JPH03211777A - ジョセフソン接合の構造及びその製造方法 - 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、ジョセフソン接合の構造及びその製造方法に
関し、特に、点接触型ジョセフソン接合であって、酸化
物超伝導体材料に適する構造及びその製造方法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

超伝導体材料は、電子デバイス、光デバイス、電気・磁
気遮蔽、配線等の各分野でその応用が見込まれており、
これらの応用においてもっとも重要と目されているのが
ジョセフソン素子である。

超伝導体の状態はオーダーパラメーターψによって特徴
づけられるが、２つの超伝導体が充分近接して形成され
たり、点接触したりすることによって、両者のオーダー
パラメーター中が弱く結合された状態となっている構造
をジョセフソン接合という。

このジョセフソン接合を形成する構造として従来から用
いられているものを第６図を参照して説明する。第６図
（ａ）に示すトンネル型ジョセフソン接合は、基板ｌ上
の２つの超伝導層１３，１４に、量子力学的トンネル効
果により電子が通過できる程度の極薄の絶縁膜１２が挟
まれた構造で形成されている。第６図（ｂ）に示す構造
では、超伝導層１５は狭窄部１６により連結された２つ
の領域１５ａ、１５ｂとからなり、この狭窄部１６にお
いて領域１５ａ、１５ｂのオーダーパラメーターが変化
する。また、第６図（ｃ）に示す点接触型のジョセフソ
ン接合は、超伝導層１７の表面に尖鋭部をもつ超伝導体
１８が図中の１９に示す部分で接触するようにしてジョ
セフソン接合を形成している。この点接触型は、その接
触の再現性を得ることが困難である上に量産に不向きで
あることから、最近はプレーナ技術により形成できる第
６図（ａ）又は（ｂ）の構造が多用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年、臨界温度Ｔ、が４ＯＫ以上の高温超伝導を示す酸
化物超伝導材料が次々と開発されてきており、これらの
酸化物超伝導材料を用いたジョセフソン素子を形成する
試みもなされている。しかし、酸化物超伝導材料は、高
臨界温度ではあるものの、コヒーレント長ξ（オーダー
パラメーターψの変化する距Ｍ）が数十人と短く、しか
も、表面又は界面の劣化が起こりやすい上に、酸化物超
伝導材料自体の加工が困難であるという欠点がある。

このような材料自体の性質により、前記第６図（ａ）の
トンネル型の場合には超伝導層１３，１４を隔てる絶縁
層１２の厚さをコヒーレント長ξ程度にする必要がある
ので、数十人程度の膜厚でピンホールな（形成しなけれ
ばならず、膜厚と膜質の制御が困難であるため、再現性
のあるジョセフソン接合は形成できなかった。また、第
６図（ｂ）の構造では、超伏導層自体にパターニング及
びエツチングを施す必要があり、これらにより超伝導材
料が損傷や劣化を受け、超伝導状態に移行しなくなる場
合があるという問題点があった。従って、これら従来の
構造を形成した場合には、ジョセフソン接合の特性の安
定性、再現性が悪いことが実用上の大きな障害となって
いた。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、そ
の課題は、超伝導材料の形状加工をしない代わりに、絶
縁層を形状加工することにより点接触形状の接合構造を
形成して、超伝導材料自体の劣化や絶縁層の膜厚膜質制
御の困難性を回避し、或いは界面状態の安定化を図り、
製造容易かつ特性の安定性と再現性の高いジョセフソン
接合構造及びそ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〕

上記問題点を解決するために、第１超伝導層と第２超伝
導層とが弱結合しているジョセフソン接合の構造におい
て、本発明が講じた手段は、基板上に第１超伝導層、絶
縁層を順次積層した構造であって、その絶縁層には第１
超伝導層に到達する程度の深さをもつｖ字状断面を備え
た接合溝を形成し、絶縁層の上の少なくとも接合溝の内
面上に前記第２超伝導層を形成するものである。

