JPH06334231A

JPH06334231A - ジョセフソン接合素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06334231A
Application number: JP5121202A
Authority: JP
Inventors: Yuji Mizuno; 裕二水野; Masaya Osada; 昌也長田; Hideo Nojima; 秀雄野島; Masayoshi Koba; 正義木場
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-05-24
Filing date: 1993-05-24
Publication date: 1994-12-02

Abstract

(57)【要約】【構成】超電導層−障壁層−超電導層の構造を有する
ジョセフソン接合素子であって、前記超電導層が酸化物
高温超電導体で形成され、前記障壁層が、所定の元素が
ドープされた強誘電体で形成されているジョセフソン接
合素子。【効果】障壁層の強誘電体にドープする元素の量を所
望の量に制御することができ、障壁層のドープ量と膜厚
とを組み合わせて制御することにより、障壁層のコヒー
レンス長を変化させ、ジョセフソン接合の臨界電流や常
伝導トンネル抵抗等を制御し、特性を向上させることが
できる。さらに、高価なバルクの単結合物質を使う必要
がないので、コストを大幅に引き下げることができる。
従って、特性が向上するとともに、その特性にばらつき
のないジョセフソン接合素子を低コストで得ることがで
き、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）等に応用するこ
とが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はジョセフソン接合素子及
びその製造方法に関し、より詳細には臨界電流やコヒー
レンス長等に異方性をもつ酸化物高温超電導体を用いた
ジョセフソン接合素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来か
ら提案されているジョセフソン接合素子は、大別すると
２通りの構造のものがある。すなわち、その素子が用い
る障壁層の電気特性及び障壁層の厚みによって、超電導
層（Ｓ層）−絶縁層（Ｉ層）−超電導層（Ｓ層）の構造
をもつもの（Ｓ−Ｉ−Ｓ接合型素子）及び超電導層（Ｓ
層）−常伝導層（Ｎ層）−超電導層（Ｓ層）の構造をも
つもの（Ｓ−Ｎ−Ｓ接合型素子）がある。

【０００３】このうち、前者のＳ−Ｉ−Ｓ接合型素子
は、２つの超電導体の間に、超電導体が有しているコヒ
ーレンス長以下に相当する膜厚の極薄絶縁膜を介在させ
た、いわゆる積層型の構造であり、この極薄絶縁膜の元
素組成比、組成均一性及び膜厚によってその接合の特性
や、信頼性などが大きく左右されることがあった。特に
酸化物超電導体はこのコヒーレンス長が短く数Å程度で
ある。このため酸化物超電導体を用いたＳ−Ｉ−Ｓ型接
合素子は、絶縁膜をÅオーダーで均一にする必要があっ
た。しかし、現状の技術で作ることのできる酸化物超電
導体の表面平坦性は良好でないために、その作製が困難
であるという課題があった。

【０００４】後者のＳ−Ｎ−Ｓ接合の場合には、金、銀
等の貴金属を常伝導層として用いた例が報告されてい
る。しかし、常伝導層の抵抗率が小さいため、ジョセフ
ソン素子としての性能を表すＩ_cＲ_n積が小さ過ぎる等
の理由で、いまだ実用化されていないのが現状である。

【０００５】また、酸化物強誘電体の１種であるＳｒＴ
ｉＯ₃にＮｂをドープした、ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃を
常伝導層に用いたＳ−Ｎ−Ｓ接合も報告されている。し
かし、その例では市販のＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ₃
単結晶基板をスパッタして作製しているために、ドープ
するＮｂの量をコントロールすることができないという
問題があった。さらに、ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃単結晶
基板は非常に高価であるためコストがかかり過ぎるとい
う問題があった。

【０００６】従って、実用性のある電子デバイスとして
用いるふさわしいＳ−Ｎ−Ｓ接合素子を製造するには、
障壁層に用いる強誘電体中のＮｂ，Ｌａのドープ量を制
御することが要求される。そして、その制御により、コ
ヒーレンス長を改善するとともに、ジョセフソン特性を
最適化すること、さらに、超電導層上の強誘電体膜のヘ
テロエピタキシャル成長、強誘電体膜上の超電導層のヘ
テロエピタキシャル成長及び製造上のコストの低減が要
求されている。

