WO2008010569A1

WO2008010569A1 - Jonction de josephson et dispositif de josephson

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Publication number: WO2008010569A1
Application number: PCT/JP2007/064321
Authority: WO
Inventors: Atsutaka Maeda; Espinosa Luis Beltran Gomez
Original assignee: Japan Science And Technology Agency
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US8200304B2; JP2008047852A; JP5152549B2; US20090233798A1

Description

明細書

ジョセフソン接合及びジョセフソンデバイス技術分野

[0001] 本発明は超伝導体、特に高温超伝導体を用いた新規なジョセフソン接合及びジョセフソンデバイスに関する。

背景分野

[0002] これまで、超伝導トンネル接合、すなわちジョセフソン接合として酸化膜 (I)の両側に超伝導体層（S)を挟み込んだ SIS型ジョセフソン接合を作製する場合、超伝導体層と絶縁バリア層と超伝導体層との 3層を順に積層するために最低でも 3回の成膜ェ程が必要であった (例えば、非特許文献 1参照）。超伝導トンネル接合の特性は、いわゆる I R積によって特徴づけられ、この値が大きいほど良好な接合となる。

c N

[0003] 単一磁束量子デバイス（Single Flux Quantum Device,以下、適宜に SFQ素子と称する。）は、ジョセフソン接合を用いた論理回路である（非特許文献 2参照）。この SF Q素子においては、磁束量子一本がジョセフソン接合を横切るときに発生するノルス状の電圧を利用して論理回路を構成する。この場合のスイッチング速度は、 I R積に c N 逆比例する。従って、 I R積が大きい程、高速で動作する。 I R積は、大凡、ジヨセフ c N c N

ソン接合に用いる超伝導体の臨界温度 (Tc)に比例して大きくなる。

[0004] 非特許文献 1： Gomez Espinoza Luis Beltran、博士号学位論文、米国、 Cincinnati大学、 2003年 5月 30曰提出

非特許文献 2 :萬伸一、「単一磁束量子デバイス」、固体物理、第 40巻、 No.10, p. 807、 2005年

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 高温超伝導体層を用いたジョセフソン接合によれば、その Tcが従来の Nbなどの超伝導体よりも大きいので、 I R積が大きくなることが予測されている。し力もながら、現 c N

状の高温超伝導体においては、 I R積が理論的に期待される値に対し 10%程度の c N

値をもつジョセフソン接合しか得られず、 I R積が高くできないという課題がある。

c N [0006] 特に、高温超伝導体におレ、ては、絶縁バリア層作製の制御性や再現性を高めることが非常に困難であるために、良質の超伝導 SIS型トンネル接合の作製ができていないという課題がある。

[0007] 本発明は上記課題に鑑み、超伝導体、特に高温超伝導体による SIS型ジヨセフソン接合において、良好な絶縁バリア層が得られないという技術的困難を克服するために、絶縁バリア層の形成を不要とする新規なジョセフソン接合及びジョセフソン接合デバイスを提供することを目的として!/、る。

課題を解決するための手段

[0008] 上記目的を達成するため、本発明のジョセフソン接合は、超伝導体層と超伝導体層の中央部上に積層される強磁性層とを備えることを特徴とする。

上記構成にお!/、て、強磁性層は導電性強磁性層又は絶縁性強磁性層の何れかからなっていてよい。

本発明のジヨセフソン接合は、超伝導体層と超伝導体層の中央部上に絶縁層を介して積層される導電性強磁性層とを備えることを特徴とする。

上記構成において、超伝導体層の中央部の幅は、好ましくは超伝導体層のコヒーレンス長と同程度である。

超伝導体層の中央部及び中央部の両側の超伝導体層の幅は、好ましくは超伝導体層のコヒーレンス長と同程度の細線からなる。

[0009] 上記構成によれば、超伝導体層の中央部上に被覆された強磁性層、又は、絶縁層を介して積層された導電性強磁性層は磁性体でなるので、超伝導を抑制する。特に高温超伝導体層に対しては、超伝導体（以下、適宜 Sとも呼ぶ）から絶縁体（以下、適宜 Iとも呼ぶ）への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となる。従って、本発明のジョセフソン接合は、所謂 SIS型又は SNS型（Super-Norma卜 Super)のジヨセフソン接合として動作する。

本発明のジョセフソン接合は、従来の SIS型又は SNS型ジョセフソン接合よりも構造が簡単である。このため、その製造に必要なプロセス数を従来の SIS型又は SNS 型ジョセフソン接合よりも減らすこと力 Sできる。

従って、本発明のジョセフソン接合は、高温超伝導体を用いた SIS型ジョセフソン接合で深刻な問題になってレ、た絶縁バリア層の作製とレ、うプロセスを使用しなレ、ので、電気特性の再現性及び制御性を飛躍的に改善することができる。これにより、高温超伝導体を用いたジョセフソン接合の I R積を大きくすることが可能になる。

c N

[0010] 本発明のジョセフソン接合を用いたジョセフソンデバイスは、超伝導体層と超伝導体層の中央部上に積層される強磁性層とを備えることを特徴とする。

上記構成にお!/、て、強磁性層は導電性強磁性層又は絶縁性強磁性層の何れかでなっていてよい。

本発明のジヨセフソン接合を用レ、たジョセフソンデバイスは、超伝導体層と超伝導体層の中央部上に絶縁層を介して積層される導電性強磁性層とを備えることを特徴とする。

[0011] 上記構成によれば、超伝導体層の中央部に、強磁性層又は絶縁層を介して積層される導電性強磁性層により障壁が形成され、 SIS型ジョセフソン接合を用いたジョセフソンデバイスが得られる。このジョセフソン接合は構造が簡単で、従来のトンネル酸化膜を必要としない。このため、高温超伝導体層を用いた場合には、ジョセフソン接合の I R積を大きくすることができるので、ジョセフソン接合が高速で動作する。本発 c N

