JPH0284782A - ジョセフソン素子の製造方法 - 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、金属酸化物超伝導体を用い、比較的高温で作
動させることが出来るジョセフソン素子の製造方法に関
する。

（従来の技術） トンネル型ジョセフソン接合素子は、５ＱＵＩＤ、光検
出、スイッチング等の電子デバイスに幅広く使われるも
のである。

従来、トンネル型ジョセフソン接合素子は、第１及び第
２の超伝導体材料として、ニオブ（Ｎｂ）又は鉛（ｐｂ
）又はＮｂ化合物又はｐｂ化合物が使われてきた。又、
そのトンネル障壁膜は超伝導体材料の酸化物を高周波プ
ラズマ酸化処理によって形成させていた。

最近、液体窒素温度以上で超伝導状態を示すセラミック
ス材料が見出された。これらのセラミックス材料は、Ｙ
−Ｂａ−Ｃｕ−０系及びＢ１−３ｒ−（：ａ−Ｃｕ−０
系の酸化物である。

（発明が解決しようとしている問題点）上記の高温超伝
導体は主に酸化物系材料であり、結晶構造は複雑なもの
である。従来、この酸化物系超伝導体の薄膜化は、電子
ビーム加熱法やマグネトロンスパッタ法で行われている
。

しかしながら、酸化物系超伝導体が超伝導を示すには、
その化合物の酸素量が、ストイキオメトリ−か又はそれ
に近くなることが必要である。その為、電子ビーム加熱
法やマグネトロンスパッタ法等の如（還元雰囲気で成膜
を行うと酸素量の欠如した薄膜が形成される。そこで、
この方法で作成した薄膜に超伝導性を与える為には、８
００乃至９００℃の酸素雰囲気中で加熱する必要があっ
た。

又、加熱なしで、ジョセフソン接合素子を得る為には、
基板温度を６５０℃以上にして薄膜形成中の酸素分圧を
上げる必要があった。この為、超伝導膜中の不純物が多
くなり、良好な特性が得られなかった。この様に、トン
ネル型ジョセフソン接合素子を作成する際に高温の熱処
理工程を含むとトンネル障壁膜が拡散し、第１及び第２
の超伝導層には良好な超伝導特性が得られないという問
題点と、酸素分圧を上げると不純物が混入し、超伝導性
が劣化する等の問題があった。

更に、超伝導層と結晶構造の異なる材料をトンネル障壁
膜に用いると、上部の第２の超伝導層は結晶性が非常に
悪くなる。この為、高温超伝導体（セラミックス超伝導
体）を第１及び第２の超伝導層に用い、良好な面接合を
有したトンネル型ジョセフソン接合素子は実現しなかっ
た。

従って、本発明の目的は、上記従来の欠点に鑑み、トン
ネル障壁膜（接合層）の厚さの不均一性及び超伝導層の
結晶の悪化を解消し、良好な面接合を有し、優れた特性
が得られるトンネル型ジョセフソン素子の製造方法を提
供することであ本発明のもう一つの目的は、高温での熱
処理を要することなく、充分に特性の良いトンネル型ジ
ョセフソン素子を簡易な方法で製造し得る、トンネル型
ジョセフソン素子の製造方法を提供することである。

（問題点を解決する為の手段） 上記目的は以下の本発明によって達成される。

即ち、本発明は２発明からなり、第一の発明は基体面に
、第１の超伝導層、接合層及び第２の超伝導層を、イオ
ンビーム蒸着と高周波プラズマ酸化処理との併用によっ
て順次形成するジョセフソン素子の製造方法であって、
上記第１及び第２の超伝導層を形成する過程と上記接合
層を形成する過程とで、上記高周波プラズマ酸化処理の
条件を変えることを特徴とするジョセフソン素子の製造
方法であり、第二の発明は、 基体面に、第１の超伝導層、接合層及び第２の超伝導層
を順次形成するジョセフソン素子の製造方法において、
上記第１及び第２の超伝導層を、イオンビーム蒸着と高
周波プラズマ酸化処理との併用によって形成し、上記接
合層を、イオンビーム蒸着によって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である。

（作　　用） 高温超伝導体（セラミックス超伝導体）は、酸素量がス
トイキオメトリ−に近い時には超伝導相となり、一方、
ストイキオメトリ−からずれた場合、つまり酸素が欠如
したした時には絶縁相になる。

