JPH02271685A - 超伝導三端子素子およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、低温で機能する超伝導体を用いた素子１．特
に、第１の電極に信号を印加し、第２、第３の電極から
出力を得る超伝導三端子素子とその製造方法に関する。

（従来の技術） 二つの超伝導体電極をトンネル障壁を介して接゛合した
時、ジョセフソン効果が生じることが知られている。こ
の構造の素子において、接合容量を著しく小さくし、静
電容量Ｃに貯える静電エネルギーｅ　／２Ｃがジョセフ
ソン結合エネルギーｈＩ。／４ｎｅより大きく、がっ熱
エネルギーｋＢＴより充分大きくなると、ブロッホ振動
を観測できることが１９８５年発行の雑誌アイトリプイ
ートランザクションオンマグネテイノクス（ＩＥＥＥ　
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）
第ＭＡＧ−２１巻第２号第９４３頁から第９４６頁（以
下文献１とする）もしくは１９８７年発行の応用物理学
会誌、第５６巻第８号第１０４０頁から第１０４６頁（
以下文献２とする）に述べられている。ここで、ｅは電
子の素伝荷量、ｈはブランク定数、Ｉｏはジョセフソン
接合の臨界電流値を示す。この微細接合において、クー
パ一対電子が離散的にトンネルすることが理論的に示さ
れている。

第４図（ａ）、（ｂ）は、上に説明した微細接合１０１
．１０２および微細接合１０３．１０４をそれぞれ直列
に結合し、入力信号端子１１１．１１２から中間電極に
コンデンサ１０５及び抵抗１０６を介して入力信号を与
え、出力端子１１３．１１４問および出力端子１１５．
１１６間から出力を得る超伝導三端子素子の回路図を示
す。第４図の超伝導三端子素子の回路構成は、リカレフ
（Ｋ。

Ｋ、　Ｌｉｋｈａｒｅｖ）等により１９８７年に発行さ
れた雑誌ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍ
ａｇｎｅｔｉｃｓ第ＭＡＧ−２３巻、第２号第１１４２
頁から第１１４５頁（以下文献３とする）に記載されて
いる単一電子トンネリングトランジスタ回路と同一であ
る。単一電子トンネリングトランジスタは常伝導体間の
微細接合を用いた場合の例であるが、超伝導体を用いて
同様な微細接合を用いた回路が示されてる。

超伝導三端子素子の入出力特性として、文献２によれば
、人力信号端子１１１．１１２に加える入力端子により
、微細接合１０１．１０２、および微細接合１０３．１
０４に電流が流れ始める臨界電圧が変調されることが理
論的に示されている。この臨界電圧の変化を次段の超伝
導三端子素子に人力することにより機能回路が構成され
る。微細接合を用いた超伝導三端子素子の具体的な素子
構造に関する提案は未だ見られない。前述した単一電子
トンネリングトラ゛ンジスタ回路に関しては、フルトン
（Ｔ、　Ａ、　Ｆｕｌｔｏｎ）等により１９８７年に発
行された雑誌フイジカルリピューレターズ（Ｐｈｙｓｉ
ｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）の第５９巻第
１号第１０９頁から１１２頁（以下文献４とする）に、
アルミニウム電極とアルミニウム電極間に形成される２
個の微細接合を、微小電極によって接続した構造が記載
されている。単一トンネリングトランジスタの従来例に
おいて、２個の微細接合が直列に接続され、それぞれの
端子間における単一電子トンネリングによる電流電圧特
性の変調状態を微小電極に接続された第３の電極から測
定している。

（発明が解決しようとする課題） 微細接合を用いた超伝導三端子素子の構造の具体例は未
だ提案されていない。しかし、第５図に示すような、単
一電子トンネリグトランジスタと同様な薄膜の細線を重
ねて構成される微細接合を用いた素子構造が考えられる
。信号入力線２０１と、第１および第２の出力線２０２
．２０３が微小電極２０４に微細接合２１１．２１２お
よびコンデンサ２１３を介して接続されている。しかし
、この構成では、微細配線の重なり部分として微細接合
が形成されているため、接合面積の大きさが、露光時の
目合わせ精度に依存する。従って面積の制御が非常に困
難である。