明のジョセフソンデバイスは、構造が簡単であることから集積化が容易であり、ジョセフソン接合を用いた各種のジョセフソンデバイスの性能を向上させることができる。発明の効果

[0012] 本発明によれば、強磁性層からなるバリア層を用いた、新規な SIS型ジョセフソン接合及びジョセフソンデバイスを提供することができる。このジョセフソン接合によれば、特に Tcの大きい高温超伝導体層による SIS型ジョセフソン接合において大きな I R

c N 積を得ることが可能である。このジョセフソン接合を用いたジョセフソンデバイスによれば、各ジョセフソン接合の I R積が大きいので、高速の論理回路を実現することがで c N

きる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]第 1の実施形態に係るジョセフソン接合を模式的に示し、（A)が平面図、（B)が

(A)の X— X方向に沿う断面図、（C)が (A)の Y—Y方向に沿う断面図を示す図であ園 2]第 2の実施形態に係るジョセフソン接合を模式的に示し、（A)が斜視図、（B)が

(A)の X— X方向に沿う断面図、（C)が (A)の Y—Y方向に沿う断面図である。

園 3]第 2の実施形態に係るジョセフソン接合の変形例を模式的に示す斜視図である

〇

園 4]第 3の実施形態に係るジョセフソン接合を模式的に示し、（A)が平面図、（B)が (A)の X— X方向に沿う断面図、（C)が (A)の Y—Y方向に沿う断面図を示す図であ園 5] (A)〜（C)は、第 1の実施形態に係るジョセフソン接合の製造工程を示す図である。

園 6] (A)〜（D)は、第 3の実施形態に係るジョセフソン接合の製造工程を示す図である。

園 7]本発明のジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子（SQUID)の構造を模式的に示すもので、（A)は斜視図、（B)は (A)の X— X方向に沿う断面図である。園 8]本発明のジョセフソン接合を用いた別の超伝導量子干渉素子の構造を模式的に示し、（A)は斜視図、（B)は (A)の X— X方向に沿う断面図である。

園 9]本発明のジョセフソン接合を用いた単一磁束量子デバイスの構造を模式的に示し、（A)は部分斜視図、（B)は (A)の X— X方向に沿う断面図である。

園 10]ジョセフソン接合を用いたアレイの構造の一例を模式的に示す平面図である。園 11]ジョセフソン接合を用いたアレイの構造の他の例を模式的に示す平面図であ園 12]ジョセフソン接合を用いたアレイの構造の他の例を模式的に示す平面図であ園 13]ジョセフソン接合を用いたアレイの構造のさらに他の例を模式的に示す平面図である。

園 14]実施例のジョセフソン接合を製作する際の製作工程を模式的に示す断面図である。

園 15]パルスレーザアブレーシヨン法に用いた装置を示す模式図である。

[図 16]実施例においてパルスレーザアブレーシヨン法で堆積した La Sr CuO膜の X線回折パターンを示す図であり、（A)が Srの組成 Xが 0.15の場合を、（B)が Srの組成が 0.2の場合を示している。

[図 17]実施例において、パルスレーザアブレーシヨン法で堆積した La Sr CuO (x

2- x x 4

=0. 15及び 0.2)膜の抵抗率の温度依存性を調べた結果を示す図である。

[図 18] (A)は実施例のジョセフソン接合を観察した走査電子顕微鏡像を示す図であり、（B)は (A)の説明図である。

[図 19]実施例のジョセフソン接合における電気抵抗の温度依存性を測定した結果を示す図である。

[図 20]実施例のジョセフソン接合に流れる電流の温度依存性を測定した結果を示す図である。

[図 21]実施例のジョセフソン接合において、 10GHzのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。

符号の説明

1, 8, 8A, 10:ジョセフソン接合

2, 33, 41, 46:超伝導体層（高温超伝導体層）

2A, 2B:電極

2C, 42, 47:狭窄部

3, 34, 43, 53, 57:絶縁性強磁性層

6:基板

12, 64:導電性強磁性層

14:絶縁層

20：超伝導量子干渉素子（RF -SQUID)

20A, 20B:電流端子

25：超伝導量子干渉素子（DC -SQUID)

25 A, 25B:電流端子

30：単一磁束量子デバイス

31:接地体層

32:絶縁層 33 A, 33B:端部

40, 45, 50, 55:ジョセフソン接合を用いたアレイ

61：電子ビーム露光用レジスト

62:電子ビーム露光

63:レジストパターン

65:エッチングパターン

70：パルスレーザアブレーシヨン装置

71:真空容器

71 A：窓部

72:ターゲット

73:基板

74:基板保持部

75:真空計

76:排気部

77:酸素ガス導入部

78:パノレスレーザ

79:レンズ

81:ターゲット回転部

発明を実施するための最良の形態

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図にお V、て同一又は対応する部材には同一符号を用いる。

最初に、本発明による第 1の実施形態に係るジョセフソン接合について説明する。図 1は、本発明による第 1の実施形態に係るジョセフソン接合 1を模式的に示し、 (A) は平面図、（B)は (A)の X— X方向に沿う断面図、（C)は (A)の Y— Y方向に沿う断面図である。

