JPH0239476A - ディーシースキッド - 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、高い臨界温度（Ｔｃ）を有し、かつ、ジョセ
フソン臨界電流（Ｉｏ）及び常伝導抵抗（Ｒｎ）を同時
に制御し調整できる特性をもったジョセフソン接合を用
いて構成した５ＱＩＩＩＤに開するものである、ＳＱＵ
ＩＤとは、３ｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱｐａｎｔ
ｕｍ　Ｘｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ（超伝
導量子干渉素子）である。

［従来の技術］ ＤＣ−ＳＱＵＩＤは、第１図（ａ）　　に示すように、
超伝導リング１００の２箇所以上に（図では２箇所）ジ
ョセフソン接合１０１を設けてなる。このリング１００
に電流（ｉ）を流すと、リング１００の内部に磁束がな
い場合には、リング１００の両端に電圧（Ｖ）が現れる
。次いで、リング１００の内部に磁束１０２（φ）が貫
く場合には、電圧（ｖ）が変化する（第１図（ｂ）　、
　（ｃ）　）。ＤＣ−ＳＱＵＩＤは、コノヨウニして、
感度の高い磁気測定を行うものである。

ここで、用いられているジョセフソン接合１０１は、超
伝導体と接合容量（Ｃ）と接合抵抗（またはシャント抵
抗）（Ｒ）と等価であり、第１図（ａ）のように表わす
ことができる。

ＤＣ−５ＱＩＩＩＤのジョセフソン接合として、ジョセ
フソン素子を用いることかできるが、ジョセフソン素子
は、従来、２つの超伝導体又は超伝導薄膜を弱く結合す
ることによって、ジョセフソン効果をおこすものであっ
た。そして、これまで、低融点の鉛合金系がジョセフソ
ン素子の電極材料として用いられてきたが、温度サイク
ルや拡散による素子特性の劣化や損傷などの問題、また
結晶粒界が大きく素子の微細化がむずかしい、などの問
題が多いため、最近では、ニオブを中心とした機械的特
性が良好で、熱的に信頼性の高いＮｂ／Ｐｂ、　Ｎｂ／
Ｎｂ、ＮｂＮ／ＮｂＮなどを電極材料とした作製法に多
くの研究がなされている。

しかし、今迄になされた、トンネル接合型ジョセフソン
素子（第９図（ａ））、Ｄａｙｅｍブリッジ素子（第９
図（ｂ））、薄膜変化ブリッジ素子（第９図（Ｃ））、
ポイントコンタクト型ジョセフソン素子（第９図（ｄ）
）においては、微細加工技術の再現性が悪い、構造的に
弱い、量産性に問題がある等、解決すべき問題か多い。

［発明が解決しようとする課題］ 以上述べたように、従来のトンネル結合型等の４種類の
ジョセフソン素子は、生産性、安定性において解決すべ
き問題が残されている。このため、超伝導薄膜の転移温
度を改善する方法、再現性あるリソグラフィ技術の確立
等が必要である。また、これを利用して例えばＤｃＳＱ
ＵＩＤを形成するためには、特性のそろった１対以上の
ジョセフソン・ブリッジ素子が容易に得られることか必
要である。

発明者らは、先に特開昭６２−７９６８２号によって、
容易に、安定した特性のジョセフソン・ブリッジ素子を
作製する技術を提案している。

［課題を解決するための手段］ 本発明者がこのような用途に適したジョセフソン・ブリ
ッジ素子について鋭意研究°を重ねたところ、下部電極
及び上部電極を一般式％式％ で表わされる酸化物超伝導体としたジョセフソン・ブリ
ッジ素子は、常伝導抵抗が低く、特性のトリミングが容
易であるなど、ＤＣ−５ＱｔｌＩＤに−Ｈｅ）中でフィ
ールド・エミッション法によりマイクロ・ブリッジを形
成することで、ヒステリシス特性の無い安定したＤＣ−
５ＱｔｌＩＤを）恩借できることを見出し本発明をなす
に至ったものである。

