JPH0328838B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は少くとも約7Kの臨界温度を有する超
伝導材料から成るベース電極及びニオブ対向電
極、ベース電極及び対向電極間の金属酸化物層か
ら成る超伝導デバイスに係る。

高速メモリ及び論理回路を実現する可能性があ
るため、ジヨセフソン接合デバイスは現在関心が
もたれている。そのような回路は現在用いられて
いる半導体を基礎とした計算機より高速の計算機
が構成できる可能性を有している。第１に、これ
らのデバイスは約10^-11秒のスイツチ速度を有し、
これは典型的な半導体スイツチ速度よりはるかに
速い。第２に、これらのデバイスの放出電力が低
いことから、半導体デバイスで可能な場合より近
接した充てんが可能である。半導体デバイスの放
出電力は高いことが理由である。その結果、デバ
イス間の電気信号の伝搬時間は減少する。

最も簡単に言うと、ジヨセフソン接合デバイス
の構造は、超伝導層、絶縁層及び超伝導層であ
る。第１の層は通常ベース電極と呼ばれ、第２の
超伝導層は通常対向電極と呼ばれる。ジヨセフソ
ン接合デバイスはブリアン・ジヨセフソン、フイ
ジツクス・レターズ、（Brian Josephson
Physics Letters）１、251−253頁、1962年７月
１日中で理論的に予言された現象を基本としてい
る。これらのデバイスの電圧−電流特性曲線は、
２つの分枝をもつ。第１の分枝ではトンネル電流
が接合すなわち超伝導層間を流れるが、接合間に
電圧降下はない。第２の分枝の場合、接合間に電
圧が発生し、エネルギーギヤツプ電圧におけるわ
ずかな電圧の増加とともに、電流はきわめて急速
に上昇する。エネルギーギヤツプは超伝導電流を
構成する電子対を生み出すのに必要なエネルギー
と考えられる。1966年10月26日ジエイ・エム・ロ
ーウエル（J.M.Rowell）に承認された米国特許
第3281609号に述べられているように、デバイス
は２つの分枝間でスイツチできる。電流が臨界電
流より小さく、電流−電圧特性が第１の分枝にあ
ると仮定すると、電流が臨界電流以上の値に増加
することにより、デバイスは第２の分枝にスイツ
チする。電流が減少するとともに、臨界電流より
小さな値で、ゼロ電圧への遷移が起る。従つて、
電流−電圧特性はヒステリシスを示す。

ジヨセフソン接合デバイスを形成する候補とし
て、多くの材料の組合せが考えられてきた。しか
し、エネルギーギヤツプがデバイスの動作温度に
おける熱エネルギーより大きいことが必要である
といつた制約が、現在の関心が２つの材料系に中
心をおくという結果を生んだ。第１の系は鉛合金
電極に基礎をおくもので、第２の系はニオブ電極
に基礎をおくものである。両方の系で、それ自身
の酸化物が他の材料とともに、絶縁層として考え
られる。それ自身の酸化物が一般に好ましい。な
ぜならば、絶縁層の厚さは厳密でなければなら
ず、それ自身の酸化物の厚さは、一般に堆積層の
厚さより容易に制御できるからである。ニオブ及
び鉛合金電極を組合せた構造もまた考えられる。

鉛合金電極を基礎としたデバイスは恐らく最も
魅力的な候補である。その理由は、それ自身の酸
化物の誘電定数が小さいこと及び鉛合金は容易に
酸化され高品質接合が形成されることのため、そ
れらは高速スイツチ速度を実現する可能性がある
ことである。しかし、鉛を基礎としたデバイス
は、室温とデバイスが動作する液体ヘリウム温度
間の熱サイクルを原因とする劣化を起す可能性が
大きいという欠点がある。ニオブ接合はそれらの
スイツチ速度が鉛合金接合のそれより約４倍遅い
ため、鉛接合により一般に魅力は少いと考えられ
ている。更に、スイツチ速度が遅いのに加え、ニ
オブを基礎としたデバイスはまた、良品質の全ニ
オブ接合を製作することが非常に困難であるとい
う欠点がある。この困難さは部分的には純粋なニ
オブの酸化物が、典型的な場合、絶縁性酸化物
Nb₂O₅とともにニオブの導電性低級酸化物から成
る表面層を形成することが原因である。その結果
は界面領域を広げることになり、そのことは超伝
導トンネル特性に影響を与える。なぜならば、ニ
オブのコヒーレント長は4.2Kで約100オングスト
ロームと小さいためである。しかし、ニオブは鉛
より魅力的である。その理由はそれはより高い臨
界温度を有し、鉛より固くかつ引張り強度が大き
いため、熱サイクルによる劣化に対しより抵抗が
あるからである。