図 1(A)に示すように、第 1の実施形態に係るジョセフソン接合 1は、基板 6上に形成された超伝導体からなる薄層（以下、超伝導体層と呼ぶ） 2における狭窄部 2Cに、絶縁性の強磁性層 3 (以下、絶縁性強磁性層と呼ぶ）が被覆された構造を有してレヽる〇

ここで、超伝導体層 2を構成する超伝導体として、ニオブ、窒化ニオブ、アルミユウム、鉛や銅酸化物超伝導体などの高温超伝導体などからなる材料を使用することができ、超伝導体であればその種類を問わない。銅酸化物超伝導体としては、 La, Sr , Cu及び Οからなる化合物（LSCO)、 Y, Ba, Cu及び Οからなる化合物（YBCO)、 Bi, Sr, Ca, Cu及び Oからなる化合物（BSCCO)などが挙げられる。特に、 Tcの大きい高温超伝導体層を用いれば、ジョセフソン接合の I R積を大きくすることができる

c N

。以下の説明においては、超伝導体層 2は高温超伝導体層として説明する。

[0016] ジョセフソン接合 1では、絶縁性強磁性層 3で被覆される高温超伝導層 2Cの幅 W がその両側の電極となる高温超伝導体層 2A, 2Bの幅 Wよりも狭い狭窄構造、所謂

1

、ブリッジ構造を採用している。

[0017] 狭窄層 2Cの幅 Wは 5 m程度以下であればよいが、高温超伝導体層 2のコヒーレンス長と同程度、例えば 30nmから 50nm程度としてもよい。図では、高温超伝導体層 2における中央部のみを狭窄部 2Cとする狭窄構造の場合を示している力高温超伝導層 2における中央部のみならず両側の電極 2A, 2Bの幅 Wも狭くすることで細

1

線構造としてもよい。例えば高温超伝導体層 2全体の幅を Wとしてもよい。高温超伝導体層 2Cの幅 Wは、電流分布が一様となるように設定される必要がある。これは、電流分布が一様でない場合には、ジョセフソン磁束が生じてしまい、動作に支障をきたすからである。そのため、高温超伝導体層 2における中央部（狭窄部 2C)の幅 W はジョセフソン侵入長程度以下とレ、う条件でなければならな!/、。ジョセフソン侵入長は臨界電流に反比例するので、温度を変化させることによってジョセフソン接合がこの条件を満たすようにすればよ!/、。

[0018] 高温超伝導体層 2における厚さ tの唯一の制約は、超伝導特性が発現するための必要最小限の値以上になっていることである。その具体的値は、超伝導体の材料として何を用いるかに依存する。例えば、後述する実施例の銅酸化物超伝導体の場合、過去の文献では、数 nmで比較的良好な超伝導特性が発現している例がある。

[0019] 図 1 (B)及び (C)に示すように、ジョセフソン接合 1の狭窄構造部 1Aは、高温超伝導体層 2の狭窄部 2Cが絶縁性強磁性層 3で被覆されて構成されて!/、る。絶縁性強磁性層 3の X方向の幅 Lは、高温超伝導体層 2における狭窄部 2Cを覆う長さであればよい。例えば、絶縁性強磁性層 3の幅 Lは、理論的には、超伝導体のコヒーレンス長程度でないとジョセフソン効果は起こらないが、未解明の機構などによりそれより長距離でジョセフソン効果が生起する可能性もある。この場合には、寸法上の制約はなくなる。絶縁性強磁性層 3の幅 Lは、具体的には 30nmから lOOOnm程度の範囲であればよい。絶縁性強磁性層 3の積層方向の厚さ tは、下部にある高温超伝導体層 2 の超伝導特性を抑制してジョセフソン特性が出現しさえすればよいので、厚くする分には特に寸法上の制約はない。例えば、 lOnm以上（t^ lOnm)とすればよい。厚さ tが大凡 10nm未満では、後述する高温超伝導体層における狭窄部 2Cへのバリア作用が果たせなくなるので好ましくない。

[0020] 上記の構造を有する本発明のジョセフソン接合 1によれば、高温超伝導体層 2の狭窄部（中央部） 2Cの上に被覆された絶縁性強磁性層 3が磁性体であるので、高温超伝導体層 2の狭窄部（中央部） 2Cの超伝導を抑制する作用を発揮する。特に高温超伝導体層 2の狭窄部（中央部） 2Cに対して超伝導体（S)から絶縁体 (I)への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となる。従って、本発明のジョセフソン接合 1 は、所謂、 SIS型のジョセフソン接合として動作する。絶縁性強磁性層 3の寸法、厚み、下部の高温超伝導体層 2Cの大きさなどを適宜に設定することで、ジョセフソン接合 1における結合の強さを自由自在に制御することが可能である。このジョセフソン接合 1は、後述するように、半導体集積回路と同様の加工プロセスが適用できるため、大規模な超伝導集積回路を形成するのに適している。

[0021] 図 1においては、高温超伝導体層 2の狭窄部 2Cを絶縁性強磁性層 3で被覆する構造を示したが、高温超伝導体層 2の狭窄部 2Cを絶縁性強磁性層 3の上に形成することで、 SIS型のジョセフソン接合 1を構成してもよい。

