JPH104222A - 酸化物超電導体素子及びその製造方法 - Google Patents
酸化物超電導体素子及びその製造方法Info
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- JPH104222A JPH104222A JP8153832A JP15383296A JPH104222A JP H104222 A JPH104222 A JP H104222A JP 8153832 A JP8153832 A JP 8153832A JP 15383296 A JP15383296 A JP 15383296A JP H104222 A JPH104222 A JP H104222A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
- H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 基板上での接合の配置の自由度は大きく、集
積化の際に、各素子の臨界電流等の超電導特性にばらつ
きが少なく、臨界電流密度の再現性に優れた酸化物超電
導体素子（ジョセフソン接合素子）を提供する。 【解決手段】 超電導性を弱めたトンネル障壁領域を有
する酸化物超電導体素子であって、その断面がＶ字を倒
した形状の溝５を有する基板１上にほぼ均一の厚さの酸
化物超電導体薄膜３を設け、該酸化物超電導体薄膜の前
記溝の部分以外の同一平面に取り出し用電極６を設けた
ものである。前記Ｖ字状の溝の基板の平面に対して急傾
斜側の部分を前記トンネル障壁領域とし、その傾斜角を
可能な限り９０度に近づけて急峻にしたものである。
積化の際に、各素子の臨界電流等の超電導特性にばらつ
きが少なく、臨界電流密度の再現性に優れた酸化物超電
導体素子（ジョセフソン接合素子）を提供する。 【解決手段】 超電導性を弱めたトンネル障壁領域を有
する酸化物超電導体素子であって、その断面がＶ字を倒
した形状の溝５を有する基板１上にほぼ均一の厚さの酸
化物超電導体薄膜３を設け、該酸化物超電導体薄膜の前
記溝の部分以外の同一平面に取り出し用電極６を設けた
ものである。前記Ｖ字状の溝の基板の平面に対して急傾
斜側の部分を前記トンネル障壁領域とし、その傾斜角を
可能な限り９０度に近づけて急峻にしたものである。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸化物超電導体を
用いた酸化物超電導体素子（ジョセフソン接合素子）及
びその製造方法に関するものである。
用いた酸化物超電導体素子（ジョセフソン接合素子）及
びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ジョセフソン接合の特徴として、動作の
高速性、低消費電力が挙げられるが、このうち、低消費
電力は多数の素子を集積化した場合に大きな利点とな
る。この場合、素子特性の均質性（再現性）が設計性能
を実現するために必要とされる。さらに、ジョセフソン
接合は増幅機能をもたないために、回路性能実現のため
の素子特性の分布は狭いことが要求されていた。
高速性、低消費電力が挙げられるが、このうち、低消費
電力は多数の素子を集積化した場合に大きな利点とな
る。この場合、素子特性の均質性（再現性）が設計性能
を実現するために必要とされる。さらに、ジョセフソン
接合は増幅機能をもたないために、回路性能実現のため
の素子特性の分布は狭いことが要求されていた。
【０００３】酸化物超電導体電子デバイスの基本である
ジョセフソン接合を作製する方法として、（ａ）通常の
フォトリソグラフィ技術とＡｒ等のイオンビームあるい
は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒeactive Ｉon
Ｅtching）を用いて基板に数１００ｎｍ高さの段差を設
け、段差部分に生じる酸化物超電導体薄膜の弱結合部分
を利用する段差型接合作製方法、（ｂ）バイクリスタル
基板を用いた粒界型接合作製方法、（ｃ）初めに形成し
た下部超電導薄膜にフォトリソグラフィ技術を用いた段
差を形成し、その段差部において、後に形成する上部超
電導薄膜との間で障壁層を設けるランプエッジ接合（あ
るいは単にエッジ接合と呼ばれる）作製方法、（ｄ）集
束イオンビームを用いて基板に劣化領域を設けることに
よる平面型接合作製方法（例えば、特開平６−１５１９
８６号公報参照）等が知られている。
ジョセフソン接合を作製する方法として、（ａ）通常の
フォトリソグラフィ技術とＡｒ等のイオンビームあるい
は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒeactive Ｉon
Ｅtching）を用いて基板に数１００ｎｍ高さの段差を設
け、段差部分に生じる酸化物超電導体薄膜の弱結合部分
を利用する段差型接合作製方法、（ｂ）バイクリスタル
基板を用いた粒界型接合作製方法、（ｃ）初めに形成し
た下部超電導薄膜にフォトリソグラフィ技術を用いた段
差を形成し、その段差部において、後に形成する上部超
電導薄膜との間で障壁層を設けるランプエッジ接合（あ
るいは単にエッジ接合と呼ばれる）作製方法、（ｄ）集
束イオンビームを用いて基板に劣化領域を設けることに
よる平面型接合作製方法（例えば、特開平６−１５１９
８６号公報参照）等が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記の従
来技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
来技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
【０００５】前記従来の（ａ）の段差型接合作製方法で
は、接合の臨界電流値等の特性再現性については比較的
優れているものの、基板に設ける段差の角度が、イオン
ビーム等によるエッチング時に用いるマスクの形状を反
映するために、段差の角度を自在に制御することが困難
であり、かつ、段差の上部と下部に２つの接合ができて
しまい、それら２つの接合の特性が必ずしも揃わないこ
ととあわせて接合の特性自体を制御することが困難とな
るという問題があった。
は、接合の臨界電流値等の特性再現性については比較的