ニオブの酸化特性から生ずる障壁層に伴う問題
を解決するために、多くの試みがなされた。これ
らの試みの中にはニオブを基礎とした電極に、他
の材料とともにアルミニウム、シリコンを堆積さ
せるいくつかの方法が含まれる。得られるデバイ
スは超伝導体／上層部／絶縁体／超伝導体構造を
有する。たとえば、アプライド・フイジツクス・
レターズ、（Applied、Physics Letters）20、254
−256頁、1972年４月１日は、ニオブ／アルミニ
ウム合成ベース及び対向電極を有するジヨセフソ
ン接合について述べている。用いた製作技術によ
り、部分的に相互に接触したベース及び対向電極
ができた。用いたアルミニウム薄膜の厚さは、
400ないし1600オングストロームの間であつた。
実際のデータは800オングストロームの厚さのAl
について示されている。ジヤーナル・オブ・ロ
ウ・テンペラチヤー・フイジツクス（Jaurnal of
Low Temperature Physics）40、19−50頁、
1980年７月は対向電極としてニオブ及び便利な金
属のような関心がある超伝導体上に堆積させたア
ルミニウム層を用いた電子トンネルスペクトロス
コピーについての実験結果を報告している。しか
し、ニオブ以外の他の硬質対向電極ジヨセフソン
接合デバイスも作られた。ベース電極もまた純粋
なニオブではなくニオブを基礎とした合金で作ら
れた。一般に、ニオブを基礎とした電極とともに
用いた対向電極は、通常は鉛合金であるニオブ以
外の材料で作られる。ニオブ対向電極は一般に品
質の劣るデバイスを生ずるからである。ニオブは
非常に酸素と反応しやすく、ニオブ対向電極がニ
オブ酸化物障壁上に堆積された時、それは酸化物
からの酸素と結合する傾向がある。このことは接
合の品質を劣化させる。簡単に述べてきたこれら
の方法はいずれも一般に新しい欠点が現われ、完
全に満足できるものではない。たとえば、もし誘
電定数が減少すると、臨界温度が減少したり、あ
るいは過剰の電流が増加する可能性がある。

出願人はニオブ又は高臨界温度ニオブ合金ベー
スと、第１の中間層により分離された対向電極を
有するジヨセフソン接合デバイスは、ベース電極
とぬれ安定な酸化物を形成するたとえばアルミニ
ウムのような金属で形成された金属酸化物により
中間層が構成された時、望ましい特性を有するこ
とを見出した。表面をぬらす材料はそれを完全に
カバーする傾向がある。物理的には上部層の原子
は、上部層の他の原子に対するものより強い吸引
力を表面材料の原子に対して有する。金属層は堆
積した時、約10ないし100オングストロームの間
の厚さを有するのが望ましい。もし堆積した金属
層全体が酸化すると、金属層は存在しないであろ
う。酸化物層と対向電極間に第２の中間層が存在
してもよい。この層は酸化物層とぬれ、酸素とは
あまり反応しない任意の金属、たとえばアルミニ
ウム、モリブデン、金、銀又はMo−Reの超伝導
合金から成る。好ましい実施例において、金属は
アルミニウムである。この層が存在することによ
り、デバイスの品質を劣化させる可能性のある対
向電極と酸化層物間の化学反応が防止される。本
発明のジヨセフソン接合デバイスは、それ自身の
酸化物を用いたデバイスに比べ誘電定数の値が低
く、良好なＩ−Ｖ特性を有する。

第１図は本発明のジヨセフソン接合デバイスの
一実施例の概略図である。明瞭にするために、デ
バイス要素は実際の比率と異なる。一般に１と記
されたジヨセフソン接合デバイスは、基板３、ベ
ース電極５、第１の金属層７、酸化物層９、第２
の金属層１１及び対向電極１３から成る。基板３
は典型的な場合シリコンである。シリコンは容易
に酸化し、ニオブがこの材料によく固着するから
である。電極５及び対向電極１３は超伝導材料
で、層７及び１１はそれらがそれぞれベース電極
及び対向電極に近いため、超伝導になる。

