JPH1126822A

JPH1126822A - 高温超伝導ジョセフソン素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH1126822A
Application number: JP9177420A
Authority: JP
Inventors: Tadatami Bun; 忠民文
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】大規模集積化が可能な高温超伝導ジョセフソ
ン素子の実現が望まれていた。【解決手段】ＳｒＴｉＯ₃ の単結晶基板１０上にエピ
タキシャル成長させたＣ軸配向のＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜
１２からなる銅酸化物高温超伝導膜１２を以って構成し
てあり、この銅酸化物高温超伝導膜１２は、表面１４ａ
の一部分がＣ軸方向に突出したメサ部１６を具えてい
る。このメサ部１６の厚さは、５０〜１００ｎｍ程度で
ある。そして、メサ部１６の上面１６ａに第１電流電極
１８および第１電圧電極２０を具え、メサ部１６以外の
銅酸化物高温超伝導膜１２の表面１４ａに第２電流電極
２２および第２電圧電極２４を具えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば超伝導量
子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）の高感度磁気センサ、磁束フ
ロー型発振器のミリ波回路若しくはサブミリ波回路、ま
たは、超伝導トンネル接合の高感度サブミリ波センサに
用いて好適な高温超伝導ジョセフソン素子およびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の高温超伝導ジョセフソン素子の一
例が、文献１：「ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｓｕｐｅｒｃ
ｏｎｄ．Ｖｏｌ．５，１９９５，ｐｐ．２５４３−２５
４６」、および、文献２：「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｌｅ
ｔｔ．Ｂ，Ｖｏｌ．６７，１９９５，ｐｐ．１４７１−
１４７３」に開示されている。この文献１および文献２
に開示の技術によれば、銅酸化物高温超伝導体であるＢ
ｉ₂ Ｓｒ₂ ＣａＣｕ₂ Ｏ₈ の単結晶のＣ軸配向の表面
に、この表面に垂直なＣ軸方向に部分的に突出したメサ
部を画成してある。そして、このメサ部の上面に第１電
流電極および第１電圧電極をそれぞれ蒸着で形成してあ
る。また、メサ部以外の単結晶表面に第２電流電極およ
び第２電圧電極をそれぞれ蒸着で形成してある。

【０００３】このメサ部を含めたＢｉ₂ Ｓｒ₂ ＣａＣｕ
₂ Ｏ₈ の単結晶は、Ｃ軸方向に沿って、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 層、
ＳｒＯ層、ＣｕＯ層、Ｃａ層、ＣｕＯ層、ＳｒＯ層およ
びＢｉ₂ Ｏ₃ 層が順次に繰返し積層された層状結晶構造
を有している。この層状結晶構造では、ＣｕＯ層および
Ｃａ層が超伝導性を有し、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 層およびＳｒＯ層
が絶縁性を有すると考えられる。すなわち、この単結晶
は、超伝導性の層の間に、絶縁性の層が障壁として挟ま
れたＳＩＳ（超伝導層／絶縁層／超伝導層）構造を有す
る。この超伝導性の層どうし間のＣ軸方向に沿った距離
は、約１．２ｎｍである。この距離は、超伝導電子対の
コヒーレンス長と同じオーダーである。従って、電子対
は、超伝導性の層の間の絶縁膜をトンネル効果で通過す
ることができる。このため、この層状結晶構造のメサ部
にＣ軸方向に沿って電流を流すと、この層状結晶構造に
起因した、すなわち、この層状結晶構造固有のジョセフ
ソン効果が生じる。このように超伝導層間のトンネル効
果によりジョセフソン効果を得るトンネリング型のジョ
セフソン素子は、粒界の弱結合によりジョセフソン効果
を得るジョセフソン素子に比べて、ジョセフソン効果が
安定的に得やすいという利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
文献１および文献２に開示の技術によれば、ジョセフソ
ン素子を銅酸化物高温超伝導体の単結晶を以って構成し
ている。通常、銅酸化物高温超伝導体（以下、高温超伝
導体とも称する。）は、材料を高温炉で焼結して形成さ
れる。このようにして形成された高温超伝導体は多結晶
であり、個々の単結晶の大きさは高々数ミリ角程度であ
る。従って、従来は、大きな寸法の高温超伝導体の単結
晶を得ることが困難であった。このため、主表面の面積
の狭い高温超伝導体の単結晶を用いたのでは、フォトリ
ソグラフィによる微細加工技術を用いて、ジョセフソン
素子を大量生産することは困難であった。その結果、従
来は、上記の文献１および文献２に開示のジョセフソン
素子を大規模集積化することが困難であった。

【０００５】このため、大規模集積化が可能な高温超伝
導ジョセフソン素子およびその製造方法の出現が望まれ
ていた。

【０００６】また、高温超伝導体の単結晶が空気に触れ
ると、単結晶の表面付近に酸素原子等が入って単結晶中
に欠陥格子（変質層）が発生することがあった。そし
て、この欠陥層が発生した部分に電極を蒸着技術を用い
て形成すると、電極と高温超伝導体との密着度が不均一
となり、かつ、この界面での電気抵抗が大きくなってし
まうという問題点があった。