[0022] 次に、第 2の実施形態に係るジョセフソン接合 8について説明する。

図 2は第 2の実施形態に係るジョセフソン接合 8を模式的に示し、（A)は斜視図、（ B)は (A)の X— X方向に沿う断面図、（C)は (A)の Y— Y方向に沿う断面図である。図 2に示すように、ジョセフソン接合 8が、図 1に示したジョセフソン接合 1との相違点は、超伝導体層 2の幅を Wとし、絶縁性強磁性層 3を厚さ力 ¾の導電性強磁性層 12 とした点である。その他はジョセフソン接合 1と同様であるので説明は省略する。

[0023] 第 2の実施形態に係るジョセフソン接合 8では、高温超伝導体層 2の上に被覆された導電性強磁性層 12が、高温超伝導体層を抑制するように作用する。特に、高温超伝導体層 2に対しては、超伝導体から絶縁体への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となる力強磁性層 12は導電性を有しているので、 SIS型ではなく SN S型として作用する。従って、第 2の実施形態に係るジョセフソン接合 8は、第 1の実施形態のジョセフソン接合 1とは異なり、 SNS型のジョセフソン接合として動作する。

[0024] 図 3は第 2の実施形態に係るジョセフソン接合の変形例を模式的に示す斜視図である。図 3に示すように、ジョセフソン接合 8Aが、図 2に示したジョセフソン接合 8と相違する点は、厚さ tの導電性強磁性層 12の幅 Wが高温超伝導体層 2の幅 Wに等しい点である。その他はジョセフソン接合 8と同様であるので説明は省略する。このジョセフソン接合 8Aも第 2の実施形態のジョセフソン接合 8と同様に SNS型のジヨセフソン接合として動作する。ここで、導電性強磁性層 12の幅 Wはその磁場が高温超伝導体層 2に作用する限り、高温超伝導体層 2の幅 Wよりも狭くしてもよい。

[0025] 次に、第 3の実施形態に係るジョセフソン接合 10について説明する。

図 4は第 3の実施形態に係るジョセフソン接合 10を模式的に示し、（A)は平面図、（ B)は (A)の X— X方向に沿う断面図、（C)は (A)の Y— Y方向に沿う断面図である。図 4に示すように、ジョセフソン接合 10が、図 1に示したジョセフソン接合 1と相違する点は、高温超伝導体層 2の狭窄層 2Cを被覆する強磁性層が導電性強磁性層 12である点と、この導電性強磁性層 12と高温超伝導体層 2との間に絶縁層 14を揷入した点にある。他の構成はジョセフソン接合 1と同じであるので説明は省略する。

[0026] 絶縁層 14は、導電性強磁性層 12と高温超伝導体層 2の狭窄層 2Cとを絶縁するために挿入した層である。この絶縁層 14は、トンネル層となる絶縁層ではなぐ単に絶縁機能を果たせば何でもよい。絶縁層 14の厚さは、例えば lOnmとすることができる。このような絶縁膜として、 Si N膜や SiO膜を用いること力 Sできる。

[0027] 図 4では、高温超伝導体層 2の狭窄部 2Cを、絶縁層 14を介して導電性強磁性層 1 2で被覆する構造を示したが、高温超伝導体層 2を導電性強磁性層 12及び絶縁層 1 4を積層した表面に形成することで、 SIS型のジョセフソン接合 10を構成してもよい。 [0028] 第 3の実施形態に係るジョセフソン接合 10では、高温超伝導体層 2の狭窄部 2Cの上に被覆された導電性強磁性層 12が高温超伝導体層 2Cを抑制する。特に、高温超伝導体層に対しては、超伝導体から絶縁体への転移を引き起こすので、バリア作用、即ち障壁となる。従って、本発明のジョセフソン接合も、第 1の実施形態のジョセフソン接合と同様に SIS型のジョセフソン接合として動作する。

[0029] ここで、図 5を参照して本発明のジョセフソン接合 1 , 8, 8Aの製造方法について説明する。図 5 (A)〜（C)は、第 1の実施形態に係るジョセフソン接合の製造工程を示し、図 1 (A)の X— X方向に沿う断面図に対応させて示している。

最初に、図 5 (A)に示すように、基板 6上に高温超伝導体層 2を成膜する。基板 6と高温超伝導体層 2との間には、図示を省略するが、必要に応じてバッファ層を揷入してもよい。基板としては、酸化マグネシウム（MgO)、サファイア (Al O )、 Laと A1と酸素とからなる LaAlO基板、 Srと A1と酸素とからなる SrAlO基板等を用いることができる。

次に、図 5 (B)に示すように、マスクなどを用いたリソグラフイエ程及びエッチングェ程により高温超伝導体層 2にジョセフソン接合の所定のパターンを形成する。

図 5 (C)に示すように、高温超伝導体層 2上に、絶縁性強磁性層 3を成膜する。次に、マスクなどを用いたリソグラフイエ程及びエッチング工程により絶縁性強磁性層 3 を所定のパターンとすることで、ジョセフソン接合 1を製造することができる。絶縁性強磁性層 3の材料としては、 Fe O等の各種のフェライトを用いることができる。

ここで、上記の絶縁性強磁性層 3を導電性強磁性層 12にすれば、ジョセフソン接合 8, 8Aを製造すること力 Sできる。導電性強磁性層 12の材料としては、鉄 (Fe) ,ニッケル（Ni) ,マンガン（Mn) ,クロム（Cr)などを用いることができる。