【０００７】本発明は上記の課題に鑑みなされたもので
あり、実用性のあるＳ−Ｎ−Ｓ型接合素子を低コストで
製造することができるジョセフソン接合素子及びその製
造方法を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、超電導
層−障壁層−超電導層の構造を有するジョセフソン接合
素子であって、前記超電導層を酸化物高温超電導体で形
成し、さらに前記障壁層として、所定の元素が０．００
１〜５ｗｔ％でドープされた強誘電体で形成されている
ジョセフソン接合素子が提供される。

【０００９】また、超電導層−障壁層−超電導層の構造
を有するジョセフソン接合素子であって、前記障壁層
を、強誘電体を構成する元素と所定の元素とを酸素雰囲
気下で多元蒸着により形成するジョセフソン接合素子の
製造方法が提供される。

【００１０】本発明におけるジョセフソン接合素子は、
基板上に形成されている。この際、基板上に直接形成し
てもよいが、所望の素子を形成した上に絶縁膜等を形成
した後、ジョセフソン接合素子を形成してもよい。この
基板の材料としては特に限定されるものではなく、例え
ば、酸化物単結晶からなるものを用いることができる。
具体的には、ＳｒＴｉＯ₃（１００）、ＭｇＯ（１０
０）、ＹＳＺ（１００）、ＬａＡｌＯ₃（１００）、Ｌ
ａＧａＯ₃（１００）、ＮｄＧａＯ₃（１００）等が挙
げられる。

【００１１】ジョセフソン接合素子を構成する超電導層
としては、酸化物高温超電導体が好ましい。具体的に
は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X（ただしＸは０〜１）、Ｂｉ
₂Ｓｒ ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10+X、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂
Ｏ_8+X、Ｂａ_1-XＫ_XＢｉＯ₃、ＬｎＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ
_7-X（ここでＬｎ＝Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ），Ｓｒ_XＣａ_1-XＣｕＯ
_2+Y，Ｓｒ_XＣａ_1-XＣｕＯ_2-Y，Ｎｄ_2-XＣｅ_XＣｕ
Ｏ_4-Y及び（Ｂｉ_XＰｂ_1-X）₂ＳｒＣａ₂Ｃｕ₃Ｏ
_10+Y（Ｘは０〜１，Ｙは０〜１）等からなるものを用い
ることができる。これら超電導層は、公知の方法、例え
ば、反応性蒸着法、スパッタ法、レーザ蒸着法、イオン
ビーム法又はＣＶＤ法等により、ペロブスカイト構造の
結晶構造で形成することができる。この際の膜厚は、約
５００〜２０００Åが好ましい。

【００１２】上記超電導層の間に挟持される障壁層とし
ては、所望の元素がドープされた強誘電体酸化物がこの
ましい。具体的には、Ｎｂ又はＬａ等がドーピングされ
たＳｒＴｉＯ₃、ＰｒＢａ₂Ｃ₃Ｏ_7-X（ただしＸは０〜
１）、Ｂｉ₂Ｓｒ₂ＣａＣｕ₂Ｏ₃等からなるものを用いる
ことができる。この障壁層の形成は、強誘電体酸化物
を、ドープする元素、例えばＮｂ又はＬａとともに、酸
素雰囲気中、あるいはオゾン、酸素ラジカル又はその両
方を含んだ酸素活性雰囲気中、酸素プラズマ雰囲気中又
はそれらの混合雰囲気中において、各元素ごとに抵抗加
熱、電子ビーム加熱又はクヌーセン・セルを用い、各蒸
発源材料の蒸発量を独立に制御した反応性蒸着等によ
り、多元的に形成することが特徴である。酸素雰囲気に
て行う場合には、酸素ラジカルを発生させながら行うこ
とが好ましい。その際の反応容器内の圧力は８×１０^-6
〜１×１０^-4Ｔｏｒｒ程度、基板の温度は約７００〜９
００℃程度が好ましい。そして、蒸着が終了したのち、
基板温度を１００〜３００℃程度低くして、１０〜６０
分間程度保持することにより蒸着膜の結晶性を向上させ
ることができる。つまり、障壁層は結晶配向が特定の方
向にそろったヘテロエピタキシャルに成長させている。
いいかえると、障壁層の結晶構造は上記超電導層の結晶
構造と略同じ、例えば、ペロブスカイト構造の結晶構造
であることが好ましい。このような結晶構造の制御は基
板の種類、超電導層の温度等を制御することにより行う
ことができる。また、強誘電体酸化物にドーピングされ
るＮｂ又はＬａの量は、強誘電体酸化物の重量に対して
０．００１〜５ｗｔ％程度が好ましい。ドーピング量の
制御は、例えば、Ｎｂ又はＬａ等を強誘電体を構成する
元素と共に多元蒸着する際に、Ｎｂ又はＬａの蒸着レー
トを電子ビーム、抵抗加熱等のエネルギーを制御する
か、あるいは適当な治具を用いることによって行うこと
ができる。この場合の適当な治具としては、融点が十分
高く、かつ蒸着材料と反応しにくいＳＵＳ、アルミニウ
ム等の金属やセラミック等の板に孔をあけたものを用い
ることができる。この際の障壁層の膜厚は、約１００〜
数１０００Åが好ましく、約２００〜３００Åがより好
ましい。