上記により提案される本発明のＤＣ−５ＱＩＩＩＤは、
超伝導リング中の２箇所以上にジョセフソン素子を設け
てなるＤＣ−５ＱＩＪＩＤにおいて、その特徴とすると
ころは、 該ジョセフソン素子が、基板表面に酸化マグネシウムの
エピタキシャル層を形成し、該酸化マグネシウム層上に
、一般式　ＢｉＳｒＭＣｕ２Ｏｘ（但し、ＭはＣａ、　
Ｌａ、　ＰｒまたはＮｄであり、４≦ｘ≦９である。） で表わされる酸化物超伝導体の下部電極をエピタキシャ
ル成長させ、その上に、絶縁障壁を有し、さらにその上
に上記の酸化物超伝導体の上部電極をエピタキシャル成
長させてなる積層構造であって、該絶縁障壁の一部分に
フィールド・エミッション法によりマイクロ・ブリッジ
を設けていること にある。

また、本発明の好ましい実施態様にあっては、上記絶縁
障壁が酸化マグネシウムにより形成されている。

さらに別の実施態様においては、絶縁物薄膜とアルミニ
ウム薄膜の積層膜もしくは絶縁物薄膜とニオブ薄膜の積
層膜からなる絶縁障壁を有している。

また、本発明の好ましい実施態様にあっては、上記絶縁
薄膜が酸化マグネシウム薄膜により形成されている。

本発明のＤＣ−ＳＱＵＩＤは、超伝導リング内に２筒所
以上のジョセフソン接合を有するが、このジョセフソン
結合は、２個以上の上記特徴を備えたジョセフソン・ブ
リッジ素子の各上部電極および下部電極と超伝導リング
とを接続することによって設けたものである。

本発明においてジョセフソン接合を構成する特徴的なジ
ョセフソン・ブリッジ素子の構造は、基本的には、基板
上に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ１層、下部電極、マイ
クロ・ブリッジの形成された絶縁障壁、上部電極の順に
エピタキシャル成長された層構造のものとして与えられ
る。

この構成において、各構成要素は次のとおりである。

（１）基　　板 本発明において用いることができる基板は、シリコンウ
ェハーと同等の平滑性と絶縁性を有するものであれはよ
い。シリコンウェハーの他にサファイア、石英基板等を
例示することができる。

（２）酸化マグネシウム層 本発明において用いることができる酸化マグネシウム層
は、ピンホールが存在しない範囲内で薄くすることが可
能であるが、その厚さは、通常は１０ｎｍ以上、好まし
くは１１００ｎ以上である。

当該層の作製方法としてはスパッタリング法の他にＣＶ
　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｏｎ）法、Ｍ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅ
ａｍ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌｊ法、Ａ　Ｌ　Ｅ　（Ａｔｏ
ｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ）法等が例示
できる。なお、蒸着法は、酸化マグネシウムの組成比の
制御の困難性を伴うものの、当該層の作製方法として用
いることが可能である。

（３）下部電極 下部電極の膜厚は、ＭｇＯの（２，０，０１に配向する
（すなわちエピタキシャル成長する）膜厚であればよく
、通常は１ｏｒｒ＋ｎ以上、好ましくは１１００ｎ以上
である。但し、下部電極の膜厚が厚い場合得られる素子
の平坦化が難しくなる。

下部電極の作製方法としては、反応性スパッタリング法
の他にＣＶＤ法等を用いることが考えられるが、膜形成
材料の点で反応性スパッタリングを用いるのが好ましい
。

（４）絶縁障壁 絶縁障壁は、例えば厚さ１０〜２０ｙ１ｍの酸化マグネ
シウム膜とすることがで診るが、また絶縁障壁は、例え
ば絶縁物薄膜／＾又、絶縁物薄膜／Ｎｂ、絶縁物薄膜／
　ＡＭ／絶縁物薄膜、又は絶縁物薄膜／　Ｎｂ／絶縁物
薄膜の構成をもつものが挙げられる。これらの層の選択
理由は、接合の抵抗値を下げることにより、ヒステリシ
ス特性が小さくなり、安定した出力が容易に得られるた
めである。ここで、絶縁物薄膜の材料として、ＭｇＯの
他にＣａＯを用いることもできるが、膜の安定性の点か
ら１．１ｇｏが好ましい。