上記の如き相変態現象を利用することによって、同一組
成（構成元素が同一）の金属酸化物を上記トンネル型ジ
ョセフソン接合素子の超伝導層と接合層（トンネル障壁
膜）との両層に用いることが可能であり、これによって
、結晶性の良いトンネル型ジョセフソン接合素子を作成
し、且つ薄く均一な接合層を形成し、良好な特性を有す
るトンネル型ジョセフソン接合素子の提供が可能となる
。　即ち、基体上に第１の超伝導層、接合層（トンネル
障壁膜）及び第２の超伝導層を順次積層してなり、第１
及び第２の超伝導層がストイキオメトリ−又はそれに近
い酸素量を含む金属酸化物超伝導体からなり、且つ上記
接合層が上記金属酸化物超伝導体と同様な組成を有する
が、酸素量の不足している金属酸化物からなるトンネル
型ジョセフソン接合素子が提供される。

（好ましい実施態様） 本発明において第１及び第２の超伝導層の形成材料とし
て好ましく用いることの出来る金属酸化物超伝導体とし
ては、組成式、Ｙ＋Ｂａ＊Ｃｕ５Ｏｔ−δ（０≦δ＜０
．５）で表わされるＹ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の超伝導体で
あり、接合層として好ましく用いることの出来る金属酸
化物は、上記の超伝導体と同一の構成元素からなるが、
その酸素量の少ない金属酸化物、即ち、組成式ＹＪａｔ
ＣｕｓＯｔ−ａ　　（δ＞　０．５１で表わされる金属
酸化物絶縁体である。

上記の第１及び第２の超伝導層は、２，０００人乃至５
，０００人の層厚とされるのが好ましく、接合層は１０
人乃至５００人の層厚とされるのが好ましい。

又、基体としては、ＭｇＯ単結晶や５ｒＴｉＯｓ単結晶
等が好ましく用いられる。

次に上記トンネル型ジョセフソン接合素子を提供する本
発明の製造方法について説明する。

本発明のジョセフソン接合素子の製造方法は、基体面に
第１の超伝導層、接合層及び第２の超伝導層を、イオン
ビーム蒸着と高周波プラズマ酸化処理とによって、順次
形成するジョセフソン接合素子の製造方法であって、上
記高周波プラズマ酸化処理の条件を変えることによって
、上記第１及び第２の超伝導層及び接合層の形成を連続
的に行うことを特徴としている。

上記本発明の製造方法において高周波プラズマ酸化処理
の条件を変えるとは、接合層の形成に際し、 （１）高周波プラズマ酸化処理の高周波パワーを変化さ
せる。

（２）高周波プラズマ酸化処理の酸素ガス流量を変化さ
せる。

等の方法が挙げられる。

上記方法（１）においては、高周波パワーを適当に減少
されるか或いは完全にＯＦＦ状態とすれば、形成される
接合層の酸素含有量を超伝導層より少なくすることが可
能となる。

又、上記方法（２）においては、酸素ガス流量の変化は
、成膜容器内に流入される酸素ガスの単位時間当りの流
量を適当に減少させるか、アルゴン、四弗化炭素或いは
塩素等との混合酸素ガスとすることにより、成膜容器内
に占める酸素ガス濃度を減少させることにより可能とな
る。

次に本発明の製造方法について好ましい実施態様を図解
的に示す図面を参照して更に詳細に説明する。

第１図に本発明の方法に用いた蒸着装置の概略図を示す
。図中１は基板であり、２は形成した超伝導層／接合層
（トンネル障壁膜）／超伝導層の３層構造の薄膜、３．
４及び５は蒸発物質を入れたルツボ、６．７及び８はル
ツボから出た蒸発物質の蒸気をイオン化する為のイオン
化ユニット、９．１０及び１１はイオン化ユニットによ
りイオン化された蒸気を加速する為の加速電極、１２．
１３及び１４は蒸発した蒸気のイオンビームである。１
５．１６及び１７は蒸気を加速する為の加速電源で、こ
の図では基板電位をアース電位とし、ｌ０ＫＶ程度迄の
加速が可能である。１８は真空容器である。１９は高周
波プラズマ発生源、２０はガスイオンビームである。尚
、基板１の温度、ルツボ３．４及び５の温度、イオン化
ユニット６．７及び８におけるイオン化電流、高周波プ
ラズマ発生源１９におけるガス流量、高周波パワー及び
加速電圧は不図示の装置により独立に制御出来る様にな
っている。

本発明では上記の装置を用い、ルツボ３．４及び５から
独立にセラミックス超伝導体の構成元素を蒸発源とし、
更に、高周波プラズマ発生源から酸素ガスイオンビーム
を発生させ、同時に蒸着と酸化を行うものである。

