JPH04288886A - ジョセフソン素子及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はトンネル型ジョセフソン
接合素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】トンネル型ジョセフソン接合素子は、二
つの超伝導体を極薄い絶縁体や常伝導体等の接合層を介
して接合形成したもので、ＳＱＵＩＤや高速演算素子等
の電子デバイスとして幅広い利用が考えられている。従
来、トンネル型ジョセフソン接合素子は、超伝導体とし
てＮｂ又はＰｂ或いはＮｂ化合物又はＰｂ化合物が用い
られてきた。又、その接合層には、超伝導体材料の酸化
物或いはＡｌ等の金属酸化物を、高周波プラズマ酸化処
理法を用いて形成していた。最近、液体窒素の沸点以上
の温度で超伝導状態となる高温超伝導材料が数多く発見
されてきており、そのジョセフソン素子への応用が期待
されている。この高温超伝導材料には、代表的なものと
して、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ
Ｏ系、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系等があり、そのい
ずれもが複数の元素を含む金属酸化物であり、更にはＦ
、Ｃｌ、Ｈ等の元素を含む場合もある。この様な高温超
伝導材料でトンネル型ジョセフソン素子を作製する際の
接合層の材料としては、ＭｇＯやアモルファスシリコン
等の利用が考えられている。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】安定した特性のト
ンネル型ジョセフソン接合素子の作製の為には、接合層
は非常に薄く且つ均一に形成する必要がある。しかしな
がら、上記高温超伝導材料は酸化物のセラミックスであ
り、その表面は非常に不安定である為、一度大気中にさ
らすと表面に厚い変質した層が形成されてしまう為、薄
い接合層を均一に形成する為には、同一真空内で連続的
に第一の超伝導層、接合層及び第二の超伝導層を積層し
て形成する必要がある。この為、接合層形成の為には、
超伝導層の形成に用いるものと同一真空槽内に接合層用
に別に蒸着源を設けたり、或いは第一の超伝導層形成後
にロードロックシステムを用いて接合層を形成する為の
別の真空槽内に真空を破らずに作製途中の素子を移動さ
せる等、非常に複雑で大掛かりな装置を用いる必要があ
った。又、接合層に超伝導層と別の元素を含む物質を使
用すると、超伝導層内に絶縁層の物質が拡散し、超伝導
層の特性が劣化してしまうこともあり、安定した特性の
素子を作成することが出来なかった。

【０００４】又、スパッタ法、ＣＶＤ法、レーザー蒸着
等の成膜法を用いた場合、高温超伝導体薄膜を形成する
為には５００℃以上の温度が必要であり、接合層を形成
した上に第二の超伝導層を形成する際にもこの様な高温
のプロセスが必要で、この為接合層と超伝導層の間で拡
散が起こり、薄い接合層を均一に形成することが不可能
であった。この為、ピンホールが出来、安定した特性の
素子を作成することが出来なかった。従って本発明の目
的は、上記従来技術の課題を解決し、非常に複雑で大掛
かりな装置を用いる必要なく、金属酸化物超伝導体を用
いて、動作温度の高い、安定した特性を持つトンネル型
ジョセフソン接合素子を提供することにある。

【０００５】

【課題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、基体面に第一の超
伝導層、接合層及び第二の超伝導層を順次積層してなる
ジョセフソン素子において、上記接合層が上記第一及び
第二の超伝導層を形成する金属酸化物超伝導体と同一の
構成元素を有し、且つ第一及び第二の超伝導層と異なっ
た結晶状態を有することを特徴とするジョセフソン素子
、及び該ジョセフソン素子の製造において、第一の超伝
導層、接合層及び第二の超伝導層をイオンビーム蒸着装
置を用いて順次形成し、上記第一及び第二の超伝導層を
形成する過程と上記接合層を形成する過程で、蒸着物質
のイオンビームのイオン化電流及び／又は加速電圧の条
件を変えることで、上記第一及び第二の超伝導層と接合
層の結晶状態を異なったものと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。