特に、超伝導三端子素子は、サブミクロン以下の微細接
合を必要とするため、目合わせ露光技術により、第５図
の構造の素子を、要求される精度で実現することは非常
に難しい。

本発明の目的は、製造し易くかつ素子定数の制御が簡単
な超伝導三端子素子を提供することにある。又素子表面
を平坦にすることにより、接合上に形成する回路の信頼
性、再現性を上げていることである。

（課題を解決するための手段） 本発明による超伝導三端子素子は、基板に対して有限の
面角度を有し、絶縁体中に埋込まれた第１、第２および
第３の超伝導体薄膜片から成り、前記第１の超伝導体薄
膜片に対して、互いの主平面が有限の角度で交わるよう
に前記第２および第３の超伝導体薄膜片を配置し、前記
第１の超伝導体薄膜片と前記第２の超伝導体薄膜片がエ
ツジ部で結合すると共に、前記第１の超伝導体薄膜片の
他のエツジ部と前記第３の超伝導体薄膜片のエツジ部が
結合されて構成される。さらに本発明によれば基板に対
して有限の面角度を有し、絶縁体中に埋込まれた第１、
第２および第３の超伝導体薄膜片から成り、前記第１の
超伝導体薄膜片と前記第２および第３の超伝導体薄膜片
がそれぞれエツジ部で結合している超伝導三端子素子に
おいて前記超伝導体薄膜片を形成する基台に隣接して超
伝導体膜の成長を抑止する基台を設け、斜方向から異方
性を持たせて前記超伝導体薄膜片を形成することにより
製造される。

（作用） 本発明の超伝導三端子素子は、絶縁体中に埋込まれた薄
膜片のパターンエツジの結合部に形成される微細接合間
に流れる電流の相互作用によって動作する。より具体的
には、第１の超伝導体薄膜片に印加される電位によって
第２および第３の超伝導体薄膜片に流れる電流が変調さ
れ、信号の増幅、２値の状態間のスイッチ動作を行う。

また本発明では、互いに結合する２つの薄膜間のエツジ
接合の断面積の大きさを精度良く規定するため、２つの
薄膜片が有限の角度で交差するように配置して構成する
。２個の微細接合を結合する第１の超伝導体は、ベース
電極として制御信号の入力に使用する。このベース電極
は、入力信号の損失を少なくするため、可能な限り小さ
く形成し、電極の特性インピーダンスの低下を防ぐ。信
号人力線は、ベース電極にコンデンサ、もしくは抵抗を
介して接続する。２本の出力線は、微細接合を形成する
もう一方すなわち第２、第３の超伝導体薄膜片からなる
電極にそれぞれ接続されている。

以上のような構造を有する本発明の超伝導三端子素子は
、微細接合の断面積が、超伝導体薄膜の厚さと、結合し
ている薄膜の交差角度によって規定できるので、寸法制
御が容易に行える特徴を持つ。従って、回路定数の制御
が容易に行えるので、素子の製造が容易になる。さらに
本素子は表面が平坦にされているので、本素子の積層化
、他素子の積層に関しても、凹凸の影響なく行える特′
徴を有する。

本三端子素子の製造に関しては、本発明の斜方向からの
方向性成膜と、成膜を阻止するための、基台を設けるこ
とにより微細な薄膜片を製造することに特徴がある。斜
方向から超伝導体のクラスタもしくは分子を飛来させ、
基台の影の部分に膜を成長させないように制御すること
により、互いに分離された超伝導体薄膜片が容易に形成
できる。即ち、基台の影を利用して超伝導体薄膜片を相
互にセフルアラインで分離する。