この様に高周波プラズマを発生させながら蒸着すると、
薄膜の酸化がより促進される。この様にすれば熱処理な
しでも十分特性の良い超伝導薄膜が得られる。更に、高
周波プラズマ発生源の高周波パワー、ガス種、ガス流量
等の条件を適当に選ぶことにより酸素がストイキオメト
リ−又はそれに近いセラミックス超伝導体及び酸素がス
トイキオメトリ−からずれている絶縁体を自由に調製す
ることが出来る。

本発明ではこの作用を利用して、先ず、基板上に第１の
セラミックス超伝導層を形成させ、この層の蒸着後、速
やかに高周波プラズマ発生源の高周波パワー、ガス種、
ガス流量等の条件を変化させて絶縁体となる接合層（ト
ンネル障壁膜）を形成させた後、再度速やかに高周波プ
ラズマ発生源の高周波パワー、ガス種、ガス流量等の条
件を制御して第２のセラミックス超伝導体を形成させる
もので、トンネル型ジョセフソン接合素子の３層構造を
同一の素材から１工程で作成することが出来る。

（実施例） 次に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。

実施例１ 第１及び第２の超伝導層の材料として、Ｙ＋ＢａｔＣｕ
ｓＯｔ−ａ　（口≦δ＜　０．５１のストイキオメトリ
−に近いものを、一方、接合層（トンネル障壁膜）とし
てＹ＋Ｂａ２ＣｕｓＯｙ−ａ　　（δ＞　０．５１のス
トイキオメトリ−から離れたものを材料として選んだ。

第１図に示した装置を用いて、ルツボ３．４及び５に蒸
発源としてＣｕ、　Ｂａ、及びＹを入れ、基板として５
ｒＴｉＯｓを用い、その基板温度を３５０℃に設定した
。真空容器１８の真空度を２ＸｌＯ−’Ｔｏｒｒになる
様に調整し、高周波プラズマ源の酸素ガスを第１図に不
図示の導入口より９乃至１２ｍ１／ｍｉｎ、の割合で導
入した。

各成分のイオン化電流及び加速電圧を夫々Ｙ成分におい
ては５０ｍＡ及び０．５ＫＶに、Ｂａ及びＣｕ成分にお
いては１００ｍＡ及び４にＶに設定し、高周波プラズマ
源の高周波パワーを３００Ｗ及び加速電圧を０．３にＶ
に設定した。ルツボ３．４及び５の温度を調整し、基板
上でＹ：Ｂａ：Ｃｕ＝１　：　２　：３（原子比）に近
くなる様にした。この時の蒸発速度は２乃至３人／ｓｅ
ｅ、である。

この様にして作成した第１の超伝導層を途中で取り出し
てＸ線回折を行ったところ、第２図のパターンを得た。

更にこの超伝導特性を調べたところ、第３図の様な温度
−抵抗曲線が得られた。これより上記超伝導層が約８６
にで電気抵抗が零となることを確かめた。この様に熱処
理なしで超伝導層を形成することが出来た。

上記超伝導層を形成後、高周波プラズマ源の高周波パワ
ーをＯＷに、そして加速電位をＯ■にした他は上記と同
じ条件で酸素の欠如した接合層を約３０人の厚みに形成
させた。

その後、再度高周波パワーを３００Ｗ及び加速電圧を０
．３ＫＶとして、第１の超伝導層と同様に第２の超伝導
層を上記接合層上に堆積させた。

この様にして作成した超伝導層／接合層／超伝導層の薄
膜を用いて、通常のホトリソグラフィー技術で第４図に
示す様な本発明のトンネル型ジョセフソン接合素子を作
成した。ここで１は基板、２は第１の超伝導層、３は接
合層（トンネル障壁膜）、そして４は第２の超伝導層で
ある。

本実施例では、１は５ｒＴｉＯｓ基板、２はＹ＋Ｂａ＊
Ｃｕ５Ｏｔのストイキオメトリ−に近い超伝導層、３は
Ｙ＋Ｂａ＊Ｃｕ＊０ｔ−ａ　　（δ＞０．５　）の酸素
の欠如した接合層、４はＹ＋Ｂａ＊Ｃｕ５Ｏｔのストイ
キオメトリ−に近い超伝導層である。

この様にして作成した本発明のトンネル型ジョセフソン
接合素子の電気特性を調べたところ約６０にで、第５図
の様な電流−電圧特性が得られた。このことから良好な
トンネル型ジョセフソン接合素子が形成されていること
が認められた。