【００１３】また、本発明におけるジョセフソン接合素
子に用いる電極は、通常電極材料として用いられる材
料、例えばＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔｉ等を用いて、公知の
方法、例えば真空蒸着法、スパッタ法等により形成する
ことができる。本発明におけるジョセフソン接合素子の
形態としては、プレーナ型やサンドイッチ型等、特に限
定されるものではない。

【００１４】プレーナ型のジョセフソン接合素子の一例
としては、基板上に形成された超電導層に、基板に至る
溝が形成され、その溝を埋め込むように、超電導層上に
障壁層が形成されたものがある。つまり、２つの超電導
層が溝内に埋め込まれた障壁層により分離され、障壁層
を挟持したものである。この場合の超電導層は上記の方
法により形成することができる。また、溝の形成は反応
性イオンエッチング、イオンビームエッチング等の異方
性ドライエッチング法により行うことができる。この際
の溝の深さは、基板上に形成された超電導層の膜厚によ
り適宜調節することができ、通常は基板に至る深さが好
ましい。また、溝の幅は０．０３〜０．１５μｍ程度が
好ましい。

【００１５】サンドイッチ型のジョセフソン接合素子
は、基板上に超電導層、障壁層及び超電導層が順次積層
されたもので、所望の形状にエッチングする際には、フ
ォトリソグラフィ工程によりレジスト保護膜等を形成
し、反応性イオンエッチング、イオンビームエッチング
等の異方性ドライエッチング法を適応することが好まし
い。

【００１６】

【作用】本発明におけるジョセフソン接合素子によれ
ば、超電導層−障壁層−超電導層の構造を有するジョセ
フソン接合素子であって、前記超電導層を酸化物高温超
電導体で形成し、さらに前記障壁層として、所定の元素
が０．００１〜５ｗｔ％でドープされた強誘電体で形成
されているので、ジョセフソン接合の臨界電流や常伝導
トンネル抵抗が制御される。

【００１７】また、本発明におけるジョセフソン接合素
子の製造方法によれば、障壁層の強誘電体にドープする
元素の量を所望の量に制御することができる。そして、
障壁層のドープ量と膜厚とを組み合わせて制御すること
により、障壁層のコヒーレンス長が変化することとな
り、ジョセフソン接合の臨界電流や常伝導トンネル抵抗
が制御される。

【００１８】

【実施例】以下に本発明に係るジョセフソン接合素子の
実施例を図面に基づいて説明する。実施例１図１及び図２はプレーナ型ジョセフソン接合素子１０で
ある。このジョセフソン接合素子１０においては、Ｓｒ
ＴｉＯ₃（１００）単結晶基板１上に酸化物高温超電導
体としてＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜２が積層され、平面視ダ
ンベル形状にパターン化されている。そして、そのブリ
ッジ部には基板１に至る、長さｌの間隔を有する溝２ａ
が形成されている。ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜２のブリッジ
部上には、Ｎｂがドープされた強誘電体酸化物であるＳ
ｒＴｉＯ₃膜３が、平面視ダンベル形状で、ＹＢａ₂Ｃｕ
₃Ｏ_7-x膜２と垂直に交わり、溝２ａを埋設するように形
成されている。