（実施例） 本発明の第１の実施例による超伝導三端子素子の構造を
示す斜視図を第１図に示す。

本実施例の超伝導三端子素子は、第１の超伝導体薄膜片
から成るベース電極１１と、第２および第３の超伝導体
薄膜片から成る第１の出力線電極１２および第２の出力
線電極１３とが、それぞれ微細接合１４．１５により結
合している。ベース電極１１を構成する薄膜片と、第１
および第２の出力線電極１２．１３を構成する薄膜片は
、基板２１上の絶縁体中に埋込まれている。第１図にお
いて、Ｘ軸２２、Ｙ軸２３．２軸２４は直交座標系の軸
方向を示し、第１〜第３の超伝導体薄膜片を埋込んでい
る絶縁体は、図を分かり易くするため省いである。ベー
ス電極１１、第１の出力線電極１２、第２の出力線電極
１３を構成する薄膜片は、本実施例においては基板面に
対してほぼ直角に近い面角度を有している。

本実施例の超伝導三端子は、従来リカレフ（Ｋ、Ｋ。

Ｌｉｋｈａｒｅｖ）が理論的に示したと同様に動作する
。即ち、ベース電極１１に抵抗もしくはコンデンサを介
して信号を入力する。ベース電極１１の荷電量に依存し
て第１の出力線電極１２と第２の出力線電極１３の間に
流れる電流が周期的に変調される。このことは、ゴート
ン・アンド・ブリーチ・サイエンス・パブノ　　ツ　　
−　　シ　　ャ　　ズ（Ｇｏｒｄｏｎ　ａｎｄ　Ｂｅｒ
ｅａｃｈ　５ｉｅｎｃｅＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ）が昭和
６１年に発行したリカレフ（Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ　Ｋ
、　Ｌｋｈａｒｅｖ）著の単行本ダイナミックスオブジ
ョセフソンジャンクショナンドサーキッツ（Ｄｙｎａｍ
ｉｃｓ　ｏＣＪｏｓｅｐｈｓｏｎ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ
　ａｎｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔｓ）の第゛５４１頁から第５
６４頁に記載されている。

本発明の第２の実施例による超伝導三端子素子の構造を
示す斜視図を第２図に示す。

本実施例の超伝導三端子素子は、超伝導薄膜片の基板に
対する面角度の大きさを除いて第１の実施例と同一の構
造である。即ち本実施例の素子は、ベース電極１１、第
１および第２の出力線電極１２．１３、微細接合１４．
１５を基板２１上に形成し絶縁体中に埋込まれている。

各電極を形成する超伝導体薄膜片は基板に対して６０度
程度の面角度を持つ。この基板面に対する超伝導体薄膜
片の面角度は、超伝導体薄膜片を成膜させる基台の加工
方法に依存しており、加工方法の選択と加工条件の制御
により所望の値に設定する。なお、図においてＸ軸２２
、Ｙ軸２３．２軸２４は直交座標系の軸方向を示したも
のである。本実施例の素子において、ベース電極１１０
面は、Ｚ軸方向２４からＸ軸方向２２に約３０度傾き、
第１の出力線電極１２と第２の出力線電極１３の面は、
Ｚ軸方向２４からＹ軸方向２３に約３０度傾いて形成さ
れている。

次に本発明の超伝導三端子素子の製造方法の実施例を説
明する。第３図は、本素子の製造方法を示したものであ
る。

超伝導体薄膜の傾斜構造を実現するための基台３１．３
２は、絶縁体材料、たとえば二酸化シリコン、酸化マグ
ネシウム等の絶縁体を、通常の成膜、露光、加工技術を
用いて形成する（第３図（ａ））。

具体的には、シリコン等の基板２１の上に電子ビーム蒸
着もしくはスパッタ成膜により、二酸化シリコンや酸化
マグネシウム等の絶縁体を成膜する。

続いて露光プロセスによりレジストマスクを形成した後
、反応性イオンエツチングで加工し、基台３１．３２を
形成する。この時、セルファラインで素子となる超伝導
薄膜片間および素子以外の部分を分離するため、膜の堆
積を阻止する素子分離用基台３３も併せて形成する。基
台３１〜３３の厚さと基台間の間隔３４．３５は基板面
もしくは基板面と平行な面に超伝導体薄膜が堆積されな
いように、次工程の入射ビームの傾きを考慮して設定さ
れる。