優れているものの、基板に設ける段差の角度が、イオン
ビーム等によるエッチング時に用いるマスクの形状を反
映するために、段差の角度を自在に制御することが困難
であり、かつ、段差の上部と下部に２つの接合ができて
しまい、それら２つの接合の特性が必ずしも揃わないこ
ととあわせて接合の特性自体を制御することが困難とな
るという問題があった。
【０００６】また、段差を形成する際に、マスクのない
部分はイオンビーム等に直接さらされるため、基板表面
の荒れや副生成物の発生が避けられず、段差形成後に堆
積される超電導体薄膜の特性に悪影響がでることが避け
られない。
部分はイオンビーム等に直接さらされるため、基板表面
の荒れや副生成物の発生が避けられず、段差形成後に堆
積される超電導体薄膜の特性に悪影響がでることが避け
られない。
【０００７】さらに、ジョセフソン接合を挟んだ電極部
分が同一平面にないという幾何学的な特徴により多数の
接合を基板上に自由にレイアウトすることは困難であ
り、集積回路の実現には適さない。
分が同一平面にないという幾何学的な特徴により多数の
接合を基板上に自由にレイアウトすることは困難であ
り、集積回路の実現には適さない。
【０００８】前記（ｂ）の粒界型接合作製方法では、接
合の臨界電流値等の特性再現性については比較的優れて
おり、バイクリスタル基板を作製するときに貼りあわせ
る２つの基板の結晶方位を変えることで接合の特性自体
も制御することが可能であるが、ジョセフソン接合が形
成できる位置がバイクリスタル基板の貼りあわされた部
分に限られるために、多数の接合を基板上に自由にレイ
アウトすることが非常に困難であり、集積回路の実現に
は適さない。
合の臨界電流値等の特性再現性については比較的優れて
おり、バイクリスタル基板を作製するときに貼りあわせ
る２つの基板の結晶方位を変えることで接合の特性自体
も制御することが可能であるが、ジョセフソン接合が形
成できる位置がバイクリスタル基板の貼りあわされた部
分に限られるために、多数の接合を基板上に自由にレイ
アウトすることが非常に困難であり、集積回路の実現に
は適さない。
【０００９】前記（ｃ）のランプエッジ接合作製方法で
は、上部超電導電極と下部超電導電極の２層を形成する
のに２回以上の成膜プロセスが必要であり、かつ、上下
２層を形成する間に真空を破る必要があり、フォトリソ
グラフィ工程等を経るために膜の超電導特性の劣化が避
けられないこと、工程が多岐で複雑なものになるため、
スループットの低下、歩留まりの悪化が起きやすいとい
う問題があった。
は、上部超電導電極と下部超電導電極の２層を形成する
のに２回以上の成膜プロセスが必要であり、かつ、上下
２層を形成する間に真空を破る必要があり、フォトリソ
グラフィ工程等を経るために膜の超電導特性の劣化が避
けられないこと、工程が多岐で複雑なものになるため、
スループットの低下、歩留まりの悪化が起きやすいとい
う問題があった。
【００１０】前記（ｄ）の平面型接合作製方法では、基
板上での接合の配置の自由度は大きく、将来の集積回路
実現には大きな可能性を有するものの、集積化の際に、
各素子の臨界電流等の超電導特性にばらつきが生じ（Y,
Ishimaru et al.J.J.A.P.35（1996）L15〜16、徳永他，
第42回応用物理学関係連合講演会 予稿集 29ａ-TM-8199
5年春季 p136 参照)、要求される素子特性の均質性（再
現性）が十分でないという問題があった。
板上での接合の配置の自由度は大きく、将来の集積回路
実現には大きな可能性を有するものの、集積化の際に、
各素子の臨界電流等の超電導特性にばらつきが生じ（Y,
Ishimaru et al.J.J.A.P.35（1996）L15〜16、徳永他，
第42回応用物理学関係連合講演会 予稿集 29ａ-TM-8199
5年春季 p136 参照)、要求される素子特性の均質性（再
現性）が十分でないという問題があった。
【００１１】本発明の目的は、基板上での接合の配置の
自由度は大きく、集積化の際に、各素子の臨界電流等の
超電導特性にばらつきが少なく、臨界電流密度の再現性
に優れた酸化物超電導体素子（ジョセフソン接合素子）
を提供することにある。
自由度は大きく、集積化の際に、各素子の臨界電流等の
超電導特性にばらつきが少なく、臨界電流密度の再現性
に優れた酸化物超電導体素子（ジョセフソン接合素子）
を提供することにある。
【００１２】本発明の他の目的は、酸化物超電導体素子
（ジョセフソン接合素子）の集積回路を実現することが
可能な技術を提供することにある。
（ジョセフソン接合素子）の集積回路を実現することが
可能な技術を提供することにある。
【００１３】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。
【００１５】（１）超電導性を弱めたトンネル障壁領域
を有する酸化物超電導体素子であって、その断面がＶ字
を斜めに倒した形状の溝を有する基板上にほぼ均一の厚
さの酸化物超電導体薄膜を設け、該酸化物超電導体薄膜
の前記溝の部分以外の同一平面に取り出し用電極を設け
たものである。
を有する酸化物超電導体素子であって、その断面がＶ字
を斜めに倒した形状の溝を有する基板上にほぼ均一の厚
さの酸化物超電導体薄膜を設け、該酸化物超電導体薄膜
の前記溝の部分以外の同一平面に取り出し用電極を設け
たものである。
【００１６】（２）前記（１）の酸化物超電導体素子に
おいて、前記Ｖ字状の溝の基板の平面に対して急傾斜側
の部分を前記トンネル障壁領域とし、その傾斜角を可能
な限り基板の平面に対して９０度に近づけて急峻にした
ものである。
おいて、前記Ｖ字状の溝の基板の平面に対して急傾斜側
の部分を前記トンネル障壁領域とし、その傾斜角を可能
な限り基板の平面に対して９０度に近づけて急峻にした
ものである。
【００１７】（３）前記（１）又は（２）の酸化物超電
導体素子において、前記酸化物超電導体薄膜は、高周波
（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、化学気相成長
（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１つによって堆
積させたｃ軸配向ＲｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（０≦ｘ≦０.
