JPS5839081A - 超伝導デバイスを製造する方法 - 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】 本発明は少くとも約７にの臨界温度を有する超伝導材料
から成るベース電極及びニオブ対向電極、ベース電極及
び対向電極間の金属酸化物層から成る超伝導デバイスに
係る。

高速メモリ及び論理回路を実現する可能性があるため、
ジョセフソン接合デバイスは現在関心がもたれている。

そのような回路は現在用いられている半導体を基礎とし
た計算機より高速の計算機が構成できる可能性を有して
いる。第１に、これらのデバイスは約１ｏ−１１秒のス
イッチ速度を有し、これは典型的な半導体スイッチ速度
よりはるかに速い。第２に、これらのデバイスの放出電
力が低いことから、半導体デバイスで可能な場合より近
接した充てんが可能である。半導体デバイスの放出電力
は高いことが理由である。その結果、デバイス間の電気
信号の伝搬時間は減少する。

最も簡単（二言うと１．ジョセフソン接合デバイスの構
造は、超伝導層、絶縁層及び超伝導層である。第１の層
は通常ベース電極と呼ばれ、繭２の超伝導層は通常対向
電極と呼ばれる。

ジョセフソン接合デバイスはブリアン・ジョセフソン、
フィジックスΦレターズ、　（ＢｒｉａｎＪｏｓｅｐｈ
ｓｏｎ　Ｐｂｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　１　、
２５１−２５３頁、１９６２年７月１日中で理論的に予
言された現象を基本としている。これらのデバイスの電
圧−電流特性曲線は、２つの分枝をもつ。第１の分枝で
はトンネル電流が接合すなわち超伝導層間を流れるが、
接合間に電圧降下はない一０第２の分枝の場合、接合間
に電圧が発生し、エネルギーギャップ電圧におけるわず
かな電圧の増加とともに、電流はきわめて急速に上昇す
る。エネルギーギャップは超伝導電流を構成する電子対
を生み出すのに必要なエネルギーと考えられる。１９６
６年１０月２５日ジエイ・エム・ローウェル（Ｊ　、　
Ｍ、　ＲｏｗｅｌＩ　）に承認された米国特許第３．２
８１，６０９号に述べろれ℃いるように、デバイスは２
つの分枝間でスイッチできる。電流が臨界電流よシ小さ
く、電流−電圧特性が第１の分枝にあると仮定すると、
電流が臨界電流以上の値（二増加すること（二より、デ
バイスは第２の分枝にスイッチする。電流が減少すると
ともに、臨界型′流より小さな値で、ゼロ電圧への遷移
が起る。従って、電流−電圧特性はヒステリシスを示す
。

ジョセフソン接合デバイスを形成する候補として、多く
の材料の組合せが考えられてきた。しかし、エネルギー
ギャップがデバイスの動作温度における熱エネルギーよ
り大きいことが必要であるといった制約が、現在の関心
が２つの材料系（−中心をおくという結果を生んだ。第
１の系は鉛合金電極に基礎をお（もので、第２の系はニ
オブ電極Ｃ二基礎をおくものである。両方の系で、それ
自身の酸化物が他の材料とともＣ二、絶縁層として考え
られる。それ自身の酸化物が一般に好ましい。なぜなら
ば、絶縁層の厚さは厳密でなければならず、それ自身の
酸化物の厚さは、一般に堆積層の厚さより容易に制御で
きるからである。

ニオブ及び鉛合金電極を組合せた構造もまた考えられる
。

鉛合金電極を基礎としたデバイスは恐らく最も魅力的な
候補である。その理由は、それ自身の酸化物の誘電定数
が小さいこと及び鉛合金は容易に酸化され高品質接合が
形成されることのため、それらは高速スイッチ速度を実
現する可能性があることである。しかし、鉛を基礎とし
たデバイスは、室温とデ１バイスが動作する液体ヘリウ
ム温度間の熱サイクルを原因とする劣化を起す可能性が
太きいという欠点がある。ニオブ接合はそれらのスイッ
チ速度が鉛合金接合のそれより約４倍遅いため、鉛接合
より一般Ｃ二魅力は少いと考えられている。更ｆ二、ス
イッチ速度が遅いのに加え、ニオブを基礎としたデバイ
スはまた、良品質の全ニオブ接合を製作することが非常
に困難°であるという欠点がある。この困難さは部分的
には純粋なニオブの酸化物が、典型的な場合、絶縁性酸
化物Ｎｂ２Ｏ，とともにニオブの導電性低級酸化物から
成る表面層を形成することが原因である。その結果は界
面領域を広げることになり−１そのことは超伝導トンネ
ル特性に影響を与える。なぜならば、ニオブのコヒーレ
ント長は４．２にで約１００オングストロームと小さい
ためである。しかし、ニオブは鉛より魅力的である。そ
の理由はそれはより高い臨界温度を有し、鉛Ｘシ固（か
つ引張り強度が大きいため、熱サイクル（二よる劣化（
二対しよシ抵抗があるからである。