【０００７】このため、欠陥層を生じさせることなく電
極を設けることができる高温超伝導ジョセフソン素子の
製造方法の出現が望まれていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この出願に係る発明者
は、従来の焼結により形成された高温超伝導体の単結晶
を利用しないでトンネリング型の高温超伝導体ジョセフ
ソン素子を構成する方法について、種々の検討および実
験を重ねた結果、単結晶基板上に銅酸化物高温超伝導膜
をエピタキシャル成長により形成すると、Ｃ軸配向の銅
酸化物高温超伝導体の単結晶膜が広い面積にわたり形成
できることを発見した。従って、このように広い面積の
主表面を有する銅酸化物高温超伝導体の単結晶膜を用い
れば、トンネリング型のジョセフソン素子の大規模集積
化が図れるという結論に達した。

【０００９】そこで、この発明の第１の要旨の高温超伝
導ジョセフソン素子によれば、単結晶基板と、この単結
晶基板上にエピタキシャル成長させたＣ軸配向の銅酸化
物高温超伝導膜と、当該銅酸化物高温超伝導膜にＣ軸方
向に沿った電流を印加するための電極とを具えることを
特徴とする。

【００１０】このように、この発明の第１の要旨の高温
超伝導ジョセフソン素子によれば、膜の表面に垂直な方
向がＣ軸方向であるＣ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜を
用いる。Ｃ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜においても、
Ｃ軸方向に沿って、超伝導性の層と絶縁性の層とが繰返
し積層された積層構造を有している。そして、隣り合っ
た超伝導性の層どうしのＣ軸方向に沿った距離は、電子
対のコヒーレンス長と同じオーダーである。従って、電
子対は、超伝導性の層の間の絶縁膜をトンネル効果によ
り通過することができる。このため、Ｃ軸方向に沿って
電流を流すと、この積層構造に起因した、すなわち、こ
の積層構造固有のジョセフソン効果が生じる。このよう
に超伝導層間のトンネル効果によるトンネリング型のジ
ョセフソン素子は、一般に、粒界の弱結合を用いたジョ
セフソン素子に比べて、ジョセフソン効果がより安定的
に得やすいという利点がある。

【００１１】また、第１の要旨の高温超伝導ジョセフソ
ン素子は、従来の焼結により形成された高温超伝導体の
単結晶ではなく、単結晶基板上にエピタキシャル成長さ
せて得られたＣ軸配向の、単結晶の高温超伝導膜（この
膜を、以下、高温超伝導エピ成長膜とも称する。）を用
いて構成してある。従って、高温超伝導の単結晶に比べ
て、高温超伝導エピ成長膜は、素子を作り込める有効面
積が広い。従って、この構造であると、高温超伝導体ジ
ョセフソン素子を製造するにあたって、広い面積の単結
晶基板上に高温超伝導エピ成長膜を形成し、この高温超
伝導エピ成長膜に対してフォトリソグラフィによる微細
加工技術を適用すれば、ジョセフソン素子を大量生産す
ることが可能となる。すなわち、この発明の素子構造で
あれば、高温超伝導ジョセフソン素子を大規模集積化す
ることが可能となる。

【００１２】また、この発明の第２の要旨の高温超伝導
ジョセフソン素子によれば、単結晶基板と、該単結晶基
板上にエピタキシャル成長させたＣ軸配向の銅酸化物高
温超伝導膜とを具え、この銅酸化物高温超伝導膜は、メ
サ部を具え、このメサ部は、当該銅酸化物高温超伝導膜
の表面の一部分をＣ軸方向に突出させた形状としてあ
り、メサ部の上面に、第１電流電極および第１電圧電極
を具え、メサ部以外の銅酸化物高温超伝導膜部分の表面
部分に、第２電流電極および第２電圧電極を具えてなる
ことを特徴とする。

【００１３】このように、この発明の第２の要旨の高温
超伝導ジョセフソン素子によれば、単結晶基板上に形成
された、Ｃ軸配向の単結晶の銅酸化物高温超伝導膜を用
いており、そして、第１電流電極と第２電流電極との間
の電流は、メサ部をＣ軸方向に流れる。すなわち、第１
電流電極、メサ部、メサ部以外の主表面および第２電流
電極の経路に沿って電流は流れる。但し電流の向きは限
定されない。また、第１電圧電極および第２電圧電極に
よって、メサ部にＣ軸方向の電圧を印加若しくは測定す
ることができる。

【００１４】ところで、第２電流電極および第２電流電
極上に銅酸化物高温超伝導膜を直接エピタキシャル成長
させることも考えられる。しかし、現在の技術では、導
電膜上、例えば金属膜上に高温超伝導膜をエピタキシャ
ル成長させることは困難である。これに対して、高温超
伝導膜の一部分にメサ部を設けて、メサ部の上面とメサ
部以外の高温超伝導膜の表面上とにそれぞれ電極を設け
れば、金属膜上に高温超伝導膜をエピタキシャル成長さ
せなくても、メサ部にＣ軸方向に沿って電流を印加する
ことが可能となる。

