JPH01307281A - ジョセフソン・ブリッジ素子 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、高い臨界温度を有し、かつ　ジョ′セフソン
臨界電流及び常伝導抵抗を同時に制御し、調整できるブ
リッジ接合型ジョセフソン素子又はジョセフソン・ブリ
ッジ素子に関するものである。

（従来の技術）　　− 従来、超伝導電子素子として用いられている”ジョセフ
ソン素子には、３４４図（ａ）〜（（１）に示される如
く、種々の構造のものが存在する。そのいずれの構造の
ジョセフソン素子においても、２′つの゛超伝導体又は
超伝導薄膜を弱く結合することによってジョセフソン効
果を起こすものである。

第４図（ａ）はトンネル接合型ジョセフソン素子と呼ば
れるもので、超伝導体糸らなる交叉する超伝導電極４“
１．４３を絶縁体４２を介して接合する構造をルし、主
として超伝導論理素子及び記憶素子への応用を゛目的と
して最も活発な検討がなされてきた。

これまで低融点の鉛合金系が上記素子の電極材料として
用いられてきたが、温度サイクルや拡散による素子特性
の劣化や損傷などの問題、また結晶粒界が大きく素子の
微細化がむずかしいなど問題がある。

このため、ニオブを中心とした高融点で機械的特性の良
好な材料を用いれば素子の熱的な安定性、信頼性の向上
が図れるため、最近ニオブ又は、窒化ニオブを電極材料
としたＮｂ／　Ｉ！ｂ。

Ｎｂ／Ｎｂ、　ＮｂＮ　／ＮｂＮなどの作製法に関する
研究が数多くなされている。

しかし、膜の成長初期過程においては、結晶成長が充分
でないため転移温度Ｔｃがバルクの転移温度に比べて低
くなる。これはトンネル障壁の界面近傍、特に上部電極
の界面における超伝導特性の劣化が素子特性に影響を及
ぼすことを示唆する。この問題はコヒーレント長の短い
、窒化ニオブで特に深刻なものとなるが、従来の報告例
では、膜成長初期過程における転移温度を向上させたも
のは得られていない。

また第４図（ｂ）は、ブリッジ型素子と呼ばれるもので
、ざらにＤａｙｅｍブリッジと膜厚変化ブリッジに分け
ることができる。これらは同一の超伝導材料からなる２
つの超伝導電極５１及び弱結合部５２を同一平面上に配
置した構造をとり、上記弱結合部５２の膜厚が２つの電
極５１と同じものをＤａｙｅｍブリッジ、弱結合部５２
の厚さを酸化又はエツチングにより薄くしたものを膜厚
変化ブリッジという。

第４図（Ｃ）は近接効果素子と呼ばれるもので常伝導金
属膜６３上に超伝導薄膜６１を形成し、この表面に細い
溝６２を作製し、超伝導−常伝導境界によって弱結合と
ならしめるものである。

これらの第４図（ｂ）、（Ｃ）の弱結合部の寸法すなわ
ち第４図（ｂ）においては電流のながれる方向の長さ２
幅、膜厚、また第４図（Ｃ）においては溝の幅を、リソ
グラフィー技術を用いて超伝導薄膜のコヒーレント長ξ
の３〜５倍程度の寸法に精度良く加工する必要がある。

このようにこれらの素子特性はリソグラフィー技術！決
定されるが、電子線描画等の方法を用いても１１００ｎ
以下の加工を精度良く再現することは非常に困難である
。そこで　超伝導薄膜を薄くすることが考えられるが、
前記転移温度の低下を招くので好ましくない、従来の報
告例では上記の条件を満すものは得られていない、　　
。

第４図（ｄ）は、ポイントコンタクト型とよばれるもの
で、先端を鋭くした超伝導体フ１を平らな超伝導体７２
に弱く接触させて弱結合部を作るものであるが、構造か
ら解る通り機械的に弱く、大量に作製することが困難で
あるという欠点がある。

（、発明が解決しようとする課題） 以上のように、従来の４種類のジョセフソン素子にはそ
れぞれに問題点があり、これらの共通の問題点としては
、素子の作製プロセスに適合した超伝導薄膜の初期成長
時の転移温度を改善する成膜方法の開発、精度良く再現
性のあるリソグラフィー技術の開発とが指摘される。