ニオブの酸化特性から生ずる障壁層（二伴う問題を解決
するために、多くの試みがなされ友。これらの試みの中
にはニオブを基礎とした電極Ｃ二、他の材料ととも（＝
アルミニウム、シリコンを堆積させるいくつかの方法が
含まれる。得られるデバイスは超伝導体／上層部／絶縁
体／超伝導体構造を有する。たとえば、（Ａｐｐｌｉｅ
ｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔ’ｅｒｓ　）　２０　、
２５４−２５６頁、１９７２年４月１日は、ニオブ、／
アルミニウム合成ベース及び対向電極を有するジョセフ
ソン接合について述べている。

用いた製作技術により、部分的Ｃ二相圧に接触したベー
ス及び対向電極ができた。用いたアルミニウム薄膜の厚
さは、４００ないし１６００オングストロームの間であ
った。実際のデータは８００オングストロームの厚さの
Ｍにつｏｆ　Ｌｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ　）　　４０＋　１９−５０頁、１９８０年７
月は対向電極としてニオブ及び便利な金属のような関心
のある超伝導体上に堆積させたアルミニウム層を用いた
電子トンネルスペクトロスコピーについての実験結果を
報告している。しかし、ニオブ以外の他の硬質対向電極
ジョセフソン接合デバイスも作られた。ベース電極もま
た純粋なニオブではな（ニオブを基礎とした合金で作ら
れた。一般Ｃ二、ニオブを基礎とした電極とともに用い
た対向電極は、通常は鉛合金であるニオブ以外の材料で
作られる。ニオブ対向電極は一般に品質の劣るデバイス
を生ずるからである。ニオブは非常に酸素と反応しゃす
く、ニオブ対向電極が二、オブ酸化物障壁上に堆積され
た時、それは酸化物からの酸素と結合する傾向がある。

このことは接合の品質を劣化させる。簡単に述べてきた
これらの方法はいずれも一般に新しい欠点が現われ、完
全（−満足できるものではない。たとえば、もし誘電定
数が減少すると、臨界温度が減少したシ、あるいは過剰
の電流が増加する可能性がある。

・・：出願人はニオブ又は高臨界温度ニオブ合金ベース
と、第１の中間層Ｃ二より分離された対向電極を有する
ジョセフソン接合デバイスは、ベース電極とぬれ安定な
酸化物を形成するたとえばアルミニウムのような金属で
形成された金属酸化物Ｃ：よシ中間層が構成された時、
望ましい特性を有することを見出した。表面をぬらす材
料はそれを完全Ｃ：カバーする傾向がある。物理的には
上部層の原子は、上部層の他の原子に対するものより強
い吸引力を表面材料の原子に対して有する。金属層は堆
積した時、約１０ないし１００オングストロームの間の
厚さを有、するのが望ましし、。もし堆積した金属層全
体が酸化すると、金属層は存在しないであろう。酸化物
層と対向電極間に第２の中間層が存在してもよい。この
層は酸化物層とぬれ、酸素とはあまり反応しない任意の
金属、たとえばアルミニウム、モリブデン、金、銀又は
Ｍｏ−Ｒｅの超伝導合金から成る。好ましい実施例にお
いて、金属はアルミニウムである。この層が存在するこ
と（二より、デバイスの品質を劣化させる可能性のある
対向電極と酸化物層間の化学反応が防止される。

本発明のジョセフソン接合デバイスは、それ自身の酸化
物を用いたデバイスＣ二比べ誘電定数の値が低く、良好
なｒ　−ｖ特性を有する。

第１図は本発明のジョセフソン接合デバイスの一実施例
の概略図である。明瞭Ｃ二するために、デバイスの要素
は実際の比率と異なる。

一般Ｃ二１と記されたジョセフソン接合デパイスは、基
板３、ベース電極５、第１の金属層７、酸化物層９、第
２の金属層１１及び対向電極１３から成る。基板３は典
型的な場合シリコンである。シリコンは容易（二酸化し
、ニオブがこの材料（−よく固着するからである。