【０００６】

【作用】金属酸化物超伝導体は、同一の構成元素でもそ
の結晶状態を変えることで超伝導体から半導体、絶縁体
までその特性を変化させることが可能であり、素子の接
合層を、第一及び第二の超伝導層を形成する金属酸化物
超伝導体と同一の構成元素で形成することで、超伝導層
内に超伝導層を構成する以外の物質が拡散する必要がな
くなり、超伝導層の特性を劣化させることなく素子を作
製することが出来る。又、接合層及び超伝導層を、イオ
ンビーム蒸着装置を用いることにより、成膜時のイオン
化電流や加速電圧を変えることで、他の成膜条件や蒸着
元素を変えなくても、連続的に成膜しながら薄膜の結晶
状態を変え、超伝導層と接合層を作り分けることが可能
となる。この際、イオン化電流や加速電圧の変化は電気
的に瞬時に行うことが出来るので、超伝導層と接合層の
界面を極めて急峻に作製することが出来る。

【０００７】又、イオンビーム蒸着、特に蒸発物質をク
ラスター化した後にイオン化するクラスター・イオンビ
ーム蒸着法は、スパッタ法、ＣＶＤ法、レーザー蒸着等
の成膜法に比べて、酸化物等の化合物薄膜を低温で作成
することが出来る（応用物理第５５巻　　第８号（１９
８６）　　７４６頁参照）。この為、接合層と超伝導層
の間で拡散が小さくなり、薄い接合層を均一に形成する
ことが可能となった。又、上記の様に、超伝導層と接合
層を同一の構成元素で形成する為、超伝導層の形成に用
いるものと同一真空槽内に接合層用に別に蒸着源を設け
ることや、第一の超伝導層形成後にロードロックシステ
ムを用いて接合層を形成する為の別の真空槽内に真空を
破らずに作製途中の素子を移動させる等の、複雑で大掛
かりな装置が不要となり、素子の作製のコストを低減す
ることが出来る。

【０００８】

【好ましい実施態様】次に図示した好ましい実施態様を
参照して本発明を更に詳細に説明する。図１に本発明の
作製方法に用いたイオンビーム蒸着装置の概略図を示す
。図中１は基板、２は形成した超伝導層／接合層／超伝
導層の薄膜、３、４及び５は蒸着物質を充填した坩堝、
６、７及び８は坩堝から噴出させた蒸着物質の蒸気をイ
オン化する為のイオン化ユニット、９、１０及び１１は
イオン化ユニットで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噴出した蒸気のイオンビ
ームである。１５、１６及び１７はイオン化した蒸気を
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、１０ＫＶ程度までの加速電圧を印加すること
が可能である。１８は真空容器、１９は酸素等の反応ガ
スを基板付近に吹き付ける為のガス噴射口である。 尚、基板１の温度、坩堝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、ガス噴射
口１９から噴射するガス流量は、不図示の装置により独
立に制御出来る様になっている。又、坩堝３、４及び５
にはそのうちの一部に蒸着物質のクラスター化の為のノ
ズルをつけている。

【０００９】本発明では上記の装置を用い、坩堝３、４
及び５から金属酸化物超伝導体の構成元素又はその構成
元素を含む化合物を、夫々独立に或いは適宜混合したも
のを必要によっては焼結して蒸発源とし、夫々の坩堝か
らの蒸気を必要に応じて適当な条件でイオン化したイオ
ンビームと、ガス噴射口１９からの酸素等の反応ガスを
同時に基板面に吹き付けて成膜を行うものである。

【００１０】図２に、本発明の作製方法を用いて作製し
たトンネル型ジョセフソン素子の概略図の例を示す。基
板１上に、第一の超伝導層２０を適当なイオン化条件で
成膜した後、連続的に成膜を行いながらそのイオン化条
件の全部又は一部を絶縁体又は半導体の薄膜が得られる
条件に変えて積層し、接合層２１を形成する。更に連続
して成膜を行いながら、イオン化条件を薄膜が超伝導と
なる条件にして積層し、第二の超伝導層２２を形成する
ものである。イオン化条件は、そのほかの成膜条件、つ
まり基板温度等と関連して決まり、超伝導層或いは接合
層のどちらか一方を形成する際に、イオン化を行わない
場合もある。この様にすることで、トンネル型ジョセフ
ソン素子の三層の積層構造を、同一の構成元素を用いて
一工程で作製することが出来る。