絶縁物薄ｌｌｕ膜厚は、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり
、Ａ４．　Ｎｂ薄膜膜厚は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であ
るのが好ましい。

絶縁物薄膜の厚さが不足すると、超伝導以外の電流が流
れ出して、信号がうまく取り出せなくなることもある。

又厚遇ぎるとコヒーレンス長を越えてしまって超伝導接
合とならなくなる。ＡＮ又はＮｂの厚さは、フィールド
・エミッション法により、マイクロ・ブリッジを形成で
きる厚さである必要から上記の数値を選んだ。

Ａｎ、　Ｎｂ薄膜は、酸化され易い物質なので、同一真
空中で連続的に成膜できる作製方法によって行うことが
必要であり、スパッタリング法の他に、ＣＶＤ法、ＭＢ
Ｅ法等が採用できる。

（５）上部電極 上部電極の膜厚が任意であっても、本発明の所定の効果
は得られる。

上部電極の作製方法は、上記の下部電極の作製方法と同
様のものを用いることができる。

（６）マイクロ・ブリッジ 本発明のジョセフソン・ブリッジ素子中のマイクロ・ブ
リッジは、上記の絶縁障壁の上部電極と下部Ｎ極の間に
電圧パルスを印加することにより、絶縁破壊がおこり、
同時に上部電極、下部電極が蒸発し、弱く導通すること
によって得られる。得られるマイクロ・ブリッジ長は絶
縁障壁の厚さと等しい。

（７）エピタキシャル成長 酸化マグネシウム層、下部電極及び上部電極はいずれも
エピタキシャル成長させた膜であることを特徴とするが
、作製条件として、例えば、スパッタリング法、ＡＬＥ
法、ＣＶＤ法を用い、 基板温度　　２００〜６００℃ 成膜速度　　　１００人／ｍｉｎ　〜５００人／ｍｉｎ
の条件が挙げられる。

以上のジョセフソン・ブリッジ素子を用い、下部電極及
び上部電極に既知の方法で配線することにより、ＤＣ−
ＳＱＵＩＤのための超伝導リングを形成させることがで
きる。

［実　施　例］ 以下本発明の実施例を添付図面に基いて説明する。

本発明のＤＣ−ＳＱＵＩＤの構成概要を第１図（ａ）に
、またジョセフソン・ブリッジ素子の構成例を第２図（
ａ）　、　（ｂ）　に示す。

絶縁基板５上に、素子の電極をエピタキシャル成長させ
るための酸化マグネシウム６を約２００ｎｍスパッタリ
ングにより成膜し、以下すべて同一真空下にて反応性ス
パッタリングにより下部電極の酸化物超伝導体７を約１
００〜１５０ｎｍ、スパッタリングにより絶縁障壁の酸
化マグネシウム８を約５〜１０ｎｍ、その上にスパッタ
リングによりアルミニウム９を５〜ｌｏｎｍ積層した。

さらに反応性スパッタリングにより上部電極の酸化物超
伝導体１０を２５０〜３００ｎｍ成膜を行い積層構造を
作製した。次に、フィールド・エミッション法を用いて
マイクロ・ブリッジ１１を絶縁障壁８及び９に作製した
。ここで用いられるフィールド・エミッション法とは、
上部電極と下部電極に電圧パルスを印加し、フィールド
・エミッション効果によってマイクロ・ブリッジを作製
する方法であり、該方法によれば、複数のマイクロ・ブ
リッジが絶縁障壁中に形成され、得られるマイクロ・ブ
リッジ長は酸化マグネシウム薄膜８とアルミニウム薄膜
層９の積層膜の厚さとなった。