本発明は以上のような現状を改善するためになされたも
のであり、その目的は、高精度のリソグラフィー技術に
依らずに容易にかつ安定した特性を有するジョセフソン
・ブリッジ素子を提供することにある。

すなわち、酸化マグネシウム層を設けた基板を含めた、
４層膜をエピタキシャル成長した接合素子において、液
体ヘリウムＨｅ中で、最大ジョセフソン電流及び常伝導
抵抗を同時に制御できるジョセフソン・ブリッジ素子を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは特開昭６２−７９６８２号において、ジョ
セフソン・ブリッジ素子を提供しているが、かかる技術
を前提として、更にアルミニウムもしくは、ニオブの薄
膜を追加することによって常伝導抵抗が下がり、ヒステ
リシス特性の無いより安定した特性を得られることを−
知見した。

すなわち本発明よりなるジョセフソン・ブリッジ素子の
特徴は基板表面−酸化マグネシウムのエピタキシャル層
を形成し、該酸化マグネシウム層上に窒化ニオブの下部
電極をエピタキシャル成長させ、その上に、絶縁物薄膜
とアルミニウム薄膜の積層膜若しくは絶縁物薄膜とニオ
ブ薄膜の積層膜からなるエピタキシャルな絶縁障壁を有
し、さらにその上に、窒化ニオブの上部電極をエピタキ
シャル成長させてなる積層構造であって、該絶縁障壁の
一部にマイクロブリッジを設けたところにある。

上記のとおり、本発明に係るジョセフソン・ブリッジ素
子は、基板、＃Ｌ化マグネシウム層。

下部電極、絶縁障壁、上部電極、マイクロ・ブリッジを
構成要素として含み、エピタキシャル成長せしめた積層
構造であることを特徴とするものであるが、これらの意
味は、次のとおりに解釈すべきものである。

（１）基板 性を有するものであればよい、このようなものとしては
シリコンウニ八−の他にサファイア、石英基板等を例示
することができる。

（２）酸化マグネシウム層 本発明において用いることができる酸化マグネシウム層
は、とンホールが存在しない範囲内で薄くすることが、
可能であるが、その厚さは通常１０ｎｍ以上、好ましく
は１１００ｎ以上である。

当該層の作製方法としてはスパッタリング法の他に、Ｃ
Ｖ　Ｄ　（（ｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法、　Ｍ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ
　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ）法。

Ａ　Ｌ　Ｅ　（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｅｐｉｔａ
ｘｉａｌ）法等が例示できる。なお、蒸着法は、酸化マ
グネシウムの組成比の制御の困難性を伴うものの、当該
層の作製方法として用いることが可能である。

（３）下部電極 下部電極の薄膜は、ＭｇＯの（２，０，０）に配向する
（すなわちエピタキシャル成長する）薄膜であればよく
、通常はｌＱｎｍ以上、好ましくは１００ｒｖ以上であ
る。但し、下部電極の薄膜が厚い場合得られる素子の平
坦化が難しくなる。

下部電極の作製方法としては、反応性スパッタリング法
の他にＣＶＤ法等を用いることが考えられるが、膜形成
材料の点で、反応性スパッタリングを用いるのが好まし
い。

（４）絶縁障壁 本発明の特徴の１つである絶縁障壁は、例えば、絶縁物
薄膜／Ａ１．絶縁物薄膜／Ｎｂ、絶縁物薄膜／＾ｌ／絶
縁物薄膜、又は絶縁物薄膜／　Ｎｂ／絶縁物薄膜の構成
をもつものが挙げられる。ここで、絶縁物薄膜の材料と
して、ｌＡｇ０の他にＣａＯを用いることもできるが、
膜の安定性の点から＆ＩｇＱが好ましい。

絶縁物薄膜膜厚は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、Ａ４
．　Ｎｂ薄膜膜厚は１　ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるの
が好ましい。

絶縁物、　Ａｆｆｉ、　Ｎｂ薄膜は、酸化され易い物質
なので、同一真空中で連続的に成膜できる作製方法を行
うことが必要であり、スパッタリング法の他に、ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法等が採用できる。

（５）上部電極 上部電極の膜厚が任意でありても、本発明の所定の効果
は得られる。

上部電極の作製方法は、上記の下部電極の・作製方法と
同様のものを用いることができる。

（６）マイクロ・ブリッジ 本発明のジョセフソン・ブリッジ素子中のマイクロ・ブ
リッジは、上記絶縁障壁の一部分に電圧パルスを印加す
ることにより、絶縁障壁を局部的に破壊して、微小クラ
ックを形成して得られる。得られるマイクロ・ブリッジ
長は絶縁障壁の厚さと等しい。

