JPH04335583A - 平面型マイクロブリッジジョセフソン接合素子 - 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、ＳＱＵＩＤ（超電導量
子干渉デバイス）や論理回路等に用いられる平面型マイ
クロブリッジジョセフソン接合素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ジョセフソン接合が有する超高速性、低
消費電力性は、ＳＱＵＩＤや超大型コンピュ−タ−の論
理回路や記憶素子への応用に期待がもてる。また、最近
発見された高温超電導体は、液体窒素による簡便な冷却
で充分なため、大きなメリットがある。

【０００３】しかし、そのようなジョセフソン接合素子
において、高感度性、超高速性、良好なＳ／Ｎ比等の特
性を維持するためには、ジョセフソン接合の特性を良好
に維持しなければならない。特に、多数のジョセフソン
接合をアレイ状に接続する形態の素子においては、多数
のジョセフソン接合の特性をそろえることが、素子製造
上必要である。上述の各デバイスに使用されるジョセフ
ソン接合素子には、次の３つの型がある。 １．マイクロブリッジ型 ２．ポイントコンタクト型 ３．ＳＩＳ積層型

【０００４】これらのジョセフソン接合素子のうち、マ
イクロブリッジ型は、いわゆる弱結合型のジョセフソン
接合を有し、ＳＩＳ積層型はトンネル型ジョセフソン接
合を有する。また、ポイントコンタクト型は、接触部に
絶縁体が介在するか否かで、トンネル型か弱結合型とな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した各型のジ
ョセフソン接合素子のうち、素子の歩留り、特性のバラ
ツキを抑えるという点では、薄膜の堆積のみで形成可能
なＳＩＳ積層型が有利である。しかし、ＳＩＳ積層型の
特性は、用いる超電導体材料、トンネルバリア層材料、
それらの相性、積層化技術に大きく依存する。従って、
通常、Ｎｂ−ＡｌＯＸ　−Ｎｂ、Ｐｂ−ＰｂＯ−Ｐｂ等
により作成されているが、積層する超電導体が酸化物高
温超電導体である場合には、次の理由により特性の安定
したＳＩＳ積層型ジョセフソン接合を得ることは困難で
ある。 １．高温熱処理等による表面の平坦性の悪化２．特定の
基板上にしか結晶成長しない３．コヒ−レンス長が数１
０オングストロ−ムと短い

【０００６】一方、液体ヘリ
ウムによる冷却を必要としない酸化物高温超電導体をジ
ョセフソン接合に用いることは、素子の小型化、安定性
、操作の簡便性の点から非常に大きな利点であり、これ
らの理由によりジョセフソン接合素子の型としては、ポ
イントコンタクト型かマイクロブリッジ型を用いること
になる。しかし、ポイントコンタクト型は、素子の集積
化が困難であるばかりでなく、接合面積の制御も極めて
困難である。

【０００７】また、マイクロブリッジ型ジョセフソン接
合素子は、製造工程が単純であり、製造し易いという利
点があるものの、ブリッジ部のリンク長は理論上数１０
オングストロ−ム程度でなければならず、そのような微
細なパタ−ニングは不可能である。実際に、Ｙ１　Ｂａ
２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　等の酸化物高温超電導体を用い
たマイクロブリッジ型ジョセフソン接合素子では、リン
ク長が４〜２０μｍあり、上述の理論値よりはるかに大
きく、粒界による弱結合が形成されているものと考えら
れる。

【０００８】従って、素子の電流−電圧特性をそろえる
ためには、粒界の大きさ、数等を制御しなければならず
、このようなことは従来のマイクロブリッジ型ジョセフ
ソン接合では不可能であった。以上のように、特性のそ
ろったジョセフソン接合を多数製造することは、これま
で非常に困難であった。本発明は、上記事情の下になさ
れ、安定した特性のジョセフソン接合を有する平面型マ
イクロブリッジジョセフソン接合素子を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によると、基板と
、この基板の上に形成されたマイクロブリッジ部を有す
る酸化物高温超電導体層と、この超電導体層の上に形成
された電極とを具備し、前記超電導体層の少なくともマ
イクロブリッジ部がオフアクシャル基板上に形成されて
いることを特徴とする平面型マイクロブリッジジョセフ
ソン接合素子が提供される。

【００１０】本発明に用いられるオフアクシャル基板で
は、図１に示すように、結晶方位の方向ａが基板面に垂
直な方向ｂに対し、角度θだけ傾斜している。この角度
θは１〜２０°であることが望ましい。このようなオフ
アクシスの傾きが１°未満では、図２に示す基板のステ
ップの段差が小さくなり、この基板上に酸化物超電導体
を成長させると、酸化物超電導体が段差を乗り越えて成
長してしまい、ステップのテラス幅ｃによる粒径の制御
が困難となる。一方、２０°を越えるオフアクシス勾配
を基板に与えると、基板のステップの段差が大きくなり
過ぎて、この部分に生ずる粒界の接合特性が著しく劣化
し、実用に耐える接合が得にくくなる。