【００１１】

【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 第一、第二の超伝導層及び接合層の材料として、Ｙ−Ｂ
ａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物材料を用いた。この系の材料は、
Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ（０≦ｘ＜１）として約９０
Ｋの臨界温度を持つ高温超伝導材料として知られている
が、比較的広い範囲の組成で超伝導性を示すと共に、結
晶性を変えることで半導体から絶縁体まで、幅広い特性
を示す材料として用いることが出来る。

【００１２】図２に、本実施例の作製方法を用いて作製
したトンネル型ジョセフソン素子の概略図を示す。本実
施例では図１に示した装置を用いて、坩堝３にＹを、坩
堝４にＢａＯを、坩堝５にＣｕを夫々充填し、坩堝５に
のみノズルをつけて用いた。基板としてはＭｇＯを用い
、基板温度を４００℃に設定した。真空容器１８を不図
示の真空排気ポンプにより排気し、２×１０−６Ｔｏｒ
ｒ以下に排気した後、ガス噴射口１９から酸素ガスを１
５ｍｌ／ｍｉｎ．の割合で基板面に向けて噴射した。 坩堝３、４及び５の温度を調節し、基板上でＹ：Ｂａ：
Ｃｕの割合がほぼ１：３：６程度になり、且つ成膜速度
が０．２〜０．５Å／ｓｅｃ．となる様に蒸発速度を保
った。上記の条件に保ったうえ、イオン化及び加速を行
わないで、第一の超伝導層２０を厚さ３，０００Åに形
成した。この様にして作成した第一の超伝導層となる薄
膜を、素子の作製途中で装置外に取り出してその抵抗率
−温度特性を調べたところ、第３図の様であった。この
ことより、この薄膜は約５０Ｋの臨界温度を持つ超伝導
薄膜であることを確認した。

【００１３】第一の超伝導層２０を形成した後、連続的
に成膜を行いながらイオン化条件をＹに対してはイオン
化なしのまま、ＢａＯに対してはイオン化電流１００ｍ
Ａ、加速電圧２ｋＶ、Ｃｕに対してはイオン化電流２０
０ｍＡ、加速電圧１ｋＶと変化させ、約２０Å積層し接
合層２１を形成した。この条件で作成した薄膜は、図４
に示す様な抵抗率−温度特性を持つ様になり、低温で非
常に高い抵抗率を持つ様になる。その後、再度第一の超
伝導層を形成したのと同じイオン化条件に戻し、薄膜を
３，０００Å積層し、第二の超伝導層２２を形成した。 この様に作製した第一の超伝導層２０／接合層／第二の
超伝導層２２の積層薄膜に対して、通常のフォトリソグ
ラフィー技術を用いて加工を行い、図２に示す様なトン
ネル型ジョセフソン素子を作製した。この様にして作製
した素子は、４０Ｋで図５に示す様な電流−電圧特性を
示し、ジョセフソン素子として良好に動作した。

【００１４】実施例２ 第一、第一の超伝導層及び接合層の材料として、実施例
１と同様にＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物材料を用いた。 本実施例でも図１に示した装置を用いて、坩堝３にＹを
、坩堝４にＢａＯを、坩堝５にＣｕを夫々充填し、坩堝
３及び坩堝５にのみノズルを取り付けて用いた。基板と
してはＳｒＴｉＯ３を用い、基板温度を３００℃に設定
した。実施例１と同様に真空容器１８を不図示の真空排
気ポンプにより排気し２×１０−６Ｔｏｒｒ以下に排気
した後、ガス噴射口１９から酸素ガスを１５ｍｌ／ｍｉ
ｎ．の割合で基板面に向けて噴射した。坩堝３、４及び
５の温度を調節し、基板上でＹ：Ｂａ：Ｃｕの割合がほ
ぼ１：２：３程度になり、且つ成膜速度が０．２〜０．
５Å／ｓｅｃ．となる様に各蒸着物質の蒸発速度を保っ
た。

