JPH0210880A - 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】 〔産業上の利用分耳） 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、調整できるフ゛
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、超伏導電（素子として用いられているジョセフソ
ン素子には、第４図（ａ）〜（ｄ）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ｂ、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、超伝導体からなる交叉する超伝導電極４１
．４３を絶縁体４２を介して接合する構造をなし、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ぎた。

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
用いられてぎだが、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１し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／　Ｐｂ。

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Ｄａｙｅ＋ｎブリッジ、弱結合部５
２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１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で決
定されるが、電子線描画等の方法を用いても１００ｔ＋
ｍ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７１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
を基礎として、酸化物超伝導物質（Ｎ　ｄＸＳ　ｒ、Ｃ
ｅｌ−Ｘ−ｙ）２　ＣｕＯ４ただし０．７≦Ｘ≦０．８
，０．１≦ｙ≦０．２の薄膜を下部電極、上部電極とし
て用い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酸化物超伝導物
質 （Ｎ　ｄｘ　Ｓ　ｒ、Ｃｅｌ−１１−１１）　２　Ｃｕ
　Ｏ４ただし０．７≦Ｘ≦０．８，０．１≦ｙ≦０．２
の下部電極をエピタキシャル成長させ、その上に、エピ
タキシャル成長させた絶縁障壁を有し、さらにその上に
、酸化物超伝導物質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。

本発明の好ましい実施態様においては、絶縁障壁が絶縁
薄膜とアルミニウム薄膜の積層膜若しくは絶縁薄膜とニ
オブ薄膜の積層膜からなりている。

更に好ましい実施態様は、上記実施態様における絶縁薄
膜として酸化マグネシウム薄膜が用いられる場合を例示
できる。

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、酸化マグネシウム層。

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 本発明において用いることができる基板は、シリコンウ
ェハーと同様の平滑性と絶縁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ェハーの他にサ
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、ピ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　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　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１０ｎｍ以上　好ましくは１１００ｎ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、酸化物の単一又は複数の
ターゲット若しくはコンポジット・ターゲットを用いた
スパッタリング。

反応性スパッタリング法の他にＣＶＤ法。

ＭＢＥ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 絶縁障壁は、単層構造であってもよいが、例えば、絶縁
物薄膜／ＡＩＬ、絶縁物薄膜／Ｎｂ。

絶縁物薄膜／Ａ１／絶縁物薄膜、又は絶縁物薄膜／　Ｎ
ｂ／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、ＭｇＯの他にＣａｎを用い
ることもできるが、膜の安定性の点からＭｇＯが好まし
い。

単層構造の絶縁障壁の場合には、その厚さを５ｎＩ１１
以上、２０ｎ１１以下とするのが好ましい場合が多い。

−力積層構造とする場合には、絶縁物薄膜膜厚は５ｎｍ
以上１０ｎｍ以下であり、Ａｆ！、、Ｎｂ薄膜膜厚は１
　ｎｍ以上１０ｒ＋＋ｎ以下であるのが好ましい。

絶縁物、Ａｌ１．Ｎｂの薄膜は、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で行うこ
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っても、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　オブ　アプライド　フィジックス（ｒＪｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、１　）　
ＶＯＬ。

３９（１９６８）ｐ、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（実施
例１）の構成例を第１図（ａ）　、　（ｂ）に示す。

絶縁基板５上に、素子の電極をエピ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〜１１００ｎ
スパッタリングにより成膜し、以下すべて同一真空下に
て酸化物ターゲットを用いてスパッタリングにより下部
電極の酸化物超伝導物質７を約１５０ｒ＋ｎ＋　、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１
０ｎｍ、その上にスパッタリングによりアルミニウム９
を５〜ｌｏｎｍ上部積層した。さらに酸化物ターゲット
を用いてスパッタリングにより上部電極の酸化物超伝導
物質１０を約３００ｒ＋ｎ＋成膜を行い積層構造を作製
した。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（実施例２）においては、上記実施例
１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。

更に他の実施例（実施例３）においては、絶縁障壁を１
０ｒｖ＋の酸化マグネシウム薄膜層の単層構造とした点
を除き、実施例１と全く同様の構造とした。

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
下部電極の上記酸化物超伝導物質７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）。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
１Ｉ１１３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及び上部電極の酸化物
超伝導物質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
（第２図（ｉ）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ってマイク
ロブリッジを設け、所望の特性に調整した後、配線パタ
ーン用の接続電極１４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、−力木
実施例１においては、ヒステリシスがな（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
。第一は下部電極の酸化物超伝導物質及び絶縁障壁がエ
ピタキシャル膜であるため、極薄い膜（１０ｎｍ）でも
高い遷移温度Ｔｃ（１３，６°Ｋ　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。実施例１．２に示
した本発明の好ましい実施態様においては、更にＡｎ（
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、ＡＪ２（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Ａ１（
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。

また本発明で用いた酸化物超伝導物質 （Ｎ　ｄｘｓ　ｒ、Ｃｅｌ−ｘ−ｙ）　２　Ｃｕ　Ｏ４
ただし０．７≦Ｘ≦０．８　、　０．１≦ｙ≦０．２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図は（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・・・
超伝導薄膜　　　　６２・・・溝６３・・・常伝導金属
膜　　　７１・・・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・・・酸化物超伝導物質 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） １４・・・接続電極 第２図 （α） ＜ｂ） ■（μＶ） ■（μＶ） 第４図 （ｂ） （ｄ）

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酸化物超伝導物質 （Ｎｄ＿ｘＳｒ＿ｙＣｅ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ）＿２Ｃ
   ｕＯ＿４ただし０．７≦ｘ≦０．８、０．１≦ｙ≦０．
   ２の下部電極をエピタキシャル成長させ、その上に、エ
   ピタキシャル成長させた絶縁障壁を有し、さらにその上
   に、上記酸化物超伝導物質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　エピタキシャルな絶縁障壁が、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
   の積層膜からなることを特徴とする請求項１に記載のジ
   ョセフソン・ブリッジ素子。 ３　請求項２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。