JPH01211983A - ジョセフソン素子 - 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
薄膜のパターンエツジを用いたトンネル障壁構造を有す
るエツジ接合型ジョセフソン素子も用いられる。エツジ
接合の構造に関しては、一方の超伝導体電極膜のエツジ
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、最近イツトリウム・バリウム・銅酸化物（Ｙ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−０）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４０に〜９０に前後において超
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５ｒＴｔＯ３結晶上に基板温度５００°Ｃ〜７０
０°Ｃ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、基板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°Ｃ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ラド（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　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　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７３〜７８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り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ｌア
ルミ酸化膜ｌニオブ接合を形成すると同様の絶縁体をは
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、結晶基板もしくは結晶膜
上に設けた溝上に、超伝導体膜の粒界を形成してジョセ
フソン接合とすることによって構成される。

（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
る反応性イオンエツチング（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等により、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のイツトリウム・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。

溝２上には、超伝導体電極３．４とは異なる結晶構造を
持つイツトリウム・バリウム・銅酸化物が成膜条件に依
存して形成される。

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のイツトリウム・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のイツトリウム・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、ｌｐｍ線幅で０．２ｐｍ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、２ｐｍ線幅で０．２ｍＡ、
４ｐｍ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’）　０．２ｐｍ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
オンエツチング技術（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
０．１ｐｍ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°Ｃに
加熱し、イツトリウム・バリウム・銅酸化物を成膜速度
５ｎｍ／分で１時間蒸着して成膜する。蒸着源であるイ
ツトリウム・バリウム・銅酸化物は、焼結体を用い、１
０ｋＶ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ツトリウム・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。

この詩情の上には、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Ｊ
ｐｍ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で加速した塩
素イオン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
ターニングされる。

超伝導体膜の成膜には、上記以外にも、イツトリウム・
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、イツ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・エツチング法
や塩素以外の気体を用いた反応性プラズマエツチング法
等が用いられる。超伝導体膜の形成時の試料温度は、６
５０’Ｃ以外にも条件により４００６Ｃ〜９００°Ｃ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°Ｃに加熱したサファ
イア基板２１上に、１ｏｎｍ１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ｌ白金膜ｌイツトリウム・バリウム・銅酸化物超
伝導体膜、マグネシア基板ｌチタン酸ストロンチウム膜
ｌイツトリウム・バリウム・銅酸化物超伝導体膜、シリ
コン基板ｌサファイア膜ｌチタン酸ストロンチウム膜ｌ
イツトリウム・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。 第１図 ５粒界ジョセフソン接合 第２図

Claims (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溝上に、超伝導体
   膜の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。