デバイスは更に、電流−電圧特性曲線の１分枝
からもう一方の分枝へスイツチさせるため、該デ
バイスに電流を供給する手段のように、該デバイ
スを流れる電流を制御するための手段からなる。
この手段は電極５及び対向電極１３に接続され、
Ｉと記されている。電圧が最初ゼロである時、供
給される電流が臨界電流を越えると、電圧は急激
にゼロからゼロでない値に変化する。電圧が次に
減少すると、電圧は降下し、電流が十分小さい時
最終的にはゼロに達する。

このデバイスは更に、ベース電極５及び対向電
極１３に電気的に接続された検出デバイスを有す
る。このデバイスはたとえば電圧計又は電圧感受
装置から成ればよい。

ベース電極は元素ニオブ又はNb−Zr、Nb−
Ta又はNb−Alのような高Tcニオブ合金のいず
れかのニオブから成る。合金のTcは少くとも約
7Kであるべきである。ベース電極は典型的な場
合、約3000オングストロームの厚さである。

層７及び９はベース電極とぬれ安定な酸化物を
形成する金属を堆積させ、酸化することにより形
成される。金属層は典型的な場合、最初約10ない
し約100オングストロームの厚さである。金属は
ぬれ、従つて全表面をカバーする。それより薄い
層は好ましくない。なぜならば、金属が完全には
ベース電極をカバーしないことがあり、酸化物層
の一部がベース電極５から出てくる可能性がある
からである。それより厚い層は、エネルギーキヤ
ツプが減少するため望ましくない。これらの層を
形成するのに適した金属には、アルミニウム、イ
ツトリウム、ジルコニウム及びスカンジウムが含
まれる。層７は金属で層９は金属酸化物である。
もし堆積した金属層全体が酸化されると、層７は
存在しない。

層１１は酸化物層とぬれ、従つて酸化物層と過
度に反応しない任意の金属から成る。たとえば、
この層はアルミニウムから成るが、モリブデン、
銅、金、銀、レニウム、タンタル、ビスマス及び
鉛合金など他の金属も使用できる。層１１は典型
的な場合、100オングストローム以下である。

対向電極は典型的な場合1250オングストローム
の厚さで、ニオブ及びNb−Taのようなニオブ合
金、Ns−Zr、Mo−Re及びPb合金から成る。電
極は中間層及び酸化物層とともに、たとえばそれ
ぞれニオブ、アルミニウム及びアルミニウム酸化
物であるように述べたが、もし得られる電極及び
層が上で述べた条件を満足するならば、本発明の
視野を離れることなく、少量の他の材料が存在し
てもよいことを理解すべきである。

ジヨセフソン接合デバイスは、材料をパターン
形成するために、機械的マスク又はフオトリソグ
ラフイを用いて所望のデバイス形状を形成する通
常の技術とともに、電極を堆積し、酸化物障壁及
び金属層１１を形成する通常の技術により製作し
てもよい。ベース電極を形成し約3000オングスト
ローム厚のニオブ層は、酸化したシリコン基板上
にニオブターゲツトのマグネトロンスパツタリン
グにより堆積させてもよい。ニオブ堆積の典型的
な速度は、１分当り約1000オングストロームであ
る。基板は加熱されず、その温度は熱電対で測定
したところ、長いスパツタリングの後約75℃を越
えていなかつた。アルミニウム及びニオブの合金
が生じるため、より高い基板温度は望ましくな
い。この層の場合、臨界温度Tcは9.2〓で、抵抗
比は５ないし８の間であつた。基板は回転テーブ
ル上に置かれ、ニオブの堆積が完了した後、基板
はアルミニウム・スパツタリングターゲツト下を
通過させ、アルミニウム層が形成された。アルミ
ニウム層の堆積が完了した後、被覆された基板が
スパツタリング系から取り出され、室温の大気中
で30分ないし数日の間酸化される。約20オングス
トロームの厚さの酸化膜を形成する他の方法も使
用できる。酸化物層が形成された後、対向電極を
形成する第２のアルミニウム層及び1250オングス
トローム厚のニオブ層が堆積される。第２のアル
ミニウム層は省いてもよい。

