JPH04302183A - トンネル型ジョセフソン接合の形成方法 - 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
接合の形成方法に関し、更に詳しくは、大きな超電導電
流を流すことが可能なトンネル型ジョセフソン接合を形
成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＱＵＩＤなどの超電導デバイスを製造
するためには、酸化物超電導体を用いたトンネル型ジョ
セフソン接合の利用が不可欠である。このトンネル型ジ
ョセフソン接合は、図３で示したように、一般に、Ｓｉ
ウエハのような基板１の上に、蒸着法やスパッタ法によ
って、酸化物超電導体．絶縁体，更に酸化物超電導体を
順次積層して、上・下の酸化物超電導体層２ａ，２ｂの
間に絶縁体層３を介在させた構造になっている。

【０００３】ところで、前記した酸化物超電導体層２ａ
，２ｂを形成する場合には、酸化物超電導体の成長方向
（積層方向）を基板１の表面に対してその酸化物超電導
体の結晶軸のうちのｃ軸が垂直になるように成長させる
場合（以後、ｃ軸配向とよぶ）と、酸化物超電導体の成
長方向（積層方向）を基板１の表面に対してその酸化物
超電導体の結晶軸のうちのａ軸が垂直になるように成長
させる場合（以後、ａ軸配向とよぶ）とがある。

【０００４】そして、酸化物超電導体は各種の物性が結
晶軸との関係で非常に大きな異方性を有している。例え
ば、トンネル型ジョセフソン接合の形成時におけるコヒ
ーレンス長ξは、ａ軸とｂ軸のなす面内方向では約３０
Åであるが、ｃ軸方向では約５Åと極めて短く、また超
電導電流もｃ軸と垂直な方法（ａｂ面内）では多く流れ
るが、しかしｃ軸と平行な方向には多く流れない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】酸化物超電導体層の形
成時において、前記したｃ軸配向による形成は、コヒー
レンス長ξが長いので、上・下部酸化物超電導体の間に
介装させる絶縁体層の厚みを比較的厚くしてもよいこと
から、その成膜操作が容易であるという利点を備えてい
るが、しかし、流すことのできる超電導電流は小さいと
いう問題がある。

【０００６】一方、ａ軸配向による形成は、ｂ軸配向の
酸化物超電導体と混相になってしまったり、または成長
方向が完全にａ軸方向に合致しなかったりして、均一な
ａ軸配向の酸化物超電導体層を再現性よく形成すること
が困難である。したがって、ａ軸配向の場合は、本来で
あれば大きな超電導電流を流すことができるにもかかわ
らず、実際には、前記したように結晶性が悪いため、小
さな超電導電流しか流すことができないという問題があ
る。

【０００７】本発明は、ａ軸配向によって酸化物超電導
体層を形成する場合における上記問題を解決し、ａ軸配
向の酸化物超電導体層の結晶性を高め、もって大きな超
電導電流を流すことができるトンネル型ジョセフソン接
合の形成方法の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、基板の上に、下部酸化物超
電導体層，絶縁体層，および上部酸化物超電導体層とを
この順序で積層して成るトンネル型ジョセフソン接合を
形成する方法において、前記下部酸化物超電導体層およ
び前記上部酸化物超電導体層を形成する際に、これら酸
化物超電導体の結晶軸のうちのａ軸が前記基板に対して
垂直となるように前記酸化物超電導体を成長させ、つい
で、熱処理を施して前記酸化物超電導体の結晶性を高め
ることを特徴とするトンネル型ジョセフソン接合の形成
方法が提供される。

【０００９】本発明方法においては、ＭｇＯのような基
板の上に、ａ軸配向で酸化物超電導体を積層させて下部
酸化物超電導体層を形成し、その上に絶縁体を積層して
絶縁体層とし、更にこの絶縁体層の上にａ軸配向で酸化
物超電導体を積層させて上部酸化物超電導体層を形成す
る。これら各層の形成には、従来と同様に、蒸着法やス
パッタ法などが適用される。

【００１０】このようにして形成された下部酸化物超電
導体層と上部酸化物超電導体層は、いずれも、ａ軸配向
だけではなくｂ軸配向も含む混相になっていて結晶性が
悪いので、つぎに、全体に熱処理を施してａ軸配向の結
晶性を高める。このときの温度は２００〜５５０℃であ
ることが好ましく、また熱処理時の雰囲気はハロゲン含
有雰囲気、とりわけＢｒ２　含有の雰囲気であることが
好ましい。

【００１１】熱処理温度が２００℃より低い場合は、成
膜したａ軸配向の酸化物超電導体層の結晶性が充分に高
くならず、また、５５０℃より高い温度の場合は、上部
・下部の酸化物超電導体層の間に介在する絶縁体層が島
状に凝集するため層形状が崩れ、結果として、上部酸化
物超電導体層と下部酸化物超電導体層が直接接触すると
いう事態が生ずるようになる。