[0030] 従来の SIS型のジョセフソン接合の場合には、超伝導体層、トンネル層となる酸化膜層、超伝導体層、の最低 3層の成膜工程が必要であつたのに対して、本発明のジヨセフソン接合 1 , 8, 8Aの製造方法によれば、高温超伝導体層 2及び絶縁性強磁性層 3の 2層を形成することで製造することができる。このため、トンネル層となる酸化膜層の形成が不要となり、工程数を減らすこと力 Sできる。特に、従来の銅酸化物による高温超伝導体絶縁障壁層を積層する時にせっかく形成された清浄表面が必ず破壊されてしまっていた力 S、そのような損傷を生じさせないで、ジョセフソン接合 1 , 8, 8A を製造すること力できる。このように、本発明によるジョセフソン接合 1の製造方法の特徴は、従来のトンネル層となる酸化物層の成膜工程を必要としないことである。

本発明の方法によりジョセフソン接合 1 , 8, 8Aを製造すれば、ジョセフソン接合 1 , 8, 8Aの電気特性の制御性や再現性を飛躍的に向上させることができる。

[0031] 次に、本発明による第 3の実施形態に係るジョセフソン接合 10の製造方法について説明する。

図 6 (A)〜（D)は、本発明による第 3の実施形態に係るジョセフソン接合 10の製造工程を示すもので、図 4 (A)の X— X方向に沿う断面図に対応させて示している。本発明による第 3の実施形態に係るジョセフソン接合 10を製造する場合には、上記したジョセフソン接合 1の製造方法と同様に、高温超伝導体層 2のパターンを形成した後に（図 6 (A)及び (B)参照）、さらに、図 6 (C)に示すように、所定の形状の絶縁層 14を形成する工程を追加する。次に、図 6 (D)に示すように、絶縁層 14上に、絶縁性強磁性層 3の代わりに導電性強磁性層 12を所定の形状となるよう形成すればよい。導電性強磁性層 12としては、鉄（Fe) ,ニッケル（Ni) ,マンガン（Mn) ,クロム（C r)などの材料を用いることができる。

[0032] 本発明のジョセフソン接合 10の製造方法によれば、絶縁層 14はトンネル層ではなぐ導電性強磁性層 12と高温超伝導体層 2とを絶縁するだけの働きであるので、絶縁層 14の形成時に高温超伝導体層 2に損傷を与えることが無い。これにより、本発明のジョセフソン接合 10の製造方法によれば、ジョセフソン接合 10の電気特性の制御性や再現性を飛躍的に向上させることができる。

[0033] 上記の高温超伝導体層 2、絶縁性強磁性層 3、導電性強磁性層 12、絶縁層 14の成膜には、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーシヨン法、 CVD法、 MBE法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状のパターン形成には、光露光、電子ビーム露光を用いるマスク工程やドライエッチング工程などを用いることができる。

[0034] 本発明のジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10を用いたジョセフソンデバイスについて説明する。なお、ジョセフソン接合は図 1に示す構造として説明する。図 7は、本発明のジョセフソン接合 1を用いた超伝導量子干渉素子（以下、適宜 SQ UIDと呼ぶ）の構造を模式的に示すもので、（A)は斜視図、（B)は (A)の X— X方向に沿う断面図である。図 7に示すように、超伝導量子干渉素子 20は、超伝導体層 2からなる四角形リングの一辺の中央部に絶縁性強磁性層 3が被覆されて、ジョセフソン接合 1が形成されており、所謂 RF— SQUIDとなる。四角形リングにおいて、 X— X方向に直交する Y— Y方向の両辺の中央部には、電流端子 20A, 20Bが設けられている。電流端子 20A, 20Bに電流を流すと、ある閾値を越えたときに超伝導量子干渉素子 20にはゼロではない電圧が発生する力 S、この閾値を臨界電流と称する。臨界電流が磁束の関数となることを利用すると、臨界電流の測定により磁束を高感度で検出すること力 Sできる。図 7においては、ジョセフソン接合 1を用いた力絶縁性強磁性層 3 の代わりに超伝導体層 2上に絶縁層 14及び導電性強磁性層 12を被覆したジヨセフソン接合 10や超伝導体層 2上に導電性強磁性層 12を被覆したジョセフソン接合 8 , 8Aとしてあよい。

[0035] 図 8は、本発明のジョセフソン接合 1を用いた別の超伝導量子干渉素子の構造を模式的に示し、（A)は斜視図、（B)は (A)の X— X方向に沿う断面図である。

図 8に示すように、超伝導量子干渉素子 25には、超伝導体層 2からなる四角形リングの X— X方向の対向する二辺の中央部に絶縁性強磁性層 3が被覆されて、ジョセフソン接合 1が 2個形成されており、所謂、 DC— SQUIDとなる。四角形リングにおいて、 X— X方向に直交する Y— Y方向の両辺の中央部には、電流端子 25A, 25Bカ設けられている。図 8においては、ジョセフソン接合 1を用いたがジョセフソン接合 8, 8A, 10としてもよい。 DC— SQUIDにおいても臨界電流の測定により磁束を高感度で検出すること力できる。

[0036] 本発明のジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10を用いた単一磁束量子デバイスについて説明する。

図 9は、本発明のジョセフソン接合 1を用いた単一磁束量子デバイスの構造を模式的に示し、（A)は部分斜視図、（B)は (A)の X— X方向に沿う断面図である。図 9に示すように、単一磁束量子デバイス 30においては、接地体となる層 31及びこの接地体層の表面上に形成される絶縁層 32上に、超伝導体層 33からなる四角形リングが形成され、この一辺の中央部に絶縁性強磁性層 34が被覆されてジョセフソン接合 1 が形成され、図 7で示す RF— SQUIDが構成されている。超伝導体層 33の図示する一端部 33Aは接地体層 31と接続されている。他端部 33Bは、図示しない他の RF— SQUIDと超伝導体層からなる配線層で連結接続されている。