また、ジョセフソン接合構造の製造方法としては、先ず
、基板上に第１超伝導層と絶縁層を順次積層し、次に、
絶縁層の上層部に、例えばイオン照射等により損傷層を
形成し、この損傷層の上から第１超伝導層に到達する程
度まで絶縁層をエツチングしてｖ字状断面を備えた接合
溝を形成し、更に、絶縁層上の少なくとも接合溝の内面
上に第２超伝導層を形成するものである。

更に、上記の製造方法において、第１超伝導層は酸化物
超伝導体材料で形成し、引続き、その酸化物超伝導体材
料の少な（とも一部の構成元素の組成比を変えた酸化物
材料で絶縁層を形成するものである。

〔作用〕

このような手段によれば、以下の作用が発揮される。

上記の構造にあっては、■字状断面を備えた接合溝が設
けられた絶縁層により、第２超伝導層は接合溝上に成膜
されるだけでその形状が規定されるので、従来の点接触
型に似た形状の接合部でありながら、安定な接触状態が
形成される。

また、第１超伝導層は勿論のこと、第２超伝導層におい
ても成膜後にその形状を加工する必要がない。従って、
接合形成時の加工の困難性を回避できると共に超伝導材
料の形状加工に伴う材料の）１傷や表面の劣化等が防止
できる。これは、特に表面の酸素欠１員を生じやすい酸
化物超伝導材料を用いる場合に有効である。

更に、絶縁層の膜厚は、膜質が安定するために充分な程
度に厚く形成できるので、トンネル型ジョセフソン接合
の場合における極薄の絶縁層を形成する際の膜質や膜厚
制御の困難性がなく、ピンホール発生のおそれも少ない
。従って、ジョセフソン接合の形成が容易になり、その
特性安定化及び再現性を高めることができる。

絶縁膜に接合溝を形成する方法としては、例えば、絶縁
膜の上層部にイオン照射等により損傷を与えることによ
って、この損傷層のエツチング速度が非損傷層よりも一
般的に速（なることを利用する方法がある。絶縁層上に
エツチングマスクを形成し、このエツチングマスクの開
口部から等方性エツチングを施すと、上層部の損傷層が
下層部の非損傷層よりも速くエツチングされることによ
り、溝の側面がオーバーエツチングされ、損傷層及び非
損傷層のエツチング速度に応じた接合溝の側面の傾斜が
得られ、接合溝の７字状の断面形状が得られる。

また、酸化物超伝導体の材料は、その組成により絶縁体
又は常伝導体となることが知られているので、上記構造
の製造方法において、絶縁膜の材質として第１超伝導層
を構成する元素の全部又は一部の元素からなり、超伝導
体とは異なった組成の材料を用いることによって、絶縁
層を第１超伝導層と同一の成膜装置にて、組成を変更し
て引続き形成することが可能である。このように連続成
膜することにより、第１超伝導層と絶縁層の界面におけ
る外界からの汚染や表面の欠陥生成を防止することがで
きる上に、第１超伝導層と絶縁層とは、同一の構成元素
を有しているため、第１超伝導層への異元素の拡散等の
悪影響がなく、更にジョセフソン接合の特性の安定性と
再現性を高めることができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例のジョセフソン接合構造とその製
造方法を添付図面に基づいて説明する。

第１図に本発明に係るジョセフソン接合の実施例の構造
を示す。ＭｇＯの基板１上にＢａ−Ｙ−Ｃｕ−０系の第
１超伝導層２が形成され、この上にＳｉＯからなる絶縁
層３が形成されている。この絶縁膜３にはｖ字状断面を
備えた接合溝３ａが第１超伝導層２に到達するように形
成されており、絶縁層３上に形成されたＢａ−Ｙ−Ｃｕ
−０系の第２超伝導層４が接合溝３ａの内部に充填され
ている。接合溝３ａの底部に充填された第２超伝導層４
の部分４ａは、第１超伝導層２の上面に接触し、点接触
型の接合部５を形成している。