【００１２】なお、酸素雰囲気下における熱処理によっ
ても結晶性の向上を企てることができる。しかし、その
場合、加熱温度を８５０℃以上の高温にすることが必要
となり、そのため、上記した問題の外に、上部酸化物超
電導体層の表面状態が粗雑になるという問題も生ずるの
で、前記したように、低温処理が可能なハロゲン含有雰
囲気を採用することが好適である。

【００１３】

【作用】本発明方法では、前記した熱処理によってａ軸
配向で形成した酸化物超電導体層の結晶性が向上する。 そのため、本来の大きな超電導電流を流すことができる
ようになる。

【００１４】

【実施例】実施例１ 多元真空蒸着法によって、ＭｇＯ単結晶基板の（１００
）面に厚み３０００ÅのＹＢａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−ｘ　
（以下、ＹＢＣＯという）を下部酸化物超電導体層とし
て成膜した。

【００１５】すなわち、真空チャンバの中で、Ｙ，Ｂａ
，Ｃｕの各元素を電子銃によってそれぞれ独立に加熱し
て蒸発せしめ、ＭｇＯ基板を５００℃に加熱し、かつ基
板の近傍が局部的に高酸素圧となるように酸素をノズル
から基板に吹きつけた。そのときの酸素圧は約５×１０
−４Ｔｏｒｒとした。また、上記各元素の蒸発速度は、
水晶振動式膜圧計によって制御した。

【００１６】成膜操作の終了後、得られた下部ＹＢＣＯ
層につき高速電子線回折法（ＲＨＥＥＤ法）でその結晶
構造の配向性を調べたところ、形成されたＹＢＣＯ層は
ａ軸配向していた。ついで、蒸発原料としてＭｇＯ焼結
体タブレットを用い、上記下部ＹＢＣＯ層の上に、厚み
５０ÅのＭｇＯ絶縁体層を成膜した。このＭｇＯ絶縁体
層についてもＲＨＥＥＤ法で結晶の配向性を調べた。形
成されたＭｇＯ絶縁体層は（１００）配向していた。

【００１７】最後に、ＭｇＯ絶縁体層の上に、下部ＹＢ
ＣＯ層の場合と同様にして、厚み３０００Åの上部ＹＢ
ＣＯ層を成膜した。この上部ＹＢＣＯ層につき、ＲＨＥ
ＥＤ法で結晶構造の配向性を調べたところ、ａ軸配向で
あった。また、Ｘ線回折法で調べたところ、ａ軸配向を
示す（ｈ００）のピークのみが観測された。得られた積
層体を多元真空蒸着装置から取り出したのち、これを電
気炉内にセットし、Ｂｒ２　雰囲気下において、３００
℃で１時間の熱処理を行った。

【００１８】上記熱処理後の積層体のＹＢＣＯ層につき
、Ｘ線回折法で結晶構造の配向性を調べたところ、ａ軸
配向を示す（ｈ００）のピークのみが観測され、しかも
、その回折強度は熱処理前の強度の約２倍値であった。 すなわち、上記熱処理によって、ＹＢＣＯ層の結晶性，
配向性が向上していることが確認された。また、透過電
子顕微鏡（ＴＥＭ）で各層の断面観察を行ったところ、
ＭｇＯ絶縁体層の島状凝集は認められず、設計基準の通
り、厚み５０Åで一様の層になっっていた。

【００１９】つぎに、この積層体の一部の領域に、下部
ＹＢＣＯ層２ａが露出するまで、ＳＦ６　ガスとＯ２　
ガスの混合ガスを用いるＲＩＢＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　
Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法でドライエッチ
ングを施し、上部ＹＢＣＯ層２ｂの上面に電圧取出し用
のＡｕ電極４ａ，４ａを装荷し、また露出した下部ＹＢ
ＣＯ層２ａの上面に電流印加用のＡｕ電極４ｂ，４ｂを
装荷して、図１で示すようなトンネル型ジョセフソン素
子を製造した。

【００２０】このジョセフソン素子の７７Ｋにおける電
圧−電流特性を図２に示した。図２から明らかなように
、このジョセフソン素子は、エネルギーギャップに相当
する１０ｍＶ付近で急激な電流低下が認められ、良好な
トンネル効果を示している。このときの超電導電流Ｉｃ
は６０ｍＡであった。また、３層の接合部に１０．８Ｇ
Ｈｚのマイクロ波を照射したところ、そのときの電圧−
電流特性曲線には約２０μＶごとのシャピロステップが
観測され、この接合部はジョセフソン接合効果を備えて
いることが確認された。

【００２１】実施例２ 絶縁体の材料として、ＭｇＯに代えてＳｒＴｉＯ３　を
用いたことを除いては実施例１と同様にして積層体を製
造した。上部ＹＢＣＯ層，下部ＹＢＣＯ層はいずれもａ
軸配向で形成され、またＳｒＴｉＯ３　絶縁体層の凝集
も認められなかった。

【００２２】この積層体から実施例１と同じ構造のジョ
セフソン素子を製造し、実施例１と同じような試験を行
ったところ、ジョセフソン素子として動作することが確
認された。このときのＩｃは７０ｍＡであった。 実施例３ 上部・下部ＹＢＣＯ層を、多元真空蒸着法に代えて、下
記条件の低周波マグネトロンスパッタ法で成膜したこと
を除いては、実施例１と同様にして積層体を製造した。