（７）エピタキシャル成長 酸化マグネシウム層、下部電極、絶縁障壁及び上部電極
はいずれもエピタキシャル成長された膜であることを特
徴とするが、作製条件として、例えば、スパッタリング
法。

ＡＬＥ法、ＣＶＤ法を用い、 基板温度　　　２００〜６００℃ 成膜速度　　　１００人／　ｍ　ｉ　ｎ　〜５００人／
ｍｉｎの条件が挙げられる。

常伝導抵抗を下げる効果については、例えば、ジャーナ
ル　オン　アプライド　フィジックス（ｒＪｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ４　）　Ｖ
ＯＬ。

３９　（１９６８）　９．３１１３にり、Ｅ、マツカム
バー（Ｄ。

Ｅ、　ＭｃＣｕｍｂｅｒ）が発表している。

（実　施　例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。

本発明のジョセフソン・ブリッジ素子の一実施例の構成
例を第１図（ａ）　、　（ｂ）に示す。

絶縁基板Ｓ上に、素子の電極をエビタキシャ・ル成長さ
せるための酸化マグネシウム６を約８０ｎｍ〜１１００
ｎスパッタリングにより成膜し、以下すべて同一真空下
にて反応性スパッタリングにより下部電極の窒化二オン
フを約１１００ｎ〜１５０ｎｍ、スパッタリングにより
絶縁障壁の酸化マグネシウム８を約５〜１０ｎｍ、その
上にスパッタリングによりアルミニウム９を５〜１０ｎ
ｍ上部積層した。さ°らに反応性スパッタリングにより
上部電極の窒化ニオブ１０を約２５０〜３００ｎｍ成膜
を行い積層構造を作製した０次にフィールドエミッショ
ン法を用いてマイクロブリッジ１１を絶縁障壁８及び９
の一部分に作製した。ここで用いられるフィールドエミ
ッション法とは、上部電極と下部電極に電圧パルスを印
加し、フィールドエミッション効果によってマイクロブ
リッジを作製する方法であり、該方法によれば複数のマ
イクロブリッジが絶縁障壁中に形成され、得られるマイ
クロブリッジ長は酸化マグネシウム薄膜８とアルミニウ
ム薄膜層９の厚さとなった。

他の一つの実施例においては、上記実施例のアルミニウ
ム薄膜９の代りに、ニオブ薄膜層とした点を除いて、全
く同様の構成とした。

第２図に本発明の素子の製作工程を示し、以下簡単に説
明する。はじめに、基板５上に酸化マグネシウム層６と
下部電極の窒化二オンフを形成した（第２図（ａ）参照
）後、レジスト１２を用いて下部電極７をエツチングす
る（第２図（ｂ）参照）０次いで、レジスト１２を用い
、下部電極部位以外に絶縁用の酸化シリコン膜１３を素
子の平坦化のために形成しく第２図（Ｃ）〜（ｇ））、
その後酸化マグネシウム薄膜８、アルミニウム（もしく
はニオブ）層９及び上部電極の窒化ニオブ１０を成膜し
く第２図（ｈ）参照）、反応性イオンエツチングにより
上部電極１０をエツチングする（′ｓ２図（１）参照）
、その後、液体ヘリウム中でフィールドエミッション法
によりトリミングを行りてマイクロブリッジを設け、所
望の特性に調整した後、配線パターン用の窒化ニオブ１
４を反応性スパッタリングで成膜し、上部電極１０と同
様の方法で加工することにより配線する（第２図（Ｊ）
参照）。

第３図に本実施例１（アルミニウム薄膜層を設けた）の
ジョセフソン・ブリッジ素子のジョセフソン効果（第３
図（ａ））と、絶縁障壁にアルミニウム薄膜層もニオブ
薄膜層も設けていない点を除き実施例と同様に構成した
比較例のジョセフソン素子のジョセフソン効果（第３図
（ｂ））を示した。この図から、比較例においては、ヒ
ステリシス（覆歴現象）が顕著に現われるが、一方本実
施例においては、ヒステリシスがなくなり、安定した特
性が得られることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明のジョセフソン・ブリッジ素子は前述した従来の
ジョセフソン素子が達成し得なかった以下の特徴を持つ
。第一は下部電極のＮｂＮ及び絶縁障壁がエピタキシャ
ル膜であるため、極薄い膜（１０ｎｎ＋）でも高い遷穆
温度Ｔｃ（１３，６１Ｋ　　従来報告されている値より
も約２°に高い）が得られ、上部電極と絶縁障壁の界面
の超伝導膜の膜質が良好であることからブリッジ長の温
度依存性が少ないことである。更にへ交（又はＮｂ）を
積層することにより素子の常伝導抵抗を下げ、ヒステリ
シスを無くすることができる。

