する。

（従来の技術） 従来、ニオブ等の金属および窒化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を用いた
素子（ジョセフソン素子）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、主にシリコン基板上にジョセフソン素子が
製作されていた。場合により基板上に形成した超伝導体
の薄膜のパターンエツジを用いたトンネル障壁の構造を
有するエツジ接合型ジョセフソン素子も用いられている
。このエツジ接合の構造においては、τ方の超伝導体電
極のみが薄膜のエツジを用いており、他方の超伝導体電
極は薄膜の面が用いられている。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は、膜
の方向や膜の結晶方位に依存してほとんど変化しないこ
とによっている。

一方、最近イツトリウム−バリウム−銅（ＹＢａＣｕ）
等の酸化物において、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４０に〜９０に前後において超伝導
状態に転移する。これらの高温酸化物超伝導体の超伝導
特性、即ち臨界電流密度や臨界磁界やコヒーレンス長等
の物質定数は、結晶の方位に著しく依存しており、ＡＢ
面内方向とＣ軸方向において１桁以上の差も見られる。

さらに酸化物高温超伝導体の薄膜は、チタン酸ストロン
チウム結晶上に基板温度５００°Ｃ〜７００°Ｃで成膜
した時アニールなしで超ｆ云導特性を示し、膜の結晶性
も基板の結晶方位を反映して配向することが知られてい
る。又酸化物超伝導体膜中に生じた結晶の粒界をジョセ
フソン素子として用いたスクイラド（ＳＱＵＩＤ）も開
発されている。

（発明が解決しようとする問題点） 酸化物高温超伝導体は、超伝導性が作用するコヒーレン
ス長が２〜４ｎｍ程度と著しく小さく、かつ真空による
酸素の離脱や、大気中の水蒸気との反応等による超伝導
性の破壊が生じ易いことが知られている。このため、超
伝導体間にジョセフソン接合を制御性良く作ることが非
常に困難であった。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（Ｊｐｎ
。

Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ　ｖｏｌ、２６．　Ｎｏ、
５　ｐｐＬ８０１〜Ｌ７０３）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して生じる
結晶粒界をジョセフソン接合とする方法（信学技報ｖｏ
１．８７．　Ｎｏ、２４９　Ｐ７３〜７８）によって作
られている。

しかしながら、これら従来の方法によって作られたジョ
セフソン素子は、接合の臨界電流値の制御と再現性が著
しく悪く、又、所望の位置に接合を形成することができ
なかった。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制御性良く形成できな
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。

（問題点を解決するための手段） 本発明のジョセフソン素子は、結晶基板もしくは結晶膜
上に設けた結晶不連続部と、前記結晶板もしくは結晶膜
上に成長された超伝導体膜と、前記結晶不連続部上の超
伝導体膜に粒界を形成してジョセフソン接合とした構造
である。さらに本発明のジョセフソン素子は、結晶基板
もしくは結晶膜中に加速されたイオンを打込んで結晶を
破壊して前記結晶不連続部を形成することによって製造
される。

（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薄
膜上に結晶の不連続構造を形成する。続いて、この上に
超伝導物質を成膜する。成膜された超伝導薄膜の結晶性
は下地の結晶性を反映する。従って、形成される膜は結
晶の不連続部上では結晶方位が定まらないため、膜の結
晶化が抑制される。このため、結晶の不連続部の両側に
成長した膜の結晶領域が徐々に拡大され不連続部に結晶
粒界を残して、不連続部の両側の膜が成長する。

本発明のジョセフソン素子は上呂己のようにして形成さ
れた結晶粒界を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寸法は、結晶上に
形成する不連続部の制御と、超伝導体膜の厚さと平面的
な寸法によって規定できる。

（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結晶の不連続部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のイツトリウム・バリウム・銅酸化物から
なる超伝導体電極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。チタン酸ストロ
ンチウム結晶基板１はＣ軸方向に配向している。よって
第１および第２の超伝導体電極３，４のイツトリウム・
バリウム・銅酸化物超伝導体膜は、基板と同一方向であ
るＣ軸が面に垂直に配向している。従って、ジョセフソ
ン接合５を通過して流れる電流は、第１および第２の超
伝導体電極３，４のイツトリウム・バリウム・銅酸化物
のＡＢ軸面方向に流れる。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。たとえば、ジョセフソン素子の臨界電流値
として十分大きな値０．１ｍＡ以上が、ｌｐｍｅｆＡ幅
の０．２ｐｍ厚の超伝導体膜を用いたジョセフソン素子
によって容易に得られる。

本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
を形成する部分に収束イオンビーム法により１００ＫＶ
で加速した金イオンを打込む。金イオンの打込みにより
チタン酸ストロンチウム基板の一部の結晶構造が破壊さ
れ、結晶の不連続部２が形成される。

次に、チタン酸ストロンチウム基板１を６５０°Ｃに加
熱し、イツトリウム・バリウム・銅酸化物を成膜速度１
０ｎｍ１分で蒸着する。蒸着源であるイツトリウム・バ
リウム・銅酸化物は、焼結体をｌ０ＫＶで加速された電
子ビームで加熱される。成長する膜に十分酸素を補うた
めに、好ましくは１００ｖで加速された酸素イオンビー
ムが試料全体に照射される。以上の条件で３０分間成膜
することにより第１および第２の超伝導体電極３，４が
形成される。超伝導体電極３゜４の膜の結晶方位は、そ
れぞれ下地のチタン酸ストロンチウム基板の結晶方位と
一致し、Ｃ軸が面に垂直となっている。又、第１及び第
２の超伝導体３，４の境界には、両結晶膜の成長によっ
て生じた結晶粒界５が、下地の不連続部上の位置となる
ように形成される。