【００１５】また、この発明の第３の要旨の高温超伝導
ジョセフソン素子の製造方法によれば、（ａ）単結晶基
板の主表面上に金属膜を形成する工程と、（ｂ）金属膜
が形成された単結晶基板の上側に銅酸化物高温超伝導膜
をエピタキシャル成長させることにより、主表面上に、
Ｃ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜と金属膜を構成してい
た材料を含む金属膜とが順次に積層された積層体を形成
する工程と、（ｃ）積層体の上面から、金属膜と銅酸化
物高温超伝導膜との界面よりも深くかつ単結晶基板の主
表面に未到達の深さの溝であって、主表面の上方から見
た形状が閉ループ状の当該溝を形成することにより、銅
酸化物高温超伝導膜のうちの当該溝に包囲された残存部
分であるメサ部と、銅酸化物高温超伝導膜のうちの当該
溝に非包囲の残存部分である外周残存部分と、金属膜の
うちのメサ部上および外周残存部分上の残存部分である
残存金属膜とをそれぞれ形成する工程と、（ｄ）メサ部
上の残存金属膜を画成して第１電流電極および第１電圧
電極をそれぞれ形成し、かつ、外周残存部分上の残存金
属膜を画成して第２電流電極および第２電圧電極をそれ
ぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００１６】このように、この発明の第３の要旨の高温
超伝導ジョセフソン素子の製造方法によれば、金属膜を
形成した単結晶基板の上側に銅酸化物高温超伝導膜（以
下、高温超伝導膜とも称する。）をエピタキシャル成長
させる。すると、高温超伝導膜は、金属膜上ではなくて
単結晶基板の主表面上に直接形成され、その高温超伝導
膜の上に金属膜が積層された構造が得られる。この金属
膜は、エピタキシャル成長前に形成されていた金属膜を
構成していた材料を含む。

【００１７】このような積層構造が形成される現象は従
来から知られているが、なぜこのような構造に形成され
るかの理由は現在のところ解明されていない。例えば、
単結晶基板の格子定数が金属膜の格子定数よりも高温超
伝導膜の格子定数に近いために、高温超伝導膜が金属膜
に優先して単結晶基板上に成膜するのではないかと考え
られる。

【００１８】そして、高温超伝導膜を形成する際に金属
膜が当該高温超伝導膜上に形成されるため、高温超伝導
膜と金属膜との界面は大気に触れることがない。従っ
て、この金属膜を画成して電極を形成することにより、
欠陥層を生じさせることなく電極を形成することができ
る。このため、この界面における変質層による電気抵抗
の増大を抑制することができる。

【００１９】また、この発明の第３の要旨の高温超伝導
ジョセフソン素子の製造方法において、好ましくは、
（ａ）の工程において、単結晶基板をＳｒＴｉＯ₃ 基板
とし、および、金属膜を銀（Ａｇ）薄膜とし、（ｂ）の
工程において、銅酸化物高温超伝導膜としてＹＢａ₂ Ｃ
ｕ₃ Ｏ_7-d 膜を、ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成
長させるのが良い。

【００２０】この条件で銅酸化物高温超伝導膜をエピタ
キシャル成長させれば、単結晶基板上に銅酸化物高温超
伝導膜および金属膜が順次に積層された積層体を形成す
ることができる。

【００２１】尚、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-d の「７−ｄ」
は、酸素原子の係数が正確に７であるとは限らないこと
を表している。以下、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-d をＹＢａ₂
Ｃｕ₃Ｏ₇ とも表記する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の高温超伝導ジョセフソン素子およびその製造方法の実
施の形態の例について説明する。尚、参照する図面は、
この発明が理解できる程度に各構成成分の大きさ、形状
および配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従っ
て、この発明は図示例に限定されるものではない。

【００２３】（比較例）この発明の実施の形態の説明に
先立ち、この発明の理解を容易にするため、従来の高温
超伝導体の単結晶を用いたトンネリング型の高温超伝導
ジョセフソン素子の例について比較例として説明する。
図７は、比較例の高温超伝導ジョセフソン素子の構造の
説明に供する要部斜視図である。

【００２４】比較例の高温超伝導ジョセフソン素子（単
に「素子」とも称する。）３００は、数ミリ角の寸法の
高温超伝導体のＢｉ₂ Ｓｒ₂ ＣａＣｕ₂ Ｏ₈ の単結晶５
０を以って構成してある。この単結晶５０は、焼結して
得られた多結晶体を構成している単結晶部分を取り出し
て形成したものである。そして、この単結晶５０の主単
結晶部分５２のＣ軸配向の表面（Ｃ軸に垂直な面）５２
ａ、すなわちａｂ面（ａ軸およびｂ軸を含む面）５２ａ
に対して、Ｃ軸方向に突出したメサ部５４を画成してあ
る。このメサ部５４の上面５４ａには、第１電流電極５
６および第１電圧電極５８を蒸着により形成してある。
この上面５４ａもａｂ面である。また、メサ部５４以外
の主単結晶部分５２の表面５２ａには、第２電流電極６
０および第２電圧電極６２を蒸着により形成してある。
これらの電極は、いずれも金（Ａｕ）を材料としてい
る。そして、これら４つの電極を具えた素子３００は、
４端子素子として動作する。そして、第１および第２電
流電極５６および６０により、メサ部５４にＣ軸方向に
沿って電流を流すことによってトンネル効果によるジョ
セフソン効果を得る。また、図７中、メサ部５４におけ
る電流の方向を矢印Ｉで模式的に示す。但し、電流の向
きは矢印Ｉの向きに限定されるものではない。

【００２５】（第１の実施の形態）次に、図１を参照し
て、この発明の第１の要旨の高温超伝導ジョセフソン素
子の構造の一例について説明する。図１は、第１の実施
の形態の高温超伝導ジョセフソン素子の説明に供する要
部斜視図である。