５）（ＲｎはＹを含む希土類元素である）薄膜からな
る。
導体素子において、前記酸化物超電導体薄膜は、高周波
（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、化学気相成長
（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１つによって堆
積させたｃ軸配向ＲｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（０≦ｘ≦０.
５）（ＲｎはＹを含む希土類元素である）薄膜からな
る。
【００１８】（４）前記（１）乃至（３）のうちいずれ
か１つの酸化物超電導体素子において、前記酸化物超電
導体薄膜は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザ
ー法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいず
れか１つによって堆積させたｃ軸配向ＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなる。
か１つの酸化物超電導体素子において、前記酸化物超電
導体薄膜は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザ
ー法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいず
れか１つによって堆積させたｃ軸配向ＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなる。
【００１９】（５）前記（１）乃至（３）のうちいずれ
か１つの酸化物超電導体素子において、前記酸化物超電
導体薄膜は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザ
ー法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいず
れか１つによって堆積させたｃ軸配向ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなる。
か１つの酸化物超電導体素子において、前記酸化物超電
導体薄膜は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザ
ー法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいず
れか１つによって堆積させたｃ軸配向ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなる。
【００２０】（６）基板の表面に対して集束イオンビー
ムを斜め上方から照射してその断面がＶ字を斜めに倒し
た形状の溝を形成し、該溝の上に酸化物超電導体薄膜を
堆積する超電導性を弱めたトンネル障壁領域を有する酸
化物超電導体素子の製造方法である。
ムを斜め上方から照射してその断面がＶ字を斜めに倒し
た形状の溝を形成し、該溝の上に酸化物超電導体薄膜を
堆積する超電導性を弱めたトンネル障壁領域を有する酸
化物超電導体素子の製造方法である。
【００２１】（７）前記（６）の酸化物超電導体素子の
製造方法において、前記酸化物超電導体薄膜を高周波
（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、化学気相成長
（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１つによって堆
積するものである。
製造方法において、前記酸化物超電導体薄膜を高周波
（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、化学気相成長
（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１つによって堆
積するものである。
【００２２】（８）前記（６）又は（７）のうちいずれ
か１つの酸化物超電導体素子の製造方法において、集束
イオンビームはＧａ+イオンの集束イオンビームであ
る。
か１つの酸化物超電導体素子の製造方法において、集束
イオンビームはＧａ+イオンの集束イオンビームであ
る。
【００２３】前述した手段によれば、集束イオンビーム
を用いて基板上にその断面がＶ字を斜めに倒した形状の
溝を設け、その溝の上にほぼ均一の厚さの酸化物超電導
体薄膜を設け、該酸化物超電導体薄膜の前記溝の部分以
外の同一平面に取り出し用電極を設けることにより、基
板上での接合の配置の自由度は大きく、集積化の際に、
各素子の臨界電流等の超電導特性にばらつきが少なく、
臨界電流密度の再現性に優れた酸化物超電導体素子（ジ
ョセフソン接合素子）を得ることができる。
を用いて基板上にその断面がＶ字を斜めに倒した形状の
溝を設け、その溝の上にほぼ均一の厚さの酸化物超電導
体薄膜を設け、該酸化物超電導体薄膜の前記溝の部分以
外の同一平面に取り出し用電極を設けることにより、基
板上での接合の配置の自由度は大きく、集積化の際に、
各素子の臨界電流等の超電導特性にばらつきが少なく、
臨界電流密度の再現性に優れた酸化物超電導体素子（ジ
ョセフソン接合素子）を得ることができる。
【００２４】
【実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施形態
（実施例）を詳細に説明する。
（実施例）を詳細に説明する。
【００２５】（実施形態１）図１は本発明の実施形態
（実施例）１の酸化物超電導体素子の概略構成を示す上
から見た平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線で切った断面
図である。図１及び図２において、１は基板（例えば、
ＭｇＯ単結晶基板を用いる）、２，２’，３は酸化物超
電導体薄膜、４は超電導性を弱めたトンネル障壁領域
（弱結合領域）、５はその断面がＶ字を斜めに倒した形
状の溝、５ＡはＶ字を倒した形状の溝５の基板１の平面
に対して急傾斜側の部分、６，６’は取り出し用電極で