【００２３】ターゲット：ＹＢａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−ｘ
　の焼結体，スパッタガス：ＡｒとＯ２　の１：１混合
ガス，ガス圧：１６０ｍＴｏｒｒ。上部・下部のＹＢＣ
Ｏ層はいずれもａ軸配向であり、ＭｇＯ絶縁体層の凝集
も認められず厚み５０Åで一様であった。この積層体か
ら実施例１と同じような構造の素子を製造し、その特性
を実施例１と同様にして調べたところ、ジョセフソン素
子として動作した。Ｉｃは６５ｍＡであった。

【００２４】比較例１ 熱処理を施さなかったことを除いては、実施例１と同様
にして積層体を製造した。この積層体における上部ＹＢ
ＣＯ層，下部ＹＢＣＯ層はいずれもａ軸配向であり、ま
たＭｇＯ絶縁体層の凝集も認められなかった。この積層
体から図１と同じ構造の素子を製造し、この特性を調べ
たところ、ジョセフソン素子として動作した。しかし、
Ｉｃは１５ｍＡと非常に低い値であった。

【００２５】比較例２ 基板温度を６５０℃に設定しＭｇＯ絶縁体層の厚みを１
０Åに設定して、各ＹＢＣＯ層をｃ軸配向によって成膜
操作を行ったことを除いては、実施例１と同様にして積
層体を製造した。上部・下部のＹＢＣＯ層はＲＨＥＥＤ
法によればａ軸配向であることが確認され、またＸ線回
折法によれば（００ｌ）にのみピークが認められた。

【００２６】成膜直後のＭｇＯ絶縁体層はＲＨＥＥＤ法
によれば（１００）に配向していた。しかし、熱処理後
では、このＭｇＯ絶縁体層は、ＴＥＭによる断面観察の
結果、島状に凝集していた。これは、基板温度が高すぎ
るからである。 比較例３ 熱処理温度が６００℃であったことを除いては、実施例
１と同様にして積層体を製造した。

【００２７】この場合も、ＭｇＯ絶縁体層は島状に凝集
した。 比較例４ 熱処理温度を１５０℃にしたことを除いては、実施例１
と同様にして積層体を製造した。ＭｇＯの絶縁体層の島
状凝集は認められなかった。また、ＹＢＣＯ層の（ｈ０
０）ピークの強度は熱処理の前後で変わらなかった。

【００２８】また、この積層体から図１の構造の素子を
製造した。この素子はジョセフソン素子として動作した
。しかし、Ｉｃは１０ｍＡと低い値であった。 比較例５ 熱処理時の雰囲気をオゾン５体積％含有の酸素雰囲気と
したことを除いては、実施例１と同様にして積層体を製
造した。ＭｇＯ絶縁体層の島状凝集は認められなかった
。また、ＹＢＣＯ層の（ｈ００）ピークの強度は熱処理
の前後で変わらなかった。

【００２９】また、この積層体から図１の構造の素子を
製造した。この素子はジョセフソン素子として動作した
。しかし、Ｉｃは１０ｍＡと低い値であった。 比較例６ 熱処理時の温度を６００℃としたことを除いては、比較
例５と同様にして積層体を製造した。

【００３０】Ｘ線回折法によれば、上部・下部ＹＢＣＯ
層いずれもａ軸配向であり、しかも熱処理後の回折強度
のピークは熱処理前の約２倍値であることが認められた
。しかし、ＴＥＭによる断面観察の結果、ＭｇＯ絶縁体
層は凝集していた。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明方
法ではａ軸配向で成膜した酸化物超電導体層を熱処理す
ることによってその結晶性を向上させる。そのため、酸
化物超電導体層はａ軸配向による本来の大きな超電導電
流を流すことができるトンネル型ジョセフソン接合を形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】トンネル型ジョセフソン素子の概略斜視図であ
る。

【図２】ジョセフソン効果を示すグラフである。

【図３】基板の上に、下部酸化物超電導体層，絶縁体層
，上部酸化物超電導体層を順次積層した積層体の断面構
造を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　　　基板 ２ａ　　下部酸化物超電導体層 ２ｂ　　上部酸化物超電導体層 ３　　　　絶縁体層 ４ａ　　電圧取出し用電極 ４ｂ　　電流印加用電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板の上に、下部酸化物超電導体層，
   絶縁体層，および上部酸化物超電導体層をこの順序で積
   層して成るトンネル型ジョセフソン接合を形成する方法
   において、前記下部酸化物超電導体層および前記上部酸
   化物超電導体層を形成する際に、これら酸化物超電導体
   の結晶軸のうちのａ軸が前記基板に対して垂直となるよ
   うに前記酸化物超電導体を成長させ、ついで、熱処理を
   施して前記酸化物超電導体の結晶性を高めることを特徴
   とするトンネル型ジョセフソン接合の形成方法。