JPH0335571A - トンネル素子 - 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］ 本発明はジョセフソン素子、超伝導ベーストランジスタ
、準粒子トンネル効果素子、などトンネルバリアを必要
とする超伝導デバイスをこ関する。

［従来の技術］ ジョセフソン素子で説明する０周知の様をこジョセフソ
ン素子は点接触型、結晶粒界型、サンドイッチ型の３種
類あるが集積化を図るをこ◆よりンドイッチ型、即ちト
ンネルバリアを形成するタイプ番こする必要がある。こ
のサンドイッチ型には超伝導材料にコヒーレンス長さの
長いＮｂを、トンネルバリアに酸化アルミなどを用いて
いた。またトンネルバリアは蒸着法やスパッタ法により
形成していた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし臨界温度が液体窒素を大幅に越え使い易くなると
共にエネルギーギャップが大きく半導体との融合や高速
スイッチ化が図れると考えられている酸化物超伝導材料
のサンドイッチ型デバイスはまだ完成していない。その
原因は酸化物超伝導材料のコヒーレンス長さがＮｂに比
べ１／１０以下と極端に短いためである。コヒーレンス
長さが短いためトンネルバリアの厚みも薄くする必要が
あり蒸着法やスパッタ法などにより絶縁膜等を形成して
トンネルバリアとする方法はＮｂ系でも高度な成膜技術
を必要としたのに更に薄くするため膜厚の制御やピンホ
ールの抑制が非常に困難となる。

今後超伝導材料の臨界温度はより高くなるものと思われ
るが臨界温度が高くなるに従いコヒーレンス長さはより
短くなるため更に上記点は大きな問題となる。

本発明はこの様な問題を解決するものであり、高臨界温
度で使い安く高速スイッチ化が図れ且半導体との融合が
可能等、超伝導材料の持つ特性を引き出したトンネル素
子を容易に得んとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の問題を解決するため本発明のトンネル素子は１）
超伝導電極の表面部を不活性ガス雰囲気中でプラズマ処
理し、その表面部を絶縁層または半導体層に変えた後そ
の上にもう一方の超伝導または金属電極を形成して成る
ことを特徴とする。

［実施例］ 以下実施例に従い本発明を説明する。

先ず最初に第１図に示すように単結晶ＳｒＴｉＯ３基板
１上に反応蒸着法によりＨｏ１Ｂａ２Ｃｕ３０Ｙ膜（以
後下部電極２とする〉を２５０ｎｍ形成する。

成膜は蒸発原料にそれぞれＨｏ、Ｂａ、Ｃｕの金属を用
い、蒸発はＢａのみ電子ビーム、他の金属はＫｎｕｄｓ
ｅｎセルにより行なった。条件は初期真空度２＊１０−
’Ｔｏｒｒ、成膜中真空度３〜９＊１０−’Ｔｏｒｒ、
基板温度５６０〜６５０℃、成膜速度２０〜３５ｎｍ／
ｍｉｎであり、酸素の供給はマイクロ＊　（ＥＣＲ）で
活性化した酸素プラズマを基板部に成膜中に照射して行
う。この工程で得られた下部電極２はＸ線回折、ＲＨＥ
ＥＤ分析、４端子法抵抗測定によるとエピタキシャル成
長した８９〜９１にの超伝導膜であった。

次に下部電極２の一部をレジストによりマスキングした
後プラズマリアクターを用い下部電極２の表面をプラズ
マ処理する。プラズマ処理によりプラズマに晒された部
分は還元されるとともに構造を一部破壊され半導体層か
絶縁層３になる。この層の厚さはプラズマ処理の出力を
抑えた状態では処理時間の設定で自由に精度良く変えら
れる。

尚使用するガスはヘリウムやアルゴン等不活性ガスある
。塩素ガスやフッ素系ガス等エツチング力の強いガスは
超伝導部の還元や構造破壊を高精度に制御出来ないため
好ましくない。

次にメタルマスクをした後絶縁層３上にＡｕを電子ビー
ム蒸着により厚さ、成膜速度それぞれ６ｎｍ、６ｎｍ／
ｍｉｎで成膜し中間層４を形成する。この中間層４は後
に形成するＨｏ１Ｂａ２Ｃｕ３０Ｙ膜を成膜する過程で
絶縁層３が酸化し超伝導体に戻らないよう防止する為の
ものである。後工程に於て可逆変化を起こさない超伝導
材料を用いる場合はこの中間層４は必要ない。

次に下部電極２と同様に反応蒸着法によりＨｏ１Ｂａ２
Ｃｕ３０Ｙ膜（以後上部電極５とする）を１１００ｎ形
成する。

条件は初期真空度２＊１０−”Ｔｏｒｒ、成膜中真空度
７〜９１１０−’Ｔｏｒｒ、　　基板温度５６０℃、成
膜速度２０〜２５ｎｍ／ｍｉｎであり、酸素の供給はマ
イクロ波（ＥＣＲ）で活性化した酸素プラズマを成膜中
に照射して行う、また成膜後はチャンバー内に酸素を圧
力２Ｔｏｒｒまで導入し５６０℃で３０分ホールドした
後徐冷した。

この様にして得られた素子のＩ　−Ｖ、特性とマイクロ
波照射特性を調べた。

その結果Ｉ−Ｖ特性では超伝導ジョセフソン電流がマイ
クロ波照射特性ではシャピロステップ（ＶＳＴＥＰ＝　
ｎ−ｆ　−ｈ／　２　ｅを満足していた。ここでｆはマ
イクロ波周波数、ｎ＝ｏ、　　±１．±２゜±３・・・
　ｈはブランク定数、ｅは電気素量である。）が見られ
ジョセフソン素子となっていることが確認された。

尚ここではジョセフソン素子で説明したが超伝導ベース
トランジスタ、準粒子トンネル効果素子等トンネルバリ
アを形成するものであれば効果は同じであり何等差し支
えない。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば精度良くトンネルバリ
アを形成できるためコヒーレンス長さの短い超伝導材料
を用いても容易にトンネル素子を得られる。そのため超
伝導材料の持つ高臨界温度で使い安く、高速スイッチ化
が図れ且半導体との融合が可能等の有効な特性を引き出
すことが出来

【図面の簡単な説明】

第１図は絶縁層形成までの膜の断面図。 第２図はトンネル素子の断面図。 １・・・基板 ２・・・下部電極 ３・・・絶縁層 ４・・・中間層 ５・・・上部電極 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）超伝導電極の表面部を不活性ガス雰囲気中でプラ
   ズマ処理し、その表面部を絶縁層または半導体層に変え
   た後その上にもう一方の超伝導または金属電極を形成し
   て成ることを特徴とするトンネル素子。