【００２６】この第１の実施の形態の高温超伝導ジョセ
フソン素子（以下、単に「素子」とも称する。）１００
は、単結晶基板としてＳｒＴｉＯ₃ 基板１０を具え、こ
の単結晶基板１０上にエピタキシャル成長させたＣ軸配
向の銅酸化物高温超伝導膜１２を具えている。この単結
晶基板１０の寸法は、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．
５ｍｍである。そして、ここでは、銅酸化物高温超伝導
膜１２として、単結晶基板のａｂ面である１０ｍｍ×１
０ｍｍの寸法の主表面１０ａ上にエピタキシャル成長さ
せたＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜１２を用いる。尚、エピタキ
シャル成長の際の条件例は後述する。

【００２７】また、この銅酸化物高温超伝導膜１２は、
メサ部１６を具えている。このメサ部１６は、銅酸化物
高温超伝導膜１２の表面１４ａの一部分をＣ軸方向（主
表面１４ａに垂直な方向）に突出させた形状としてあ
る。このメサ部１６の厚さは、５０〜１００ｎｍ程度で
ある。また、メサ部１６の厚さとメサ部以外の銅酸化物
高温超伝導膜部分１４の厚さとを合計した厚さは、２０
０ｎｍ程度である。また、メサ部１６の上面からみた平
面パターンでの形状を例えば矩形とし、その寸法を例え
ば６μｍ×２μｍとする。

【００２８】また、この素子１００は、メサ部１６の上
面１６ａに、第１電流電極１８および第１電圧電極２０
を互いに離間させて具えている。また、この素子１００
は、メサ部１６以外の銅酸化物超伝導膜部分１４の表面
１４ａに、メサ部１６を真中に挟んで、メサ部１６の両
側に、第２電流電極２２および第２電圧電極２４を互い
に離間させて具えている。従って、この銅酸化物高温超
伝導膜１２上に、第２電流電極２２、第１電流電極１
８、第１電圧電極２０および第２電圧電極２４を順に並
列している。これらの電極は、いずれも銀（Ａｇ）を以
って構成してある。

【００２９】このＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜１２は、従来周
知のように、その主表面に垂直なＣ軸方向に沿って、Ｃ
ｕＯ層、ＢａＯ層およびＹＯ層が繰返し積層した層状結
晶構造を有する。そして、ＣｕＯ層は超伝導性を有し、
ＢａＯ層およびＹＯ層は絶縁性を有すると考えられる。
そして、ＣｕＯ層間には、ＢａＯ層およびＹＯ層が介在
している。すなわち、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜１２は、超
伝導性の層１１の間に絶縁性の層１３が障壁として挟ま
れた、ＳＩＳ構造の層状結晶構造を有する。

【００３０】この超伝導性の層どうし間のＣ軸方向に沿
った距離は、約０．８４ｎｍ程度であり、超伝導電子対
のコヒーレンス長（２〜１０ｎｍ程度）と同程度以下で
ある。従って、電子対は、超伝導性の層の間の絶縁膜を
トンネル効果で通過することができる。従って、この素
子１００は、銅酸化物高温超伝導膜１２のメサ部１６に
Ｃ軸方向に沿って電流を流すことによってジョセフソン
素子として動作する。そして、この素子１００は、高臨
界電流ノーマル抵抗積（ＩｃＲｎ）を示すトンネリング
型のジョセフソン素子となる。

【００３１】そして、メサ部１６は、その厚さを例えば
約６０ｎｍとすると、一組のＳＩＳ構造がＣ軸方向に沿
って数十層の直列に接続された構造に相当する。従っ
て、この素子１００は、各ＳＩＳ構造でのジョセフソン
効果が合わさったものとしてのジョセフソン効果を示
す。

【００３２】また、この高温超伝導ジョセフソン素子１
００は、従来の焼結により形成された銅酸化物高温超伝
導体の単結晶ではなく、単結晶基板上にエピタキシャル
成長させて得られたＣ軸配向の単結晶の銅酸化物高温超
伝導膜１２を以って構成してある。この銅酸化物高温超
伝導膜１２、すなわち、高温超伝導エピ成長膜１２は、
従来の銅酸化物高温超伝導の単結晶に比べて、素子を作
り込める有効面積が広い。従って、この構造であると、
高温超伝導ジョセフソン素子を製造するにあたって、広
い面積の単結晶基板上に高温超伝導エピ成長膜を形成
し、この高温超伝導エピ成長膜に対してフォトリソグラ
フィによる微細加工技術を適用すれば、ジョセフソン素
子を大量生産することが可能となる。すなわちこの高温
超伝導ジョセフソン素子１００の構造であれば、高温超
伝導ジョセフソン素子を大規模集積化することが可能と
なる。

【００３３】次に、図２および図３を参照して、上述の
第１の実施の形態の高温超伝導ジョセフソン素子の製造
方法の一例について説明する。図２の（Ａ）〜（Ｃ）
は、第１の実施の形態の高温超伝導ジョセフソン素子の
製造方法の説明に供する要部断面工程図である。また、
図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施の形態の高温超伝
導ジョセフソン素子の製造方法の説明に供する要部平面
工程図である。図２の（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図３
の（Ａ）〜（Ｃ）のＡ−Ａにおける断面図に相当する。
尚、図３においては、断面ではないが、一部にハッチン
グ付して示す。