[0037] このように、単一磁束量子デバイス 30においては、多数の RF— SQUIDが集積されて、単一磁束量子デバイス 30による集積回路、即ち SFQ回路を構成することができる。 RF— SQUIDにおいては、量子化された磁束が 1個のときと 0のときとを、それぞれ、情報の 1と 0に対応させて論理演算を行なう。図 9に示す単一磁束量子デバィス 30の RF— SQUIDにおいては、ジョセフソン接合 1を用いた力絶縁性強磁性層 3 の代わりに超伝導体層 2上に絶縁層 14及び導電性強磁性層 12を被覆したジヨセフソン接合 10や超伝導体層 2上に導電性強磁性層 12を被覆したジョセフソン接合 8 , 8Aとしてもよい。単一磁束量子デバイス 30は、 RF— SQUIDの代わりにジョセフソン接合 1を 2個用いた DC— SQUIDとしてもよ!/、。

[0038] 本発明のジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10を用いた単一磁束量子デバイスによれば、集積回路の作製も可能になり、半導体 CMOSデバイスのパフォーマンスを上回る、超高速で超省電力の集積回路を実現することができる。

[0039] 本発明のジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10を用いたアレイについて説明する。図 10 〜； 13はジョセフソン接合 1を用いたアレイの構造を模式的に示す平面図である。図 1 0に示すように、ジョセフソン接合 1を用いたアレイ 40においては、超伝導体層が多角形からなる領域 41及び狭窄部 42が連結し、 X—Y方向に格子状に配列されている。格子の交点となる狭窄部 42が絶縁性強磁性層 43で被覆され、ジョセフソン接合 1を形成している。したがって、格子の各交点に、多数のジョセフソン接合 1が配置されてアレイを構成している。

[0040] 図 11に示すジョセフソン接合 1を用いたアレイ 45の場合には、線状の超伝導体層 4 6が X方向に列状に配置され、線状の超伝導体層 46を連結する超伝導体層の狭窄部 47が Y方向に所定の間隔で配置され、 X—Y方向に格子状に配列されている。格子の交点となる狭窄部 47が絶縁性強磁性層 43で被覆され、ジョセフソン接合 1を形成している。したがって、格子の各交点に、多数のジョセフソン接合 1が配置されてァレイを構成している。

[0041] 図 12及び図 13に示すジョセフソン接合 1を用いたアレイ 50, 55では、超伝導体層の構造は図 11のアレイ 45と同様であり、狭窄部 47が線状の絶縁性強磁性層 53で被覆されている点が異なる。図 12のアレイでは、絶縁性強磁性層 53の幅 Wを狭窄

1 部 47よりも狭くしている。図 13のアレイでは、絶縁性強磁性層 57の幅 Wを狭窄部 4 7よりあ広くして!/ヽる。

上記アレイ 40, 45, 50, 55においてはジョセフソン接合 1を用いた力 S、絶縁性強磁性層 43, 53, 57の代わりに超伝導体層 41 , 46上に絶縁層 14及び導電性強磁性層 12を被覆したジョセフソン接合 10や超伝導体層 2上に導電性強磁性層 12を被覆したジョセフソン接合 8, 8Aとしてもよい。

[0042] 本発明のジョセフソン接合 1を用いたアレイ 40, 45, 50, 55によれば、ミリ波力、ら遠赤外までの広ダイナミックレンジのフオトンジェネレータ及びディテクタとして利用すること力 Sでさる。

[0043] なお、本発明において、ジョセフソンデバイスには、ジョセフソン接合単体によるミリ波から遠赤外までの広ダイナミックレンジのフオトンジェネレータ及びディテクタ、ジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子、ジョセフソン接合を用いた SFQ回路などの各種集積回路などを含んでレ、る。

[0044] 上記製造方法で述べたように、本発明のジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10はその構造が簡単で製造も容易である。従って、ジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10を複数用いるアレイや集積回路を歩留まりよく製造することができる。製造方法が簡単であるので、アレイや集積回路を構成する各ジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10の電気特性のばらつきを無くすこと力できる。このため、各ジョセフソン接合 1 , 8, 8A, 10の I R積を揃え c N て製造すること力できる。

実施例

[0045] 以下、本発明によるジョセフソン接合の実施例について詳細に説明する。

図 14 (A)〜（K)は、実施例のジョセフソン接合 8を製作する際の製作工程を模式的に示す断面図である。

図 14 (A)に示すように、 LaSrAlO (LSAO)基板 6上に、後述するパルスレーザを用いたアブレーシヨン法（PLD法）によって膜厚が約 40〜80nmの La Sr CuO力、

2- x x 4 らなる超伝導体層 2を堆積し、図 14 (B)に示すように La Sr CuO超伝導体層 2上

2 4

にポジ型の電子ビーム露光用レジスト 61 (Shipley社製、型番 1813)を塗布し、図 1 4 (C)に示すように電子ビーム露光 62を行ない、現像を行なうことによって強磁性層 1 2が配置されるべき領域が開口されたレジストパターン 63を形成した（図 14 (D)参照 )。

