JP3149996B2 - ジョセフソン結合の作製法 - Google Patents

ジョセフソン結合の作製法

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克己 鈴木
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昭二 田中
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、液体窒素温度以下で動
作するジョセフソン接合作製法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超電導体の電子デバイスへの応用を図る
上でIcRn積の大きなジョセフソン接合を作製する技
術は重要である。高臨界温度(Tc)の酸化物超電導体
は、いずれも層状の結晶構造を持ち、また、コヒーレン
ス長が短いことから積層型のジョセフソン接合を製作す
るには高度の技術が要求されている。そこで、基板上に
人工的に結晶粒界を設け、その上にジョセフソン接合を
製作する方法が技術的に簡易なため、数多く開発されて
いる。
【0003】例えば、2つの単結晶をはりあわせた基板
を用いたり(グロスら(R.Gross,P.Chau
dhari,D.Dimos,A.Gupta,G.K
oren),フィジカル・レビュー・レターズ(Phy
s.Rev.Lett.)64,228(199
0))、基板上にステップを設ける手法(デアリーら
(K.Dary,W.D.Dozier,J.F.Bu
rch,S.B.Coons,R.Hu,C.E.Pl
att,R.W.Simon),アプライド フィジク
ス レターズ(Appl.Phys.Lett.)5
8,543(1991))がある。これら従来技術は接
合の両側の結晶方位の違いを積極的に利用した技術であ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし現状では、いず
れの従来方法も粒界の形成機構が不明で、ジョセフソン
接合特性の再現性は良くなくIcRn積もせいぜい0.
3mV程度であった。また、任意の位置に接合を設ける
ことが困難であるため、集積回路への適用ができなかっ
た。
【0005】従来技術の他の例として、FIB装置中に
MgO基板をおき30KeVに加速したGa+ イオンビ
ームを、接合を形成する位置に照射し45度以上の急峻
な角度をもつ溝を形成する方法がある。ビーム径は50
nmである。MgO基板上に溝が形成されるようにビー
ム電流は1pAから60nAの領域で制御された。その
後、YBCOを300nm厚程度に基板全面に堆積す
る。その後、溝を横切るように幅5μm長さ30μmの
配線パターンを作製すると、溝上部にトンネル障壁が形
成されている。このような特性が観測されるモデルとし
て、配線パターンの結晶方位が溝の内部と溝の外部で異
なりSNS接合となったこと、または溝上で結晶粒界が
形成されSNS接合となったことが考えられる。現状で
は、この従来方法もジョセフソン接合特性の再現性は良
くなくIcRn積もせいぜい0.3mV程度であった。
【0006】本発明の目的は、基板の任意の位置に再現
性よくIcRn積の大きなジョセフソン接合を得ること
である。
【0007】
【課題を解決するための手段】また、本発明は、単結晶
基板表面の同一平面上に酸化物超電導体薄膜配線パター
ンの対がトンネル障壁を300nm以下の幅をもっては
さんで相対するように形成されており、該トンネル障壁
の両側の配線パターンの結晶方位が同一である構造をも
つジョセフソン接合の作製法であって、単結晶基板上全
面にイオン散乱による拡がりを防止する膜を蒸着する工
程と、収束イオンビームを将来該トンネル障壁が設けら
れる目的部分の直上に照射し該目的部分の結晶性を乱す
工程と、その後、残存する該イオン散乱による拡がりを
防止する膜を除去する工程と、該基板上に酸化物超電導
薄膜を堆積することで、同時に、該結晶性が乱された部
分の直上に該酸化物超電導体薄膜と同様の組成からなる
変質した酸化物薄膜からなる部分が作成され、該トンネ
ル障壁となる工程と、該酸化物超電導薄膜をパターニン
グして該トンネル障壁を横切る配線パターンの対を形成
する工程とからなることを特徴とするジョセフソン接合
の作製法である。
【0008】前記トンネル障壁の平均的な結晶方位は
トンネル障壁の両側の配線パターンの結晶方位と同一で
ある。
【0009】
【0010】
【実施例】図1に本発明ジョセフソン接合の作製工程の
概略図を示す。MgO(100)基板上全面にわたり、
真空蒸着法により、約100nm厚のAu薄膜2を形成
する((a)図)。その後、収束イオンビーム装置(F
IB)中に上記基板をおき、30KeVに加速したGa
+ イオンビームを接合を形成する位置に照射する
((b)図)。ビーム径は50nmである。MgO基板
1上にGa照射領域3(注入層)が形成されるようにビ
ーム電流は1pAから60nAの領域で制御された。A
u薄膜2はイオンの散乱による拡がりを防ぎ照射領域3
の幅を狭く制限するのに有効であった。その後、Au薄
膜2を全面にわたり除去する((c)図)。除去方法は
450eVのAr+ イオンミリングあるいは2.6wt
%KIと0.65wt%Iの水溶液による湿式法が基板
に対して影響が少なかった。その後YBaCuO(以下
YBCO)膜4を300nm厚にパルスレーザ蒸着法に
より基板全面に堆積する。照射領域3上のYBCO膜は
変質領域5となる((d)図)。その後YBCO膜を、
Ga照射領域を横切るようにパターニングして幅5μm
長さ30μmの配線パターン4aを作製し、取り出し電
極6を設ける。ジョセフソン接合の完成平面図を図2に
示す。65Kに冷却したこの接合にマイクロ波を照射し
たところシャピロステップが観測されジョセフソン接合
が形成できていることが確認できた。
【0011】図3に本発明ジョセフソン接合の温度4.