電極５及び対向電極１３は超伝導材料で、層７及び１１
はそれらがそれぞれベース電極及び対向電極に近いため
、超伝導（−なる。

デバイスは更（二、電流−電圧特性曲線の１分枝からも
う一方の分枝ヘスイッチさせるため、該デバイス（：電
流を供給する手段のよう（−１該デバイスを流れる電流
を制御するための手段からなる。この手段は電極５及び
対向電極１３に接続され、■と記されている。電圧が最
初ゼロである時、供給される電流が臨界電流を越えると
、電圧は急激にゼロからゼロでない値に変化する。電流
が次に減少すると、電圧は降下し、電流が十分小さい時
最終的Ｃ二はゼロに達する。

このデバイスは更に、ベース電極５及び対向電極１３に
電気的（−接続された検出デバイスを有する。このデバ
イスはたとえば電圧計又は電圧感受装置から成ればよい
。

ベース電極は元素ニオブ又はＮｂＺｒ。

Ｎｂ　−Ｔａ又はＮｂ−Ｍのような高Ｔｃニオブ合金の
いずれかのニオブから成る。合金のＴｃは少くとも釣７
にであるべきである。ベース電極は典型的な場合、約３
０００オングストロームの厚さである。

層７及び９はベース電極とぬれ安定な酸化物を形成する
金属を一堆積させ、酸化することによシ形成される。金
属層は典型的な場合、最初約１０ないし約１００オング
ストロームの厚さである。金属はぬれ、従って全表面を
カバーする。それより薄い層は好ましくない。

なぜならば、金属が完全（二はベース電極をカバーしな
いことがあり、酸化物層の一部がベース電極５から出て
くる可能性があるからである。それよシ厚い層は、エネ
ルギーキャップが減少するため望ましくない。これらの
層を形成するのに適した金属（二は、アルミニウム、イ
ツトリウム、ジルコニウム及びスカンジウムが含まれる
。層７は金属で層９は金属酸化物である。もし堆積した
金属層全体が酸化されると、層７は存在しない。

層１１は酸化物層とぬれ、従って酸化物層と過度ζ二反
応しない任意の金属から成る。たとえば、この層はアル
ミニウムから成るが、モリブデン、銅、金、銀、レニウ
ム、タンタル、ビスマス及び鉛合金など他の金属も使用
できる。層１１は典型的な場合、１００オングストロー
ム以下である。

対向電極は典型的な場合１２５０オングストロームの厚
さで、ニオブ及びＮｂ　−Ｔａの工うなニオブ合金、Ｎ
ｓ　−Ｚｒ　＋　Ｍｏ　−Ｒｅ及びｐｂ金合金ら成る。

電極は中間層及び酸化物層とともに、たとえばそれぞれ
ニオブ、アルミニウム及びアルミニウム酸化物であるよ
うに、述べたが、もし得られる電極及び層が上で述べた
条件を満足するならば、本発明の視野を離れることなく
、少鎗の他の材料が存在してもよいことを理解すべきで
ある。

ジョセフソン接合デバイスは、材料をパターン形成する
ために、機械的マスク又はフォトリソグラフィを用いて
所望のデバイス形状を形成する通常の技術ととも（二、
電極を堆積し、酸化物障壁及び金属層１１を形成する通
常の技術Ｃ二より製作してもよい。ベース電極を形成し
約３０００オングストローム厚のニオブ層は、酸化した
シリコン基板上ζ二ニオブターゲットのマグネトロンス
パッタリングにより堆積させてもよい。ニオブ堆積の典
型的な速度は、１分当り約１０００オングストロームで
ある。基板は加熱されず、その温度は熱電対で測定した
ところ、長いスパッタリングの後約７５Ｃを越えていな
かった。アルミニウム及びニオブの合金が２生じるため
、より高い基板温度は望薫しくない。この層の場谷、臨
界温度Ｔｃは９．２０にで、抵抗比は５ないし８の間で
あった。基板は回転テーブル上（二置かれ、ニオブの堆
積が完了した後、基板はアルミニウム・スパッタリング
ターゲット下を通過させ、アルミニウム層が形成された
。アルミニウム層の堆積が完了した後、被覆された基板
がスパッタリング系から取り出され、室温の大気中で３
０分ないし数日の間酸化される。約２０オングストロー
ムの厚さの酸化膜を形成する他の方法も使用できる。酸
化物層が形成された後、対向電極を形成する第２ノアル
ミニ、ラム層及び１２５０オングストローム厚のニオブ
層が堆積される。第２のアルミニウム層は省いてもよい
。