【００１９】以下、このようなプレーナ型ジョセフソン
接合素子１０の製造方法について説明する。まず、Ｓｒ
ＴｉＯ₃（１００）単結晶基板１上に、所望の領域が露
出するようにパターニングされたメタルマスクを重ね、
酸化物高温超電導体であるＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜２を、
反応性蒸着法によって基板１にｃ軸配向するように成膜
した。この際、反応容器内の圧力を２×１０^-4Ｔｏｒｒ
程度に保持し、オゾンを１０％程度含んだ酸素ラジカル
を照射し、基板１の温度を約７５０℃で、ＹＢａ₂Ｃｕ₃
Ｏ_7-x膜２の膜厚が約２０００Å、Ｙ：Ｂａ₂：Ｃｕ₃＝
１：２：３となるように成膜した。

【００２０】次いで、電子ビームリソグラフィ法を用い
て、所望の形状、例えばダンベル形状に形成されたＹＢ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜２のブリッジ部に、線幅ｌ＝約０．１
μｍ、深さ約２５００Å程度の溝２ａを形成した。この
溝２ａはその下部が基板１に達している。この際、Ａｒ
のイオンビームを基板１に垂直に照射するドライエッチ
ングにより溝２ａを形成した。

【００２１】その後、溝２ａを含む所望の領域が露出す
るようにパターニングされたメタルマスクを重ね、溝２
ａを埋めるように、ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃膜３を、基
板１と同様の（１００）配向するように、反応性蒸着法
で成膜した。この際、反応容器内の圧力を８×１０^-6Ｔ
ｏｒｒ、基板温度を８００℃に保持し、オゾン１０％を
含有する酸素雰囲気中で、蒸着源としてＳｒ，Ｔｉ，Ｎ
ｂを用い、Ｓｒを抵抗加熱、Ｔｉ，Ｎｂを電子ビーム加
熱によって、Ｓｒ：Ｔｉの組成比が２：１となり、Ｎｂ
ドープ量がＳｒＴｉＯ₃の重量比に対して０．１％とな
るように、膜厚約３０００Åで成膜した。また、ＳｒＴ
ｉＯ₃膜３の結晶性を向上させるために蒸着終了後、基
板温度を６００℃で保持して１時間程度ポストアニール
を行った。

【００２２】そして、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜２上に、酸
化物高温超電導体と反応しにくい貴金属である銀を、マ
スクを用いて真空蒸着法により蒸着し、電極４を形成す
る。このような工程を経て、プレーナ型Ｓ−Ｎ−Ｓジョ
セフソン接合素子１０が作製される。なお、今回作製し
た素子のサイズは、５０μｍ×５０μｍである。また、
超電導層にＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x、障壁層にＮｂドープＳ
ｒＴｉＯ₃を用いている。障壁層つまりＮ層のコヒーレ
ンス長は、ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃薄膜の形成時にＮｂ
ドープ量を変化させることにより、制御することができ
るものである。本発明では、Ｎｂのドープ量を０．１ｗ
ｔ％として、ξ_N＝約３５Åの障壁層、つまりＮ層のコ
ヒーレント長が得られた。

【００２３】なお、本実施例において形成されたＮｂド
ープＳｒＴｉＯ₃薄膜は、Ｘ線回折及びＲＨＥＥＤの観
察の結果、結晶構造が立方晶のペロブスカイト構造で、
格子定数が約３．９Åであった。

【００２４】図３に本実施例で作製したプレーナ型ジョ
セフソン接合素子１０のＩ−Ｖ特性の測定結果を示す。
これによると、Ｔ＝７７Ｋにおいて、電圧０での有限な
大きさの電流（超電導電流）及び電流−電圧曲線の形状
から、ジョセフソン接合が実現できていることが分か
る。

【００２５】このジョセフソン接合素子において、コヒ
ーレンス長に比べて障壁層の厚みが大きいにも関わら
ず、ジョセフソン特性が得られているのは、酸化物高温
超電導体に酸化物常伝導障壁層の中間層を用いた接合を
形成した場合における長距離近接効果が起こっている可
能性が考えられる。