ある。
（実施例）１の酸化物超電導体素子の概略構成を示す上
から見た平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線で切った断面
図である。図１及び図２において、１は基板（例えば、
ＭｇＯ単結晶基板を用いる）、２，２’，３は酸化物超
電導体薄膜、４は超電導性を弱めたトンネル障壁領域
（弱結合領域）、５はその断面がＶ字を斜めに倒した形
状の溝、５ＡはＶ字を倒した形状の溝５の基板１の平面
に対して急傾斜側の部分、６，６’は取り出し用電極で
ある。
【００２６】本実施形態１の酸化物超電導体素子は、図
１及び図２に示すように、超電導性を弱めたトンネル障
壁領域４を有する酸化物超電導体素子であって、その断
面がＶ字を斜めに倒した形状の溝を基板１に設け、その
基板１の上の溝５及びそれ以外の部分の上にほぼ均一の
厚さの酸化物超電導体薄膜２，２’，３を設け、該左右
２個の酸化物超電導体薄膜２，２’（左右酸化物超電導
体薄膜２，２’の上面は同一平面である）の平面上に取
り出し用電極６，６’を設けたものである。
１及び図２に示すように、超電導性を弱めたトンネル障
壁領域４を有する酸化物超電導体素子であって、その断
面がＶ字を斜めに倒した形状の溝を基板１に設け、その
基板１の上の溝５及びそれ以外の部分の上にほぼ均一の
厚さの酸化物超電導体薄膜２，２’，３を設け、該左右
２個の酸化物超電導体薄膜２，２’（左右酸化物超電導
体薄膜２，２’の上面は同一平面である）の平面上に取
り出し用電極６，６’を設けたものである。
【００２７】前記基板１としては、例えば、ＭｇＯ単結
晶基板を用いる。また、前記Ｖ字を倒した形状の溝５の
基板１の平面に対して急傾斜側の部分５Ａを前記トンネ
ル障壁領域４とし、そのトンネル障壁領域４の傾斜角を
可能な限り９０度に近づけて前記トンネル障壁領域４を
急峻な傾斜にしたものである。
晶基板を用いる。また、前記Ｖ字を倒した形状の溝５の
基板１の平面に対して急傾斜側の部分５Ａを前記トンネ
ル障壁領域４とし、そのトンネル障壁領域４の傾斜角を
可能な限り９０度に近づけて前記トンネル障壁領域４を
急峻な傾斜にしたものである。
【００２８】前記トンネル障壁領域４の傾斜が緩やかな
場合には、酸化物超電導体のａｂ面配向結晶の結晶成長
速度が速いため、結晶粒界が発生しない場合も起きる。
これは、基板表面の状態、成膜条件に強く依存し、接合
の臨界電流密度などの特性分布を拡大する原因となる。
急峻な傾斜にすることにより、基板表面の状態、成膜条
件にあまり依存せずに容易に結晶粒界が形成され、より
特性のそろった接合を得ることができる。
場合には、酸化物超電導体のａｂ面配向結晶の結晶成長
速度が速いため、結晶粒界が発生しない場合も起きる。
これは、基板表面の状態、成膜条件に強く依存し、接合
の臨界電流密度などの特性分布を拡大する原因となる。
急峻な傾斜にすることにより、基板表面の状態、成膜条
件にあまり依存せずに容易に結晶粒界が形成され、より
特性のそろった接合を得ることができる。
【００２９】また、前記酸化物超電導体薄膜２，２’，
３は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、
化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１
つによって堆積させたｃ軸配向ＲｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）（ＲｎはＹを含む希土類元素であ
る）薄膜からなり、例えば、高周波（ｒｆ）スパッタ法
もしくはパルスレーザー法で堆積させたｃ軸配向ＮｄＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなる。
３は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、
化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１
つによって堆積させたｃ軸配向ＲｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）（ＲｎはＹを含む希土類元素であ
る）薄膜からなり、例えば、高周波（ｒｆ）スパッタ法
もしくはパルスレーザー法で堆積させたｃ軸配向ＮｄＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなる。
【００３０】図３は本実施形態１の酸化物超電導体素子
の製造方法を説明するための各製造工程における断面図
である。
の製造方法を説明するための各製造工程における断面図
である。
【００３１】本実施形態１の酸化物超電導体素子の製造
は、図３（ａ）に示すように、基板（ＭｇＯ単結晶基
板）１の全面に直流（ｄｃ）スパッタ法により、約１２
０ｎｍ厚の金薄膜７を堆積する。その後、集束イオンビ
ーム装置（ＦＩＢ）中に前記基板１を置き、３０ｋｅＶ
に加速したＧａ+イオンビーム８をトンネル接合を形成
する位置に照射する。このとき、基板１の面の鉛直方向
に対し６０度の角度で、幅２０μｍ高さ１５０ｎｍの矩
形領域に照射を行う。ビーム電流は０.１ｐＡである。
は、図３（ａ）に示すように、基板（ＭｇＯ単結晶基
板）１の全面に直流（ｄｃ）スパッタ法により、約１２
０ｎｍ厚の金薄膜７を堆積する。その後、集束イオンビ
ーム装置（ＦＩＢ）中に前記基板１を置き、３０ｋｅＶ
に加速したＧａ+イオンビーム８をトンネル接合を形成
する位置に照射する。このとき、基板１の面の鉛直方向
に対し６０度の角度で、幅２０μｍ高さ１５０ｎｍの矩
形領域に照射を行う。ビーム電流は０.１ｐＡである。
【００３２】前記幅２０μｍは、ジョセフソン接合のパ
ターン幅が５μｍであり、マスクパターン合わせの容易
性から決めたものである。また、高さ１５０ｎｍは使用
したＦＩＢの性能限界により決まる値である。いずれも
この値に限定されるものではない。
ターン幅が５μｍであり、マスクパターン合わせの容易
性から決めたものである。また、高さ１５０ｎｍは使用