【００３４】高温超伝導ジョセフソン素子１００の製造
にあたり、先ず、ＳｒＴｉＯ₃ の単結晶基板１０の表面
を有機洗剤で洗浄する。

【００３５】次に、この単結晶基板１０の主表面１０ａ
上に、予備銅酸化物高温超伝導膜１２ａを形成する。こ
こでは、予備銅酸化物高温超伝導膜１２ａとして、厚さ
２００ｎｍ程度のＣ軸配向のＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜１２
ａを主表面１０ａ上にエピタキシャル成長させる。ここ
では、予備銅酸化物高温超伝導膜１２ａを、ＭＯＣＶＤ
法を用いてエピタキシャル成長させる。エピタキシャル
成長にあたっては、ＭＯＣＶＤ装置の真空チャンバ（図
示せず）に載置した単結晶基板１０をマイクロ波によっ
て８００℃の温度に加熱する。そして、この真空チャン
バには、アルゴンガス（Ａｒ）を１５０ＳＣＣＭの流量
で、および、酸素ガス（Ｏ₂ ）を４００ＳＣＣＭの流量
で導入する。また、真空チャンバ中の酸素分圧を１０Ｐ
ａとする。

【００３６】また、エピタキシャル成長にあたっては、
ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜を形成するバリウム（Ｂａ）のソ
ースを２６０℃に加熱し、イットリウム（Ｙ）のソース
および銅（Ｃｕ）のソースをそれぞれ２００℃に加熱す
る。そして、加熱により発生した各ソースの蒸気を同時
にキャリアガスと共に真空チャンバに導入する。ここで
は、キャリアガスとして、窒素ガス（Ｎ₂ ）を５０ＳＣ
ＣＭの流量で導入する（図２の（Ａ）および図３の
（Ａ））。

【００３７】次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、
予備銅酸化物高温超伝導膜１２ａの一部分にメサ部１６
を画成する。ここでは、ドライエッチングを用いてメサ
部１６を画成する。また、ここでは、図３の（Ｂ）に示
すように、メサ部１６の平面パタンでの寸法を、Ｗ＝６
μｍ、Ｌ＝２μｍとする。また、図２の（Ｂ）に示すよ
うに、メサ部１６の高さを、Ｈ＝６０ｎｍとする（図２
の（Ｂ）および図３の（Ｂ））。

【００３８】次に、メサ部１６の上面１６ａおよび非メ
サ部１４の表面１４ａにＡｇ薄膜（図示せず）を真空蒸
着する。次に、Ａｇ薄膜に対してフォトリソグラフィ技
術を用いて、メサ部１６の上面１６ａに、第１電流電極
１８および第１電圧電極２０を画成し、かつ、非メサ部
１４の表面１４ａに、第２電流電極２２および第２電圧
電極２４を画成する。ここでは、ドライエッチングを用
いて各電極をそれぞれ画成する。また、ここでは、第１
電流電極１８および第１電圧電極２０の平面パタンでの
寸法を２μｍ×２μｍとする（図２の（Ｃ）および図３
の（Ｃ））。

【００３９】（第２の実施の形態）次に、図４を参照し
て、この発明の第１の要旨の高温超伝導ジョセフソン素
子の構造の他の例について説明する。図４は、第２の実
施の形態の高温超伝導ジョセフソン素子の構造の説明に
供する要部斜視図である。

【００４０】この第２の実施の形態の高温超伝導ジョセ
フソン素子（以下、単に「素子」とも称する。）２００
は、単結晶基板としてＳｒＴｉＯ₃ 基板１０を具え、こ
の単結晶基板１０上にエピタキシャル成長させたＣ軸配
向の銅酸化物高温超伝導膜３２を以って構成してある。
この単結晶基板１０の寸法は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×
０．５ｍｍである。そして、この単結晶基板１０の１０
ｍｍ×１０ｍｍの主表面１０ａに、銅酸化物高温超伝導
膜３２として、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜１２をエピタキシ
ャル成長させる。エピタキシャル成長の条件等は、第３
の実施の形態において後述する。

【００４１】また、この銅酸化物高温超伝導膜３２は、
当該銅酸化物高温超伝導膜３２の表面３４ａの中央部分
にＣ軸方向に突出したメサ部３６を具えている。このメ
サ部３６の厚さは、５０〜１００ｎｍ程度である。ま
た、メサ部３６の厚さとメサ部以外の銅酸化物高温超伝
導膜部分（非メサ部）３４の厚さとを合計した厚さは、
２００ｎｍ程度である。また、メサ部３６の平面からみ
た寸法は、６μｍ×２μｍである。

【００４２】また、第２の実施の形態の素子２００は、
非メサ部３４の銅酸化物高温超伝導膜部分３４のうち、
中央のメサ部３６と離間した一部分（外周残存部分）３
４ｂを、メサ部３６と同じ厚さとしてある。

【００４３】また、この素子２００は、中央のメサ部３
６の上面３６ａに、第１電流電極３８および第１電圧電
極４０を互いに離間させて具えている。また、この素子
２００は、外周残存部分３４ｂ上に、第２電流電極４２
および第２電圧電極４４を互いに離間させて具えてい
る。これらの電極は、いずれも銀（Ａｇ）を以って構成
してある。