第３図（ａ）〜（」）は、上記接合素子の作製手順、並
びにフィールド・エミッション法によるマイクロ・ブリ
ッジの作製手順を図解的に示したものであり、この方法
によると、２つのジョセフソン接合は独立して特性のト
リミングかできるため、特性の揃ったものを容易に作製
することができる。

他の一つの実施例においては、上記実施例のアルミニウ
ム薄膜層９の代りに、ニオブ薄膜層とした点を除いて、
全く同様の構成とした。

第３図に本発明のＤＣ−５ＱｔｌＩＤに用いるジョセフ
ソン・ブリッジ素子の製作工程を示し、以下筒車に説明
する。

（１００）面をもつシリコンウェハーの基板５上に、酸
化マグネシウム（ＭｇＯ）を反応性スパッタ法により２
００ｎｍ前後成膜し、（２００）に配向した酸化マグネ
シウム層６を形成した。同一真空中にて、下部電極７の
酸化物超伝導体を続けて１５０ｎｍ前後積層させた（第
３図（ａ）参照）。ここで、実施例で用いた酸化物超伝
導体の組成はＢ　１ｓｒｃａｃｕ２０．である。すなわ
ち、前記一般式のＭがＣａの例である。次にリフトオフ
法により下部電極をパターンニングした後、ＭｇＯ又は
５ｉｎ２等により平坦化を行った（第３図　（ｂ）〜（
ｄ）参照）、さらにその上に絶縁層のＳｉＯ□１３を積
層し、ドライエツチング法にて、コンタクト・ホールを
作製した（第３図（ｅ）〜（ｇ）参照）。

絶縁障壁のＭｇＯ／ｌ又はＭｇＯ／Ｎｂ等をスパッタ法
にて形成し、次に上部電極の酸化物超伝導体を反応性ス
パッタ法にて成膜し、又同じようにリフトオフ法にて電
極の分離を行りた（第３図（ｈ）〜（ｉ）参照）。ここ
で、上部電極と下部電極からリード線を取り出し、液体
ヘリウム中でフィールド・エミッション法により、絶縁
障壁にマイクロ・ブリッジを形成した（第３図（１参照
）。所望の特性に調整したのち、リード線を取りはずし
、ＭｇＯ又は５ｉｎ２によって平坦化した後、接続電極
用ＮｂＮ　１４を成膜し、ドライ・エツチング法により
パターンニングを行った（第３図（ｊ）参照）。

２つのジョセフソン・ブリッジ素子を接ぎ合せることに
よりＤＣ−ＳＱＵＩＤが得られる。なお上記ジョセフソ
ン・ブリッジ素子は、膜厚方向に接合を形成する構造の
ためｎｍのオーダーで接合の深さをコントロールするこ
とも容易で、高感度のＳＱＵＩＤを作製する上で多大の
効果を示す。

第４図に本実施例１　（アルミニウム薄膜層を設けたも
の）のジョセフソン効果（第４図（ａ））と、比較例の
従来のジョセフソン素子のジョセフソン効果（第４図（
ｂ））を示す。この図から、比較例においては、ヒステ
リシスが顕著に現れるが、−力木実施例においては、ヒ
ステリシスがなくなり、安定した特性が得られることが
わかる。

次に、フィールド・エミッション法における印加電圧及
びパルス回数に対するジョセフソン臨界電流の変化を第
５図に示す。この図から、印加電圧及びパルス回数を調
整することによって、設計どおりのジョセフソン臨界電
流及び素子特性を得ることができるということが判る。

得られたジョセフソン・ブリッジ素子の寿命試験の結果
を第６図に示す。この図から、本発明に用いるジョセフ
ソン・ブリッジ素子の特性は６００日経過後においても
変化しないことが判る。したがって、このジョセフソン
・ブリッジ素子を用いた未発明に係るＤＣ−５ＱＩＩＩ
Ｄの信頼性が優れている。

