JPH031584A - ジョセフソン接合素子の製造方法 - 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） 本発明は酸化物超電導体のジョセフソン接合素子の製造
方法に関する。

（従来技術） 特異な電流電圧特性を示すことで知られるジョセフソン
接合素子は、デジタル応用、アナログ応用、干渉形磁束
計である５ＱＵＩＤ、！子電圧装置、ミキサ装置などの
超電導エレクトロニクス分野において重要な素子である
。特に、液体窒素の沸点温度以上の温度で超電導転移を
示す酸化物超電導体（ＹＢａ、Ｃｕ：＋０ｔ−ｙ）が発
見されたことにより、これを利用した液体窒素の沸点温
度で動作する超電導デバイスをより広い分野において利
用するための研究開発が現在多く進められている。ジョ
セフソン接合素子にはトンネル接合型、ポイントコンタ
クト型、プッリジ型などの構造があり、酸化物超電導体
においても同様な構造が考えられている。しかし、トン
ネル接合型では、酸化物超電導体のコヒーレント長が短
いため、トンネルバリアの厚みを数１０人と薄くする必
要があり、又、ポイントコンクタクト型では、再現性や
集積化が難しく、さらに、ブリッジ型ではサブミクロン
の微細な加工技術が必要である。それ故に、現在開発中
の酸化物超電導体におけるジョセフソン接合の多くは、
マイクロブリッジやブレイクジャンクションのような酸
化物超電導体自身の粒界を利用したものとなっている。

このような粒界を利用したジョセフソン接合素子を形成
するためには超電導体の薄膜化が必要であり、スパッタ
法、電子ビーム蒸着法などに代表される真空蒸着法によ
り、多結晶の酸化物超電導薄膜を形成し、その粒界を用
いてジョセフソン接合素子を作っている。

（本発明が解決しようとする課題） 前述した如きジョセフソン接合素子の製造は、しかし、
膜全体の質やジョセフソン接合部分以外に存在する粒界
、また、ジョセフソン接合を形成している粒界の整合性
や不純物の析出などにより、ジョセフソン接合素子とし
ての特性は十分でなく改良が望まれている。

本発明は以上の問題点に鑑みてなされたもので膜全体の
質を向上させ、さらに整合性がよく、粒界などに存在す
る不純物の少ない膜を形成することにより、より特性の
向上した酸化物超電導体によるジョセフソン接合素子を
提供することを解決すべき課題とする。

（問題点を解決するための手段とその作用）本発明は前
述した問題点を解決するためにイツトリウム、バリウム
及び銅を少なくとも含む蒸発源の原料を用いた化学気相
析出法により酸化物超電導薄膜を形成する手段を採用す
る。

より具体的には、本発明の製造方法は、イツトリウム、
バリウム及び銅元素のβ−ジケトン錯体を原料とする。

３成分の原料はそれぞれの蒸気圧が得られる温度まで加
熱し、キャリアガスと共に反応容器内に導入する。キャ
リアガスはアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを
用いる。さらに３成分の原料蒸気とは別の経路で酸素ガ
ス又は酸素を含むガスを導入する。反応容器内に膜を形
成させるための基板を置き、さらにこの基板を加熱する
。基板は少なくとも膜形成時に膜と反応することがな（
熱膨張係数の近い基板がよい。チタン酸ストロンチウム
、マグネシア、安定化ジルコニア、ランタンアルミネー
トなどの多結晶、単結晶の基板などがよい。基板の加熱
は反応容器内に加熱器を置き加熱するか或いは反応容器
の外部から加熱器により加熱する。さらに高周波加熱等
の他の手段を用いてもよい。基板の加熱温度は３成分の
原料蒸気が十分に分解、重合し、結晶性の酸化物超電導
薄膜を形成できる範囲であり、さらに基板と膜とが反応
することにより超電導特性が低下しない範囲である。好
ましくは７００℃〜８５０℃である。反応容器内の圧力
は減圧であり、基板上に原料蒸気が十分に供給されるよ
うなガス流速を得られる圧力で、装置やキャリアガス流
量等にも関係するが１ＱＴｏｒｒ前後が好ましい。膜厚
は析出時間、原料加熱温度及びキャリアガス流量により
任意に制御することができる。ジョセフソン接合素子に
おいては、平坦性のよい膜が必要とされ、析出速度はで
きるだけ遅くするのがよい。好ましくは１時間当り２μ
ｍ以下がよい。

超電導体の組成制御は原料加熱温度及びキャリアガス流
量により制御でき、その組成比はイツトリウム：バリウ
ム：銅＝１：２：３にし、粒界に不純物として他の相が
析出したり、膜全体の超電導特性が低下しないようにす
る。各元素の組成比のずれは数％程度の範囲に制御する
ことが好ましい。また超電導体の酸素量は酸素導入量の
調整による酸素分圧の制御によってコントロールされ、
析出後は析出時の酸素分圧のままか、大気もしくは酸素
１気圧中で冷却すればよい。冷却速度は１’（／ａｋｉ
ｎの徐冷でもよく、３０℃／ｍｉｎ程度の急冷でもよい
。