したＦＩＢの性能限界により決まる値である。いずれも
この値に限定されるものではない。
【００３３】この結果、Ｇａ+イオンビーム照射領域の
長辺方向に基板１の垂直な断面からみて、Ｇａ+イオン
ビーム照射部分の片側にほぼ９０度程度の急峻な傾斜を
形成し、その反対側にはほぼ２０度以下の緩やかな傾斜
を形成し、その断面がＶ字を斜めに倒した形状の溝５が
できることがわかった。このような断面形状の溝５が得
られた理由としてＧａ+イオンビームがビーム径５０ｎ
ｍ程度のガウス分布様のプロファイルを有しているため
ではないかと考えられる。
長辺方向に基板１の垂直な断面からみて、Ｇａ+イオン
ビーム照射部分の片側にほぼ９０度程度の急峻な傾斜を
形成し、その反対側にはほぼ２０度以下の緩やかな傾斜
を形成し、その断面がＶ字を斜めに倒した形状の溝５が
できることがわかった。このような断面形状の溝５が得
られた理由としてＧａ+イオンビームがビーム径５０ｎ
ｍ程度のガウス分布様のプロファイルを有しているため
ではないかと考えられる。
【００３４】その後、図３（ｂ）に示すように、金薄膜
７を全面にわたり除去した後、図３（ｃ）に示すよう
に、高周波（ｒｆ）スパッタ法により、基板１上にＮｄ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜（酸化物超電導体薄膜３）９を成
膜する。酸化物超電導体薄膜３の成長条件は、ターゲッ
トにＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x多結晶体を用い、基板１の温
度７５０℃、放電圧力８０mTorr、Ｏ2ガス流量１sccm、
Ａｒガス流量５sccm、投入された高周波（ｒｆ）出力６
０Ｗ、成長時間６０分で膜厚は３００ｎｍである。
７を全面にわたり除去した後、図３（ｃ）に示すよう
に、高周波（ｒｆ）スパッタ法により、基板１上にＮｄ
Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜（酸化物超電導体薄膜３）９を成
膜する。酸化物超電導体薄膜３の成長条件は、ターゲッ
トにＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x多結晶体を用い、基板１の温
度７５０℃、放電圧力８０mTorr、Ｏ2ガス流量１sccm、
Ａｒガス流量５sccm、投入された高周波（ｒｆ）出力６
０Ｗ、成長時間６０分で膜厚は３００ｎｍである。
【００３５】その後、Ｇａ+イオン照射領域を横切るよ
うに、幅５μｍ長さ３０μｍの配線パターンを形成し、
図３（ｄ）に示すようなジョセフソン接合素子を作製す
る。
うに、幅５μｍ長さ３０μｍの配線パターンを形成し、
図３（ｄ）に示すようなジョセフソン接合素子を作製す
る。
【００３６】図４（測定温度4.2K、電流100μA/div、電
圧50μV/div）は前記作製したジョセフソン接合素子
（酸化物超電導体素子）のうち一つの電流電圧特性の結
果を示すもので、弱結合型の特性が見られることからジ
ョセフソン接合ができていることがわかる。また、電流
電圧特性に折れ曲がり等が見られないことから、ジョセ
フソン接合は素子中にただ一つ形成されていることが示
唆される。
圧50μV/div）は前記作製したジョセフソン接合素子
（酸化物超電導体素子）のうち一つの電流電圧特性の結
果を示すもので、弱結合型の特性が見られることからジ
ョセフソン接合ができていることがわかる。また、電流
電圧特性に折れ曲がり等が見られないことから、ジョセ
フソン接合は素子中にただ一つ形成されていることが示
唆される。
【００３７】この素子にマイクロ波を照射したところ、
図５（測定温度4.2K、電流100μA/div、電圧50μV/di
v、マイクロ波20GHz）に示すように、マイクロ波の周波
数に対応する電圧で電流ステップ（シャピロステップ）
特性が見られ、ジョセフソン接合が形成できていること
がわかる。
図５（測定温度4.2K、電流100μA/div、電圧50μV/di
v、マイクロ波20GHz）に示すように、マイクロ波の周波
数に対応する電圧で電流ステップ（シャピロステップ）
特性が見られ、ジョセフソン接合が形成できていること
がわかる。
【００３８】図６（測定温度4.2K）は同一基板上に作製
した６個のジョセフソン接合素子（酸化物超電導体素
子）の２０Ｋにおける臨界電流値を示したもので、いず
れの試料もほぼ同様の臨界電流値を有していることがわ
かる。また、いずれの試料も前記の図４の結果と良く似
た電流電圧特性を示し、マイクロ波照射時にシャピロス
テップが観測された。
した６個のジョセフソン接合素子（酸化物超電導体素
子）の２０Ｋにおける臨界電流値を示したもので、いず
れの試料もほぼ同様の臨界電流値を有していることがわ
かる。また、いずれの試料も前記の図４の結果と良く似
た電流電圧特性を示し、マイクロ波照射時にシャピロス
テップが観測された。
【００３９】すなわち、特性再現性に優れたジョセフソ
ン接合素子（酸化物超電導体素子）が得られる。
ン接合素子（酸化物超電導体素子）が得られる。
【００４０】さらに、Ｇａ+イオンビームをトンネル接
合を形成する位置に照射するときの基板１のジョセフソ
ン接合素子（酸化物超電導体素子）を堆積する面の鉛直
方向に対し４０度の角度で、その他の作製条件を前記と
同様にした素子を作製し、その電流電圧特性を調べたと
ころ、臨界電流値が前記のものにくらべて１桁程度大き
い、いわゆるフラックスフロー的な特性をもったジョセ
フソン接合素子（酸化物超電導体素子）が得られた。
合を形成する位置に照射するときの基板１のジョセフソ
ン接合素子（酸化物超電導体素子）を堆積する面の鉛直
方向に対し４０度の角度で、その他の作製条件を前記と
同様にした素子を作製し、その電流電圧特性を調べたと
ころ、臨界電流値が前記のものにくらべて１桁程度大き
い、いわゆるフラックスフロー的な特性をもったジョセ
フソン接合素子（酸化物超電導体素子）が得られた。
【００４１】また、Ｇａ+イオンビーム照射量を上の例
の半分程度にし、照射角を６０度に戻した場合、鉛直方
向に対し８０度の照射角にした場合もフラックスフロー