次に、第２図を参照して上記構造の製造方法を説明する
。第２図（ａ）に示すように、面方位（００１）のＭｇ
Ｏの基板１上に、高周波スパッタリング法により、膜厚
５００ｎｍのＢａ−Ｙ−Ｃｕ−０系の第１超伝導層２を
形成し、次にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯからなる絶
縁層３を形成する（第２図（ｂ））。次に、第２図（ｃ
）に示すように、開口部６ａをもつマスクパターン６を
フォトリソグラフィー技術により絶縁層３上に形成し、
このマスクパターン６を介して絶縁層３のエツチングを
行ない、Ｖ字状の接合溝３ａを形成する。この接合溝３
ａの形成方法の一例を第３図に示す。上記絶縁層３の表
面には、マスクパターン６の形成前にイオン注入が施さ
れ、このイオン照射による損傷層７がその上層部に形成
される（第３図（ａ））。第３図（ｂ）に示すように、
マスクパターン６の形成後、開口部６ａを通して弗酸と
硝酸の水溶液によりエツチングする。ここで、損傷層７
に対しては損傷を受けていない絶縁層よりもエツチング
速度が速いため、マスクパターン６の直下の損傷層７が
オーバーエッチされて側面部７ａが形成され、この側面
部７ａに続（接合溝３ａの下部側面部に傾斜が生じる（
第３図（ｃ））。第３図（ｄ）に示す傾斜角θは、損傷
層７の絶縁層３の非損傷領域に対するエツチング液のエ
ツチング速度の比によって定まるが、損傷層７の厚さや
エツチング液の成分を変更することによりある程度調節
することができる。このようにして７字状の接合層３を
その底部が第１超伝〜層の上面に到達するまでエツチン
グした後、第２図（ｄ）に示すように、絶縁Ｎ３の表面
上に第２超伝導層４を高周波スパッタリングにより形成
する。７字状の接合溝３ａを形成する方法としてはこの
ような方法以外に、絶縁層３としてＳｉＯ膜の上層にエ
ツチング速度の速いＰＳＧ膜を形成することによっても
、上記損傷層７を形成した場合と同様の効果を得ること
ができる。ここで、第１超伝導層２に酸化物超伝導体を
用いる場合には、その第１趙伝導層２の表面部の酸素欠
損を防止するために、絶縁層３を酸素雰囲気中にて成膜
できる材料にて形成することが望ましい。

接合溝３ａは断面形状がほぼｖ字状となっているが、第
４図（ａ）に示すように円錐状の溝でも、第４図（１１
）に示す谷状の溝でもよい。また、接合溝３ａの深さは
第１超伝導層２の上面にちょうど到達するように設定す
ることが望ましいが、第１超伝導層２と第２超伝導層４
とが弱い結合状態にある限り、即ち、接合部５において
、第１超伝導層２と第２超伝導層４との間隔が超伝導材
料のコヒーレント長以下となっている限り、両者が非接
触状態となっていてもよい。

上記のジョセフソン接合の構造及びその製造方法によれ
ば、微細加工の困難な超伝導層２．４の形状加工を施す
必要が全くないので、製造容易となる上に超伝導層の損
傷や劣化の発生するおそれがない。また、接合部の形状
は、エツチング条件により調整することができ、特に、
上記のようにエツチング特性がよく知られているＳｉＯ
膜等を用いることによって再現性、制御性が向上する。