第７図に特性例としてジョセフソン臨界電流をフィール
ド・エミッション法で調整した本発明で用いたジョセフ
ソン・ブリッジ素子と、このジョセフソン臨界電流値を
もちいて磁束量子がｎ個存在するモードと磁束量子が（
ｎ＋１）個存在するモードが重ならないように設計した
インダクタンスを含むＤＣニーＳＱＵＩＤの電圧−位相
差（■−φ）特性を示す。

なお、ＤＣ−５ＱＩＩＴＤの特性は、第８図に示す測定
回路を用い、等価信号を導入する方法によって測定した
。

［発明の効果コ 本発明のＤＣニーＳＱＵＩＤは従来のジョセフソン・ブ
リッジ素子を用いては達成し得なかった以下の特徴を持
つ。

第一に、本発明のＤＣ−ＳＱＵＩＤは、ジョセフソン・
ブリッジ素子の絶縁障壁が良好なエピタキシャル膜から
なる上部電極及び下部電極にはさまれているため、極薄
い膜（ｌｏｎｍ）でも高い１穆温度Ｔｃ（２０°にと従
来報告されている値よりも高い）が得られ、電極と絶縁
障壁の界面の超伝導膜の膜質が良好であることからブリ
ッジ長の温度依存性が少ないという効果がある。更に、
ＡＭもしくは、Ｎｂ）を積層することにより、素子の常
伝導抵抗を下げヒステリシス特性を無くすることができ
る。その理由は、必ずしも明らかではないが、Ａｌ又は
Ｎｂ）層の存在により、マイクロ・ブリッジを設ける際
に同時にＡ９．（又は経時変化および熱サイクルに対し
ても非常に安定で他の高Ｔｃ材料に比べて作製が容易で
あることや極薄い膜を使用できることは微細加工の面で
利点になるなどの利点もある。

第二に、液体ヘリウム中でフィールド・エミッション法
によるトリミングを行う場合には、臨界電流■０と常伝
導抵抗を同時に任意に可変できその範囲が広い特徴があ
る。上述した従来のブリッジ構造では構造そのものの作
製が困難であったので、設計通りの素子特性を得ること
も難しく再現性は期待できなかった。しかし、本発明で
はブリッジ部の作製を液体ヘリウム中で行うことができ
るので、この問題は解決されるのみならす、絶縁膜のパ
シベーションも自動的に行われる。絶縁障壁に用いてい
る酸化マグネシウムは熱的に安定な材料であるから素子
の信頼性も向上することになる。また、ヒステリシス特
性が無いために、応用回路は安定して動作することにな
る。さらに、素子特性を決定した後で、周辺回路を設計
することが可能になり設計通りの動作が可能になり大き
な利点がある。

第三は、フィールド・エミッション法によれは、絶縁障
壁中に複数のマイクロ・ブリッジを形成することができ
るため、得られる素子はサージ耐性が改善されたものと
なる。