アルミニウム層の厚さは簡単で周知の技術によ
り、独立に決めてもよい。たとえば、基板はアル
ミニウム・ターゲツト下を何度も通過させ、層の
厚さを測定してもよい。これによりｄ＝C^P／ｒ
の関係における係数Ｃが決定できる。ここで、ｄ
はアルミニウム層の厚さ、Ｐはターゲツト上のパ
ワー、ｒは回転速度である。他の技術も使用でき
る。

接合は機械的なマスクを用いて、あるいはフオ
トリソグラフイによりパターン形成してよい。機
械的なマスクを用いる時には、高品質のニオブ層
を確実に形成するため、約２mm幅のステンレスス
チール・マスクを通して対向電極をスパツタする
とよい。より狭いマスクを通したスパツタでは低
品質のニオブ層が形成されることが見出された。
ベース電極の端部は対向電極の堆積に先だち、絶
縁体で保護されていたことに注意すべきである。
これは液相陽極酸化により約2000オングストロー
ムの厚い酸化ニオブ層を形成することによつて行
うと便利である。もしこの酸化ニオブ層が形成さ
れないと、接合の端部付近でアルミニウム層が細
くなるため、短絡したり漏れの多い接合ができ
る。この場合、対向電極と直接接触するベース電
極端部の保護されないニオブ及び弱く酸化された
ニオブを通して、トンネルが進む。

所望のデバイス形状を得るため、フオトリソグ
ラフイ技術を用いることもできる。これらの技術
はよく知られ、パターン形式すべき材料上へのレ
ジスト層の堆積、レジスト層のパターン形成、材
料を露出するため、レジストの露出したあるいは
露出しない部分のいずれかを除去することが含ま
れる。レジストの一部を除去した後、露出した材
料はたとえば化学エツチング又はプラズマエツチ
ングにより除去してよい。ベース電極用のニオブ
及び酸化物層のためのアルミニウムの全面への堆
積及びニオブ／アルミベース電極の熱酸化の後、
ニオブ対向電極の全面によりジヨセフソン接合デ
バイスが完成する。接合領域はフオトリソグラフ
イで規定され、フオトレジストで保護される。ニ
オブの保護されない領域は、ニオブ対向電極の厚
さを越える深さに達する酸化物層ができるのに十
分な電圧まで陽極酸化される。従つて、ベース及
び対向電極間の直接の電気的接続はない。最後
に、最上部ニオブ層の陽極酸化されない部分への
電気的接続のため、ニオブ又は別の金属の十字ス
トライプが堆積される。50A／cm²に達する臨界電
流が得られた。

Nb／Al酸化物／Nb構造を有する本発明の接
合デバイスの典型的な電流−電圧特性が、第２図
に示されている。堆積したアルミニウム金属層は
25オングストロームの厚さを有した。臨界電流は
約50A／cm²であつた。曲線の一部は明瞭にするた
め、電流値を10倍してあり、ゼロ電流は示されて
いない。本発明の製作技術ははるかに簡単である
が、曲線はアイ・イー・イー・イー・トランスア
クシヨンズ・オン・エレクトロン デバイス
（IEEE Transactions on Electron Devices）
ED−27、1998−2008頁、1980年10月に述べられ
ているニオブ／酸化物／ニオブ接合の電流−電圧
特性曲線と似ている。本発明の接合の電流−電圧
特性は、ニオブではなく鉛ビスマスをいくつかの
方法により堆積させることにより形成されたもの
のそれとは異る。第１に、この型の接合の酸化物
抵抗は、同じアルミニウム層厚及び酸化時間に対
し、鉛−ビスマスのそれに比べて６ないし７倍小
さい。このことはニオブ対向電極を有するデバイ
ス中の酸化物層は、鉛−ビスマスデバイスより数
単原子層薄いことを意味する。層が薄いことは、
アルミニウム酸化物の一部を使い、導電性低級ニ
オブ酸化物層を形成するニオブの高反応性による
可能性がある。また、それは対向電極形成中のニ
オブの最初の堆積中、アルミニウム酸化物の数単
原子層がスパツタされることによる可能性があ
る。ジヨセフソン電流、すなわちゼロ電圧におけ
る電流は試験のため、磁界により圧縮されてい
る。