[0046] 図 14 (E)に示すようにレジストパターン 63を形成した基板 6の表面全面に強磁性層 12となる鉄を、厚さが 50〜150nmとなるように抵抗加熱による蒸着法 (真空度は約 4 X 10— ⁶Torr)により堆積し、レジストパターン 63をエッチングで除去する、所謂リフトオフ工程により余分な強磁性層が除去されて強磁性層 12のパターンが超伝導体層 2上に形成される（図 14 (F)参照）。

[0047] 以下の工程は余分な超伝導体層 2をエッチングにより除去する工程である。

図 14 (G)に示すように電子ビーム露光用レジスト 61が塗布され、図 14 (H)に示すように電子ビーム露光用レジスト 61が露光され、図 14 (I)に示すように電子ビーム露光用レジストが現像されて超伝導体層 2をエッチングするパターン 65が形成される。次に、図 14 (J)に示すようにエッチングパターン 65をマスクとして余分な超伝導体層 2がエッチングされ、最後にエッチングパターン 65を除去して実施例のジョセフソン接合を製作した。なお、上記ジョセフソン接合 8の作製で用いたパターンには、ジヨセフソン接合 8の電気抵抗特性評価のための四端子法パターン等も含んでいる。

[0048] 図 15はパルスレーザアブレーシヨン法に用いた装置を示す模式図である。図 15に示すように、ノルスレーザアブレーシヨン装置 70は、真空容器 71と、真空容器 71内部に配置される超伝導体材料を含むターゲット 72及び基板 73を保持する基板保持部 74と、真空計 75と、真空容器 71の排気部 76と、真空容器 71への酸素ガス導入部 77と、真空容器 71の外部に配置されるノルスレーザ 78と、を主要部として備えている。パルスレーザ 78からの光は、レンズ 79を介して真空容器 71に設けられた石英ガラスなどからなる窓部 71Aからターゲット 72に照射される。ターゲット 72を回転させるターゲット回転部 81をさらに備えていてもよい。

[0049] ノ^レスレーザアブレーシヨン装置 70は、基板保持部 74に基板 73が載置され、所定の真空度に到達した後に、ノレスレーザ 78がターゲット 72に照射されると共に、超伝導体層の原料となる酸素ガスも供給される。ノルスレーザ 78の加熱によりターゲット 72から蒸発した材料及び酸素により基板 73上に超伝導体層が堆積する。ノルスレ一ザ 78としては、波長が 248nmの KrFエキシマレーザを用いた。

[0050] 上記のパルスレーザアブレーシヨン装置 70で、 La Sr CuOの組成 xの異なる膜

2- 4

を得た。 Xが 0. 15及び 0. 2の超伝導体層の結晶特性及び超伝導特性について説明する。

図 16は、実施例においてパルスレーザアブレーシヨン法で堆積した La Sr CuO

2- x x 4 膜の X線回折パターンを示す図であり、（A)は Srの組成 Xが 0. 15の場合を、（B)は Srの組成が 0. 2の場合を示している。図 16の縦軸は回折 X線強度（任意目盛り）を示し、横軸は角度 2 Θ (° )、すなわち X線の原子面への入射角 Θの 2倍に相当する角度である。

図 16力、ら明ら力、なように、作製した La Sr CuO (x = 0. 15及び 0· 2)、つまり、 La

2- x x 4

Sr CuO (図 16 (A)参照）及び La Sr CuO (図 16 (B)参照）においては、何

1.85 0.15 4 1.8 0.2 4

れも回折 X線強度の鋭!/、ピークが観測され、結晶性の良好な超伝導体の相が得られていることが分かった。

[0051] 図 17は、実施例において、パルスレーザアブレーシヨン法で堆積した La Sr CuO

2- x x

(x = 0. 15及び 0. 2)膜の抵抗率の温度依存性を調べた結果を示す図である。図 1

4

7の縦軸は抵抗率 (πι Ω 'cm)であり、横軸は絶対温度（K)である。

図 17から明らかなように、組成 Xが 0. 15の La Sr CuO力、らなる超伝導体層の

1.85 0.15 4

臨界温度は約 30Kであり、組成 Xが 0. 2の La Sr CuO力なる超伝導体層の臨

1.8 0.2 4

界温度は約 25Kであることが分かった。

[0052] (比較例）

実施例に対する比較例として、強磁性層を設けないものを製作し、これ以外は実施例と同様にして製作した。この比較例は、超伝導体層の細線から構成されている。

[0053] 図 18は、（A)が実施例のジョセフソン接合を観察した走査電子顕微鏡像を示す図であり、（B)が（A)の説明図である。電子線の加速電圧は 15kVであり、倍率は 2万 3 千倍である。図 18から明らかように、超伝導体層 2の幅が 2 であり、超伝導体層 2 上に形成された導電性強磁性層 12の幅が 400nm (0. 4 m)であることが分かる。実施例で作製したジョセフソン接合 8の電気的特性につ!/、て説明する。製作したジヨセフソン接合 8の電気抵抗特性は、直流四端子法を用いて測定した。以下の測定

図 19は、実施例のジョセフソン接合 8における電気抵抗の温度依存性を測定した結果を示す図である。図 19の縦軸は抵抗（Ω )、横軸は絶対温度 (K)であり、比較例も併せて示している。超伝導体層 2は、 La Sr CuOを用いた。

1.85 0.15 4

図 19から明らかなように、比較例の超伝導体層が 29. 7Kで零となるのに対して、実施例のジョセフソン接合 8の電気抵抗は 27. 7Kで零となり、超伝導が生じる温度、すなわち、臨界温度が低下したことが分力、つた。これは、実施例のジョセフソン接合 8 が導電性強磁性層 12を備えていることにより、導電性強磁性層 12の下部にある超伝導体層 2の臨界温度が低下することに起因している。

