JPH02271687A - トンネル型ジョセフソン接合の製造方法 - 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） 本発明は少なくとも下部電極が酸化物超伝導体でなるト
ンネル型のジョセフソン接合の製造方法に関するもので
ある。

（従来の技術） ジョセフソン接合で構成される論理回路や記憶回路は半
導体回路に比べ消費電力が小さく、高速で動作するとい
う大きな利点がある。近年、発見された酸化物超伝導体
は超伝導転移温度Ｔｃが１００に前後と高く、この値に
相当する大きなエネルギーギャップ値をもつ。そのため
、この酸化物超伝導体を用いたジョセフソン接合では、
液体窒素温度（７７，３Ｋ）など従来の超伝導体にない
高温での動作や“高速動作が期待される。

従来、酸化物超伝導体を電極材料とするトンネル型ジョ
セフソン接合の製造方法としては、国中らによって１９
８８年に発表された第２０凹円体素子・材料コンファレ
ンス予稿集（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　ｏ
ｆ　ｔｈｅ２０ｔｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　５
ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄＭａｔｅ
ｒｉａｌｓ）の４５５〜４５８ページの論文などがある
。この方法を第３図（ａ）〜（Ｃ）を用いて工程順に説
明する。

まず、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ０３Ｘ１００
）単結晶からなる基板３１上に、１Ｏ−２Ｔｏｒｒの酸
素雰囲気中でイツトリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、
ｊｌｉｉｌ（Ｃｕ）を共蒸着し、厚さ１０００人のＹＢ
ａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜を成長する。引き続き、この膜を２０
０Ｔｏｒｒの酸素雰囲気で熱処理してａｓ−ｇｒｏｗｎ
で不足している酸素を供給し、高温超伝導性の下部電極
層３２を形成する（第３図（ａ））。この際、下部電極
層３２表面には化学論理的組成からずれた表面層３３が
できる。次に、こうした表面層３３をもつ下部電極層３
２上に、厚さ６０人のアルミナ（Ａｌ２Ｏ２）を蒸着し
てトンネル障壁３４を形成した後（第３図（ｂ））、さ
らに厚さ１０００人の白金（ｐｔ）または銀（Ａｇ）を
蒸着して上部電極層３５を形成してトンネル型ジョセフ
ソン接合の基本構造を完成する（第３図（Ｃ））。デバ
イス化に必要な各層のバターニングは、蒸着時に金属マ
スクを用いる方法で行なう。

（発明が解決しようとする課題） 通常、超伝導特性の優れた化学量論的組成の酸化物超伝
導体膜でもこの表面には膜内部とは組成の異なる超伝導
特性の悪い層が形成される。第２図にａｓ−ｇｒｏｗｎ
で作製した化学量論的組成のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜にお
けるオージェ深さ方向分布を示す。１００人以内の表面
層で組成が著しく変化している様子がわかる。

第３図に代表される従来のジョセフソン接合の製造方法
では、酸化物超伝導体膜でなる下部電極層３２を形成し
た後、直接この上にトンネル障壁層３３を形成する。そ
のため、下部電極層３２とトンネル障壁層３４の界面に
低Ｔｃ層やノーマル層からなる表面層３３が介在し、超
伝導電流の低下やサブギャップリークの増加といった接
合特性の劣化の問題を引き起こす。特に、酸化物超伝導
体ではコヒーレンス長が数人から２０人と極端に短いた
め、接合界面における超伝導特性の劣化の影響は太きい
。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を取り除い
たトンネル型ジョセフソン接合の製造方法を提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は基板上に形成した酸化物超伝導体でなる下部電
極層と、この下部電極層上に形成したトンネル障壁層と
、このトンネル障壁層を介して前記下部電極層と対向し
て形成した上部電極層を基本構成要素とするトンネル型
ジョセフソン接合の製造方法において、前記下部電極層
を形成する際、被着した前記酸化物超伝導体の化学量論
的組成からずれた表面層をドライエツチング法により除
去する工程と、酸素を含む雰囲気中で熱処理してイオン
損傷層の結晶性を回復することを特徴とするトンネル型
ジョセフソン接合の製造方法である。

（作用） 本発明では、ジョセフソン接合の下部電極層を形成する
際に、この下部電極層となる酸化物超伝導体膜の表面層
をドライエツチング法で除去し、引き続きこの膜を酸素
を含む雰囲気中で熱処理する。初めのドライエツチング
工程で化学量論的組成を満たした表面層を出現させ、次
の熱処理工程で、この表面層がドライエツチングにより
受けたイオン損傷の回復を図る。こうした２つの工程に
より良好な超伝導特性を備えた下部電極層が得られる。