的な特定をもった素子ができた。
の半分程度にし、照射角を６０度に戻した場合、鉛直方
向に対し８０度の照射角にした場合もフラックスフロー
的な特定をもった素子ができた。
【００４２】逆に、照射量を上の例のような弱結合型の
特性を示す条件の倍程度に増やしたときは、超電導電流
は観測されなかった。これらの結果から、Ｇａ+イオン
ビームをトンネル接合を形成する位置に照射するときの
照射条件を変えることでジョセフソン接合素子（酸化物
超電導体素子）の電気特性を制御できることがわかっ
た。
特性を示す条件の倍程度に増やしたときは、超電導電流
は観測されなかった。これらの結果から、Ｇａ+イオン
ビームをトンネル接合を形成する位置に照射するときの
照射条件を変えることでジョセフソン接合素子（酸化物
超電導体素子）の電気特性を制御できることがわかっ
た。
【００４３】（実施形態２）基本的に実施形態１と同様
の工程により接合が形成される。基板（ＭｇＯ単結晶基
板）１の全面に直流（ｄｃ）スパッタ法により、約１２
０ｎｍ厚の金薄膜７を堆積する。その後、集束イオンビ
ーム装置（ＦＩＢ）中に前記基板１を置き、３０ｋｅＶ
に加速したＧａ+イオンビーム８をトンネル接合を形成
する位置に照射する。
の工程により接合が形成される。基板（ＭｇＯ単結晶基
板）１の全面に直流（ｄｃ）スパッタ法により、約１２
０ｎｍ厚の金薄膜７を堆積する。その後、集束イオンビ
ーム装置（ＦＩＢ）中に前記基板１を置き、３０ｋｅＶ
に加速したＧａ+イオンビーム８をトンネル接合を形成
する位置に照射する。
【００４４】このとき、基板１の面の鉛直方向に対し６
０度の角度で、幅２０μｍ高さ１５０ｎｍの矩形領域に
Ｇａ+イオンビーム８の照射を行う。ビーム電流は０.１
ｐＡである。
０度の角度で、幅２０μｍ高さ１５０ｎｍの矩形領域に
Ｇａ+イオンビーム８の照射を行う。ビーム電流は０.１
ｐＡである。
【００４５】その後、金薄膜７を全面にわたり除去した
後、基板１の上にＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜９を成膜す
る。薄膜の成長条件は、ターゲットにＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x多結晶体を用い、基板温度７９０℃、酸素分圧１０
０mTorr、成長時間２７分で膜厚は３００ｎｍである。
用いたレーザーはＫｒＦのエキシマレーザーで、波長２
４８ｎｍ、エネルギー密度５J/cm2である。
後、基板１の上にＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜９を成膜す
る。薄膜の成長条件は、ターゲットにＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x多結晶体を用い、基板温度７９０℃、酸素分圧１０
０mTorr、成長時間２７分で膜厚は３００ｎｍである。
用いたレーザーはＫｒＦのエキシマレーザーで、波長２
４８ｎｍ、エネルギー密度５J/cm2である。
【００４６】その後、Ｇａ+イオン照射領域を横切るよ
うに幅５μｍ長さ３０μｍの配線パターンを形成する。
作製した素子の電流電圧特性は、実施形態１と同様で、
ジョセフソン接合が形成されている。
うに幅５μｍ長さ３０μｍの配線パターンを形成する。
作製した素子の電流電圧特性は、実施形態１と同様で、
ジョセフソン接合が形成されている。
【００４７】（実施形態３）基本的に前記実施形態１，
２と同様の工程により接合が形成される。基板（ＭｇＯ
単結晶基板）１の全面に直流（ｄｃ）スパッタ法によ
り、約１２０ｎｍ厚の金薄膜７を堆積する。その後、集
束イオンビーム装置（ＦＩＢ）中に前記基板１を置き、
３０ｋｅＶに加速したＧａ+イオンビームをトンネル接
合を形成する位置に照射する。
２と同様の工程により接合が形成される。基板（ＭｇＯ
単結晶基板）１の全面に直流（ｄｃ）スパッタ法によ
り、約１２０ｎｍ厚の金薄膜７を堆積する。その後、集
束イオンビーム装置（ＦＩＢ）中に前記基板１を置き、
３０ｋｅＶに加速したＧａ+イオンビームをトンネル接
合を形成する位置に照射する。
【００４８】このとき、基板１の酸化物超電導体薄膜３
を堆積する面の鉛直方向に対し６０度の照射角で、幅２
０μｍ高さ１５０ｎｍの矩形領域に照射を行う。ビーム
電流は０.１ｐＡである。その後、金薄膜７を全面にわ
たり除去した後、基板１上にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜
（酸化物超電導体薄膜３）を成膜する。薄膜の成長条件
は、ターゲットにＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x多結晶体を用い、
基板温度７４０℃、酸素分圧２００mTorr、成長時間４
０分で膜厚は３００ｎｍである。用いたレーザーはＫｒ
Ｆのエキシマレーザーで、波長２４８ｎｍ、エネルギー
密度５J/cm2である。その後、Ｇａ+イオン照射領域を横
切るように幅の５μｍ長さ３０μｍの配線パターンを形
成する。作製した素子の電流電圧特性は、実施形態１と
同様で、ジョセフソン接合が形成されている。
を堆積する面の鉛直方向に対し６０度の照射角で、幅２
０μｍ高さ１５０ｎｍの矩形領域に照射を行う。ビーム
電流は０.１ｐＡである。その後、金薄膜７を全面にわ
たり除去した後、基板１上にＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜
（酸化物超電導体薄膜３）を成膜する。薄膜の成長条件
は、ターゲットにＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x多結晶体を用い、
基板温度７４０℃、酸素分圧２００mTorr、成長時間４
０分で膜厚は３００ｎｍである。用いたレーザーはＫｒ
Ｆのエキシマレーザーで、波長２４８ｎｍ、エネルギー
密度５J/cm2である。その後、Ｇａ+イオン照射領域を横
切るように幅の５μｍ長さ３０μｍの配線パターンを形
成する。作製した素子の電流電圧特性は、実施形態１と
同様で、ジョセフソン接合が形成されている。