【００２６】実施例２図４〜図７はサンドイッチ型ジョセフソン接合素子２０
である。このジョセフソン接合素子２０においては、Ｓ
ｒＴｉＯ₃（１００）単結晶基板１１上に下部酸化物高
温超電導体としてＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜１２、強誘電体
層としてＮｂがドープされたＳｒＴｉＯ₃膜１３、上部
酸化物高温超電導体としてＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜１４
が、順次積層されて形成されている。また、下部のＹＢ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇ _-x膜１２上及び上部のＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜
１４上に電極１７、１５及び１９がそれぞれ形成されて
いる。

【００２７】以下、このようなサンドイッチ型ジョセフ
ソン接合素子２０の製造方法について説明する。まず、
実施例１と同様にＳｒＴｉＯ₃（１００）を基板として
用いる。そして、反応性蒸着法により、基板温度を６８
０℃と設定し、他の条件は上記実施例１と同様に酸化物
高温超電導体であるＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X１２を基板の面
に対してａ軸配向するように成膜する。

【００２８】次いで、Ｎｂをドープした強誘電体酸化物
であるＳｒＴｉＯ₃膜１３をＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X１２上に
（１００）配向でヘテロエピタキシャル成長させる。そ
の場合の条件は、実施例１と同様にして形成することが
できる。この際のＳｒＴｉＯ ₃膜１３の膜厚は約２００
Åであった。そして、ＳｒＴｉＯ₃膜１３上に上部酸化
物高温超電導体としてＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜１４を、上
記と同様にａ軸配向でヘテロエピタキシャルに成膜す
る。

【００２９】次いで、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x膜１４上全面
に、銀の薄膜１５を真空蒸着によって蒸着する。そし
て、銀薄膜１５上に、フォトリソグラフィ工程により、
接合を形成する大きさを有するレジストの保護層２５を
形成する。その後、レジストの保護層２５をマスクとし
て、Ａｒイオンビームにより、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X膜１
２が露出するまでエッチングをおこなう。続いて、所望
の領域が露出するようにパターニングされたメタルマス
クを用いて、ＹＢ₂Ｃｕ₃Ｏ _7-X膜１２上に銀電極１７を
蒸着、形成する。

【００３０】さらに、上部ＹＢ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X膜１４上に
も電極を形成するために、ＹＢ₂Ｃｕ ₃Ｏ_7-X膜１２上の
電極以外の領域及び銀薄膜１５上以外の領域に、フォト
リソグラフィ工程によりレジストの保護層１８を形成す
る。そして、ワイヤリングのための銀薄膜２８を、先の
保護層１８を付けた部分に重なるように蒸着した後、Ａ
ｒイオンビームでパターニングを行うことにより上部Ｙ
Ｂ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X膜１４上に、一体となった電極１５、１
９を形成する（図４）。この場合の素子の接合部分のサ
イズは、５０μｍ×５０μｍである。

【００３１】このようにして作製したサンドイッチ型ジ
ョセフソン素子２０のＩ−Ｖ特性を図８に示す。これに
よると、Ｔ＝７７Ｋにおいて、電圧０での有限な大きさ
の電流（超電導電流）及び電流−電圧曲線の形状から、
ジョセフソン接合が実現できていることが分かる。

【００３２】本実施例においては、障壁層つまりＮ層の
コヒーレンス長は、ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃薄膜の形成
時にＮｂドープ量を変化させることにより、制御するこ
とができるものである。本発明では、Ｎｂのドープ量を
０．１ｗｔ％として、ξ_N＝約３５Åの障壁層、つまり
Ｎ層のコヒーレント長が得られた。

【００３３】なお、本実施例において形成されたＮｂド
ープＳｒＴｉＯ₃薄膜は、Ｘ線回折及びＲＨＥＥＤの観
察の結果、結晶構造が立方晶のペロブスカイト構造で、
格子定数が約３．９Åであった。

【００３４】試験例本発明のジョセフソン接合素子を構成する障壁層におい
て、強誘電体酸化物にドープする元素の量を変化させた
場合の強誘電体酸化物膜の電気特性を試験した。この場
合のドープ元素はＮｂ、強誘電体酸化物としてはＳｒＴ
ｉＯ₃単結晶を用いた。