以上のような製膜方法により形成した超電導体の０．５
〜１μｍ厚みの薄膜をエツチングして、必要とするジョ
セフソン接合を形成する。エツチングプロセスは通常の
方法により行なえばよく、ドライエツチング、ウェット
エツチングなどの方法でよい。ジョセフソン接合を形成
するためのマイクロブリッジ部の幅は、１〜１０μｍ程
度とする。

好ましくは、１μ鋼の幅、１μｍの長さとする。

膜の構造は超電導性、特に臨界電流密度を向上させるた
め、配向膜であることが好ましく、ａ軸が基板に対し垂
直に配向したＣ軸配向膜などがよい。またＣ軸配向にわ
ずかにａ軸が混じった配向膜、Ｃ軸配向膜などの配向膜
などもよい。

（実施例１） 以下第１図〜第５図を参照して本発明の詳細な説明する
。第１図は本発明における製膜方法の１例である。イツ
トリウム、バリウム、銅のβ−ジケトン錯体、Ｙ（Ｃｚ
ｌｌ＋Ｊｚ）＋、Ｂａ（Ｃ＋＋Ｈ＋ｑＯｚ）ｚ、Ｃｕ（
Ｃ＋＋Ｈ＋、０ｔ）ｚを各々１．２．３の原料容器に入
れヒーター４により加熱する。それぞれの加熱温度は１
３４℃２２５２℃１１３３℃である。各原料容器部１．
２．３には不活性ガス導入口５からキャリアガスとして
アルゴンガスが１５０　ｍｌ／ｍｉｎ導入される。又導
入口６からは酸素ガスが反応容器内へ２５０ｍ１７ｍ１
ｎ導入される。各β−ジケトン錯体の蒸気を含んだキャ
リアガス及び酸素ガスは反応容器内７で混合され、Ｍｇ
Ｏ（１００）単結晶基板８上に導入される。基板８は基
体加熱用ヒーター９により８５０℃に加熱される。反応
容器内の圧力は１ＱＴｏｒｒである。以上のようにして
基板上に１時間膜を析出させ、１５”Ｃ／ｍｉｎで冷却
した。

尚、１０は真空ポンプを示す。

形成された膜に、フォトレジストによりマイクロブリッ
ジのパターンを形成し、５％のリン酸水溶液を用いエツ
チングして幅３μｍのマイクロブリッジを形成し、ジョ
セフソン接合素子を製造した。このジョセフソン接合素
子は第２図に示すような電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性を
示し、また、電磁波の照射により、第３図に示すような
Ｉ−■特性を示し、高い電圧まで明確にシャピロステッ
プが観察される。第４図ａ、ｂには電流（１）の電磁波
のパワー依存性を示す。第４図ａはパワーゼロにおける
Ｉ−Ｖ特性、第４図すは、パワーを加えた場合のＩ−■
特性である。電磁波のパワーにより電流（ＩＣ）が変化
し、電磁波のパワー依存性を示していることからマイク
ロブリッジ部にジョセフソン接合が形成されていること
が分る。

（実施例２） 第１図を参照する。イツトリウム、バリウム、銅のβ−
ジケトン錯体、Ｙ（Ｃ＋＋ｌｌ＋＋０ｔ）ｚ、Ｂａ（Ｃ
＋＋Ｈ＋ｑＯ□）２、Ｃｕ（Ｃ＋＋Ｈ＋、０ｚ）ｚを蒸
発源原料として容器１．２．３に入れ、ヒーター４によ
り加熱する。加熱温度はそれぞれ、１３３℃１２４８℃
１１３０℃である。各容器部１．２．３にはガス導入口
５からキャリアガスとしてアルゴンガスを１５０ｄ／ｍ
ｉｎ導入する。又導入口６からは酸素ガスが２５０１ｎ
１．／ｗｉｎ導入される。各原料蒸気を含んだアルゴン
ガス及び酸素ガスは反応容器内７で混合され、ＭｇＯ（
１００）単結晶基板８上に導入される。基板８は基体加
熱ヒーター９により８５０℃に加熱される。