[0055] 図 20は、実施例のジョセフソン接合 8に流れる電流の温度依存性を測定した結果を示す図である。図 20の縦軸は電流 A)、横軸は絶対温度（K)である。図 20から明らかなように、実施例のジョセフソン接合 8に流れる臨界電流は、温度の低下と共に直線的に増加し、低温では一定値に漸近するというジョセフソン接合特有の性質を示していることが分力、つた。

[0056] 実施例のジョセフソン接合 8が真のジョセフソン接合であることをさらに明確に検証するために、外部からマイクロ波を照射してその直流の電圧電流特性を測定した。マイク口波は同軸ケーブルを用いて、液体ヘリウムクライオスタツト内のジョセフソン接合の極近傍まで導入して照射した。照射電力は lmW(OdBm)であり、測定温度は 8. 7Kである。

図 21は、実施例のジョセフソン接合 8において 10GHzのマイクロ波を照射したときの電流電圧特性及び微分抵抗を測定した結果を示す図である。図 21の横軸はジョセフソン接合への印加電圧 (V)であり、右縦軸が電流 (A)を、左縦軸が微分抵抗（d V/dI、任意目盛り）を示している。図 21から明らかなように、実施例のジョセフソン接合 8に流れる電流は、その微分抵抗においてなだらかなキンクが 20〃 Vおきに観察された。 [0057] ジョセフソン接合が示す干渉効果であるシャツピーロ'ステップは、下記式（1)で表わされる。

V=hf/ (2e) = f (1)

ここで、 Vはシャツピーロ.ステップの間隔電圧（V)、 hはプランク定数（6. 626 X 1CT 3⁴J' s)、 eは電子の単位電荷（1. 602 X 10— ¹⁹C)、 Φ ( = h/ (2e) )は磁束量子である。 10GHzのマイクロ波を照射したときのシャツピーロ'ステップの間隔は、式（1)から 2 0 Vと計算される。したがって、実施例で観察されたキンクのステップ間隔は式（1) を満足し、ジョセフソン接合 8の干渉効果によるシャツピーロ'ステップが観察されていることが判明した。

[0058] 上記実施例において、超伝導体層 2の一部に強磁性層を配置するという所謂ブリツジ構造のジョセフソン接合が簡単な製造工程で実現できることが分力、つた。

[0059] 本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなぐ発明の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、強磁性層 3, 12や超伝導体層 2の寸法は所望の I R積 c N が得られるよう適宜設計することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims

請求の範囲

[1] 超超伝伝導導体体層層とと該該超超伝伝導導体体層層のの中中央央部部上上にに積積層層さされれるる強強磁磁性性層層ととをを備備ええるるここととをを特特徴徴ととすするる、、ジジョョセセフフソソンン接接合合。。

[2] 前前記記強強磁磁性性層層がが、、導導電電性性強強磁磁性性層層又又はは絶絶縁縁性性強強磁磁性性層層のの何何れれ力力、、かかららななるるここととをを特特徴徴ととすするる、、請請求求のの範範囲囲 11にに記記載載ののジジョョセセフフソソンン接接合合。。

[3] 超超伝伝導導体体層層とと該該超超伝伝導導体体層層のの中中央央部部上上にに絶絶縁縁層層をを介介ししてて積積層層さされれるる導導電電性性強強磁磁性性層層ととをを備備ええるるここととをを特特徴徴ととすするる、、ジジョョセセフフソソンン接接合合。。

[4] 前前記記超超伝伝導導体体層層のの中中央央部部のの幅幅がが、、上上記記超超伝伝導導体体層層ののココヒヒーーレレンンスス長長とと同同程程度度ででああるるここととをを特特徴徴ととすするる、、請請求求のの範範囲囲 11又又はは 33にに記記載載ののジジョョセセフフソソンン接接合合。。

[5] 前前記記超超伝伝導導体体層層のの中中央央部部及及びび該該中中央央部部のの両両側側のの超超伝伝導導体体層層のの幅幅がが、、上上記記超超伝伝導導体体層層ののココヒヒーーレレンンスス長長とと同同程程度度ででああるるここととをを特特徴徴ととすするる、、請請求求のの範範囲囲 11又又はは 22にに記記載載ののジジョョセセフフソソンン接接合合。。

[6] ジジョョセセフフソソンン接接合合をを用用いいたたジジョョセセフフソソンンデデババイイススででああっってて、、超超伝伝導導体体層層とと該該超超伝伝導導体体層層のの中中央央部部上上にに積積層層さされれるる強強磁磁性性層層ととをを備備ええるるここととをを特特徴徴ととすするる、、ジジョョセセフフソソンンデデババイイスス。。

[7] 前前記記強強磁磁性性層層がが、、導導電電性性強強磁磁性性層層又又はは絶絶縁縁性性強強磁磁性性層層のの何何れれ力力、、かかららななるるここととをを特特徴徴ととすするる、、請請求求のの範範囲囲 66にに記記載載ののジジョョセセフフソソンンデデババイイスス。。

[8] ジジョョセセフフソソンン接接合合をを用用いいたたジジョョセセフフソソンンデデババイイススででああっってて、、超超伝伝導導体体層層とと該該超超伝伝導導体体層層のの中中央央部部上上にに絶絶縁縁層層をを介介ししてて積積層層さされれるる導導電電性性強強磁磁性性層層ととをを備備ええるるここととをを特特徴徴とと *