【００４４】この素子２００は、上述した第１の実施の
形態の素子１００と同様に、当該銅酸化物高温超伝導膜
３２のメサ部３６にＣ軸方向に沿って電流を流すことに
よってジョセフソン素子として動作する。そして、この
素子２００も、上述の素子１００と同様に、高臨界電流
ノーマル抵抗積（ＩｃＲｎ）を示すトンネリング型のジ
ョセフソン素子となる。また、メサ部３６以外の銅酸化
物高温超伝導膜部分３４のうちの外周残存部分３４ｂ、
例えば第２電流電極４２直下の部分においても、Ｃ軸方
向に沿って電流が流れる。

【００４５】（第３の実施の形態）次に、図５および図
６を参照して、この発明の第３の要旨の高温超伝導ジョ
セフソン素子の製造方法の一例について説明する。図５
の（Ａ）〜（Ｄ）は、第３の実施の形態の高温超伝導ジ
ョセフソン素子の製造方法の説明に供する要部断面工程
図である。また、図６の（Ａ）〜（Ｃ）は、第３の実施
の形態の高温超伝導ジョセフソン素子の製造方法の説明
に供する要部平面工程図である。図５の（Ｂ）〜（Ｄ）
は、それぞれ図６の（Ａ）〜（Ｃ）のＡ−Ａにおける断
面図に相当する。

【００４６】この実施の形態の高温超伝導ジョセフソン
素子の製造方法によれば、（ａ）先ず、ＳｒＴｉＯ₃ の
単結晶基板１０の主表面１０ａ上に、予備金属膜２６を
形成する。ここでは、予備金属膜２６として、厚さ２５
０ｎｍのＡｇ薄膜２６をＭＯＣＶＤ法を用いて形成する
（図５の（Ａ））。

【００４７】（ｂ）次に、予備金属膜２６が形成された
単結晶基板１０の上側に銅酸化物高温超伝導膜３２をエ
ピタキシャル成長させることにより、単結晶基板１０の
主表面１０ａ上に、Ｃ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜３
２と予備金属膜２６を構成していた材料の金属膜２６ａ
すなわちＡｇ薄膜２６ａとが順次に積層された積層体２
８を形成する（図５の（Ｂ））および図６の（Ａ））。

【００４８】ここでは、銅酸化物高温超伝導膜３２とし
て、厚さ２００ｎｍ程度のＣ軸配向のＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
₇ 膜３２をＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長さ
せる。エピタキシャル成長にあたっては、ＭＯＣＶＤ装
置の真空チャンバ（図示せず）に載置した単結晶基板１
０をマイクロ波によって８００℃の温度に加熱する。そ
して、この真空チャンバには、アルゴンガス（Ａｒ）を
１５０ＳＣＣＭの流量で、および、酸素ガス（Ｏ₂ ）を
４００ＳＣＣＭの流量で導入する。また、真空チャンバ
中の酸素分圧を１０Ｐａとする。各成膜成分は予備金属
膜２６側から降り注ぐが、実際には、これらの成膜成分
による膜は予備金属膜２６下側の基板１０上に形成され
る。

【００４９】また、エピタキシャル成長にあたっては、
ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₇ 膜を形成するバリウム（Ｂａ）のソ
ースを２６０℃に加熱し、イットリウム（Ｙ）のソース
および銅（Ｃｕ）のソースをそれぞれ２００℃に加熱す
る。そして、加熱により発生した各ソースの蒸気を同時
にキャリアガスと共に真空チャンバに導入する。ここで
は、キャリアガスとして、窒素ガス（Ｎ₂ ）を５０ＳＣ
ＣＭの流量で導入する。

【００５０】（ｃ）次に、積層体２８に溝を形成する。
この場合には、この積層体２８の上面、すなわち、金属
膜２６ａの上面２６ｓから、当該金属膜２６ａと銅酸化
物高温超伝導膜３２との界面３３よりも深くかつ単結晶
基板１０の主表面１０ａに未到達の深さの溝３０を形成
する。そして、主表面１０ａの上方から見た溝の形状が
閉ループ状となるように形成する。この溝３０の形成に
より、銅酸化物高温超伝導膜３２のうちの当該溝３０に
包囲された残存部分であるメサ部３６と、銅酸化物高温
超伝導膜３２のうちの当該溝３０に非包囲の残存部分で
ある外周残存部３４ｂと、金属膜２６ａのうちのメサ部
３６上の残存部分２６ｂおよび外周残存部分３４ｂ上の
残存部分である残存金属膜２６ｃとをそれぞれ形成す
る。ここでは、図６の（Ｂ）に示すように、積層体２８
の上方からみて矩形の平面パタンを有するメサ部３６を
形成する。この矩形の平面パタンの寸法は、例えば、前
述の第１の実施の形態におけるメサ部１６の平面パタン
の寸法と同じとすると良い（図５の（Ｃ）および図６の
（Ｂ））。

【００５１】（ｄ）次に、メサ部３６上の残存金属膜２
６ｂを画成して第１電流電極３８および第１電圧電極４
０をそれぞれ形成し、かつ、外周残存部分３４ｂ上の残
存金属膜２６ｃを画成して第２電流電極４２および第２
電圧電極４４をそれぞれ形成する（図５の（Ｄ）および
図６の（Ｃ））。