【００４９】前記実施形態１，２，３においては、酸化
物超電導体薄膜としてＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜，ＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜を用いたが、本発明は、Ｎｄ，Ｙ以
外の希土類元素（Ｒｎ）系のＲｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜
を用いても同様の効果が得られることは容易に推測でき
るであろう。
物超電導体薄膜としてＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜，ＹＢ
ａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜を用いたが、本発明は、Ｎｄ，Ｙ以
外の希土類元素（Ｒｎ）系のＲｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x薄膜
を用いても同様の効果が得られることは容易に推測でき
るであろう。
【００５０】また、前記実施形態１，２，３において
は、集束イオンビームとして、Ｇａ+イオンビームを用
いたが、他の元素のイオンビームを用いてもよいことは
いうまでない。
は、集束イオンビームとして、Ｇａ+イオンビームを用
いたが、他の元素のイオンビームを用いてもよいことは
いうまでない。
【００５１】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。
【００５２】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明する。
的なものによって得られる効果を簡単に説明する。
【００５３】（１）その断面がＶ字を斜めに倒した形状
の溝を有する基板上にほぼ均一の厚さの酸化物超電導体
薄膜を設け、該酸化物超電導体薄膜の前記溝の部分以外
の同一平面に電極を設けたことにより、基板上での接合
の配置の自由度は大きく、集積化の際に、各素子の臨界
電流等の超電導特性にばらつきが少なく、臨界電流密度
の再現性に優れた酸化物超電導体素子（ジョセフソン接
合素子）を提供することができる。
の溝を有する基板上にほぼ均一の厚さの酸化物超電導体
薄膜を設け、該酸化物超電導体薄膜の前記溝の部分以外
の同一平面に電極を設けたことにより、基板上での接合
の配置の自由度は大きく、集積化の際に、各素子の臨界
電流等の超電導特性にばらつきが少なく、臨界電流密度
の再現性に優れた酸化物超電導体素子（ジョセフソン接
合素子）を提供することができる。
【００５４】（２）集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）の
照射量及び照射角度を加減することにより、酸化物超電
導体素子（ジョセフソン接合素子）の超電導特性を制御
することができる。
照射量及び照射角度を加減することにより、酸化物超電
導体素子（ジョセフソン接合素子）の超電導特性を制御
することができる。
【００５５】（３）前記（１）及び（２）により、所定
の特性を有するジョセフソン接合が再現性良く作製でき
る。これにより多数の接合からなる集積回路を作製する
ことが可能となる。
の特性を有するジョセフソン接合が再現性良く作製でき
る。これにより多数の接合からなる集積回路を作製する
ことが可能となる。
【００５６】（４）接合部分以外の電極部分は同一平面
上にあるので、絶縁層を解して積層構造に素子を作り込
むことが容易であり、新たな機能をもつ超電導体素子を
実現することが可能となる。
上にあるので、絶縁層を解して積層構造に素子を作り込
むことが容易であり、新たな機能をもつ超電導体素子を
実現することが可能となる。
【図１】本発明の実施形態（実施例）１の酸化物超電導
体素子の概略構成を示す上から見た平面図である。
体素子の概略構成を示す上から見た平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線で切った断面図である。
【図３】本実施形態１の酸化物超電導体素子の製造方法
を説明するための各製造工程における断面図である。
を説明するための各製造工程における断面図である。
【図４】本実施形態１の酸化物超電導体素子の電流電圧
特性を示す図である。
特性を示す図である。
【図５】本実施形態１の酸化物超電導体素子にマイクロ
波を照射した場合の電流電圧特性を示す図である。
波を照射した場合の電流電圧特性を示す図である。
【図６】同一基板上に作製して得られた６個の本実施形
態１の酸化物超電導体素子試料の臨界電流値を示したも
のである。
態１の酸化物超電導体素子試料の臨界電流値を示したも
のである。
１…基板、２，２’，３…酸化物超電導体薄膜、４…超
電導性を弱めたトンネル障壁領域（弱結合領域）、５…
その断面がＶ字を斜めに倒した形状の溝、５Ａ…溝の急
傾斜側の部分、６，６’…取り出し用電極、７…金（Ａ
ｕ）薄膜、８…Ｇａ+イオンビーム、９…ＮｄＢａ2Ｃｕ
3Ｏ7-x薄膜。
電導性を弱めたトンネル障壁領域（弱結合領域）、５…
その断面がＶ字を斜めに倒した形状の溝、５Ａ…溝の急
傾斜側の部分、６，６’…取り出し用電極、７…金（Ａ
ｕ）薄膜、８…Ｇａ+イオンビーム、９…ＮｄＢａ2Ｃｕ
3Ｏ7-x薄膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水野 裕二 東京都江東区東雲一丁目14番３ 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 (72)発明者 鈴木 克巳 東京都江東区東雲一丁目14番３ 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内 (72)発明者 榎本 陽一 東京都江東区東雲一丁目14番３ 財団法人 国際超電導産業技術研究センター 超電 導工学研究所内
Claims (8)
- 【請求項１】 超電導性を弱めたトンネル障壁領域を有
する酸化物超電導体素子であって、その断面がＶ字を斜