実施例２ 基板温度４００℃、酸素流量１ｏ乃至１５ｍ１／ｍｉｎ
、、各成分のイオン化電流及び加速電圧を夫々、Ｙ成分
においてはＯｍＡ及びＯＫＶとし、Ｂａ成分においては
１００ｎ＋Ａ及び５ＫＶとし、Ｃｕ成分においては１０
０ｍＡ及び２ＫＶとした以外は、実施例１と同じ条件で
第１の超伝導層を形成後、速やかに高周波プラズマ源の
ガス種”：：：　酸Ｊガス単独から酸素ガスとアルゴン
ガスとを夫々１：３の割合の混合ガスに変えて、接合層
（トンネル障壁膜）を形成した。この時、高周波プラズ
マ源の高周波パワーは３００Ｗ及び加速電圧０．３ＫＶ
で行った。

その後筒１の超伝導層と同様に第２の超伝導層を形成さ
せ、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて第４図に
示す本発明のトンネル型ジョセフソン接合素子を作成し
た。この素子は約６５にで第５図と同等の電流−電圧特
性を示した。

実施例３ 実施例１と同じ条件で第１の超伝導層を形成後、高周波
プラズマ源のガス種を酸素ガス単独から酸素とアルゴン
の１：１の混合ガスに変え、高周波パワーを１００Ｗ及
び加速電圧０．３ＫＶに設定し、接合層（トンネル障壁
膜）を形成し、その後実施例１と同様に第２の超伝導層
を形成させ、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて
第４図に示す本発明のトンネル型ジョセフソン接合素子
を作成した。この素子は約７５にで第５図と同等の電流
−電圧特性を示した。

本実施例は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０系の超伝導体を材料と
して選んだが、他の酸化物系或いは弗素を含んだ酸化物
系の超伝導材料でも同様にジョセフソン接合素子を形成
させることが可能であり、成膜条件を最適条件にするこ
とによって実施例に限定されずに実施例と同等の効果が
得られる。

（効　　果） 以上説明した様に、本発明によれば、イオンビーム蒸着
法と高周波プラズマ源を併用した成膜方法では、高温で
の熱処理を要することなく十分特性の良いセラミックス
超伝導層を形成することが出来る。

更に高周波プラズマ源の条件を適切に変えることにより
、同一工程で同一原料から接合層も形成出来るので、超
伝導層／接合層（トンネル障壁膜）／超伝導層の構造を
持つ薄膜も蒸＠１工程で形成することが出来る。その為
、従来実現出来なかった高温超伝導体を用いたトンネル
型ジョセフソン接合素子を容易に作成することが可能と
なった。

更に、本発明の製造方法によれば、超伝導層と接合層と
が同一の組成の材料からなる為、良好な面接合を有して
おり、特性の優れたトンネル型ジョセフソン接合素子を
作成することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法に用いた装置の概略図。 第２図は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０薄膜のＸ線回折図形。 第３図は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０薄膜の温度−抵抗曲線。 第４図は、本発明で作成したトンネル型ジョセフソン接
合素子の構成図。 第５図は、本発明で作成したトンネル型ジョセフソン接
合素子の電流−電圧特性。 第１図 １：基板　　　　　　２：薄膜 ３．４．５：蒸発物質を入れたルツボ ６．７．８：イオン化ユニット ９．１０．１１：加速電極 １２．１３．１４：イオンビーム １５．１６．１７：加速電源 １８：真空容器 １９：高周波プラズマ発生源 ２０：ガスイオンビーム 第４図 １：基板 ２：第１の超伝導層 ３：接合層（トンネル障壁膜） ４：第２の超伝導層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体面に、第１の超伝導層、接合層及び第２の超
   伝導層を、イオンビーム蒸着と高周波プラズマ酸化処理
   との併用によって順次形成するジョセフソン素子の製造
   方法であって、上記第１及び第２の超伝導層を形成する
   過程と上記接合層を形成する過程とで、上記高周波プラ
   ズマ酸化処理の条件を変えることを特徴とするジヨセフ
   ソン素子の製造方法。
2. （２）基体面に、第１の超伝導層、接合層及び第２の超
   伝導層を順次形成するジョセフソン素子の製造方法にお
   いて、上記第１及び第２の超伝導層を、イオンビーム蒸
   着と高周波プラズマ酸化処理との併用によって形成し、
   上記接合層を、イオンビーム蒸着によって形成すること
   を特徴とするジョセフソン素子の製造方法。
3. （３）第１及び第２の超伝導層を金属酸化物超伝導体で
   形成し、接合層を該金属酸化物超伝導体と同一の構成元
   素を有し、且つ該金属酸化物超伝導体よりも酸素含有量
   の少ない金属酸化物で形成する請求項１又は２に記載の
   ジョセフソン素子の製造方法。