その理由は必ずしも明らかではないが、Ａｌ（又はＮｂ
）層の存在により、マイクロブリッジを設ける際に同時
にＡＵ（又はＮｂ）を含むシャント抵抗が絶縁障壁の一
部に形成されたためと考えられる。

また、窒化ニオブは経時変化および熱サイクルに対して
も非常に安定で他の高Ｔｃ材料に比べて作製が容易であ
ることや極薄い膜を使用できることは微細加工の面で有
利になるなどの利点もある。

第二は、液体Ｈｅ中でのフィールド・エミッション法に
よるトリミングにより、臨界電流Ｉｏと常伝導抵抗を同
時に任意に可変できその範囲が広いことである。上述し
た従来のブリッジ素子では構造その物の作製が困難であ
ったので、設計通りの素子特性を得ることも難しく再現
性は期待できなかった。しかし、本発明の素子はブリッ
ジ部の作製を液体Ｈｅの中で行うことができるのでこの
問題は解決されるのみならず、絶縁膜のパシベーション
も自動的にされ、絶縁障壁に用いている酸化マグネシウ
ムは熱的に安定な材料であることから素子の信頼性も向
上することになる。また、ヒステリシス特性がないため
に、応用回路は安定して動作することになる。さらに、
素子特性を決定した後で周辺回路を作ることが可能なの
で、設計通りの回路が製作可能なことも大きな利点であ
る。

第三はフィールドエミッション法によれば、絶縁障壁中
に複数のマイクロブリッジを形成することができるため
、得られる素子はサージ耐性が改善されたものとなる。

以上述べた優れた特徴を持つ素子を容易にかつ確実に得
られる本発明ジョセフソン・ブリッジ素子は、超伝導生
体計測を含む電子計測器に関する電子機器および通信器
の分野への応用が大いに期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明よりなるジョセフソン・ブリッジ
素子の構成概要−例を示す図、第１図（ｂ）は同マイク
ロブリッジ部の拡大図、第２図（ａ）〜（ｊ）は同素子
の作製工程を順次に示した図、第３図＠　（ａ）　、　
（ｂ）は実施例に係るジョセフソン・ブリッジ素子と比
較例に係るジョセフソン・ブリッジ素子のジョセフソン
効果特性を示す図である。第４図（ａ）〜（ｄ）はそれ
ぞれ従来のジョセフソン素子の構成概要を示した図であ
る。 ４１．４３・・・超伝導電極　４２・・・絶縁体５１・
・・超伝導電極　　　　５２・・・弱結合部６１・・・
超伝導薄＠　　　　６２・・・溝６３・・・常伝導金属
膜　　　フト・・超伝導電極７２・・・超伝導電極　　
　　５・・・基板６．８・・・酸化マグネシウム ７．１０．１４・・・窒化ニオブ ９・・・アルミニウム（もしくは、ニオブ）１１・・・
マイクロ・ブリッジ １２・・・レジスト １３・・・絶縁体（酸化シリコン） エ（μＡ） ％、／ ■（μＡ） ε

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基板表面に酸化マグネシウムのエピタキ シャル層を形成し、該酸化マグネシウム層上に窒化ニオ
   ブの下部電極をエピタキシャル成長させ、その上に、絶
   縁物薄膜とアルミニウム薄膜の積層膜若しくは絶縁物薄
   膜とニオブ薄膜の積層膜からなるエピタキシャルな絶縁
   障壁を有し、さらにその上に、窒化ニオブの上部電極を
   エピタキシャル成長させてなる積層構造であって、該絶
   縁障壁の一部にマイクロブリッジを設けたことを特徴と
   するジョセフソン・ブリッジ素子。 ２　請求項１に記載のジョセフソン・ブリッジ素子にお
   いて、絶縁物薄膜として酸化マグネシウム薄膜を用いた
   ジョセフソン・ブリッジ素子。