めに倒した形状の溝を有する基板上にほぼ均一の厚さの
酸化物超電導体薄膜を設け、該酸化物超電導体薄膜の前
記溝の部分以外の同一平面に電極を設けたことを特徴と
する酸化物超電導体素子。 - 【請求項２】 請求項１に記載される酸化物超電導体素
子において、前記Ｖ字状の溝の基板の平面に対して急傾
斜側の部分を前記トンネル障壁領域とし、その傾斜角を
可能な限り基板の平面に対して９０度に近づけて前記ト
ンネル障壁領域を急峻にしたことを特徴とする酸化物超
電導体素子。 - 【請求項３】 請求項１又は２に記載される酸化物超電
導体素子において、前記酸化物超電導体薄膜は、高周波
（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、化学気相成長
（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１つによって堆
積させたｃ軸配向ＲｎＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-x（０≦ｘ≦０.
５）（ＲｎはＹを含む希土類元素である）薄膜からなる
ことを特徴とする酸化物超電導体素子。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のうちいずれか１項に記
載される酸化物超電導体素子において、前記酸化物超電
導体薄膜は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザ
ー法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいず
れか１つによって堆積させたｃ軸配向ＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなることを特徴とする酸
化物超電導体素子。 - 【請求項５】 請求項１乃至３のうちいずれか１項に記
載される酸化物超電導体素子において、前記酸化物超電
導体薄膜は、高周波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザ
ー法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいず
れか１つによって堆積させたｃ軸配向ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ
7-x（０≦ｘ≦０.５）薄膜からなることを特徴とする酸
化物超電導体素子。 - 【請求項６】 基板の表面に対して集束イオンビームを
斜め上方から照射してその断面がＶ字を斜めに倒した形
状の溝を形成し、該溝の上に酸化物超電導体薄膜を堆積
することを特徴とする超電導性を弱めたトンネル障壁領
域を有する酸化物超電導体素子の製造方法。 - 【請求項７】 請求項６に記載される酸化物超電導体素
子の製造方法において、前記酸化物超電導体薄膜を高周
波（ｒｆ）スパッタ法、パルスレーザー法、化学気相成
長（ＣＶＤ）法、共蒸着法のうちいずれか１つによって
堆積することを特徴とする酸化物超電導体素子製造方
法。 - 【請求項８】 請求項６又は７のうちいずれか１項に記
載される酸化物超電導体素子の製造方法において、前記
集束イオンビームは、Ｇａ+イオンの集束イオンビーム
であることを特徴とする酸化物超電導体素子製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8153832A JPH104222A (ja) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | 酸化物超電導体素子及びその製造方法 |
| US08/873,865 US5925892A (en) | 1996-06-14 | 1997-06-12 | Josephson junction element with an asymmetric groove providing a single weak link region |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8153832A JPH104222A (ja) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | 酸化物超電導体素子及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH104222A true JPH104222A (ja) | 1998-01-06 |
Family
ID=15571073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8153832A Pending JPH104222A (ja) | 1996-06-14 | 1996-06-14 | 酸化物超電導体素子及びその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5925892A (ja) |
| JP (1) | JPH104222A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6207067B1 (en) | 1997-09-30 | 2001-03-27 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Method for fabricating oxide superconducting device |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7446891B2 (en) * | 2003-11-24 | 2008-11-04 | Pitney Bowes Inc. | Fragile watermark for detecting printed image copies |
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