次に、絶縁層３として超伝導層と類似の多元系を用いる
場合について、第５図を参照して説明する。第５図は、
Ｌａ−３Ｌ−Ｃｕ−０系の超伝導体においてそのＬａと
Ｓｔの組成比による臨界温度Ｔｃの変化を示すものであ
るが、Ｌａ＋−ｘｓｔ、ＣｕＯ，の組成におけるＸ＜０
．１の領域では超伝導を示さない絶縁相が形成されるこ
とがわかる。従って、多元系の組成操作の容易な電子ビ
ーム蒸着法やＭＢＥ法等を用いることによって、第超伝
導層２の形成後に組成比を変更し、そのまま引き続いて
絶縁層３の成膜を行なうことが可能である。この方法に
よれば、第１超伝導層２０表面の酸素欠損が発生するお
それもなく、第１超伝導層２と絶縁層３との界面の汚染
や異元素の拡散が起こらず、接合の安定性と再現性を更
に向上させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、第１超伝導層と第２超
伝導層との間に７字状の接合溝が設けられた絶縁層を備
えることに特徴を有するから、以下の効果を奏する。

■　第１超伝導層と第２超伝導層の形成は、単に成膜す
るのみで形状加工をする必要がないから、製造が容易で
あり、超伝導層の加工に伴う損傷や劣化が発生しない。

また、接合溝の形状をエツチングにより制御する必要は
あるが、この接合溝の形状により自動的に点接触形状の
接合部が安定状態に形成できる。更に、絶縁層は充分に
厚く形成できるので、膜質、膜厚の制御が容易である。

これらにより、本発明の構造においては、ジョセフソン
接合の特性の安定性、再現性を高めることができる。

■　酸化物超伝導体を用いる場合には、超伝導層と同一
の多元系の組成比を変えた材料で絶縁層を形成すること
によって、第１超伝導層と絶縁層を連続して形成するこ
とができるので、両者の界面状態の安定化を図ることが
でき、接合の再現性を更に高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るジッセフソン接合
構造の断面図である。 第２図（ａ）〜（ｄ）は同実施例の構造の製造工程を示
す断面図である。 第３図（ａ）〜（ｄ）は第２図の製造工程中の接合溝の
形成方法の一例を示す断面図である。 第４図（ａ）は円錐状の接合溝を示す斜視図、第４図（
ｂ）は谷状の接合溝を示す斜視図である。 第５図は酸化物超伝導体のＬａ、ｘ　Ｓ　ＬＸ　ＣＬ！
０４の組成比による臨界温度の変化と共に、絶縁層が形
成される領域を示すグラフ図である。 第６図（ａ）は従来のトンネル型接合を示す断面図、第
６図（ｂ）は従来の粒界接合を示す斜視図、第６図（Ｃ
）は従来の点接触接合を示す断面図である。 〔符号の説明］ ｌ・・・基板 ２・・・第１超伝導層 ３・・・絶縁層 ３ａ・・・接合溝 ４・・・第２超伝導層 ５・・・接合部 ７・・・損傷層。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１超伝導層と第２超伝導層とが弱結合している
   ジョセフソン接合の構造において、 基板上に該第１超伝導層と絶縁層が順次積層されており
   、該絶縁層には、該第１超伝導層に到達する程度の深さ
   をもつＶ字状断面を備えた接合溝が形成され、該絶縁層
   上の少なくとも該接合溝の内面上には第２超伝導層が形
   成されていることを特徴とするジョセフソン接合の構造
   。
2. （２）基板上に第１超伝導層と絶縁層を順次積層する工
   程と、その後、該絶縁層の上層部に損傷層を形成し、該
   損傷層の上から前記絶縁層を前記第１超伝導層に到達す
   る程度までエッチングしてＶ字状断面を備えた接合溝を
   形成する工程と、更に、前記絶縁層上の少なくとも該接
   合溝の内面上に第２超伝導層を形成する工程と、を有す
   ることを特徴とするジョセフソン接合の構造の製造方法
   。
3. （３）前記第１超伝導層と絶縁層を順次積層する工程に
   おいて、 前記第１超伝導層は酸化物超伝導体で形成され、前記絶
   縁層は、該酸化物超伝導体の少なくとも一部の構成元素
   の組成比を変化させた非超伝導相の酸化物で形成するこ
   とを特徴とする請求項第２項に記載のジョセフソン接合
   の構造の製造方法。