次に基台３１．３２の第１および第２の出力線電極を゛
形成する面に超伝導体膜が堆積し、基板２１上の基台３
１〜３３の間の領域５１．５２に超伝導体膜が堆積され
ない方向から、超伝導体例えばニオブや、ＹＢＣＯ等の
酸化物超伝導体等を膜厚４０ｎｍ電子ビーム蒸着する。

ここでは超伝導体としてニオブを用いている。その結果
基台３１．３２．３３の一方のエツジを包む様に超伝導
体膜４１〜４３が堆積される。なおここではニオブの入
射角度は基板に対して４５°にして基台の上面と側面に
同じ膜厚で堆積されるようにした。このとき素子を形成
する部分以外の部分にも同様にして超伝導体膜４４が堆
積する。超伝導体膜４４は、基台３１の影の影響で間隔
５３だけ離れて堆積される。間隔５３は間隔５１．５２
とほぼ等しくなるようにビーム３７の入射角と基台の高
さ８００ｎｍが設定される。

次に通常の露光・現像プロセスにより、第１および第２
の出力信号線となる超伝導体薄膜４１．４２の部分を覆
うレジストマスクを形成する。レジストマスクのエツジ
は、超伝導体薄膜が堆積されていない領域５２．５３に
形成されるように目合わせ露光する。従って、間隔５２
．５３内に目合わせできるため目合わせが容易となる。

続いて、レジストマスクの外に現れている不用の超伝導
体膜４３．４４を、全圧力５ＰａのＣＦ４ガス中で、０
．１６ｗ／ａｍ２の高周波電力の条件でエツチングする
。この時のエッチレートは１０ｎｍ／分で、４分強で膜
厚４０ｎｍのニオブ膜がエツチング除去される。その後
アセトンでレジストを除去すると第３図（ｂ）に示すよ
うに、基台３１．３２の周辺部の超伝導体膜４１．４２
を残して除去される。

次に絶縁体として５ｉ０２を基台３１〜３３の膜厚より
厚くスパッタ法により圧力０．２２Ｐａのアルゴン中で
高周波電力５００Ｗの条件において、４０ｎｍ／分の速
度で成膜し、基台の間の間隙を埋込む。５ｉ０２絶縁体
３４の厚さは１１１ｍとする。続いてポリスチレンを用
いたエッチバック法により表面を平坦にする。即ち、液
状のポリスチレンをスピナーを用いて塗布し乾燥させる
。その後約１８０’Ｃに昇温しで３０分間ベークし、ポ
リスチレンを溶融させると、ポリスチレンの粘性と表面
張力のバランスにより表面が“平坦化され、先に成膜し
た５ｉ０２絶縁体膜の表面の凹凸が除かれる。続いて、
絶縁体膜とポリスチレンのエツチングレートが等しくな
るエツチング条件、好ましくは酸素分圧０．４５Ｐａで
全圧力４５ＰａのＣＦ４と０２の混合ガスを用い０．１
６Ｗ／ｃｍの高周波電力を印加して超伝導体膜４１．４
２の表面が現れるまでエツチングする。

次に基台３１．３２の上部に堆積したニオブ超伝導体膜
４１．４２を超伝導体膜と絶縁体膜のエツチングレート
が等しくなる条件で、好ましくは酸素分圧ＩＰａで全圧
力１０ＰａのＣＦ４と０２の混合ガスを用い０．１６ｗ
／ｃｍ２の高周波電力を印加してエツチングする。基台
３１．３２上の超伝導体薄膜４１．４２が全てエツチン
グされた時点でエツチングを終了すると、超伝導体薄膜
片４１ａ、４２ａ基台３１〜３３と絶縁体３４中に埋込
まれた第３図（Ｃ）に示す構造が実現できる。超伝導体
薄膜片４１ａ、４２ａをそれぞれ第１および第２の出力
線電極として用いる。続いてＹ軸と平行な側面を持つ絶
縁体から成る基台を形成し、第３図と同じプロセスによ
り、絶縁体中に埋込まれた超伝導体薄片からなるベース
電極を形成する。第３図（Ｃ）を基板と等価と考えれば
同一の方法で形成できることは明らかである。ベース電
極形成後も試料の表面は第３図（Ｃ）に示すと同程度の
平坦さが実現されている。