その結果、非常にシャープな超伝導体ｌ絶縁体ｌ超伝導
体の接合界面が形成され、従来の超伝導臨界電流の低下
やサブギャップリークの増加といった問題の改善された
トンネル型ジョセフソン接合の製造が可能となる。

（実施例） 次に第１図を用いて本発明の一実施例を示す。

まず、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０焼結体ターゲットを用いたス
パッタ法により、５ｒＴｉ０３（１００）単結晶基板１
１上に厚さ３０００人のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜でなる下
部電極層１２をエピタキシャル成長させる（第１図（ａ
））。スパッタはアルゴン（Ａｒ）と酸素（０２）との
混合ガス雰囲気中で、基板温度５５０〜７５０°Ｃで行
なう。ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜が成長する際に過剰なる構
成元素が膜表面に拡散したり、酸素が膜表面から脱離す
ることによって、下部電極層１２には化学量論的組成か
らずれた１００人前後の表面層１３が形成される。この
表面層１３を除去するためにドライエツチング法により
下部電極層１２の表面を数１０ＯＡエツチングする（第
１図（ｂ））。ここでは、ドライエツチング法として５
００ｅＶ加速のＡｒイオンビームエツチング法を使用し
た。エツチング処理の結果、下部電極層１２表面にはイ
オン損傷層１４が形成される。そこで引き続き、下部電
極層１２を１気圧の酸素雰囲気中５００〜９００°Ｃで
数時間熱処理してイオン損傷層１４の結晶性を回復させ
る（第１図（Ｃ））。次に、下部電極層１２表面にコヒ
ーレンス長程度の厚さの酸化物やフッ化物などの絶縁体
からなるトンネル障壁層１５を形成した後、下部電極層
１２と同様の方法で厚さ３０００人のＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ
ｘ膜をスパッタし上部電極層１６を形成する（第１図（
ｄ））。以上の工程を通してトンネル型ジョセフソン接
合の基本構造が作製できる。下部電極層１２、上部電極
層１６のパターニングは成膜時に金属マスクを用いて行
なう。本実施例の方法によれば、トンネル障壁層１５を
形成する前の工程で、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜の成長時に
形成される化学量論的組成からずれた表面層をドライエ
ツチング法で除去し、引き続き酸素雰囲気中での熱処理
ドライエツチングによるイオン損傷の回復を図る。こう
して、表面まで化学量論的組成と結晶性を保持したＹＢ
ａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜が得られる。そのため、下部電極層１
２とトンネル障壁層１５の界面には顕著な低Ｔｃ層やノ
ーマル層が介在することなく、従来に比べ超伝導臨界電
流の低下やサブギャップリークの少ないジョセフソン接
合が可能となる。

なお、本実施例では、上部及び下部電極層にスパッタ法
により被着したＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜を用いたが、蒸着
法やＣＶＤ法など他の成膜技術を用いてもよいし、Ｙ系
薄膜の代わりにＢｉ系やＴＩ系など他の酸化物超伝導体
膜を用いることもできる。基板には５ｒＴｉ０３（１０
０）を使用したが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）やシリ
コン（Ｓｉ）などの他の物質でなる基板や他の結晶方位
を用いてもよい。また、ドライエツチング法にはＡｒな
どの不活性ガスを用いる方法以外に、反応性ガスを用い
るものも含まれる。

（発明の効果） 本発明によれば、酸化物超伝導体でなる下部電極層の表
面まで化学量論的組成と結晶性が保持されるため、下部
電極層とトンネル障壁層の界面には顕著な低Ｔｃ層やノ
ーマル層が介在することなく、超伝導臨界電流の低下や
サブギャップリークの改善されたジョセフソン接合が製
造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例のトンネル型
ジョセフソン接合の製造方法を工程順に示す断面図、第
２図はＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ膜の組成の深さ方向分布を示
すグラフ、第３図（ａ）〜（Ｃ）は従来のトンネル型ジ
ョセフソン接合の製造方法を示す断面図である。 図において、１１．３１は基板、１２．３２は下部電極
層、１３．３３は表面層、１４はイオン損傷層、１５．
３４はトンネル障壁層、１６．３５は上部電極層である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に形成した酸化物超伝導体でなる下部電極層と、
   この下部電極層上に形成したトンネル障壁層と、このト
   ンネル障壁層を介して前記下部電極層と対向して形成し
   た上部電極層を基本構成要素とするトンネル型ジョセフ
   ソン接合の製造方法において、前記下部電極層を形成す
   る際、被着した前記酸化物超伝導体の化学量論的組成か
   らずれた表面層をドライエッチング法により除去する工
   程と、酸素を含む雰囲気中で熱処理してイオン損傷層の
   結晶性を回復することを特徴とするトンネル型ジョセフ
   ソン接合の製造方法。