以上の本発明によるＳＱＵＩＤ磁束計は超伝導生体計測
を含む電子計測器に関する電子機器および通信機の分野
への応用が大いに期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係るＤＣ−ＳＱＵＩＤの構成概
要を示す図、第１図（ｂ）　、　（Ｃ）は磁束変化に対
するＤＣ−５ＱＩＩＩＤ出力を示す図、第２図（ａ）　
、　（ｂ）は該ＤＣ−５ＱＩＩＩＤに用いるジョセフソ
ン・ブリッジ素子の構造を説明するための図、第３図（
ａ）〜（Ｊ）は該ジョセフソン・ブリッジ素子の作製手
順を説明するための図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は実
施例に係るジョセフソン・ブリッジ素子と比較例に係る
ジョセフソン・ブリッジ素子のジョセフソン効果特性を
示す図、第５図はフィールド・エミッション法における
製造条件とジョセフソン・ブリッジ素子の臨界電流との
関係を示す図、第６図は本発明のｌＩｃ−ＳＱＵＩＤを
用いるジョセフソン・ブリッジ素子の特性の経時変化を
示す図、第７図は本発明のＤＣ−ＳＱＵＩＤのＶ−φ特
性を示した特性図、第８図は第７図の特性図の測定に用
いた測定回路図、第９図（ａ）〜（ｄ）は従来のジョセ
フソン素子の概略図である。 ５・・・基板　　　　　６．８・・・酸化マグネシウム
７、ｌＯ・・・酸化物超伝導体 （Ｂ１５ｒＣａＣｕ２Ｏｘ　　但し、４≦ｘく９）９・
・・アルミニウム（又はニオブ） １１・・・マイクロ・ブリッジ １２・・・レジスト １３・・・絶縁体（酸化シリコン） １４・・・窒化ニオブ ４１、４３・・・超伝導電極　４２・・・絶縁体５１・
・・超伝導電極　　　５２・・・弱結合部６１・・・超
伝導薄膜　　　６２・・・溝６３・・・常伝導金属膜　
　７１・・・超伝導電極７２・・・超伝導電極　　１０
０・・・（超伝導）リング１０１・・・ジョセフソン接
合 １０２・・・Ｌｎ束 ［ｊ （α９ （ｂ） 〜７ 第３霧 ■（μＶ） ■（μＶ） 臨 界 電 流 ２Ｉ。 （μＡ） 出 力 電 圧 ｏｕｔ （ｐＶ） 第５図 叩ｈＯ電圧パルスの同数 イｆｘ相Ｌ（φ） 第９図 手 続 補 正 書（方式） ％式％ 尤キ式゛令茅± ４゜ 代 理 人 注 所 東京都千代田区丸の内２丁目６番２号丸の内へ重洲ビル
３３０昭和ΔＳ年１０月 λζ日 補 正 書 本願明１１１ｉＦ中下記事項を補正致します。 記 １、発明の名称」を次の如く訂正する。 「デイ−シースキッド」 手続補正書 昭和６３年７１１１７日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １超伝導リング中の２箇所以上にジョセフ ソン素子を設けてなるＤＣ−ＳＱＵＩＤにおいて、 該ジョセフソン素子が、基板表面に酸化マ グネシウムのエピタキシャル層を形成し、該酸化マグネ
   シウム層上に一般式ＢｉＳｒＭＣｕ＿２Ｏ＿ｘ但し、Ｍ
   はＣａ、Ｌａ、ＰｒまたはＮｄ であり、４≦ｘ≦９ で表わされる酸化物超伝導体の下部電極をエピタキシャ
   ル成長させ、その上に、絶縁障壁を有し、さらにその上
   に上記の酸化物超伝導体の上部電極をエピタキシャル成
   長させてなる積層構造であって、該絶縁障壁の一部分に
   フィールド・エミッション法によりマイクロブリッジを
   設けていることを特徴とするＤＣ−ＳＱＵＩＤ。 ２請求項１に記載のＤＣ−ＳＱＵＩＤにおいて、絶縁障
   壁として酸化マグネシウムを用 いたジョセフソン素子を設けてなるＤＣ− ＳＱＵＩＤ。 ３請求項１に記載のＤＣ−ＳＱＵＩＤにおいて、絶縁障
   壁が絶縁物薄膜とアルミニウム薄膜の積層膜若しくは絶
   縁物薄膜とニオブ薄膜の積層膜からなるジョセフソン素
   子を設けてなるＤＣ−ＳＱＵＩＤ。 ４請求項３に記載のＤＣ−ＳＱＵＩＤにおいて、絶縁物
   薄膜として酸化マグネシウム薄 膜を用いたジョセフソン素子を設けてなる ＤＣ−ＳＱＵＩＤ。