【００１１】本発明の平面型マイクロブリッジジョセフ
ソン接合素子では、マイクロブリッジ部の向きとオフア
クシャル基板のオフ方向において、基板面に垂直な方向
と結晶方位の方向のいずれにも垂直な方向、即ちオフア
クシャル基板上のステップエッジは、マイクロブリッジ
部を横切ることが望ましい。横切らない場合には、マイ
クロブリッジ部を流れる超電導電流が、ステップのテラ
スの幅により決まる粒界での接合を流れず、ステップに
平行な方向に生ずる粒界による接合を流れ、この影響が
大きくなり、マイクロブリッジジョセフソン接合を制御
出来なくなるからである。

【００１２】なお、オフアクシャル基板上のステップエ
ッジは、マイクロブリッジ部と必ずしも直角に横切る必
要はなく、図３に示すように、マイクロブリッジ部の幅
をＷ、長さをＬとしたとき、ｔａｎ−１（Ｗ／Ｌ）＜α
≦９０°の角度αで横切っていればよい。

【００１３】オフアクシャル基板としては、超電導体の
格子定数に近似する格子定数を有する単結晶基板を用い
ることが出来る。そのような単結晶基板として、例えば
ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ３　、ＬａＡｌＯ３　などの基板を
挙げることが出来る。

【００１４】本発明の超電導素子に使用可能な超電導体
材料としてはＹ１　Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　、及び
この複合酸化物のＹをＨｏ、Ｅｒ等のランタニド元素で
置換した組成を有する複合酸化物が挙げられる。また、
他の例としては、Ｔｌ２　Ｂａ２　Ｃａ１　Ｃｕ２　Ｏ
ｘ　、Ｔｌ２　Ｂａ２　Ｃａ２　Ｃｕ３　Ｏ１０−ｙ、
Ｂｉ２　Ｓｒ２　Ｃａ１　Ｃｕ２　Ｏｘ　、Ｂｉ２　Ｓ
ｒ２　Ｃａ２　Ｃｕ３　Ｏ１０−ｙ、及びこれらの複合
酸化物にＰｂを添加したものを挙げることが出来る。

【００１５】

【作用】本発明者らの研究によると、単結晶基板上の酸
化物高温超電導体薄膜の成長機構は、キンク（ｋｉｎｋ
）成長によるものであることがわかった。即ち、本発明
者らは、単結晶基板上の酸化物高温超電導体薄膜の成長
は、単結晶基板上のステップエッジを成長の核としたテ
ラス上への２次元成長と島状の３次元成長の混合成長で
あることを見出だした。そこでこの成長機構を利用する
ことにより、酸化物高温超電導体の平面型マイクロブリ
ッジ・ジョセフソン接合素子を得るに至った。

【００１６】ところで、特性の安定したジョセフソン素
子を得るためには、即ちジョセフソン接合の電流−電圧
特性をそろえるためには、粒界の大きさ、数を制御する
必要がある。そこで、単結晶基板として、オフアクシャ
ルなものを使用すると、特定の方向・特定のテラス幅、
特定の段差を有するステップを基板に与えることが出来
る。この基板上に成膜した酸化物高温超電導体の粒界の
特性をステップの段差により、粒界の大きさをステップ
のテラス幅により、粒界の数をステップとマイクロブリ
ッジの角度とテラスの幅により制御することが可能であ
る。このように、本発明では、単結晶基板の結晶方位を
基板面に垂直は方向から傾斜させることにより、上述の
問題点を解決している。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を示し、本発明を更に
詳細に説明する。

【００１８】なお、以下に示す実施例では、酸化物高温
超電導体材料としてＹ１　Ｂａ２　Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　
を、オフアクシャル基板として（１００）ＳｒＴｉＯ３
　単結晶基板を用いた。しかし、本発明はこれに限らず
、プロセス上作製可能であれば他の材料によっても、ジ
ョセフソン接合の電流−電圧特性を制御する効果を得る
ことが出来ることは明らかである。 実施例１

【００１９】図４（ａ）は、平面型マイクロブリッジジ
ョセフソン接合素子の斜視図、図４（ｂ）はその平面図
である。なお、見易くするため、マイクロブリッジ部と
電極部の縮尺は異なって描かれている。