アルミニウム層の厚さは簡単で周知の技術により、独立
Ｃ１決めてもよい。たとえば、基板はアルミニウム・タ
ーゲット下を何度も通過させ、層の厚さを測定してもよ
い。これによ５ｄ＝Ｃ／、の関係における係数Ｃが決定
できる。ここで、ｄはアルミニウム層の厚さ、Ｐはター
ゲット上のパワー、ｒは回転速度である。他の技術も使
用できる。

接合は機械的なマスクを用いて、あるいはフォトリソグ
ラフィによりパターン形成し忙よい。機械的なマスクを
用いる時には、高品質のニオブ層を確実に形成するため
、約２　ｍｍ幅のステンレススチール・マスクを通して
対向電極をスパッタするとよい。より狭いマスクを通し
たスパッタでは低品質のニオブ層が形成されることが見
出された。ベース電極の端部は対向電極の堆積に先たち
、絶縁体で保護されていたことに注意すべきである。こ
れは液相陽極酸化により約２０００オングストロームの
厚い酸化ニオブ層を形成すること（二よって行うと便利
である。もしこの酸化ニオブ層が形成されないと、接合
の端部付近でアルミニウム層が細くなるため、短絡した
り漏れの多い接合ができる。この場合、対向電極と直接
接触するベース電極端部の保護されないニオブ及び弱く
酸化されたニオブを通して、トンネルが進む。

所望のデバイス形状を得るため、フォトリソグラフイ技
術を用いることもできる。これらの技術はよく知られ、
パターン形成すべき材料上へのレジスト層の堆積、レジ
スト層のパターン形成、材料を露出するため、レジスト
の露出したあるいは露出しない部分のいずれかを除去す
ることが含まれる。レジストの一部を除去した後、露出
した材料はたとえば化学エツチング又はプラズマエツチ
ング（二より除去してよい。ベース電極用のニオブ及び
酸化物層のためのアルミニウムの全面への堆積及びニオ
ブ／アルミベース電極の熱酸化の後、ニオブ対向電極の
全面（二よりジョセフソン接合デバイスが完成する。接
合領域はフォトリングラフィで規定され、フォトレジス
トで保護される。ニオブの保護されない領域は、ニオブ
対向電極の厚さを越える深さに達する酸化物層ができる
のに十分な電圧まで陽極酸化される。従って、ベース及
び対向電極間の直接の電気的接続はない。最後に、最上
部ニオブ層の陽極酸化されない部分への電気的接続のた
め、ニオブ又は別の金属の十字ストライプが堆積される
。５０Ａ／ｃｒｎ２に達する臨界電流が得られた。

Ｎｂ　／　ＡＡ酸化物／Ｎｂ構造を有する本発明の接合
デバイスの典型的な電流−電圧特性が、第２図に示され
ている。堆積したアルミニウム金属層は２５オングスト
ロームの厚さを有した。臨界電流は約５０−Ａ／ｃｍ”
、であった。曲線の一部は明瞭にするため、電流値を１
０倍してあり、ゼロ電流は示されていない。本発明の製
作技術ははるかに簡単であるが、曲線（Ｉ　ＥＥＥ　　
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ＥｌｅｃｔｒｏｎＤ
ｅｖｉｃｅｓ　）　　ＥＤ　　２７．１９”９８　２０
０８頁、１９８０年１０月に述べられているニオブ／酸
化物／ニオブ接合の電流−電圧特性曲線と似ている。本
発明の接合の電流−電圧特性は、ニオブではなく鉛ビス
マスをいくつかの方法Ｃ二より堆積させることにより形
成されたもののそれとは異る。第１に、この型の接合の
酸化物抵抗は、同じアルミニウム層厚及び酸化時間Ｃ二
対し、鉛−ビスマスのそれに比べて６ないし７倍小さい
。このことはニオブ対向電極を有するデバイス中の酸化
物層は、鉛−ビスマスデバイスよシ数単原子層薄いこと
を意味する。層が薄いことは、アルミニウム酸化物の一
部を使い、導電性低級ニオブ酸化物層を形成するニオブ
の高反応性Ｃ二よる可能性がある。また、それは対向電
極形成中のニオブの最初の堆積中、アルミニウム酸化物
の数年原子層がスパッタされることによる可能性がある
。ジョセフソン電流、すなわちゼロ電圧における電流は
試験のため、磁界にょシ圧縮されている。