以上説明したように、超伝導体薄片を形成する基台に隣
接して、基板面もしくはこれに相当する面に超伝導体膜
が形成されるのを阻止する基台を設ける本発明の超伝導
三端子の製造方法により、エツジ結合した超伝導三端子
素子を絶縁体中に埋込み、かつ素子表面を平坦化した素
子が実現できる。

以上の説明から明らかなように、本発明の製造方法は、
基板面上もしくは基板相当面上への超伝導体膜の堆積を
阻止する基台を設けることにあり、基台の成膜・加工お
よび超伝導体成膜加工、さらに平坦化手法には、前記実
施例以外にも従来から知られている種々の方法を用いる
ことができる。例えば前述の実施例では超伝導体を成膜
するのに電子ビーム蒸着法を用いたが、基台の側面の膜
厚が制御できる方法であればよ＜　ＣＶＤ法、スパッタ
法、ＭＢＥ法等も用いることができる。

（発明の効果） 本発明によれば、超伝導体薄膜間のエツジ接合を用いて
超伝導三端子素子が実現されているため、接合の寸法が
超伝導体膜の膜厚と交差角度によって制御でき、−桁程
度高い加工精度が得られる。さらに超伝導体薄膜片が絶
縁体中に埋込まれ表面が平坦になっているので素子の加
工精度の向上と、積層化が容易に行なえる。従って、再
現性良く、多数の三端子素子を製造でき、回路の集積化
が容易になる。

一方本発明の製造方法によれば、素子間の分離と、不用
超伝導体膜の除去にセルファラインの許容回合わせ領域
が用いられるため、加工精度の向上と微細化が容易に行
え、従って、素子製造が簡単にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の第１および第２の実施
例による超伝導三端子素子の構造を示す斜視図、第３図
は本発明の超伝導三端子素子製造方法の実施例を示す製
造工程臼、第４図は従来の超伝導三端子素子の回路図、
第５図は従来の超伝導三端子素子の構造を示す斜視図で
ある。 １１・・・・ベース電極、１２・・・・第１の出力線電
極、１３９．・・第２の出力線電極、１４．１５・・・
・微細接合、２１・・・・基板、２２・・・Ｙ軸、２３
・・・・Ｙ軸、２４・・・・Ｚ軸、３１〜３３・・・・
基台、３４・・・・絶縁体、３７・・・・入射ビーム、
４１〜４４・・・・超伝導体膜、 ４１ａ、　４２ａ・・・・超伝導体薄膜片、５１〜５３
四間隔、１０１〜１０４・・・・微細接合、１０５・・
・・コンデンサ、１０６・・・・抵抗、１１１．１１２
・・・・入力信号端子、１１３〜１１６・・・・出力信
号端子、２０１・・・・入力信号線、２０２・・・・第
１の出力線、２０３・・・・第２の出力線、２０４・・
・・微小電極、２１１．２１２・・・・微細接合、２１
３・・・・コンデンサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板に対して有限の面角度を有し、絶縁体中に埋
   込まれた第１、第２および第３の超伝導体薄膜片から成
   る超伝導素子において前記第１の超伝導体薄膜片に対し
   て、互いの主平面が有限の角度で交わるように前記第２
   および第３の超伝導体薄膜片を配置し、前記第１の超伝
   導体薄膜片と前記第２の超伝導体薄膜片がエッジ部で結
   合すると共に、前記第１の超伝導体薄膜片の他のエッジ
   部と前記第３の超伝導体薄膜片のエッジ部が結合されて
   いることを特徴とした超伝導三端子素子。
2. （２）基板に対して有限の面角度を有し、絶縁体中に埋
   込まれた第１、第２および第３の超伝導体薄膜片から成
   り、前記第１の超伝導体薄膜片と前記第２および第３の
   超伝導体薄膜片がそれぞれエッジ部で結合している超伝
   導三端子素子において、前記超伝導体薄膜片を形成する
   基台に隣接して超伝導体膜の成長を抑止する基台を設け
   、斜方向から異方性を持たせて前記超伝導体薄膜片を形
   成することを特徴とする超伝導三端子素子の製造方法。