【００３５】まず、反応性蒸着法において、蒸着源とし
てＳｒ，Ｔｉ，Ｎｂを用い、Ｓｒを抵抗加熱又は電子ビ
ーム加熱、Ｔｉ，Ｎｂを電子ビーム加熱によって基板上
に蒸着させ、Ｎｂのドープ量を種々変化させた。この
際、ＳｒとＴｉの蒸着レートがＳｒ：Ｔｉ＝２：１にな
るように制御した。この際の蒸着は８×１０^-6Torrで、
オゾン１０％を含む酸素雰囲気中で行った。基板はホル
ダーに装着した後、ＳｒＴｉＯ₃（１００）単結晶を９
００℃に加熱し、回転させながら蒸着した。

【００３６】また、蒸着終了後に基板温度を６００℃程
度に保ったままで１時間程度のポストアニールを行うこ
とにより、蒸着膜の結晶性の向上を図った。この際のＳ
ｒＴｉＯ₃膜の膜厚は３０００Å程度であった。また、
蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）及びラザフォード後方散乱法
（ＲＢＳ）によって作成した膜に含まれるＮｂのドープ
量を測定したところ、０．００１〜５ｗｔ％の範囲でＮ
ｂを含む膜が作成された。

【００３７】このようにして作製した、種々のＮｂドー
プ量を有するＳｒＴｉＯ₃膜の中から、４つのサンプル
を選んで測定した電気特性の測定結果を図９及び図１０
に示す。図９はホール移動度、図１０はキャリア濃度の
温度特性を示している。図９及び図１０において、＊は
Ｎｂドープ量がＳｒＴｉＯ₃の重量に対して０．００１
％、×は０．０４％、○は０．４％、△は１．５％、□
は５％であった。また、Ｘ線回折、ＲＨＥＥＤ観察の結
果から、今回作製したＮｂドープＳｒＴｉＯ₃膜が基板
上に（１００）配向し、結晶性も良好であることが分か
った。

【００３８】例えば、図９及び図１０において、温度７
７Ｋでのキャリア濃度が９．５×１０¹⁸〔cm^-3〕、ホー
ル移動度が４×１０²〔cm²／Ｖ・ｓ〕の例（図９及び
図１０中、×）では、Seto and Van Duserの関係式か
ら、

【００３９】

【数１】

【００４０】ここで、ｈはプランク定数、μは移動度、
ｋ_Bはボルツマン定数、ｍ^*は電子の有効質量で、この場
合は２ｍ_e（ｍ_eは自由電子質量）に等しくｎはキャリア
濃度である。障壁層ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃（０．０４
％）のコヒーレンス長ξ_N（Ｔ＝７７Ｋ）＝５．１〔ｎ
ｍ〕を得ることができる。

【００４１】上記と同様に温度７７Ｋでのキャリア濃度
が４．５×１０¹⁹〔cm^-3〕、ホール移動度が１．９×１
０²〔cm²／Ｖ・ｓ〕の例（図９及び図１０中、○）で
は、障壁層ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃（０．４％）のコヒ
ーレンス長ξ_N（Ｔ＝７７Ｋ）＝２．２〔ｎｍ〕を得る
ことができる。また、キャリア濃度が１．１×１０
²⁰〔cm^-3〕、ホール移動度が８．５×１０ ¹〔cm²／Ｖ
・ｓ〕の例（図９及び図１０中、△）では、障壁層Ｎｂ
ドープＳｒＴｉＯ₃（１．５％）のコヒーレンス長ξ
_N（Ｔ＝７７Ｋ）＝１．９〔ｎｍ〕を得ることができ、
キャリア濃度が４．３×１０²⁰〔cm^-3〕、ホール移動度
が７×１０¹〔cm²／Ｖ・ｓ〕の例（図９及び図１０
中、□）では、障壁層ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃（５％）
のコヒーレンス長ξ_N（Ｔ＝７７Ｋ）＝２．７〔ｎｍ〕
が求められる。

【００４２】さらに、キャリア濃度が２．２×１０
¹⁸〔cm^-3〕、ホール移動度が５．６×１０^-1〔cm²／Ｖ
・ｓ〕の例（図９及び図１０中、＊）では、障壁層Ｎｂ
ドープＳｒＴｉＯ₃（０．００１％）のコヒーレンス長
ξ_N（Ｔ＝７７Ｋ）＝４．４×１０ ^-1〔ｎｍ〕を得るこ
とができる。