【００５２】このように、第３の実施の形態の高温超伝
導ジョセフソン素子の製造方法によれば、予備金属膜２
６を形成した単結晶基板１０上に銅酸化物高温超伝導膜
（高温超伝導膜）３２をエピタキシャル成長させると、
予備金属膜２６の上側ではなくて、単結晶基板１０と予
備金属膜２６との間に、高温超伝導膜３２が形成され
る。従って、このエピタキシャル成長によって、単結晶
基板１０上に、高温超伝導膜３２および金属膜２６ａを
順次に積層した積層体２８が形成される。このため、高
温超伝導膜３２の表面が酸化などによってダメージを受
けることなく、電極となる金属膜２６ａを高温超伝導膜
３２上に形成することができる。その結果、電極と高温
超伝導膜との界面に変質層が生じることがない。このた
め、変質層による電気抵抗の増大を抑制することができ
る。また、変質層が生じないので、電極を高温超伝導膜
に均一に密着させることができる。

【００５３】上述した各実施の形態では、これらの発明
を特定の材料を用い、特定の条件で構成した例について
のみ説明したが、これらの発明は多くの変更および変形
を行うことができる。例えば、上述した実施の形態で
は、単結晶基板としてＳｒＴｉＯ₃ を用いた例について
説明したが、この発明では、単結晶基板の材質は、高温
超伝導膜のエピタキシャル成長が可能なものならば良
く、例えば、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ₃ 、ＺｒＯ₂ またはサ
ファイアを用いても良い。

【００５４】また、上述した実施の形態では、銅酸化物
高温超伝導膜としてＹＢａ₂ Ｃｕ₃Ｏ₇ 膜を用いた例に
ついて説明したが、この発明では、銅酸化物高温超伝導
膜の材質として、例えば、Ｂｉ₂ ＳｒＣａＣｕ₂ Ｏ₈ 、
（Ｂｉ，Ｐｂ）₂ Ｓｒ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₈ 、ＴｌＢａ₂
ＣａＣｕ₂ Ｏ₇ またはＴｌＢａ₂ Ｃａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ₉ を用
いても良い。

【００５５】また、上述した実施の形態では電極として
銀（Ａｇ）薄膜を用いたが、この発明では、電極の材質
は良電性の材料ならば良く、例えば金（Ａｕ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）を用いても良い。

【００５６】また、上述した第２の実施の形態では、電
極の真空蒸着にあたり加熱抵抗法を用いたが、電極の蒸
着にあたっては、例えば、電子ビーム蒸着またはスパッ
タリング法を用いても良い。

【００５７】また、上述した第２および第３の実施の形
態では、高温超伝導膜をＭＯＣＶＤ法により成膜した
が、この発明では、成膜方法はこれに限定されるもので
はなく、例えば、電子ビーム蒸着、レーザアプレッショ
ン法、スパッタリング法を用いても良い。

【００５８】また、高温超伝導ジョセフソン素子を製造
するにあたり、単結晶基板上に、高温超伝導膜と金属膜
とを同時に形成することにより、単結晶基板上に、高温
超伝導膜および金属膜が順次に積層された積層体を形成
しても良い。具体的には、例えば、高温超伝導膜をスパ
ッタリングで形成する際に、高温超伝導膜の材料のター
ゲットに加えて、金属膜の材料（例えば銀（Ａｇ））の
ターゲットを同時にスパッタすると良い。その場合、単
結晶基板上には、金属膜に優先して高温超伝導膜が形成
される。

【００５９】また、例えば、高温超伝導膜をＭＯＣＶＤ
法で形成する際に、高温超伝導膜の材料のソースに加え
て、金属膜の材料（例えば（Ａｇ））のソースを用いて
一度に成膜すると良い。その場合も、単結晶基板上に
は、金属膜に優先して高温超伝導膜が形成される。

【００６０】また、高温超伝導ジョセフソン素子を製造
するにあたり、高温超伝導膜の材料に金属膜の材料を添
加して焼結することにより、単結晶基板上に、高温超伝
導膜および金属膜が順次に積層された積層体を形成して
も良い。

【００６１】

【発明の効果】この発明の第１の要旨の高温超伝導ジョ
セフソン素子によれば、膜の主表面に垂直な方向がＣ軸
方向であるＣ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜を用いる。
Ｃ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜においても、Ｃ軸方向
に沿って、超伝導性の層と絶縁性の層とが繰返し積層さ
れた積層構造を有している。そして、隣り合った超伝導
性の層どうしのＣ軸方向に沿った距離は、電子対のコヒ
ーレンス長と同じオーダーである。従って、電子対は、
超伝導性の層の間の絶縁膜をトンネル効果で通過するこ
とができる。このため、Ｃ軸方向に沿って電流を流す
と、この積層構造に起因した、すなわち、この積層構造
固有のジョセフソン効果が生じる。この超伝導層間のト
ンネル効果によるトンネリング型のジョセフソン素子
は、一般に、粒界の弱結合を用いたジョセフソン素子に
比べて、ジョセフソン効果がより安定的に得やすいとい
う利点がある。

【００６２】また、第１の要旨の高温超伝導ジョセフソ
ン素子は、従来の焼結により形成された高温超伝導体の
単結晶ではなく、単結晶基板上にエピタキシャル成長さ
せたＣ軸配向の高温超伝導膜を以って構成してある。従
って、高温超伝導の単結晶に比べて、高温超伝導膜は、
広い面積のものを容易に形成することができる。このた
め、高温超伝導体ジョセフソン素子を製造するにあたっ
て、フォトリソグラフィによる微細加工技術を用いて大
量生産することが可能となる。その結果、高温超伝導ジ
ョセフソン素子を大規模集積化することが可能となる。