【００２０】まず、（１００）ＳｒＴｉＯ３　単結晶基
板を（０１１）方向に４°傾斜させた、オフアクシャル
基板１上に、Ｙ１　Ｂａ２Ｃｕ３　Ｏ７−Ｘ　からなる
酸化物高温超電導体を、多元電子ビ−ム蒸着法により、
厚さ０．５μｍ成膜した。この時、基板温度を６５０℃
、成膜中における基板近傍の雰囲気を圧力５ｍＴｏｒｒ
のＯ２　雰囲気とし、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕの各元素がＹ：Ｂ
ａ：Ｃｕ＝１：２：３のモル比となるように、水晶振動
式の膜厚モニタにより堆積速度を制御し、成膜を行なっ
た。形成した超電導膜２の臨界温度は８５Ｋであった。

【００２１】得られた膜２を、ＳＦ６　ガスを用いたＲ
ＩＢＥ（反応性イオンビ−ムエッチング）法を用いて、
マイクロブリッジ部３を有する型にパタ−ニングし、次
いで超電導体層２の上部にＡｕの蒸着による電極４を４
ケ所形成し、平面型マイクロブリッジジョセフソン接合
素子を得た。この素子におけるブリッジ幅は４μｍであ
った。

【００２２】以上のように作製された平面型マイクロブ
リッジジョセフソン接合素子を７７Ｋに冷却した場合の
、バイアス電流と発生電圧の関係を図５のグラフに示す
。第５図の横軸は、素子の電流電極に印加したバイアス
電流値、横軸は電圧電極で測定した発生電圧を示す。

【００２３】図５に示す結果を得た条件下で、素子のマ
イクロブリッジ部に１０．８ＧＨｚのマイクロ波を照射
すると、その電流−電圧曲線に約２０μＶ毎のシャピロ
ステップが観測され、このマイクロブリッジ部がジョセ
フソン接合効果を有することを示している。

【００２４】この時、サンプル１０ケを同様の方法で作
製し、それらについて電圧−電流曲線を測定し、その電
圧の立上りの部分である臨界電流（Ｉｃ　）値により、
平面型マイクロブリッジジョセフソン接合素子の再現性
の評価を行なった。その結果、Ｉｃ　＝２０ｍＡ±４ｍ
Ａの範囲にすべてのサンプルのＩｃ　が入り、再現性の
良さが確認された。 実施例２

【００２５】オフアクシャル基板のオフ角度を１°、２
°、１０°、２０°と変えたことを除き、実施例１と同
様にして平面型マイクロブリッジジョセフソン接合素子
を作製し、これらの素子についてＩｃ　のバラツキを評
価した。なお、Ｉｃ　のバラツキは、それぞれのオフ角
度について１０個のサンプルを作製し、それらのＩｃ　
値の分散により評価した。その結果を表１に示す。表１
から、いずれのオフアクシャル基板のオフ角度の素子に
ついても、Ｉｃ　値のバラツキが抑えられ、再現性が良
好であることが確認された。 比較例

【００２６】通常の基板（オフ角度０°）、及び４０°
のオフ角度を有する（１００）ＳｒＴｉＯ３　単結晶基
板を用いたことを除いて実施例１と同様にして平面型マ
イクロブリッジジョセフソン接合素子を作製し、これら
の素子について実施例２と同様にしてＩｃ　のバラツキ
を評価した。その結果を表１に示す。表１から、いずれ
のオフアクシャル基板のオフ角度の素子についても、Ｉ
ｃ　値のバラツキは甚だしく、再現性が不良であること
が確認された。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
基板としてオフアクシャル基板を用い、粒界の大きさ、
数等を制御することにより、一定の電流電圧特性を有す
る多数のジョセフソン接合を形成することが可能であり
、その結果、素子全体としての性能の安定化を容易に図
ることが出来る。また、個々の素子間の性能のバラツキ
を抑えることも可能である。更に、本発明によると、酸
化物高温超電導体を用いたジョセフソン接合素子の品質
の安定化を飛躍的に高めることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いられるオフアクシャル基板の一部
の断面図。

【図２】本発明に用いられるオフアクシャル基板の一部
の斜視図。

【図３】本発明の平面型マイクロブリッジジョセフソン
接合素子のマイクロブリッジ部を示す平面図。

【図４】本発明の平面型マイクロブリッジジョセフソン
接合素子の斜視図及び平面図。

【図５】本発明の平面型マイクロブリッジジョセフソン
接合素子の電流−電圧特性を示す特性図。

【符号の説明】

１…オフアクシャル基板、２…超電導体層、３…マイク
ロブリッジ部、４…電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、この基板の上に形成されたマイク
   ロブリッジ部を有する酸化物高温超電導体層と、この超
   電導体層の上に形成された電極とを具備し、前記超電導
   体層の少なくともマイクロブリッジ部がオフアクシャル
   基板上に形成されていることを特徴とする平面型マイク
   ロブリッジジョセフソン接合素子。