【００４３】これらの結果から、強誘電体であるＳｒＴ
ｉＯに所定の元素、つまりＮｂが、５ｗｔ％以下の範囲
でドープされている場合には、コヒーレント長が１．９
〔ｎｍ〕≦ξ_N≦５．１〔ｎｍ〕の範囲に制御されてい
ることが分かった。また、Ｌａをドープした場合もほぼ
同様の結果が得られた。

【００４４】

【発明の効果】本発明におけるジョセフソン接合素子に
よれば、超電導層−障壁層−超電導層の構造を有するジ
ョセフソン接合素子であって、前記超電導層が酸化物高
温超電導体で形成され、前記障壁層が、所定の元素が
０．００１〜５ｗｔ％でドープされた強誘電体で形成さ
れているので、ジョセフソン接合の臨界電流や常伝導ト
ンネル抵抗等が制御され、特性が向上した素子を得るこ
とができる。

【００４５】また、本発明におけるジョセフソン接合素
子の製造方法によれば、障壁層の強誘電体にドープする
元素の量を所望の量に制御することができる。そして、
障壁層のドープ量と膜厚とを組み合わせて制御すること
により、障壁層のコヒーレンス長を変化させることがで
き、ジョセフソン接合の臨界電流や常伝導トンネル抵抗
を制御することにより、特性を向上させることができ
る。

【００４６】さらに、従来より用いられているような、
所望の元素がドープされた障壁層を作製する場合に、高
価なバルクの単結合物質を使う必要がないので、コスト
を大幅に引き下げることができる。

【００４７】従って、特性が向上するとともに、その特
性にばらつきのないジョセフソン接合素子を低コストで
得ることができ、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）等
に応用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るジョセフソン接合素子のプレーナ
型の一実施例を示す概略平面図である。

【図２】図２のＡ−Ａ′線の概略断面図である。

【図３】図１に示すプレーナ型ジョセフソン接合素子の
Ｉ−Ｖ特性を示す図である。

【図４】本発明に係るジョセフソン接合素子のサンドイ
ッチ型の一実施例を示す概略断面図である。

【図５】サンドイッチ型ジョセフソン接合素子の製造方
法を説明するための工程図である。

【図６】サンドイッチ型ジョセフソン接合素子の製造方
法を説明するための工程図である。

【図７】サンドイッチ型ジョセフソン接合素子の製造方
法を説明するための工程図である。

【図８】図４に示すサンドイッチ型ジョセフソン接合素
子のＩ−Ｖ特性を示す図である。

【図９】本発明に係るジョセフソン接合素子における障
壁層に種々のドープ量でＮｂをドープした場合のキャリ
ア濃度と温度との関係を示す図である。

【図１０】本発明に係るジョセフソン接合素子における
障壁層に種々のドープ量でＮｂをドープした場合のホー
ル濃度と温度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１、１１基板２、１２、１４ＹＢ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-X膜３、１３ＮｂドープＳｒＴｉＯ₃膜４、１５、１７、１９Ａｇ電極１０、２０ジョセフソン接合素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木場正義大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導層−障壁層−超電導層の構造を有
するジョセフソン接合素子であって、前記超電導層を酸
化物高温超電導体で形成し、さらに前記障壁層として、
所定の元素が０．００１〜５ｗｔ％でドープされた強誘
電体で形成されていることを特徴とするジョセフソン接
合素子。
【請求項２】超導電層の結晶構造がペロブスカイト構
造であり、かつ障壁層が超電導層の結晶構造と同じペロ
ブスカイト構造を有する強誘電体で形成されている請求
項１記載のジョセフソン接合素子。
【請求項３】強誘電体にドープされている元素がＮｂ
及びＬａのいずれかである請求項１乃至２のいずれかに
記載のジョセフソン接合素子。
【請求項４】超電導層−障壁層−超電導層の構造を有
するジョセフソン接合素子であって、前記障壁層を、強
誘電体を構成する元素と所定の元素とを酸素雰囲気下で
多元蒸着により形成することを特徴とするジョセフソン
接合素子の製造方法。