【００６３】また、この発明の第２の要旨の高温超伝導
ジョセフソン素子によれば、メサ部を具えたＣ軸配向の
銅酸化物高温超伝導膜を用いており、そして、金属膜上
に高温超伝導膜をエピタキシャル成長させなくても、メ
サ部にＣ軸方向に沿って電流を印加することができる。

【００６４】また、この発明の第３の要旨の高温超伝導
ジョセフソン素子の製造方法によれば、高温超伝導膜を
形成する際に金属膜が当該高温超伝導膜上に形成される
ため、高温超伝導膜と金属膜との界面は大気に触れるこ
とがない。従って、この金属膜を画成して電極を形成す
ることにより、欠陥層を生じさせることなく電極を形成
することができる。このため、変質層による電気抵抗の
増大を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の高温超伝導ジョセフソン素
子の構造の説明に供する要部斜視図である。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の実施の形態の高温超
伝導ジョセフソン素子の製造方法の説明に供する要部断
面工程図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施の形態の高温超伝
導ジョセフソン素子の製造方法の説明に供する要部平面
工程図である。

【図４】第２の実施の形態の高温超伝導ジョセフソン素
子の構造の説明に供する要部斜視図である。

【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、第３の実施の形態の高温超
伝導ジョセフソン素子の製造方法の説明に供する要部断
面工程図である。

【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、第３の実施の形態の高温超
伝導ジョセフソン素子の製造方法の説明に供する要部平
面工程図である。

【図７】比較例の高温超伝導ジョセフソン素子の構造の
説明に供する要部斜視図である。

【符号の説明】

１０：単結晶基板（ＳｒＴｉＯ₃ 基板）１０ａ：主表面１２、３２：銅酸化物高温超伝導膜（ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ
₇ 膜）１４、３４：銅酸化物高温超伝導膜部分、非メサ部１４ａ、３４ａ：表面１６、３６：メサ部１６ａ，３６ａ：上面１８、３８：第１電流電極２０、４０：第１電圧電極２２、４２：第２電流電極２４、４４：第２電圧電極２６：予備金属膜２６ａ：金属膜２６ｂ、２６ｃ：残存金属膜２６ｓ：上面２８：積層体３０：溝３３：界面３４ｂ：外周残存部分５０：単結晶５２：主単結晶部分５２ａ：表面５４：メサ部５４ａ：上面５６：第１電流電極５８：第１電圧電極６０：第２電流電極６２：第２電圧電極１００、２００、３００：高温超伝導ジョセフソン素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板上と、該単結晶基板にエピタ
キシャル成長させたＣ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜
と、該銅酸化物高温超伝導膜にＣ軸方向に沿った電流を印加
するための電極とを具えてなることを特徴とする高温超
伝導ジョセフソン素子。
【請求項２】単結晶基板と、該単結晶基板上にエピタ
キシャル成長させたＣ軸配向の銅酸化物高温超伝導膜と
を具え、該銅酸化物高温超伝導膜は、メサ部を具え、該メサ部は、該銅酸化物高温超伝導膜の表面の一部分を
Ｃ軸方向に突出させた形状としてあり、前記メサ部の上面に、第１電流電極および第１電圧電極
を具え、前記メサ部以外の銅酸化物高温超伝導膜部分の前記表面
部分に、第２電流電極および第２電圧電極を具えてなる
ことを特徴とする高温超伝導ジョセフソン素子。
【請求項３】（ａ）単結晶基板の主表面上に金属膜を
形成する工程と、（ｂ）前記金属膜が形成された前記単結晶基板の上側に
銅酸化物高温超伝導膜をエピタキシャル成長させること
により、前記主表面上に、Ｃ軸配向の銅酸化物高温超伝
導膜と前記金属膜を構成していた材料を含む金属膜とが
順次に積層された積層体を形成する工程と、（ｃ）前記積層体の上面から、当該金属膜と前記銅酸化
物高温超伝導膜との界面よりも深くかつ前記単結晶基板
の主表面に未到達の深さの溝であって、前記主表面の上
方から見た形状が閉ループ状の当該溝を形成することに
より、前記銅酸化物高温超伝導膜のうちの当該溝に包囲
された残存部分であるメサ部と、前記銅酸化物高温超伝
導膜のうちの当該溝に非包囲の残存部分である外周残存
部分と、前記金属膜のうちの該メサ部上および該外周残
存部分上の残存部分である残存金属膜とをそれぞれ形成
する工程と、（ｄ）前記メサ部上の残存金属膜を画成して第１電流電
極および第１電圧電極をそれぞれ形成し、かつ、前記外
周残存部分上の残存金属膜を画成して第２電流電極およ
び第２電圧電極をそれぞれ形成する工程とを含むことを
特徴とする高温超伝導ジョセフソン素子の製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の高温超伝導ジョセフソ
ン素子の製造方法において、前記（ａ）の工程において、前記単結晶基板をＳｒＴｉ
Ｏ₃ 基板としおよび前記金属膜を銀（Ａｇ）薄膜とし、前記（ｂ）の工程において、前記銅酸化物高温超伝導膜
としてＹＢａ₂ Ｃｕ₃Ｏ_7-d 膜を、ＭＯＣＶＤ法により
エピタキシャル成長させることを特徴とする高温超伝導
ジョセフソン素子の製造方法。