ギャップの合計は３．１　ｍＶに比べ約２．６ないし２
．７ｍＶ＋二減少し、過剰電流は高くなることがわかっ
た。電流−電圧特性から、ペース電極の近接合（最上部
）層に比べ、最上部ニオブ対向電極は質の低い近接合（
底部）層を有することが明らかである。最上部及び底部
というのは、各電極内の相対的な層の位置をさす。この
原因は抵抗の減少のそれと同じ原因、すなわちニオブの
高反応性にある可能性がある。ゼロ及び２ミリボルト間
のゆるい傾斜は、接合が非常に高品質であることを示す
。

第２の層１１を含むことにより、層がアルミニウムから
成る時、対称のトンネル構造が生じる。このデバイスの
電流−電圧特性が、第３図に示されている。臨界電流は
約２０Ａ／ｃｒｎ２であった。やはり曲線の一部は明瞭
にするため、電流値が１０倍してあり、ゼロ電流は示さ
れていない。堆積したアルミニウム金属層は２５オング
ストロームの厚さを有し、第２の層は３２オングストロ
ームの厚さを有した。過剰電流は小さく、屈曲部は消滅
しているが、ギャップの合計は第２のアルミニウム層が
省かれ、第２（＝関して述べたデバイスの場合より小さ
いことがわかる。

第２及び３図に電流−電圧特性を示した場合は、それぞ
れＲ８＝２．ｌＸ１０−５及び３．５Ｘ　１０−５　　
Ωｃｒｎ２を有する。ここで、Ｒ及びＳはそれぞれ接合
抵抗及び面積である。これらの抵抗はアルミニウムをそ
れぞれ６日及び７０分間酸化することにょ９得られた。

酸化時間の差は明らかに第２のアルミニウム層がある程
度酸化物層を保護することを示している。

当業者には本発明の精神及び視野を離れることすく、こ
こで具体的に述べたもの以外の実施例が考案されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のジョセフソン接合デバイ−スの断面図
、 第２図は本発明のＮｂ／１ｄｌ−酸化物／Ｎｂジョセフ
ソン接合デバイスの電流−電圧特性をプロットした図、 第３図は本発明のＮｂ／Ａｉ−酸化物−ＡＸ／Ｎｂジョ
セフソン接合デバイスの電流−電圧特性をプロットした
図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ベース電極　　　　　　　５ ニオブ対向電極　　　　　１３ 金属酸化物層　　　　　　９ 出願人：ウェスターン　エレクトリックカムパニー、イ
ンコーポレーテツド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　少くとも約７にの臨界温度を有する超伝導材料及
   びニオビウムのベース電極、対向電極、及びベース電極
   及び対向電極間の金属酸化物層からなる超伝導デバイス
   において、 金属酸化物層はベース電極を湿潤させる第１の金属から
   形成され、酸化されない任意の第１の金属は、約１００
   オングストローム以下の厚さを有することを特徴とする
   超伝導デバイス。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 該対向電極はニオブ、レニウム、タンタル、ジルコニウ
   ム、タングステン、鉛及びモリブデン４−ら成るグルー
   プから選択された少くとも１つの元素から成ることを更
   に特徴とする超伝導デバイス。 ３、特許請求の範囲第２項（二記載されたデバイス（二
   おいて、 該ベース電極はジルコニウム、タンタル及びアルミニウ
   ムから成るグループから選択された少くとも１つの元素
   から成ることを更に特徴とする超伝導デバイス。 ４、特許請求の範囲第３項に記載されたデバイス（二お
   いて、 該層を形成する該金属は、アルミニウム、イツトリウム
   、ジルコニウム及びスカンデイウムから成るグループか
   ら選択されることを更に特徴とする超伝導デバイス。 ５、特許請求の範囲第４項に記載された、デバイスにお
   いて、 該金属はアルミニウムであることを更に特徴とする超伝
   導デバイス。