ギヤツプの合計は3.1ｍＶに比べ約2.6ないし2.7
ｍＶに減少し、過剰電流は高くなることがわかつ
た。電流−電圧特性から、ベース電極の近接合
（最上部）層に比べ、最上部ニオブ対向電極は質
の低い近接合（底部）層を有することが明らかで
ある。最上部及び底部というのは、各電極内の相
対的な層の位置をさす。この原因は抵抗の減少の
それと同じ原因、すなわちニオブの高反応性にあ
る可能性がある。ゼロ及び２ミリボルト間のゆる
い傾斜は、接合が非常に高品質であることを示
す。

第２の層１１を含むことにより、層がアルミニ
ウムから成る時、対称のトンネル構造が生じる。
このデバイスの電流−電圧特性が、第３図に示さ
れている。臨界電流は約20A／cm²であつた。やは
り曲線の一部は明瞭にするため、電流値が10倍し
てあり、ゼロ電流は示されていない。堆積したア
ルミニウム金属層は25オングストロームの厚さを
有し、第２の層は32オングストロームの厚さを有
した。過剰電流は小さく、屈曲部は消滅している
が、ギヤツプの合計は第２のアルミニウム層が省
かれ、第２に関して述べたデバイスの場合より小
さいことがわかる。

第２及び３図に電流−電圧特性を示した場合
は、それぞれRS＝2.1×10^-5及び3.5×10^-5Ωcm²を
有する。ここで、Ｒ及びＳはそれぞれ接合抵抗及
び面積である。これらの抵抗はアルミニウムをそ
れぞれ６日及び70分間酸化することにより得られ
た。酸化時間の差は明らかに第２のアルミニウム
層がある程度酸化物層を保護することを示してい
る。

当業者には本発明の精神及び視野を離れること
なく、ここで具体的に述べたもの以外の実施例が
考案されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のジヨセフソン接合デバイスの
断面図、第２図は本発明のNb／Al−酸化物／
Nbジヨセフソン接合デバイスの電流−電圧特性
をプロツトした図、第３図は本発明のNb／Al−
酸化物−Al／Nbジヨセフソン接合デバイスの電
流−電圧特性をプロツトした図である。 〔主要部分の符号の説明〕、ベース電極……５、
ニオブ対向電極……１３、金属酸化物層……９。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ニオビウムからなるベース電極を基板上に形
   成するステツプ(a)、金属酸化物層を形成するステ
   ツプ(b)、及び金属酸化物層上に対向電極を形成す
   るステツプ(c)、からなる超伝導デバイスを製作す
   る方法において、 ステツプ(b)はベース電極を湿潤させる、ニオビ
   ウムでないおよそ1nｍからおよそ10nｍの間の厚
   さを有する第１の金属の層をベース電極上に形成
   するステツプ(i)、及び少なくとも部分的に第１の
   金属層を酸化させるステツプ(ii)からなることを特
   徴とする超伝導デバイスを製造する方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、該第１の金属はアルミニウム、イツトリウ
   ム、ジルコニウム及びスカンジウムからなるグル
   ープから選択されることを更に特徴とする超伝導
   デバイスを製造する方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載された方法にお
   いて、 該対向電極はニオビウム、レニウム、タンタ
   ル、ジルコニウム、タングステン、鉛及びモリブ
   デンから成るグループから選択された少なくとも
   １つの元素から成ることを更に特徴とする超伝導
   デバイスを製造する方法。 ４ 特許請求の範囲第２項に記載された方法にお
   いて、 該ベース電極はジルコニウム、タンタル及びア
   ルミニウムから成るグループから選択された少な
   くとも１つの元素から成ることを更に特徴とする
   超伝導デバイスを製造する方法。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第４項に記載さ
   れた方法において、 該第１の金属はアルミニウムであることを更に
   特徴とする超伝導デバイスを製造する方法。 ６ 特許請求の範囲第１項に記載された方法にお
   いて、第１の金属層は、その厚みを通して部分的
   に酸化され、少なくとも2nｍの厚さの酸化物層
   を形成することを更に特徴とする超伝導デバイス
   を製造する方法。 ７ 特許請求の範囲第１項に記載された方法に於
   いて、第１の金属層は完全に酸化されることを更
   に特徴とする超伝導デバイスを製造する方法。