反応容器内の圧力は真空ポンプ１０により減圧され１０
Ｔｏｒｒである。以上のようにして基板上に１時間膜を
析出させ、１５°（：／ｗｉｎで冷却した。形成された
膜は厚さ１μｍである。膜のＸ線回折図形を第５図に示
す。膜の臨界温度は８１に、臨界電流密度は１０’Ａ／
ＣＴＩＩオーダーである。以上の方法により形成された
薄膜にフォトレジストにより薄膜上にブリッジのパター
ンを形成し、５％のリン酸水溶液を用いてエツチングを
行い最小部分で幅１μｍ１長さ１μｍのブリッジを形成
し、１つのジョセフソン接合を有するジョセフソン素子
を製造した。このジョセフソン素子は、３０３ＧＨｚの
電磁波の照射により、第６図に示すようなＩ−Ｖ特性を
示し、約６００μ■の所に明確にシャピロステップが観
察された。

（実施例３） 第３の実施例は第２の実施例と同様の薄膜製造方法でＭ
ｇＯ（１００）単結晶基板上に膜を析出させた。

膜の臨界温度は８１にである。この薄膜にフォトリソグ
ラフィとケミカルエツチングにより２５μｍ×２５μｍ
のサイズで中心部分をエツチングして５ＱＵＩＤのルー
プを形成した。ジョセフソン接合素子は幅約１μｍ、長
さ１μｍのブリッジを５ＱＵＩＤのループの両端に１つ
ずつ形成し、ｄｃＳＱＵＩＤを製造した。このｄｃ−３
ＱＵＩＤの４．２ｋにおけるＶ−Φ特性を第７図に示す
。バイアス電流を１４５μＡ印加時に約８０μ■の電圧
変化が観察された。第８図にこの素子の６０ｋにおける
Ｖ−Φ特性を示す。６０ｋにおいてもΦ。

に対して周期的な電圧の変化が観察された。

（実施例４） 第４の実施例は第２の実施例と同様な方法によりｄｃ−
３ＱＵＩＤを製造した。このｄｃ−３ＱｔＪＩＤの４．
２ｋにおけるＶ−Φ特性を第９図に示す。本実施例にお
いてもΦ。に対し周期的な安定した電圧変化が観察され
た。さらにこの素子においては第１Ｏ図に示すＩＣ−Φ
特性も観察された。

（効　果） 本発明の方法によるジョセフソン接合素子は、今までの
ジョセフソン接合素子に比べ特性の再現性がよく、また
特性の制御性のよい、ジョセフソン接合素子である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明における製膜方法に使用可能な装置の
断面図、第２図は本発明によるジョセフソン接合素子の
Ｉ−Ｖ特性図、第３図は本発明によるジョセフソン接合
素子の電磁波照射時のＩ−■特性図、第４図ａとｂは本
発明によるジョセフソン接合素子の電磁波のパワー依存
性の図、第５図は本発明における薄膜のＸ線回折図形図
、第６図は本発明によるジョセフソン素子の各種出力レ
ベルの電磁波照射時のＩ−Ｖ特性図、第７図、第８図、
第９図は本発明によるジョセフソン素子のＶ−Φ特性図
、および第１０図は本発明によるジョセフソン素子のＩ
Ｃ−Φ特性図である。 図中： １．２．３・・・原料容器、７・・・反応容器内、４・
・・原料加熱ヒーター　８・・・基板、５・・・不活性
ガス導入口、９・・・基板加熱ヒーター６・・・酸素ガ
ス導入口、 代理人　弁理士　　桑　原　英　明 第２図 ｆ　／Ｅ　（２００，ｕＶ／ｄｊｖ　）電ｆ　（２００
，ＬｉＶ／ｄｉｖ　） ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ （ｃｐｓ） 第４図（０） ｔ／Ｈ（２０μＶ／ｄｉｖ） 第４図（ｂ） ｔ／Ｉｆ（２０ハ／／ｄｉＶ　） 」 ○ ［φ０コ ス 第８図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）イットリウム、バリウム及び銅を少くとも含む蒸
   発源原料を用い、化学気相析出法により基板上に形成し
   た酸化物超電導薄膜をマイクロブリッジ型に加工してジ
   ョセフソン接合としたことを特徴とするジョセフソン接
   合素子の製造方法。
2. （２）薄膜に１〜１０μｍ巾のマイクロブリッジのパタ
   ーン形成し、エッチングによりマイクロブリッジ型を形
   成している請求項（１）のジョセフソン接合素子の製造
   方法。
3. （３）マイクロブリッジ型の接合部に結晶粒界を設けて
   いる請求項（１）のジョセフソン接合素子の製造方法。
4. （４）薄膜形成時に基板が減圧下、７００〜８５０℃に
   加熱されることを特徴とする請求項（１）のジョセフソ
   ン接合素子の製造方法。
5. （５）薄膜がｃ軸配向膜から成る請求項（１）のジョセ
   フソン接合素子の製造方法。
6. （６）基板がＭｇＯ（１００）の単結晶板であり、薄膜
   が０．５〜１μｍであり、マイクロブリッジ型の接合部
   を長さ１μｍ、巾１μｍとした請求項（１）のジョセフ
   ソン接合素子の製造方法。