2Kでの電流(I)電圧(V)特性を示す。マイクロ波
パワーを照射しない場合と充分大きなマイクロ波パワー
を照射した場合の2とおりを示した。マイクロ波パワー
を照射しない場合の電圧ゼロの電流を臨界電流(Ic)
といい、この場合7mAである。充分大きなマイクロ波
パワーを照射した場合には臨界電流を完全に抑圧するこ
とができ、そのときの抵抗は常伝導抵抗に漸近すること
が知られている。この図の例では約8Ωになっている。
図4に本発明のジョセフソン接合に温度4.2Kで1
0.2GHzの適当な強度のマイクロ波を照射した際の
シャピロステップ特性を示す。良好なジョセフソン接合
が形成されていることがわかる。この場合のGa+ イオ
ンビームの照射条件は1pAの電流で10μmの長さを
20秒間で走査し、それを2回くりかえしたものであ
る。この接合のIcRn積は50mV以上であり、良質
なトンネル障壁が形成されていると言える。ここでIc
は接合における臨界電流、Rnは接合が常伝導になった
時の抵抗である。以上述べたようなジョセフソン接合形
成プロセスをくり返して再現性を調べたところ、いづれ
も従来より一桁大きなIcRn積が得られ、再現性は良
好であった。
【0012】本発明のジョセフソン接合に流れる臨界電
流Icを単位面積あたりの臨界電流密度換算したjcの
温度特性を図5に示す。Ga+ イオンビームの照射幅が
60nm、130nmと増大するに従いjcが低下す
る。jcに関しこのような特性が観測されるモデルとし
て、Ga+ イオン照射層上でYBCO膜が変質し常伝導
性となり、SNS接合が形成されたことが考えられる。
つまりGaイオンを照射したことによって照射領域のM
gO基板の結晶性が乱れ、その上に成長するYBCO膜
にもストレスあるいは結晶性の乱れが生じると考えられ
ること、またYBCO膜成長の際基板が加熱されるの
で、基板に注入されたGaのYBCO膜中への拡散が考
えられること、それらの相乗効果としてYBCO膜中の
酸素欠損が考えられること、である。YBCO膜がC軸
配向しているため、本発明のような平面構造の接合では
接合面に垂直方向がコヒーレント長が長いa−b軸にな
り、しかもトンネル層の結晶構造、化学組成とも超電導
相に近いため、超電導トンネル電流が流れたものと考え
られる。
【0013】イオンビームの照射幅が400nmになる
とトンネル電流が流れなくなるので300nm以下とす
るのがよい。
【0014】
【発明の効果】本発明により、従来よりIcRn積の大
きいジョセフソン接合を再現性良く、任意の位置に形成
することができるため、ジョセフソン接合の集積化が可
能となりSQUID等への応用が期待できる。
【0015】なお前述の実施例では単結晶基板としてM
gOを用いたが、これに限らず、SrTiO3 、NdG
aO3 、LaAlO3 、LaGaO3 等およびそれらの
混晶でもよい。また前述の実施例では、平坦な単結晶基
板上にYBCO膜の変質領域を形成したが、非常に浅い
溝や段差であれば、溝や段差の内外で結晶方位が大きく
は変わらないためか、平坦な場合と同様の変質領域を形
成でき、これも請求項1でいう「同一平面上」に含まれ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のジョセフソン接合の製造方法の一例を
示す断面図である。
【図2】本発明のジョセフソン接合の一例を示す平面図
である。
【図3】本発明のジョセフソン接合の電流電圧特性を示
す図である。
【図4】本発明のジョセフソン接合のシャピロステップ
特性を示す図である。
【図5】イオン照射をした場合としない場合のジョセフ
ソン接合の超電導臨界電流密度の温度依存性の違いを示
す図である。
【符号の説明】
1 MgO(100)基板 2 Au膜 3 Ga収束イオンビーム照射領域 4 YBCO膜 4a YBCO配線 5 変質領域 6 取り出し電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 克己 東京都江東区東雲1丁目14番3号財団法 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1丁目14番3号財団法 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 田中 昭二 東京都江東区東雲1丁目14番3号財団法 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 (56)参考文献 特開 平2−186683(JP,A) 特開 平4−132279(JP,A) 特開 平2−194573(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 39/22 - 39/24 H01L 39/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶基板表面の同一平面上に酸化物超
    電導体薄膜配線パターンの対がトンネル障壁を300n
    m以下の幅をもってはさんで相対するように形成されて
    おり、該トンネル障壁の両側の配線パターンの結晶方位
    が同一である構造をもつジョセフソン接合の作製法であ
    って、 単結晶基板上全面にイオン散乱による拡がりを防止する
    を蒸着する工程と、 収束イオンビームを将来該トンネル障壁が設けられる目
    的部分の直上に照射し該目的部分の結晶性を乱す工程
    と、 その後、残存する該イオン散乱による拡がりを防止する
    を除去する工程と、 基板上に酸化物超電導薄膜を堆積することで、同時
    に、該結晶性が乱された部分の直上に該酸化物超電導体
    薄膜と同様の組成からなる変質した酸化物薄膜からなる
    部分が作成され、該トンネル障壁となる工程と、 酸化物超電導薄膜をパターニングして該トンネル障壁
    を横切る配線パターンの対を形成する工程からなるこ
    とを特徴とするジョセフソン接合の作製法。
  2. 【請求項2】 前記トンネル障壁の平均的な結晶方位が
    該トンネル障壁の両側の配線パターンの結晶方位と同一
    であるような構造をもたせることを特徴とする請求項1
    に記載のジョセフソン接合の作製法。
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