続いて、露光、エツチング技術により、第１及び第２の
電極が所望の形状、たとえばＪｐｍ幅の線に加工され、
必要な配線が行なわれジョセフソン素子が形成される。

イツトリウム・バリウム・銅酸化膜のエツチングには、
１Ｏ−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で加速したビームによる反応
性イオンビームエツチング法が用いられる。エッチング
速度４ｎｍ／分で、８０分間エツチングすることにより
超伝導体電極３，４がパターンニングされる。

超伝導体膜の形成には、上記以外にも、イツトリウム・
バリウム・銅酸化物等の超伝導体の焼結体等の電極を用
いた直流スパッタ法、交流スパッタ法や、イツトリウム
とバリウムと銅の金属をそれぞれ三つの電極として同時
にもしくは時分割でスパッタもしくは蒸着する方法等の
公知の成膜手法が利用できる。さらに超伝導体膜の加工
には、イオンビームエツチング、塩素以外の気体を用い
た反応性プラズマエッチング等が利用される。超伝導体
膜の形成時の温度は６５０°Ｃ以外にも必要により４０
０°Ｃ〜９００８Ｃ等の範囲で変化できることは明らか
である。又、基板としても、マグネ・シアやサファイア
等が使用できることも知られている。

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、チタン酸ストロンチウム結
晶膜２２を成膜する。ここで基板としてサファイアを用
いたのは安価に良質の結晶基板が得られるためである。

チタン酸ストロンチウム膜２２は、電子ビーム蒸着法等
により、６００°Ｃに加熱したサファイア基板２１上に
１０ｎｍ１分の速度で２０分間で２００ｎｍ厚成膜され
る。チタン酸ストロンチウム膜２２はＣ軸が膜面と垂直
な方向に配向する。

以下第１の実施例と同様の手法により、チタン酸ストロ
ンチウム膜２２の表面に結晶の不連続部２が形成される
。続いて、第１および第２の超伝導体電極３゜４が形成
される。超伝導体電極としては、イツトリウム・バリウ
ム・銅酸化物やランタン・ストロンチウム、銅酸化物等
の酸化物高温超伝導体が厚さ３００ｎｍ成膜される。基
板温度６００°Ｃ程度と、十分な酸素を試料表面に供給
することにより、Ｃ軸が膜面に垂直に配向した単一結晶
が、それぞれの電極３゜４として成長する。

チタン酸ストロンチウム膜中の結晶の不連続部２上には
、結晶の粒界が生じる。以上のようにして形成された結
晶の粒界をジョセフソン接合５とし、超伝導電極３，４
を各電極とするジョセフソン素子が構成される。第２の
実施例の結晶の不連続部２及び電極３，４およびジョセ
フソン接合５の製造方法は第１の実施例と同様である。

上記第１．第２の実施例のようにしてＣ軸が面に対して
垂直に配向している結晶基板もしくは結晶膜上に形成し
た超伝導体膜の結晶は、Ｃ軸が面に垂直方向に成長し易
い。このようなジョセフソン接合素子は、ＡＢ軸面に沿
って流れる電流に対してジョセフソン接合が形成できる
ため、臨界電流値を大きくできる。もちろん本発明はこ
れに限定されるものではなくＣ軸が面に対して垂直に配
向していない結晶基板もしくは結晶膜を用いてもよいこ
とは明らかである。

超伝導体膜を形成する下地の結晶膜としては、上記以外
のマグネシア等も用いられる。超伝導体膜を形成する下
地として結晶膜を用いたジョセフソン素子の他の構造と
しては、基板と結晶膜の種々の公知の組合せが利用でき
ることは明らかである。例えばサファイア膜を表面に形
成したＳｉ基板や５ｒＴｔＯｓ膜を表面に形成したサフ
ァイア基板等が利用できる。

（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、下地の単結晶中に形成した結晶の不連続
部上に作るこｔにより、ジョセフソン接合の位置と寸法
が精度よく規定でき、電気的特性の安定化が計れる効果
を持つ。さらに、電極となる膜の結晶方位が下地の結晶
方位で制御できるので、電流密度が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
ン素子の断面構造図である。１・・・チタン酸ストロン
チウム基板、２・・・結晶の不連続部、３１１．第１の
超伝導体電極、４・・・第２の超伝導体電極、５・・・
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)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶基板もしくは結晶膜上に設けた結晶不連続部と
   、前記結晶板もしくは結晶膜上に成長された超伝導体膜
   と、前記結晶不連続部上の超伝導体膜に粒界を形成して
   ジョセフソン接合としたことを特徴とするジョセフソン
   素子。 ２、結晶基板もしくは結晶膜上に設けた結晶不連続部と
   、前記結晶板もしくは結晶膜上に成長された超伝導体膜
   と、前記結晶不連続部上の超伝導体膜に粒界を形成して
   ジョセフソン接合としたジョセフソン素子の製造におい
   て、前記結晶板もしくは結晶膜中に加速されたイオンを
   打込んで結晶を破壊して前記結晶不連続部を形成するこ
   とを特徴とするジョセフソン素子の製造方法。