【００１５】上記の条件に保った上、イオン化及び加速
の条件を、ＢａＯについてのみイオン化電流を５０ｍＡ
、加速電圧を０．５ｋＶとし、Ｙ及びＣｕはイオン化を
行わない条件として第一の超伝導層２０を厚さ４，００
０Åに形成した。第一の超伝導層２０を形成した後、連
続的に成膜を行いながらイオン化条件を全ての元素に対
してイオン化を無しとし、約２０Å積層し接合層２１を
形成した。この基板温度ではイオン化無しの条件では薄
膜はほぼ非晶質となり、絶縁体となる。その後、再度第
一の超伝導層を形成したのと同じイオン化条件に戻し、
第二の超伝導層２２を形成した。この様に作製した第一
の超伝導層２０／接合層２１／第二の超伝導層２２の積
層薄膜に対して、通常のフォトリソグラフィー技術を用
いて加工を行い、図２に示す様なトンネル型ジョセフソ
ン素子を作製した。この様にして作製した素子も、３５
Ｋで実施例１と同等の特性を示し、良好に動作した。

【００１６】

【発明の効果】金属酸化物超伝導体は、同一の構成元素
でもその結晶状態を変えることで超伝導体から半導体、
絶縁体までその特性を変化させることが可能であり、接
合層を第一及び第二の超伝導層を形成する金属酸化物超
伝導体と同一の構成元素で形成することが出来、超伝導
層内に超伝導層を構成する以外の物質が拡散することが
なくなり、超伝導層の特性を劣化させることなく素子を
作製することが出来た。又、接合層及び超伝導層を、イ
オンビーム蒸着装置を用いることにより、成膜時のイオ
ン化電流や加速電圧を変えることで他の成膜条件、蒸着
元素を変えなくても、連続的に成膜しながら薄膜の結晶
状態を変え、超伝導層と接合層を作り分けることが可能
となる。この際、イオン化電流や加速電圧の変化は電気
的に瞬時に行うことが出来るので、超伝導層と接合層の
界面を極めて急峻に作製することが出来た。　　又、イ
オンビーム蒸着、特に蒸発物質をクラスター化した後に
イオン化するクラスター・イオンビーム蒸着法は、スパ
ッタ法、ＣＶＤ法、レーザー蒸着等の成膜法に比べて、
酸化物等の化合物薄膜を低温で作成することが出来る。 この為接合層と超伝導層の間で拡散が小さくなり、薄い
接合層を均一に形成することが可能となった。又、上記
の様に、超伝導層と接合層を同一の構成元素で形成する
為、超伝導層の形成に用いるものと同一真空槽内に接合
層用別に蒸着源を設けることや、第一の超伝導層形成後
にロードロックシステムを用いて接合層を形成する為の
別の真空槽内に、真空を破らずに作製途中の素子を移動
させる等の複雑で大掛かりな装置が不要となり、素子の
作製のコストを低減することが出来た。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作製方法に用いた装置の概略図。

【図２】本発明の作製方法で作製したトンネル型ジョセ
フソン素子の概略図。

【図３】本発明の作製方法で作製した超伝導層の薄膜の
抵抗−温度特性。

【図４】本発明の作製方法で作製した接合層の薄膜の抵
抗−温度特性。

【図５】本発明の作製方法で作製したトンネル型ジョセ
フソン素子の電流−電圧特性。

【符合の説明】１：基板 ２：形成した超伝導層／接合層／超伝導層の薄膜３、４
、５：坩堝 ６、７、８：イオン化ユニット ９、１０、１１：加速電極 １２、１３、１４：噴出した蒸気のイオンビーム１５、
１６、１７：加速電源 １８：真空容器 １９：ガス噴射口 ２０：第一の超伝導層 ２１：接合層 ２２：第二の超伝導層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基体面に、第一の超伝導層、接合層及
   び第二の超伝導層を順次積層してなるジョセフソン素子
   において、上記接合層が上記第一及び第二の超伝導層を
   形成する金属酸化物超伝導体と同一の構成元素を有し、
   且つ第一及び第二の超伝導層と異なった結晶状態を有す
   ることを特徴とするジョセフソン素子。
2. 【請求項２】　　請求項１のジョセフソン素子の製造に
   おいて、第一の超伝導層、接合層及び第二の超伝導層を
   イオンビーム蒸着装置を用いて順次形成し、上記第一及
   び第二の超伝導層を形成する過程と上記接合層を形成す
   る過程で、蒸着物質のイオンビームのイオン化電流及び
   ／又は加速電圧の条件を変えることで、上記第一及び第
   二の超伝導層と接合層の結晶状態を異なったものとする
   ことを特徴とするジョセフソン素子の製造方法。